Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология проектирования биотехнологических производств. Учебное пособие.pdf
91
Этапы подготовки
проектной документации
Ответственные
организации
1. Предпроектная подготовка
2. Разработка проектной
документации
3. Строительство зданий
и сооружений.
Монтаж оборудования
Авторский надзор
4. Пусконаладочные работы.
Ввод в эксплуатацию
Заказчик,
НИИ
Строительно-
монтажная
организация
Проектировщик
Проектировщик
Пусконаладочные
организации,
НИИ,
Заказчик
Рис. 4.2. Блок-схема принятия решений в процессе проектирования
и создания промышленного объекта
4.2. ПРЕДПРОЕКТИРОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
На стадии предпроектной подготовки решаются следующие задачи:
определение мощности биотехнологического производства;
выбор метода (биотехнологии) производства и типа оборудования;
составление структурной (эскизной) технологической схемы;
расчет материальных и тепловых балансов биотехнологического производства;
выбор площадки строительства;
определение технико-экономических показателей биотехнологического про-
изводства;
подготовка задания на проектирование и исходные материалы.
92
Главной задачей предпроектной подготовки является обоснование инвести-
ций в строительство объекта (далее просто обоснование), т.е. определение экономической и технической целесообразности создания промышленного биотехнологического предприятия.
В обосновании дается краткое описание биотехнологического процесса и обо-
рудования, содержатся основные данные по ситуационному и генеральному планам
предприятия, сведения о строительных, архитектурно-планировочных и конструктивных решениях зданий и сооружений, о складском хозяйстве, ремонтной службе,
о мероприятиях по охране окружающей среды. Приводятся основные решения по
организации строительства и выполняется расчет его стоимости.
В обосновании рассчитывают определяющие показатели проектируемого про-
изводства: себестоимость продукции, годовой выпуск ее, прибыль, численность
персонала, годовой фонд заработной платы, производительность труда одного работающего, удельные капитальные вложения, производственные фонды (в том
числе основные и оборотные), рентабельность фондов (%), срок окупаемости ка-
питальных вложений (число лет), фондоотдача, годовая потребность в основных
видах сырья (тыс. т), потребность в энергоресурсах (электроэнергии, паре, воде),
грузооборот по прибытию и отправлению, потребность в территории (га).
Мощность нового биотехнологического предприятия определяется необходи-
мой потребностью общества не менее чем на пять лет вперед с возможностью расширения производства. Для определения мощности используют балансовый и статистический методы [6].
При выборе метода (биотехнологии) производства используют следующие
критерии: технико-экономические показатели, возможности обеспечения сырьем,
организация доставки сырья и вывоза готовой продукции, наличие оборудования
для промышленной реализации биотехнологии, обеспечение заданной мощности и
качества биопродукции, соблюдение санитарно-гигиенических условий труда на
производстве, вопросы экологии.
Существующие способы разработки биотехнологического производства получения целевых продуктов включают этапы выбора метода (биотехнологии) производства, разработки и оптимизации технологической схемы [6].
93
4.2.1. Выбор метода (биотехнологии) производства
Выбор оптимального маршрута производства биопродукта осуществляют
биотехнологи либо на основе списков известных биохимических реакций, либо на
основе биохимических аналогий. На этой стадии задаются вид сырья и его ресурсы,
получают оценки возможных количеств целевых биопродуктов, степень использования сырья. Знания кинетических характеристик здесь не требуются, нужны лишь
оценки значений степеней превращения.
На этом этапе составляется материальный баланс биотехнологического процесса, который позволяет произвести предварительный расчет экономической эффективности метода (биотехнологии) производства, основанного на предполагаемой стоимости продуктов и сырья, без учета капитальных и эксплуатационных затрат. В результате такого расчета выясняется целесообразность дальнейшей проработки данного метода (биотехнологии) производства целевых биопродуктов.
Продукты биотехнологии получают по индивидуальным технологиям со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства и их технологическими режимами [3]. Принципы выбора метода (биотехнологии) производства
можно сформулировать следующим образом:
переход на новые технологии, которые позволили бы увеличить выпуск необходимой продукции заданного качества, не нарушая требований экологии;
создание новых производств, использующих в качестве сырья отходы;
определение допустимых количеств различных биопродуктов, которые мо-
гут попадать в биосферу без вредных последствий для окружающей среды и человека или могут быть усвоены природными биологическими системами;
создание малоэнергоемких производств и производств с малым потреблением воды.
