139 Trvalé zlepšování technologických procesů v Hexion Specialty Chemicals, a.s. Ing. Jan Martinec, Ph.D., ing. Jan Nájemník. Hexion Specialty Chemicals, a.s., Tovární 2093, 356 01 Sokolov, ČR. E-mail: jan.martinec@hexion.com, tel.: +420352614220. 1. ÚVOD Chemické závody v Sokolově (nyní Hexion Specialty Chemicals, a.s) byly založeny v roce 1917. Dlouhá léta podnik využíval především blízkých zdrojů uhlí k provozu poměrně energeticky náročných technologií. Hlavním nosným em byla více než 60 let výroba karbidu vápníku, doprovázená dalšími elektrochemickými a elektrotermickými technologiemi. Na konci 60. let došlo k první významnější změně ve výrobkovém portfoliu, byla zahájena výroba kyseliny mravenčí. Tento drobný krok ke změně byl sice významný, ale ještě nevytvářel podmínky pro opuštění energeticky náročných a ekologicky problematických zastaralých výrob. K tomu došlo až později. V první polovině 70. let byly zahájeny první experimenty s akrylátovou chemií, která byla velkým příslibem pro budoucí úspěšný rozvoj moderní chemie v Sokolově. Úspěšné zvládnutí výroby akrylátových disperzí a úspěch na tehdejším trhu byly základem pro další expanzi těchto technologií. Zvyšující se výroba, a s tím rostoucí potřeba dovozu surovin při nedostatku potřebných devizových prostředků, umožnila prosadit ambiciózní záměr zavedení vlastní výroby akrylových monomerů v Sokolově. Po určité době experimentů s vývojem vlastní technologie (ethylakrylát, katalyzátory pro kyselinu akrylovou), bylo nakonec rozhodnuto o nákupu licence z Japonska (rok 1977). 2. ROZVOJ MODERNÍ CHEMIE V SOKOLOVĚ 1. ledna letošního roku uplynulo právě 25 let od prvního nástřiku propylenu do oxidačních reaktorů, a tím k zahájení skutečného přerodu firmy směrem k moderní průmyslové chemické výrobě. Nákup licence v roce 1977 neznamenal jenom změnu výrobního u, ale také předznamenal komplexní změnu v přístupu k výzkumu a vývoji. Již po prvních zkušenostech s novou výrobní technologií bylo zřejmé, že bude nutné zcela přehodnotit stávající postupy a rozvíjet komplexní přístup nejen k řešení nových problémů, ale především se intenzivně zabývat rozvojem získané technologie pro udržení konkurenceschopnosti na západoevropských trzích. Zejména po roce 1989 se tento požadavek stal klíčovým pro další rozvoj a existenci firmy. V nákupu licence na druhou výrobní linku výroby kyseliny akrylové a esterů se již projevily získané zkušenosti z první výrobny a stali jsme se rovnocenným partnerem našim dodavatelům. Podařilo se aplikovat unikátní zlepšení, především v oblasti energií a technologického zařízení, která byla výsledkem vlastních vývojových aktivit. Postupně se dařilo řešit mnoho problémů, které přišly s novou technologií. Mimořádná pozornost se věnovala ochraně životního prostředí (redukce pachových exhalací z desítek případů na 2-3 ročně, řešení likvidace odpadních vod). Další prioritou byla ekonomika výroby, postupně se podařilo snižovat spotřebu hlavní suroviny, propylenu, ze 770 kg/tunu kyseliny akrylové až na současných 705-710 kg. Viditelných úspěchů bylo dosaženo v rozvoji výrobních kapacit, kdy z původních instalovaných kapacit (55 tisíc tun kyseliny akrylové a 53 tisíc tun esterů) jsou dnes dostupné kapacity více než 65 tisíc tun kyseliny akrylové a přes 64 tisíc tun esterů. Rozvoj těchto moderních technologií vyžaduje neméně moderní postupy a techniky, které byly postupně vypracovány a v současné době přispívají rozhodujícím způsobem k dalšímu rozvoji chemie v Sokolově. 1121
3. METODIKA A NÁSTROJE VYUŽÍVANÉ PRO ZLEPŠOVÁNÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ V následujícím textu jsou popsány základní postupy a nástroje využívané pro zlepšováním technologických procesů v Hexion Specialty Chemicals, a.s. (dále jen Hexion). V případě kontinuální výroby akrylových monomerů jsou tyto technické aktivity zaměřeny především na zvyšování kapacity výroby, snižování provozních nákladů, zlepšování kvality produktů, snižování produkce odpadů a zlepšování bezpečnostních parametrů výroby. Projektový systém Základním rámcem pro práci na zlepšování technologie je systém projektového řízení. Jedná se o metodiku