Технологические схемы (1275)

Часто установки для проведения технологических процессов снабжаются различными насосами, схематическое изображение которых приведено в таблице 2.10. Как известно, насосное оборудование является менее надежным по сравнению с аппаратами, используемыми для проведения тепловых, массообменных и реакционных процессов. Кроме этого, насосное оборудование требует периодического технического обслуживания, что требует его остановки. Поэтому для обеспечения стабильной подачи исходных смесей, растворов, экстрагентов, растворителей, реагентов и др. в аппараты для проведения тепловых, массообменных и реакционных процессов часто используют два или даже несколько дублирующих насосов. В этом случае на всасывающих и нагнетательных линиях имеются запорные вентили, что позволяет быстро переключать подачу жидких сред с одного насоса на другой.

При проведении технологических процессов часто производится охлаждение, нагрев и испарение жидкостей, конденсация паров, а также нагрев и охлаждение газообразных потоков. Для этого используются различные теплообменные аппараты (кожухотрубчатые теплообменники, калориферы, контактные теплообменники, испарители, конденсаторы и т.д.). Схематические изображения таких аппаратов приведены в таблице 2.4. Горизонтальное или вертикальное изображение теплообменников на технологической схеме должно соответствовать выбранному типу теплообменника.

При использовании в качестве теплоносителя греющего пара на линии его подачи в теплообменники, испарители, греющие камеры выпарных аппаратов и реактора должны быть предусмотрены запорные ВЗ и регулирующие вентили ВР, а также должны быть показаны точки контроля давления и замера расхода пара. На линиях отвода конденсата

конденсатоотводчиком и после него, а также на байпасной линии устанавливаются запорные вентили ВЗ. Это позволяет при выходе из строя конденсатоотводчиков без нарушения режима работы установок быстро произвести их замену.

Греющий пар обычно подается в межтрубное пространство теплообменников, испарителей и выпарных аппаратов. Если в греющем паре содержатся неконденсирующиеся газы (например, воздух), то его накопление в межтрубном пространстве может привести к снижению интенсивности теплообмена. В этом случае межтрубное пространство соединяется с линией периодической сдувки неконденсирующихся газов.

На линиях подачи охлаждающей воды в теплообменные аппараты также должны быть установлены запорные и регулирующие вентили и показаны точки замера и контроля температуры и расхода воды.

Для обеспечения нормальной работы теплообменников на линиях подачи или отвода жидких теплоносителей, нагреваемых или охлаждаемых сред (потоков) часто предусматриваются гидрозатворы (см. таблицу 2.11). Это гарантирует полное заполнение межтрубного и трубного пространства теплообменников теплоносителем и обеспечивает работу всех теплообменных элементов (труб, змеевиков и т.д.). Гидрозатворы также часто устанавливаются на линиях подачи или отвода жидких потоков. Для визуального контроля за ходом технологических процессов на трубопроводах иногда устанавливаются смотровые фонари (см. таблицу 2.11), а на линиях отвода паровых и газообразных потоков из массообменных аппаратов, контактных теплообменников и реакторов часто монтируются брызгоотделители.

В ряде случаев на технологических схемах изображаются линии подвода и отвода воды, используемой при гидравлических испытаниях аппаратов (емкостей, теплообменников, выпарных аппаратов, колонн и др.).

21

http://www.mitht.ru/e-library

4.2. Ректификационные установки

Возможно несколько вариантов технологических схем ректификационных установок. При этом вид таких схем зависит от фазового состояния исходной смеси, подаваемой на разделение, количества используемых колонн, числа теплообменников, их типов и ряда других факторов. Как известно [2], исходная смесь может подаваться в ректификационную колонну в жидком, паровом виде или же в виде парожидкостной смеси. Для нагрева исходных смесей перед их подачей в колонну и обогрева испарителя чаще всего используется греющий пар. Иногда с целью экономии греющего пара для подогрева исходных смесей используется теплота дистиллята или кубового остатка. При ректификации высококипящих смесей обогрев испарителя и нагрев исходной смеси может осуществляться с использованием высокотемпературных теплоносителей.

