/
Похожие
Текст
Б.Е.БЕРНМ АН
ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВ ОРГАНИЧЕСКОГО
СИНТЕЗА
ПОД РЕДАКЦИЕЙ канд. техн, наук Д. А. ГУРЕВИЧА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
МОСКВА 1970
УДК 661.7.013.5
Б 48
Б. Е. Беркман. | Основы технологического проектирования производств органического синтеза.
В книге рассмотрена методика технологического проектирования производств органических продуктов, приведены рекомендации о последовательности и содержании работы проектанта-технолога, начиная с пред-просктпых исследований и кончая разработкой рабочих чертежей и пуском спроектированного объекта. Сделаны попытки выявить критерии как для оценки проекта в целом и надежности принятых решений, так и для выбора оптимального варианта технологических схем, агрегатов и оборудования. Освещены некоторые вопросы экономики производств органического синтеза, механизации трудоемких процессов, приведены примеры новых конструкций аппаратов и машин.
Книга предназначена для широкого круга инженерно-технических работников проектных организаций, конструкторских бюро, предприятий химической, нефтехимической и смежных отраслей промышленности. Опа может быть также полезна преподавателям и студентам вузов, специализирующимся в области технологии органического синтеза.
Кинга содержит 368 стр., 126 рис., 27 таблиц, 3 Приложения и 115 библиографических ссылок.
3-14-2
БЗ-И23-70-20
СОДЕРЖАНИЕ
Or редактора............................................................5
Предисловие -.......................................................... 2
Введение ...............................................................8
Глава 1. Экономические факторы...................... . .................П
Себестоимость готового продукта . . 20
Структура капитальных затрат ...................................... 29
Выбор района строительства..........................................30
I л <| в а 2. Предпроектная разработка............................... 36
Задание на проектирование и технико-экономическое обоснование строительства объекта S6
Мощность производства ..............................................36
Зависимость капитальных затрат от мощности производства .... 40
Анализ исходных данных .............................................41
Предварительная разработка схемы промышленного синтеза............46
Масштабирование реакторов...........................................50
I л т в а 3. Порядок разработки проектов и участие проектантов в их реализации ...................................................... 54
Технический проект .................'............................. 54
О согласовании и утверждении проектов...............................57
Рабочие чертежи .... 59
Ангорский надзор....................................................61
I л а в а 4. Разработка технологической схемы . .......................65
Предварительная технологическая схема ..............................67
< ^вмещенные схемы производства.....................................73
Выбор оборудования ... 76
Опенка надежности технологических схем . ..................... .... 60
Конструирование нестандартного оборудования ................. ..... 81
Контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации технологической схемы ....................................................87
I лава 5. Разработка схем складских и транспортных операций .... 90
Индивидуальные схемы механизации погрузочно-разгрузочных работ . 99
Универсальные схемы механизации погрузочно-разгрузочных работ - 103
Расфасовка и отправка готовой продукции .......................... Ill
Глава 6. Выбор химических реакторов................................ . 120
Химические реакторы периодического действия..................... 122
Химические реакторы непрерывного действия...................... 124
1 л а в а 7. Машины для транспортирования жидкостей и газов...........154
Насосы ............................................................155
Машины для сжатия и перемещения газов .......................162
1* 3
Глава 8. Теплообменная аппаратура....................................172
Теплоносители и хладоагенты......................................174
Некоторые виды типовых теплообменников...........................184
Выпарные аппараты................................................191
Аппараты для перегонки органических жидкостей....................195
Глава 9. Массообменные процессы и аппараты...........................201
Дистилляция .....................................................201
Абсорбция...............'........................................216
Адсорбция........................................................231
Экстракция..................................................... 235
Экстрактивная и азеотропная дистилляция..........................241
Сушка ...........................................................241
Глава 10. Разделение суспензий и аэрозолей.......................... 255
Кристаллизация...................................................255
Отстаивание и фильтрование.......................................262
Центрифугирование ...............................................273
Разделение аэрозолей ........................................... 277
Глава 11. Приготовление выпускных форм готовых продуктов.............280
Глава 12. Основные принципы компоновки оборудования..................289
Исходные положения ..............................................289
Компоновка оборудования в закрытых зданиях.......................293
Размещение оборудования на открытых площадках....................305
Макетное проектирование..........................................315
Глава 13. Общие вопросы........................................... ... 321
Штаты цеха и управление производством............................321
Техника безопасности ........................................... 327
Элементы генерального плана .................................... 333
Очистка сточных вод..............................................341
Сметы ...........................................................347
Приложения ..........................................................350
I. Примеры опросных листов для заказа оборудования.............359
II. Свойства дифенильной смеси................................. 354
III. Показатели работы барабанных фильтров ... 355
Литература-..........................................................357
Предметный указатель.................................................361
ОТ РЕДАКТОРА
В настоящее время ощущается большая потребность в серь-сшом обобщении опыта проектирования химических производств, и том числе производств органического синтеза. Переводы некоторых зарубежных работ по данной тематике далеко не полностью удовлетворяют эту потребность. Они часто базируются на малоприемлемом для отечественных специалистов материале н исходят из связей и взаимоотношений между проектировщиками, исследователями и строителями, значительно отличающихся от сложившихся в нашей стране. Данная книга, обобщающая огромный ценный опыт отечественных проектных орга-шнаций, может частично восполнить имеющийся в этой области пробел.
Будучи высококвалифицированным специалистом по проектированию производств органического синтеза, автор обладал большим опытом, положительно подтвердившимся практикой промышленного освоения многочисленных проектов, значительное количество которых было выполнено при его личном участии. Б R. Беркман одним из первых в отечественной литературе проанализировал содержание и методику проектирования химических производств и предложил полезные рекомендации по этим вопросам.
Автор данной монографии не ставил своей целью систематическое изложение технологии проектирования производств органического синтеза (что было бы обязательным в учебном пособии), но акцентировал внимание читателей на аспекты проектной работы, наиболее актуальные, с его точки зрения. В книге большое внимание уделено проектированию и разработке схем подачи сырья в цехи и вывода из них готовой продукции, поскольку в некоторых проектах эти вопросы иногда разрабатываются недостаточно тщательно. С необходимой полнотой в монографии рассмотрены новые конструкции отечественных и зарубежных машин и аппаратов химической технологии, что позволит облегчить читателям-проектантам выбор технологического оборудования с последующим уточнением конкретных данных по новым каталогам, нормалям и стандартам.
Редактирование и подготовка рукописи к печати, к сожалению, выполнялись после смерти автора, в связи с чем редактору пришлось сделать некоторые дополнения к ряду разделов книги, включить отдельные примечания и откорректировать ее
5
в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об улучшении проектно-сметного дела» *, внесшим значительные изменения в методику и порядок разработки и утверждения проектов и смет.
Отдавая себе отчет в том, что содержание книги намного обогатилось бы, если бы ее окончательная редакция была подготовлена к печати при непосредственном участии автора, мы все же надеемся, что предлагаемая монография Б. Е. Беркмана будет интересна и полезна специалистам как в области технологии органического синтеза, так и в ряде других отраслей химической технологии.
Редактор выражает большую благодарность товарищам, высказавшим ценные замечания при просмотре отдельных разделов рукописи в ходе ее редактирования.
К.анд. техн, наук Д. А. Гуревич
Своим друзьям-проектировщикам — технологам, экономистам, механикам посвящает автор эту книгу.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Качество проектов химических производств в основном зависит от опыта и квалификации инженеров-технологов, работающих в проектных и исследовательских организациях, от их умения правильно систематизировать и оценить исходные данные, выбрать и рассчитать оборудование, разработать надежную технологическую схему и рациональную компоновку аппаратов и машин, составить задания проектантам других специальностей, принять от них работу и грамотно оценить ее, осуществить эффективный авторский надзор за строительством и монтажом, правильно решить ряд вопросов в сложной обстановке пуска спроектированных цехов и заводов.
К настоящему времени возникла необходимость в научной ! разработке технологии проектирования как специальной отрасли инженерного труда, в выявлении основных критериев оценки качества исходных данных для проектирования и выполненных проектов и определении методов решения комплексных проблем, постоянно возникающих в процессе проектирования. В последние годы за рубежом опубликованы монографии и статьи, посвященные этим вопросам, однако данная книга является, по-видимому, одной из первых попыток проанализировать основы технологического проектирования производств органического синтеза.
В книге рассмотрена методика комплексного технологического проектирования, начиная с предпроектных исследований и кончая пуском производства, даны критерии оценки проекта в целом и выбора лучшего варианта технологической схемы, освещена роль технолога в процессе проектирования производств органического синтеза, показана необходимая последовательность проектных работ.
Основные положения, высказанные автором, иллюстрируются примерами целесообразных и неудачных технических решений, заимствованных главным образом из многолетнего опыта работы автора в области проектирования различных производств органического синтеза. В книге приведены также некоторые сведения об экономике производств органических продуктов, схемах механизации трудоемких процессов, новых конструкциях машин к аппаратов. При этом автор стремился избежать дублирования материалов, содержащихся в основных трудах в области экономики, химической технологии, процессов и аппаратов, теории химических реакторов, химического машиностроения, предполагая,
7
что читатели знакомы или могут ознакомиться с этими работами.
Автор надеется, что книга окажет известную помощь инженерам-технологам и механикам, работающим в проектных и исследовательских организациях, на опытных заводах, в проектных отделах химических предприятий. Поскольку в монографии затрагиваются некоторые общие вопросы, она может представить интерес для экономистов и работников соответствующих министерств. Однако автор считает необходимым подчеркнуть, что он не ставил перед собой задачу написать книгу, претендующую на роль учебника или инструкции для проектантов.
В заключение автор выражает глубокую благодарность всем товарищам по работе, помогавшим ему в процессе создания книги своими советами, подбором материалов, участием в их оформлении, и приносит свою признательность рецензентам — Н. И. Масанову и Д. А. Гуревичу.
Б. Е. Беркман
ВВЕДЕНИЕ
Проектирование вообще, и химических производств в частности, выделилось в самостоятельную отрасль инженерного труда сравнительно недавно. Это явилось следствием значительного увеличения объема проектных работ. Ранее, при более ограниченных масштабах проектирования, оно велось децентрализованно— проектными отделами или конторами заводов и производственных трестов, конструкторскими бюро исследовательских институтов. В настоящее время проектированием занята целая сеть взаимосвязанных специализированных организаций, в которых работает большое количество квалифицированных специалистов. Выделение проектирования в самостоятельную отрасль инженерного труда сопровождалось специализацией отдельных групп проектировщиков (технологи, строители, сантехники, конструкторы и т. д.). В СССР еще в 30-х годах были созданы крупные организации по строительному проектированию, разработке проектов водоснабжения и канализации, конструированию химического оборудования и др. Аналогичное разделение труда произошло и среди специалистов, разрабатывавших проекты химических предприятий. Появилась необходимость выделения ведущих проектных организаций, координирующих проектирование комплексных промышленных объектов.
В последние годы круг обязанностей проектных организаций все более расширяется. Им поручено ведение авторского надзора за строительством и монтажом спроектированных производств, составление заказных спецификаций на оборудование, согласование чертежей оборудования с машиностроительными заводами, участие в пуске производств.
За рубежом проектирование новых химических цехов и заводов ведется специализированными инженерными бюро и фирмами. Некоторые из них только разрабатывают проекты, другие производят также комплектную поставку оборудования и осуществляют строительно-монтажные и пусковые работы. Фирма, осуществляющая проект, как правило, совмещает обязанности генерального проектировщика и генерального подрядчика.
Многолетний опыт показал, что проектирование как самостоятельная отрасль инженерного труда имеет свои закономерности и логические связи. Нарушение их приводит к снижению качеств проектов и удлинению сроков проектирования.
9
Учреждения и ведомства иногда выпускают для проектировщиков инструкции, рекомендации и правила, отдельные пункты которых не всегда согласованы между собой или регламентируют решение второстепенных вопросов, отвлекая внимание проектантов от главных задач разрабатываемого проекта. Поэтому научная постановка проектного дела не может быть заменена изданием необходимых норм и инструкций.
В настоящей монографии мы попытались выявить главные закономерности и логические связи, которыми должен руководствоваться в своей работе технолог-проектировщик производств органического синтеза. Для решения данной задачи в первую очередь следует определить цель проекта и его содержание и сформулировать понятие «проект химического производства».
Основной целью проекта, по нашему мнению, является разработка документации, необходимой для сооружения промышленного объекта, обеспечивающего выпуск требуемой для народного хозяйства продукции определенного качества, в заданном объеме и в установленные сроки с наилучшими технико-экономическими показателями при соблюдении необходимых санитарно-гигиенических условий труда на спроектированном производстве. Для осуществления этой цели требуется сооружение не только собственно производственных и вспомогательных цехов, но и энергетических объектов, складов, дорог, культурно-бытовых и других сооружений, т. е. создание комплекса, обеспечивающего нормальную эксплуатацию производства.
Собственно под проектом следует понимать совокупность информации, необходимой для осуществления указанной цели. В объем информации, передаваемой заказчику, входят чертежи и сметы расходов на все сооружения, инструкции по монтажу, пуску и эксплуатации всех производственных и вспомогательных объектов, регламенты производства, сведения о поставке сырья, данные о себестоимости продукции, план подготовки кадров, надежные методы контроля производства и управления им. Неполная информация приводит к задержке выпуска продукции и, следовательно, к невыполнению одной из основных задач проекта.
Например, на одном химическом заводе ввели в эксплуатацию цех для выпуска хлороргапичсского препарата, имеющего устойчивый сбыт. При проектировании не был полностью решен вопрос об использовании соляной кислоты, образующейся в качестве отхода этого производства, а завод находился в таком месте, где исключалась возможность сброса соляной кислоты в водоем. В результате цех должен был работать не на полную мощность, и выпуск указанного препарата стал целиком определяться возможностью сбыта отходной соляной кислоты.
На другом заводе был пыстросп цех для производства гербицида (противо-сорняковый препарат). После пуска цеха оказалось, что имеющиеся ресурсы коксохимического сырья не могут обеспечить работу цеха па полную мощность. Поэтому до изыскания новых ресурсов сырья коэффициент использования оборудования этого цеха оставался ниже проектного.
Некомплектная информация, если она выдается проектными организациями заказчику, относится к дефектам проектирования.
10
В ряде случаев она обусловлена тем, что не все проектировщики ясно представляют себе объем и содержание необходимой информации (проектной документации). Одной из первоочередных задач проектировщика на начальном этапе проектирования является определение объема и содержания информации, подлежащей разработке и последующей передаче заказчику.
Информация должна передаваться заказчику проектной организацией своевременно и с предельной точностью. Следует всегда помнить, что при передаче информации отсутствуют условия для
се уточнения, но имеются условия для искажения передаваемых
данных. Поэтому способ передачи информации всегда следует
по возможности упрощать, что способствует предотвращению ее искажений. 11роектная информация должна быть предельно четкой, краткой и Понятной тем, кому она предназначена. Для этого надо пользоваться, например, существующими стандартами на чертежи, применять единые условные обозначения п т. д.
Следует категорически исключить передачу сообщений, не содержащих информации (например, не содержат информации лишние размеры на чертежах).
На рис. 1 показана схема размещения на плане цеха одного из аппаратов с указанием его размеров. Как видно из рисунка, двух размеров
Рнс. 1. Схема размещения аппарата на плане цеха с привязкой к строительным конструкциям.
а и с вполне достаточно для установки аппарата
в цехе. На чертеже показан и третий размер Ь, являющийся лишним и поэтому не содержащий дополнительной информации.
На рис. 1 показан также люк аппарата. Необходимо ли это сообщение? При наличии на чертеже размеров а и с аппарат может быть установлен в разных положениях по отношению к пересечению его осей на плане. Следовательно, информация о расположении люка необходима.
В процессе проектирования используется внутренняя и внешняя информация. Внутренняя информация проектной организации составляется из опыта и квалификации проектировщиков, а также из материалов, имеющихся в техническом архиве, технических библиотеках.
Эта внутренняя информация имеет ценность лишь в том случае, если она-может быть быстро введена в процесс проектирования. Быстрота использования внутренней информации зависит от системы управления и организации труда, позволяющей наиболее эффективно применить опыт и квалификацию проектировщиков, от способа хранения необходимых материалов, от времени, которое проектировщик затрачивает на отыскание нужных ему материалов. Внутренняя информация должна непрерывно обновляться путем исправления содержащихся в ней сведений и расширения ее объема. Это обновление возможно лишь при налаженной обратной
11
связи, т. е. систематической проверке имеющихся во внутренней информации данных (чертежей и других материалов), в процессе строительства, монтажа, пуска и эксплуатации проектируемых объектов, при ознакомлении проектантов с литературными и другими материалами. В объем внутренней информации входят также типовые и индивидуальные проекты, нормы и инструкции по проек--тированию, доведенные до сведения исполнителей, каталоги выпускаемого оборудования, взаимосвязь различных подразделений проектной организации и поступающие от нцх сообщения, сведения и др. Чем больше объем внутренней информации и чем быстрее она может быть введена в действие, тем большим опытом обладает проектная организация в целом и тем достовернее передаваемая ею информация.
Внешняя информация ограничивается данными, непосредственно относящимися к конкретному проектируемому объекту и поступающим извне. Сюда входят так называемые исходные данные, выдаваемые проектантам заказчиком и исследователями.
Любая кибернетическая система, под которой в данном случае может подразумеваться проектная организация, не может работать без обратной связи, т. е. без информации о конечном результате работы, выполненной на проектируемом объекте. Пользуясь обратной связью, можно сравнить полученный результат с заданным и внести соответствующие коррективы в проект. Скорректированная информация вновь сверяется с заданием. Этот процесс непрерывно протекает вплоть до полного осуществления задачи проекта. В конкретных условиях проектирования обратная связь должна иметься на всех его стадиях, начиная с оценки задания на проектирование (предпроектные исследования) до ввода в эксплуатацию производства. После выдачи заданий другим звеньям проектной организации технолог и экономисты должны быть информированы о всех промежуточных результатах работы по этим заданиям и своевременно уточнять их, если в этом возникнет необходимость. Специалисты-проектанты смежных отделов, получившие задание от технологов, при осуществлении с ними обратной связи должны оценивать результаты своей работы по имеющейся у них внутренней информации (аналогичные объекты, литературные данные, материалы исследований и т. д.).
В проектировании химических производств инженеру-технологу принадлежит ведущая роль. Он разрабатывает технологическую схему производства, выбирает оборудование, рассчитывает материальные потоки и их соотношения, выдает задание специалистам на разработку общепиженерных разделов проекта (строительная, сантехническая, электротехническая части и т. д.), согласовывает результаты выполнения этих заданий с проектными решениями по технологической части и принимает участие в обсуждении и оценке специализированных и общеинженерпых разделов проекта. В связи с необходимостью координации и тщательной увязки всех
12
разделов проекта для выполнения указанных функций назначается главный инженер проекта, ответственный за правильность технических решений, сроки выполнения и технико-экономические показатели проекта. Главный инженер является техническим руководителем проекта как в период его разработки, так и реализации. Наиболее целесообразно возлагать эти функции на инженера-технолога, который быстрее и квалифицированнее, чем специалист другого профиля, может разобраться в сущности технологического процесса и оцепить правильность принятых проектных решений.
За рубежом во главе проекта тоже имеется руководитель. Он поддерживает контакты с заказчиком по всем вопросам проектирования и строительства (через руководителя проекта поступает и отправляется вся корреспонденция и информация, необходимая заказчику и подрядчику), осуществляет подготовку и руководство всем процессом проектирования, включая увязку технических решений по отдельным разделам проекта, координирует сроки их разработки, поддержи* вает связи с субподрядчиками, контролирует произведенные затраты, участвует в пуске спроектированного объекта, составляет окончательный отчет по всем ви« дам проектных, строительно-монтажных и пуско-наладоччых работ.
Разработка технологической части проекта начинается раньше других его частей, а заканчивается и оформляется по окончании их разработки. Это обусловлено тем, что технические решения, принимаемые по смежным разделам проекта, часто оказывают существенное влияние на проектные решения по технологической части. Так, при разработке проекта размещения оборудования в здании иногда выясняется, что в нем не удается организовать самотек жидкостей. В этом случае в технологической схеме приходится дополнительно предусматривать промежуточные емкости, насосы для перекачивания жидкостей, изменять компоновку трубопроводов и других коммуникаций и т. д.
Проектировщик должен хорошо знать технологию действующих и аналогичных с проектируемым производств, литературу в данной области химии и химической технологии, результаты работ лабораторий и опытных установок, условия применения готового продукта и располагать другими необходимыми сведениями.
Таким образом, проектом химического производства мы можем назвать совокупность исчерпывающей информации, необходимой для создания промышленного объекта, обеспечивающего выпуск данного продукта нужного качества и в требуемом количестве при высоких технико-экономических показателях производства и необходимых санитарно-гигиенических условиях труда. Объем этой информации определяется нуждами строительства зданий, монтажа оборудования и эксплуатации производства и включает расчеты, чертежи, модели, макеты,"регламенты и другие материалы, необходимые для осуществления так называемого пускового комплекса.
Процесс проектирования — это переработка внешней и внутренней информации, имеющейся в проектной организации, в выходную информацию — проект. Чем достовернее внешняя и
13
внутренняя информация, тем технически совершеннее выполненный проект. Для -обеспечения его высокого качества необходима постоянная обратная связь между всеми проектными организациями, разрабатывающими данный проект, и между действующими заводами, стройками, заказчиками. Обратная связь заключается в постоянной и непрерывной взаимной увязке не только конечных, но и промежуточных материалов с точки зрения их соответствия -поставленной цели (заданию на проектирование). Эта обратная связь должна осуществляться вплоть до полной реализации проекта.
При передаче любых сообщений, содержащих проектную информацию, следует помнить, что по пути передачи опа может искажаться. Для предотвращения этого необходимо строго соблюдать установленные коды (стандарты на условные обозначения, чертежи, размерности и т. п.); не загружать проектные материалы сведениями, не содержащими информации, т. е. не передавать на место строительства объекта сообщений, не являющихся квалифицированной инженерной информацией (общеизвестные истины, лишние размеры, ненужные подробности в чертежах и др.); составлять всю проектную документацию в ясной, отчетливой форме, особо выделяя наиболее важные сведения (жирные линии на чертежах, курсив в проектных записках и т. д.); своевременно и правильно формулировать и адресовать всю дополнительную информацию с тем, чтобы она поступала по назначению (в особенности при исправлении ранее выданных материалов); непрерывно поддерживать обратные связи с адресатами, проверяя получение ими любой информации по разрабатываемому проекту. В связи с этим проектная документация должна выпускаться в минимально необходимом объеме и по установленным формам и образцам.
Уровень технологического проектирования в значительной мере (а во многих случаях и в целом) определяет качество всего проекта. Технолог-проектировщик возглавляет разработку проекта, начинает и заканчивает его, сдает проектную документацию заказчику и участвует в пуске и освоении спроектированного производства.
Вопросы последовательности разработки отдельных частей проекта, определения содержания и объема проектной документации являются кардинальными в технологии проектирования. В проектировании различных производств и объектов независимо от их принадлежности к той или иной отрасли промышленности и в области методологии решения основных технических проблем проектов отечественных и зарубежных проектировщиков, как показал опыт, имеется много общего.
Соблюдение определенной последовательности в разработке отдельных стадий проекта и четкое представление об их содержании и объеме в значительной мере определяют темпы и качество разработки проектов. В Советском Союзе эти вопросы рег
14
ламентированы ’2. Для производств органического синтеза, отличающихся сложностью технологического процесса, разнообразием устанавливаемого оборудования, а в ряде случаев многообразием и непостоянством ассортимента продукции, особенно важно соблюдение основных положений о порядке разработки и содержании проектных материалов.
Первым этапом работы проектировщика, приступающего к разработке проекта производства органического синтеза, как правило, является ознакомление со свойствами сырья и готовых продуктов, определение оптимальной мощности производства, ознакомление с различными методами получения заданной продукции, оценка исходных данных, выбор и обоснование химической схемы производства и района строительства, определение очередности ввода мощностей, выявление ориентировочных технико-экономических показателей производства. Перечисленные вопросы решаются на стадии технико-экономического обоснования проекта (ТЭО) для крупных и сложных объектов или на стадии подготовки задания па проектирование, которое составляется при непосредственном участии проектировщиков. В самом общем виде эта стадия проектных работ может быть названа предпроектной разработкой.
*Разработка основных технических решений проекта, определение технико-экономических показателей проектируемого производства и его сметной стоимости производится на стадии выполнения технического проекта. На этом этапе должны быть рассчитаны и выбраны все виды оборудования, составлена калькуляция себестоимости готовой продукции, составлены сметы на строительство проектируемого объекта, разработаны проекты вспомогательных сооружений и т. д.
До издания постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР 1 основная часть перечисленных выше вопросов решалась на стадии разработки проектного задания. Однако по объему н тщательности проработки отдельных вопросов проектное задание уступало техническому проекту. В частности, стоимость объекта определялась сметно-финансовым расчетом, точность которого ниже, чем сметы. После выхода указанного постановления уже выполненные проектные задания остались в силе, а начатые разработкой проектные задания должны были быть закончены в ранее установленные сроки.
По утвержденному техническому проекту разрабатываются р а-бочие ч е р т е Ж и, т. е. та техническая документация, по которой непосредственно ведется строительство и монтаж объекта. Рабочие чертежи выполняются по всем разделам проекта. По несложным объектам разрабатываются совмещенные технц-рабочие проекты.
Нарушение такой последовательности разработки проектов большей частью приводит к их переделкам. Игнорирование предпроект-пой проработки обусловливает возможность составления недостоверной проектной документации на стадии технического или технорабочего проекта.
Учитывая сложность технологических схем в производствах органического синтеза, зачастую связанную также с многообразием
ассортимента готовой продукции, предпроектным работам следует уделять особое внимание. Желательно, чтобы технолог, который вел предпроектную проработку данного производства, составлял и технический проект. Это позволит сократить сроки его выполнения и повысить технический уровень проектных решений. Целесообразно также, чтобы тот же технолог имел возможность участвовать в исследованиях, имеющих целью доработку исходных данных, необходимость в которых была выявлена на первой стадии проектной работы. — Дополн. ред. *
ГЛ AB A 1
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Основными критериями оценки проекта любого химического производства являются экономические показатели, достигаемые в процессе его освоения и эксплуатации. По действующим нормам2 при разработке проекта следует исходить из необходимости «обеспечить наиболее рациональное и экономическое использование общественного труда».
Рассматривая экономические и коммерческие факторы при организации производств химических продуктов, некоторые зарубежные специалисты считают, что для оценки экономичности выпуска данной продукции нужно определить! отвечает ли эта продукция требованиям ее потребителей, обеспечивается ли средняя норма прибыли при эксплуатации производства, способствует ли данная продукция прибыльной эксплуатации производства в течение длительного времени. Если в результате оценки намечаемого к осуществлению технологического процесса выясняется, что он не обеспечивает среднюю прибыль для данного производства, работа по проекту прекращается впредь до разработки другого метода производства, удовлетворяющего указанным выше требованиям.
Если продолжается расширение выпуска уже освоенной продукции без улучшения ее качества, проектная цена готовой продукции нс может превыша-ыг-отпускную цену, установленную для таких же I продуктов, выпускаемых на действующих предприятиях. Повышение цены в случае улучшения качества продукции не может быть ( принято произвольно, без обоснования экономии, достигаемой в ре-I зультате улучшения качества выпускаемой продукции. Техниче-| ские показатели качества продукции в этих случах должны быть лучше, чем на действующих предприятиях.
Е. Б. Чарная и П. И. Петрушин 3 проверили экономические результаты введения нового ГОСТ на краситель основной фиолетовый К, в котором снижено предельное содержание минеральных примесей (золы). Оказалось, что такое улучшение качества имеет ► значение только для одного потребителя, которому поставляется около половины вырабатываемого красителя. Введение красителя । 2-го сорта учитывало бы нужды других потребителей и позво-I лило бы снизить на 15—20% производственные затраты на заводе-
поставщике.
Авторы 3 предложили формулу для расчета народнохозяйственного эффекта Эк от повышения качества химической продукции:
Эк > (С, + EKt) + (С2 + ЕК2) + (С3 +„^s)
где Сь /([—изменение производственных"' (Те1ЦтДцх--и---кап111адь-
ных) затрат у поставщика; | > 1
| Ззк-6ОД I 1Ч
----------—-Лх... 4 /
С2, К, — изменение производственных (текущих и капитальных) затрат у потребителя;
С3, Кз ~ изменение производственных (текущих и капитальных) затрат в смежных отраслях народного хозяйства, применяющих продукт, выпускаемый потребителем;
Е — нормативный коэффициент эффективности.
Однако единую методику расчета такой эффективности авторы не сочли возможным рекомендовать для химической промышленности, где используются самые разнообразные технологические процессы и выпускаются многие виды продукции.
Прежде чем приступить к разработке вариантов проекта, необходимых для выявления его лучших показателей, следует установить ограничивающие параметры, за пределами которых нецелесообразно составление вариантов. Такими ограничивающими параметрами являются государственные нормы по охране труда и технике безопасности, а также нормы охраны водоемов и воздушного бассейна населенных мест от вредного влияния отходов химических производств. Например, заранее можно сказать, что при размещении химического производства в черте большого города значительно уменьшаются эксплуатационные затраты и создается возможность снижения себестоимости продукции. Однако по санитарным нормам большинство химических предприятий нельзя располагать ближе чем па 1 км от любых населенных пунктов и ближе чем на 3 км от крупных городов. Сброс в водоемы сточных вод без очистки также позволил бы снизить эксплуатационные затраты и себестоимость продукции, но это категорически запрещено действующими нормами охраны водоемов от загрязнения.
В начале проектирования необходимо также рассмотреть ограничивающие параметры, относящиеся непосредственно к проектируемому производству. Такими ограничениями являются, например, запрещение применять отдельные виды сырья, вызывающие заболевания обслуживающего персонала; налично готовых помещений или площадок для строительства, заранее закупленного оборудования, лицензий; запрещение расширять некоторые города и поселки и т. д.
На выбор технологической схемы значительное влияние оказывает мощность производства. С этой точки зрения продукция промышленности органического синтеза условно может быть подразделена на м и о г ото п п а ж н ы е продукты, используемые большей частью в производстве синтетических каучуков, химических волокон и пластических масс или применяемые в больших количествах в качестве химикатов в различных отраслях народного хозяйства, п па малотоннажные продукты, используемые для окраски тканей и других изделий, вводимые в качестве добавок в резиновые смеси с целью улучшения резиновых изделий, а также химические реактивы, фармацевтические препараты и др. В малотоннажных химических производствах обьем основной ре
18
акционной аппаратуры в большинстве случаев не превышает I — 2 м3 и для производства каждого продукта устанавливается не более 2—3 параллельно работающих реакторов.
При получении массовых полупродуктов и готовых продуктов основного органического синтеза количество химических превращений первичного сырья в готовую продукцию, как правило, невелико. Так, хлорбензол получается в результате одной реакции хлорирования бензола, фталевый ангидрид —в результате одной реакции окисления нафталина или орто-ксилола кислородом воздуха, малеиновый ангидрид—в результате одной реакции окисления бензола, фурфурола или бутан-бутиленовой фракции кислородом воздуха, стирол синтезируется из этилена и бензола в результате двух реакций (алкилирования бензола и дегидрирования этилбензола) или в одну стадию — дегидрированием нефтяного этилбензола, полиэтилен получается в результате одной реакции — полимеризации этилена.
Малотоннажные продукты тонкого органического синтеза (красители, фармацевтические препараты и др.) получаются преимущественно в результате проведения многих последовательных химических реакций. Так, при синтезе катионных красителей проводится более 10 химических реакций для превращения исходных веществ в готовые красители. Исходные полупродукты, используемые в производстве катионных красителей, также не являются первичным сырьем и для их синтеза требуется проведение нескольких химических реакций.
Чем меньше химических реакций применяется в процессе производства готового органического продукта из первичного сырья, тем меньше затрачивается на это общественного труда. Каждая химическая реакция проводится под действием различных
Таблица 1 Некоторые технико-экономические показатели производств органического синтеза
Показатели Органический синтез
основной ТОНКИЙ
Годовая производительность установки, тыс. т До 100 0,01-2,0 Периодический
Преимущественный способ производства .... Непрерывный
Число химических стадий Число видов органического сырья, применяемого До 4 До 40
в производстве одного продукта Доля затрат на сырье в себестоимости продук- 1-4 До 40
та, % Снижение себестоимости продукции при увеличении производительности установки в 2—4 ра- 30-60 70-90
за, % Снижение удельных капитальных затрат при увеличении производительности установки 12-30 1,5-5
в 2—4 раза, % 20-40 5-7
2*
19
химических веществ. Например, в производстве синтетических красителей и медикаментов применяются практически все виды химического сырья, выпускаемого химической, нефтехимической и коксохимической промышленностью.
