3.4 Раздел "Технологическая часть"

Включает технологические расчеты, где с помощью уравнений материального и при необходимости теплового балансов определяют расходы рабочих сред и теплоносителей, тепловые нагрузки аппаратов. Инженерные расчеты включают: расчёты по выбору основного и вспомогательного оборудования, а при необходимости - расчеты химико-технологических и теплотехнических процессов; а также механические расчеты (прочностные, кинематические и др.). Приводится система оперативного технологического контроля производства. В пояснительной записке проектов конструкторского характера приводятся расчеты, в которых определяются нагрузки и выполняются расчеты на прочность основного оборудования, его узлов и деталей.

Конкретный перечень требуемых инженерных расчетов определяется заданием на проектирование.

3.4.1 Рекомендуемая структура и содержание раздела «Технологическая часть»

Раздел «Технологическая часть» пояснительной записки является, как правило, одним из наиболее представительных и крупных по объему в пояснительной записке..

В нем необходимо привести технологическую схему, выполненную на стандартном формате на кальке или ватмане или миллиметровке, обоснование выбранной схемы и ее подробное описание. При описании технологической схемы следует указать сводный перечень оборудования с обозначением марок и основных технических характеристик, указать назначение основных аппаратов, а также движение материальных потоков и их изменение при прохождении каждой стадии процесса. Желательно проанализировать различные варианты схемы, позволяющие интенсифицировать процесс и повысить технико-экономические показатели. Предлагаемая технология не должна оказывать отрицательное воздействие на природные экосистемы, и, следовательно, при проведении рассматриваемого технологического процесса должны быть сведены к минимуму выбросы в гидросферу, атмосферу и литосферу.

При выборе природоохранного оборудования необходимо руководствоваться определенными требованиями определяющими предпосылки его выбора.

Все оборудование подразделяется на три класса: машины, аппараты, транспортирующие средства.

В зависимости от назначения, области применения и масштабов производства технологическое оборудование условно делят на специальное, специализированное и универсальное.

К специальному относят оборудование, предназначенное для проведения конкретного технологического процесса или операции и не используемое в других производствах (например, печи пиролиза и т. д.).

Специализированное оборудование предназначено для одного или нескольких близких по типу производств. В таком оборудовании проводят идентичные по сути тепло- или массообменные процессы. К специализированному оборудованию относятся адсорберы, ионообменные фильтры, отстойники, абсорберы, каталитические реакторы, ректификационные колонны, выпарные аппараты, кристаллизаторы и др.

К универсальному или общезаводскому оборудованию относится типовое оборудование, пригодное для многих производств различных отраслей промышленности: насосы, компрессоры, теплообменники, центрифуги и т. д.

Технологическое оборудование по его роли в производстве подразделяется на основное и вспомогательное. К основному технологическому оборудованию относят машины и аппараты, необходимые для проведения химических , физико-химических или физических процессов, в результате которых решается основная технологическая задача (образуются целевые продукты). Вспомогательное оборудование (мерники, емкости, хранилища, бункера) не оказывают существенного влияния на технологический процесс. Производительность технологической установки (линии) или выход целевого продукта не зависят от размеров и конструкции вспомогательного оборудования, поэтому их параметры можно варьировать в определенных пределах. По режиму работы различают непрерывно и периодически действующее технологическое оборудование. Кроме того, все технологические машины и аппараты в зависимости от основной величины, определяющей их производительность, делятся на поверхностные и объемные.

К поверхностному типу относится все оборудование, производительность которого определяется поверхностью тепло или массопередачи, а также некоторые устройства для осуществления гидромеханических процессов, производительность которых зависит от площади поверхности фильтрации или отстаивания. В оборудовании объемного типа величиной, определяющей производительность, является объем, а поверхность тепло- или массопередачи не играет существенной роли.

По технологическому назначению различают теплообменное, массообменное, гидромеханическое и реакционное оборудование. Вместе с тем, следует иметь в виду, что в промышленных природоохранных аппаратах могут одновременно протекать процессы различных типов; например, при сушке одновременно происходят теплообмен и массопередача, а процессы абсорбции (массообменные) часто сопровождаются химическим взаимодействием.

Используемое при проектировании оборудование должно удовлетворять определенным технологическим и конструктивным требованиям.