При разделении гетероазеотропных смесей ректификационные установки снабжаются аппаратами для расслаивания охлажденных дистиллятов. В случае разделения тройных и многокомпонентных смесей ректификационные установки снабжаются несколькими колоннами. При этом часто между потоками организуется рекуперативный теплообмен, что требует использования дополнительных теплообменников.

Процесс ректификации может осуществляться в непрерывном и периодическом режимах. При его проведении могут использоваться колонны различной конструкции [2, 3]. При этом они могут работать под вакуумом, при атмосферном и избыточном давлении. Схематическое изображение наиболее распространенных ректификационных колонн приведено в таблице 2.6.

При проведении процесса ректификации применяют разнообразное теплообменное оборудование схематическое, изображение которого приведено в таблице 2.4. При непрерывной ректификации в качестве испарителей кубовой жидкости (кипятильников) используются вертикальные кожухотрубчатые теплообменники. Такое расположение испарителя способствует циркуляции кубовой жидкости в контуре куб колонны - испаритель за счет термосифонного эффекта. Греющий пар подается в межтрубное пространство испарителя. В установках периодического действия часто используют горизонтальные испарители. При этом теплообменные элементы (трубчатки, змеевики) иногда размещают непосредственно в кубе ректификационных колонн.

В качестве подогревателей исходных смесей используются одноходовые или многоходовые кожухотрубчатые теплообменники. Чаще такие теплообменники располагают в вертикальном положении. При этом греющий пар, также как и в испарителях, подается в трубное пространство теплообменников.

Для конденсации паров дистиллята обычно используются горизонтальные теплообменники (конденсаторы). При этом охлаждающие агенты (чаще всего вода) подаются в трубное пространство конденсаторов, а пары дистиллята в межтрубное пространство. Конденсаторы могут быть одноходовыми и многоходовыми. Это определяется в результате технологических расчетов и зависит от наличия стандартных аппаратов.

Дистилляты на выходе из конденсаторов и кубовые остатки на выходе из колонны обычно имеют высокую температуру и их необходимо охлаждать перед подачей в приемные емкости, так как хранить нагретые жидкости (особенно органические продукты) опасно. Для охлаждения дистиллятов и кубовых остатков можно использовать вертикальные или горизонтальные кожухотрубчатые одноходовые или многоходовые теплообменники. При этом холодильники для дистиллятов чаще располагают вертикально, а холодильники кубовых остатков горизонтально. Иногда в качестве конденсаторов паров дистиллята, холодильников дистиллята и кубовых остатков применяют теплообменники воздушного охлаждения.

ВПриложении 3 приведен пример технологической схемы непрерывной

ректификации с применением насадочной колонны. В данном случае для нагрева

22

http://www.mitht.ru/e-library

исходной смеси используется вертикальный многоходовой теплообменник, а для охлаждения дистиллята и кубового остатка применяются одноходовые кожухотрубчатые теплообменники. Для конденсации паров дистиллята используется горизонтальный многоходовой теплообменник (дефлегматор, конденсатор). При этом конденсат из дефлегматора поступает в сборник дистиллята С, откуда насосом Н3 или Н4 часть его подается в ректификационную колонну в качестве флегмы, а другая его часть направляется в холодильник дистиллята Х2. На линиях подачи исходной смеси и флегмы в колонну, а также отбора кубового остатка из колонны имеются регулирующие вентили, а также показаны точки замера и контроля температуры и расхода. На линиях подачи охлаждающей воды в дефлегматор, а также в холодильники дистиллята и кубового остатка имеются как регулирующие, так и запорные вентили. На линиях отвода охлаждающей воды из данных теплообменников показаны точки контроля температуры. В верхней части колонны показана точка контроля температуры, а в кубовой части точка контроля уровня жидкости. На линиях подачи греющего пара в испаритель и в подогреватель показаны точки контроля давления.

4.3. Выпарные установки

Как известно [2 – 4], для проведения процесса выпаривания применяются аппараты различных конструкций: с сосной греющей камерой; с выносной циркуляционной трубой, с выносной греющей камерой; аппараты с восходящей и падающей пленкой; роторные выпарные аппараты и другие. Стандартные изображения выпарных аппаратов на технологических схемах приведены в таблице 2.5. При графическом изображении выпарных аппаратов на технологической схеме следует учитывать также, при каком давлении они работают (атмосферном, избыточном или под вакуумом).