identifikace, hodnocení, přípravy, realizace a závěrečného hodnocení aktivit zaměřených na technický rozvoj. Systém definuje typické činnosti a způsob práce všech pracovníků zapojených do řešení technických aktivit v průběhu celého životního cyklu projektu. Metodika dále určuje způsob dokumentace průběhu projektu a způsob komunikace v rámci projektového týmu i mimo něj. Postupy používané při řešení technických úkolů jsou shrnuty ve firemním projektovém manuálu. Pro evidenci všech technických aktivit byla vyvinuta vlastní databáze založená na databázové a komunikační platformě Lotus Notes. Systém projektového řízení používaný v Hexion vychází z obecných principů řízení projektů, byl ale přizpůsoben charakteru úkolů řešených při zlepšování kontinuálních procesů v chemické výrobě. Systém je založen na tzv. stage-gate principu. Ten spočívá v rozložení řešení projektu do několika fází s rozhodovacími bloky (brány; gates) mezi jednotlivými fázemi. Cílem opakovaného hodnocení připravenosti a kvality projektu při přechodech přes brány je zajistit, aby: - projekt byl řešen v logickém sledu kroků od hodnocení a plánování přes vývoj a provozní testy až po realizaci a konečné hodnocení úspěšnosti; - při postupu do další fáze projektu byl projekt dostatečně připraven tak, aby v další fázi nedošlo k výraznému odklonu od přijatého plánu řešení (čas, peníze); - v průběhu řešení nedošlo k odklonu cíle projektu od potřeb zákazníka (výroba, business). V konečném důsledku přispívá tento systém ke zvýšení pravděpodobnosti úspěchu projektů, tj. k dosažení očekávaného přínosu v očekávaném čase při vynaložení očekávaných finančních zdrojů. Stage-gate postup pro řešení typického rozvojového projektu v Hexion sestává ze sedmi fází, jak je ukázáno na Obr. 1. Náplň jednotlivých fází je zřejmá z jejich názvů. Zahrnut je investiční proces, protože vyústění rozvojových projektů v projekty investiční je obvyklé. Zachování kontinuity při přechodu projektu z fáze vývoje do fáze realizace je klíčové pro úspěch projektu. Každá projektová fáze má určité doporučené výstupy deliverables, které jsou při průchodu přes gate předkládány projektovým týmem technickému a ekonomickému managementu firmy k posouzení. Jedná se např. o analýzu patentovatelnosti, ekonomické hodnocení projektu, analýzu bezpečnosti a ekologických parametrů vyvíjeného procesu apod. Úroveň znalostí o vyvíjeném procesu se v průběhu životního cyklu projektu mění. Proto jsou některé deliverables vypracovávány opakovaně a informace v nich obsažené postupně zpřesňovány. Pro vybrané projekty je využíván systém řízení označovaný jako Six sigma. Také metodika Six sigma je postavena na stage-gate principu. Významně jsou využívány statistické metody. Metodika Six sigma je vhodná pro řešení nejasných problémů s řadou vstupních parametrů (provozní podmínky, kvalita surovin, lidský faktor aj.), které mohou mít vliv na výstupní parametry procesu (kvalita produktu, spotřeba surovin apod.). 1122
Sběr námětů, optimalizace proj. portfolia, iniciace projektu Fáze 1: Hodnocení a plánování projektu Fáze 5: Detailed design Fáze 6: Realizace Fáze 4: Basic design Fáze 2: Výzkum a vývoj Fáze 3: Poloprovozní a provozní testy Fáze 7: Hodnocení přínosů Obr 1 Stage-gate přístup k řešení vývojových projektů v Hexion Sběr námětů na projekty a optimalizace projektového portfolia Pro identifikaci námětů na rozvojové projekty je využíváno několik postupů. Klíčovým zdrojem námětů je komunikace pracovníků technického rozvoje s pracovníky výrobních provozů a údržby. Tato komunikace probíhá, mimo jiné, v rámci pravidelných schůzek těchto útvarů. Dalším důležitým zdrojem námětů na technické projekty jsou pravidelné prověrky technologie (technology benchmarks). V rámci těchto prověrek jsou posouzeny výkonnostní parametry výrobních jednotek Hexion. Analyzován je současný stav a vývoj kapacit, spotřebních norem surovin a energií, kvality výrobků aj. Výkonnost technologie Hexion je porovnána s úrovní procesů konkurence. Identifikováno je fyzicky či morálně zastaralé zařízení a vyhledány příležitosti pro zlepšení. Informace o konkurenčních technologiích jsou čerpány z technicko-ekonomických