Технологические требования к промышленному оборудованию:

• максимальная производительность при минимальных затратах материалов, энергии и труда на обслуживание. Достигается выбором оптимальной конструкции и режима работы, обеспечивающего максимальную интенсивность процесса;

• устойчивость заданного технологического режима и основных параметров процесса (Р, Т, С), точность и удобство регулирования, возможность применения автоматического контроля и управления, обеспечивающаяся правильным выбором конструкции, установкой приборов контроля и средств регулирования параметров процесса;

• возможность механизации и автоматизации загрузки и выгрузки;

• конструкция аппаратов должна отвечать требованиям техники безопасности и промышленной санитарии: обеспечивать безопасность труда, исключать вредные выбросы, что достигается путем их герметизации и изоляции.

Конструктивные требования: механическая прочность и устойчивость формы, долговечность и надежность, конструктивное совершенство, транспортабельность и унификация.

Расчет оборудования производят с целью определения его необходимого количества и основных конструктивных и технологических размеров.

Основанием для расчета и выбора оборудования являются данные материального и теплового балансов, технологического режима работы оборудования, физико-химических и гидродинамических условий проведения в нем процессов химического взаимодействия, массообмена, теплообмена и т. д.

Расчет технологического оборудования осуществляют в следующей последовательности: технологический расчет, тепловой расчет, гидравлический расчет, энергетический расчет, механический расчет.

При расчете и выборе оборудования необходимо обращать особое внимание на необходимость интенсификации режимов его работы с тем, чтобы таким образом увеличить производительность, уменьшить требуемое количество единиц оборудования или их размеры и снизить, тем самым, капитальные затраты.

При выборе типа технологического оборудования надлежит:

- учитывать, что экономия на эксплуатационных расходах (паре, топливе, хладоагенте, воде, электроэнергии и реагентах) в ряде случаев может намного превысить стоимость амортизации оборудования, вызванную установкой более дорогого, но и более эффективного аппарата или машины;

- учесть возможность максимальной механизации и автоматизации работы данного оборудования;

- помнить, что установка аппаратов большой мощности приводит к уменьшению количества требуемого оборудования, снижает капитальные и эксплуатационные расходы.

При выборе оборудования следует всегда ориентироваться на применение типового, стандартного и унифицированного оборудования, серийно выпускаемого отечественной промышленностью, и только в случае отсутствия такого оборудования идти на применение конструкций, требующих разработки новых рабочих чертежей и выполнения специальных заказов па нестандартное оборудование

Общая методика расчета оборудования первоначально предусматривает определение основного технологического параметра осуществляемого в нем процесса (емкость, поверхность массо- или теплообмена, площадь фильтрации и т.д.), необходимого для обеспечения часовой производительности проектируемого природоохранного объекта.

Далее, с учетом требований технологического процесса (температуры, давления, среды и пр.), а также требований охраны труда и производственной безопасности, возможностей механизации и автоматизации обосновывают требования к аппарату (машине) после чего осуществляют подбор стандартного оборудования с близкими характеристиками по соответствующим каталогам, типоразмерам, заводским нормалям, ценникам, справочной и рекламной литературе, информации из Интернета.

При отсутствии опубликованных сведений о необходимом оборудовании для проектируемого производства выбирают нестандартное оборудование, разработанное проектными организациями, имеющееся на соответствующем действующем предприятии и хорошо зарекомендовавшее себя в процессе эксплуатации.

В случае отсутствия такого оборудования, в проекте разрабатывается новое нестандартное, причем при определении его емкостных характеристик, размеров и конструкции необходимо строго руководствоваться действующими ГОСТами и другими нормативными документами.

Предлагаемая схема расчета числа и производительности устанавливаемых аппаратов (машин), характеризуется относительно большой универсальностью.

При расчете приняты следующие условные обозначения:

N - требуемое число аппаратов;

М - мощность производства (годовая) но данным материального баланса;

Mz - суточная производительность по данным материального баланса;

Z - запас производительности аппарата, сотые доли единицы;

m_а - производительность одного аппарата;

m_ас - очная производительность одного аппарата;

Vp - бочий объем аппарата, м³;

Vт - объем реакционной массы, приходящейся на 1 т готовой продукции, м³/т;

Vc - суточный объем перерабатываемой массы, м³;

Va - объем аппарата, м³;