Процесс выпаривания может производиться в одном или нескольких аппаратах (корпусах). Число изображаемых на технологической схеме выпарных аппаратов должно соответствовать заданию на курсовое проектирование. При многокорпусном выпаривании часть корпусов может работать при избыточном давлении, а часть под вакуумом. В силу этого, графические изображения отдельных корпусов установки могут различаться.

В Приложении 4 приведен пример технологической схемы выпарной двухкорпусной выпарной установки, в которой используются выпарные аппараты с выносной греющей камерой. При этом первый корпус данной установки работает, как правило, при давлении выше атмосферного, а второй корпус под вакуумом.

Выпарные установки, как и установки для проведения других массообменных процессов, обычно снабжаются приемными емкостями, в которые периодически загружается исходный раствор. Подачу исходного раствора из приемных емкостей в первый корпус выпарных установок, как правило, осуществляют центробежными насосами. При многокорпусном выпаривании транспортировка выпариваемых растворов между корпусами обычно осуществляется за счет перепада давления между корпусами.

Исходный раствор подается в выпарные аппараты, как правило, в подогретом виде. Для его подогрева обычно используются кожухотрубчатые одноили многоходовые теплообменники. При этом для нагрева может быть использован свежий пар или же экстра-пар, отбираемый из первого корпуса установки.

Конденсаты, образующиеся при охлаждении свежего греющего пара в первом корпусе выпарной установки и в подогревателе исходного раствора, через конденсатоотводчики подается в линию сбора конденсата. Конденсаты же, образующиеся при охлаждении вторичных паров, могут содержать некоторое количество растворимых веществ. Их обычно подают в линию канализационных стоков.

Вторичные пары из последних корпусов подаются в барометрические конденсаторы, где они конденсируются в результате контакта с охлаждающей водой. Так как давление воды в подводящих трубопроводах существенно выше, чем в конденсаторе, то при понижении давления происходит процесс дегазации (десорбции воздуха их воды). Для

23

http://www.mitht.ru/e-library

осуществления этого процесса на линии подачи охлаждающей воды устанавливают расширители, из которых дегазированная вода поступает на первую полку барометрических конденсаторов, а воздух подается в паровое пространство конденсаторов.

Для отбора неконденсирующихся газов (подержания постоянного вакуума в конденсаторах), как правило, используют водокольцевые вакуумные насосы. Для улавливания уносимых капель конденсата на линии отсоса несконденсирующихся газов обычно устанавливают расширители или жидкостные циклоны.

Из конденсаторов конденсат вместе с охлаждающей водой по барометрической трубе поступает в барометрический ящик, который выполняет роль гидрозатвора. Из барометрического ящика конденсат с водой поступает в линию оборотной воды или в линию канализационных стоков.

Из последнего корпуса упаренный раствор может отводиться в одну емкость или же в две емкости. В первом случае приемная емкость все время находится при давлении близком к давлению в барометрическом конденсаторе. Это обеспечивается за счет соединения трубопроводом барометрического конденсатора с приемной емкостью. При использовании двух приемных емкостей упаренный раствор поочередно подается в эти емкости. При этом перед загрузкой они предварительно вакуумируются. После загрузки вакуум сбрасывается и производится их опорожнение. Выгрузка упаренного раствора потребителям из приемных емкостей обычно осуществляется периодически с использованием центробежных насосов.

На линиях подачи греющего пара, охлаждающей воды, исходного раствора, а также на линиях отбора упаренного раствора должны быть показаны запорные и регулирующие вентили и указаны точки контроля и замера параметров процесса. На линиях же присоединения насосов, конденсатоотводчиков и на сливных линиях должны быть показаны запорные вентили.

4.4. Сушильные установки

Технологические схемы сушильных установок отличаются особенно большим разнообразием. При этом вид таких схем зависит от способов и режимов сушки, свойств высушиваемого материала, вида сушильного агента, давления, методов очистки отработанных сушильных агентов от пыли и ряда других факторов. Некоторые примеры технологических схем сушильных установок приведены в Приложении.

Как известно [2 – 6], процесс сушки используется для обезвоживания различных дисперсных материалов (порошков, гранул, зерна, дробленых материалов и др.), тканевых материалов, штучных изделий, заготовок, а также для обезвоживания растворов, эмульсий, суспензий, шламов, паст и др. От вида высушиваемых материалов зависят конструкции используемых сушилок, питателей, дозаторов, загрузочных и разгрузочных устройств.