Различие технико-экономических показателей производств основного и тонкого органического синтеза можно укрупненно охарактеризовать данными табл. 1.
СЕБЕСТОИМОСТЬ ГОТОВОГО ПРОДУКТА
Калькуляция себестоимости продукции обычно состоит из следующих основных разделов:
1. Затраты на сырье за вычетом стоимости утилизированных отходов, образующихся в процессе производства; затраты па вспомогательные материалы, применяемые в производстве химических продуктов, обычно невелики и потому иногда не выделяются в самостоятельную статью (к вспомогательным материалам относятся фильтровальные ткани, обтирочные, упаковочные материалы и т. д.).
2. Затраты на все виды энергии (и на топливо), потребляемой в процессе производства. В химической промышленности применяются электроэнергия, пар и горячая вода, сжатые газы, холод и др. Если некоторые виды энергии вырабатываются непосредственно в цехе (обычно это холод, сжатые газы, нагретые высоко-кипящие органические теплоносители и др.), их расход включается в расход электроэнергии или топлива, потребляемых для получения этих энергоресурсов.
При анализе затрат сырья и энергии необходимо тщательно следить за единицами, в которых оии учитываются. Например, часть сырья рассчитывается на 100%-ное содержание вещества, часть—в товарном весе, некоторое сырье — в условных единицах.
Так, расход едкого натра учитывается в пересчете на продукт, содержащий 92%NaOH. Количество некоторых красителей пересчитывают по их колористическим свойствам на так называемый типовой образец. Расход угля учитывается в пересчете иа условное топливо с теплотворной способностью 7000 ккалр'.г (29 400 кдж/кг) и т. д. Расход тепла учитывается в миллионах килокалорий (млн. ккал), мегакалориях (Мкал) *, расход электроэнергии — в киловатт-часах (кет ч), воды — в кубометрах (м3), сжатых газов — в кубометрах (объем газов приводится к нормальным условиям—.1 атм и 0°С).
3. Оплата труда рабочих, непосредственно обслуживающих технологическое оборудование. К ней добавляются все начисления согласно существующему законодательству.
4. Цеховые расходы составляются из оплаты труда управленческого и вспомогательного производственного персонала цеха с начислениями (см. выше), расходов на отопление и вентиляцию
* Иногда расход тепла выражают в мегакалориях, имея при этом в виду мегакилокалории. Однако по ГОСТ 7663—55 не допускаются две (дольные или кратные) приставки к простому наименованию основной единицы. Поэтому в данном случае следует писать гигакалория (Гкал, или 10' кал) или мли. ккал.— Прим. ред. *
20
Таблица 2. Примерная форма калькуляции себестоимости химических
. продуктов
Статьи расхода Единица измерения Затраты на весь выпуск Затраты на единицу продукции
количество сумма, руб. количество цена, руб. сумма, руб.
1. Сырье (о 100%-ном, товарном или ус-ь ловком весе) Итого сырье . . . Отходы (в 100%-ном, товарном или условном весе) Итого отходы . . . Итого сырье за вычетом от-1 ходов 2. Топливо (и пересчете на условное топливо, т. е. 7000 ккал!к.г, в товарном весе) 3. Энергия Пар Нода Электроэнергия < жатый воздух Холод Итого энергия . . . 4. Труд Зарплата основная и дополни-[ тельная Начисления на зарплату .... Итого по труду. . . Г». Ц е х о в ы е >р а с х о д ы . . . в том числе амортизация .... <1. Пусковые расходы Общезаводские расходы Заводская себестои - М О с т ь Внепроизводствен-и и с расходы 1 «ммерческая себестои и ость кг, т руб. кг, т руб. руб. r/ju3 млн. ккал М3, ТЫС. JU3 кет ч, тыс. кет ч м3, кет ч ккал, тыс. кал, кет ч руб. руб. руб. руб. руб. руб. руб. руб. руб. руб. 1 1 1 1 II 1 III III I'll 1 1 1 1
21
производственных помещений, на обслуживание и ремонт оборудования, на мероприятия по технике безопасности, охране труда и т. д. Отдельно в цеховых расходах выделяются отчисления на амортизацию производственного и вспомогательного оборудования и зданий.
5. Общезаводские расходы состоят из затрат на обслуживание-общезаводского хозяйства, управление заводом и др.
Кроме того, в конечную калькуляцию себестоимости включаются пусковые и коммерческие расходы. При анализе проектной себестоимости они обычно не учитываются.
Примерная форма калькуляции себестоимости химических продуктов приведена в табл. 2.
Зависимые и независимые затраты. Часть перечисленных затрат, например на сырье, практически не зависит от объема производства (мы применили термин «практически» потому, что механические потери сырья при доставке его в цех с увеличением объема производства несколько снижаются, но влияние этого фактора невелико, и его обычно не учитывают). Часть затрат в большей или меньшей степени зависит от объема производства. Больше зависят от него цеховые и общезаводские расходы, поскольку с увеличением объема производства затраты на управление, обслуживание зданий и оборудования возрастают непропорционально увеличению объема выпускаемой продукции, а иногда (при укрупнении оборудования без увеличения его числа) остаются на одинаковом уровне. В меньшей степени зависят от объема производства затраты на все виды энергии. Однако увеличение объема производства все же связано со снижением удельных расходов энергии, поскольку при этом, как правило, возрастает объем реакционной и вспомогательной аппаратуры, и, следовательно, уменьшается теплообмен с окружающей средой и снижается удельный расход энергии на нагревание и охлаждение аппаратов, на перемешивание, перекачивание и транспортировку сырья и промежуточных продуктов.
Чем меньше доля затрат на сырье в себестоимости продукции, тем больше доля затрат, зависящих от масштаба производства. Увеличение объема производства заметнее сказывается на снижении себестоимости многотоннажных химических продуктов, чем на себестоимости малотоннажных продуктов многостадийных химических производств. В табл. 3 показано изменение себестоимости хлорбензола и красителя активного голубого 2К при объемах производства каждого продукта, различающихся в 2 раза. Доля стоимости сырья в себестоимости хлорбензола составляет 57,6%,в себестоимости красителя 87,4%. С увеличением объема производства хлорбензола в 2 раза его себестоимость снижается на 12,4%. При увеличении в 2 раза объема производства красителя его себестоимость снижается всего па 1,4%.
В табл. 4 показано влияние четырехкратного увеличения объема производства фталевого ангидрида на сумму зависимых
22
Ти Л лица 3. Себестоимость хлорбензола и красителя активного голубого 2 К (в условных единицах)
Показатели Хлорбензол Краситель
1 одовая производительность < уммарная заводская себестоимость Г единицы продукции без коммерче- 30 60 1 2
। ских расходов 100 87,6 10 000 9 860
в том числе:
сырье 57,6 57,6 8 740 8 740
все виды энергии зарплата основных рабочих с на- 16,6 12,0 290 250
числениями 4,4 3,0 130 НО
цеховые расходы 13,8 8,0 630 500
общезаводские расходы Удельные капитальные затраты на 1 т 7,6 7,0 210 150
мощности Погашение кредита на строительство, исходя из выплаты его за 8 лет 1,0 0,75 60,0 50,0
। после пуска цеха 40 30 300 250
в % к себестоимости 40 34 3 2,5
затрат. Удельные затраты на энергию снижаются при и 1,9 раза, на зарплату основных рабочих — примерно в 1,5 цеховые и общезаводские расходы — в 2,5 раза.
этом раза,
Таблица 4. Влияние производительности цеха на зивисимые затраты в себестоимости фталевого ангидрида
(в руб. на 1 т)
Затраты Производительность, % ’ Коэффициент снижения зависимых затрат
100 400
Вес виды энергии (включая топливо) 32,46 17,64 0,53
Зарплата основных рабочих с начйсле- I пнями 11,0 7,25 0,65
Сумма цеховых и общезаводских расходов 104,01 43,04 0,41
Итого. . . 147,47 67,93 0,44
Анализируя литературные данные, Д. А. Гуревич4 показал, что при снижении затрат на энергию на 20% общая себестоимость фталевого ангидрида уменьшается на 3%, уменьшение расходов на производственную зарплату на 20% приводит к удешевлению продукции на 2%. Это примерно соответствует показателям габл. 3.
В табл. 3 показано такЖе, как влияет размер капитальных затрат на себестоимость продукции. Мы приняли, что строительство
аз
обоих производств осуществляется по кредиту, погашаемому в течение 8 лет с начала эксплуатации цеха. В производстве хлорбензола погашение этих затрат составляет 34—40% к себестоимости продукции, в производстве красителя 2,5—3%. Таким образом, в производстве хлорбензола снижение удельных капитальных затрат оказывает серьезное влияние на конечный экономический результат (себестоимость продукции), в производстве красителей это влияние значительно меньше.
Доля расходов на электроэнергию в себестоимости хлорбензола составляет 14—17%, в себестоимости фталевого ангидрида 10—15%, диметилтерефталата 18%, малеинового ангидрида 10— 13%, а в себестоимости красителей 2,5—2,9%.
Влияние мощности установки на себестоимость стирола —одного из многотоннажных продуктов органического синтеза — характеризуется данными табл. 5. Следует отметить высокий удельный вес в себестоимости отчислений на амортизацию оборудования и прибыли на вложенный капитал, включая оплату основных фондов. Эти суммы примерно равны затратам на погашение кредита (см. табл. 3), т. е. 30—40% себестоимости.
Таблица 5. Себестоимость стирола (в долл.) и капиталовложения в строительство установок разной мощности в США
Статьи расхода Годовая мощность, тыс. т
90,7 34,0 9,1
Сырье
бензол 66,2 — —
этилен 28,7 — —
этилбензол — 57,3 57,3
Итого сырье . . . 91,9 (53%) 57,3 (32%) 57,3 (24%)
Амортизация 11,0 19,8 33,1
Другие расходы 41,1 50,7 59,5
Прибыль (20% на вложенный капитал) 28,7 52.9 88,1
Итого себестоимость . . . 178,7 180,7 238,0
Капиталовложения в установку, млн.
ДОЛЛ 10,0 6,6 3,0
При росте производительности в 10 раз капитальные затраты увеличиваются в 3,3 раза, а себестоимость 1 т стирола снижается примерно па 25%.
Вопросу о влиянии масштаба производства химических продуктов на зависимые затраты (стоимость обработки) посвящена работа8. Ее авторы приходят к выводу, что «трудно провести грань между областью проектировав ня технологического процесса и экономикой», поскольку инженер-химик «должен стремиться обеспечить своей фирме стмые эффективные и экономичные установки». Основным зкономнческнм критерием проекта они считают «сметную калькуляцию
24
себестоимости готового Продукта». Прежде Чем выбрать вариант технологического процесса, инженер-химик должен рассчитать капитальные затраты и стоимость обработки. Он обязан рассчитывать это в процессе работы «независимо от того, требуются ли эти расчеты руководству фирмой».
К стоимости обработки цитированные авторы5 относят расходы на амортизацию, страхование, налоги, содержание оборудования, на оплату труда аппаратчиков и операторов, а также накладные расходы и затраты на содержание коммунальных сооружений и услуги. Остальные затраты (оплата сырья и всех пидов энергии) они считают независимыми от мощности. По нашему мнению, отнесение расходов на все виды энергии к «независимым» неправильно.
Структура себестоимости промежуточных продуктов и синтетических красителей приведена в табл. 6.
Таблица 6. Структура себестоимости промежуточных продуктов и синтетических красителей6 (в %)
Статьи расхода Промежуточные продукты Сложные синтетические красители
непрерывное производство периодическое производство
Сырье за вычетом отходов Все виды энергии (вода, тепло, топ- 65,0 65,0 84,0
ЛИБО и др.) 12,7 10,0 9,1
Зарплата с начислениями . . Общезаводские и цеховые расходы, 3,0 5,0 2,2
амортизация 19,3 20,0 4,7
Анализируя показатели, приведенные в табл. I и 3—6, можно ограничить количество вариантов при составлении проектов производств органического синтеза. Кроме вариантов проекта, связанных-«о снижением расходов на сырье, необходимо тщательно рассмотреть также варианты, обеспечивающие снижение расхода энергии, цеховых и общезаводских расходов, а также удельных капитальных затрат (на 1 т создаваемой мощности). Укрупнение оборудования, перевод периодических процессов на непрерывные, размещение оборудования на открытых площадках могут привести к значительному снижению себестоимости готового продукта.
При проектировании производств тонкого органического синтеза, в которых доля затрат па сырье приближается к 85% себестоимости продукции, основное внимание следует уделить сравнению тех вариантов проекта, которые связаны с уменьшением затрат на сырье. Однако отсюда не следует, что с остальными затратами можно не считаться, но работу по их сокращению целесообразно проводить в рамках варианта, обеспечивающего решение основного вопроса — экономию сырья.
Влияние сокращения расходов на сырье, т. е. повышение выхода по сравнению с теоретическим, на экономические показатели производства одного из продуктов характеризуется данными табл. 7.
Важной частью работы при определении числа вариантов проекта, которые необходимы для выявления оптимального варианта,
25
Таблица 7. Влияние выхода продукта на показатели производства фенола сульфурационпым методом0
Показатели 1930 г 1957 г. I960 г.
Выход, считая на бензол, % от теоре-
тичесТсого 67,5 84,0 88,0
Производительность труда, % 100 217 300
Себестоимость, % 100 58,5 52
Расход сырья, тыс т 5,0 3,С> 3,4
Потребление пара на 1 т, тыс. ккал . . 8,7 , 4,8 4,2
Потребление топлива на 1 т, % ... . 100 52 48
является решение вопросов, связанных с переработкой и утилизацией производственных отходов. При любых условиях эти отходы должны быть обезврежены, чтобы не загрязнялись территория завода, водоемы, атмосфера. Затраты па такие работы вполне оправданы, но целесообразность расходов на переработку отходов в товарную форму следует подвергать экономическому анализу. Они оправданы лишь в том случае, если дополнительные затраты на переработку отходов приведут к снижению себестоимости основной продукции.
Например, при возможности сбыта соляной кислоты, образующейся в качестве отхода в производстве хлорбензола, его себестоимость снижается7 иа 6,8%. Однако сбыт соляной кислоты, как чистой, так и загрязненной органическими примесями, в последнее время становится все более затруднительным и, возможно, в будущем соляная кислота — отход химических производств — может не найти сбыта. В то же время отход производства хлорбензола — хлористый водород, из которого получается соляная кислота, может быть использован для синтеза дополнительного количества хлорбензола методом окислительного хлорирования С611с. При этом добавочное снижение себестоимости продукта может составить 1—2% (сверх упоминавшихся 0,8%). Отсюда следует, что сброс отходной соляной кислоты в водоемы после нейтрализации IIC1 экономически невыгоден, ^аже если он окажется допустимым но санитарным нормам.
Анализ целесообразности регенерации серной кислоты из се слабых растворов (5—10% H2SO4) показал, что она экономически псоправдана. Выгоднее нейтрализовать слабые растворы серной кислоты известью и вывозить образующийся гипс в отвал, конечно, без использования для этой цели земель, пригодных для сельского хозяйства.
Иногда, чтобы повысить экономическую эффективность утилизации отходов, их облагораживают (перерабатывают) для получения более цепных продуктов. Так, из отходов сульфита, образующегося при upon шодстве фенола сульфурационпым методом, получают стандартный кристаллический сульфит8, стоимость которого, списываемая о себестоимости фенола, вдвое выше, чем технического сульфита. 11т растворов тиосульфата отходов производства альфапаф'иламппа— изготовляют стандартный тиосульфат9; из загрязненного хлорного железа, являющегося отходом производства брома, получают чистое хлорное железо. При этом со стоимости сырья списывается стоимость отхода в сумме 213 руб. на
26
1 т продукции (вместо 70 руб. при выпуске загрязненного хлорного железа); это приводит к снижению себестоимости брома на 11%.
При определении целесообразности очистки отходов необходимо доводить качество получаемых из них продуктов до норм, установленных стандартами, или предварительно согласовывать с конкретными потребителями возможность применения ими нестандартных продуктов, получаемых из отходов.
Сокращение общего количества обслуживающего персонала в производствах тонкого органического синтеза способствует существенному снижению себестоимости продукции. На одном из английских анилинокрасочных заводов в результате механизации складских и транспортных операций, внедрения счетно-решающих машин для учета сырья, готовой продукции и подсчета заработной платы количество обслуживающего персонала, работающего на повременной оплате труда, удалось сократить с 1800 до 800 человек.
Во многих случаях структуры штатов на отечественных и зарубежных заводах тонкого органического синтеза совпадают (табл. 8). На первый взгляд структуры различаются (в ФРГ в 3 раза меньше инженерно-технических работников, в 4 раза больше служащих и т. д.), по из элементарного анализа таблицы видно, что в этих странах разные группы работающих по-разному относят к тем или иным категориям. В СССР из штатов исключены ученики, так как новых рабочих, как правило, зачисляют в штат с пониженным разрядом, а подавляющее число служащих (плановики, хозяйственные мастера, экономисты и т. д.) отнесены к инженерно-техническим работникам. Суммарное же соотношение
Таблица 8. Структура штатов на предприятиях тонкого органического синтеза в ФРГ и СССР (в % к итогу)
Категории рабочих
ФРГ СССР
Рабочие 66,8 72
в том числе аппаратчики . 37,0 38
Инженерно-технические работники 7,2 23,6
в том числе с высшим образованием . . . 47 29
Служащие 19,6 4,4
Ученики 6,4 Отдельно не
учитываются
Итого ... 100,0 100,0
Суммарно
рабочие и ученики 73,2 72,0
ИТР и служащие 26,8 28,0
Всего ... 100,0 100,0 *
27
числа рабочих и учеников и числа ИТР и служащих в структуре штатов в СССР и ФРГ совпадает.
Изучение экономики химических производств не может быть ограничено только анализом калькуляции себестоимости продукции. При разработке проекта необходимо учитывать также народно-хозяйственное значение выпускаемой продукции и влияние снижение ее себестоимости на себестоимость изделий, выпускаемых другими отраслями промышленности. Многотоннажные промежуточные продукты (например, хлорбензол, фталевый ангидрид, малеиновый ангидрид, диметилтерефталат, стирол, химикаты для сельского хозяйства и др.) являются либо готовыми продуктами, непосредственно применяемыми в других отраслях народного хозяйства (например, химикаты для сельского хозяйства), либо исходными веществами для синтеза полимеров, на основе которых получаются пластические массы, химические волокна и т. д.
Синтетические красители применяются в весьма небольших количествах для окраски готовых изделий. Так, расход кислотных красителей на окраску тканей в серый и голубой цвета составляет 0,3—0,5% массы ткани; расход хинакридоновых пигментов не превышает 0,01—0,05% от веса окрашиваемых ими пластических масс. Некоторые красители, окрашивающие ткани в темные тона, расходуются в количестве 4—10% массы волокна. Отсюда ясно, что при незначительном расходе таких красителей, как хинакридоно-вые и фталоцианиновые пигменты, кислотные красители голубого цвета и др., снижение их себестоимости не может существенно сказаться на себестоимости окрашиваемых изделий. Основное требование к этим красителям — строгое сохранение качественных показателей (выпускная форма, оттенок красителя и др.). Отпускная же цена па красители, расход которых составляет 5—10% от веса ткани, должна учитываться при оценке ее влияния на себестоимость окрашиваемых изделий. Иногда потребитель может вообще отказаться от дорогих красителей, даже если они по качеству несколько лучше дешевых. Поэтому при анализе экономики производства и потребления красителей, как и любых других продуктов, проектировщик обязан ознакомиться с вопросами применения их в народном хозяйстве.
Анализируя себестоимость готовой продукции, следует отметить, что риск как экономическое понятие может быть конкретно определен в денежном выражении. Конечно, здесь не имеется ввиду риск, который может поставить под сомнение принципиальную возможность эксплуатации проектируемого производства. Такой неразумный риск нельзя оценить количественно. Под термином «риск» мы понимаем лишь возможность возникновения затруднений при пуске производства, необходимость внесения частичных изменений в его аппаратурное оформление, что может вызвать некоторое удлинение сроков освоения производства.
Мы подсчитали абсолютные затраты па содержание в течение 1 месяца цеха сложных красителей, размещенного па вновь проек
28
тируемом заводе органического синтеза. При этом было принято, что'в период освоения цеха весь производственный персонал находится на рабочих местах, и затраты на содержание цеха составляют 100% от. проектных. При освоении предполагался перерасход сырья до 50% от запроектированного, выпуск продукции за это время должен был составить 25% проектного, а удельные расходы всех видов энергии в 2 раза превысить проектные нормативы. Абсолютные затраты, связанные с освоением цеха, в этих условиях были равны примерно 270 тыс. руб. в месяц при суммарных капитальных вложениях в строительство цеха около 3,5 млн. руб. Эти затраты составили около 8%‘общих капиталовложении в строительство цеха. Отсюда ясно, что удлинение пускового периода на один месяц в результате риска, допущенного с целью экономии капиталовложений на 8%, в данном случае не может быть принято при проектировании. С известной степенью точности аналогичные расчеты могут быть проведены и по другим цехам как для многотоннажных промежуточных продуктов, так и для продуктов тонкого органического синтеза.
Другой результат получается в том случае, когда риск может дать крупный экономический эффект, например при снижении затрат на сырье. Так, в производстве фталевого ангидрида при замене- исходного кристаллического нафталина техническим, стоимость которого в 1,5 раза меньше, возможно снижение себестоимости готового продукта на 30%. В этом случае удлинение периода пуска цеха, даже связанное с его переоборудованием, может оказаться экономически оправданным.
СТРУКТУРА КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ
При анализе экономики производства органического синтеза нельзя игнорировать и структуру капитальных затрат, необходимых для их создания.
Стоимость оборудования предприятий тонкого органического синтеза в США, Италии, Канаде, Великобритании составляет от 31 до 40% (в США 38,3%), а стоимость производственных зданий— от 20 до 27% (в США 20,6%), вложения в энергетическое и общезаводское хозяйство, а также стоимость проектирования (без жилищного строительства, предзаводской площадки, объектов культурного обслуживания, лабораторий, опытных установок) находятся в пределах 32—41 % (в США 41%) общей суммы капитальных затрат. Эти данные получены на основании анализа материалов обследования 156 строек10 с капитальными вложениями от 1 до 10 млн. долл, и более.
Структура капитальных затрат на строительство цехов тонкого органического синтеза на некоторых отечественных заводах приведена в табл. 9.
Для ряда зарубежных заводов тонкого органического синтеза характерно отношение стоимости собственно производственных
29
Таблица 9. Структура капитальных затрат на строительство цехов тонкого органического синтеза6
Цехи Доля, %
общестроительной части обордуования
Простых красителей 36,3 39,4
Сложных красителей 37,6 44,0
Промежуточных продуктов для красителей, получаемых периодическим способом 37,9 40,0
Частично автоматизированный цех товарных промежуточных продуктов, получаемых непрерывным способом 31,2 59,6
зданий с оборудованием к стоимости вспомогательных сооружений, равное 1:1.
При анализе капитальных затрат на строительство химических предприятий и цехов следует иметь в виду, что в их сводку иногда входят затраты, не имеющие к ним прямого отношения, например капиталовложения в строительство объектов коммунального назначения. Судя по опубликованным данным, за рубежом в объем капиталовложении, необходимых для создания химических производств, включаются только объекты, имеющие к ним непосредственное отношение. Строительство лабораторий, опытных цехов, заводоуправлений, клубов, столовых, объектов городского транспорта и культурно-бытового назначения там осуществляется за счет прибылей фирмы п других источников финансирования. Следует отметить высокую долю стоимости проектирования и архитектурных работ в структуре капиталовложений в химическую промышленность капиталистических стран. Эта доля составляет 11,3% в США п 19,9% в Канаде. Видимо, в этих странах в стоимость проектирования включаются затраты, которые у пас относят в другие статьи расходов (предпроектиые работы, конструирование оборудования, необходимые опытные работы и др.).
ВЫБОР РАЙОНА СТРОИТЕЛЬСТВА
Весьма серьезным обстоятельством, которое может повлиять на экономические результаты проектирования, является территориальное размещение производства.
Например, при размещении производства фталевого ангидрида на коксохимических заводах можно ш шигельпо снизить себестоимость готового продукта нз-и| <псугсгпия внешних перевозок основного сырья — нафталина. Размещение цеха пигробеп юла на коксохимических или суперфосфатных заводах может обеспечить снижение ск> себестоимости за счет использовании отработанной серной кислоты (бе< сс копиейipnpon ниш) в производстве сульфата аммония или су-
ЗО
перфосфата 9. В случае организации производства хлорбензола вдалеке от хлорного завода возможно значительное удорожание готовой продукции, обусловленное необходимостью перевозки жидкого хлора вместо применения газообразного СЬ, подаваемого по хлоропроводам 7.
Размещение производств тонкого органического синтеза, исходя из расходов на доставку сырья и транспортирование готовой продукции потребителям, имеет меньшее значение. Подсчитано, что колебания транспортных расходов при размещении таких производств в различных районах страны могут сказаться на себестоимости готовой продукции лишь в долях процента. Значительно большее значение для размещения производств топкого органического синтеза имеют такие условия, как, например, наличие вблизи завода крупного водоема для сброса очищенных сточных вод, близость к населенным пунктам, имеющим резервы рабочей силы и т. д.
Важную роль при выборе места размещения предприятий органического синтеза играет также возможность обеспечения производства квалифицированными кадрами химиков и их подготовки в районе будущего строительства завода.
Для выбора района строительства необходимо знать: количество и источники сырья и топлива, размещение рынков сбыта готовой продукции, количество и качество имеющейся воды, потребность в энергии (электрической и тепловой), необходимые размеры площадки с учетом перспективы расширения завода, потребность в рабочей силе (по квалификациям)., количество и состав отходов, подлежащих удалению, и способы их обезвреживания.
Предприятия, потребляющие большое количество сырья на единицу готовой продукции, целесообразно размещать вблизи источников этого сырья. Так, нефтехимические заводы строят в районе источников нефти и газа, близко к нефте- и газопроводам или к нефтеперегонным заводам, которые поставляют потребителям побочные продукты, получаемые при дистилляции и крекинге нефти.
Если расходы на перевозку готовой продукции превышают расходы по доставке сырья, предприятие тяготеет к рынкам сбыта. Например, сернокислотные цехи часто размешают на суперфосфатных заводах, так как перевозка серной кислоты обходится дороже, чем сырья для ее производства.
Перспективы размещения новых химических предприятий в СССР намечены в директивах XXIII съезда КПСС об использовании дешевых ресурсов сырья, топлива и электроэнергии в Сибири. При доставке каменного угля, кокса и нефти из восточных в центральные районы страны средняя дальность перевозки 1 т нефти железнодорожным транспортом достигает11 1300 км, 1 т каменного угля и кокса 700 км.
При выборе площадки для строительства нового химического предприятия необходимо согласование ряда вопросов с местными и другими органами, требующее немало времени. Поэтому очень
31
важно приступить к разрешению всех вопросов, связанных с выбором площадки, возможно раньше, чтобы избежать последующей задержки. Согласовывающие организации могут потребовать улучшения дорог в районе строительства завода при его долевом участии, ограничения высоты зданий, обусловленное потребностями авиации, озеленения определенных площадей и т. д. Выбор пло-, щадки для строительства производится на стадии подготовки задания на проектирование2 или в период разработки технико-экономического обоснования (ТЭО).
Выбор площадки должен быть согласован с рядом заинтересованных организаций. С местными советами депутатов трудящихся определяются размеры и размещение территории предприятия, возможности использования городских очистных сооружений, водопровода. С Министерством путей сообщения и местным управлением Министерства автомобильных дорог, транспорта и шоссейных дорог согласовывается схема примыкания заводских путей к общегосударственной сети дорог и возможность провоза по ним грузов; с местным управлением Министерства энергетики и электрификации и Министерства газовой промышленности — возможность обеспечения объекта электроэнергией и газом; с местным управлением Министерства милиорации и водного хозяйства — использование водных ресурсов; с местными органами Министерства рыбного хозяйства — условия сброса сточных вод в рыбопромысловые водоемы; с Министерством морского и речного флота — устройство пристаней и причалов. Если площадка будущего строительства расположена в районе выявленного расположения полезных ископаемых, ее выбор необходимо согласовать с местным управлением Министерства геологии и органами Госгортехнадзора. С заинтересованными организациями следует согласовать вопросы кооперирования, а также выбор площадки и строительство ряда сооружений (если в районе строительства имеются аэродромы).
Выбор площадки - утверждает вышестоящая организация при подготовке задания на проектирование или при рассмотрении ТЭО.
Очень важно правильное решение проблемы водоснабжения новых химических предприятий, потребляющих воду для разнообразных нужд. Например, в некоторых случаях для охлаждения можно применять морскую воду (при сооружении водопроводных сетей из материалов, не подвергающихся коррозии при длительной эксплуатации), тогда как для технологических нужд необходима пресная вода из глубинных скважин, из естественных или искусственных водоемов, образовавшихся после постройки плотин па горных реках, и др. Хотя СССР располагает громадными ресурсами пресной воды, по это не значит, что вопросы водоснабжения химических предприятий могут быть легко решены в любом районе. С этой точки зрения районы Сибири, прилегающие к большим рекам (Обь, Иртыш, Гомь, Ангара, Лена и др.), имеют значительные Преями щества.
32
Еще более сложно определение способов удаления отходов и обезвреживания сточных вод. Для сброса инертных твердых отходов требуются отвалы, площадь которых иногда приближается к размерам территории собственно химического завода. Сточные воды подвергают нейтрализации, биологической очистке, выпаривают досуха. Часто при химических предприятиях строят самостоятельные биологические очистные сооружения и к ним подключаются коммунальные сети. В таких случаях, например, фенольные стоки служат питательной средой для бактерий, окисляющих некоторые вещества, содержащиеся в производственных сточных водах. В ряде случаен рациональным способом удаления сточных вод считается сброс их в море. При этом сточные трубопроводы должны выходить в море достаточно далеко от прибрежной полосы, чтобы обеспечить удовлетворительное рассеивание отходов в массе морской воды и предотвратить загрязнение близлежащих отмелей. Однако в СССР береговая полоса в районах возможного размещения химических предприятий весьма ограничена.
Следует помнить, что даже при максимально возможной степени очистки сточных вод и отходящих газов некоторая часть присутствующих в них вредных веществ может попадать в водоемы и в атмосферу (коэффициент полезного действия очистных установок не может достигать 100%)- Кроме того, надо учитывать возможность аварийных выбросов, уноса вредных веществ ливневыми стоками и т. д. Поэтому общее состояние атмосферы и водоемов в районе намечаемого строительства серьезно влияет на решение вопроса о размещении в нем нового химического предприятия или производства.
В некоторых районах, где сконцентрировано большое количество действующих химических предприятий, местные органы категорически возражают против строительства новых цехов или производств независимо от гарантий, выдаваемых проектировщиками об «исчерпывающей очистке выхлопных газов и сточных вод». Во избежание ненужных затрат на проектирование и потерь времени разрешение местных органов на строительство химических предприятий следует получить на ранней стадии проектных работ.
Электроснабжение новых предприятий в СССР осуществляется подключением их к государственным энергосистемам. Теплоснабжение нового предприятия (при большом потреблении им тепла) решается путем подключения его к расположенной в непосредственной близости к заводу действующей или строящейся ТЭЦ. Заявка на теплоснабжение проектируемого объекта должна быть заблаговременно передана соответствующим органам, чтобы она была учтена в балансе расхода тепла районной ТЭЦ При небольшом потреблении тепла новым производством может быть рассмотрен вариант строительства собственной котельной, оборудованной паровыми котлами для выработки пара на технологические нужды и водогрейными котлами для подачи горячей воды на отопление и подогрев воздуха для вентиляции.
з Зак. 509
33
На выбор -строительной площадки могут оказывать известное влияние п наличие в данном районе строительной базы (карьеры для добычи глины, песка, гравия, заводы сборного железобетона, кирпичные заводы и т. д.), характер и состав грунтов и другие обстоятельства.
Известно, что минимальные капиталовложения в строительство завода не всегда совпадают с минимальными эксплуатационными (текущими) расходами. Так, в работе 12 приведены следующие данные для трех заводов( в тыс. фунтов стерлингов):
Заводы Единовременные Ежегодные текущие капиталовложения расходы на произволе run
I 5367 2619
II 4797 2769
HI 5105 2554
В цитированной работе 12 рекомендуется строительство завода по варианту III. Действительно, увеличение единовременных капиталовложений на 318 тыс. фунт, стерлингов по сравнению с вариантом II составляет всего 6%, но окупается за 1,5 года эксплуатации завода III. В капиталистических странах в сумму капитальных затрат на новое строительство входит стоимость покупаемой земли и воды из рек, родников, озер и прудов, являющихся частной или государственной собственностью, причем близость строительной площадки от удобного водоема повышает стоимость земли.
