Косинцев В.И. и др. Основы проектирования химических производств

Подождите немного. Документ загружается.

131

доставка материалов в цех, разгрузка и размещение их в цехе;

вскрытие тары и ее обработка;

подготовка материалов к использованию;

доставка материалов к технологическим аппаратам и их дозировка;

обработка и удаление твердых и сыпучих отходов производства;

переработка твердых целевых продуктов.

В некоторых случаях на стадии подготовки сырья приходится осуществ-

лять процессы и операции по повышению качества сырья в связи с тем, что

требования технологического процесса превышают показатели стандартов

или ТУ. Обычно применяются процессы перегонки, сорбции, сушки, фильт-

рования и т. п. Иногда приходится использовать и химические процессы, на-

пример гидрирование для удаления следов ацетилена, разложение перекисей,

которые могут образоваться во время хранения ряда продуктов, и т. д.

Особого внимания требует составление схемы стадий химического пре-

вращения, так как проведение технологического процесса при этом предо-

пределяет во многом экономическую эффективность всего производства в

целом.

Исходными данными для составления операционной схемы в этом слу-

чае являются данные по термодинамике, кинетике, механизму химической

реакции, данные о фазовом состоянии реагентов. На основании этих данных

необходимо задаться определенным типом аппарата. При проведении стадии

химического превращения приходится иметь дело с явлениями различной

физико-химической природы: химическими, тепловыми, диффузионными и

гидромеханическими. Они, как правило, совмещены в объеме аппарата и ха-

рактеризуются большим числом элементов и связей, иерархий уровней эле-

ментарных физико-химических эффектов, связанных цепью причинно-

следственных отношений. Поэтому необходимо стремиться, прежде всего,

провести качественный анализ физико-химической системы и процессов,

протекающих в ней. Следует заметить, что глубина детализации зависит от

степени изученности рассматриваемой системы и явлений, связанных с про-

ектируемым процессом.

На основе проведенного анализа можно составить набор операций,

обеспечивающих стадию химического превращения, и определить их лока-

лизацию. Результаты анализа можно представить в текстовом виде или до-

полнить текст графической иллюстрацией (см. пример на рис. 5.2).

Выбирая определенную операцию или их набор, надо точно уяснить

достигаемую цель. Необходимо иметь представление, как осуществляется та

или иная операция. Например, целью перемешивания может являться:

ускорение течения химической реакции;

равномерное распределение твердых частиц в объеме жидкости;

интенсификация теплообмена.

132

Рис. 5.2. Блок-схема физико-химических процессов, протекающих

в гетерофазном реакторе с мешалкой

Перемешивание может происходить как в реакционных аппаратах, так

и в специальных аппаратах-смесителях или в трубопроводах. Перемешива-

ние может осуществляться механическими мешалками, газом или паром,

циркуляцией с помощью насосов, вибраторами или пульсаторами.

При составлении операционной схемы стадии выделения целевого про-

дукта решаются задачи:

выпуск готовой продукции в соответствие с требованием стандартов и

технических условий;

максимально возможная утилизация побочных продуктов;

выделение и регенерация не прореагировавшего сырья и вспомога-

тельных продуктов.

Обычно эти задачи решаются за счет использования процессов дистил-

ляции и ректификации, кристаллизации, переосаждения, сорбционных про-

цессов и т. д. Критерием выбора процесса или комбинации процессов являет-

ся удовлетворение требований стандартов и экономическая эффективность.

Набор операций зависит от принятия решения по выбору вывода из цеха го-

товой продукции (по трубопроводам, в цистернах, бочках, контейнерах,

мешках и т. п.).

Операционная схема должна решать и вопросы удаления отходов произ-

водства. Под отходами производства понимают удаляющиеся в технологи-

ческом процессе продукты, которые не могут быть использованы ни на дан-

ном, ни на другом предприятии, и поэтому подлежат уничтожению или обез-

вреживанию.

