Il metodo standard è il dimensionamento dei lotti basato sulla campagna: allocare il tempo operativo totale tra i prodotti, calcolare il numero di lotti che ciascun prodotto può completare e determinare il volume del lotto richiesto per ciascun prodotto. Per il prodotto (x), il volume preliminare del lotto viene calcolato come:
[ V_{\text{batch},x}
\frac{P_x,v_{\text{react},x}}{t_x/t_{\text{cycle},x}} ]
Il reattore o il miscelatore condiviso viene quindi dimensionato in base al volume effettivo del lotto più grande richiesto dopo il pratico arrotondamento ai lotti interi.
Le apparecchiature condivise vengono dimensionate bilanciando gli obiettivi di produzione, i requisiti di volume specifici del prodotto, i tempi di ciclo e i programmi di campagna. La capacità dell'apparecchiatura determinante è il volume massimo del lotto tra tutti i prodotti lavorati nell'unità condivisa.
Come funziona il dimensionamento delle apparecchiature condivise
Definire le campagne di produzione
Innanzitutto, stabilire il tempo operativo totale disponibile per il programma di produzione. Se i prodotti A, B e C condividono un impianto pilota per 500 ore, i tempi delle loro campagne devono soddisfare:
[ t_A+t_B+t_C=500\ \text{h} ]
Ogni tempo di campagna rappresenta il periodo durante il quale il reattore o il miscelatore condiviso è dedicato a un prodotto.
Determinare i requisiti specifici del prodotto
Per ogni prodotto, identificare:
- La quantità di produzione target, (P_x), tipicamente in kg
- Il volume del reattore o del miscelatore richiesto per unità di massa, (v_{\text{react},x}), in (\text{m}^3/\text{kg})
- Il tempo di ciclo completo del lotto, (t_{\text{cycle},x})
Il tempo di ciclo dovrebbe includere riempimento, lavorazione, svuotamento, pulizia ed eventuali attività di sterilizzazione o cambio formato richieste.
Calcolare il numero di lotti
Il numero preliminare di lotti per il prodotto (x) è:
[ N_x=\frac{t_x}{t_{\text{cycle},x}} ]
Questo calcolo stima quanti cicli di lotto possono rientrare nella campagna assegnata al prodotto.
Calcolare il volume del lotto richiesto
Il volume totale di processo associato a un obiettivo di prodotto è:
[ P_xv_{\text{react},x} ]
Dividere questo volume per il numero disponibile di lotti fornisce il volume preliminare del lotto:
[ V_{\text{batch},x}
\frac{P_xv_{\text{react},x}}{N_x}
\frac{P_xv_{\text{react},x}} {t_x/t_{\text{cycle},x}} ]
Per i miscelatori, si applica la stessa logica quando il volume specificato rappresenta il volume di lavoro necessario per unità di prodotto.
Come viene determinata la dimensione del recipiente condiviso
Eguagliare i volumi preliminari dei lotti
Quando l'obiettivo è trovare la dimensione minima comune dell'apparecchiatura, i volumi preliminari dei lotti possono essere impostati come uguali:
[ V_{\text{batch},A}
V_{\text{batch},B}
V_{\text{batch},C} ]
Insieme al vincolo del tempo totale, queste equazioni possono essere risolte per le durate delle campagne e il volume preliminare comune del recipiente.
Ciò identifica un programma in cui ogni prodotto utilizza l'unità condivisa in modo efficiente.
Convertire i conteggi dei lotti in valori pratici
I conteggi dei lotti calcolati sono spesso non interi. In pratica, un prodotto normalmente non può eseguire una frazione di lotto, quindi i conteggi dei lotti devono essere convertiti in numeri interi.
Il programma della campagna e i volumi dei lotti dovrebbero quindi essere ricalcolati utilizzando quei conteggi di lotti interi invece di affidarsi solo alla soluzione matematica continua.
Selezionare la condizione del prodotto limitante
Dopo l'arrotondamento, calcolare il volume effettivo del lotto richiesto per ogni prodotto:
[ V_{\text{actual},x}
\frac{P_xv_{\text{react},x}}{N_{x,\text{integer}}} ]
Il reattore o il miscelatore condiviso deve essere dimensionato per il più grande di questi valori:
[ V_{\text{equipment}}
\max \left( V_{\text{actual},A}, V_{\text{actual},B}, V_{\text{actual},C} \right) ]
Il prodotto che produce questo massimo è il caso limitante o condizione di progetto determinante.
Perché il tempo di campagna è importante
Gli obiettivi di produzione da soli non sono sufficienti
Un prodotto con un grande obiettivo di produzione non determina automaticamente la dimensione del recipiente. Il volume richiesto per lotto dipende anche dal tempo di ciclo e dalla quantità di tempo di campagna assegnata ad esso.