Особенностью прогресса в микробиологической промышленности является
повышение степени комплексности переработки сырья. Во всех странах наблюдается стремление сократить потребление природных ресурсов и увеличить степень
использования вторичных материальных и энергетических ресурсов. Мировой и
отечественный опыт показывает, что 80% экономии материальных ресурсов связано с внедрением ресурсосберегающих технологий и лишь 20% – с другими меро-
94
приятиями. Более 50% экономии топливно-энергетических ресурсов в микробиологической промышленности в России можно получить за счет совершенствования
технологических процессов, примерно 20% – путем более полного использования
вторичных энергетических ресурсов и около 25% – за счет организационно-технических мероприятий. Обобщающим принципом при создании малоотходных производств является системный подход, который следует использовать при проектировании, создании и эксплуатации производства.
4.2.2. Основные положения расчета материального баланса
биотехнологических производств
Расчет материальных балансов от отдельных стадий до биотехнологического
производства в целом позволяет определить состав и количество многокомпонентной смеси биопродукта, расходные коэффициенты по сырью, количество отходов,
технологическую себестоимость биопродукта, а также выявить узкие места в
производстве, где происходят основные технологические потери.
Материальный баланс – это уравнение, в левой части которого суммируются
массы всех видов сырья и вспомогательных материалов, а в правой – массы
получаемых продуктов и технологических потерь.
На основании материального баланса рассчитывают:
– потребность биотехнологического производства в сырье и вспомогательных
материалах;
– количество единиц и объем технологического оборудования производства;
– технологические и некоторые технические и экономические показатели
эффективности функционирования биотехнологического производства;
– энергетический (тепловой) и эксергетический балансы.
В практике технологических расчетов составляется несколько материальных
балансов: общий баланс – по всем компонентам сырья сырьевого и продуктового
потоков и частный баланс – по одному из компонентов сырья.
Материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений
с учетом состава исходного сырья, степени превращения, потерь сырья и готового
продукта [3, 5, 20].
95
Уравнения материального баланса биотехнологической системы основаны на
законе сохранения массы веществ и учитывают протекающие в системе физикобиохимические процессы. Масса всех веществ, вошедших в систему, равна массе
всех веществ, выходящих из нее:
,
где
,
массы входных и выходных потоков соответственно; нумера-
ция потоков; , количество входных и выходных потоков соответственно.
Кроме баланса по всем веществам составляют баланс по отдельным компонен-
там. Так, для -го компонента можно записать
,
где
источник -го вещества в системе.
Источником вещества является химическая реакция; если вещество образу-
ется, то
; если
, то вещество расходуется.
Теоретический баланс составляют и рассчитывают исходя из стехиометрии реакции и известных молекулярных масс реагентов и продуктов. Этот вид баланса
составляют при проектировании нового продукта в условиях неполной информации о процессе; он также необходим для сопоставительного анализа работы биотехнологического производства в качестве основы для сравнения.
Фактический материальный баланс составляют на основе анализа работы лабораторных, пилотных, полупромышленных и промышленных установок. При увеличении масштаба производства степень надежности данных возрастает. В этих балансах учитываются состав сырья и размер производственных потерь, которые
представляют собой расход сырья, материалов и готового продукта на разлив,
утечку через неплотности аппаратов, потери при перекачках, унос из реакторов
абгазами, потери через вентиляционные линии и т.п. При расчете баланса величиной производственных потерь задаются исходя из работы аналогичных производств или среднестатистического значения потерь для соответствующих физикобиохимических процессов, каждый из которых в ходе превращения сырья в готовый
продукт вносит свою долю в величину потерь. Фактические потери на действующем
производстве определяют по разности между загрузками сырья и выгруженными
96
продуктами. Минимизация потерь возможна только при высоком уровне организации производства, высокой технологической дисциплине, а также техническом и
технологическом совершенстве биотехнологического производства на всех его
уровнях.