Схематические изображения наиболее распространенных сушильных аппаратов приведены в таблице 2.7. Для сушки дисперсных материалов часто используют сушилки с псевдоожиженными и фонтанирующими слоями, а также барабанные, циклонные, шахтные, шнековые, трубчатые, полочные и другие виды сушилок [3 – 5]. Для обезвоживания растворов, эмульсий, суспензий часто применяются распылительные сушилки. Для высушивания пастообразных материалов используются ленточные и вальцевые сушилки, а также сушильные шкафы. Обезвоживание термолабильных материалов часто осуществляют с применением сублимационных сушилок.

Как известно, при проведении конвективной сушки влажных материалов могут использоваться различные сушильные агенты: нагретый воздух, топочные газы или нагретые инертные газы. Нагрев воздуха и инертных газов обычно осуществляется с использованием калориферов, схематическое изображение которых показано в таблице 2.4. При этом в калориферы подается греющий пар. Отвод образующегося конденсата

24

http://www.mitht.ru/e-library

производится через один или несколько параллельно работающих конденсатоотводчиков, количество которых устанавливается в результате технологического расчета.

Нагретые топочные газы получают в результате сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива (вид топлива указан в задании на проектирование). Схематическое изображение топок показано в таблице 2.11. На линии подачи газообразного и жидкого топлива в топку устанавливаются запорные ВЗ и регулирующие ВР вентили. На этих линиях должны быть показаны также точки контроля давления и замера расхода топлива.

Подача сушильного агента в сушильные аппараты обычно осуществляется с использованием вентиляторов, воздуходувок или газодувок, схематическое изображение которых показано в таблице 2.10. При проведении конвективной сушки при атмосферном или избыточном давлении вентиляторы и газодувки обычно устанавливают перед калориферами на линии подачи исходного воздуха или инертного газа. При этом на линии подачи сушильных агентов должен быть предусмотрен регулирующий вентиль и показаны точки замера давления и расхода. После калориферов на линии подачи нагретого сушильного агента должна быть показана точка замера температуры. На выходе отработанного сушильного агента из сушильных аппаратов также должны быть показаны точки замера температуры и давления.

При проведении сушки с использованием топочных газов заданная температура сушильного агента обычно достигается путем разбавления первичных топочных газов потоком свежего воздуха. При этом обычно применяют два вентилятора; один для подачи воздух на сжигание топлива, а другой для подачи воздуха на разбавление топочных газов в камере смешения. Соответственно на линии подачи этих воздушных потоков устанавливаются регулирующие вентили и показываются точки замера их расхода.

Барабанные сушилки, как правило, работают при некотором разрежении [3-5], которое создается вентилятором или газодувкой, установленной обычно на линии отработанного сушильного агента после циклонов (см. Приложение 5).

При высушивании дисперсных продуктов исходный влажный материал обычно подается из бункеров Б с помощью дозаторов Д. На линии подачи влажных материалов должны быть показаны точки замера их расхода и исходной влажности. Иногда загрузку дисперсных материалов в сушилки осуществляют с использованием шнековых транспортеров ШТ (см. Приложение 6).

Из сушилок высушенные материалы обычно подают в бункер сухого продукта, откуда они через затвор 3 поступают на ленточные или другие транспортеры, которые используются для транспортировки высушенных материалов на складирование или на расфасовку. При осуществлении процесса сушки в аппаратах с фонтанирующими или псевдоожиженными слоями, а также при работе сушилок под вакуумом или при избыточном давлении выгрузку материалов из аппаратов часто производят через шлюзовые затворы ШЗ. На линии выгрузки высушенных материалов следует показать точки замера их конечной влажности.

Как правило, отработанные сушильные агенты представляют собой запыленные воздушные или газовые потоки, в которых наряду с уносимыми частицами высушиваемого материала могут также содержаться различные газообразные примеси, содержащиеся в топочных газах или выделяющиеся из высушиваемых материалов в процессе их сушки. Для исключения загрязнения окружающей среды их выброс в атмосферу без тщательной очистки может представлять экологическую опасность для окружающей среды и персонала производства. Поэтому отработанные сушильные агенты обычно подвергают двухстадийной очистке. При этом первоначально производится очистка отработанных сушильных агентов от относительно крупных частиц пыли с использованием циклонов. Отделенные в циклонах частицы обычно через затворы подаются на транспортер высушенного продукта.

