Основы проектирования производств основного органического синтеза3

о создании материальных рециклов непревращенного сырья, вспомогательных веществ и материалов, стадий предварительной обработки удаляемых отходов. Примером блок-схемы (на этом этапе) является схема, изображенная на рис 1.1.

Вторым этапом детализации блок-схемы является разбивка каждой стадии процесса на отдельные операции, физические и химические процессы и их обоснование. Это один из важнейших моментов проектирования, определяющий качество всего проекта.

Несмотря на большой ассортимент продукции ООС и многообразие технологических схем, в промышленности используют небольшое количество операций, химических и физических процессов.

–Прием в цех и выдача из цеха жидких, газообразных и твердых веществ; взвешивание и отмеривание; разбавление и т.д.

–Процессы массообмена: растворение, различные виды ректификации, экстракция, процессы использования осмоса и т.д.

–Процессы гидромеханические (отстаивание, центрифугирование, фильтрование и другие). Процессы теплообмена (подогрев, охлаждение).

–Процессы химические (хлорирование, нитрование, окисление, конденсация и другие), осуществляемые в реакторах разного типа.

–Процессы механические (измельчение, рассев, перемешивание, транспортирование веществ и другие).

На данном этапе разработки технологической схемы выбирается необходимое количество и последовательность основных и вспомогательных операций и процессов с целью:

–выпуска готовой продукции в соответствии с требованием ГОСТа или ТУ;

–проведения стадии химического превращения с максимальной скоростью,

–обеспечения наиболее рационального состояния сырьевых продуктов для проведения стадий химического превращения при оптимальных условиях;

–регенерации непрореагировавших основных и вспомогательных веществ;

31

–обезвреживания жидких стоков, газовых выбросов и твердых отходов;

–утилизации тепла и других видов энергии;

–обеспечения возможностей полной автоматизации и механизации производства.

Здесь же решаются вопросы о непрерывном или периодическом режиме отдельных операций и процессов с учетом экономической эффективности режима работы.

Прежде чем приступить к определению состава операций и процессов на стадии подготовки сырья, необходимо уточнить основную задачу, решаемую на этом этапе подготовки технологической схемы – какие формы состояния сырья наиболее рациональны для проведения химического превращения в оптимальных условиях.

Впроизводствах ООС обычно стремятся к созданию однофазной системы в аппаратах, где протекает химическая реакция. Однофазные системы позволяют упростить технологическое и конструктивное оформление стадии химического превращения. Такие системы легче поддаются комплексной автоматизации. Наиболее предпочтительна работа с жидкостями. Так, использование жидкофазных систем позволяет обрабатывать в единице объема реактора большую массу реагентов за единицу времени по сравнению с газовыми системами.

Изучив ГОСТы или ТУ на сырьевые продукты, технологи выбирают процессы и операции, обеспечивающие перевод сырьевых продуктов в рациональную форму. Чаще всего приходится встречаться с операциями приема жидких, твердых и газообразных продуктов, операциями отмеривания, взвешивания, процессами растворения, перемешивания и другими.

При организации приема жидких продуктов приходится иногда предусматривать предварительный их подогрев для снижения вязкости или плавления продуктов в железнодорожной цистерне перед перекачкой. В случае создания прицехового склада на открытой площадке следует предусмотреть необходимость постоянного подогрева емкостей.

32

При организации приема газообразных веществ особое внимание уделяется удалению конденсированных фаз, например воды, при работе с углеводородными газами.

При приеме и переработке твердых продуктов особое внимание уделяют механизации операций и процессов, доставке материалов в цех, разгрузке и размещению в цехе, вскрытию тары и ее обработке, подготовке материалов к использованию, доставке материалов к технологическим аппаратам и дозировке, обработке и удалению твердых и сыпучих отходов производства, переработке твердых целевых продуктов.

В некоторых случаях на стадии подготовки сырья приходится осуществлять операции по повышению качества сырьевых продуктов. Это необходимо, когда рецептурные требования процесса к сырью превышают показатели ГОСТа или ТУ либо когда в исходные вещества добавлены, также в соответствии с ГОСТом или ТУ, ингибиторы и стабилизаторы для хранения и транспортирования. Обычно при этом приходится применять процессы дистилляции, ректификации, абсорбции, фильтрации и т.п. Иногда для этой цели применяются химические процессы, например гидроочистка от сернистых соединений, селективное гидрирование с целью удаления следов ацетилена, разложение перекисей, которые образуются при хранении ряда химических веществ.