Методика составления материального баланса. Уравнения материального
баланса биотехнологического производства представляют собой систему уравнений материальных балансов технологических стадий производства, и выбор метода
расчета уравнений материального баланса зависит от структуры (линейная, разветвленная, параллельное прохождение элементов, байпасирование, с рециклом)
биотехнологического производства и класса биохимической реакций (простая или
сложная, обратимая или необратимая).
Прежде чем приступить к составлению уравнений материального баланса,
следует иметь четкое представление о самом биотехнологическом процессе (производстве), его стадиях, составе сырья, структуре производства (технологической
схемы) и условиях осуществления физико-биохимических процессов на стадиях
производства. Исходные данные для расчета баланса приводятся в проектном задании, основной цифрой является проектируемый объем выпуска готовой продукции
(производительность установки). Остальные данные (конверсия, выходы продуктов, вид и состав сырья, технологические схемы приводятся в соответствующих
разделах технологического регламента биотехнологического производства.
Алгоритм расчета уравнений материального баланса предусматривает выполнение следующих шагов.
1. Анализ исходных данных (задание на проектирование, технологический
раздел технологического регламента) для получения необходимой информации о
биотехнологическом процессе, для которого рассчитывается материальный баланс.
2. Декомпозиция технологической схемы и составление функциональной и
операторной схем для определения числа и направлений материальных связей
между подсистемами (агрегатами, совокупностью аппаратов) и элементами (аппаратами).
3. Составление биохимических уравнений реакций, протекающих в реактор-
ных подсистемах биохимического превращения. Каждую реакцию следует пронумеровать, затем этот номер использовать в описании стехиометрических расчетов.
97
4. Выявление структуры биотехнологического производства (технологиче-
ской схемы) и классификация биохимической реакции по типу механизма для выбора метода расчета уравнений материального баланса.
5. Составление схемы материальных потоков (эскизной технологической
схемы) или операторной схемы. В случае использования операторной схемы из нее
исключают те аппараты, в которых не происходит изменение состава и массы потока (подогреватели, холодильники, емкости и т.п.). Схема материальных потоков
(эскизная технологическая схема) является общепринятым подходом к количественному описанию взаимосвязи потоков сырья, продуктов, вспомогательных материалов и отходов на всех стадиях биотехнологического процесса.
6. Определение качественного состава сырьевых и продуктовых потоков; вы-
полняется на основе состава сырья, реакционной схемы и технологического показателя – конверсии (доли превращенного сырья).
Материальный баланс рассчитывают только в единицах массы . Однако в качестве промежуточной единицы лучше использовать , причем
число , поданных в процесс или полученных в ходе осуществления про-
цесса, следует считать с точностью до 3-го или 4-го знаков, что в дальнейшем обеспечит лучшую сходимость приходной и расходной частей баланса. Перевод
в килограммы выполняют только для компонентов потоков, представ-
ляющих внешние связи системы (вход – выход).
Наиболее часто материальный баланс представляют в виде таблицы (табл. 4.1)
[21].
4.1. Форма представления материального баланса
98
Таблица материального баланса состоит из двух частей. Левая часть именуется
приходной и обозначается словами «Приход» или «Подано». Здесь записываются
все сырьевые потоки, поступающие в биотехнологическую установку (производство), подсистему (агрегат, совокупность аппаратов) или отдельный аппарат, с покомпонентной расшифровкой. Правая часть именуется расходной и обозначается
словами «Расход» или «Получено». В этой части баланса записывают все потоки,
покидающие биотехнологическую установку, подсистему (агрегат, совокупность
аппаратов) или отдельный аппарат. Сюда относятся потоки продуктов (целевого и
побочных), непревращенного сырья и потери. Следует подчеркнуть, что в расходной
части записывают массу непревращенного сырья, т.е. его остаток. Израсходованное
на реакцию сырье определяют по разности между поданным в процесс сырьем и
остатком сырья, т.е. по разности между приходной и расходной частями баланса.
Отдельные слагаемые приходной и расходной частей называют статьями баланса. Приходная часть должна равняться расходной. В случае неравенства частей
баланса следует установить причину расхождения – «невязки» баланса. Причины
могут быть различными: не принятые во внимание примеси сырья, неучтенные потери, в том числе испарение, утечки через неплотности, мертвые остатки в резервуарах, ошибки анализа при определении покомпонентного состава потоков, невысокий класс точности расходомерных устройств.