В СССР строящееся предприятие выплачивает компенсацию колхозам или совхозам за уменьшение их доходов, связанное с сокращением посевов в результате отчуждения земли, и за прямой ущерб (за сносимые постройки и т. д.). Таким образом, в отношении расходов на оплату земельного участка размещение завода в Сибири или на юге Украины практически равноценно. Для более рационального и правильного размещения новых промышленных предприятий целесообразна дифференцированная оплата земли, отводимой под строительство, что могло бы послужить одним из стимулов к освоению природных ресурсов восточных районов СССР.
Выполнение решений XXIII съезда КПСС о размещении новых промышленных предприятий в восточных районах страны даст огромную экономию, поскольку в Сибири, на Дальнем Востоке и в среднеазиатских республиках находятся громадные запасы газа и нефти н.
Существенным преимуществом восточных районов для размещения в них химических предприятий является обилие водных ресурсов. Вода сибирских рек значительную часть года имеет более низкую темпера гуру, чем в реках Европейской части СССР. Возражая прогни размещения того или иного химического предприятия в Сибири, иногда исходят из того, что из-за сурового климата потребуются повышенные расходы на стропгсльство и эксплуатацию, что там отсутствуют ресурсы рабочей силы п широко развитые сети железных и шоссейных дорог. Однако только эко
34
номия на расходах по доставке топлива даст такое удешевление эксплуатации сибирских предприятий, которое позволит окупить в короткий срок все повышенные затраты, связанные с более суровым климатом (кстати, новые предприятия необязательно размещать в северных районах Сибири или за полярным кругом).
Из сказанного выше следует, что основные критерии для оценки проектов — их экономические показатели, за исключением тех случаев, когда имеются ограничивающие параметры (стр. 18). К ним относятся государственные нормативы по охране здоровья работающих на данном предприятии и проживающего вблизи населения и по предотвращению возможности загрязнения водоемов народнохозяйственного значения и атмосферы. Суммарным экономическим показателем эффективности проекта является себестоимость продукции, которая будет выпускаться запроектированным цехом или заводом. При составлении проектной калькуляции требуется проанализировать цены на сырье (с учетом возможных перспектив их изменения), на все виды энергии и тарифов на транспорт. В проектную калькуляцию прямо или косвенно включаются затраты на возмещение стоимости основных фондов и на отчуждение земельных участков.
Для сокращения числа вариантов проекта, подлежащих проработке, технолог должен знать экономику проектируемого производства, включая вопросы, связанные с потреблением готовой продукции. На ее себестоимость существенно влияют конкретные условия выбранного района строительства. Поэтому выбор строительной « площадки и его обоснование должны быть сделаны на самой ранней стадии проектирования.
3*
ГЛАВА 2
ПРЕДПРОЕКТНАЯ РАЗРАБОТКА
Предпроектная разработка является важнейшей частью работы технологов. Для ее выполнения необходимо глубокое ознакомление проектировщиков не только с технологией и экономикой проектируемого производства, но и с основными данными о применяемом сырье и с отраслями народного хозяйства, потребляющими продукцию проектируемого предприятия. В процессе предпроект-ной работы приходится выполнять технологические и экономические расчеты, встречаться с исследователями, производственниками, потребителями. Кроме технологов в этой работе должны участвовать также проектировщики других специальностей — строители, транспортники, экономисты, энергетики, теплотехники, сантехники и др.
В ходе предпроектных работ технолог определяет все параметры, необходимые для выбора района строительства и конкретной строительной площадки. Для подбора и выявления этих параметров можно пользоваться укрупненными показателями работы действующих или недавно спроектированных производств и предприятий аналогичного профиля. При отсутствии аналогов следует выполнять соответствующие расчеты для определения количества цехов, подлежащих сооружению, ориентировочной стоимости оборудования, составления генерального плана со спецификацией всех объектов (вспомогательные объекты подбираются из числа типовых или ранее спроектированных), выявления потребности в воде, тепле, электроэнергии, определения количества отходов, сточных вод, газовых выбросов, расчета штатов. При ориентировочных расчетах затрат за исходные принимаются данные о стоимости аналогичных объектов, отнесенные к 1 м3 зданий и сооружений (по строительной, сантехнической частям и др.), к 1 кет установленной мощности (по электрооборудованию), к 1 км дорог и 1 м2 дорожных покрытий (по транспортной части) и т. д.
Выбирать аналоги следует с большой тщательностью и вниманием. Недостаточно продуманный выбор аналога на стадии предпроектных разработок по одному из заводов привел к тому, что после уточнения необходимых капитальных затрат они возросли вдвое.
ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ОБЪЕКТА
Во всех странах проектная организация является исполнителем проекта (подрядчиком). Задание па проектирование, утвержденное вышестоящим органом, прост нои организации выдает
зь
заказчик2. В задании на проектирование должны содержаться все сведения, необходимые для разработки технического проекта: основание для проектирования, предполагаемый район строительства, мощность производства, ассортимент готовой продукции, условия обеспечения сырьем и всеми видами энергии, намечаемое кооперирование с другими предприятиями, методы производства, которые следует положить в основу технологического проектирования, результаты выполненных и выполняемых научно-исследовательских работ по усовершенствованию технологии, обезвреживанию отходов, сточных вод и газовых выбросов, предположения о возможностях последующего расширения предприятия, максимально допустимая себестоимость продукции, ориентировочный объем капитальных затрат. В задании указывается также число стадий проектирования, определяемое организацией, которая утверждает задание; при этом решающим фактором является сложность проектируемого объекта. Основной тенденцией является разумное сокращение объема проектных работ с максимальным использованием типовых и повторно осуществляемых проектов.
Задание на проектирование следует составлять, исходя из планов развития данной отрасли промышленности с учетом перспектив экономического развития района строительства, долгосрочных научно-технических прогнозов о развитии данной отрасли, результатов и планов научно-исследовательских работ в данной области. Составление задания на проектирование является весьма ответственной работой, в которой должны принимать участие специалисты различных профилей. Предпроектная разработка обычно проводится при составлении всех заданий, кроме самых простых (незначительное расширение действующих производств, строительство небольших установок на эксплуатируемых заводах и т. д.). В соответствии с существующим в СССР положением 2 проектная организация принимает непосредственное участие в разработке задания. В большинстве развитых зарубежных стран предпроектная работа предшествует заключению контракта между заказчиком и подрядчиком.
Ассортимент проектируемых продуктов, мощность производства и качество готовой продукции, как правило, формулируются отраслевыми научно исслсдона гельскими организациями. Однако при подготовке задания па проектирование проектанты обязаны по мере возможности проанализировать обусловленные заказчиком ассортимент продукции и мощность производства.
По крупным и сложным объектам задания на проектирование составляют на основе технико-экономических обоснований (ТЭО) стооительства промышленных предприятий. Главной задачей при составлении ТЭО является определение экономической целесообразности и технической необходимости создания данного объекта. К основным вопросам, разрабатываемым в ТЭО и относящимся в первую очередь к компетенции технологов, относятся: определение и обоснование номенклатуры продукции и мощности
37
производств, выбор метода производства, выявление потребности в сырье, уточнение технических требований к нему и источников его поступления, проблемы кооперирования с другими предприятиями, обеспечение чистоты водного и воздушного бассейнов и др. ТЭО является также исходным документом для выдачи заданий на разработку новых видов оборудования и составления программ научно-исследовательских работ.
Выбор площадки для строительства производится комиссией в составе представителей всех заинтересованных организаций (исполкома местного Совета депутатов трудящихся, органов санитарного надзора, Госгортехнадзора, Минэнерго СССР, управления железной дороги и других организаций, в зависимости от особенностей проектируемого объекта и района строительства). Как правило, площадку для строительства промышленных предприятий выбирают на участках, не пригодных для использования в сельском хозяйстве.
МОЩНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
Продолжительность планируемого периода в СССР обычно составляет пять лет. Поэтому при определении мощности нового завода или цеха необходимо выявить потребность народного хозяйства в проектируемых продуктах .не менее чем на пять лет вперед с учетом возможного расширения предприятия в последующее пятилетие.
Принятый до последнего времени балансовый метод определения потребности народного хозяйства в тех или иных продуктах исходит из конечных показателей развития народного хозяйства на планируемый период. Например, потребность в синтетических каучуках выявляется, исходя из планируемого производства резиновых изделий (шипы, технические и бытовые изделия, обувь и т. д.). Объем их производства в свою очередь зависит от темпов развития, намеченных для потребителей резины По выявленной потребности в синтетических каучуках и в резиновых изделиях определяется потребность в исходных углеводородах для синтеза каучуков (бутадиен, изопрен, стирол и др.), в химикатах-добавках для резин и в других продуктах. По общей потребности в химикатах-добавках для резни выявляют потребность в исходных промежуточных продуктах для их производства (анилин, нитробензол, дифениламин и др ). Потребность в красителях определяется в соответствии с намечаемым объемом выпуска окрашенных изделий (ткани, пластические массы и т. д )
Гели номенклатура и количество конечных изделий могут быть установлены с известной точностью по общим показателям развития народного хозяйства, то номенклатуру веществ и материалов для изготовления этих конечных продуктов определить труднее. Она в большей сте пени зависит от таких факторов, которые не всегда могут быть полностью учтены при составлении общего на-
38
роднохозяйствепного баланса. Поэтому балансовый метод определения потребности народного хозяйства в химических продуктах не может считаться исчерпывающим.
Для расчета мощности проектируемых предприятий применяется также математический метод. Изучение развивающихся рынков сбыта показывает,- что они проходят четыре характерные стадии развития, графически изображаемые некоторой S-образной кривой: инкубационная стадия (постепенное расширение рынка); стадия роста (экспоненциальное расширение рынка), стабилизация и сокращение рынка.
Инкубационная стадия развития рынка длится от 2 до 5 лет. Для предприятия, выпускающего новый продукт, эта стадия характеризуется выработкой небольших партий продукта для проверки технологии и оценки потребителем качества продукта и эффективности его применения. Инкубационный период особенно важен при проектировании таких производств, для применения продукции которых потребители должны изменить свою технологию или создать новую. Например, текстильным предприятиям необходимо время для приспособления технологии крашения и отделки тканей к новым красителям. Определенный период требуется для проверки эффективности новых химикатов для сельского хозяйства, для .создания изделий из новых видов пластических масс и т. д. При расширении производства уже освоенных известных продуктов инкубационная стадия отсутствует.
Полагают, что опеки гь спрос на новый продукт, ранее не применявшийся в народном хозяйстве, можно только во время инкубационного периода. Далее, когда продукт находит все большее применение, начинается период роста рынка с последующим расширением строительства предприятий-производителей. Если рынок полностью сформирован, т. е. потребность народного хозяйства в данном продукте удовлетворительна или разработаны новые методы его производства, или же начат выпуск новых продуктов, частично заменяющих ранее освоенные, то спрос стабилизируется. В этот период строительство новых предприятий нецелесообразно, и все внимание следует уделять расширению действующих предприятий. В капиталистических условиях этот период часто характеризуется падением цен на данный продукт. Поскольку старые технологические процессы становятся менее прибыльными, то в момент, когда основную часть оборудования следует заменить, такое предприятие иногда идет на слом. Период роста рынка, по статистическим данным капиталистических стран, продолжается от 5 до 20 лет. Длительность периода стабилизации составляет от 5 до 30 лет и зависит от того, насколько данный продукт конкурентоспособен с новой продукцией. Период сокращения рынка может оказаться довольно коротким (например, 2 года) или совсем отсутствует (в данное или ближайшее время).
Сбыт таких основных сырьевых материалов, как серная кислота и аммиак, имеющих разнообразное применение, вероятно, никогда не уменьшится. Наоборот, с повышением общего уровня развития экономики он скорее может возрасти. К продуктам органического синтеза, имеющим устойчивый сбыт, относятся, например, получившие разнообразное применение хлорбензол, анилин, фталевый ангидрид, малеиновый ангидрид, днметилтерефталат, фенол, стирол и др.
Анализом статистики потребления продуктов, проекты производства которых намечено разрабатывать, можно определить, относится ли спрос на них к периоду роста или стабилизации. Для проектируемых производств промежуточных продуктов следует анализировать статистику потребления тех веществ, которые изготовляются из данных полупродуктов, а также возможность их замены другими (например, ацетилена, получаемого из карбида кальция, ацетиленом из метана; этилбензола, синтезируемого из бензола и этилена, нефтяным этилбензолом; нафталина о-ксилолом и т. д.).
Одним из статистических методов контроля потребности в прей дуктах широкого потребления является сравнение предполагаемой
39
динамики их выработки со статистикой роста производства этих продуктов в наиболее технически развитых странах.
При определении мощности проектируемого предприятия следует применять оба метода — балансовый и статистический Балансовый метод дает представление о максимально возможном потреблении того или иного продукта в течение сравнительно длительного периода, например, если баланс составляют на 10—15 лет. Статистический метод позволяет прогнозировать темпы роста потребления данного продукта, что дает возможность устанавливать очередность ввода мощностей, начиная с опытно-промышленных установок и кончая крупными производственными цехами.
При построении кривых тенденций развития рынка следует тщательно проанализировать исходный статистический материал, не забывая о том, что определяется спрос (потребление), а не уровень производства и не учитываются случайные или нетипичные колебания спроса (влияние войн, стихийных бедствий и т. д.), которые не могут служить основой для составления математических уравнений кривой.
Для продуктов, используемых в небольших количествах единичными потребителями, ни балансовый, ни статистический методы непригодны. Проектировщики должны ознакомиться с областями потребления такого продукта и с эффектом его применения в народном хозяйстве. Это относится, например, к отдельным видам новых красителей, химикатов-добавок для резины, текстильновспомогательных веществ и др.
ЗАВИСИМОСТЬ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ ОТ МОЩНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
При проектировании химических производств одним из экономических показателей является объем капиталовложений, необходимых для создания данного производства. В литературе13 приведена следующая зависимость стоимости С комплектного оборудования установки от мощности производства:
с = с'№
где С' — стоимость оборудования для минимальной мощности,
К — коэффициент увеличения мощности;
а — масштабный фактор; зависит от типа оборудования и обычно изменяется в пределах 0,2—1,0; среднее значение около 0,7.
Зависимость общих капиталовложений Q, необходимых для строительства п монтажа установки, от мощности описывается уравнением:
Q = Q'K«
где Q' — капиталовложения для минимальной мощности;
«—масштабный фактор (обычно изменяется в пределах 0,38 0,98).
40
Для производства стирола определено13 н = 0,68, для ацетилена п — 0,75, для серной кислоты п =? 0,9, для хлора и каустической соды п=0,98 и т. д
Если предприятие проектируется для удовлетворения максимально предельного спроса, который возникнет через несколько лет после пуска объекта, то можно полностью использовать экономические преимущества увеличения масштаба производства, т. е. снизить удельные капиталовложения на единицу мощности.
При завышении мощностей капиталовложения частично замораживаются, так как в течение определенного времени они не дают прибыли. Размер неиспользуемых избыточных мощностей зависит от величины масштабного фактора п. Если п=0, следует сразу предусматривать установку оборудования для обеспечения мощности, рассчитанной на удовлетворение максимального спроса. Иногда потребность в продукте настолько мала, что при установке реакционного оборудования приемлемых промышленных размеров (без его дублирования) может быть удовлетворен максимальный спрос на него. При этом в период, когда максимальный спрос еще не будет достигнут, оборудование может работать неполный год, неполную неделю или неполные сутки. По мере увеличения спроса рабочее время оборудования увеличивается с некоторым ростом численности обслуживающего персонала.
В другом предельном случае (при п=1) любое увеличение объема производства достигается за счет пропорционального увеличения затрат на основное оборудование и нет смысла предусматривать с самого начала строительства избыточные мощности. Эффективнее устанавливать дополнительное оборудование по мере возрастания спроса на продукт. В пределах между и=0 и п=1 можно с известной степенью точности рассчитать оптимальную мощность производства, исходя из условий растущего спроса, величины амортизационных отчислений, срока службы оборудования и других показателей13.
АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Рассматривая исходные данные, представляемые заказчиком, проектировщик-технолог обязан проанализировать имеющиеся регламенты, отчеты об исследовательских и опытных работах с точки зрения соответствия их результатов основной цели проекта. После анализа должны быть получены ответы на следующие вопросы:
1) достаточны ли имеющиеся исходные данные для проектирования и можно ли по ним выбрать работоспособное оборудование для получения готового продукта заданного качества?
2) может ли обеспечить рекомендованный метод производства заданную себестоимость готового продукта?
В случае отрицательных ответов па оба эти вопроса проектная организация должна представить заказчику план доработки исход
41
ных данных и участвовать в ней. Опыт показал, что игнорирование этих требований проектной организации и произвольное принятие так называемых инженерных решений, не подтвержденных экспериментом, может привести к большому экономическому ущербу.
Под упомянутым термином часто понимают выбор проектантами технологического оборудования по аналогии с другими производствами или по интуиции, но без экспериментальной проверки применительно к проектируемому производству. Следует знать, что при разработке проектов химических производств надо с максимальной осторожностью принимать решения, не обоснованные экспериментом или расчетом. Более того, достоверность исходных экспериментальных данных необходимо тщательно проверить в отношении соответствия условий опыта условиям эксплуатации проектируемого производства. Требуемые экспериментальные данные могут быть почерпнуты также из литературных источников, лабораторных отчетов, регламентов действующих производств и т.п.
Проверка условий, в которых проводился эксперимент, выполняется, например, следующим образом. Предположим, что проектантам предстоит принять решения по укреплению разбавленного метанола, являющегося отходом определенного производства. В литературе имеются данные, необходимые для расчета и конструирования ректификационной колонны, работающей на смеси метанола и воды. Однако, прежде чем использовать эти данные, следует убедиться, что в этом отходе не содержится других веществ, влияющих на разделение смеси метанола и воды в процессе ректификации.
При проектировании производства одного из текстильно-вспомогательных веществ понадобилось решить вопрос о выделении товарного поташа из отходного раствора. Содержание поташа в растворе после упаривания полностью соответствовало его содержанию в исходном растворе, применяемом в действующем производстве. Для выбора оборудования по этой стадии производства не потребовалось бы никаких исследовательских и опытных работ, если бы отходный разбавленный раствор не содержал кроме поташа органических веществ. Пришлось провес гп специальный эксперимент по упариванию отходного раствора поташа для проверки полноты удаления из пего органических примесей с. соковым паром Только после положительного результата эксперимента представилось возможным использовать имеющийся производственный опыт по выделению поташа из упаренного маточного раствора. В данном случае для получения ответа на поставленный вопрос достаточно было провести опыт в лабораторном масштабе.
В проекте производства фенола по кумольному способу была предусмотрена колонна для дистилляции фенола-сырца, рассчитанная по физико-химическим свойствам продуктов, заимствованным из литературы. При пуске производства выяснилось что часть органических веществ, содержащихся в сырце, образует с фенолом азеотропные (пераздельнокипящие) смеси, по которым отсутствуют литературные данные. Чистый фенол удалось получить из колонны только после проведения дополнительных экспериментальных работ, в результате которых были найдены условия отгонки этих примесей в виде многокомпонентной азеотропной смеси.
В одном из цехов производства сернистого натрия для отделения раствора от шлама были установлены по аналогии с другими производствами фильтрующие горизонтальные центрифуги с ножевым съемом осадка. После первых же испытаний таких центрифуг выяснилось, что их фильтрующие поверхности быстро забиваются шламом в не пропускают осветленного раствора. Пришлось переоборудовать фильтрующие центрифуги на отстойные.
В производстве дпоксндпфенилсульфона на одном hi заводов центрифугу с ручной выгрузкой ымспилн горизонтальной центрифугой с ножевым съемом
42
осадка, которая .оказалась неработоспособной, потому что нож оставлял на сетке плотный слой смолистого осадка, не пропускающего фильтрат.
В производстве катионных красителей для механизации загрузки гребковой вакуум-сушилки типа «Венулет» по аналогии с другими производствами было принято решение о разбавлении пасты водой и о передаче ее в сушилку по трубам в виде суспензии. Сушка такой суспензии оказалась очень длительным процессом, а качество красителя ухудшилось.
Приведенные примеры показывают, что произвольные решения, принятые без экспериментальной проверки или расчета, или без тщательного анализа, зачастую приводят к неудачам.
Еще более недопустима ориентировка на интуицию проектировщика. Она появляется лишь в результате многолетней работы инженера в узкой области техники и, представляя собой его «долговременную память», основывается исключительно на запоминании данных из предыдущей работы, которые, однако, подлежат проверке и уточнению при повторном использовании. Интуиция может помочь при подборе нужных материалов, составлении плана экспериментов, но иногда приводит к крупным неудачам, если процесс проектирования основан только на ней.
Инженерные решения и интуицию следует исключить из практики проектирования химических производств и применять более точные инженерные расчеты. Инженер-технолог должен уметь правильно рассчитать процесс, пользуясь ограниченным количеством исходных данных.
При анализе регламентов, разработанных для последующего проектирования малотоннажных химических производств, основное внимание проектировщик должен уделять подбору более или менее универсального оборудования малой емкости, пригодного для воспроизведения рекомендованной технологии (как правило, это оборудование периодического действия). Тщательному анализу необходимо подвергать также нормы расхода сырья, растворителей, вспомогательных материалов, рекомендации о выборе конструкционных и антикоррозионных материалов для изготовления оборудования.
В ходе предпроектных работ сверяется соответствие качества сырья и готовой продукции, указанных в задании па проектирование, с нормами рекомендуемого регламента Как правило, качество широко потребляемых продуктов (например, бензол, хлорбензол, анилин и т. д.) определяется стандартами (ГОСТ). Для отдельных (единичных) потребителей могут быть составлены технические условия на выпускаемые для них продукты. Если же вместо этих официальных документов в регламентах приводятся только результаты анализа, или акты испытаний сырья и готового продукта, или же справки другого рода, проектировать промышленное производство нельзя. Известны случаи, когда построенные и принятые к эксплуатации объекты не могли работать из-за отсутствия к моменту их пуска утвержденных технических условий или ГОСТ на продукцию.
Не могут являться основанием для проектирования справки и данные анализа, в которых констатируется, что качество получен-
43
його продукта лучше, чем предусмотрено по ГОСТ или техническим условиям, если для его изготовления нужны дополнительные затраты на очистку, более дорогое сырье и т. д. Целесообразность повышения качества химических продуктов за счет увеличения в них концентрации основных веществ, улучшения физико-химических свойств и других показателей не требует обоснования лишь в тех случаях, если оно достигается без увеличения эксплуатационных затрат. При их увеличении необходимо технико-экономическое обоснование, доказывающее, что улучшение качества химической продукции обеспечивает экономию у ее потребителей, превышающую дополнительные затраты поставщика. Обычно такое обоснование необходимо при разработке новых ГОСТ или технических условий.
Например, при производстве полимерных материалов на основе поливинилхлорида наличие примесей в исходном хлористом виниле приводит к ухудшению физико-механических свойств изготовляемых изделий, повышению расхода поливинилхлорида на эти изделия, сокращению срока их службы. Затраты на улучшение качества хлористого винила (например, в результате применения чистого хлористого водорода, полученного из синтетической соляной кислоты на стриппинг-установках) полностью окупаются.
Присутствие хлора, связанного с органическим ядром, в некоторых медикаментах, получаемых из n-фенитидина, противопоказано для пользующихся этими препаратами. Поэтому вполне оправданы дополнительные затраты на специальную очистку технического п нитрохлорбензола (сырья для производства п-фени-тидина) от примесей изомеров путем зонной плавки, перекристаллизации и т. д. В то же время специальная дополнительная очистка технического «-нитрохлорбензола, применяемого в производстве n-питроаиилипа, экономически нецелесообразна.
Поверхностно-активные вещества типа ОП применяются для приготовления моющих средств (порошки, эмульсии, пасты) и как добавки к химическим средствам защиты растений, к растворам для промывки нефтяных скважин, судовых трюмов и др. Препарат бытового назначения должен подвергаться специальной очистке и осветлению, а для получения добавок может быть использован более дешевый технический продукт. При проектировании крупного цеха для производства ОП па стадии предпроектной проработки была выявлена потребность народного хозяйства в обоих сортах готового продукта, а система очистки совершенно правильно была предусмотрена только для части препарата, предназначенной для изготовления бытовых товаров.
Изопропилксантогенат калия применяется в качестве флотореагента (в цветной металлургии) и для синтеза некоторых химикатов. Показатели ГОСТ на этот продукт не вызывают возражений у металлургов. Исследователи предложили новый способ получения изопропилксантогената, основанный на применении очищенного и концентрированного изопропилового спирта вместо разбавленного технического. При этом качество изопропилксантогената могло быть улучшено по сравнению с нормами действующего ГОСТ, а себестоимость готового продукта значительно возросла бы. Проверка целесообразности дополнительных затрат па очистку спирта показала, что они не оправданы в случае применения изопропилксантогената в качестве флотореагента. Было принято решение об использовании более дорогого (очищенного) изопропилового спирта только для выпуска пзопропплксаптогепата, потребляемого в синтезах других веществ.
При анализе исходного регламента проектант обязан выявить технологические узлы, подлежащие усовершенствованию в процессе проектирования. Однако ни одно усовершенствование технологического процесса, конструкции машин, способа управления и контроля производства не представляет само по себе никакой ценности, если оно не сопровождается экономией общественного труда.
44
Исключение составляют усовершенствования, имеющие целью охрану здоровья людей или сохранение природных ресурсов. Однако и такие усовершенствования в конечном итоге приводят к экономии общественного труда за счет уменьшения заболеваемости, повышения работоспособности трудящихся, продления периода активной человеческой жизни и т. д.
Предусматриваемая регламентом технология, кроме того, должна быть проверена на соответствие существующим санитарным нормам. Основными направлениями такой проверки являются апробирование предложенных способов герметизации аппаратуры, в которой перерабатываются токсичные или пылящие вещества, выяснение способов предотвращения контакта работающих с вредными веществами, а также установление надежности методов обезвреживания сточных вод, отходящих газов и прочих отходов или побочных продуктов.
В настоящее время в СССР и других странах практически отсутствуют водоемы, куда можно сливать неочищенные сточные воды. Ограничены также возможности отведения территории для накопления шламов, шлаков и т .п. Отсутствие в регламенте рекомендуемых методов очистки сточных вод и обезвреживания отходов лишает возможности проектную организацию вести проектирование технологических процессов независимо от мощности производства. Если в исходных данных имеются рекомендации о направлении сточных вод на биологическую очистку, выпаривание, на адсорбционные или другие сооружения, предназначенные для разложения вредных примесей, проектант должен выяснить, имеются ли рекомендации о предварительной подготовке таких стоков. На биологическую очистку не могут быть направлены воды, содержащие соли меди, кобальта, некоторые органические продукты (поверхностноактивные вещества, полученные па основе разветвленных олефинов, ароматические нитросульфокислоты, некоторые хлорорганические соединения и т. д.). Выпариванию нельзя подвергать сточные воды, содержащие органические соединения, которые отгоняются с паром, или вещества, образующие соединения, которые отгоняются с паром, или же вещества, образующие устойчивую пену, и др.
К проектной проработке нельзя принимать регламенты, предусматривающие соприкосновение и ручные работы с такими веществами, как дихлорэтан, диметилсульфат, кислородные соединения мышьяка, ртуть и ее растворимые соли и т. д. Вопросы герметизации и механизации этих операций должны быть экспериментально подготовлены для проектируемого производства любого масштаба.
Так, в одном из лабораторных регламентов, рекомендованных для проектирования малотоннажного красителя, предусматривалась перекристаллизация готового продукта из дихлорэтана. В лаборатории фильтрование проводилось на открытой воронке, с которой пасту переносили в бюкс и высушивали в вакууме. Проектанты не приняли этого регламента и потребовали замены дихлорэтана менее токсичным растворителем.
45
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ПРОМЫШЛЕННОГО СИНТЕЗА
Многие продукты, выпускаемые промышленностью органического синтеза, могут быть получены по различным химическим схемам и из разного сырья. Так, фталевый ангидрид можно получить из нафталина и о-ксилола, малеиновый ангидрид — из бензола, бутиленов и фурфурола, фенол — из кумола, бензолсульфокислоты, хлорбензола, бензола, п-крезол — из нефтяного сырья, толуола, n-толуидина, стирол — из бензола и этилена, нефтяного- этилбензола и т. д.
При анализе исходных данных проектанту-технологу прежде всего необходимо проверить обоснованность рекомендованной химической схемы промышленного синтеза. При этом проверяются как ресурсы сырья, рекомендуемого для синтеза, так и денежные затраты па сырье по рекомендован пом у способу производства в сравнении с затратами по другим известным методам. Учитывая, что в большинстве производств органического синтеза затраты на сырье за вычетом стоимости отходов составляют 60—90% производственных расходов, значительная разница стоимости различных видов сырья может оказаться решающей при выборе схемы химического производства. Если разница в затратах на сырье невелика, то на стадии предпроектных работ экономический анализ приходится дополнять примерной оценкой других видов производственных затрат (на энергию, зарплату, амортизацию и т. д.) или рекомендовать выполнение технического проекта в двух и более вариантах.
Вопрос о выборе схемы процесса следует решать до начала проектирования во избежание затрат инженерного труда на составление и сравнение ненужных вариантов проекта.
Выше указывалось, что фенол можно синтезировать несколькими способами, но все они в конечном счете основаны на использовании бензола в качестве исходного сырья (хлорбензол, кумол, бепзолсульфокислота получаются из бензола). Сравнивая затраты на сырье в различных способах производства фенола и приняв эти затраты в сульфурациоппом способе (из бепзолсульфокислоты) за 100%, для способа синтеза фенола из изопропилбензола получим затраты на сырье 61% и из хлорбензола 75%. Общие затраты на сырье для синтеза фенола из бензола имеют индекс 70%. Наиболее экономичен в этом отношении кумольный способ, что подтвердилось всеми последующими проектными расчетами и показателями действующих производств. Однако эта химическая схема производства фенола целесообразна, если обеспечен устойчивый сбыт второго продукта синтеза — ацетона, получаемого совместно с фенолом. Если же выяснится, что потребность народного хозяйства в ацетоне удовлетворена полностью, а фенол продолжает оставаться дефицитным, придется изыскивать более экономичный способ производства.
В процессе предпроектной проработки химической схемы получения фталевого ангидрида выявилась недостаточность ресурсов нафталина, извлекаемого из каменноугольной смолы, для удовлетворения в нем нужд народного хозяйства. Поскольку большая часть нафталина, вырабатываемого в стране, расходуется в производстве фталевою ангидрида, то изыскание и применение новых видов сырья для его синтеза вполне целесообразно. В этом отношении следует отдать предпочтение способу получения фталевого ангидрида из о-ксплола. С другой стороны, имеется потенциальная возможность увеличения ресурсов нафталина
46
за счет использования нефтяного сырья, что, однако, потребует строительства специальных установок. Перед проектантом возникает экономическая задача — определить, по какому из этих двух способов производства фталевого ангидрида будут наименьшие производственные затраты. Доля расходов на сырье в себестоимости фталевого ангидрида, получаемого из технического нафталина, около 50%. Общая сумма расходов на сырье в производстве фталевого ангидрида из о-ксилола близка к расходам на сырье в производстве фталевого ангидрида из технического нафталина. Следовательно, можно принять, что обе схемы синтеза по крайней мере равноценны. Более точный расчет себестоимости фталевого ангидрида, получаемого из о-ксилола, показал возможность снижения общих производственных затрат при утилизации отхода этого процесса — фумаровой кислоты.
Малеиновый ангидрид может быть синтезирован из бензола, фурфурола и из бутан-бутиленовой фракции (продукт нефтепереработки). Ресурсы бензола и бутан-бутиленовой фракции обеспечивают потребность в них производства малеинового ангидрида. Потенциальные ресурсы фурфурола также велики, и он может быть использован для производства малеинового ангидрида и других нужд. Поэтому показателями, определяющими выбор химической схемы производства, в данном случае также будут эксплуатационные затраты. Доля расходов на сырье в себестоимости малеинового ангидрида менее 40%, поэтому при экономическом анализе целесообразно учитывать расходы и на сырье и на энергию, составляющие в сумме около 55% себестоимости продукта. К началу проработки данного вопроса промышленность располагала освоенным в производственном масштабе способом синтеза малеинового ангидрида из бензола и лабораторными результатами синтезов малеинового ангидрида из фурфурола и из бутан-бутиленовой фракции. Однако без достаточно глубокого экономического анализа было принято решение об одновременном строительстве двух опытных установок для получения малеинового ангидрида из фурфурола и из нефтехимического сырья.
