Разработка технологической схемы производства

Наиболее важный этап проектирования – разработка рациональной технологической схемы (с подбором технологического оборудования) на основании технологического регламента производства. Последний является основным документом для разработки проекта нового технологического процесса, его состав и объём определены эталоном. Отвечает за составление и выдачу технологического регламента отраслевой научно-исследовательский институт, который при необходимости привлекает к составлению регламента другие организации.

Регламент для проектирования химико-технологических процессов содержит следующие сведения:

• литературные данные о процессе и сведения об аналогичных производствах за рубежом; обзор научно-исследовательских работ по отдельным стадиям процесса; описание технологических схем опытных и полузаводских установок, на которых отрабатывался процесс, и изложение полученных при этом результатов;

• техническую характеристику исходного сырья, основных продуктов и вспомогательных материалов (включая воду, сжатый воздух и азот для технологических целей, теплоносители и хладагенты); области применения основных продуктов;

• физико-химические константы и свойства исходных, промежуточных и конечных продуктов;

• химизм процесса по стадиям; физико-химические основы процесса; принципиальную технологическую схему производства;

• рабочие технологические параметры (нормы технологического режима);

• материальный баланс производства по стадиям процесса (в виде таблиц);

• характеристику побочных продуктов и отходов; направление на утилизацию;

• математическое описание технологических стадий;

• рекомендации для проектирования системы автоматизации процесса;

• рекомендации по проведению аналитического контроля;

• методы и технологические параметры очистки сточных вод, обезвреживания газовых выбросов, ликвидации вредных отходов;

• мероприятия по технике безопасности, промышленной санитарии и противопожарной профилактике;

• патентный формуляр, определяющий патентную чистоту процесса в России и в промышленно развитых странах;

• экономическое обоснование процесса, включающее прогнозы потребности в товарном продукте и обеспечение производства сырьём на перспективу.

Технологическая схема – это графическое изображение совокупности операций, составляющих законченный химико-технологический процесс. Она является главным документом, на основании которого осуществляется дальнейшее проектирование. Схема должна полностью отражать технологический процесс, т.е. включать все его стадии, начиная с поступления сырья в цех и кончая упаковкой готовой продукции. Технологические решения, принимаемые при разработке схемы, должны быть проверены экспериментально или подтверждены расчётами. Практика показывает, что при освоении процессов, разработка которых ограничивалась лишь лабораторными исследованиями, без проверки на опытных установках, возникают значительные сложности.

Разработка технологической схемы включает следующие этапы:

1. сравнительный анализ и обоснование выбранного метода производства в соответствии с конкретными условиями;

2. анализ составов, свойств сырья, готового продукта, промежуточных продуктов;

3. определение основных и вспомогательных стадий (операций) и их последовательности;

4. составление вариантов принципиальных технологических схем;

5. расчёт материальных балансов по стадиям;

6. расчёт и выбор технологического оборудования;

7. определение путей и методов удаления, переработки и утилизации отходов производства;

8. решения по механизации и автоматизации процессов;

9. проектирование обвязки трубопроводов, выбор труб и трубопроводной арматуры;

10. вычерчивание технологической схемы совместно со схемой контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации.

Задача анализа и обоснования выбранного метода производства в настоящее время упрощается тем, что метод производства рекомендуется в технологическом регламенте или научно-исследовательских данных, заменяющих его. Тем не менее целесообразно привести критерии оценки метода производства, которые необходимо учитывать при проектировании. К ним относятся технико-экономические показатели метода; возможности обеспечения сырьём, организация доставки продукта, сырья и вывоза готовой продукции; наличие оборудования для промышленной реализации метода; обеспечение заданной мощности и качества продукции; соблюдение санитарно-гигиенических условий труда на производстве; вопросы экологии.

Знание составов и свойств сырья, готового продукта, промежуточных продуктов, реакционных масс требуется для понимания сущности процессов, выбора необходимого оборудования и выполнения расчётов. Качество большинства продуктов регламентировано стандартами (ГОСТ, ОСТ, РСТ, СТП); при их отсутствии на отдельные виды продукции разрабатываются технические условия (ТУ). В стандартах указывают и способы упаковки и транспортировки продукта, от которых (а также от свойств сырья и готовой продукции) зависят технологическое оформление стадий приёма сырья в цех, дозировки, загрузки его в аппараты.