Отходами могут быть отработанная охлаждающая вода, отходящие газы,

жидкие органические соединения, химически загрязненные водные стоки,

133

кислотно-щелочные стоки, твердые отходы и т. д. Газовые отходы перед вы-

бросом в атмосферу могут очищаться в скрубберах, циклонах, электрофильт-

рах или подаваться на факел к печам сжигания.

В зависимости от конкретных условий предусматриваются как общеза-

водские установки по переработке и обезвреживанию отходов, так и прице-

ховые.

5.3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

После разработки операционной схемы приступают к составлению

принципиальной технологической схемы, которая, по сути, является аппара-

турным оформлением операционной. Ее можно рассматривать как состоя-

щую из ряда технологических узлов. Технологическим узлом называют ап-

парат (машину) или группу аппаратов с обвязочными трубопроводами и ар-

матурой, в которых начинается и полностью заканчивается один из физико-

химических или химических процессов.

В технологические узлы входят такие объекты, как сборники, мерники,

насосы, компрессоры, газодувки, сепараторы, теплообменники, ректифика-

ционные колонны, реакторы, котлы-утилизаторы, фильтры, центрифуги, от-

стойники, дробилки, классификаторы, сушилки, выпарные аппараты, трубо-

проводы, арматура трубопроводов, предохранительные устройства, датчики

и приборы контроля и автоматизации, исполнительные и регулирующие ме-

ханизмы и устройства.

Абсолютное большинство указанных аппаратов и машин выпускается

промышленностью и стандартизовано. Сведения о типах выпускаемых ма-

шин и аппаратов, их конструкциях и характеристиках можно получить из

различных справочников, каталогов изделий заводов, изданий отраслевых и

информационных институтов, из рекламных материалов и отраслевых науч-

но-технических журналов.

Но, прежде чем составить технологическую схему, необходимо уточ-

нить ряд задач, которые решаются на данном этапе работы. Это, прежде все-

го, обеспечение охраны труда и техники безопасности. Поэтому в технологи-

ческой схеме должны предусматриваться средства предотвращения превы-

шения давления (предохранительные клапаны, взрывные мембраны, гидроза-

творы, аварийные емкости), системы создания защитной атмосферы, системы

аварийного охлаждения и т. д.

На этапе синтеза технологической схемы решается вопрос об уменьше-

нии затрат на перекачку продуктов. Необходимо максимально использовать

самотек для транспортировки жидкостей из аппарата в аппарат. Поэтому уже

здесь предусматривается необходимое превышение одного аппарата над дру-

гим.

На данном этапе определяется набор тепло- и хладоносителей, которые

будут использованы при осуществлении процесса. Стоимость единицы тепла

или холода зависит от наличия на предприятии энергоносителя и его пара-

134

метров. Самыми дешевыми хладоагентами являются воздух и оборотная

промышленная вода. Экономически выгодно основное количество тепла пе-

редать этим дешевым хладоносителям и только остаточное тепло снимать

дорогими хладоагентами (захоложенная вода, рассол, жидкий аммиак и

т. п.). Самыми дешевыми теплоносителями являются топочные газы, но они

не транспортабельны.

Для составления принципиальной технологической схемы на листе мил-

лиметровки сначала проводят линии коллекторов подачи и вывода матери-

альных потоков, теплоносителей и хладоагентов, оставив в нижней части

листа свободной полосу высотой 150 мм, где позднее будут размещены сред-

ства КИПиА. Рекомендуется линии газовых коллекторов проводить в верх-

ней части листа, а жидкостных – в нижней его части. После этого на плоско-

сти листа между коллекторами располагают условные изображения аппара-

тов и машин, необходимых для выполнения операций, в соответствии с раз-

работанной операционной схемой. Условные изображения машин и аппара-

тов не имеют масштаба. Расстояние между ними по горизонтали не регла-

ментируется, оно должно быть достаточным для размещения линий матери-

альных потоков и средств контроля и автоматизации. Расположение услов-

ных изображений по вертикали должно отражать реальное превышение ап-

парата над другим без соблюдения масштаба. Размещенные на плоскости

листа условные изображения машин и аппаратов соединяют линиями мате-

риальных потоков, подводят линии хладоагентов и теплоносителей. Произ-

водится нумерация позиций аппаратов и машин слева направо.