T - для непрерывных производств — продолжительность пребывания реакционной массы в аппарате в часах; для периодических производств — общая продолжительность одной операции (включая время, необходимое на подготовку операции, ее проведение и на эвакуацию реакционной массы из аппарата), ч;

Φ - степень заполнения аппарата, доли ед.;

ά - число операций, проводимых на данной стадии в течение суток;

δ - число операций, которое можно провести на одном аппарате в течение суток,

Нетрудно видеть, что число необходимых аппаратов n прямо пропорционально заданной мощности производства М, запасу производительности устанавливаемого аппарата z и обратно пропорционально производительности одного аппарата m_а:

(1)

Требуемая производительность устанавливаемого аппарата m_a соответственно прямо пропорциональна мощности производства М и запасу производительности устанавливаемого аппарата z и обратно пропорциональна числу устанавливаемых аппаратов n:

(2)

Таким образом, при расчете числа и производительности устанавливаемых аппаратов возможны два случая:

1) задаются производительностью устанавливаемого аппарата m_а, тогда искомой величиной будет число аппаратов n;

2) задаются числом устанавливаемых аппаратов n, тогда искомой является производительность аппарата m_a.

Одними из наиболее широко распространенных в природоохранной практике являются емкостные аппараты, при расчете которых определяющим фактором служит длительность пребывания реакционной массы в аппарате.

В этом случае суточная производительность аппарата m_ac прямо пропорциональна рабочему объему аппарата Vp; обратно пропорциональна объему реакционной массы, приходящейся на единицу массы готовой продукции Vt и обратно пропорциональна доле суток, в течение которых реакционная масса пребывает в аппарате, т. с. частному от деления продолжительности пребывания реакционной массы в аппарате в часах t на 24:

=, (3)

где Vp = Vaφ.

Переходя от годовой мощности М к суточной производительности Мс и заменяя в уравнении (1) М на Мc=Vс/Vt и m_а на m_ас из уравнения (3), будем иметь:

.(4)

Отсюда

(5)

Уравнения (4) и (5) являются основными для расчета числа и объема устанавливаемых аппаратов. В приведенном виде эти уравнения пригодны для расчета аппаратов как непрерывных, так и периодических производств при соответствующих значениях t.

Для периодически действующих производств число операций в сутки рекомендуется сохранять постоянным на всех стадиях производства, так как это облегчает контроль за процессом и учет расходуемых реагентов. Поэтому число и объем основных аппаратов периодической схемы производства определяют по уравнениям (4) и (5), а аппаратов для осуществления последующих стадии технологического процесса определяют с учетом сохранения постоянства числа операций в сутки на всех стадиях производства. Для этого первоначально определяют число операций, которое будет проводиться в сутки на основной стадии процесса:

(6)

После этого находят значение t для последующей стадии процесса, а затем определяют число операций р, которое может быть проведено в сутки па одном аппарате;

(7)

Отсюда требуемое число аппаратов n для проведения последующих операций при условии сохранения постоянства числа операций α по всему производству:

(8)

Зная n, по уравнению (5) определяют объем аппаратов, необходимых для проведения последующей операции.

Ниже рассмотрим методы определения составляющих уравнений (4) и (5).

Мощность производства М представляет собой годовую производительность, которую может обеспечить оборудование в условиях нормальной эксплуатации. Она выражается в единицах массы или объема готового технического продукта (очищенных газов, воды, извлеченных из них компонентов и т.п.). Производительность отделения, установки, машины или аппарата, отнесенная к месяцу, суткам или часу, не всегда правильно отражает мощность производства, так как не учитывает остановки оборудования на ремонт и чистку, перегрузки сорбентов, катализаторов, ионообменных смол и т. д. Поэтому, для определения средней суточной мощности, необходимо знать продолжительность работы оборудования в течение года и длительность работы производства в течение суток.

Работа в одну или две смены с остановкой в общие выходные дни допустима лишь на некоторых производствах, в большинстве случаев малотоннажных, работающих периодически (производство реактивов, химико-фармацевтических препаратов и т. п.). Такой режим работы позволяет во время остановок производить ремонт оборудования, коммуникаций, зданий. Однако, как правило, это не компенсирует потерь мощности производства, обусловливаемых остановкой. Для большинства крупных производств характерна работа по непрерывному графику.