При выборе сырья следует обратить особое внимание на его состав, от которого может зависеть качество получаемого продукта.

При изучении свойств сырья и готового продукта нужно обязательно выяснить показатели пожаро- и взрывоопасности, токсичности перерабатываемых и получаемых продуктов, влияющие на технические решения в проекте, и в первую очередь – на выбор типа оборудования и конструкцию сооружения.

Токсичные, пожаро- и взрывоопасные производства трудны в эксплуатации, а при их строительстве приходится затрачивать дополнительные средства на осуществление мероприятий, связанных с выполнением требований охраны труда, техники безопасности и промышленной санитарии. Вредность производства определяет и размеры санитарной зоны для предприятий и отдельных зданий химических производств. Характер и количество вредных веществ, выделяемых в окружающую среду, является одной из характеристик метода производства.

В соответствии с «Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий» была принята санитарная классификация производств, включающая пять классов – от I до V. Основными критериями, определяющими класс производства, являются свойства готового продукта, сырья и мощность производства.

Например, к классу I относятся производства нитробензола, анилина, нитроанилинов, хлорбензола, фенола и т.д. при суммарной мощности более 1000 т/год; те же производства при суммарной мощности менее 1000 т/год относятся к классу II.

Производства 2-нафтола, аш-кислоты, антрахинона, фталевого ангидрида при суммарной мощности более 2000 т/год относятся к классу I, а при суммарной мощности менее 2000 т/год – к классу II.

Для производств класса I размер санитарной защитной зоны составляет 1000 м, класса II – 500 м, III – 300 м, IV – 100 м, V – 50 м.

В соответствии с документом «Строительные нормы и правила. Производственные здания промышленных предприятий. Нормы проектирования. СНиП 2.09.02-85» производства подразделяются по пожарной опасности на шесть категорий – от А до Е.

К категории А относятся взрыво- и пожароопасные производства, связанные с переработкой, применением и получением жидкостей с температурой вспышки паров 28⁰С и ниже, газов с нижним пределом взрываемости 10% (об.) и ниже, а также веществ, взрыв и воспламенение которых могут произойти при контакте их с водой или кислородом воздуха.

К категории Б относятся взрыво- и пожароопасные производства, связанные с переработкой, применением или получением жидкостей с температурой вспышки от 28 до 61⁰С, газов с нижним пределом взрываемости выше 10% (об.), а также производства, в которых могут образовываться взрывоопасные пылевоздушные смеси.

К категории В относятся пожароопасные производства, связанные с обработкой, применением или получением жидкостей с температурой вспышки паров выше 61⁰С или твёрдых сгораемых веществ.

К категории Г относятся производства, связанные с обработкой несгораемых веществ и материалов в горячем или расплавленном состоянии.

К категории Д относятся производства, связанные с обработкой несгораемых веществ в холодном состоянии.

К категории Е относятся производства, связанные с переработкой веществ, способных взрываться без последующего горения.

СНиП 11-01-95 – инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений.

Проект на строительство предприятий, зданий и сооружений производственного назначения состоит из следующих разделов:

1. общая пояснительная записка;

2. генеральный план и транспорт;

3. технологические решения;

4. организация и условия труда работников. Управление производством и предприятием;

5. архитектурно-строительные решения;

6. инженерное оборудование, сети и системы;

7. организация строительства;

8. охрана окружающей среды;

9. инженерно-технические мероприятия гражданской обороны. Мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций;

10. сметная документация;

11. эффективность инвестиций.

В соответствии с «Правилами устройства электроустановок (ПУЭ)» при выборе электрооборудования производственные помещения и установки делятся на две категории – пожароопасные и взрывоопасные, каждая из которых включает несколько классов, в зависимости от свойств применяемых и получаемых веществ.

Пожароопасными называют помещения или установки (наружные), в которых перерабатываются или производятся горючие вещества. Взрывоопасными называют помещения или наружные установки, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси газов или паров с воздухом и другими окислителями-газами или же смеси горючих пылей или волокон с воздухом.