Un prodotto con un ciclo più lento potrebbe richiedere un volume di lotto maggiore perché è possibile completare meno lotti durante la sua campagna.
L'utilizzo dell'apparecchiatura influisce sul risultato
Allocare più tempo a un prodotto aumenta il suo conteggio di lotti disponibile e può ridurre il volume di lotto richiesto. Tuttavia, quel tempo deve essere sottratto a un altro prodotto, quindi il programma e la dimensione dell'apparecchiatura sono collegati.
Il metodo quindi dimensiona l'apparecchiatura e valuta il programma di produzione insieme.
L'approccio si applica agli impianti pilota flessibili
Questo calcolo è particolarmente utile quando un reattore o un miscelatore è condiviso tra più prodotti invece di essere dedicato a un unico processo. Supporta le decisioni sulla capacità dell'impianto pilota, la pianificazione della campagna e se una dimensione dell'apparecchiatura proposta può soddisfare tutti gli obiettivi di produzione.
Comprendere i compromessi
Le soluzioni continue non sono programmi operativi
Eguagliare i volumi dei lotti produce un progetto preliminare utile, ma i conteggi dei lotti risultanti potrebbero essere frazionari. Trattare quei valori come lotti eseguibili può sottostimare la capacità richiesta.
Il ricalcolo dei lotti interi è quindi essenziale.
Il volume del lotto più grande non è l'unico vincolo
Il volume nominale di un recipiente non è necessariamente il suo volume di lavoro utilizzabile. Le prestazioni di miscelazione, lo spazio di testa, il trasferimento di calore, la sospensione dei solidi, la formazione di schiuma e i limiti operativi di sicurezza potrebbero richiedere una capacità aggiuntiva oltre al volume di processo calcolato.
Il massimo calcolato dovrebbe essere trattato come il requisito di volume di processo, seguito dalle normali tolleranze di progettazione dell'apparecchiatura.
I cambi formato possono ridurre il tempo disponibile
La pulizia e la sterilizzazione devono essere incluse nel tempo di ciclo quando consumano la capacità dell'apparecchiatura condivisa. Ometterle sovrastima il numero di lotti e può produrre un recipiente sottodimensionato.
Le transizioni di prodotto possono anche richiedere cambi formato di campagna più lunghi rispetto a lotti ripetuti dello stesso prodotto.
L'arrotondamento agli interi può creare capacità inattiva
L'arrotondamento dei conteggi dei lotti cambia l'equilibrio tra i prodotti. Un prodotto potrebbe avere tempo di campagna libero mentre un altro determina la dimensione finale del recipiente, quindi il programma finale dovrebbe essere controllato sia per la capacità che per il tempo operativo inutilizzato.
Fare la scelta giusta per il tuo obiettivo
Usa il calcolo come modello di programma e capacità, quindi valida il risultato rispetto ai vincoli operativi pratici.
- Se il tuo obiettivo principale è il volume minimo dell'apparecchiatura: Alloca i tempi di campagna in modo che i volumi preliminari dei lotti siano uguali, quindi dimensiona l'unità utilizzando il volume ricalcolato più grande dopo l'arrotondamento dei lotti interi.
- Se il tuo obiettivo principale è soddisfare gli obiettivi di produzione in modo affidabile: Includi i tempi completi di ciclo e di cambio formato, usa lotti interi e verifica che il recipiente selezionato abbia un volume di lavoro e margini operativi adeguati.
- Se il tuo obiettivo principale è massimizzare l'utilizzo dell'impianto pilota: Confronta le allocazioni di campagna alternative e seleziona il programma che soddisfa tutti gli obiettivi con il minor tempo inattivo e un'accettabile flessibilità operativa.
Il metodo affidabile consiste nel bilanciare il tempo di campagna e i conteggi dei lotti, quindi dimensionare il reattore o il miscelatore condiviso per il volume di lotto pratico più grande.
Tabella riassuntiva:
| Fattore di dimensionamento | Come viene utilizzato |
|---|---|
| Tempo di campagna | Allocare le ore operative disponibili tra i prodotti. |
| Tempo di ciclo | Includere riempimento, lavorazione, svuotamento, pulizia, sterilizzazione e cambi formato. |
| Conteggio lotti | Calcolare i lotti disponibili, quindi convertire i risultati in lotti interi. |
| Volume del lotto | Dividere il volume di processo richiesto di ciascun prodotto per il suo conteggio di lotti interi. |
| Dimensione dell'apparecchiatura | Selezionare il volume di lotto pratico più grande come capacità determinante. |
| Verifiche di progetto | Considerare volume di lavoro, spazio di testa, miscelazione, trasferimento di calore, schiuma e funzionamento sicuro. |
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