Дальнейшая (тонкая) очистка отводимых газовых потоков может осуществляться разными способами: с использованием рукавных, патронных и других фильтров,

25

http://www.mitht.ru/e-library

электрофильтров, а также с использованием различных мокрых пылеуловителей [4-5]. Выбор способа такой очистки отработанных сушильных агентов зависит от производительности установки, запыленности потоков и свойств уносимых частиц.

Для мокрой очистки отработанных сушильных агентов от частиц пыли и газообразных примесей могут использоваться пенные, барабанные, распылительные, тарельчатые и другие скруббера, а также скруббера с неподвижной или псевдоожиженной насадкой [4-5]. Для снижения расхода свежей воды на орошение таких аппаратов обычно применяют замкнутый контур циркуляции воды. При этом циркуляция осуществляется с использованием центробежных насосов. На линии циркуляции воды должны быть показаны запорные и регулирующие вентили.

Если в газовом потоке содержатся нерастворимые твердые частицы, то загрязненная вода из аппаратов мокрой очистки подается в отстойник (см. Приложение 7). Осветленная вода поступает в контур циркуляции. Осевшие частицы в виде шлама выводятся из отстойника и с помощью шнеков возвращаются в сушилку или подаются на фильтрацию. После фильтрации отделенный осадок может присоединяться к исходному влажному материалу. Иногда транспортировку шламов осуществляют с использованием гидротранспорта.

Если в отработанном сушильном агенте содержатся водорастворимые частицы (например, частицы солей), то при их контакте с водой они растворяются. При этом в контуре очистки будет циркулировать раствор определенной концентрации, которая зависит от содержания твердых частиц в газовых потоках, их расхода, подачи свежей воды в контур циркуляции и расхода отводимого раствора из контура циркуляции. Далее этот раствор подается на выпаривание или же в систему водоочистки.

4.5. Другие установки

Технологические схемы установок для проведения других массообменных, тепловых и реакционных процессов также должны изображаться с соблюдением изложенных выше требований. Они должны включать в себя условные стандартные изображения оборудования, трубопроводов и трубопроводной арматуры. Некоторые примеры технологических схем абсорбционных, экстракционных, адсорбционных, холодильных других установок приведены в [1].

5. Функциональные схемы автоматизации и их описание

По окончанию выполнения курсового проекта по процессам и аппаратам химической технологии студенты переходят к завершающей части инженерной подготовки при прохождении дисциплины «Системы управления химико-технологическими процессами». Для закрепление и углубление знаний по этой дисциплине студентам прививаются элементы инженерных навыков решения задач по автоматизации конкретных химикотехнологических процессов. При этом студенты должны в соответствии с заданием автоматизировать процесс, описать схему автоматизации и рассчитать схему регулирования, используя знания, полученные при прохождении указанной дисциплины. При составлении функциональных схем автоматизации химико-технологических процессов и выполнении расчетов следует пользоваться литературой [7 - 12]. Функциональные схемы автоматизации составляются студентами на аудиторных занятиях вне расписания под руководством преподавателя. Данная работа состоит из расчетнопояснительной записки и графической части.

Расчетно-пояснительная записка должна включать задание на работу, а также содержание с разделами – введение, функциональная схема установки, расчет автоматической схемы регулирования (АСР) и ее элементов, спецификацию на технические средства автоматизации, список использованных источников. Во введении к записке следует обосновать необходимость автоматизации конкретного технологического

26

http://www.mitht.ru/e-library

процесса, указать цель автоматизации процесса, привести содержание курсового проекта. Расчетно-пояснительная записка должна быть написана на листах бумаги форматом А4.