Использовав исходные данные для проектирования и выбрав метод производства, технолог-проектировщик определяет перечень и назначение технологических стадий (операций) и их последовательность. Здесь выявляются основные и побочные химические реакции, степень превращения исходных веществ, выходы от теоретического на всех стадиях, наличие математического описания для отдельных стадий. Эти сведения являются необходимыми для выполнения материальных, энергетических (тепловых) расчётов.

Для новых сложных производств часто составляют блок-схему, на которой показывают основные технологические стадии и материальные потоки между ними. Выявляют технологические стадии, подлежащие усовершенствованию. Принимаемые решения должны быть направлены на улучшение технико-экономических показателей процесса, санитарно-гигиенических условий труда, экономию общественного труда, сохранение природных ресурсов, улучшение экологических показателей производства. После этого последовательность стадий (операций) производства изображают в виде принципиальной технологической схемы.

При разработке технологической части проекта в соответствии с существующими требованиями и нормами необходимо предусмотреть:

• первичную очистку сточных вод на локальных установках путём извлечения, регенерации, утилизации ценных продуктов, извлечения пожаро- и взрывоопасных веществ, масел, смол, токсичных и других вредных веществ до пределов, допустимых для сброса стоков на биологические очистные сооружения;

• очистку газовых выбросов от токсичных продуктов перед выпуском их в атмосферу или возвращением в систему;

• трубопроводный транспорт для подачи сжатых, сжиженных газов, жидкостей, расплавов, суспензий, пневматический транспорт для перемещения сухих неслипающихся продуктов;

• замену пламенного нагрева электрическим;

• механизацию и автоматизацию производственных процессов для обеспечения безопасности их проведения и возможности контроля и регулирования технологического процесса, а также автоматическую сигнализацию о ходе отдельных процессов и операций, связанных с возможностью выделения вредностей;

• механизацию перемещения сырья, полупродуктов, материалов и готовой продукции;

• применение типового серийно выпускаемого оборудования;

• применение для агрессивных сред аппаратов, изготовленных из стойких или защищённых противокоррозионными покрытиями материалов.

Предварительный вариант технологической схемы вычерчивают с соблюдением определённых правил.

Масштаб (М 1:50, 1:100 в зависимости от размеров оборудования) выдерживается при изображении оборудования и его расположении по вертикали; по горизонтали аппаратуру располагают последовательно в соответствии со стадиями процесса. Расстояние между аппаратами на схеме должно быть таким, чтобы она удобно читалась.

Каждый аппарат показывается в виде упрощённого эскиза, отражающего принципиальное устройство аппарата. При установке на стадии нескольких однотипных аппаратов, работающих параллельно, изображают один (для непрерывных процессов при использовании каскада изображают все аппараты), а число их указывают в спецификации на оборудование.

Основные (материальные) потоки изображают чёткими сплошными линиями с указанием направления потока, вспомогательные потоки (теплоносители, хладагенты, сжатые газы и т.д.) – тонкими сплошными линиями с соответствующей нумерацией, расшифровка которой проводится в правом верхнем углу схемы.

Каждый аппарат на схеме должен иметь номер, который сохраняется во всех частях проекта (технологической, строительной, электротехнической, экономической и т.д.). Аппараты на схеме нумеруют слева направо с учётом технологической последовательности, обязательно указывая привязку к этажу (площадке) и расстояние между этажами.

По технологическим трубопроводам транспортируют газообразные, жидкие, сыпучие вещества и их смеси. Неагрессивной считается среда, вызывающая коррозию стенок трубы менее 0,1 мм в год, среднеагрессивной – 0,1-0,5 мм в год, высокоагрессивной – свыше 0,5 мм в год. В зависимости от агрессивности среды трубопроводы могут быть изготовлены из металлических материалов (углеродистые и легированные стали, цветные металлы и их сплавы, чугун), металлических материалов с внутренним покрытием (резина, эмаль, полимеры, биметалл), неметаллических материалов (полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, фторопласт, стекло, графит, керамика).