На стадии химического превращения приходится иметь дело с явлениями различной физико-химической природы (химические, диффузионные, тепловые и т.п.), которые, как правило, совмещены в локальном объеме реактора и характеризуются большим числом элементов и связей, иерархией уровней элементарных физикохимических эффектов, связанных цепью причинно-следственных отношений. Поэтому необходим качественный анализ физикохимической системы, создаваемой на стадии химического превращения.

На основе проведенного анализа можно составить набор операций, обеспечивающих стадии химического превращения, и опреде-

33

лить их локализацию. Выбирая определенную операцию или их набор, надо точно уяснить достигаемую цель. Необходимо иметь представление о том, как осуществляется данная операция. Например, целью перемешивания могут являться:

–ускорение течения химической реакции;

–обеспечение равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости или обеспечение равномерного распределения и дробления до заданной дисперсности газа или жидкости в объеме жидкости;

–интенсификация нагревания или охлаждения. Перемешивание может осуществляться как в реакторах, так и

вспециальных смесителях, а также в трубопроводах. Перемешивание может осуществляться при использовании механических мешалок с вращательным движением.

При составлении операционной схемы стадии выделения целевого продукта решаются следующие задачи:

–выпуск готовой продукции в соответствии с требованиями ГОСТа или ТУ,

–максимально возможная утилизация побочных продуктов;

–выделение и регенерация непрореагировавшего вещества, вспомогательных продуктов.

Обычно эти задачи решаются за счет использования процессов ректификации, дистилляции, переосаждения и др. Критерием для выбора процессов и их комбинаций является удовлетворение требованям ГОСТа и экономическая эффективность.

Операционная схема производства химических соединений должна решать и вопросы удаления отходов производства. В зависимости от конкретных условий могут предусматриваться как общезаводские установки по переработке отходов, так и прицеховые. Газовые отходы перед выбросом в атмосферу могут очищаться в скрубберах, электрофильтрах или подаваться на факел, к печам сжигания. Органические отходы собирают в специальные сборники и откачивают на установки сжигания или обезвреживания.

34

Рис. 1.2. Операционная схема производства формалина

Разработка данного этапа технологической схемы заканчивается составлением графической операционной схемы производства, которая является элементом графической части проекта. Операционная схема производства формалина приведена на рис. 1.2.

1.5.3. Формирование схемы производства

После составления операционной технологической схемы приступают к составлению принципиальной технологической схемы. Она является аппаратурным оформлением операционной схемы и состоит из ряда технологических узлов. Технологическим узлом называют аппарат или группу аппаратов с обвязочными трубопроводами и арматурой, в которых начинается и полностью заканчивается один из физических (химических) процессов, необходимых для получения целевого продукта. Технологическую схему можно рассматривать как некоторую совокупность технологических узлов. К таким узлам относятся: узлы транспортирования жидкости с помощью насосов, приготовления растворов, обвязка вакуум-насосов;

35

узлы ректификационных колонн, обвязка теплообменной аппаратуры; обвязка реакторов.

Следует заметить, что состав узлов и их структура незначительно меняются от схемы к схеме. Первичные сведения по составу и структуре можно получить из монографий, отраслевых научнотехнических журналов, патентов, альбомов, схем, материалов обследования действующих производств.

На рис. 1.3 приведена принципиальная технологическая схема синтеза формалина.

Разработку и вычерчивание технологической схемы рекомендуется вести в следующей последовательности:

–на лист наносят все вводы и выводы веществ, проводятся линии газовых и жидкостных коллекторов;

–вычерчивается оборудование с относительным сохранением пропорций и расположения;

–аппараты и машины соединяются линиями основных технологических потоков, расставляется необходимая вспомогательная аппаратура;

–изображаются вспомогательные линии (дренажные, продувочные, загрузочные и другие);

–технологическая схема совмещается со схемой КИПа.

На схеме должно быть отражено относительное расположение аппаратов по вертикали, так как только в этом случае будут отражены выбранные методы транспортировки (самотек, передавливание, транспортировка насосом и т.д.). Аппараты на схеме нумеруются слева направо в порядке их расположения, начиная с цифры 1, чтобы облегчить чтение схемы и работу с ней. Для лучшей наглядности нумерацию аппаратов можно проводить, используя принцип подобия. Например, нумерацию колонных аппаратов проводить позициями, начинающимися с буквы К – К1, К2 и т.д., теплообменной аппаратуры – позициями, начинающимися с буквы Т – Т1, Т2 и т.д. При составлении технологической схемы необходимо указать места установки предохранительных клапанов, огнепреградителей, аварийных емкостей и линий для быстрого дренирования аппаратов и емкостей.