Освоение синтеза малеинового ангидрида из фурфурола показало, что по технико-экономическим показателям он не конкурентоспособен с двумя другими способами. Если принять суммарные расходы на сырье и энергию при синтезе продукта из фурфурола за 100%, то по бензольному способу они составят около 50%, а по бутан-бутиленовому около 35%. Кроме того, по бутан-бутиленовому способу в перспективе возможно использование отхода — фумаровой кислоты, что значительно снизит затраты на сырье по сравнению с этими затратами в фурфурольном способе.
Отметим, что технико-экономический анализ трех химических схем получения малеинового ангидрида дал бы такие же конечные результаты и в самом начале проектирования опытных установок. Для проведения подобного анализа было достаточно лабораторных данных.
Паракрезол может быть получен непосредственно из коксохимического сырья (из смеси крезолов) или синтезом из толуола, например, по следующим схемам:
СП3 СН3 СП.
47
Доля затрат на сырье в этом производстве для крупных установок составляет около 70% себестоимости. Если принять сумму затрат на сырье в процессе производства коксохимического n-крезола (точнее п-крезольной фракции) за 100 условных единиц, то при синтезе из толуола через сульфокислоту она составит 500, а из толуола через п-толуидин — 2100 единиц. Если даже принять, что при очистке п-крезольной фракции теряется 30% n-крезола и что при большом объеме производства цена на n-толуидин может снизиться на 30%, порядок приведенных выше цифр не изменится, и затраты на сырье по трем методам составят соответственно 130, 500 и IG00 условных единиц. Отсюда ясно, что наиболее экономичным способом производства n-крезола является выделение его из коксохимического сырья. Однако ресурсы коксохимических крезолов (п-, о-, л<-изомеров) очень ограничены, поэтому проектанты не могут ориентировать новые производства на дешевый коксохимический п-крезол.
Таким образом, следует учитывать ограничивающие параметры, за пределами которых составление вариантов для технико-экономических исследований бесполезно.
К ограничивающим параметрам при выборе химической схемы синтеза относится также запрещение использовать вредное для здоровья сырье, например канцерогенное или мутагенное. К таким веществам относятся бензидин, его аналоги и гомологи, р-нафтил-амин и а-нафтиламин, содержащий примесь p-изомера, этилен-имин и ряд других продуктов. Без технико-экономического анализа проектировщики должны отвергать методы производства, основанные на применении такого сырья. При возникновении сомнений в канцерогенности или мутагенности нового сырья проектанты должны дать заключение о необходимости его исследования специализированными организациями. Вопрос о возможности применения токсичных и вредных веществ решается при анализе рекомендуемого технологического процесса производства. При этом рассматриваются мероприятия по тщательной (полной) герметизации оборудования, в котором будут перерабатываться сильно действующие ядовитые вещества (СДЯВ).
Из приведенных примеров' следует, что па стадии предпроектных исследований технолог может выбрать одну химическую схему синтеза, отвергнув остальные как явно неэкономичные. В ряде случаев предпроектный анализ показывает равноценность двух или нескольких схем. Тогда технический проект составляют в двух и более вариантах, что позволяет детально сравнивать предложенные схемы.
Следующим этапом предпроектной работы является технологический анализ тех способов производства, которые намечались к проектированию при выборе химической схемы. Такой анализ должен выявить: возможность надежного масштабирования без дополнительных исследований при проектировании (для перехода от аппаратов, в которых были получены исходные данные, к аппаратам, размеры которых обеспечивают заданную мощность производства) и соответствие рекомендованной технологии современному уровню техники, а также возможность соблюдения действующих санитарных норм в проектируемых цехах, норм охраны атмосферы и водоемов от загрязнения вредными веществами.
48
Основными критериями при оценке результатов такого анализа являются экономические показатели. Исходя из них определяется целесообразность создания непрерывных (поточных) схем, комплексной автоматизации и механизации, применения нового усовершенствованного оборудования и др. Надежность исходных данных также может быть проверена с экономической точки зрения (оценка степени риска, убытков при вынужденных простоях и т. д.).
При выборе схемы промышленного синтеза следует строго руководствоваться действующими правилами и нормами по технике безопасности, охране водоемов и атмосферы от загрязнений и др. Отступления от этих норм могут привести к последующему прекращению проектных работ на любой стадии или к запрещению эксплуатации спроектированного производства.
Новые прогрессивные технологические методы, как правило, обеспечивают экономию при комплексном решении всех вопросов, связанных с их внедрением. В ходе предпроектного анализа исходных данных комплексу вопросов, связанных с принятием новых решений, должно быть уделено достаточное внимание проектировщика. Эффективное применение непрерывных (поточных) схем производства в химической технологии возможно лишь в том случае, если налажены непрерывный контроль производства с автоматическим поддержанием заданных параметров процесса (температура, давление, расход сырья и т. д.) и бесперебойная работа всего оборудования в течение заданного рабочего цикла (обычно не менее 1 месяца и не более 2 лет).
Так, неоднократно предпринимавшиеся попытки внедрения поточного способа производства хлорбензола не приводили к успеху до тех пор, пока не была разработана непрерывная и эффективная система контроля производства, основанная на физико-химических свойствах сырья, промежуточных и готовых продуктов, с применением современных измерительных приборов, дающих необходимую точность измерений. Введенный в эксплуатацию агрегат непрерывной нейтрализации бензолсульфокислоты раствором сульфита натрия обеспечил проектные показатели по расходу сырья и производительности труда после того, как был разработан и установлен pH-метр, непрерывно фиксирующий кислотность выходящей из аппарата суспензии 8.
Следует помнить, что при эксплуатации агрегата периодического действия возможен пооперационный периодический контроль производства, однако и в этих случаях необходим анализ рекомендуемых методов контроля для проверки влияния простоев (во время анализа) на качество готового продукта.
Внедрение механизированных агрегатов в химической технологии эффективно лишь тогда, когда хотя бы в пределах одной стадии производства возможна комплексная механизация всех трудоемких процессов.
На одном заводе были установлены механизированные барабанные вакуум-фильтры непрерывного действия для отделения осадка. Пасту выгружали в бочки, из которых ее вручную передавали в сушилки периодического действия. Вскоре эти фильтры пришлось демонтировать и заменить простыми фильтрами с ручной выгрузкой осадка непосредственно в сушилки. При этом затраты ручного труда даже несколько снизились, так как отпала необходимость перевозки
4 Зак. 509
49
бочек с пастой от фильтров к загрузочным люкам сушилок, кроме того, были сокращены затраты на обслуживание и ремонт механических фильтров. Таким образом, механизация одной операции была не оправдана.
В проекте аналогичного цеха предусматривалась установка механизированных фильтров такой же конструкции и механизированных сушилок непрерывного действия. Фильтры были связаны с сушилками транспортерной лентой. Такое решение обеспечило исключение ручного труда в пределах целой стадии производства (фильтрация и сушка) и оказалось экономически эффективным.
МАСШТАБИРОВАНИЕ РЕАКТОРОВ
Вопросы, связанные с масштабированием и с возможностью воспроизведения ранее разработанных процессов в промышленных аппаратах, следует рассматривать в начале предпроектных разработок.
Коэффициент масштабирования К определяется делением заданной производительности проектируемого производства (в час, сутки, год) на производительность той установки, по которой имеются данные, закладываемые в проект. Рекомендации для общего критерия допустимого коэффициента масштабирования отсутствуют. Идеальным коэффициентом будет единица, при этом проектировщик должен без ошибок воспроизвести в проекте существующий технологический процесс. При коэффициенте масштабирования К = 2 — 5 следует проработать два варианта проекта: с увеличением числа агрегатов без изменения производительности единичного проектного агрегата и с увеличением его производительности в 2—5 раз по сравнению с исходной. Для ряда крупнотоннажных производств допустимо увеличение производительности проектируемого агрегата не более чем в 10 раз по сравнению с действующим агрегатом.
Исходные данные для проектирования крупного производства анилина методом контактного восстановления нитробензола водородом были получены при ведении процесса п одной трубке, заполненной катализатором. Сохранив диаметр этой трубки и высоту ее заполнения катализатором и использовав полученные для нее данные (о режиме конверсии нитробензола н активации катализатора, о тепловом эффекте процесса, коэффициентах теплопередачи, устойчивости материала трубок к действию температуры и реакционных газов, о составе контактных газов и др.), проектировщики разработали промышленный агрегат из 2000 таких трубок (коэффициент масштабирования для агрегата К = 2000, для одной трубки К = 1). Спроектированный агрегат был введен в эксплуатацию без существенных затрудиений.
В производстве хлорбензола исходные данные были получены на лабораторном аппарате диаметром 40 мм. В процессе лабораторных испытаний установили, что устойчивый режим хлорирования создается в колоннах с затопленной насадкой. Этот режим поддастся точному расчету, и спроектированный на его основе производственный хлоратор диаметром 600 мм (коэффициент масштабирования К - 225) был введен в эксплуатацию без затруднений.
В обоих описанных случаях исходные данные, полученные в аппаратах малых размеров, дали воиможпоегь провести точный тепловой, гидродинамический и кинетический расчеты промышленного агрегата.
Практически не ограничен коэффициент масштабирования, при-нимаемын для расчета тарельчатых ректификационных колонн. При проектировании насадочных колонн следует экспериментально
50
проверить зависимость эквивалентной высоты насадки при переходе от мелких элементов насадки к крупным и от малых диаметров колонн к большим.
Наиболее трудно масштабировать процессы со сложной гидродинамической обстановкой (процессы в кипящем слое твердых веществ или связанные с перемешиванием суспензий и т. д.). Трудно поддаются масштабированию и процессы, сопровождающиеся побочными реакциями в случае изменения времени пребывания реакционной массы в аппарате или местных перегревов и переохлаждений, а также процессы, в которых возможно возникновение нежелательных цепных реакций (обычно они обрываются на стенках аппаратов).
В Ленинградском технологическом институте была разработана сушилка с кипящим слоем ,4. Авторы ее конструкции не согласились увеличить диаметр с 400 до 1600 мм (К = 16) без проверки укрупненного аппарата в масштабе 1 : 1. Это требование оказалось правильным, так как укрупненная сушилка обеспечивала значительно большую производительность, чем следовало из предварительных расчетов.
В НИОПиК в свое время был разработан непрерывный процесс получения анилина восстановлением нитробензола чугунной стружкой. В основном аппарате— редукторе реакция протекала в очень сложных, нс поддающихся расчету гидродинамических условиях (медленное движение стружки, превращавшейся в ходе реакции в окпслы железа, в среде обводненного нитробензола и анилина с одновременным испарением смеси анилина с' нитробензолом; пары барботировали через слой жидкости и в свою очередь реагировали с чугунной стружкой). Авторы процесса считали необходимым проверку его в масштабе 1 : 2, что также оказалось обоснованным. В ходе испытаний пришлось переделать ряд сложных конструктивных узлов аппарата и уточнить режим восстановления. В производстве активных красителей процесс ацилирования проводится в аппаратах периодического действия, цианурхлорид находится в реакционной массе в виде суспензии.
Авторы этого метода отказались санкционировать увеличение объема аппаратов в 40 раз (ссылаясь на невозможность масштабирования гидродинамического режима в аппарате) и предложили испытать аппарат промышленного размера. Действительно, было трудно предугадать и рассчитать скорость реакции между сравнительно крупными частицами цианурхлорида и другими веществами, находящимися в растворе, при увеличении емкости реакторов в 40 раз. Проектировщики предложили вводить цианурхлорид в реактор в препарированном виде, и опыт подтвердил правильность этого. Были определены условия, в которых реакция успешно заканчивалась при обычном перемешивании реакционной массы. Продолжительность реакции в аппарате емкостью 3 м3 уменьшилась вдвое по сравнению с длительностью в таком же реакторе емкостью 1 м3.
Из сказанного ясно, чго при анализе исходных данных в отношении надежности их масштабирования проектант должен детально изучить не только рекомендованный к проектированию режим, но и возможность последующего безошибочного расчета производственных агрегатов.
Изложенное относится прежде всего к средне- и крупнотоннажным производствам, т. е. к основному органическому синтезу. Другой подход необходим при анализе вопросов масштабирования в малотоннажных производствах топкого органического синтеза, в которых создание опытных установок для проверки и освоения лабораторных регламентов иногда экономически не оправдано. Как
4*
51
Известно, продукция многих малотоннажных производств предназначена для удовлетворения нужд народного хозяйства в новых медикаментах, красителях, химикатах-добавках, кинофотоматериалах, химических реактивах и др. В начальный период применения этих новых продуктов потребность в них невелика. Так, новые медикаменты должны пройти всестороннюю проверку в клиниках и больницах, новые красители следует испытать на текстильных и других фабриках, добавки — на заводах, вырабатывающих полимерные материалы и т. д. Сроки внедрения новых продуктов в народное хозяйство зависят от темпов изготовления их опытных партий. Иногда новые продукты выпускают такими мелкими партиями, что результаты их испытаний недостаточны для решения вопросов, связанных с внедрением. Кроме того, опытные работы обходятся дорого и зачастую экономически нецелесообразны. Поэтому проектирование промышленных установок для малотоннажных продуктов часто допускается по лабораторным регламентам без промежуточной стадии их освоения на опытных установках. Такие производства следует отнести к опытно-промышленным.
В одной из статей 15, где рассматривается вопрос об организации экспериментальных производств для последующей реализации проектов, эти производства подразделяются на две группы:
1. Экспериментальное производство, предназначенное для разработки новой технологии изготовления продукта, имеющего устойчивый сбыт. В этом случае новая технология должна обеспечить улучшение качества продукта или снижение эксплуатационных затрат (или то и другое). Главным экономическим критерием, определяющим целесообразность внедрения новой технологии, здесь является соотношение между дополнительными затратами на производство и дополнительной прибылью, получаемой в результате сокращения издержек производства или улучшения качества продукта. Масштаб исследований должен быть укрупненный лабораторный, т. е. они должны проводиться на пилотной установке, на которой, по мнению авторов 15, можно получить данные,, необходимые для выявления экономических критериев новой технологии.
2. Экспериментальное производство, предназначенное для наработки нового продукта, еще не проверенного потребителями в масштабе, обеспечивающем устойчивый сбыт продукции. Главным фактором в данном случае является время (а не затраты), а экономическим критерием служат размеры прибыли на вложенный капитал. В этом случае исследования лучше проводить в обычном стандартном производственном оборудовании. Если спрос на новый продукт резко возрастет, то разработанную в этом оборудовании технологию можно будет без промежуточных стадий проверки заложить в основу проекта нового цеха. При ограниченном спросе на новый продукт опытное производство (если оно окажется прибыльным) может работать, как промышленное.
Итак, при разработке новой технологии производства старого продукта главным экономическим фактором являются затраты, а
52
при наработке нового продукта — время. Покажем значение этих факторов па примере производства стирола.
В капиталистических странах, выпуская на рынок новый продукт, не имеющий установившейся мировой цены, фирма-поставщик предварительно оценивает дополнительную прибыль, которую может получить при использовании этого продукта фирма-потребитель, и рассчитывает приемлемую для покупателя цену на готовые изделия, в производстве которых может быть применен новый продукт. Исходя из этих данных, фирма-поставщик может установить цену на новый продукт, обеспечив себе максимально возможную прибыль. Право на монопольный выпуск нового продукта закрепляется патентами (если фирма не сочтет более приемлемым вообще засекретить данный способ производства).
Приведем пример. Для защиты полимерных материалов от старения в них вводят стабилизаторы, что способствует удлинению срока эксплуатации изделий (например, автомобильных покрышек) в 2 раза и более. Самыми ценными считаются те стабилизаторы, которые не только надежно защищают полимеры от старения, но и не вызывают потемнения или изменения цвета изделий, а также нетоксичны. Количество потребляемых стабилизаторов составляет 2—3% от веса полимерных материалов, в которые их вводят.
Мировые пены на стабилизаторы типа аминов колеблются от 1,1 до 3,3 долл, за 1 кг (в среднем около 2 долл.). Пять фирм выпускают стабилизаторы фенольного типа по цене 7,9 долл, за 1 кг, получая прибыль минимум по 4,5 долл, за 1 кг, что составляет пе менее 40% вложенного в производство капитала. Повышение цены на этот новый стабилизатор с 2 до 7,9 долл, вызывает удорожание I кг готовых изделий всего на 15 центов, что, видимо, приемлемо для заводов-потребителей этого стабилизатора, которые выпускают светлые и окрашенные изделия и ожидают увеличения спроса на них. Указанную выше прибыль фирма, выпускающая эти стабилизаторы, будет получать до тех пор, пока другие фирмы-производители стабилизаторов не разработают новый продукт с лучшими потребительскими свойствами или меньшей себестоимостью. Если же организация производства нового продукта задержится, он может оказаться уже ненужным и фирма-поставщик вместо ожидаемой прибыли получит убытки.
Таким образом, основным содержанием работы технолога при анализе исходных данных являются: ознакомление с отраслями народного хозяйства, потребляющими проектируемый продукт, для уточнения заданной мощности производства и очередности строительства; проверка экономической целесообразности химической схемы синтеза, рекомендованной заказчиком; проверка наличия в рекомендованных исходных данных всех параметров, необходимых для надежных инженерных расчетов технологического процесса и оборудования; формулирование обоснованных требований к заказчику и организациям, работающим по его заданию, на проведение дополнительных исследований и других работ, без которых нельзя приступить к проектированию.
ГЛАВА з ПОРЯДОК РАЗРАБОТКИ ПРОЕКТОВ И УЧАСТИЕ
ПРОЕКТАНТОВ В ИХ РЕАЛИЗАЦИИ
ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ
* Получив утвержденное задание на проектирование, технолог приступает к разработке технического проекта. В процессе его разработки кардинально решаются все основные технические, санитарно-гигиенические и техиико-экономические вопросы для проектируемого объекта и, следовательно, будущего производства. При их решении проектировщик обязан в максимальной степени учитывать все новейшие достижения науки и техники. К моменту осуществления проект должен обеспечить ввод в действие технически передового производства, отличающегося высокими показателями по производительности труда, качеству и себестоимости готовой продукции, хорошими санитарно-гигиеническими условиями работы.
В проектах следует предусматривать экономичные схемы транспортирования сырья, промежуточных продуктов и готовой продукции, а также возможно более рациональное использование строительной площадки и производственных площадей. Закладываемые в проект технические решения должны быть тщательно проверены на патентную чистоту.
В техническом проекте с полнотой, обеспечивающей разработку всех его разделов и возможность составления смет, прорабатываются как технологическая часть, так и все общеинженерные разделы проекта. Наряду с графическим материалом в состав технического проекта входит пояснительная записка, которая должна быть краткой и не содержать лишних данных. В частности, в ней не допускается повторение тех данных, которые имеются в графическом материале. Соответственно расчеты не рекомендуется приводить в пояснительных записках, лучше комплектовать их отдельно и хранить в архиве проектной организации. В пояснительной же записке следует оставлять только результирующие данные. В ней приводится также состав проектной документации, включая перечень графического материала технического проекта.
При проектировании крупного объекта, строительство которого будет вестись в несколько очередей, в техническом проекте первой очереди указываются характеристики состава, номенклатуры и стоимости сооружений первой и последующих очередей. Технические проекты последующих очередей строительства разрабатываются и утверждаются отдельно на каждую очередь. При необходимости применения в проектируемом производстве пестандарт-
54
кого оборудования в составе технического проекта должны быть разработаны технические задания на его конструирование.
Для обоснованного выбора метода производства при составлении технического проекта по сложным объектам допускается разрабатывать отдельные варианты и даже выполнять проекты или отдельные их части в нескольких проектных организациях с последующим выбором лучшего варианта. Такой порядок работ оговаривается в задании на проектирование.
Объем и содержание технического проекта определены инструкцией 2 и уточняются эталонами проектов, разрабатываемых министерствами и ведомствами с учетом специфических особенностей подведомственных им отраслей промышленности. Типовая форма, приведенная в инструкции, предусматривает, что в технический проект предприятия входят девять разделов: общая пояснительная записка, технико-экономическая часть, генеральный план и транспорт, технологическая часть, организация труда и система управления производством, строительная часть, организация строительства, сметная часть, жилищно-гражданское строительство. Типовая форма учитывает объем и содержание проекта целого завода — Дополн. ред. *
Приступая к разработке технического проекта, технолог в первую очередь подбирает и систематизирует исходные данные, основными из которых являются:
1. Задание на проектирование.
2. Материалы предпроектной проработки.
3. Общие данные по заводу, необходимые для технологических расчетов: климатические условия (температура воздуха, воды и т. д.); условия выпуска сточных вод в общезаводские канализационные сети, сброса отходящих газов в атмосферу, вывозки шламов и отходов; параметры энергетических средств (электроэнергии, пара, горячей воды, сжатых газов, холода, топлива и др.); особые условия (спецификация наличного или заказанного оборудования общего назначения и др.).
4. Рецептурные материалы, рекомендованные к проектированию (регламент и все изменения и дополнения к нему; отчеты об исследовательских работах, обосновывающих регламент, и отчеты об исследованиях, проведенных по рекомендациям технологов-проектировщиков, выданным в результате предпроектной проработки). Кроме того, технолог подбирает литературные материалы, в том числе данные о технологии, оборудовании, физико-химических свойствах продуктов, авторские свидетельства, патенты и др.; материалы обследования аналогичных производств; материалы об авариях, несчастных случаях и профессиональных заболеваниях, а также опубликованные по этим вопросам сведения.
Перечисленные материалы целесообразно заносить на карточки, которые хранятся в личной картотеке технолога. В каждой карточке указывается источник данных: автор и название киши, издательство, год издания, страница; автор И название статьи; название, том, номер, страница и год выпуска журнала:
55
архивные номера материала в организации, откуда он получен или где хранится; название организации, автор, дата, номер письма; содержание устного сообщения, от кого и когда оно получено и т. д.
Проектирование нельзя вести, основываясь только на технологическом регламенте. Так, научно-исследовательский институт рекомендовал к проектированию производство полупродукта для красителей. Новый способ обеспечивал снижение себестоимости продукции и отказ от применения токсичных видов сырья. Проектное задание и рабочие чертежи были выполнены без тщательного изучения отчетов лаборатории и опытного завода, в которых приводились результаты испытания качества полупродукта в процессе синтеза всего двух красителей из 30 намеченных. Во время проектирования выяснилось, что оттенки остальных красителей не удовлетворяют типовым образцам, в связи с чем проектные работы пришлось приостановить.
В рекомендованную схему производства хинанкридоновых пигментов, приложенную к утвержденному регламенту, были включены аппараты новой конструкции, не испытанные даже в лабораторном масштабе. В схеме не предусматривалась возможность контроля качества полупродуктов. Проектировщики, изучив отчет о проведенных экспериментальных работах, отклонили рекомендованную в регламенте схему, и она была заменена другой.
Нельзя также вести проектирование вообще без регламента, только на основании отчетов.
При составлении регламента систематизируются и приводятся в порядок полученные экспериментальные данные и решается ряд конкретных вопросов. Два цеха производства органического продукта были запроектированы по отчетам исследователей, разработавших непрерывный способ производства. Первая стадия технологического процесса предварительно была освоена на укрупненной лабораторной установке, вторая стадия — на производственном агрегате, третья стадия вообще, не испытывалась и была спроектирована по литературным данным. По настоянию проектировщиков исследователи составили сводный регламент, но назвали его лабораторным. В регламенте отсутствовал ряд данных по первой и второй стадиям производства, а по третьей стадии исследователи отказались от составления даже лабораторного регламента. В целом по регламенту не было возможности запроектировать промышленное производство. Если бы до выдачи задания на проектирование был составлен сводный лабораторный регламент процесса, то стало бы ясно, что по нему нельзя начинать проектирование про мышленных цехов до освоения на опытной установке метода производства в целом.
В тех случаях, когда рекомендуемый к проектированию технологический процесс или какая-либо стадия его осуществлена в опытном или производственном масштабе, технолог до начала проектирования должен ознакомиться с реализованным произвол ством. При этом лучшим способом ознакомления является работа
56
на данном производстве в течение некоторого времени. Однако даже ознакомление с производством не дает нужного проектировщику эффекта, если практические данные не будут сравнены с результатами расчетов. Поэтому до начала проектирования технолог подбирает литературу по методам расчета основных технологических процессов и аппаратов, применяемых в проектируемом производстве (теплообменники, аппараты для ректификации, выпаривания, отстаивания, фильтрования, сушки, реакторы и др ), и знакомится с новыми работами в этой области.
Один технолог был направлен на завод для изучения работы действующей ректификационной колонны. Собрав практические данные, ои пришел к выводу, что установленный па колонне дефлегматор имеет недостаточную поверхность теплообмена и лимитирует производительность агрегата в целом. Рассмотрение данных о работе дефлегматора показало, что этот работник не сумел правильно проанализировать работу дефлегматора. Оказалось, что температура воды, выходящей из дефлегматора, не могла быть ниже 70° С даже при полностью открытом кране. Это объяснялось недостаточным напором воды, поступавшей в дефлегматор, и подтвердилось при вторичной проверке на месте.
Для увеличения напора воды производственники установили насос, снизили температуру выходящей воды до 40° С и увеличили производительность дефлегматора. После этого были получены все данные, необходимые для расчета аналогичной колонны.
Другой технолог спроектировал ректификационную колонну периодического действия. Емкость куба колонны при полном испарении жидкости не обеспечивала смачивания жидкостью всей насадки колонны. Такая колонна не могла работать. Оказалось, технолог не учел, что насадка в колонне удерживает некоторое количество жидкости, и пренебрег им при расчете.
Данные о методах расчета основной технологической аппаратуры также рекомендуется вносить на карточки, которые при тщательном подборе будут служить как бы «долговременной памятью» проектировщика. Чем раньше и аккуратнее он станет их составлять, тем меньше потребуется дополнений к карточке при подготовке к последующим проектам. При современном потоке информации нельзя надеяться лишь на собственную память. Следует вносить па карточки и результаты своих наблюдений за работой действующих аппаратов, ошибки, обнаруженные при пуске производства, дельные и проверенные советы товарищей по работе.
О СОГЛАСОВАНИИ И УТВЕРЖДЕНИИ ПРОЕКТОВ
* Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР отменяется существовавший ранее порядок согласования проектов с органами государственного надзора '. В качестве обязательного вводится положение, по которому в каждом техническом или технорабочем проекте должна иметься запись (за подписью главного инженера проекта) о том, что проект разработан в полном соответствии с действующими нормами и правилами. Однако, если в процессе проектирования возникает обоснованная необходимость в частичном отступлении от утвержденных норм и правил, подобные технические решения должны быть согласованы с органами государственного надзора, утвердившими эти правила и нормы.
57
С соответствующими органами государственного надзора необходимо согласовывать также проектные решения, по которым отсутствуют нормы.
Значительная часть согласований выполняется на стадии выбора площадки для строительства промышленного предприятия, поскольку в комиссии по выбору площадки принимают участие представители всех заинтересованных организаций. Акт по выбору площадки для строительства подписывается всеми членами комиссии. Он является основным документом о согласовании предполагаемых решений проекта. На основании этого акта разрешается подключение проектируемого предприятия к межведомственным инженерным сетям и коммуникациям. Кроме того, следует иметь в виду, что органы государственного надзора (пожарного, энергетического, санитарного, использования и охраны водных ресурсов) осуществляют надзор за разработкой проектов на всех стадиях проектирования, в соответствии с положением об этих органах. Соответствующая информация должна быть подготовлена к моменту выбора площадки.
Утверждению подлежат технические или техно-рабочие проекты. Состав материалов, представляемых на утверждение, регламентирован.
До утверждения проекты проходт экспертизу. В большинстве случаев они передаются на экспертизу в отраслевые научно-исследовательские институты. Эксперты не имеют права требовать расширения объема проектного материала, определенного для представления на утверждение. — Дополн. ред.*
Опыт показывает, что замечания экспертизы можно подразделить на следующие группы: 1) нарушения действующих правил и норм; 2) неправильные технические решения; 3) новые предложения, имеющие (по мнению их авторов) экономические и технические преимущества перед проектными; 4) предложения, имеющие в большой степени так называемый вкусовой характер.
Замеченные экспертами прямые ошибки (пп. 1 и2) должны безоговорочно исправляться. Отступления от норм, не являющиеся прямыми ошибками, подлежат анализу. Прежде всего следует определить, нет ли неувязок между отдельными нормами.
Например, в нормах на хранение сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ), предназначенных для аптек и местной промышленности, сказано, что эти нормы не распространяются на химические предприятия, производящие СДЯВ, по не сделана такая оговорка для крупных потребителей этих продуктов. По этим нормам к категории СДЯВ можно отнести практически все концентрированные минеральные кислоты, что усложнило бы проектирование тех производств, где применяются эти кислоты.
* Предложения об изменениях проекта, исходящие из более экономичных решений, подлежат тщательному изучению, в особенности в части проверки надежности предлагаемых решений. Это касается, например, выбора новьщ аппаратов для фильтрования,
58
сушки и других физико-механических процессов. Для большинства средне- и крупнотоннажных производств экономически эффективна замена фильтрпрессов механизированными фильтрами, обычных выпарных аппаратов — аппаратами с вращающимся ротором. Однако принятие новых решений обычно целесообразно только после их экспериментальной проработки.
Для малотоннажных производств возможно промежуточное решение: в техническом проекте принимается наиболее надежный аппарат, а НИИ или заводской ЦЗЛ поручается проверка более эффективных аппаратов. При положительных результатах испытаний на установку новых аппаратов составляют рабочие чертежи (производственная площадь, предусмотренная в техническом проекте, должна быть не меньше необходимой для вновь устанавливаемых аппаратов). Если не только надежность, но и экономичность предлагаемого изменения сомнительна, его принимать не следует, так как для дополнительных экспериментов и проектных работ потребуются время, средства и затраты инженерного труда.
В утверждающих инстанциях проекты, как правило, защищают проектировщики. Обычно они выполняют эти функции по требованию заказчиков.
Проекты со сметной стоимостью 2,5 млн. руб. и более утверждаются министерствами или ведомствами СССР и Советами Министров союзных республик. Сложные проекты наиболее крупных предприятий утверждаются Советом Министров СССР.
По замечаниям, принятым утверждающей инстанцией при рассмотрении проектов, в них вносят соответствующие изменения проектировщики. Проекты, в которые внесены изменения, улучшающие технико-экономические показатели и повышающие эффективность производства, переутверждаются в общем порядке. Основные материалы утвержденного проекта соответствующим образом оформляются и в одном экземпляре сохраняются в архиве проектной организации.
Рабочие чертежи не подлежат утверждению и выдаются заказчику за подписью проектировщиков.
РАБОЧИЕ ЧЕРТЕЖИ
На основании утвержденного технического проекта разрабатываются рабочие чертежи. К началу разработки проектная организация должна получить подтверждение о возможности поставки оборудования, предусмотренного техническим проектом.
Рабочие чертежи разрабатывают только в объеме, необходимом для строительства и монтажа спроектированного объекта. В состав рабочих чертежей входят: технологические схемы с нанесенными на них оборудованием, трубопроводами и контрольно-измерительными приборами, планы п разрезы сооружений с привязкой технологического транспортного и энергетического
59
оборудования, трубопроводов со спецификациями, материалы по регламенту производства, а также пусковая инструкция.
Первоочередной задачей технолога в процессе составления рабочих чертежей является исправление технологической схемы в соответствии с протоколом утверждения технического проекта. При небольших изменениях можно соответственно исправить первоначальные чертежи.
По исправлении схемы технолог выполняет все недостающие расчеты (тепловые, гидравлические и др.) и наносит на схему диаметры трубопроводов, арматуру (с указанием конструкционных материалов), контрольно-измерительные приборы, средства автоматизации и другие данные, необходимые для окончательной компоновки оборудования. Эта документация является заданием механикам-проектировщикам, которые и выполняют чертежи рабочей схемы, увязанной с компоновкой оборудования и чертежами трубопроводов. Исходя из протокола утверждения технического проекта, технолог должен скорректировать задания проектировщикам других специальностей и субподрядчикам и направить им те материалы по рассмотрению технического проекта, которые их касаются. — Цополн. ред. *
По внесении всех исправлений, соответствующих документам утверждения технического проекта, технолог проверяет чертежи, составленные по его заданию специалистами других отделов, и проводит взаимную увязку чертежей по различным разделам проекта.