Скорость транспортируемых веществ в трубопроводе обычно принимают для воды и маловязких жидкостей (спирт, ацетон, бензол, неконцентрированные растворы кислот и щелочей) – 1-2,5 м/с, для жидкостей с большой вязкостью и суспензий – 0,5-1,5 м/с, для сжатых газов и насыщенного пара – 20-30 м/с.

На линиях основных и вспомогательных потоков изображают стандартными условными обозначениями арматуру.

Во избежание теплопотерь и для обеспечения условий техники безопасности оборудование и трубопроводы, связанные с переработкой и транспортированием продуктов при повышенной или пониженной температуре, должны быть теплоизолированы. Температура на поверхности изоляции нормируется, её требуется принимать:

• для оборудования и трубопроводов, находящихся в помещении с температурой вещества более 100⁰С, - не выше 45⁰С;

• для оборудования и трубопроводов, находящихся в помещении с температурой вещества 100⁰С и менее, - не выше 35⁰С;

• для оборудования и трубопроводов, расположенных на открытом воздухе вблизи мест пребывания обслуживающего персонала, при покровном слое из металла – не выше 55 ⁰С, а при других видах покровных слоёв – не выше 60⁰С.

В качестве теплоизоляционных материалов используют маты из минеральной ваты, маты и полосы из стекловолокна, плиты из тех же материалов на синтетическом связующем, пенопласты, шнур и ткань из асбеста. У аппаратов, подлежащих изоляции, предусматриваются специальные приспособления для крепления изоляции.

Для увеличения срока службы теплоизоляции, снижения коэффициента излучения теплоизолированные аппараты и трубопроводы защищают покровными материалами. Для этой цели применяют тонколистовые оцинкованную сталь, алюминий и его сплавы, стеклопластик и его модификации.

На технологической схеме обязательно показывают, откуда и как поступает в цех сырьё, вспомогательные материалы, куда и каким способом удаляются готовая продукция, отходы, сточные воды. При большом расходе сырья целесообразно организовать его приём на цеховой склад, минуя общезаводской; в этом случае изображают схему приёма сырья в цех (исходная тара – способ разгрузки – приёмная ёмкость). Если для транспортировки сырья или готовой продукции предусмотрен напольный транспорт, это указывают на технологической схеме.

На технологическую схему наносят оборудование не только основных, но и вспомогательных операций – таких, как дозировка (отмеривание) и подготовка (измельчение, растворение, суспендирование и т.п.) сырья, промежуточное хранение продуктов, поглощение отходящих газов и т.д. При этом необходимо исключить лишние операции по перемещению сырья, промежуточных продуктов, реакционных масс внутри производства; не следует усложнять схему приёма, дозировки сырья.

В процессе разработки технологической схемы производят выбор типа оборудования, который уточняют при последующих расчётах и компоновке оборудования. На конструкцию аппарата, способ передачи реакционной массы влияет поэтажное расположение оборудования. Например, при вертикальной компоновке можно использовать аппараты с нижним спуском (не рекомендуется для агрессивных сред) и самотёк реакционной массы.

Разработка технологической схемы тесно связана с выбором методов контроля и регулирования производственных процессов. Для получения информации о значении параметров технологического процесса (температура, давление, расход жидкости или газа, уровень жидкости, кислотность среды и др.), необходимой для принятия мер (вручную или автоматически) в случае отклонения от регламентного показателя, предназначены контрольно-измерительные приборы.

Автоматизация технологической схемы или её отдельных узлов должна обеспечить контроль, регулирование параметров процесса, сигнализацию о предельных значениях регулируемых параметров и – в случае необходимости – блокировку и остановку агрегата в автоматических режимах.

Для принятия правильных решений о контроле и регулировании процесса необходимо выяснить, какие параметры влияют на протекание процесса и с помощью какого управления можно поддерживать их в регламентных пределах.

В ходе проектирования в технологическую схему могут вноситься изменения и дополнения. Окончательное её оформление производится после принятия основных проектных решений и выяснения вопросов, связанных с размещением и взаимным расположением аппаратов в цехе (компоновка оборудования).