Технологически схемы классифицируют по ряду признаков: организационной
структуре производства, технологическим маршрутам материальных потоков,
числу стадий биохимических превращений, номенклатуре выпускаемых продуктов, способностью рекуперации энергии и др. В зависимости от организационной
структуры производства различают схемы периодического и непрерывного действия.
В схемах периодического действия сырье загружают в реактор, где его выдерживают при заданных условиях до заданной конверсии. Продукты выгружают,
и процесс повторяется снова. Все технологические операции, применяемые в подсистемах подготовки сырья и биохимического превращения, выполняются в одном
аппарате последовательно. В связи с тем, что состав реакционной смеси в периодическом процессе изменяется во времени, расчет производят на весь производственный цикл аппарата. В качестве единицы расчета используют кг/цикл или т/цикл.
99
Баланс можно составить не только на цикл работы реактора, но и на сутки, месяцы
или год.
В технологических схемах непрерывного действия технологические операции
проводят в разных аппаратах (смесителях, реакторах, подогревателях, разделяющих устройствах и пр.) в потоке непрерывно движущегося через эти аппараты сырья со скоростью, достаточной для обеспечения заданной конверсии. Методика
расчета материального баланса для непрерывной схемы мало отличается от методики расчета баланса периодического процесса. Разница заключается в единицах
измерения: баланс непрерывного процесса обычно рассчитывают в кг/ч. Расчет баланса во времени важен, так как без него становится невозможным расчет непрерывно действующего оборудования.
В зависимости от технологических маршрутов сырья различают прямые и
циркуляционные схемы. Прямые схемы используют для процессов с высокой конверсией сырья (рис. 4.3) за один проход через реактор или один производственный
цикл. Циркуляционные схемы (рис. 4.4) выбирают для процессов с низкой конверсией сырья, когда в реакционной смеси, кроме продуктов, будет содержаться
непревращенное сырье. В этом случае продукты отделяют, а непревращенное сырье возвращают в реактор вплоть до его полного использования. Одним из недостатков циркуляционных схем является накопление в рецикле (возвращаемом сырье) инертных примесей сырья, которые по тем или иным соображениям не отделяют от сырья в подсистеме подготовки. Количество примесей в таком случае увеличивается за счет многократного добавления к рециклу потока свежего сырья взамен превращенного. Для поддержания постоянной концентрации примесей в рецикле часть рециркулируемого потока сбрасывают в процессе продувки, т.е. поток
возвращаемого сырья делят на два: рецикл и газ продувки.
Рис. 4.3. К составлению
материального баланса прямой схемы
Рис. 4.4. К составлению материального
баланса цируляционной схемы
100
Уравнение материального баланса для рециркуляционной схемы имеет вид:
– без продувки
;
– с продувкой
.
Очевидно, что специфика расчета процесса с рециркуляцией заключается в
том, что полная загрузка реактора оказывается больше, чем для прямой схемы, на
величину потока рецикла. Главная задача расчета – определить по заданному количеству свежего сырья (часть сырья, еще не побывавшего в реакторе) или целевого
продукта полную загрузку реактора, необходимую для определения его основных
размеров.
Циркуляционная схема может включать один или несколько потоков рецикла.
При установившемся состоянии количество подводимого в систему свежего сырья
будет равно количеству отводимых из нее продуктов:
.
В этом случае полная нагрузка реактора составляет
,
где загрузка реактора свежим сырьем взамен прореагировавшего (прямой по-
ток); масса выводимых из системы продуктов; полная загрузка реактора;
поток рецикла.
4.2.3. Выбор площадки строительства
Организационные работы по выбору площадки строительства производит заказчик. При этом создается комиссия, в состав которой входят представители генерального проектировщика, местной администрации, территориальной проектной
организации Госстроя России, изыскательских организаций, территориальных и
местных органов государственного надзора, штабов военных округов, гражданской
обороны и других заинтересованных организаций.
Комиссия в своей работе руководствуется основами земельного, водного законодательства Российской Федерации и учитывает также проекты районной планировки.