Ниже перечислены наиболее типичные ошибки, устраняемые при выполнении этой работы:
1) несовпадение или отсутствие в строительных чертежах отверстий для труб и кабелей. Это приводило к дополнительным затратам средств и труда на пробивку отверстий в стенках и панелях;
2) отсутствие чертежей на детали для прохода труб и кабелей через стены и окна;
3) наложение друг на друга (па разных чертежах) трасс вентиляционных газоходов, трубопроводов и других коммуникаций;
4) отсутствие некоторых вспомогательных помещений, необходимых для данных объектов (ацетиленовые будки, кладовые смазочных масел, камеры для обеспыливания спецодежд и др.);
5) отсутствие ряда устройств и приспособлений для обеспечения норм техники безопасности и промышленной санитарии (фонтанчики для питьевой воды, аварийные души, приспособления для механизированной уборки помещений, для подачи в емкости ЛВЖ средств пожаротушения — пара, азота, воды или пены и т. д.);
6) различные неувязки между строительными и монтажными чертежами, например отсутствие в междуэтажных перекрытиях отверстий для «провисающих» аппаратов или площадок для протирки окон, для обслуживания мостовых крапов и др.;
7) излишние резервы по вспомогательному хозяйству, рассчитанные на обслуживание второй и последующих очередей строи
60
тельства (в практике проектирования химических производств известны случаи, когда в проектах предусматривались резервы по складскому хозяйству, ремонтным цехам и другим сооружениям, оборудование которых длительное время не использовалось).
Для уменьшения или полной ликвидации подобных неувязок целесообразно возможно шире применять макетное проектирование (стр. 315, сл.), преимущество которого можно пояснить следующим. При отправке рабочих чертежей из проектной организации заказчику возникло сомнение в правильности трассирования трубопроводов, соединяющих цех с наружной эстакадой. Макетное проектирование этого узла выявило ошибки в чертежах, причем на макете же было найдено правильное решение.
Большие дискуссии вызвал вопрос о том, как выпускать чертежи к техническому проекту и рабочие чертежи — в виде фотографии с макета или в виде графического материала. Опыт показал, что способ выпуска чертежей не имеет принципиального значения. Решение его зависит от технических причин (наличие условий для четкого фотографирования, требования строительно-монтажных организаций и др.).
Иногда для пуска первой очереди спроектированного производства приходится принимать временные решения: например, использовать часть вспомогательных цехов под склады или временно получать с других заводов некоторые материалы, требуемые в небольшом количестве (тара и др.), сооружать временные парокотельные до пуска ТЭЦ и т. д.
Технолог должен проверить, обеспечивают ли эти временные решения пуск и нормальную эксплуатацию производства, изготовлены ли чертежи, необходимые для реализации этих решений.
АВТОРСКИЙ НАДЗОР
* Для сложных объектов, которые будут работать по новой технологии и насыщены новым оборудованием, по решению инстанции, рассматривающей и утверждающей проект, вводится авторский надзор, осуществляемый проектировщиками. Это позволяет повысить качество пусконаладочных работ и способствует повышению квалификации работников проектных организаций.
Авторский надзор осуществляется всеми специалистами, принимающими участие в проектировании, но все мероприятия по надзору координирует автор проекта, т. е. технолог. В связи с этим -на строительствах целесообразно организовывать проектные группы, подчиненные главному инженеру проекта, которые смогут принимать ответственные решения по проектной документации.
Кроме того, необходимы систематические выезды на строительные площадки проектантов-технологов и других специалистов для ведения авторского надзора за реализацией проектов. Периодичность выездов зависит от темпов строительства и количества возникающих у заказчиков вопросов и предложений. На месте
61
строительства должен иметься журнал авторского надзора, куда необходимо записывать все предложения заказчика и принятые по ним решения авторов проекта. — Дополн. ред. *
Проектировщики должны исправлять' все свои ошибки, обнаруженные в процессе строительства и монтажа объекта. Претензии заказчика в ряде случаев заключаются в несоответствии подсчитанного объема работ их сметной стоимости и в предложениях по упрощению проектных решений. Авторский надзор должен обеспечивать оперативное решение всех вопросов, возникающих у заказчиков и работников строительно-монтажных организаций, и наблюдение за тем, чтобы предложения заказчика не противоречили проектным решениям и принимались только по согласованию с проектировщиками.
Предложения заказчика и строителей о замене дешевых материалов дорогими, например углеродистой стали на нержавеющую, пластических масс или фарфора на более дорогой фторопласт, масляной покраски на глазурованную плитку, а также об увеличении толщины труб или стенок аппаратов, в большинстве случаев подлежат отклонению.
Авторский надзор целесообразно проводить совместно с организацией, которая будет осуществлять пуско-наладочные работы.
Пуск производства является завершающим этапом работы технолога-проектировщика. Известно несколько критериев оценки его работы. К ним относятся: выполнение плана проектных работ, результаты согласования и утверждения выполненного им технического проекта, оперативность руководства проектированием и др. Мы считаем, что основным критерием работы технолога-проектировщика являются результаты пуска спроектированного им объекта.
Порядок пуска нового производства определен рядом ведомственных инструкций, сущность которых сводится к следующему:
1. Назначение руководящего персонала цеха (начальник, технолог, механик, начальники смен, начальник лаборатории, старший лаборант, инженер или мастер по КИП и СА, инженер или мастер по электрооборудованию и др.), который в процессе монтажа объекта под руководством главного (или старшего) механика или энергетика принимает от строителей оборудование и здания, участвует в актировании скрытых работ (фундаменты, заземление и др.), в составлении паспортов на оборудование, работающее под давлением, и в предъявлении этого оборудования инспекции Госгортехнадзора II т д.
2 Назначение рабочей комиссии для приемки цеха. В ее состав входят главный инженер проекта или другой ведущий технолог (автор проекта), представители органов санитарного надзора, профсоюзных органов и заводские специалисты (по усмотрению директора завода или строительства). Рабочая комиссия рассматривает соответствие выполненных работ проекту и устанавливает возможность эксплуатации цеха, а в случае некоторых недоделок и сроки их ликвидации. Если выявленные недоделки препятствуют
62
нормальной работе цеха, назначается новый срок работы комиссии после ликвидации недоделок.
К недоделкам, без устранения которых цех можно эксплуатировать, относятся отделка фасада, озеленение участка, отопление (если цех начинает работать весной или в начале лета) и т.п. Все работы, связанные с эксплуатацией оборудования, должны быть выполнены без недоделок, включая сооружение около цеха отмосток, ливнестоков, постоянных дорог и др.
По небольшим объектам рабочая комиссия завершает работу после утверждения протокола или пускового акта директором завода. Для приема в эксплуатацию крупного (сверхлимитного) объекта обычно назначается ведомственная или правительственная комиссия. В работе любой комиссии участвует главный инженер проекта или заменяющий его специалист. Все вопросы об изменении проекта на этой стадии должны решаться с учетом того, что цех уже выстроен и что любые изменения связаны с дополнительными затратами средств и времени. Однако технолог должен безоговорочно исправлять ошибки, выявленные в проекте, проверять надежность и целесообразность других решений и отклонять произвольные и необоснованные предложения об изменении проекта, выполненного в натуре.
В тех случаях, когда проектировщики признают целесообразность требований, выдвигаемых членами пусковой комиссии, их можно принимать только после проверки новых проектных решений в период пробной эксплуатации, исходя из того, что комиссия рассматривает готовый цех, а не проект.
В одном из цехов были установлены две тарельчатые вакуум-дистилляцион-ные колонны периодического действия для разделения органических жидкостей. Расчет показал, что число необходимых тарелок в колонне равно 25, тогда как каждая колонна имела по 50 тарелок (колонны работают параллельно). Скорость движения паров в колоннах и теплообменные поверхности были приняты с резервом до 50%. Предполагалось, что для вывода колонны на проектный режим потребуется около 1 месяца (примерно 30 операций). В цехе были проведены всего три операции, причем результаты каждой последующей были лучше предыдущей. Анализ режима этих операций показал наличие резервов, позволяющих освоить проектный режим в ходе эксплуатации. Тем не мСпсе после трех поверочных операций эксплуатационники потребовали монтажа третьей дополнительной колонны. Однако опыт подтвердил необоснованность этих требований, и они были отклонены.
Другой такой же цех достиг проектной производительности примерно через год и затем увеличил ее па 20%. В третьем цехе комиссия потребовала утепления части аппаратов, вынесенных па открытую площадку, что было отклонено. Эти колонны хорошо работают без утепления свыше 10 лет.
Проектировщики обязательно должны участвовать в пуске первого агрегата. По получении готового продукта надлежащего качества новый объект переходит в ведение производственного персонала. Если же эксплуатация запрещена, по внесении необходимых исправлений пуск повторяется в присутствии комиссии в таком же порядке, как ранее. При отсутствии серьезных препятствий к эксплуатации цеха пусковая комиссия далее не контролирует его работу.
63
Пуск производства является конечным контролем качества проекта и работы технолога, в частности. Поэтому технолог обязан участвовать в пуске до тех пор, пока производство будет полностью освоено. После пуска производства технолог-проектировщик должен детально разобраться в итогах проектирования и доложить о них техническому совету своей проектной организации. В течение длительного времени эксплуатации нового объекта технолог обя? зан периодически посещать его для изучения изменений, которые производственники могут внести в технологический процесс. При анализе пусковых документов необходимо выявить, есть ли перерасход капиталовложений, и его причины (удорожание оборудования, дополнительные объемы работ, выполненные строителями, монтажниками, проектировщиками и т. п.).
Г Л АБЛ 4
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Поскольку конечным результатом каждого технологического процесса является выпуск необходимого количества продукции с заданным качеством, любой перерыв процесса независимо от причин приводит к прекращению выпуска готовой продукции. В этом случае конечный результат процесса не достигается, и затраты на содержание эксплуатационного персонала, зданий, машин и аппаратуры становятся бесполезными (бросовыми). Остановка достаточно крупного производства вызывает «цепную реакцию аварии»: останавливается ТЭЦ, снабжающая завод паром и электроэнергией, нарушается график перевозки грузов по железной дороге, снабжение заводов-потребителей продукции и т. д. Отсюда ясна основная задача проектировщика-технолога — обеспечение бесперебойности технологического процесса и предотвращение аварийных ситуаций при вынужденных остановках производства. Каждый технологический процесс начинается с приема в цех или на завод сырья и всех видов энергии и кончается отправкой готового продукта.
Технологический процесс состоит из цепи технологических операций. Основные операции заключаются в последовательной химической или механической переработке исходного сырья в готовую продукцию. Большинство же операций имеют характер вспомогательных: транспортно-складские, подготовка сырья, тары, подача воды и отвод сточных вод, газовых выбросов и т. д. Проектированию этих вспомогательных операций производственного процесса должно уделяться не меньшее внимание, чем разработке проектов основных технологических операций.
На одном из химических заводов была спроектирована установка для нейтрализации сточных вод кусковым магнезитом. Предусматривалась выгрузка магнезита из крытых вагонов механической лопатой на ленточный конвейер, подача элеватором в бункер и оттуда через мельницу и питатель — в реакционный аппарат. К моменту пуска установки оказалось, что поставщик выпускает магнезит в виде мелкого порошка, поэтому запроектированная система выгрузки и транспортирования этого материала на заводе-потребителе оказалась неработоспособной, ее пришлось демонтировать и заменить пневмотранспортной установкой.
Длительное время химические добавки к резиновым смесям загружали в аппаратуру шинных заводов в виде порошков. Когда шинники перешли на загрузку гранулированных добавок, заводам поставщикам пришлось перестраивать технологию изготовления выпускных форм таких добавок.
На другом химическом заводе в качестве универсального средства внутризаводского транспорта были запроектированы электрокары. При эксплуатации их в зимнее время выяснилось, что они могут передвигаться только по тщательно очищенным дорогам (без снежного покрова и наледей). Очистка же
5 Зак. Б09
Дорог в условиях суровых снежных зим оказалась более трудоемкой, чем приме некие обычных автомашин, тракторов или электротягачей, хотя оно связано с дополнительными операциями погрузки и разгрузки контейнеров в машины или прицепные тележки.
Отсюда ясно, что при недостаточном внимании проектировщиков к вспомо гательпым операциям возможны крупные ошибки, которые отрицательно сказываются на эксплуатации запроектированных объектов.
Приступая к разработке технологической схемы, составляют, технологический расчет по каждому варианту схемы химического процесса, который решено сравнивать с другими вариантами п<> результатам предпроектной проработки. Расчет начинают с напп сапия схемы химических реакций, которая дает представление о всех видах сырья, применяемого в производстве проектируемого продукта, и всех видах образующихся отходов.
Затем проектировщик-технолог составляет схему материальных потоков, на которой перечисляются все технологические операции, связанные с химической или физико-механической переработкой сырья и реакционных масс. В соответствии со схемой материалы ных потоков составляют материальный расчет технологического процесса.
Формы составления материальных расчетов подробно описаны в литературе16-17.
В результате материального расчета технологического процесса определяются связи проектируемого производства с общезаводским хозяйством. Прежде чем перейти к составлению технологической схемы, технолог должен выяснить ряд вопросов:
1. Как будет подаваться в цех сырье? Например, 96—97%-ную серную кислоту на производство фенола можно доставлять непосредственно с завода-поставщика или приготовлять в цехе фенола из 20%-него олеума и 93%-ного купоросного масла. Раствор едкого натра можно получать из цеха электролиза, оборудованного ртутными ваннами (в данном случае концентрация раствора составляет около 70% NaOH), пли в виде 42%-пого раствора (такой раствор придется упаривать в цехе фенола до концентрации 85% NaOH), или же в виде 92%-ного твердого чешуированного продукта (при этом едкий натр надо растворять при повышенной температуре в небольшом количестве воды). Склад бензола (может обслуживать весь завод или быть прикрепленным к цеху хлорбси зола так же, как склад соляной кислоты или готовой продукции.
2. Как вывозится из цеха готовая продукция (по трубопроводам, в цистернах, бочках, контейнерах, бидонах, мешках) и где ее следует расфасовывать (в цехе или в общезаводских отделениях)?
3. Где и как будут обезвреживаться сточные воды и какие требования предъявляются к составу сточных вод, выпускаемых из цеха?
4. Каковы требования к обезвреживанию газовых выбросов в атмосферу?
5. Как следует подготовлять к траспортированию шламы,смо лы и другие отходы, подлежащие уничтожению? •
66
Проектные решения по перечисленным вопросам технолог обя-ан согласовать с главным инженером проекта. Для принятия некоторых решений отдельные вопросы предварительно прорабатывают проектанты других специальностей (транспортники, сантехники и др.) при обязательном участии технолога.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
Предварительная технологическая схема вычерчивается одновременно с составлением матерального расчета. Разработка предварительной технологической схемы на стадии технического про-< кта входит в обязанности проектанта-технолога любой квалификации.
Обычно схему вычерчивают карандашом на миллиметровой бумаге стандартной ширины. Аппараты изображают упрощенно и наносят на схему в масштабе 1 : 100 пли 1 : 50, как и расстояние между ними по вертикали; по горпзон-tj.ni масштаб можно не выдерживать (рис. 2). Размеры листа бумаги для схемы должны обеспечить удобство пользования ею, они определяют также масштаб аппаратов и количество операций, которые могут быть показаны на рдиом листе.
Окончательный вариант технологической схемы составляется при участии монтажников, конструкторов, механизаторов и специалистов по контрольно-измерительным приборам (КИП) и средст-пим автоматизации (СЛ) после подбора оборудования, приборов и проработки компоновки оборудования.
На некоторых линиях схемы (см. рис. 2) для примера показаны материальные потоки и температуры реакционных масс. Если наносить па схему все эти данные (для удобства рассмотрения и растет.! непрерывных процессов), то аппараты следует разместить на •нртоже свободнее (по горизонтали), чтобы дополнительные обо-111.1ченпя были удобочитаемы.
Приведя один из примеров графического изображения предварительной схемы, мы не имеем в виду канонизировать его. Обязательным Требованием к этому проектному документу является нанесение на него всего оборудования, необходимого для осуществления технологического процесса (часть конкретных • типов оборудования выбирают одновременно с составлением предварительной схемы, а часть после), размещение аппаратов по верти-Kii.Tii и указание точек установки контрольно-измерительных приборов, без которых нельзя управлять процессом. Так, на рис. 2 отображены приборы, автоматически регулирующие подачу бен-• ла по температуре в хлораторе и прерывающие подачу хлора при отклонении температуры от заданной. Остальные приборы, регулирующие второстепенные потоки (например, подачу воды и рассола в конденсаторы и др.) н регистрирующие расход всех веществ и энергетических средств, выбирают после и показывают на окончательной схеме.
Предварительная технологическая схема является основным документом, которым руководствуются все специалисты проектной
7В-80°С', 1350кг СеН6, 70кг С6Н5С1,ЗЬ5кг НС1
организации, участвующие в разработке технического проекта: технологи, рассчитывающие отдельные узлы и агрегаты; механики— специалисты по машинному оборудованию, выбирающие вместе с технологом стандартное оборудование; конструкторы, составляющие задания машиностроительным заводам на изготов-л нпе нестандартного оборудования; механики-монтажники, зани-м пощиеся компоновкой оборудования; специалисты по автомати-щщпи и контрольно-измерительным приборам; проектанты, разрабатывающие комплексные схемы механизации транспортировки • рузов, расфасовки и упаковки, и др. В процессе проектирования между всеми этими специалистами осуществляется «обратная связь», в результате чего в технологическую схему вносятся уточнения. Однако, если в предварительной схеме имеются коренные ошибки или недоработки, труд всех перечисленных специалистов может быть сведен к нулю, что вызовет удорожание стоимости про-с кт пых работ, нарушение графика выпуска проектной документации не только по данному объекту, но и по проектной организации в целом. Иногда такие незамеченные ошибки повторяются в последующей стадии проектирования и выявляются только при пуске цеха.
Ошибки в технологической схеме чаще всего возникают при невыполнении технологом всего объема работы по подбору исходных данных. В . таких случаях технолог либо некритически относится к рекомендованному регламенту, в котором может быть не полностью отражен опыт действующих или экспериментальных производств, либо произвольно принимает решения, не подтвержденные кспериментами или расчетами. Типичными ошибками при составлении технологических схем является отсутствие на них (пропуск) отдельных необходимых стадий процесса (очистка сточных вод, регенерация отходов, обезвреживание выхлопных газов, подготовка и очистка исходного сырья и др.) или резервирование ненужных стадий («на всякий случай»).
Оформление схемы производства. Каждый аппарат на технологической схеме изображается в виде не слишком подробного эскиза, который все же должен отражать принципиальное устройство и основные конструктивные особенности аппарата. Отдельные аппараты рекомендуется изображать на схеме не в разрезе, а по наружным контурам. Основные конструктивные детали (мешалки, змеевики и т. д.) показывают пунктиром. Если для обеспечения необходимой мощности производства требуется установить несколько однотипных аппаратов, ю па предварительной технологической схеме изображают только один аппарат (чтобы не загромождать схему).
Передача материальных потоков нз одного аппарата в другой изображается в виде четких линий. К каждому аппарату на схеме показывают подводку основных материальных и вспомогательных потоков (пар, вода, сжатый воздух, ни и т. д.), изображаемых па схеме различными условными обозначениями. В некоторых случаях липни вспомогательных трубопроводов объединяют в общие магистрали, от которых показывают подводку к соответствующим аппаратам.
В технологической схеме должно быть отражено, откуда и как подаются в 1 гх сырье и вспомогательные продукты, а также куда и какими способами удаляются готовая продукция, отходы, сточные воды.
69
Па технологическую схему следует наносить аппаратуру не только для основных, ио и для вспомогательных операций. Например, кроме основных реак торов для сульфирования, плавления, нитрования, на схеме необходимо изобразить аппаратуру для отмеривания, промежуточного хранения, а также ма шины для компримирования воздуха и других газов, вакуум-насосы и т. д.
На схему следует наносить и устройства для транспортирования сырья, реакционных масс вспомогательных продуктов (трубопроводы, напольный транспорт н др.) На линиях материальных потоков указывают точки размещения основной арматуры, определяющей направление движения потоков (краны, вен тилн, задвижки), а также важнейшие контрольно-измерительные приборы. Арматуру и приборы изображают на схеме стандартными условными обозначениями.
Нанесение всей арматуры на предварительную технологическую схему спль но загромождает ее и затрудняет пользование схемой, а потому излишне. Например, не следует показывать на предварительной схеме все краны, устанавливаемые на линиях. Целесообразно изобразить на ней только ту арматуру, при помощи которой отключаются или подсоединяются к магистралям отдельные аппараты или изменяются направления потоков.
Каждый аппарат, изображенный на схеме, должен иметь свой номер, неизменно сохраняемый во всех частях проекта: технологической, монтажной, элек тротехнической и т. д. Это предотвращает возникновение ошибок, возможных в случае разной нумерации оборудования в различных частях проекта.
Аппараты на технологической схеме нумеруются слева направо в порядке их расположения, что облегчает чтение схемы и позволяет быстро найти на иен нужный аппарат. Снабжать номера аппаратов буквенными индексами в технологической схеме нежелательно.
В процессе проектирования в технологическую схему могут вноситься добавления и изменения, иногда значительно корректирующие первоначальный вариант. Окончательное оформление технологической схемы производится после принятия основных проектных решений и выяснения всех вопросов, связанных с размещением и взаимным расположением аппаратов в проектируемом цехе (производстве). Например, по первоначальному варианту схемы производства предполагалась передача жидкости из одного аппарата в другой самотеком, который не удалось осуществить при разработке проекта размещения оборудования В этом случае необходимо предусмотреть установку дополнительной передаточной емкости или насоса, наносимых, как и все другие аппараты, участвующие в производственном процессе, на технологическую схему.
Технологическая схема снабжается спецификацией оборудования, содержащей следующие данные, облегчающие пользование схемой: номер аппарата на схеме и его наименование, основная характеристика аппарата (объем, поверхность, размеры и др.), количество одинаковых аппаратов, основной материал для изготовления данного аппарата, номер чертежа аппарата. Включение в спецификацию дополнительных сведений кроме перечисленных выше в большинстве случаев излишне.
Описание технологической схемы производства является одним нз разделов расчетно-пояснительной записки, составляемой технологом-проектировщиком. При разработке этого раздела следует иметь в виду, что описание схемы не заменяет производственного регламента и что по описанию не будут' вести эксплуатацию цеха. Описание схемы входит в состав проектной документации, оно прилагается к чертежу схемы производства и используется в качестве одного пз исходных материалов для составления рецептуры или регламента будущего произволегва. Стремление некоторых проектантов включать в описание схемы излишние дополнительные детали не оправдано.
Целесообразно описывать схему по отдельным стадиям технологического процесса, что значительно облегчит чтение пояснительной записки. Вначале следует указать, какое сырье поступает в цех, как оно подается, 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 загрузки сырья и выгрузки реакционной массы, указывается характеристика протекающего процесса и спо-
70
<i6 viо проведения /периодический, непрерывный, циклический), перечисляются К ионные параметры процесса (давление, температура и др.), методы его кон-*|<>яя и регулирования, а также все отходы и побочные продукты, образующиеся • ходе описываемых операций. В записке должны быть перечислены все имею-пкч'н па чертеже аппараты с указанием присвоенных им по схеме номеров. Описываются также принятые в проекте способы внутрицеховой транспортировки сырья, вспомогательных материалов, реакционных масс, отходов и готовых продуктов. В заключение указывается, как и во что упаковывают готовые продукты и отходы, куда и каким способом их отправляют.
Приводить в описании схемы подробные рецептурные данные, методики ана-дпюв в подавляющем большинстве случаев излишне. Достаточно ограничиться иылкамп на использованные материалы и рекомендуемые методы анализов.— шупилн. ред*
Предварительную технологическую схёму рассматривает руководство проектной организации с привлечением ведущих инженеров-проектировщиков, которые участвуют в составлении технического проекта, представителей научно-исследовательских институ-loii и действующих заводов.
Примерный круг вопросов, освещаемых технологом при рассып i рении (защите) составленной им схемы: часовая и суточная производительность производства с ее экономическим обоснованием; коэффициент масштабирования, принятый при расчете основных аппаратов, их типы, максимальные размеры, количество параллельно работающих агрегатов; тип схемы (непрерывная или периодическая) и его. экономическое обоснование; внутренние ре-1грпы с их обоснованием; методика расчета основных аппаратов, принятая технологом, и оценка достоверности и надежности исходных параметров процесса; взаимосвязь всех машин и аппаратов схемы; минимальные этажность и высота производственного > шиия; обоснование возможности размещения всех или части аппаратов на открытой площадке с учетом климата в районе строительства проектируемого производства; принятые методы меха-пи тапни трудоемких процессов; исходные данные для их проектирования (в этот раздел входят также методы расфасовки и укупорки готовой продукции); связь данного производства с обще-ыводским хозяйством (складским, транспортным, энергетическим, иодопроводпымп и канализационными сооружениями и др.); способы обезвреживания отходов, выбросов, сточных вод и т. д.; материалы, рекомендуемые для изготовления аппаратуры, трубопроводов, арматуры, строительных конструкций, и стойкость их к коррозия; отражение в схеме вопросов техники безопасности и охраны труда (дистанционное управление, герметизация аппаратуры, размещение некоторых узлов схемы в изолированных помещениях или кабинах и др.); классификация веществ и категория помещений по ПУЗ и СНиП.
При рассмотрении схемы должны быть также обсуждены проемные решения по технологической вентиляции (к ней относятся псе непосредственно соединенные с аппаратами вентиляционные • пск-мы местного действия для удаления, улавливания, регенерации н обезвреживания вредных газов, паров, пыли); по контролю про
71
изводства (места отбора проб для анализа и методы контроля) по управлению производством (агрегаты, в которых осущес вляется автоматическое регулирование процессов, способы кош роля, места размещения щитов управления, аппараты и машин) с дистанционным управлением и т. д.). Кроме того, уточняется необходимость проектирования всей схемы или ее части в двух и более вариантах с их экономическим обоснованием, а также опре„ деляется, какие дополнительные работы и обследования надо про вести на заводах и в НИИ для повышения надежности проектных решений и какие расчеты и работы следует выполнить проектам там других специальностей по представленной схеме. К таким работам относятся: выбор печей для сжигания отходов, аппаратов для выпаривания сточных вод, специальных систем для нагрева и охлаждения аппаратов (электропечи, пламенные печи, местные ге нераторы паров ВОТ), системы жидкостного нагрева с рекуперацией тепла, местные льдогенераторы, местные холодильные сн стемы, выбор специальных приводов к аппаратам (гидравлические и др.).
Здесь приведен лишь примерный перечень вопросов, который ш может отразить специфику различных производств органического синтеза. В каждом конкретном случае могут возникнуть дополни тельные проблемы, требующие проработки. Например, в произвол стве фталевого ангидрида экономически целесообразно исполь зованне тепла реакций. В аппаратах со стационарным слоем катализатора выделяющееся тепло отводится расплавом солен. Пропуская его через котел-утилизатор, можно получить пар высо кого давления, благодаря чему снижается себестоимость готового продукта. Использование тепла применяется во многих экзотерм и ческих процессах, проводимых при высокой температуре, в круп ных агрегатах для дистилляции и ректификации смесей жидкостей. В таких агрегатах тепло конденсирующихся паров дистиллята используется для нагревания исходных жидких смесей, подаваемых в разделительные колонны. Примеры схем рекуперации тепла при ведены, например, в работах автора 7- 8 и других публикациях 17.
Предварительная технологическая схема является основным документом, которым должны руководствоваться все специалисты проектной организации, принимающие участие в разработке техпн ческого проекта. Недостаточно тщательная разработка схемы про изводства может привести к ошибкам, которые, даже если и будут замечены па последующих стадиях проектирования или при утверждении проекта, вызовут необходимость существенной пере делки проектной документации и нарушение графика проектирова ния не только данного объекта, но и по проектной организации в целом. Если такие ошибки не будут замечены в процессе проек тирования, опп выявятся только в ходе строительства или при пуске цеха и вызовут перемонтаж оборудования и другие переделки, что отрицательно скажется па сроках выпуска продукции проектируй мого производства.
72
I 1рпчппой большинства ошибок в схемах является недостаточно убокое изучение ведущим технологом производственных и экспериментальных данных, полученных на опытных установках или действующих заводах. В результате этого в основу схемы могут Сын» заложены ненадежные, а иногда и неверные исходные данные Часть ошибок обусловлена неоправданным стремлением внедри п> в проект новые, но недостаточно изученные или неосвоенные Ьн^ия без проверки их экономической целесообразности и оценки риска, связанного с их применением.
I1редварительная технологическая схема составляется одновременно с материальным и тепловым балансом проектируемого про-ис( са. В ходе ее составления технолог выполняет необходимые технологические расчеты и дает экономические обоснования принимаемых проектных решений, консультируясь по мере необходимое гн со специалистами других профилей.
СОВМЕЩЕННЫЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
В промышленности органического синтеза многие производст-репные схемы предназначены для последовательной наработки не-сколысих продуктов. Так, из 575 ранее обследованных схем 383 (67%) предназначались для производства индивидуальных продуктов и 192 (33%) были совмещенными. Обследованные совмещенные схемы вырабатывали 786 продуктов (в среднем по четыре про (укта на каждую схему).
Применение совмещенных схем обусловлено преимущественно •кономическими факторами, поскольку в технологическом отношении индивидуальные схемы имеют существенные преимущества перед совмещенными (отсутствие потерь при промывке аппаратуры по время перехода на производство другого продукта, облегчение убора оборудования, контрольно-измерительных приборов, средств чоматизации и др.). Однако применение совмещенных схем обеспечивает снижение капитальных затрат па строительство < бьекта и уменьшение себестоимости продукции. Кроме того, при П1ЛНЧИП совмещенных схем облегчается обновление и расширение ассортимента готовой продукции, что особенно важно в малотоннажных производствах (синтетические красители, лекарственные вещества и др ). Совмещенные схемы могут быть непрерывными, • и случае экономической целесообразности применяться и в крупней оинажных производствах.
Полное совмещение возможно краппе редко. Для этого должны шладать не только технологические операции всех идивидуаль-ных схем, по и их последовательность, соотношения продолжительное! и стадий процессов и удельных объемов реакционных масс. Лаже в таких процессах, как синтез азокрасителей, каждая индивидуальная схема синтеза имеет особенности, которые должны учитываться в совмещенной схеме.
73
В качестве примера рассмотрим совмещение шести производств разных мо ноазокраснтелей общим количеством 180 т!год, в том числе: краситель а 10 т!год\ б — 80 т]год-, в — 20 т/год, г — 5 т!год, д — 60 т/год и е — 5 т/год.
Все шесть красителей синтезируют по следующей схеме:
1) приготовление раствора (или суспензии) исходного амина;
2) приготовление раствора нитрита натрия;
3) приготовление раствора кислоты (НХ), расходуемого на 1-й и 4-й ста днях;
4) диазотирование;
5) приготовление раствора (или суспензии) азосоставляющей;
6) азооочетание и высаливание (если оно необходимо);
7) приготовление раствора кислоты или щелочи для 6-й стадии;
8) фильтрование;
9) сушка;
10) размол и смешение.
Операции 1-я, 3-я и 4-я проводятся в кислой среде (НХ — обычно соляная кислота НС1). Операции 5-я и 6-я протекают в кислой среде (НС1, H2SOi. СН3СООП п др.) с аминами и их производными, в нейтральной или в слабо щелочной среде (НаНСОз, На2СОз, иногда NaOH) — с фенолами, нафтолами и их производными. Реакционные массы на 4-й и 6-й стадиях охлаждаются путем добавления в аппараты молотого льда или подачи холодильного рассола в ру башку или в змеевики аппарата. Всё аппараты можно изготовлять из стали, защищенной кислото- и щелочеупорной эмалью или кислотоупорной плиткой на замазке, устойчивой к растворам кислот и слабых щелочей; внутренние теплооб менные элементы могут быть выполнены из титана. Последовательность опера ций одинакова во всех шести схемах. Обычно не совпадают удельные реакцией ные объемы и продолжительность операций в разных синтезах. Для некоторых схем необходимы промежуточные операции фильтрования на 1-й, 5-й и 7-й ста днях. На 4-й стадии в разных схемах могут использоваться различные кислоты, а на 6-й стадии — различные кислоты и щелочи. Для расчета совмещенной схемы за основу принимают аппарат, предназначенный для стадии, протекающей с наибольшим удельным реакционным объемом. В данном случае таким аппар.ч том будет реактор на 6-й стадии (азосочетание).
На основе результатов материального расчета каждой индивидуальной схе мы можно составить следующую таблицу:
Продукты Производительность Количество рабочих дней в году
т!год приведенная к продукту б, тыс. mV год
а 10 83 57
б 80 80 54
в 20 80 54
г 5 48 32
д 60 120 81
е 5 33 22
Итого. . . 180 444 300
Количество рабочих суток в году вычислено по уравнению:
Х=365-л-2-Х
где л — количество переходов с продукта на продукт в течение года;
2 — длительность перехода (для промывки и ремонта оборудования), сутки; К - продолжительность капитального ремонта, сутки.
74
При п = 24 (один переход в квартал по каждому ши । X == 300 суткам.
Определяем удерживающую способность аппарата
продукту) и К = 17 ве-для азосочетания:
444 000 _
ЗООТ>~37 М
где 40 — количество операций за 1 сутки.