36

Технологическая схема снабжается спецификацией оборудования, содержащей следующие данные:

–номер аппарата на схеме и его наименование;

–основная характеристика аппарата (объем, поверхность, размеры и т.д.);

–количество одинаковых аппаратов;

–основной материал для изготовления данного аппарата; номер чертежа.

Вычерченная схема является предварительной.

В процессе проектирования в схему могут вноситься изменения

идобавления. Технологическая схема не может являться окончательной, пока не проведена компоновка оборудования. Окончательная схема производства составляется после разработки всех разделов проекта и вычерчивается на стандартных листах бумаги в соответствии с требованиями ГОСТа.

После этого составляется описание технологической схемы, и она снабжается спецификацией. При описании схемы в начале следует указать, какое сырье подается 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 характеристики протекающего процесса и способ проведения (периодический или непрерывный), перечисляются основные параметры процесса (температура, давление), методы контроля, отходы производства и побочные продукты. В дальнейшем анализируется надежность технологической схемы и указываются способы, применяемые для повышения устойчивости разработанной технологической схемы.

38

2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

2.1. Особенности проектирования оборудования

Под конструированием понимается разработка конструкторской документации, позволяющей изготовить машину. Конструкторская документация является результатом конструкторского творчества, которое подразумевает решение вопросов технологичности конструкции, автоматизации управления машиной, художественноэстетического оформления, безопасности работы, надежности и конкурентоспособности машины.

Под проектированием обычно понимается подбор типового оборудования и обоснование необходимости разработки нетипового оборудования с разработкой полного технологического проекта.

Применительно к конкретному аппарату или машине под проектированием понимается разработка принципиальной схемы или технического проекта с подбором типовых сборочных единиц и деталей.

Процесс проектирования состоит в том, чтобы для разрабатываемого объекта найти конкретное решение, которое, удовлетворяя всем поставленным требованиям, было бы наилучшим с экономической точки зрения. При проектировании без применения ЭВМ могут быть найдены работоспособные, но не всегда оптимальные решения. Это объясняется тем, что каждый проектировщик проявляет свой характер проектирования (знания, опыт, наклонности). При проектировании используются следующие методы и приемы: эмпирические, интуитивные, математические, ремесленные, искусства. Например, при разработке эскизных (схематичных) вариантов объекта используются методы аналогии; интуиции, воображения.

Эмпирические приемы всегда опережали развитие теоретических методов, и в настоящее время они позволяют создавать и совершенствовать машины и аппараты.

39

Новые схемы решений возникают сравнительно редко, чаще используются апробированные, удачно выбранные ранее схемы. Если появляется необходимость выбора схемы объекта, проектировщик осуществляет этот выбор в основном без обоснованной аргументации на основе интуитивных соображений.

В большинстве случаев, когда отсутствуют математические методы решения задачи, применяется метод проб. При этом последовательно выбираются сочетания образующих объект элементов. Если при определенном сочетании элементов все предъявляемые к объекту требования удовлетворяются, это означает решение задачи. Этим методом можно получить ряд работоспособных решений, среди которых оптимального решения может не быть. При использовании ЭВМ метод реализуется перебором параметров с нахождением оптимального решения.

Метод макетирования применяется в основном при проектировании цехов и установок. Этот метод позволяет избежать неувязок, упущений и дефектов, которые неизбежны при проектировании цеха бригадами проектировщиков различных специальностей.

Объемный макет всегда наглядней соответствующих чертежей. Над изготовлением макета-проекта одновременно работают все участвующие в проектировании специалисты, благодаря чему качественный уровень принимаемых ими решений и степень их согласованности выше, чем при обычном графическом методе.

Для изготовления макетов-проектов используются дерево, пластмассы, картон, гипс, папье-маше. По готовому макету изготавливаются сборочные чертежи со всеми необходимыми проекциями и размерами.

Детали по характеру их конструирования и расчета можно разбить на следующие три группы.

1.Детали, воспринимающие и передающие основные нагрузки. Размеры этих деталей (оси, валы, шестерни, шпонки, звездочки, обечайки) определяются расчетом с последующим выбором по ГОСТу.

2.Базовые детали, воспринимающие нагрузки. Эти детали обычно имеют сложную форму и не рассчитываются. Работоспособ-

40