studií SRI, Tecnon apod., z odborné a patentové literatury. Některé informace o konkurenčních technologiích lze získat také v rámci komunikace se zákazníky. Na základě prověrek technologie je poté aktualizován koncept technologického rozvoje. Náměty na projekty přicházejí také jako výstupy z u rizikových analýz procesu, který v Hexion probíhá. Podnětné bývají také pravidelné diskuze pracovníků technického rozvoje se zástupci obchodního úseku. Protože lidské i finanční zdroje využitelné pro práci na rozvoji technologie jsou omezené, množství námětů na projekty převyšuje počet projektů, které mohou být řešeny. Důležitým krokem je proto optimalizace projektového portfolia, tedy výběr těch nejkvalitnějších námětů pro realizaci. Jedná se o jakousi nadstavbu vlastního projektového řízení. V Hexion provádí tento výběr projektů tým složený ze zástupců útvarů technického rozvoje, výroby a obchodního úseku. Hodnocení námětů na projekty je semi-kvantitativní. Pro výběr nejlepších námětů na projekty byla stanovena kriteria, jako je návratnost investice, doba nutná pro dokončení projektu, pravděpodobnost úspěchu (technického i obchodního) apod. Pro každý námět na projekt je známkou vyhodnoceno, jak splňuje dané kriterium. Známky za jednotlivá kriteria jsou poté sečteny a náměty seřazeny podle celkového skóre. Po takovémto kvantitativním hodnocení námětů na projekty přichází na řadu posouzení navrženého projektového portfolia jako celku. Provedena je analýza využití lidských zdrojů a posouzení vyváženosti portfolia z pohledu krátkodobého a dlouhodobého rozvoje firmy. Správně provedená optimalizace projektového portfolia zajistí, že řešené projekty jsou v souladu s obchodní strategií firmy, odrážejí situaci na trhu a maximalizují přínosy při optimálním využití dostupných lidských a finančních zdrojů. 1123
3.3 Další nástroje používané pro zlepšování technologických procesů Zatímco projektový systém zajišťuje metodicky správný přístup k řešení projektu v rámci jeho celého životního cyklu, využívána je řada dalších, konkrétněji zaměřených nástrojů, které zefektivňují práci v jednotlivých fázích řešení úkolu. V Hexion je intenzivně využívána matematická simulace výroben nebo jejich částí pomocí komerčních simulátorů chemických procesů, jako je HYSYS nebo Aspen. Podobně jako při simulaci jiných chemických procesů, také při modelování výroben akrylových monomerů je pro kvalitu výstupů modelu klíčová kvalita použitých rovnovážných dat. Ve výrobě akrylových monomerů jsou běžné 2- a 3-fázové azeotropické směsi a neideální chování parní fáze v důsledku dimerace organických kyselin. Akrylové monomery snadno polymerují a zanášejí technologické zařízení. Výsledkem jsou časové změny v průchodnosti zařízení, separační účinnosti, v tepelných výkonech aparátů apod. Rychlost nežádoucí polymerace akrylových monomerů a tedy průběh zanášení zařízení je ovlivněn celou řadou faktorů. Matematická simulace výroben akrylových monomerů je proto specifická a vyžaduje praktickou znalost procesu. Při přípravě konceptu nového/zlepšeného procesu, ale i později při přípravě prováděcí dokumentace jsou nasazovány postupy pro zlepšení hodnoty (Value Improving Practices, VIPs). Jedná se o balík nástrojů používaných pro zjednodušení procesu, zvýšení jeho efektivity a snížení investičních nákladů. 4. PŘÍKLADY REALIZOVANÝCH PROJEKTŮ V následujících odstavcích jsou uvedeny tři příklady realizovaných projektů zaměřených na zlepšování technologických procesů. Vybrán byl projekt zaměřený na zvýšení kapacity, projekt cílený na snížení výrobních nákladů při výrobě akrylátů a projekt zaměřený na intenzifikaci jednotky pro zpracování odpadů. 4.1 Intenzifikace výrobny kyseliny akrylové Typickým příkladem projektu zaměřeného na zvýšení kapacity výroby byla intenzifikace výrobny kyseliny akrylové č. 1 v roce 2002. V rámci projektu byly instalovány nové oxidační reaktory. Nově instalovaný recykl inertních plynů do oxidačních reaktorů umožnil snížení nástřiku vodní páry a tím výrazně snížil měrné množství produkovaných odpadních vod. V separační jednotce kyseliny akrylové bylo provedeno několik zásahů pro zvýšení průchodnosti. Jednalo se např. o instalaci dvou výkonnějších výměníků tepla, výměnu destilačních pater jedné z kolon nebo nahrazení sypané výplně v jiné koloně výplní s větší kapacitou. Upraveny byly provozní podmínky. Investiční náklady dosáhly ca. 15 mil. dolarů. Dosaženo bylo zvýšení kapacity výrobny o 50 %. Z pohledu spotřebních norem surovin a energií se výkonnost výrobny přiblížila úrovni nejmodernějších jednotek světových výrobců kyseliny akrylové. 