При коэффициенте заполнения аппарата 0,8 его объем V = 46,5 .и3. По 1н>рмалям на реакторы принимаем V — 50 л<3.
Если бы производительность каждого из остальных аппаратов была пропорциональна производительности аппарата для азосочетания, мы приблизились бы к полному совмещению. Однако, как правило, этого не наблюдается, что В первую очередь зависит от коэффициента заполнения аппаратов. Его величину нельзя снизить настолько, чтобы в начале процесса жидкость не могла омы-аги, мешалку и датчики приборов (термометры, pH-метры и др.). Нижний предел («ыффициента заполнения равен 0,3—0,4, верхний предел не может превышать 0.7—0,8 (для пенящейся реакционной массы 0,6—0,7). В связи с этим в ряде с< вмещенных схем предусматривают дополнительные аппараты на 1-й, 4-й и 5-й . тпдпях для приспособления схемы к режиму производства разных продуктов. II отдельных схемах иногда увеличивают и количество фильтрпрессов; дополни-тслы ые фильтрпрессы используются только часть года при наработке некоторых продуктов.
Если в цехе размещено несколько совмещенных схем, то можно заимство-1!Ь из «чужих» схем часть аппаратов в те периоды, когда они не используются. Например, для изготовления продукта в приходится устанавливать три фильтрпресса, а в другой схеме в течение этих же 54 суток (или более) не использует-гк один такой же фильтрпресс. Следовательно, его можно подключить к схеме в. 1 лкже можно использовать в ряде схем аппараты 2-й, 7-й и других стадий. Увеличение количества аппаратов в совмещенной схеме иногда обусловлено необходимостью дополнительной очистки, фильтрации или проведения других операций в одной из совмещаемых схем. Таким образом, если принять, что в совмещенной схеме будет установлено два дополнительных фильтрпресса для основ-I >й фильтрации, один дпазотатор уменьшенного объема, один фильтрпресс и один аппарат для очистной фильтрации, один аппарат для 1-й или 5-й стадий, общее количество аппаратов увеличится на 6 единиц.
В нашем случае в шести раздельных схемах должно быть установлено 60— 65 основных аппаратов, а в совмещенной— 16 аппаратов.
При совмещении схем нельзя использовать одни и те же аппа-|.ны для обработки кислых растворов и растворов, содержащих прпистые щелочи; кислот и растворов NaNOz; уксусной и азотной кислот и других веществ, при небрежной промывке аппаратов являющихся источником выделения вредных газов. Недопустимо т 1кже использование одних и тех же аппаратов для наработки про-Л кгов, качество которых может резко ухудшиться из-за примесей щи горониих веществ, остающихся в аппаратуре даже при ее тщательной промывке. К таким продуктам относятся, например, светлые н темные красители, исходные продукты высокой чистоты для синтеза полимеров и др. В совмещенных схемах следует предусмотреть синхронную наработку таких полупродуктов, качество которых снижается в процессе хранения.
Совмещенные схемы можно использовать и в производстве средне- п крупнотоннажных продуктов. Так, различные эфиры |Д — 2,4-дихлорфеноксиуксусноп кислоты (бутиловый, изопро-1Ыоиый и др ) могут понадобиться сельскому хозяйству в разном
75
количестве. При наличии совмещенной схемы изменение Заявок потребителей (в пределах общей мощности по действующему началу) легко может быть учтено. Технология получения различных эфиров 2,4-Д идентична (осушка спирта, этерификация 2,4-Д, отгонка и регенерация избытка спирта), и потому совмещенная схема их производства целесообразна.
Совмещенная схема графически изображается так же, как ин дивидуальная. В пояснительной записке отражаются операции процессов наработки каждого продукта по совмещенной схеме и, кроме того, обосновывается целесообразность совмещения схем.
* При разработке совмещенных схем следует по возможности унифицпро вать технологические операции, оборудование, концентрации исходных раство ров, виды применяемого сырья. При унификации технологического оборудован и л упрощается и сокращается объем проектных работ, облегчается ремонт и обсл> живание аппаратов в процессе их эксплуатации, сокращаются простои оборудо вания и благодаря повышению производительности схем появляется возможность повысить мощность единичных агрегатов. Применение унифицированных укруп ненных агрегатов позволяет значительно повысить степень механизации прош водства и автоматизации контроля и регулирования технологических процессов
В результате унификации исходного сырья сокращается количество сыры вых емкостен, коммуникаций и средств механизации процессов разгрузки, трапе портирования и загрузки сырья. При одинаковых концентрациях исходных рас творов можно уменьшить количество станций их приготовления и одновремепп повысить коэффициент использования оборудования и средств механизации он раций приготовления растворов.
Однако следует иметь в виду, что унификация аппаратуры, технологических процессов и сырья не должна ухудшать качество готовой продукции. Поэтому унификацию целесообразно проводить только с учетом результатов экспернмеп тов и научных исследований. — Дополн. ред. *
ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ
После выявления всех операций, необходимых для ведения тех нологичсского процесса, прсктпровщик-технолог должен подобрать для них соответствующее оборудование. Основным критерием при выборе оборудования является его надежность, т. е. гарантия бес перебойной работы в течение установленного срока. В условиях по точного (непрерывного) процесса таким сроком считается принятая продолжительность одного рабочего цикла, в течение которого установленное оборудование (включая арматуру, трубопроводы, приборы) должно работать круглосуточно. Продолжительность ра бочего цикла определяется условиями технологического процесса и может корректироваться с учетом особенностей конструкции выбранного оборудования.
Так, в производстве хлорбензола продолжительность рабочего цикла определяется количеством загруженного катализатора и степенью засорения шламом насадки и кипятильников ректифика цпопиых колопп. Опытным путем установлено, что периодичное и, смены катализатора п чистки кипятильников составляет примерно I месяц. При использовании бензола более высокого качества (чистый для синтеза 1-го сорта) рабочий цикл может длиться более
76
I Месяца. На некоторых установках каталитического крекинга со ыцпонарным слоем катализатора продолжительность рабочего никла определяется только сроком службы катализатора и составляет около 2 лет. Таким образом, в производстве хлорбензола грок безостановочной работы оборудования должен быть не менее |7 суток за месяц (считая, что процесс перезагрузки катализатора, Бпстки кипятильников и планово-предупредительный ремонт занимают около 3 суток), а на установке каталитического крекинга •Тот срок равен 23 месяцам за 2 года (считая, что перезагрузка ктнализатора совпадает с капитальным ремонтом). В первом случае проектная часовая производительность цеха должна быть 110% от среднечасовой, во втором случае— 104%. Эти цифры до н местной степени условны, поскольку мы приняли, что при ежемесячной остановке цеха хлорбензола на 3 суток необходимость и капитальном ремонте возникает раз в несколько лет и вообще может не учитываться.
Вопрос о резервах, предусматриваемых технологом при выборе оборудования для непрерывных процессов, должен решаться на ипове экономического анализа. Обычно принимают, что максимальная производительность оборудования должна на 15% превышать его необходимую производительность и что расчетное •шсло рабочих дней такого оборудования за год составляет 330 (in 365 календарных дней), при этом не менее 10% времени (из 330 дней) следует зарезервировать на планово-предупредптельный ремонт. Таким образом, общий запас мощности оборудования может достигать 25—30%. Этот коэффициент автоматически распространяется на установленную мощность электрооборудования, теплоэлектроцентрали, водонасосных станций, очистных сооружений и т. д.
Определение резервов, принимаемых для производства в целом, относится к компетенции экономистов; резервы, принимаемые для отдельных аппаратов и машин, должны определять технологи.
Если известно, что потребность в проектируемом продукте будет возрастать за пределами планируемого периода, создание ре-1срвов производительности дайной технологической схемы оправ-I.1HO. Прп отсутствии такой тенденции резервы не следует предусматривать. Если же технологическим расчетом число рабочих псп производства в году установлено равным 300 (с учетом остановок, например на перегрузку катализатора, и др.), то не сле-цет вводить дополнительные понижающие коэффициенты (1,1 на п.тново-предупредительпып ремонт, 1,1 на капитальный ремонт, 1,15 па запас мощности). В этом случае, исходя из перспективы роста потребления продукта за пределами планируемого периода, ।о юную мощность производства следует принять за 140% выявленной потребности в продукте. Причем это должно быть обосно-liuiio в задании на проектирование.
Если из-за природных условий (температура речной воды и.ш воздуха и т. д.) возможны большие сезонные колебания
77
производительности проектируемой установки, следует проаналпзп ровать возможность и целесообразность снижения ее производи тельности в неблагоприятные периоды (проведение капитальных ремонтов именно в это время, создание оперативных складских за пасов и г. д.) и некоторого увеличения производительности оборх дования в другие сезоны. Такой анализ проектировщик обязан еде лать на стадии технического проекта.
Трудовой режим периодических процессов При проектировании периодического способа производства еле дует определить трудовой режим работы обслуживающего персо пала. Оборудование непрерывных процессов должно круглосуточно работать без остановок в течение всего рабочего цикла. При периодическом способе производства оборудование может работать неполные сутки, или неполную неделю, или же неполный год При круглосуточной работе оборудования (без выходных дней и других остановок) коэффициент его использования максимален, однако в этом случае количество обслуживающего персонала тоже максимально. При пятидневной рабочей неделе оборудование нс пользуется на 70%> и количество обслуживающего персонала уменьшается. Причем два нерабочих дня в неделю можно исполь зовать для планово-предупредительных ремонтов, что позволяет повысить надежность работы оборудования. Снижение количества обслуживающего персонала связано и с уменьшением капитальных затрат на жилье и другие объекты коммунально-бытового пазначе ния. Вместе с тем при еженедельной остановке и пуске производства возможны технологические потери и потери времени (оста повка и пуск химического оборудования сложнее, чем, например, металлообрабатывающих станков). Потери при пуске и остановке химического производства могут заключаться в дополнительном расходе тепла и холода на разогрев и охлаждение аппаратуры, в порче остатков реакционных масс в аппаратах, в дополнитель ных расходах электроэнергии па перемешивание жидкостей и суспензий во время остановки и т. п.
Следует проверить возможность варианта двухсменной работы оборудования с неполной ночной сменой. В дневные смены прово дятся все ответственные операции (загрузка, выгрузка и др .), в ночную смену — выдержки реакционной массы, длительные про цессы фильтрования, сушки, подготовительные работы и т. д. При этом варианте коэффициент использования оборудования сип-жается гораздо в меньшей степени, чем число обслуживающего персонала при условии строгого соблюдения графика работы. В ряде случаев такой режим способствует повышению качества продукции благодаря более точному контролю процессов в дневные смены.
При пятидневной рабочей неделе создается резерв производи тслыюстн установки па случай возникновения разовой повышенной потребности в выпускаемом продукте. Временное увеличение числа рабочих, необходимых для выполнения такого заказа, может
78
Лить обеспечено за счет использования внутренних резервов предприятия (в том числе за счет временного перераспределения ра-ботающих между цехами).
Число «ниток» в поточных схемах. К компетенции пенолога относится и выбор числа «ниток» технологического обо-[ру.Ювания. Этот вопрос рассматривается с двух точек зрения: допустимого коэффициента масштабирования (стр. 50) и плана по-rianoK готового продукта. При этом следует учитывать потребность и продукте не только в конце планируемого периода, но и в промежуточные годы.
Вопрос о монтаже двух «ниток» оборудования вместо одной иногда решается без учета экономических факторов и допустимого коэффициента масштабирования. При этом считается, что надежнее работать на двух «нитках», чем на одной (защитники двух ниток» забывают знаменитый афоризм В. П. Чкалова, летевшего in Москвы в США на одномоторном самолете: «Один мотор — это 1(10% риска, а два мотора — 200%!»).
При проектировании во всех случаях (независимо от числа •ниток») к установке следует принимать оборудование, работающее с максимальной надежностью. Правильность выбора оборудо-11.П1ПЯ в большинстве случаев зависит от объема информации, которую имеет о нем проектировщик, и от квалификации последнего. При этом, если в процессе проектирования допускается ошибка и выборе и установке оборудования для одной «нитки», эта ошибка повторится и во второй «нитке».
В проекте нового цеха предусматривалась установка графитовых холодильников с повышенным сопротивлением потоку газов. В результате производительность системы снизилась до 25% проектной, а включение второй резервной •нитки» могло бы повысить производительность лишь до 50%. Резервную «нитку» оборудования вообще не стали включать, а занялись исправлением ошибки проектировщиков, т. е. заменой непригодных холодильников в обеих системах.
К настоящему времени накоплен большой опыт эксплуатации сложных технологических схем непрерывного действия без резервных «ниток» оборудования. Так, несколько лет подряд на одном из заводов работал цех производства хлорбензола, в котором имелся <• ши агрегат двухколонной дистилляции. В цехе были установлены резервные хлораторы, так как не допускалось снижение нагрузки I зорных цехов даже па время смены катализатора в хлораторах. II.I ряде заводов более двух десятков лет эксплуатируются крупные установки каталитического крекинга, состоящие из одной технологической «нитки». Известно о многолетней успешной работе кр\иного производства нитробензола с одним нитратором непрерывного действия. В таких цехах установлены насосы повышенной надежности, применены металлы, высокоустойчивые к коррозии, фланцы на трубопроводах усилены и снабжены прокладками, при-к> Ц1ыми для длительной эксплуатации, смонтирована улучшенная нрматура и др.
7?
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
После выполнения расчетов отдельных стадий производства п выбора оборудования технолог уточняет тепловые и материальные балансы, определяет расходные нормы сырья и энергии, вноси i исправления в предварительную схему, выдает задание механикам и специалистам по КИП и средствам автоматизации на разработку-их разделов проекта и совместно с этими специалистами состав ляет спецификацию на оборудование?'заполняет опросные листы и выдает задание на конструирование нестандартного оборудования (стр. 81 сл.).
Одновременно с этой работой производится оценка технологи ческой и конструктивной надежности каждой стадии схемы.
Для оценки технологической надежности отдельных агрегатов мы предложили условную 6-балльную систему, которая ни в коем случае не может рассматриваться как норма.
Балл 5 — полная воспроизводимость всех проектных показателей при пуске, осуществляемом опытным персоналом («пуск после нажатия кнопки»).
Балл 4 — то же, в пределах нормативного пускового периода, в течение которого могут быть внесены некоторые изменения в конструкцию оборудования, заменена незначительная часть арматуры, приборов и трубопроводов. Все эти изменения выполняются работниками завода и монтажной организации с исполь вованнем запасных деталей, предусмотренных проектом.
Балл 3—то же, с возможным превышением нормативных сроков освоения В период пуска приходится заменять часть стандартного оборудования, которое может быть в короткие сроки заказано и получено от комплектующих органи заций.
Балл 2 — воспроизводимость основных проектных показателей, регламенти рующих количество продукции, расход сырья и всех видов энергии. Проектная производительность не может быть достигнута без реконструкции установленного оборудования или монтажа нового оборудования такого же типа.
Балл 1 — воспроизводимость основных проектных показателей невозможна без замены части оборудования, предусмотренного проектом, новым оборудованием другого типа.
Балл 0 — по запроектированной схеме нельзя воспроизвести проектные показатели.
Исходные данные мы условно классифицируем также по 6-балльной системе
Балл 5 — данные получены на действующем производстве, работающем по такому же методу и на таком же оборудовании, что проектируется. Действую шее производство обследовано проектировщиками (измерены коэффициенты теп лопередачи, выяснен гидродинамический режим процесса, установлена продо i жнтелыюсть межремонтных пробегов оборудования и др.). Коэффициент мае штабпроваппя должен быть не более 5 (в расчете на один аппарат) и не ме нее 1 (в расчете на один элемент) при отсутствии способов пересчета размеров оборудования и показателей процесса при увеличении масштаба производства.
Балл 4 — то же, при коэффициенте масштабирования не более 10 (в расчете на одни аппарат). При наличии метода пересчета коэффициент масштабиров i пня определяется пределами применимости пересчетного уравнения, проверен него для условий проектируемого процесса.
Балл 3 — данные получены на опытно-промышленной установке, масштаб которой не менее 1 : 10 по отношению к проектируемой.
Балл 2 — то же, при масштабе менее 1 : 10 (пилотная или укрупненная ла бораторпая установка, изготовленная из того же материала, который предусмо треи для промышленного агрегата).
80
Балл 1 — данные получены в лаборатории (процесс проводился в стеклян-ik.i1 посуде), конструкционные материалы испытывались в виде образцов, по-Гружаемых в реакционную массу.
Балл 0 — прямые экспериментальные данные отсутствуют, физико-химиче-*кпе константы веществ имеются в справочной и периодической литературе.
В табл. 10 показана зависимость надежности технологической схемы от качества исходных данных.
Кроме технологической надежности учитывается конструктивная надежность оборудования, определяемая сроками его межремонтного пробега без простоев, подтеков жидкости, выделений газа и без коррозии. За эти показатели несут ответственность машино-< гроительные заводы (при условии, если опросные листы для за-ка >а оборудования заполнены правильно и содержат исчерпывающие данные). Тем не менее конструктивная надежность машин (насосы, компрессоры и др.) и аппаратов должна проверяться тех-юлогом и учитываться при заказе оборудования.
Надежность технологической схемы в целом определяется ее наиболее слабым'звеном. Применение отдельных агрегатов пониженной надежности может быть оправдано только экономическими соображениями при обязательной проверке такого агрегата до его заказа машиностроителям и до начала изготовления рабочих чер- ежей. Установка агрегатов с надежностью, оцениваемой в 2 и 1 балла, возможна лишь в тех случаях, когда потребность в проек-шруемом продукте в течение первых 1—2 лет после пуска производства будет ниже его проектной мощности.
Таким образом, перед составлением окончательной технологической схемы производства технолог-проектировщик должен оценить ее надежность в зависимости от качества исходных данных (технологическая надежность), качества конструктивных материалов, принятых для изготовления оборудования, труб, арматуры (конструктивная надежность), и качества контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации (надежность управления процессом).
Надежность схемы должна быть проанализирована также в отношении требований техники безопасности. Проектные решения, обеспечивающие безопасные условия работы, отражают в техно-югпческой схеме н приводят в пояснительной записке. Кроме того, следует проверить техническую и экономическую целесообразность создания совмещенных схем для последовательной наработки на них нескольких продуктов.
После проверки выполнения перечисленных работ в предвари-юльпую схему вносят необходимые исправления и дополнения и передают ее специалистам по КИП и автоматизации и проектировщикам-механикам для окончательного оформления.
* КОНСТРУИРОВАНИЕ НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
На основании результатов материального, теплотехнического и технологического расчетов технолог с участием механика, а в ряде случаев и специалистов ругнх профилей (электрики, теплотехники) составляет и выдает задания на
6 Зак. 509 81
Таблица 10. Зависимость технологической надежности проектируемых процессов от качества исходных данных
Качество исходных данных, баллы
Схемы, процессы, аппараты, агрегаты 0 1 2 3 4 5 Примечания
Технологическая надежность, баллы
Транспортные операции
Универсальная схема механизации ..... Индивидуальная схема механизации 4 0 4 0 4 2 4 3 4 4 5 5 Требуются контейнеры, напольный транспорт и др. Требуются конвейеры, бункера, течки, питатели, пневмо транспорт и др.
Химические реакторы
Ионные реакции в растворах или в разбавленных суспензиях, г1диабатический режим То же, изотермический режим Жидкофазные процессы без твердого катализатора То же, для малотоннажных производств (сульфирование, нитрование, диазотирование, сочетание и др.) То же, с твердым катализатором (гидрирование, восстановление и др.) Гетерогенные процессы (газ — жидкость, жидкость — твердое тело ч ДР-) Сушилки камерные, вакуумные, полочные 3(2) 2(2) 0 0 0 0 9 4(3) 2(2) 2(1) 3 2(1) 2(0) 3 4(3) 3(2) 3(2) 4 3(1) 3(1) 5 5(4) 4(4) 4(4) 5 4(3) 4(4) 5 5(5) 5(4) 5(4) 5 4(4) 4(4) 5 5(5) 5(5) 5(5) 5 5 (5) 5(5) 5 В реакторах происходят нейтрализация, солеобразование и другие процессы Требуется экспериментальная проверка коэффициентов теплопередачи Требуется проверка условий перемешивания, теплопередачи и др. . То же Необходимы данные о толщине слоя материала и динамике сушки
Продолжение табл. 10
Ка чество исходных данных, баллы
мемы, процессы, аппараты, агрегаты 0 1 2 3 4 5 Примечания
Технологическая надежность, баллы
< ушнлки гребковые
и барабанные .... 0 0 3 4 4 5 Уравнения, выведен-
Распылительные сушил- ные для масштаби-
K1I 0 0 0 3 4 5 рования, должны
Сушилки с кипящим быть проверены на
слоем, аэрофонтанные, конкретных суспен-
илльцеленточные зиях, осадках, па-
и ленточные 0 0 2 3 4 5 стах
Вальцовые сушилки . . 0 0 2 3 3 5
h рпсталлизаторы перио- 2 3 4 5 5 5 1 Требуется раз работ-
дического действия > ка и проверка ре-
Кристаллизаторы не- 0 0 2 4 4 5 J жима кристаллиза-
прерывного действия ции
Аппараты для зонного 0 2 3 3 4 5 —
намораживания периодического действия
1о же, непрерывного
действия 0 0 0 2 3 5 Необходимы испыта-
1 ния всех узлов конструкции
Фильтры
Фильтрпрессы, нутчи, друкфильтры .... Ьлрабанные вакуум- 2 3 4 4 4 5 —
фильтры 0 2 3 4 4 5 —
Типа ФПАКМ 0 2 3 3 4 5 —
Другие новые типы . . 0 0 I 2 2 5 —
Центр и ф у г и
Фильтрующие и отстой-
пые
с ручной выгрузкой 0 1 2 3 4 5 1 Требуется экспери-
с механической вы- z ментальная провер-
грузкой 0 1 2 3 4 5 J ка масштабирования, способа вы-
грузки, фильтрующей перегородки
Пылеуловители
Циклоны 1 2 3 4 5 5 —
Матерчатые фильтры . . 2 3 4 4 5 5 —
Скрубберы мокрые . . 2 3 4 4 5 5 —
'1 > же, для малотон- 0 2 3 5 5 5 —
пажных производств Газовые реакции с твер-
дым неподвижным катализатором .... 0 0 3-5* 4-5* 4-5* 5 —
Баллом 5 надежность может быть оценена, если исходные данные получены при выполнении 1—3 экспериментальных элементов в масштабе 1 ; I к проектным (например, для реакции в трубках с катализатором).
83
Продолжение табл, to
Качество исходных данных, баллы
Схемы, процессы, аппараты, агрегаты 0 1 2 3 4 5
Технологическая надежность, баллы
Системы газ—жид-
кость в режиме эмульгирования (аппараты с затопленной насадкой) 0 3 4 5 5 5
Системы газ — жид-
кость, катализатор в кипящем слое .... 0 0 3 4 4 5
Tt MI л о б м е н н ы е а п п а р а т ы
Выпарные и перегон-
ные аппараты для чистых жидкостей
и газов . 2 3 4 5 5 5
То же, для загрязнен-
пых (осадки, пыль, смола и т. д.) . . . . 0 0 3 3 4 5
Массообменн ы е а п п а р а ты
Тарельчатые колонны 2(0) 3(0) 4(2) 4(3) 5(4) 5(5)
Насадочные колонны 1(0) 2(0) 3(1) 4(2) 4(3) 5(5)
Колонны других типов Емкостные аппараты 0(0) 0(0) 1(0) 3(3) 4(4) 4 (4)
(параллельные или в каскаде) 2 3 3 4 4 5
Центробежные, ротор-
ные и другие абсорберы и экстракторы 0 1 2 3 4 5
Адсорберы с псподвиж-
ным слоем сорбента 2 3 3 4 4 5
Гиперсорберы 0 0 0 3 3 5
П рочие аппараты
Мельницы и дробилки 1 1 2 4 4 5
Диспергаторы 0 0 3 3 4 5
Г рануляторы Смесители 0 0 0 4 4 5
емкостные 1 1 3 4 4 5
других типов . . . 0 0 0 3 4 5
реакторам
и
П рн не ч а и и с. По химическим приведены баллы надежности для непрерывных процессов.
Примечания
Баллы надежности даны для случаев наличия критериального уравнения пересчета, проверенного для проектируемого процесса
Требуется определение коэффициентов теплопередачи
То же
Требуется определить к. п. д. тарелки •
То же, эквивалентную высоту насадки
Т ребуется проверка всех узлов конструкции
массообмепным аппаратам в скобках
84
разработку чертежей нестандартного оборудования. Составление заданий являет-п но существу первой стадией разработки конструктивных чертежей. От полня исходного задания в значительной степени зависит качество последующей разработки конструкции.
В большинстве случаев в техническом задании приводится эскиз разрабатываемого аппарата с указанием его технологического назначения и кратким описанием принципа работы (если он не вполне ясен из эскиза). Для емкостного аппарата должен быть дан его полный объем или габариты и степень заполнения емкости. На эскизе аппарата показывают расположение штуцеров, люков, лазов, Пробников и их размеры. Кроме того, в техническом задании приводятся: ос-III иные параметры технологического процесса (температура, давление и др.), физико-химическая характеристика сырья и перерабатываемых продуктов с перечислением важнейших констант и свойств этих веществ (агрегатное состояние, tnOTuocTb, вязкость, летучесть, токсичность, огне- и взрывоопасность и т. д.), способы загрузки исходных веществ и выгрузки реакционной массы.
К числу технологических данных относятся также способы теплообмена, конструкция, тип и размер теплообменной поверхности, параметры теплоносителя (хладоагента), температура, при которой протекает процесс теплообмена, его родолжительность, интенсивность перемешивания, тип и конструкция размешивающих устройств. Кроме того, дается характеристика привода (групповой или индивидуальный) с указанием мощности и типа устанавливаемого двигателя.
Если возникновение искр при открывании люков или лазов аппарата может привести к взрыву содержащихся в нем паров, это должно быть оговорено в аидапин, чтобы при конструировании аппарата были предусмотрены соответствующие технические решения, позволяющие исключить возможность образования искр (например, обкладка люков алюминием, медью или другим материалом, не дающим искр при ударе).
Технологу следует также охарактеризовать степень огне- и взрывоопасности помещения, где будет установлен аппарат, и указать тип применяемого электрооборудования.
Кроме того, в задании указывается способ установки аппарата (на лапах, па кольце, на фундаменте и т. д.) и в зависимости от конкретных условий приводятся дополнительные данные. Так, для насадочных аппаратов указывается тип п объем насадки, конструктивные размеры элементов, несущих насадку, в т. д.
С возможно большей тщательностью следует охарактеризовать химическую пгрессивность перерабатываемых веществ и дать рекомендацию к выбору материалов для изготовления корпуса аппарата и его деталей. К материалам, предназначенным для изготовления химической аппаратуры, предъявляются следующие основные требования:
1) химическая стойкость к действию перерабатываемых веществ, определяющая прочность конструкции и предотвращение возможности загрязнения ре-кционной массы продуктами коррозии аппарата;
2) достаточные механическая прочность, теплопроводность, теплостойкость, хладостойкость и т. д.;
3) отсутствие антпкаталигпчсского действия на проводимый в аппарате процесс; кроме того, конструкционный материал не должен быть катализатором побочных реакций или загрязнять перерабатываемые продукты примесями, присутствие которых может отрицательно влиять на процессы последующей переработки реакционной массы;
4) хорошая обрабатываемость, например механическая, позволяющая создать нужную конструкцию аппарата. Сортамент выбранного материала должен обеспечить возможность изготовления промышленных аппаратов требуемых размеров и заданной конструкции;
5) дешевизна и доступность.
Выбор материалов для изготовления химических аппаратов определяется в основном химической агрессивностью перерабатываемых веществ, параметрами технологического процесса и конструктивными особенностями аппарата, его габаритами, условиями установки н эксплуатации. При выборе конструкционных материалов необходимо иметь в виду, что каждый химический аппарат
65
состоит из ряда конструктивных элементов, различающихся технологическим назначением, условиями эксплуатации, методами обработки деталей, требованиями к прочности и т. д.
Ниже приведена примерная классификация основных элементов и детален подавляющего большинства химических аппаратов (не претендующая, однако, на исчерпывающую полноту):
плоскости, ограничивающие объем реакционного пространства (стенки аппа рата, днища, крышки);
элементы поверхностей теплообмена (рубашки, змеевики, трубчатки, трубки Фильда);
мешалки различных конструкций и связанные с ними конструктивные элементы (подпятники, муфты, сальники);
внутренние конструктивные элементы (диффузоры, тарелки, полки, перс-точпые трубы, устройства для размещения катализаторов, насадки, оросительные устройства);
устройства для ввода в аппарат перерабатываемых веществ и отвода из него продуктов реакции (штуцера, бобышки, трубы для наполнения и опорожнения аппарата, патрубки);
устройства для контроля и наблюдения за технологическим процессом и для ремонта (гильзы для термометров и термопар, устройства для поплавков и измерителей уровня, пробоотборники, краны для спуска давления и отбора проб, смотровые стекла и регарды, люки, лазы);
привалочные плоскости (фланцы);
прочие элементы, не соприкасающиеся с перерабатываемыми средами (лапы, приливы, стойки приводов, рымболты).
Казалось бы, наиболее целесообразно изготовление всех деталей аппарата из одного материала. Однако очень часто это неэкономично, так как в подобном случае пришлось бы изготовлять весь аппарат из материала, необходимого для детали, работающей в наиболее жестких условиях, или ориентироваться па относительно частую смену некоторых узлов или деталей аппаратов. Поэтому и ряде случаев разные детали аппаратов приходится изготовлять из различных материалов.
Конструкционные и другие материалы для химической аппаратуры выбирают на основании опыта действующих производств, результатов исследовательских работ, многочисленных справочных данных. При выборе материалов для изготовления отдельных деталей аппаратов следует иметь в виду, что в наиболее жестких условиях работают детали, подвергающиеся воздействию движущихся сред, особенно если в них содержатся твердые частицы. Скорость коррозии (или эрозии) возрастает с увеличением скорости потока. Поэтому в наибольшей степени обычно изнашиваются штуцера, патрубки для наполнения п эвакуации аппаратов, детали, подвергающиеся удару струй, мешалки и другие движущиеся части. Особенно сильно разрушаются участки аппаратов, находящиеся на границе раздела фаз. В теплообменных элементах возникают термические напряжения, иногда имеющие знакопеременный характер (нагревание — охлаждение), что также следует учитывать при конструировании аппаратов.
Детали, которые не соприкасаются с перерабатываемыми веществами, могут подвергаться коррозии при повышенном содержании химически агрессивных агентов в атмосфере рабочих помещений, или при проливах продукта во время его загрузки н выгрузки, или же в случае нарушения герметичности аппаратов и коммуникаций. Г1ри выборе материалов для таких деталей, как правило, не требуется предваригельиых исследований в ходе разработки технологического процесса. Выбор их определяется требуемой механической прочностью, дешевизной, технологией изготовления аппаратов. Однако для подобных деталей пригодны не все материалы, удовлетворяющие перечисленным условиям. В ряде случаев требования к коррозионной стойкости материалов, соприкасающихся с перераба тываемымн агрессивными веществами, ограничивают и номенклатуру материалов для изготовления некоторых менее ответственных элементов аппарата.
Так для изготовления наружных деталей химических аппаратов в большинстве случаев вполне пригодны различные углеродистые стали. Но приваривание нх к корпусу, изготовленному из нержавеющей стали, приводит к ухудшению
86
коррозионной стойкости кислотостойкой стенки в местах сварки с углеродистой сталью. Это следует иметь в виду при конструировании химической аппаратуры.
Рабочие чертежи нестандартного оборудования разрабатывают на машиностроительных заводах-изготовителях. Это дает возможность составлять рабочие чертежи с учетом конкретных условий работы данного машиностроительного закола (станки и другое оборудование, имеющееся на машиностроительном предприятии, заводские нормали, применяемые технологические процессы и т. д.). Проектные же организации разрабатывают только общие виды аппаратов и чертежи их отдельных наиболее сложных конструктивных узлов. Конструкторы, работающие на машиностроительных заводах, по ознакомлении с чертежами общего вида аппарата и его основных узлов приводят их в соответствие с заводскими нормалями и технологией машиностроения, принятой на данном предприятии. Если при такой переработке чертежей затрагиваются принципиальные конструктивные решения, новые чертежи должны быть согласованы с проектной организацией, разработавшей исходные чертежи.
В процессе разработки конструктивных чертежей технолог участвует в решении основных вопросов по конструкции аппарата и увязывает чертежи со специалистами смежных отделов — монтажниками, электриками, сантехниками. Разработанные чертежи нестандартного оборудования обязательно согласовы-паются с технологом. — Дополн. ред.»
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Разработка методов контроля и регулирования производственных процессов тесно связана с разработкой их технологической схемы и по существу является одним из этапов комплексного технологического проектирования.