С учетом затрат времени на капитальный ремонт продолжительность работы оборудования принимают обычно равной 330 суткам в течение года. Кроме того, должны быть учтены остановки, связанные с планово-предупредительным и текущим ремонтами оборудования, коммуникации, арматуры контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, (КИП и СА), составляющие 10—15% рабочего времени. Для непрерывных производств, где графики работы большинства аппаратов жестко связаны между собой, целесообразно расчетное число рабочих суток в году уменьшить на 10%, т. е. до 300, соответственно увеличив среднюю расчетную суточную производительность оборудования.

Для периодических производств запас производительности оборудования, компенсирующий простои, связанные с указанными выше мероприятиями, учитывается коэффициентом z. В зависимости от конструкции оборудования, условий его работы, а также сложности и продолжительности ремонтов коэффициент z принимает различные значения. Для аппаратов, предназначенных для выполнения ответственных операции или работающих в условиях повышенной коррозии, принимают более высокий запас производительности.

Коэффициент запаса производительности z определяют как

, (9)

где 8640 — число календарных часов в году; tэф—эффективный фонд времени или число работы оборудования в год за вычетом времени остановок на капитальный, планово-предупредительный и текущий ремонты.

Обычно коэффициент запаса производительности составляет 0,05-0,25.

Рассчитывая количество устанавливаемых аппаратов, следует учитывать, что при установке малопроизводительных аппаратов увеличивается число операций загрузки и выгрузки, точек контроля и объектов наблюдения, возрастает фронт обслуживания аппаратов, площадь и объем производственного сооружения. При установке аппаратов большой производительности эти недостатки устраняются, но осложняются некоторые монтажные, строительные и демонтажные работы из-за увеличения размеров оборудования. Как правило, установка меньшего числа высокопроизводительных аппаратов целесообразна в подавляющем большинстве случаев. Почти всегда при этом значительно сокращаются капитальные затраты и уменьшаются эксплуатационные расходы.

При расчете цеховых хранилищ в первую очередь следует установить нормы запасов реагентов и, если это необходимо, промежуточных и готовых продуктов. Эти нормы определяются мощностями типового оборудования и характером продуктов. Так как склады в большинстве случаев работают только в дневную смену, то нижним пределом запаса емкости хранилищ следует считать примерно полуторасуточный запас, чтобы наполнять цеховые хранилища один раз в сутки, в дневную смену, имея при этом всегда некоторый избыток продукта в хранилищах. Сказанное в равной мере относится как к используемым реагентам, так и к готовым продуктам.

В периодических производствах хранилища для промежуточных продуктов (если по условиям производства они получаются) должны вмещать продукты не более чем от одной операции. Как правило, установка меньшего числа высокопроизводительных аппаратов целесообразна в подавляющем большинстве случаев. Почти всегда при этом значительно сокращаются капитальные затраты и уменьшаются эксплуатационные расходы.

При расчете цеховых хранилищ в первую очередь следует установить нормы запасов используемых реагентов и материалов. Эти нормы определяются мощностями типового оборудования и характером продуктов. Так как склады в большинстве случаев работают только в дневную смену, то нижним пределом запаса емкости хранилищ следует считать примерно полуторасуточный запас, чтобы наполнять цеховые хранилища один раз в сутки, в дневную смену, имея при этом всегда некоторый избыток продукта в хранилищах. Далее следует собственно расчет, завершающийся выводом, сколько необходимо установить аппаратов или машин, какой производительности и с какими характеристиками. Для типового оборудования следует указать номер типа или марку.

Результаты расчета числа единиц и мощности устанавливаемого оборудования сводятся в таблицу 3 по следующей форме:

Таблица 3 - Результаты расчета числа единиц и мощности оборудования

№ п/п	Аппарат	Число еди-ниц	Основная характеристика аппарата (объем, поверхность, производительность)	Материал	Номер по техноло-гической схеме

Кроме основного технологического оборудования в спецификации непременно должно быть перечислено все подъемно-транспортное оборудование, предназначенное для механизации технологических процессов, для монтажа и демонтажа ремонтируемого оборудования {лифты, тали, транспортеры, вагонетки, электрокары, бункеры, весы, дозаторы, питатели и т. д.}, а также все вспомогательное оборудование, перечень которого обусловлен и каждом отдельном случае спецификой технологического процесса. Отсутствие указанного оборудования в спецификации не позволяет учесть его стоимость в технико-экономических расчетах, а это может привести к существенным ошибкам при определении суммы капитальных затрат.