Рис. 5.3. Обвязка узла абсорбции:

I – IV – основные трубопроводы; 1 – абсорбер; 2 –насос; 3 – холодильник абсорбента

135

Особое внимание при проектировании технологической схемы следует

уделять обвязке ее отдельных узлов. Пример такой обвязки приведен на

рис. 5.3. Здесь показан узел абсорбции компонента газовой смеси жидкостью.

Нормальная работа узла абсорбции зависит от постоянства температуры,

давления и от соотношения количества газа и абсорбента. Соблюдение этих

условий достигается установкой следующих приборов и арматуры.

На линии подачи газа (I: диафрагма расходомера, пробоотборник, бо-

бышка для замера давления и бобышка для замера температуры.

На линии выхода газа (II): диафрагма расходомера, пробоотборник, бо-

бышка для замера температуры, бобышка для замера давления, регулирую-

щий клапан, поддерживающий постоянное давление «до себя», т. е. в абсор-

бере.

На линии подачи свежего абсорбента (III): диафрагма расходомера, или

ротаметр, пробоотборник, бобышка для замера температуры, регулирующий

клапан, связанный с регулятором соотношения газа и абсорбента.

На линии вывода насыщенного абсорбента (IV): диафрагма расходомера

или ротаметр, бобышка для замера температуры, регулирующий клапан, свя-

занный с регулятором уровня жидкости в нижней части абсорбера.

При разработке технологической схемы следует иметь в виду, что регу-

лирующие клапаны не могут служить запорными устройствами. Поэтому на

трубопроводе должна быть предусмотрена запорная арматура с ручным или

механическим приводом (вентили, задвижки), а для отключения регулирую-

щих клапанов – обводные (байпасные) линии.

Вычерченная схема является предварительной. После проведения пред-

варительных материальных и тепловых расчетов в разработанной технологи-

ческой схеме должны быть проанализированы возможности рекуперации те-

пла и холода технологических материальных потоков.

В процессе проектирования в технологическую схему могут вноситься и

другие изменения и добавления. Окончательное оформление технологиче-

ской схемы производится после принятия основных проектных решений по

расчету и подбору реакторов и аппаратов, по выяснении всех вопросов, свя-

занных с размещением и расположением аппаратов проектируемого произ-

водства.

Так, иногда при подборе оборудования приходится сталкиваться с тем,

что некоторые его виды либо не выпускаются в России, либо находятся на

стадии освоения. Отсутствие какой-либо машины или аппаратов нужной ха-

рактеристики, изготовленных из конструкционного материала, устойчивого в

данной среде, зачастую вызывает необходимость в изменении отдельных уз-

лов технологической схемы и может послужить причиной перехода на дру-

гой, экономически менее выгодный метод получения целевого продукта.

Технологическая схема не может являться окончательной, пока не про-

ведена компоновка оборудования. Например, по первоначальному варианту

предполагалась передача жидкости из аппарата в аппарат самотеком, кото-

136

рый не удалось осуществить при разработке проекта размещения оборудова-

ния. В этом случае необходимо предусмотреть установку дополнительной

передаточной емкости и насоса наносимых на технологическую схему.

Окончательная технологическая схема составляется после разработки

всех разделов проекта и вычерчивается на стандартных листах бумаги в со-

ответствии с требованием ЕСКД.

После этого составляется описание технологической схемы, которая

снабжается спецификацией. В спецификации указывается количество всех

аппаратов и машин.

Резерв оборудования выбирается с учетом графика проведения планово-

предупредительного ремонта и свойств технологического процесса.