4.2Instalace rozkladného reaktoru destilačních zbytků V jednotce 2-ethylhexylakrylátu (EHA) probíhá právě nyní instalace reaktoru, ve kterém bude za vysoké teploty v přítomnosti kyselého katalyzátoru probíhat rozklad vysokovroucích složek na využitelné monomery. Tyto využitelné složky budou vydestilovány a recyklovány do výrobní jednotky. Výrazně se tak zlepší spotřební normy surovin. V rámci fáze výzkumu a vývoje k tomuto projektu byly pomocí řady laboratorních simulací reaktoru a celé jednotky EHA nalezeny optimální provozní podmínky (teplota a tlak v reaktoru, koncentrace katalyzátoru, doba zdržení kapaliny) a na jejich základě navrženo reaktorové uspořádání. Návratnost projektu za ca. 10 mil. Kč je odhadována na 1 rok. 1124
4.3 Optimalizace jednotky pro zpracování odpadů Destilační zbytky, odplyny nebo kontaminované vody jsou termicky zpracovávány v jednotkách pro zpracování odpadů. Toto zpracování je spojeno s poměrně vysokými provozními náklady. Existuje řada možností, jak tyto náklady snížit. Vedle minimalizace množství zpracovávaných vod je možné nahradit zemní plyn alternativním palivem, intenzifikovat regeneraci tepla neseného spalinami, optimalizovat nástřik vzduchu a provozní teplotu. To vše samozřejmě bez negativního dopadu na kvalitu emisí. Všechny tyto postupy byly použity v projektu realizovaném na začátku r. 2009. Projekt s investičními náklady v řádu milionů Kč slibuje dobu návratnosti 1 rok. 5. DOPADY ZLEPŠOVÁNÍ PROCESŮ NA VÝKONNOST FIRMY Úspěšnost trvalého zlepšování technologických procesů ve výrobně Hexion v Sokolově je možné demonstrovat na vývoji výrobních kapacit. Zatímco původně projektovaná kapacita výroben akrylových monomerů v Sokolově byla 108 tis. tun/rok, současná celková kapacita je 129 tis. t/rok. Toto 19% navýšení kapacit bylo z ca. 50 % procent dosaženo modernizací výrobny kyseliny akrylové č. 1 v r. 2002, zbývající přírůstek kapacit byl dosažen optimalizací technologie bez investic. Zlepšováním technologie byla snížena surovinová nákladnost výroby. Spotřební norma hlavní suroviny propylenu klesla o cca 10 %. Významných úspor bylo dosaženo v oblasti energií. Např. spotřeba zemního plynu klesla od r. 2000 i přes zvyšování výrobních kapacit o 32 %, spotřeba uhlí o 12 %. Značného pokroku bylo dosaženo v oblasti ochrany životního prostředí. Emise organických látek z výrobních technologií a spalovacích procesů byly v r. 2007 na 65 % úrovně roku 2000 a jen na 18 % úrovně roku 1995. Počet potvrzených hlášení pachových exhalací poklesl z průměru 1,42/rok v letech 1995-2000 na průměr 1,14 v letech 2001-8. 6. ZÁVĚR VÝHLED Trvalý rozvoj je jednou z hlavních podmínek nutných pro zajištění dlouhodobé životaschopnosti firmy. Pouhý nákup licence, bez dalšího rozvoje nové technologie vede k velmi rychlému zaostávání za konkurencí. U složitých technologií je nezbytné používání souboru metodik a nástrojů, které umožní komplexní přístup k řešení problémů. Moderní nástroje projektového řízení zajistí efektivní využívání dostupných zdrojů lidských i materiálních. Správné pochopení a využívání těchto nástrojů, postupů a systémů přinese snížení byrokracie spojené s projektovou činností. V současném krizovém období je hlavní prioritou hledání příležitostí ke snižování nákladů všeho druhu. Omezujícím prvkem pro projekty většího rozsahu je omezení investičních zdrojů a nejvyšší prioritu mají opatření, která nevyžadují investice. Tento stav je však nutné považovat za dočasný a z hlediska rozvoje firmy nemůže dojít k přerušení aktivit směřujících k další modernizaci. Je nutné se již dnes připravovat na nástup konjunktury po ukončení krize. Firmy, které nebudou připraveny rozvíjet své technologie, budou zaostávat. 1125