Вопросы применения контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации в промышленности органического синтеза в объеме, необходимом для технологов-проектировщиков, нами уже рассмотрены.
Отметим, что по мере выпуска новых приборов и освоения новых схем автоматизации ранее опубликованные сведения устаревают. Поэтому технолог-проектировщик должен внимательно следить ва литературой, каталогами и нормалями по КИП и средствам автоматизации и знакомиться с их экспонатами, представляемыми на отечественных и международных выставках.
В специальном номере журнала Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева 1Я, посвященном проблемам автоматизации химической промышленности, были рассмотрены схемы автоматизации производств синтетических каучуков, синтетического спирта, феноло-формальдсгидных смол, автоматического дозирования жидких и сыпучих материалов, автоматизации периодических производств.
В. М. Добкин и др.18 приводят уравнение, при помощи которого можно приближенно оценить эффект автоматизации (в руб/год)-.
Э a GH
Чп
где а — коэффициент, определяемый анализом причин разрыва между ijmax (выход продукта в лабораторных условиях) и
87
г]п (то же, в производственных условиях) и указывающий, в какой мере этот разрыв может быть сокращен при стро гом соблюдении режима, обеспечиваемого автоматизацией; обычно этот разрыв составляет 5—10%:
G — объем выпускаемой продукции, т]год\
Ц— цена 1 т продукта, руб.
Цитированные авторы проанализировали возможность типовых решений по автоматизации ряда операций, часто повторяемых в периодических производствах. Так, из 2000 операций загрузки аппаратов в 40% случаев в них загружали чистые жидкости, в 20% — мутные жидкости, в 25%—сыпучие материалы. Разовая загрузка применялась в 70%, а доля загрузок по заданной программе составляла всего 10%. Температурный режим обследованных процессов регламентирован по всем стадиям лишь в 25% случаев, в 65% случаев предусматривается точное соблюдение температуры выдержки. Таким образом, доля процессов, для которых требуется программное регулирование, сравнительно невелика: в 70—85% случаев достаточно обычного (ручного) регулирования.
При оснащении технологической схемы контрольно-измеритель ными приборами и средствами автоматизации надо исходить из следующих обстоятельств. Если при установке технологических ап паратов допустима различная степень их надежности, то для КИН и средств автоматизации минимальным баллом надежности является 4, а нормальным баллом 5 (лучше вообще не применять приборы и средства автоматизации, чем согласиться на их пониженную надежность). Аварийные ситуации в производствах орга нического синтеза в ряде случаев были обусловлены неисправностью КИП и средств автоматизации. Приборы новых типов следует испытывать только в производственных условиях (в масштабе 1:1) под наблюдением опытных инженеров и при наличии параллельного контроля (ручного, автоматического, аналитического).
Нецелесообразно предусматривать лишние приборы. Они не только бесполезны, но и отвлекают внимание аппаратчиков и специалистов по КИП от наблюдения за нужными приборами. Лиш ним прибором считается такой, показания которого не помогают аппаратчику, а усложняют управление процессом.
Расходомеры сырья и готовой продукции, электросчетчики, водомеры и другие приборы для учета материальных и энергетических потоков следует размещать не на щите аппаратчика, а в кабинете начальника цеха, на центральном щите КИП или на месте измерения (последнее решение вполне допустимо, поскольку показания учитывающих приборов регистрируют не чаще одного раза в смену).
Не следует дублировать показания записывающих приборов в операционных листах; при комплексной же автоматизации схемы (или ее узлов) как операционные листы, так и должности аппаратчиков, заполняющих их, вообще не нужны,
88
Условия в местах установки щитов контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации должны соответствовать техническим условиям (температура, влажность, защита от агрессивных газов и т. п.); только в этом случае обеспечивается надежность их работы. При дистанционном управлении процессом в помещение КПП выносятся пусковые кнопки и арматура, необходимые для ручного управления неавтоматизированными агрегатами, а также сигналы обратной связи (показывающие, что передача соответст-пующих импульсов привела к необходимым результатам). Здесь же размещаются устройства аварийной сигнализации (световой и звуковой). Звуковые сигналы подаются только при серьезном нарушении норм технологического процесса.
* На основании данных технологической части проекта выдается задание Па проектирование схем контроля и автоматического регулирования и управления процессом. В задании указывают точки установки приборов для измерения температур, давлении и расходов, пределы и необходимую точность измерений. ( ледует также указать, какие замеры необходимы — периодический, непрерывный, с записью или без записи показаний прибора, требуется ли подача светового (или звукового) сигнала об отклонениях показаний от заданных норм регламента. Кроме того, дается характеристика среды рабочего помещения с точки рения се огне- и взрывоопасности, что необходимо для решения вопроса о возможности применения тех или иных электроприборов. Требуется также указать места установки первичных приборов (па крышке аппарата, на трубопроводе и т д.) и показывающих приборов (возле аппаратов, на местном стенде, на центральном стенде) и следует ли дублировать показания каких-либо приборов ио центральном щите.
В задании на проектирование схемы автоматического регулирования сообщается, какие параметры и в каких пределах подлежат регулировке; нужна ли блокировка или требуется отключение подачи какого-либо агента и в каких случаях, где должны быть первичные и. показывающие приборы, тип устанавливаемого прибора (только показывающий или записывающий).
Точки и методы аналитического контроля производства определяются по данным технологического регламента, на основании которых устанавливаются места отбора проб. При этом проектировщик должен предусмотреть точки рас-гаповки пробоотборников, возможность их обслуживания и взятия проб. Пробоотборники располагают на аппаратах и на трубопроводах и показывают на чертежах аппаратов или окончательных схемах. По числу точек отбора проб, чистоте их отбора и продолжительности анализов рассчитывают количество лаборантов, необходимых для обеспечения нормальной работы производства.
Перечень точек аналитического контроля с указанием мест и частоты отбора проб и краткого перечисления определяемых параметров процесса целесообразно приводить в пояснительной записке к технологической части проекта. Задачей проектировщика является обеспечение целесообразной степени автоматизации аналитического контроля. — Дополн. ред. *
ГЛАВАS
РАЗРАБОТКА СХЕМ СКЛАДСКИХ И ТРАНСПОРТНЫХ ОПЕРАЦИЙ
Расчет внутренних резервов технологической схемы целиком относится к компетенции проектанта-технолога и непосредственно связан с необходимостью погашения внезапно возникающих непредвиденных «возмущений» в подаче сырья, полупродуктов, отправке готовой продукции. Перерывы подачи сырья возможны в результате нарушения графика его поставки изготовителем или перевозки железной дорогой или из-за выхода из строя складского оборудования и коммуникаций. Вероятность нарушения графика поставки массовых видов сырья может быть установлена статистически, путем анализа работы аналогичных заводов, рав ноудаленных от поставщика и расположенных примерно в той же климатической зоне, что и проектируемый объект. Возможные «возмущения» поставок и отгрузки компенсируются наличием складских запасов, выявляемых проектировщиками на стадии технического проекта. Размеры запасов рассчитываются, исходя из вероятности нарушения графика.
В настоящее время складские запасы массовых видов сырья устанавливаются в известной мере произвольно и колеблются в пределах 5—60-суточной потребности в данном сырье. При определении складских запасов следует учитывать также способ доставки сырья. Так, при доставке речным транспортом в центральные и северные районы СССР перерыв подачи сырья может достигать 4—6 месяцев. Целесообразность создания запасов сырья на этот период вместо организации доставки грузов по железной дороге в зимнее время тоже подлежит экономическому анализу и не может быть определена произвольно. При поставке индивидуального (специфического) сырья размеры его складских запасов в каждом отдельном случае следует согласовать с поставщиками и транспортными организациями. Например, жидкие хлор и* аммиак дешевле всего перевозить в специальных железнодорожных цистернах, кальцинированную соду — в ппевмоцистернах и т.д. Запасы на складе должны обеспечивать прием и хранение единичной порции сырья (цистерна, платформа, вагон), если расчет не подтвердит большую целесообразность получения мелких партий таких грузов в сборных вагонах.
Объемы складских резервов в производственных цехах обосновываются режимом работы общезаводских складов (круглосуточный или односменный) и действующими противопожарными и сани
90
тарными нормами. Резервы для хранения промежуточных продуктов рассчитывают, исходя из реальной продолжительности ликвидации аварий, которые могут возникнуть в последующих стадиях процесса. Например, в одном из производств длительность пуска ректификационной колонны непрерывного действия после вынужденной остановки составляет не менее 8 ч. Следовательно, запас смеси, поступающей в колонну из предыдущих аппаратов, с учетом продолжительности ликвидации неисправностей, вызвавших остановку колонны, должен быть рассчитан на 12—20 ч.
Опыт пуска ряда производств показал, что необходимо предусматривать создание внутренних резервов При отсутствии их приходится останавливать и снова пускать весь агрегат, состоящий из многих последовательно соединенных аппаратов, что иногда занимает несколько суток.
Весьма тщательно следует прорабатывать, например, вопросы, связанные с созданием резервов в производстве хлорорганических продуктов. Внезапная остановка хлорного производства вообще невозможна (она может привести к крупной аварии). Поэтому в комплексе таких производств должны быть предусмотрены резервы для приема хлора в тех случаях, когда часть его потребителей вынуждена внезапно прекратить работу. Обычно резервными потребителями являются агрегаты для получения синтетической соляной кислоты или головные агрегаты (хлораторы) в некоторых производствах с соответствующими емкостями для хлорированной массы, подлежащей постепенной последующей переработке.
Резервы необходимы и для дублирования транспортных устройств (элеваторы, конвейеры, подъемники, насосы и т. д.). Проектом цеха одного из химических заводов был предусмотрен электроподъемник, предназначенный для подъема всех цеховых грузов. Но расчету он должен быть загружен 5 ч в сутки. После первой же поломки подъемника пришлось временно перейти на переноску грузов вручную и использовать электротельферы (вопреки нормам техники безопасности). Дублирование транспортных устройств не всегда должно быть 100%-ным. Так, система элеватор — ленточный конвейер может быть дублирована электропогрузчиками общего назначения при условии, что компоновка цеха предусматривает возможность такого дублирования При решении вопросов о резервах транспортных средств проектировщик должен учитывать продолжительность ремонтов выбранного оборудования, предусмотреть п спецификациях и сметах приспособления для его монтажа и демонтажа, а также запасные детали и узлы.
Д. Кемпбелл 19 предлагает методы расчета запасов, удерживающей способности аппаратов и храпения материалов на складе в зависимости от характера возможных «возмущений» в технологическом процессе. Он считает, что создание таких запасов может полностью обеспечить непрерывность технологического процесса. Вопрос о создании резервной «нитки» оборудования Кемпбелл вообще не рассматривает.
Складские запасы готовой продукции следует рассчитывать таки ми же методами, как и запасы сырья. При расчете складских
91
запасов готовой продукции следует учитывать специфику так называемых комплектных поставок. Дело в том, что некоторые виды химической продукции могут потребляться только при хотя бы мп нимальном комплекте изделий. Так, красители одинакового назначения применяются при наличии определенной цветовой гаммы, поскольку нельзя последовательно окрашивать изделия в разные цвета (один месяц в красный цвет, другой — в зеленый нт. д.) Комплект продуктов (проявители, фиксаторы, другие компоненты! требуется и для обработки черно-белых и цветных кинопленок. Хн микаты для сельского хозяйства потребляются сезонно (иногда по 10 дней в году).
Рис. 3. Съемный контейнер для жидкости, экспонировавшийся на Московской международной выставке 1965 г. «Химия в сельском хозяйстве, промышленности и строительстве».
Вопрос о том, где следует накапливать комплект продукции (у поставщика или потребителя), технолог решает на стадии разработки технического проекта, но в обоих случаях необходима организация базисных складов, в которых создается постоянный запас комплектных изделий (или другой химической продукции), пополняемый по мере отгрузки их потребителям. Склады готовой продукции не должны быть «узким местом» технологического про цесса.
Исходя из принципа наибольшей надежности, складское и транспортное оборудование следует выбирать с учетом особенностей сырья (и готового продукта) и способа его доставки на завод (и отправки с завода).
Жидкое сырье и сжиженные газы поставляются потребителям в железнодорожных и автомобильных цистернах (емкостью 50 или 16 т), в бочках (вместимостью до 400 л), в контейнерах любой ем
92
кости, согласованной с поставщиком и железной дорогой, и в бал-опах. Материал, из которого изготовлена тара, должен быть стойким к коррозии и не оказывать вредного действия на затаренные продукты.
Так, азотную кислоту перевозят в цистернах из хромоникелевой стали, устойчивой к воздействию HNO3. Фенол транспортируют в цистернах из хромистой или оцинкованной стали, что предотвращает возможность изменения окраски фенола под действием железа. Для перевозки застывающих жидкостей применяют обогреваемою тару (цистерны, контейнеры) и подключают теплообменные
элементы к липин теплоносителя при разгрузке. В таких обогреваемых емкостях перевозят 20%- и 65%-ный олеум (т. пл. соответственно —11 и —0,4°С), нафталин (т. пл. ~80°С), фенол (т. пл. 4ГС), бензол (т. пл. 5,5°С) и т. д. Сжиженные газы (хлор, аммиак и др.) транспортируют в таре, работающей под давлением.
Поступившие на завод жидкие продукты эвакуируют из транспортных емкостей на общезаводском складе или непосредственно у потребителя. В последнем случае емкость доставляется с железнодорожной платформы к месту потребления.
Съемный контейнер, установленный на автомашине, показан на рис. 3 (управление механизмом — из кабины водителя).
Обогреваемая автоцистерна емкостью 22 тыс. л для перевозки расплавленного фенола схематично изображена на рис. 4. Цистерна
93
выполнена из нержавеющей стали и снабжена теплоизоляцией (поропласт), защищенной металлическим кожухом. В цистерне имеется обогревающий элемент, предназначенный для ввода пара (избыточное давление 3 ат), и внутренние перегородки для предотвращения гидравлических ударов при заполнении цистерны и эвакуации из нее жидкости.
Схема приема застывающей жидкости из железнодорожной цистерны показана на рис. 5, из съемного контейнера — на рис. 6. При небольшом расходе застывающей жидкости контейнер может быть снят с автомашины и установлен в цехе. При этом надобность
Рис. 5. Схема приема застывающих жидкостей из железнодорожной цистерны: / — цистерна; 2 —теплообменник; 3 — центробежный насос; 4 —промежуточная емкость; 5 —вакуум-ловушка; 6 — водокольцевой вакуум-насос; 7—складская емкость; 5 — уровнемеры; 9 — термопары; 10 — механизм для установки трубопроводов в люк цистерны; т — теплоноси те ль; к — конденсат.
в емкости 3 и насосе 4 отпадает, а линия 2 присоединяется непосредственно к аппарату 7.
Перевозка продуктов в виде расплавов и растворов широко применяется в химической промышленности.
В некоторых случаях требуется специальная подготовка расплавленных продуктов до их загрузки в цистерны-термосы. Так, расплавленную серу после отстаивания фильтруют. В виде растворов перевозят 42%-иый едкий натр и ряд текстильно-вспомогательных веществ. В последнем случае требуется проверить, не будут ли растворы, например поверхностно-активных веществ, терять свои цепные свойства во время перевозки на дальние расстояния в условиях суровых зим.
При разработке схем приема и транспорта жидкого сырья следует избегать их излишней универсальности. При проектировании сборных складов (для нескольких видов жидкого сырья) некоторые технологи стремятся к чрезмерной взаимозаменяемости аппаратуры 94
Рис. 6. Схема приема застывающих жидкостей из контейнера:
/ — автомашина с контейнером; 2— линия опорожнения; 3 —приемная цистерна; 4~ погружной насос; 5— мерник; 6 — весы; 7 — реактор; т — теплоноситель; к — конденсат.
к коммуникации. В этом случае проектом предусматривается возможность приема и разогрева различных видов сырья при помощи одних и тех же стояков, насосов и обогревающих приспособлений с присоединением к ним цистерн в том порядке, в котором их доги вили на завод, что создает возможность загрязнения одного сырья другим. Поэтому схему приема каждого вида сырья, как правило, изолируют от остальных схем. Не следует опасаться необходимости маневрирования при подаче каждой цистерны к соответ-с снующему стояку. По иосможности схема должна быть простой, без излишней арматуры. Если подача сырья требуется редко (например, I—2 ци-с серны в неделю), не нужно дублировать даже насосы. Интервал времени между прибытием цистерн вполне достаточен для замены, ремонта н пены гания насоса. Следует помни rii, что каждый липший вен гиль, фланец, пробник являются потенциальными источниками потерь сырья и выделения газов. Перемонтаж перемычек между трубопроводами создает меньше затруднений,чем постоянное наблюдение за исправностью сложной универсальной схемы.
При обогреве паровыми спутниками и змееви
ками линий и хранилищ для застывающих продуктов необходимо предотвратить возможность замораживания этих спутников или арматуры, подводящей к ним пар и отводящей конденсат. Некоторые органические жидкости (спирт, бензол и др.) могут закипать при обогреве их паром, особенно, если в хранилище остается небольшой остаток низкокипящего вещества. Другие жидкости темнеют и осмоляются при обогреве паром. В этих случаях более желателен обогрев жидкими теплоносителями (например, антифризами, о-дихлорбензолом, растворами хлористого кальция), обеспечила ющими мягкие условия теплообмена благодаря пониженному коэффициенту теплоотдачи от жидкости к стенке.
11е следует усложнять схему учета расходов сырья. Взвешивание цистерн, контейнеров, бочек до и после их опорожнения
95
Является наиболее простым способом учета. Лучше предусматри вать прием сырья непосредственно в цехе-потребителе, минуя об щезаводской склад. Если это невозможно, промежуточный уч, । лучше вести по замерам уровней жидкостей в складских и цеховых хранилищах или по показаниям жидкостных счетчиков, откалибро ванных на ту жидкость, расход которой учитывается. При этом необходимо вводить поправки на температуру жидкости.
Нельзя пренебрегать потерями летучих веществ в атмосферу. Все хранилища для хранения таких веществ (спирт, бензол и др )
Рис. 7. Не рекомендуемая схема подачи и-толуидина:
1~ барабан с сырьем; 2 — плавите ль.; 3 — погружной насос; 4 — промежуточная емкость; 5— мерник; 6 — тельфер, транспортирующий барабаны со склада; 7 —реактор.
снабжают обратными холодильниками с охлаждением антифризом, температура которого должна быть выше температуры замерзания сырья.
Нецелесообразно усложнять схему приема и подачи к аппаратам застывающего сырья, особенно, если оно токсично.
Для одного цеха была запроектирована схема приема и подачи м-толуидин i (т. пл. 43°С), изображенная на рис. 7. Производственники отказались от этой схемы. Наблюдение за несколькими аппаратами, заполненными токсичным npi дуктом, оказалось затруднительным. Приходилось часто разогревать п ремонт ровать линии, заполненные продуктом, при этом остатки сырья в обогреваемых аппаратах и трубах темнели и осмелились. Учитывать расход сырья в меринках с обогреваемыми стенками и стеклом, запачканным темной смолой, нс уданл лось. Производстве.. перешли к ручной загрузке твердого продукта из бочек
через люк аппарата.
96
Более рациональна и проста схема подачи сырья, показанная рис. 8, по которой отвешенная порция продукта расплавляется нитрате 7 и сливается без остатка в реакционный аппарат 8. < хема может быть еще более упрощена, если снабдить автопогрузчик навесным приспособлением для установки барабанов на плавитель, при этом отпадает необходимость в механизмах 5 и 6.
Застывающие продукты, например динитрохлорбензол (т. пл. до ((ГС), можно подавать к реакционным аппаратам непосредст-। нпо в обогреваемых контейнерах, получаемых от поставщика, i( учшывагь расход сырья по его весу.
Газы транспортируют па дальние расстояния преимущественно но ।рубопрово'там, а в сжиженном виде — в железнодорожных
Рис. 8. Упрощенная схема подачи п-толуидина:
/ п.цыбаны с сырьем; 2 -весы; 3 — автопогрузчик; 4~ подъемник; 5 — монорельс; 6 —захват для барабанов; 7 —плавитель; 8 — реактор.
hi Пернах, в бочках, в баллонах20. Пропан и пропилен перевозят м «ранят при температурах не выше 50° С (цистерны снабжают F топзоляцией и защищают от солнечных лучей) под .давлением |К 20 ат; бутан, бутилен и дивинил при 7—10 ат; жидкий ам-ximk транспортируют и хранят под давлением 17— 20 от. Для пере-> п и небольших количеств жидкого аммиака используются авто-«п-терны емкостью 2,36м3, рассчитанные на перевозку 1,35 т NH3. дСндкнн хлор перевозят под избыточным давлением ~7 от в же-v inn юрожных цистернах. Для храпения органических жидкостей и к-ияются цилиндрические вертикальные и горизонтальные ци-( рпы емкостью до 700 м3, рассчитанные на давление паров от льи под. ст. (для бензола, фенола, ацетофенона и др.) до ВИЮ лицвод. ст. (для этанола, метанола и т. п.). Сжиженные газы I тяг в шаровых резервуарах (емкостью до 600 лг3) или в гори-Ш.11Ы1ЫХ цистернах (емкостью до 100 лг3) и перекачивают под
3«к. 609
97
их собственным давлением, под давлением инертного газа или специальными насосами.
Твердое сырье доставляется навалом: на железнодорожных платформах, в полувагонах с откидывающимся дном (гондолы), в саморазгружающихся бункерах, в пневмоцистернах, в закрытых вагонах. Штучные грузы (в мешках, барабанах, бочках) перево зятся, как правило, в закрытых вагонах. Контейнеры транспортируют в крытых вагонах или на открытых платформах.
Анализируя способы механизации транспортных рабо:, Г. С. Козлов21 подразделил их на четыре группы: 1) ручные ра
боты; 2) перевозка грузов саморазгр> жающимися автомашинами со скла дов к напольным приемным устройст вам; 3) перевозка грузов железнодо рожным транспортом непосредственно к месту потребления; 4) перевозка сы пучих материалов в полувагонах с ме ханизацией их разгрузки при помощи пневмотранспорта, мостовых крапов, элеваторов и т. п. Показано, что по сравнению с ручным трудом три по следних способа экономически целесообразны при следующих объемах годо вого грузооборота; второй способ более 10 тыс. т, третий — более 20 и четвертый — более 30 тыс. т (рис. 9). Для эффективного применения четвер того способа необходим устойчивый и крупный грузооборот, второй и третий способы в принципе не отличаются друг от друга,так как в обоих случаях потребители применяют напольный транспорт. Если сочетать его с перс возкой грузов в специальных контей нерах и согласовать их применение с поставщиками, то возможна комплексная механизация всех транспортных
Рис. 9. Себестоимость погрузочно-разгрузочных работ: / — работы, выполняемые вручную; 2 — перевозка к напольным приемным устройствам в саморазгружающихся автомашинах; 3 — перевозка в железнодорожных вагонах к месту потребления; 4—перевозка сыпучих материалов в железнодорожных полувагонах.
операции от выгрузки продукта (сырья) у поставщика до загрузки сырья (продукта) в реакционный аппарат у потребителя. На одном из металлургических заводов для таких целей применяется до 100 типов контейнеров, что обеспечило десятки тысяч рублей годо вой экономии
Схемы механизации транспортных работ в промышленности органического синтеза мы разделяем на индивидуальные и уни нереальные. Индивидуальные схемы, соответствующие четвертой группе работ по классификации Козлова, могут применяться только после экспериментального освоения всех механизмов в условиях транспортирования трех грузов, для которых они предназначены.
S8
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СХЕМЫ МЕХАНИЗАЦИИ ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ РАБОТ
Поваренная соль потребляется в процессах электролиза и ряде органических синтезов в виде раствора NaCl (рассола), очищенного от примесей вредных катионов и анионов. Если на заводы не удается подавать природный рассол (из подземных скважин) по трубопроводам, то соль поступает на склад в железнодорожных платформах или баржах, откуда выгружается грейферным краном млн растворяется струей теплой воды и направляется в виде рас-тнора в бассейны. Далее рассол транспортируется в цеха-потребители по трубопроводам.
10. Транспортируемые автомашинами пневмоцистерны, экспонировавшиеся >« Мейконской международной выставке 1965 г. «Химия в сельском хозяйстве, промышленности и строительстве».
В химической промышленности на прирельсовых складах произ-йоликя также растворение сульфида и нитрита натрия, кальци-
><> iiiiioii и каустической соды и других продуктов. Обычно такие р тстноры- подвергаются на складе очистке (отстаивание, от-। п.тровыпание от механических примесей и др.) и «усредняются» л» постоянной концентрации. Потребитель получает растворы по ♦рубопроводам или в цистернах.
Кальцинированная сода может быть изготовлена в виде сухого Мелкого порошка. Разработана и испытана система пневмотран-гпорта таких порошков из цехов-производителей на заводские i клады и отсюда в железнодорожные вагоны. Поставщики и потреби или хранят порошкообразную соду в силосных башнях, обору-станных устройствами для аэрирования хранимого в них порошка перед погрузкой его в вагоны или передачей в цехи-потребители. Для перевозки применяются специальные пневмоцистерны, так-ж< снабженные устройством для аэрирования порошка. При
7"
99
небольшой потребности в соде на данном производстве эту схему доставки сырья следует сопоставить с доставкой его в мешках. В последнем случае целесообразны универсальные способы меха низации погрузочно-разгрузочных работ. Пневмоцистерны или пневмобункера д.та перевозки порошкообразных продуктов могут устанавливаться и на автомашинах. Одна из таких машин изображена на рис. 10.
На рис. 11 представлена индивидуальная схема подачи сыпу чих материалов из контейнеров в аппараты при помощи элева-
Рис. 11. Индивидуальная схема подачи сыпучих материалов в аппараты:
1 — электропогрузчик; 2 — контейнеры; 3 — шнек; 4 — элеватор; 5 — подвижной бункер (в цехе); 6 — питатель;
7 —реактор; 8 — монорельс.
в стальные барабаны. При внедрении
тора 4, подвижного буи кера 5 и питателя 6. Воз можность использования такой схемы должна быть экспериментально подтверждена и экономически обоснована. Бункер 5 передвигается в цехе по монорельсу <8.
Твердые едкие щелочи и хромпик до недавнего времени поступали на заводы-потребители в виде застывшего плава в барабанах из кровельной ста ли. При таком способе доставки этих продуктов потребители вы нуждены были приме нять тяжелый (и опасный) ручной труд' па стадии подготовки подоб лого сырья к загрузке в аппараты. При перехо де к изготовлению этих продуктов в чешуироваи-ном виде поставщики по-прежнему загружали их же контейнеров для пере
возки чешупрованных каустической соды, едкого кали и хромпика появится возможность комплексной механизации погрузочно-раз грузочпых работ, начиная от цеха-поставщика до реакционного аппарата в цехе-потребителе. Подобную схему транспортных операций целесообразно применить к целому ряду продуктов, еще доставляемых потребителям в виде застывшего плава. Одновременно целесообразно перейти к перевозке концентрированных растворов щелочен в цистернах-термосах.
В таких цистернах с обогревом перевозится большая часть фенола. Однако ряду потребителей фенол приходилось поставлять
100
цсбоп,|пими партиями (по 0,1 — 1 т), применяя в качестве тары блр лбяпы емкостью 50—100 л из оцинкованной стали. После пне(рения оборотных контейнеров для перевозки мелких партий но ы О1пал безвозвратный расход оцинкованной стали и была щ<с tB.iciia комплексна» механизация погрузочно-разгрузочных ftoi как па инодах п not шинелях,'так и у потребителей.
( л< tyet у>1П1ЫнаП>, что предполагаемое изменение способа пе-в iKii «iapi.ii и продукции по железной дороге должно быть со-•енпши) с iiiiiiitrpccoiianitiJMii н*1 itiiihii Ире ц||>«1-аб ир..р ,'..»|ни
Ы4 приме «у
оргапп laiuiHMii заблаговременно,
। цыпу II*«МЫ и
п опычнис 6 'IKH Ни nt*
Ли К »«1Ч tfll iH< и < о । К1плл еи«1> к рению ы ЫИНАр 11 >м ДЛЯ нии II if ГЫ .111
П бочки II IlMi py i-И1 них и.и 1Ы пока про мдицп npviiiyio, так I Hl III большой ВЯЗКО-ип* ты механп lamiH |i.i6oi загрудпп-
прониКку
ДйЬ "О Суспензия Вода на
tfinnua
Суспензия
Рис. 12. Фильтрпресс с суспензатором-.
/ — фильтрпресс; 2— корыто суспензатора; 3 — двигатель с приводом к шнеку; 4 —площадка для обслуживания;
5 — шнек (одинарный или двойной).
II к ytniiiianne паст па
। поставщиках связано с дополнительными затратами, а »л.> и с ухудшением качества продукции. На одном из заводов ЙИМ пропка некоторых промежуточных продуктов потреби-w 01 нпюднтея в виде суспензии. Например, пасты бензидина, ей* юты и других продуктов суспендируются в специальных |.ita< с тобавлением воды н перекачиваются в автоцистерны, ци-иные перемешивающими пли смывными устройствами. На • I,. । нрсбптеле суспензию сливают в сборники, откуда она пе-4г ьн в реакционные аппараты9.
Нутрпцехопые и внутризаводские перевозки промежуточных |укк в вп io суспензий широко применяются при передаче их фи.* 1р<>ва п.пыс в сушильные аппараты. Суспендирование про-•1 1 и специальных шпеках, расположенных непосредственно |ш । ip.iMii. Схема такого устройства изображена на рис. 12.
|1|><||И'< сы выгрузки и транспортирования сухих порошков в । Орснолеп освоены в производственном масштабе для р-наф-I. «>।>пион стружки, цинковой пыли, сухой поваренной соли,
101
пылевидного огарка и других веществ. В полупроизводственном масштабе пневмотранспорт применяется для антрахинона, 1-ами ноантрахинона. Для каждого продукта испытания проводились па пилотных установках до составления производственной схемы 8-в.
Реализованная в промышленности схема пневматической вы грузки фосфоритной муки из вагонов 22 показана на рис. 13.
Разработан и освоен оригинальный способ гидротранспорта по варенной соли. Сухую поваренную соль суспендируют в ее насы
Рис. 13. Схема пневматической выгрузки фосфоритной муки:
/ — железнодорожный вагон; 2—заборное устройство (самоходное); 3 — транспортирующий рукав;
4 — осадительная камера с фильтром; 5—всасывающий рукав; 6 — дисковая задвижка; 7 — тележка;
8 — распределительный щит.
щенном растворе и подают в кольцевой трубопровод, проложенный вблизи реак ционных аппаратов. Возле реакторов установлены гид роциклоны, присоединенные к кольцу. Суспензию пропускают через гидроциклоны до тех пор, пока в них не осядет такое количество со ли, которое необходимо для загрузки в реактор Избыток суспензии из кольцевого трубопровода и насыщен ный раствор соли из гидро циклонов возвращаются в сборники.
Гидротранспорт широко применяется для эвакуации таких производственных отходов, как гипс, окислы железа, зола, кусковой огарок и др. Суспензии подобных отходов поступают в общезаводские отстойники или в
пр уды - на коп ител и.
Все индивидуальные схемы механизации погрузочно-разгрузочных операций дол-
жны проектироваться на основании экспериментальных данных. Не проверенные в опытном масштабе механизированные системы транспорта могут оказаться неработоспособными.
На одном из заводов органического синтеза была смонтирована схема по дачи катализатора в контактные аппараты, состоявшая из питателя ковшового элеватора, течки, ленточного конвейера, бункера, питателя, реактора. Проходя эту систему, гранулы катализатора превращались в осколки и пыль и потому не могли быть использованы по назначению. От такой схемы подачи катализатора пришлось отказаться.
На другом предприятии запроектировали стандартную механизированную схему транспортирования 2,4Д-кислоты и смешения ее с содой для превращения в натриевую соль. Предусматривалось, чтобы отфильтрованная па центрифуге кислота подавалась ленточным конвейером в ковши элеватора и поднималась
102
ii Отсюда шнековый питатель дозировал кислоту в двухвальныи охла-
• 1смый шпек Одновременно в шнек загружали соду, которую в мешках поднимали ил верхний этаж и высыпали в бункер с таким же шнековым питате-а»м Оба компонента подавались в барабанный смеситель, откуда смесь выгру-*«.тпсь в мешки.
При пуске этой системы выяснилось, что ни один из перечисленных меха-К «м<ш нс может нормально работать. 2,4Д-кислота выгружалась из центрифуги виде крупных кусков, не проходивших ни через ковшовый элеватор, ни через шигкопые питатели, в связи с чем пришлось организовать дробление кислоты Ручную Однако раздробленные куски также забивали все течки, шнеки и буйке»» < ода пооппкала через неплотности затворов шнека, что явилось причиной •и ы|ой запыленности воздуха в производственном помещении и ухудшило ус-ин работы обслуживающего персонала. Всю схему пришлось демонтировать, At >ио провесги экспериментальные работы, спроектировать и смонтировать ио-|Мо систему, в которой для транспортирования и дозировки соды был применен шсиорт, для дозировки кислоты — тарельчатые питатели.