Описание технологической схемы является частью расчетно-

пояснительной записки. Целесообразно описывать схему по отдельным ста-

диям технологического процесса. В начале следует указать, какое сырье по-

дается в цех, как оно поступает, где и как хранится в цехе, какой первичной

обработке подвергается, как дозируется и загружается в аппараты.

При описании собственно технологических операций кратко сообщается

о конструкции аппарата, способе его загрузки и выгрузки, указываются ха-

рактеристики протекающего процесса и способ проведения (периодический,

непрерывный), перечисляются основные параметры процесса (температура,

давление и др.), методы его контроля и регулирования, отходы и побочные

продукты.

Описываются принятые способы внутрицеховой и межцеховой транс-

портировки продуктов. В описании должны быть перечислены все изобра-

женные на чертеже схемы, аппараты и машины с указанием присвоенных им

по схеме номеров.

Анализируется надежность разработанной технологической схемы и

указываются способы, применяемые для повышения ее устойчивости.

5.4. РАЗМЕЩЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Прежде всего на технологической схеме определяются типы и количест-

во агрегатов, направление потоков и их взаимное высотное расположение.,

группируется оборудование для процессов с аналогичными вредными выде-

лениями; затем технологическое оборудование размещается на чертежах

компоновки цеха.

При размещении технологического оборудования следует руководство-

ваться принципами группировки.

Прежде всего необходимо выделить оборудование, которое может быть

полностью размещено на открытых площадках и то, для которого достаточно

соорудить укрытия (например кубовая часть колонны). Затем следует сгруп-

пировать аппараты и машины, в процессе эксплуатации которых наблюдает-

ся значительное выделение пыли, сильная вибрация и выделение агрессив-

137

ных веществ; объединить в группы аппараты, размещаемые на наружных ус-

тановках, снабжаемых водой. Все крупногабаритное, тяжелое оборудование

должно быть установлено как можно ниже.

Аппараты с высоко расположенными люками, штуцерами, перемеши-

вающими устройствами, обслуживание которых ведется со специальных

площадок, должно размещаться так, чтобы их можно было использовать в

качестве опор для этих площадок.

В одном помещении не следует объединять оборудование с различными

по категории выделениями. При несоблюдении этого принципа приходится,

например насос, перекачивающий воду, но расположенный рядом с углево-

дородным насосом снабжать электродвигателем во взрывобезопасном ис-

полнении.

Вибрирующее оборудование (поршневые компрессоры, насосы, дробил-

ки и т. п.) объединяют и размещают на массивных фундаментах, тщательно

изолированных от соседних строительных конструкций.

Основным критерием оценки расположения оборудования является

стройность, симметричность, максимальная упорядоченность размещения

всех аппаратов и машин. В каждом технологическом помещении они должны

образовывать вертикальные и горизонтальные ряды с одним или нескольки-

ми основными проходами шириной 1,2 м и удобными подходами к каждому

агрегату, ширина которых в свету не менее 0,8 м.

В качестве основных проходов и проездов целесообразно использовать

перекрытия каналов, проходящих вдоль по цеху.

Расстановка аппаратов на нулевой и других отметках должна произво-

дится так, чтобы обеспечит возможность прохождения пучков трубопрово-

дов, подвешиваемых к перекрытиям. Этому могут помешать аппараты, по

какой-либо причине выдвинутые из общего ряда.

При конструировании нового производства в машинном зале большой

протяженности рекомендуется через 40 50 м предусмотреть монтажные

площадки длиной 6 12 м, на которых впоследствии можно будет установить

дополнительное оборудование.

Для проведения чисток, устранения неплотностей, смены изнашиваю-

щихся деталей должны быть предусмотрены рабочие площадки и подъемно-

транспортное оборудование.