Графическая часть представляет собой функциональную схему автоматизации установки, то есть технологическую схему с указанием на ней приборов, регуляторов и других средств автоматизации. Схема выполняется на листе формата А2. На основном поле чертежа технологической схемы контурными линиями изображают оборудование, подлежащее автоматизации, и необходимые трубопроводы материальных потоков. В нижней части листа располагают два прямоугольника для условного изображения выбранных средств автоматизации. Приборы и средства автоматизации изображают на технологических схемах в соответствии с ГОСТ 21. 404-85 [12]. Стандарт устанавливает условные графические обозначения приборов и средств автоматизации, а также обозначения измеряемых величин и функциональных признаков приборов.

Описание функциональной схемы автоматизации (ФСА). В данном разделе необходимо привести описание технологической схемы автоматизации процесса со ссылками на номера позиций технологического оборудования, показанного на листе графической части. Следует проанализировать процесс, выявить определяющие технологические величины, подлежащие контролю и регулированию, а также составить и проанализировать схему информационных каналов установки.

В зависимости от поставленной задачи в основу схемы автоматизации любого химико-технологического процесса могут быть положены различные взаимосвязи между переменными. Это влечет за собой применение различных схем контроля и регулирования одного и того же процесса. Поэтому необходимо детально изучить технологическую схему процесса и ее аппаратурное оформление, выявить наиболее характерные технологические величины, определяющие нормальное протекание процесса и установить взаимосвязи между ними, выявить целесообразность контроля, стабилизации и оптимизации этих величин, а также выбрать места приложения управляющих воздействий.

При разработке схем автоматизации технологических процессов необходимо решить следующие основные задачи:

сбор и первичная обработка информации; расчет и контроль технико-экономических показателей; представление информации диспетчеру; контроль состояния оборудования;

контроль отклонений технологических параметров; программное и дистанционное управление; учет технологических параметров; учет технико-экономических показателей; учет состояния оборудования.

Приборы и средства автоматизации, встраиваемые в технологические трубопроводы, изображают на схеме непосредственно в разрыве трубопроводов (сужающие устройства, ротаметры, счетчики, датчики индукционных расходомеров, регулирующие и запорные органы). Линии связи между приборами и средствами автоматизации на схеме изображают однолинейно сплошными линиями по ГОСТ 2.2303-68 и подводят к символу прибора в любой точке окружности (сверху, снизу, сбоку). Для сложных объектов с большим количеством применяемых приборов средств автоматизации, когда изображение непрерывных линий связи затрудняет чтение схемы, допускается их разрывать. Оба конца линий связи в местах разрыва нумеруют одной и той же арабской цифрой. Допускается комбинированное выполнение линий связи: непрерывными линиями и адресным методом.

На участках линий связи со стороны приборов, изображенных на прямоугольнике «Приборы местные», слева указывают предельные рабочие значения измеряемых или регулируемых величин в Международной системе единиц. Для приборов, встраиваемых непосредственно в технологическое оборудование или трубопроводы и не имеющих

27

http://www.mitht.ru/e-library

линий связи с другими приборами, предельное значение величин указывают возле обозначений приборов. Графические обозначения приборов, средств автоматизации и линий связи приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Основные условные обозначения приборов и средств автоматизации

Отборное устройство для всех постоянно подключенных приборов изображают сплошной тонкой линией, соединяющей технологический трубопровод или аппарат с прибором (рис.5.1). При необходимости указания конкретного места расположения отборного устройства (внутри контура технологического аппарата) его обозначают кружком диаметром 2 мм.

28

http://www.mitht.ru/e-library

Рис.5.1. Отображение отборного устройства

Основные буквенные обозначения измеряемых величин и функциональных признаков приборов должны соответствовать обозначениям, приведенным в таблице 5.2.

Таблица 5.2. Буквенные условные обозначения

29

http://www.mitht.ru/e-library

Примечание. Буквенные обозначения, отмеченные знаком «+», являются резервными, а отмеченные знаком «-» не используются.

Размеры условных графических обозначений приборов и средств автоматизации в схемах приведены в таблице 5.3. Условные графические обозначения на схемах выполняют сплошной толстой основной линией, а горизонтальную разделительную черту внутри графического обозначения и линии связи – сплошной тонкой линией по ГОСТ 2.303-68. Шрифт буквенных обозначений принимают по ГОСТ 2.304-81 равным 2.5 мм.

Таблица 5.3. Размеры условных графических изображений

Датчик, прибор:

а) основное обозначение

б) допускаемое обозначение

Исполнительный механизм

30

http://www.mitht.ru/e-library