При установке оборудования в цехе необходимо соблюдать следующие

правила:

основные проходы по фронту обслуживания щитов управления долж-

ны быть шириной не менее 2 м;

основные проходы по фронту обслуживания и между рядом машин

(компрессоров, насосов, местные контрольно-измерительные приборы и

т. д.) при наличии постоянных рабочих мест должны быть не менее 1,5 м;

проходы между компрессорами должны быть не менее 1,5 м, а между

насосами – не менее 1 м;

138

расположение оборудования на открытом воздухе и внутри здания,

должно обеспечивать свободный проход к аппаратам, шириной не менее 1 м

со всех сторон;

свободный доступ к отдельным узлам управления аппаратами;

наличие ремонтных площадок с размерами, достаточными для разбор-

ки и чистки аппаратов и их частей (без загромождения рабочих проходов, ос-

новных и запасных выходов и площадок лестниц).

Размещение технологического оборудования над вспомогательными и

бытовыми зданиями и помещениями и под ними не допускается.

Для предотвращения влияния вибрации, вызываемой работой ряда ма-

шин, необходимо соблюдать следующие условия:

фундаменты под компрессоры должны быть отделены от конструкции

здания (фундаментов, стен, перекрытий и т. д.);

при необходимости должна применяться изоляция фундаментов, пре-

дохраняющая их от вибрации и т. п.

139

Г л а в а 6

________________________________________________________________

ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

________________________________________________________________

Эта глава посвящена краткому рассмотрению следующих вопросов:

выбор наилучшего типа промышленного реактора для заданной хими-

ческой реакции;

определение его основных размеров;

подбор оптимальных рабочих условий процесса.

При решении задач такого типа инженер-проектировщик обычно исхо-

дит из двух условий: объема производства (т. е. потребной суточной произ-

водительности) и кинетики реакции. В остальном же он располагает значи-

тельной свободой выбора. Он может остановиться на периодическом реакто-

ре, или одной из разновидностей реакторов непрерывного действия; в опре-

деленных пределах он может выбрать наилучшее, с его точки зрения, значе-

ние для начальных концентраций реагентов, рабочих температур и давлений;

и, наконец, в ходе реакции он имеет возможность вносить изменения в неко-

торые из этих переменных.

Что же является критерием выбора?

Как правило, основным критерием, влияющим на решения проектиров-

щика, являются экономические соображения (стоимость или прибыль) и аг-

регатное состояние вещества. Однако не следует обходить молчанием при-

чины принятия данного критерия, как бы очевидны они не были. Несомнен-

но, в химической промышленности действуют и другие взаимосвязанные

факторы, не поддающиеся экономическому учету, важнейшим из которых

является техника безопасности. В условиях эксплуатации один процесс мо-

жет оказаться безопаснее другого; он может быть менее пагубным в отноше-

нии воздействия на окружающую среду или более удобным для обслужи-

вающего персонала. Однако этот фактор невозможно учесть в обычном кри-

терии стоимости.

6.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Основным элементом технологической схемы является реактор, от со-

вершенства которого зависит качество выпускаемой продукции. Для всех ре-

акторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь

между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающе-

го в ней химического процесса.

140

Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру, яв-

ляются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический

и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.

По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура

может быть разделена на три группы:

реактор непрерывного действия;

реактор периодического действия;

реактор полунепрерывного (полупериодического) действия.

По гидродинамическому режиму различают следующие типы:

реактор вытеснения непрерывного действия (РВНД);

реактор смешения непрерывного действия (РСНД);

реактор промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим

режимом).

По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:

изотермический реактор;

адиабатический реактор;

политропический реактор.

Ниже кратко рассматриваются все указанные здесь типы реакторов.

Рис. 6.1. Установка для непрерывного процесса:

1 – теплообменные аппараты; 2 – реактор

Реактор непрерывного действия. В таком реакторе (рис. 6.1) все от-

дельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реаги-

рующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществ-

ляются параллельно и одновременно. Характер изменения концентраций реа-

гирующих веществ в реакционном объеме различен в разных точках объема

аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.