I it оценке исходных данных, положенных в основу проекта iniuni процесса, следует учитывать и возможные «возму-Вйипи• изменение физических свойств продуктов при отклонения режима процессов от регламента, увлажнение сухих порош-и< и iciiiiie их пиросконпчпости, слеживание продуктов при их ДЛН1< львом храпении в т. д Применение аналогии при проектиро-n jiiini сх« । Mcx.iini । Hinn допустимо лишь в тех случаях, когда »г тультяты ллборпгорных пены ганий подтверждают сходство физи-MiKiix rniiAcni продуктов проектируемого производства и приня-«и> п> аналогию |\ таким свойствам относятся насыпная плотнее шя к материалу, из которого изготовлены бункера, I, трубопроводы, а также углы естественного откоса, гигро-iiiiocib, размер частиц и др.
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СХЕМЫ МЕХАНИЗАЦИИ ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ РАБОТ
\ пив реальные схемы механизации транспортирования твердого основаны преимущественно на применении напольных меха-10П Такне схемы, как и индивидуальные, должны разрабаты-ги комплексно, начиная с подачи грузов на завод (по железин е водным или автомобильным транспортом) и кончая той сырья в реакционные аппараты. При комплексной раз-инверсальные механизированные схемы могут обеспечить 1льпую экономическую эффективность. Промышленность вылет разнообразные типы механизмов напольного транспорта, >1П11*мых во многих отраслях промышленности, в том числе <ч кий
। мы напольного транспорта можно условно разделить • •м ,цци: общего назначения (обычные и специальные ав-ны, трактора и др.); для внутризаводских перевозок (тя-t |||гы11чнымп прицепами); для механизации транспортных imitn в производственных цехах и складах (авто- и электро-I iiikii).
103
Машины общего назначения имеют неограниченный радиус действия и могут быть оснащены различными кузовами (обыч
ный, платформа, цистерна, бункер, самосвал, кран и др.).
Машины для внутризаводских перевозок обычно используются в радиусе до 2 км. Они экономичнее машин общего назначения при перевозках на небольшие расстояния. Например, аккумуляторный малогабаритный тягач с тяговым усилием на крюке 0,125—1 /
Рис. 14. Общий вид и схема маневрирования электропогрузчика с высотой подъема груза до 4,5 м.
(в зависимости от типоразмера) потребляет иг большое количество элек троэнергип и может маш врировать внутри цехов и складов. К этому же типу машин относятся электро кары, к которым можно прицеплять как стандартные тележки, так и тс лежки, изготовляемые и механических цехах хи мических заводов.
К машинам для меха низации внутрискладскпх и внутрицеховых работ относятся авто- и элек тропогрузчики грузоподъемностью от 0,5 до 1 т п автопогрузчики грузоподъемностью до 2 т. Радиус действия этих машин находится в пределах 200 м. Машины грузоподъемностью до 1 т могут быть введены в крытый железнодорожный ва-
гон, машины грузоподъемностью до 2 7 можно поднимать с грузом па
верхние этажи зданий обычными грузовыми лифтами.
Примерная высота подъема грузов авто- и электропогрузчп
ками приведена ниже:
Грузоподъемность, т .......... 0,5 1 2
Высота подъема, м .......... 1,8 2,8 4,5
Выпускаются несколько типов электропогрузчиков во взрывозащищенном исполнении грузоподъемностью 0,75 т (ЭПВ-0,75), 1 т (ЭПВ-1), 5 т (ЭПВ-5) и малогабаритные машины в обычном исполнении: электропогрузчик на 250 Tea и аккумуляторная тележка типа ЭТВ па 500 кг.
104
Ill рис 14 показана схема электропогрузчика с высотой подъ-I груза до 4,5 м, на рис. 15 — автопогрузчик для штучных гру-
I ру к>з а.\ ватные сменные приспособления имеют большое знаке при складских и транспортных операциях. Универсальность
огрузчик для штучных грузов.
Рис. 16. Универсальные зажимы для бочек, барабанов н других затаренных грузов:
а — иа одну бочку; б—на две бочки; в —на четыре бочки.
/ijih цехового и впутрнскладского транспорта опреде-можпостыо смены различных приспособлений, предна-ых для захвата, подъема, штабелирования грузов. Некото->н»х приспособлений перечислены ниже:
и 1< 4111411 подъемный механизм и удлинитель вил;
Н iKiiH.i гель грузов с вил, особенно эффективный при за-Вй1нмс к сталкивании мешков;
3) универсальный зажим для захвата и подъема бочек, бара банов и др. Такие зажимы на одну, две и четыре бочки изображены на рис. 16;
Рис. 17. Схема работы поворотной каретки:
/ — вила; 5 —плита; 3 —тара (стрелками показаны направления перемещения груза).
4) поворотная каретка (рис. 17) с углом поворота до 135° в обе стороны по вертикальной плоскости может быть использована для подъема тары (бочки, барабаны, контейнеры с откидывающейся
е ж з и
Рис. 18. Схема транспортирования штучных грузов:
а — и — погрузочно-разгрузочные операции; 1 — вагой; 2 — поддоны; 3 — электропогрузчики;
4 — прицеп; 5 — электротягач.
стенкой и т. д.) и для выгрузки продуктов непосредственно в аппарат. Каретку можно смонтировать на погрузчике;
5) грейферы емкостью 1,2—0,8 ж3 применяются для захвата сыпучих грузов с открытых платформ, из крытых вагонов, из бунтов и перегрузки их в бункера, кузова автосамосвалов и т. п.
106
9 3
Рис. 20. Схема транспортирования сыпучих материалов, доставляемых в крытых вагонах: погрузочно-разгрузочные операции; /-вагон; 2 —механизм для выгрузки сыпучих грузов; 3 — транспортер; 4- электропогрузчики с ковшом; 5 - автосамосвал.
Для захвата слеживающихся грузов используются бульдозерногрейферные ковши.
На рис. 18 (стр. 106) дана схема внутризаводских перевозок штучных грузов, включающая приспособления и механизмы четы рех типов (поддоны 2, электропогрузчики 3, прицеп 4, тягач 5) и девять операций а — и, из которых одна не механизирована (вы грузка из вагона). Покажем, как можно сократить число операций. Операция а может быть исключена в том случае, если постав щик отправляет по железной дороге штучные грузы на поддонах 2. В этом случае электропогрузчик * забирает грузы непосредственно
Рис. 21. Схема подачи сыпучих материалов в аппараты при помощи контейнера-бункера:
1 — электропогрузчик; 2 — бункеры; 3 — цеховый электроподъемннк; 4— течка; 5 — реакционный аппарат; весы.
из вагона. Однако при погрузке мешков на поддоны в 60-тонных крытых вагонах будет перевозиться по 43 т, в том числе 2 т поддонов. Операции в — д могут быть исключены, если склад размещен в одном здании с цехом-потребителем груза. В этом случае придется несколько увеличить протяженность внутризаводских железнодорожных путей. Целесообразность такого решения следует установить путем экономического расчета и сравнения стоимости эксплуатации обоих вариантов схемы склада.
На рис. 19 показана схема транспортирования грузов, поступающих в крафтцеллюлозных мешках (например, соль-экстра). По этой схеме используется шесть механизмов (из них два — для
В огнебезопасных производствах можно применять и автопогрузчики.
108
рм шпики мешков и их прессования) и бункера-контейнеры — для i| пспоргирования сыпучего материала к реакторам. Из девяти • краппи четыре не механизированы: укладка пустых мешков на । |< жку 9, перевозка тележки, укладка мешков в поддоны и на I пшспортер. Первая операция а может быть исключена, если noil 1пцпк грузит мешки в вагоны на поддонах.
На рис. 20 показана схема транспортирования сыпучих грузов, Поступающих навалом в крытых вагонах (сульфат натрия, поваренная соль и др.). В схеме использованы механизмы четырех типов, все операции механизированы. Если склад расположен рядом
22. Схема подачи сыпучих материалов в аппараты при помощи бункера с подъемным шнеком:
яж>и>оиы; 2 — тельфер; 3 —бункеры со шнеком; 4 — весы; 5 — цеховый электроподъемиик;
6 — реакционный аппарат.
ком, надобность в транспортере и самосвале отпадает, так как [ нал можно подавать к аппаратам электропогрузчиком.
11.1 рис. 21 и 22 представлены варианты схем организации налицо транспорта для загрузки сыпучих материалов из бунке-реакционные аппараты. По одной из этих схем (см. рис. 22) смотрены ручные операции — закатывание бункеров в подъ-ik п подача их к аппарату, что приемлемо при относительно шоп массе отдельных порций загружаемого материала.
лр1.сЛ1оп проблемой является механизация транспорта твер-Ьгсрпалов во взрывоопасных цехах. Кроме электропогрузчи-шн|рывобезопаспом исполнении для этой цели можно приме-Тшеиматпчсские подъемные механизмы и самодвижущиеся feptiuc тележки (кошки).
Л*1 кий и удобный механизм, показанный на рис. 23, имеет гру-М«имп > п> от 150 до 2000 кГ; высота подъема груза 3—4 м, Г« ппдьемных устройств (с кошкой) от 37 до 102 кГ,
109
наименьший радиус кривизны монорельса 800—1000 мм. Механизм снабжен кнопочным управлением, скорость движения и подъема
груза можно регулировать.
Схемы механизации внутризаводского и внутрицехового транспорта должны разрабатываться в увязке с генеральным планом
Рис. 23. Взрыво- и искрозащищенный пневматический подъемный механизм:
1 — монорельс; 2 — передвижная каретка;
3 — подъемный механизм; 4 — крюк; 5—блок управления передвижением и подъемом.
завода и проектом компоновки оборудования. Решения, положенные в основу разработки генплана, долж ны способствовать сокращению количества погрузочно-разгрузочных операций. При компоновке це хов необходимо предусматривать возможность размещения в них ста ционарных подъемно-транспортных механизмов, резервных тупиков для монорельсов, передвижения наполь пых машин и т. д. Чтобы эти вон росы могли быть рационально ре шены при разработке строительной и механической части проекта, тех полог должен отразить на техполо гической схеме все операции по транспортированию грузов наравне с основными производственными операциями.
Расчет количества транспортных механизмов и выбор их типа должен производиться транспортниками и механиками под руководством технологов. Требуемое количество электро- и автопогрузчиков, а так же прицепных тележек к тягачам определяется по формуле:
псм--Ав
где Исм—количество машин, работающих в 1 смену;
Q — масса одной порции
груза;
/см ~ продолжительность смены, ч;
/ц — продолжительность цикла, ч;
Кв~ коэффициент использования машин во времени (обычно Кв = 0,7).
Количество электротягачей пт рассчитывается по формуле:
rrt«- О- годовой грузооборот цеха, г;
годовой фонд рабочего времени цеха, сутки;
К( — производительность тягача, т/сутки.
11о этой же формуле можно рассчитать количество других мани, занятых только перевозкой, без простоев под погрузкой и вы-• рузкой.
Режим работы складов (в одну смену, в две смены, круглосу-чпо) устанавливается, исходя из объема грузооборота и графика прибытия и отправления грузов. Общезаводские склады, как правило, работают в одну смену. В остальное время предусматри-и 11 ся дежурство централизованной бригады для погрузки и раз-ipviKii прибывающих железнодорожных вагонов. Склады легко-пламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) иногда приходится перево-1IUT на двухсменную и даже на трехсменную работу потому, что • мкость цеховых хранилищ строго ограничена в соответствии с противопожарными нормами. При совмещении общезаводских и цеховых складов они должны работать по такому же режиму, что и цехи. Это позволяет сократить количество работающих, по-Ьольку в свободное от погрузочно-разгрузочных работ время обслуживающий персонал склада может быть использован на опре-лсленных операциях в основном производстве.
РАСФАСОВКА И ОТПРАВКА ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ
Все вопросы, связанные с упаковкой продукции, изготовлением тлры и ее транспортированием, разрабатываются технологом в техническом проекте. В современных проектах нельзя ограничиваться । < шками на технические условия и стандарты на тару и упаковку.
Схемы упаковки готовой продукции должны по возможности •б» < почивать ее прямую доставку к месту потребления без допол-HiiHvibiibix операций. Массовые грузы, отправляемые в цистернах, •«гонах, контейнерах, следует затаривать так, чтобы потребитель М<>Г принять их в склады «с колес» имеющимися механизмами.
Для облегчения учета поступающих и отправляемых грузов и Прощения расчетов с их поставщиками и потребителями однотип-• м< штучные грузы должны, как правило, быть одинакового веса; «онцептрация основного вещества в однотипных сыпучих материа--о или жидкостях также должна быть одинакова.' Продукты, «имепяемые потребителями в небольших количествах (например, чнкаты для сельского хозяйства, красители для текстильных ма-(ЧЛ1ов, добавки к резиновым смесям, кинофотоматериалы » ). следует упаковывать в мелкую прочную тару, на которую
н|«' г четкий трафарет, и снабжать инструкцией о правилах и- । опаппя, а в случае необходимости и приспособлением для
•)А |ггчеппя выгрузки.
< пособы механизации перевозок готовой продукции зависят I । |>ы, в которой она отправляется потребителю.
111
Жидкие продукты, вырабатываемые в больших количествах, отправляются в железнодоржных цистернах; способы их наполне ния и-взвешивания не отличаются от способов приема жидкого сырья. Дополнительной операцией является промывка цистерн во дой и различными растворами, проводимая в специальных обще заводских станциях, обычно сооружаемых по типовым проектам
Штучная тара для жидкостей подразделяется на мелкую тару (до 5—10 л), в которую разливают продукцию, предназначенную для бытовых нужд; среднюю тару (10—50 л), удобную для руч ной переноски одним или двумя рабочими; крупную тару емкостью 200—400 л (бочки) и более (контейнеры). На бочках должны иметься обручи, облегчающие перекатывание бочек вручную, коп тейнеры снабжаются приспособлениями для передвижения их при помощи напольного транспорта и электроталей. Механизмы для разливки жидких продуктов в мелкую тару широко применяются в пищевой, парфюмерной, фармацевтической промышленности, в производстве продуктов так называемой бытовой химии.
Бочки и контейнеры заполняются, как правило, из весовых или более удобных объемных мерников, наполняемых до переливной трубы. Объем жидкости, заполняющей мерник от штуцера опорож нения до низа переливной трубы, должен соответствовать необ ходимой загрузке тары. Для поддержания постоянного (по весу) количества загружаемой жидкости объемные мерники следует устанавливать в закрытом помещении, где колебания температуры незначительны. Уровень перелива жидкости из мерников можно регулировать также в зависимости от температуры.
Весовые мерники устанавливаются на весах и соединяются с коммуникациями гибкими шлангами. Бочки и контейнеры подвозятся и устанавливаются по фронту загрузки авто- или электропогрузчиками и отвозятся ими же на склад или. сразу в вагоны.
Иногда склады, где заполняются крупные контейнеры, вместо напольного транспорта оборудуют мостовыми кранами, кран-бал-ками или монорельсами. Этот способ менее экономичен и может считаться целесообразным только при большом грузообороте (от 30 тыс. т в год и более). Выбор схемы расфасовки жидких веществ в тару средней емкости также зависит от объема грузооборота. При этом не следует забывать, что каждая схема расфасовки, как правило, предназначается для одного вида тары. На станцию розлива тару следует подавать полностью подготовленной: она должна иметь постоянную массу, отклонения которой не превышают допустимые колебания нетто готового продукта, на таре должны иметься наклейки или подписи на днище и боковой поверхности, пробка должна быть закреплена, а в нее заложена прокладка. Если необходимо, в днище предусматривают закрытый карман и закладывают в него инструкцию о правилах применения данного продукта.
Заполнение тары вручную (без применения механизмов) включает следующие операции: установка пустой тары на весы, запол-112
ц< нпс до определенного веса-брутто, завинчивание пробки, снятие •полненного барабана с весов. Чистая тара обычно подается на Склад в поддонах погрузчиками. Эвакуация заполненных барабанов производится на поддонах теми же погрузчиками.
Для облегчения этих операций барабаны могут быть установ-/цпы на рольганг с уклоном до 6% или на толкающий конвейер
' I-,.. . . .
Рис. 24. Установка для заполнения барабанов вязкими продуктами: / — весы; 2—рольганг; 3 — пустой барабан; 4 — заполненный барабан.
tpueuni конструкции. При автоматизированном взвешивании на МГН1Х с контактным устройством кран на линии заполнения за-• |1ыпаегся по достижении заданного веса-брутто.
Па рис. 24 показана установка для заполнения открытых ба-rtiiiion вязкими продуктами. Часто для этой цели в крышке >6,111.1 устраивают обычный лючок. Выпускаемые промышлен- । ю циферблатные весы с дистанционным учетом количества
Л A)’J
113
продуктов и с суммирующим устройством могут быть приспособ лены для автоматизации отвеса жидкостей в барабаны и в бочки
На рис. 25 показан склад, оборудованный рольгангами и элек-тропогрузчиками, на рис. 26 — устройство для наполнения барабанов.
При наливе легковоспламеняющихся жидкостей трубу для заполнения барабанов необходимо опускать до дна (под уровень жидкости). Разрыв струи при наливе ЛВЖ может быть причиной возникновения заряда статического электричества.
Рис. 25. Общий вид механизированного склада.
Опыт показал, что усложнение складских операций (автомати ческое закрывание пробок на барабанах, предварительное взвешивание тары с передачей сигнала устройству для налива, применение конвейеров для передвижения пустой и заполненной тары и т. д.) нецелесообразно при производительности 10—25 тыс. т продукта в год и односменной работе или при 25—50 тыс. т/год и двухсменной работе. Применение полностью автоматизированных складских линий с дистанционным управлением оправдано в тех случаях, когда расфасовываются сильнодействующие ядовитые ве щества, контакт работающих с которыми категорически запрещен
Материал для изготовления тары, трубопроводов, мерников, арматуры должен быть стойким к действию расфасовываемых жидких продуктов и не вызывать их потемнения или изменений других физико-химических свойств.
Твердые продукты органического синтеза, как правило, упаковывают в тару. В виде сравнительно редких исключений такие
114
Ир щукты перевозят в суспендированном состоянии или отправ-лпог в пневмоцистернах. Применяемые в промышленности органические продукты упаковывают в многослойные крафтцеллюлоз-111.11' или резиновые мешки, в деревянные сухотарные бочки или фанерные барабаны, в которые вставляют полиэтиленовые или бу-Кмжпые мешки, или в пластмассовые барабаны. Емкость барабанов, инков и бочек не должна превышать 100 л (специальные контей-| ры имеют емкость до 1000 л и более), чтобы их могли передними. вручную один или два рабочих (масса заполненных контейне-
Рис. 26. Устройство для заполнения барабанов жидкостью: J —пустая тара; 2 —весы; 3 —поддон; 4 — механизм для заполнения барабанов.
|»<н рассчитана на грузоподъемность напольного транспорта). Для у |<>бстпа погрузки в железнодорожные вагоны затаренные грузы &> лдывают или устанавливают на поддоны, которые подхваты-. л транспортируют и поднимают погрузчики. Схемы транспор-[tllpon шия твердых продуктов в принципе не отличаются от ранее ни анпых. Сухие продукты органического синтеза расфасовы-я непосредственно в производственных цехах или в цеховых и । । ;i> Транспортирование псрасфасованных порошкообразных » ц hi па заводские склады связано с большими трудностями, Ч» транспортировка жидкостей. Наименее трудоемка погрузка гони и продукции из цехов или цеховых складов непосредственно • I» КН1Ы.
Сухие продукты должны быть подготовлены к расфасовке. Их )ст превратить в мелкий порошок, гранулы или чешуйки.
115
Мелкие порошки получаются в результате размола, гранулирование является довольно сложным технологическим процессом, чешуйки получают при срезании застывшего продукта (из расплава) с по верхности охлаждаемого барабана 8 или транспортера. Выпускные формы твердых продуктов обязательно согласовываются с их потребителями.
Так, большинство потребителей отказывается принимать нафталин в виде застывших чушек. При расплавлении или дроблении чушек они пылят, при этом часть нафталина возгоняется. Заводы резиновых изделий настаивают на по ставке гранулированных химикатов-добавок, которые не измельчаются при загрузке и обработке их в аппаратах. Производители волокна лавсан предпочп тают получать исходное сырье — диметилтерефталат в виде порошка, пригод кого для передачи его пневмотранспортом. Продукты в виде застывших плавов потребители принимают лишь в тех случаях, когда они расплавляются при низкой температуре (фенол, динитробензол, дннитрохлорбензол и т. д.).
Некоторые готовые продукты (химикаты для сельского хозяйства, красители и др.) должны быть смешаны с инертными наполнителями (тальк, поваренная соль, сульфат натрия и др.) или с поверхностно-активными веществами. Операции смешения прово дятся как в цехах, изготовляющих основные вещества (действующее начало), так и в специальных цехах, в которых для разных смесей можно устанавливать аппараты одинакового назначения (приготовление смесей и дустов здесь не рассматривается) .
Расфасовка любых сухих продуктов сопровождается пыле нием. Поскольку многие продукты органического синтеза в той или иной степени вредны, местный вентиляционный отсос воздуха от расфасовочных агрегатов относится к технологическим операциям Для устройства местных отсосов на барабан надевают кожух с присоединенными к нему вентиляционными патрубками или помещают весы и барабан (или мешок) в специальную вентилируемую кабину. В обоих случаях из отходящего воздуха необходимо улавливать пыль фасуемого продукта. Промышленность изготов ляет также непылящие формы порошков путем их опрыскивания специальным смачивателем.
Барабаны и мешки заполняют при помощи тарельчатых, секторных и шнековых питателей. Отвешивание нужной порции продукта производится на обычных весах или на весах, снабженных контактным устройством, выключающим привод питателя по достижении заданной массы порошка.
Поскольку годовая производительность заводов органического синтеза, выпускающих сухие продукты, во много раз меньше, например, производительности заводов минеральных удобрений, можно ограничиться таким же уровнем механизации складских операций, которая описана выше (рольганги или толкающие коп вейеры, напольный транспорт в комплексе с поддонами и конвейерами). Усложнение схемы расфасовки путем использования штабелеукладчиков, мостовых кранов силосных башен, систем
116
ситочных и скребковых конвейеров, элеваторов при переработке менее 40 тыс. т продуктов в год должно иметь экономическое обос-II HI.THJIC.
В отличие от приспособлений для дозирования жидкостей в 1 1|>у возможность применения подобных устройств для дозирования сухих продуктов подлежит экспериментальной проверке. Физические свойства гранул, порошков и чешуек могут затруднить их дозировку или вызвать ухудшение качеств продукта (например, раздавливание гранул).
27. Мягкие контейнеры грузоподъемностью 5 т для перевозки порошкообразных продуктов:
। -.диЛ иид; / — загрузочный люк; 2 — верхняя металлическая скоба; 3 — крепление троссо-р* гижск; 4 — трос сои ь(е растяжки; 5— оболочка; 6— иижняя скоба; 7 — тканевая лента;
8— штуцера; 9 — выгрузочный люк; 10 — крышка;
«•M.i «огрузки; / —электро тельфер; 2 — монорельс; 3 — вибропитатель; 4— весы; 5 —контейнеры; 6 — загрузочный бункер. «
Удобной тарой для перевозки твердых продуктов являются гкне складывающиеся контейнеры. Установлено, что стоимость । t мкН I т порошка (например, кальцинированной соды) сила пинающихся контейнерах на расстояния от 50 до 1800 км папе стоимости перевозки сыпучих продуктов в бумажной таре. । мость перевозки в псскладывающихся жестких контейнерах (<> I |>имер, в ппсвмоцистерпах) меньше, чем в бумажных мешках, •«< II к<> при расстояниях 300 км и более. Экономичный радиус пе-ъ лнок тердых продуктов в складывающихся металлических liiiiH'iHiepax — 700 км п более. Мягкие контейнеры пригодны для bpi’iioiKii порошкообразных веществ, например капролактама. II имуществом мягких резиновых контейнеров является их водо-Ки|1(И1|Щ<чем(>сть. При перевозке мягкие пустые контейнеры скла-иогси (не приходится «транспортировать воздух»).
117
Мягкие контейнеры и схема их загрузки показаны на рис. 27. Оболочка контейнеров выполняется из капрона или резины, стой кой к воздействию атмосферы и температуры в пределах от +80 до —40° С.
Контейнеры подаются под погрузку автомашинами либо железнодорожным транспортом (при массовой отгрузке). При по мощи электротсльфтера / (см. рис. 27,6) мягкий контейнер снимается с платформы и по монорельсу 2 подается под загрузочный бункер 6, куда порошок вводится вибропитателем 3, и отсюда поступает в мягкий контейнер 5. Загружаемый контейнер должен находиться в подвешенном состоянии, для чего в месте его загрузки на монорельсе закрепляется специальный захват с весами 4. По заполнении контейнера его загрузочный люк закрывают и пломбируют. Далее заполненный контейнер подается по монорельсу и устанавливается на платформе железнодорожного вагона.
Мягкие контейнеры для перевозки жидкостей выполняются из одно- или двухслойной резины с нейлоновой оболочкой. Масса пустого контейнера емкостью 37,8 м3 составляет около 260 кГ.
Выпускают также прямоугольные складывающиеся контейнеры, изготовляемые из фанерных, пластмассовых, стальных планок, соединенных мягкой лентой. В сложенном виде они занимают !/ю своего объема. Известны складывающиеся контейнеры (из легкого сплава) размерами от 0,61X0,31X0,31 до 1,27X0,61X0,61 м, при складывании они занимают 2/10 своего объема. Выпущен складной прямоугольный контейнер емкостью 18,4 м3 (грузоподъемность 5 т), его масса 1,36 т. В сложенном виде он занимает ‘А своего объема.
Складывающиеся контейнеры описаны здесь более или менее подробно в связи с тем, что от проектировщиков-технологов во многом зависит их широкое внедрение в промышленность органического синтеза.
При выборе способа механизации транспортирования сырья, промежуточных и готовых продуктов следует учитывать, что наиболее эффективна комплексная механизация, охватывающая как транспортирование поступающих материалов от выгрузки их из вагонов, цистерн, автомашин до подачи в аппараты, так и транспортирование готовых продуктов, начиная с выгрузки их из аппаратов и кончая погрузкой в подвижной состав.
Сложные, полностью механизированные и автоматизированные индивидуальные схемы, оснащенные дорогостоящими механизмами, экономически оправданы только при устойчивом поступлении и отправлении массовых грузов (более 40 тыс. т)год по каждому виду груза). При малых грузооборотах целесообразны схемы с использованием напольного транспорта, снабженного навесными приспособлениями. Благодаря широкому ассортименту таких на-
118
вольных машин их можно использовать в разнообразных операциях, в том числе внутри вагонов, складов, цехов. Весьма эффективны контейнерные перевозки химической продукции. В контейнерах и бидонах можно перевозить жидкости, расплавы, насыпные и тарные грузы.
Твердое сырье и готовая продукция должны выпускаться в формах, удобных для механизации погрузочно-разгрузочных работ (в иде гранул, чешуек, порошка). При этом следует учитывать специфические требования потребителей к выпускным формам продукции.
ГЛАВАе
ВЫБОР ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
При расчете химических реакторов проектировщик должен в первую очередь определить производительность, количество и тип устанавливаемых аппаратов. Остальное оборудование, входящее в схему, должно обеспечить бесперебойную работу основного аппарата — химического реактора. В этом расчете, как и во всем процессе проектирования, используется «обратная связь», сигнализирующая проектировщику о конструктивных или экономических затруднениях при выборе того или иного вспомогательного оборудования для принятой производительности основного реактора. Поэтому иногда приходится вводить коррективы в расчет самого химического реактора, соответствующие полученной информации.
Несмотря на то что химические реакторы являются основными технологическими аппаратами, до настоящего времени не разработана общая теория их расчета. До 20-х годов текущего столетия все вопросы химической технологии (включая известные к тому времени методы расчета основных и вспомогательных аппаратов) рассматривались для каждого производства в отдельности. С развитием химической промышленности потребовалась общая теория, позволяющая классифицировать и рассчитывать химическое оборудование, пригодное для ряда производств.
Был предложен ряд общих методов, позволяющих применять для расчета дифференциальные и критериальные уравнения Это дает возможность технологу-проектировщику рассчитать и правильно выбрать машины и аппараты, используя минимальный объем экспериментальных данных 23“25.
Мы не ставим себе целью дать новое предложение по теории и методам расчета химических реакторов. Вопрос о расчете химических реакторов, их выборе и конструировании в настоящей мо нографпн будет рассмотрен лишь частично, в объеме, минимально необходимом технологу-проектировщику производств органического синтеза.
Химические реакторы/ как показывает их название, предназначены для проведения химических реакций. Реакции возникают при столкновении молекул реагирующих веществ; скорость реакции пропорциональна числу столкновений, которое зависит от количества молекул в замкнутом объеме реактора и от величины их кинетической энергии. Скорость реакции можно увеличить, повысив температуру и концентрацию реагирующих веществ (повышением
120
давления для реакций, протекающих в газовой фазе, снижением содержания инертных примесей в реакционной массе и др.).
Процессы, происходящие в промышленных химических реакто-p.ix, подчиняются законам «макрокинетики». В реакторе вступают по нлапмодействие большие массы веществ, которые даже при условии полной их взаимной растворимости необходимо смешать и шерсть до температуры, обеспечивающей приемлемую для про-ши пиленного процесса скорость химической реакции.
Большинство химических реакций в промышленности органи-•I* кого синтеза осуществляется в гетерогенной среде. При этом (•обходимо обеспечить массообмен между фазами в течение всего роцгега, что достигается перемешиванием, эмульгированием, со-в ншем развитой поверхности твердых тел, участвующих в реакции, псевдоожижением порошкообразных материалов и дисперги-Kn.iiincM их для образования аэрозолей, применением специаль-П х насадок, па которых протекают тонкие слои жидкостей В 6o.ii.inoi! поверхностью, п другими способами.
lio.ibiiiiHiciiio химических процессов протекает с выделением • in tioi loiiH'inicM leii.ia При этом в отличие от мпкрокппетических pmicccoii 1ЫЖИОС iii.'iHCiiiie iimcci не только тепловой эффект соб- пн । о «ими кой реакции, по и пираты тепла па подогрев и реп гитов вы (слепне и поглощение тепла в процессе iipi-kp Пим пр витон реакции, при кристаллизации и др. Для
I -ни । мнчсской реакции в промышленных реакторах 1то ( । нм непрерывный или периодический подвод или отвод *11 IВ
II химическом реакторе одновременно протекают процессы о и теплообмена н химические реакции, одна из которых — 11ОПП.1Я (приводящая к получению целевого продукта), а осталь-М< побочные. Все эти процессы взаимосвязаны, и совместное Ku лине их математическим уравнением или системой уравнений к ( >лыц11нствс случаев является сложной задачей. Для ее реше-ннн в проектных организациях должны создаваться специальные и , । ил математического моделирования химических процессов25.
инфицированное решение этой задачи с учетом данных кине-ho и и условий регулирования технологического процесса воз-Нкпо только при помощи электронно вычислительной техники и д<. силу лишь инженерам специального профиля.
Математическое моделирование пока используется главным об-!• > м для расчета и проектирования высокопроизводительных аг-р- гов непрерывного действия Следует ожидать, что в дальней-ini м будут расширены области его применения, в том числе оно бу-* использоваться и при проектировании производств органиче-П । । синтеза.
Ио принципу организации технологического процесса химиче-рц реакторы можно подразделить на две группы: периодического I к прерывного действия. Реактор периодического действия обычно веде (являет собой цилиндрический сосуд с теплообменниками и
устройствами для перемешивания реакционной массы, в котором последовательно протекают все операции (стадии) процесса.
В химическом реакторе непрерывного действия, представляющем собой единичный аппарат или каскад аппаратов, все процессы протекают одновременно, но в различных его зонах (секциях, ступенях).
Для проведения газофазных реакций, как правило, применяют реакторы непрерывного действия; для жидкофазных реакций могут применяться реакторы обоих типов. Во втором случае проектировщик-технолог располагает либо регламентами обоих процессов, либо регламентом только периодического процесса. При наличии двух регламентов на стадии технического проекта должен быть выбран режим процесса, если это не было сделано на стадии предпроектной разработки.
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Периодические процессы широко распространены в промышлен ности органического синтеза. Аппараты периодического действия применяют для проведения реакций в гетерогенной среде (несме-шивающиеся жидкости, суспензии и др.); в цехах, вырабатывающих мало- и среднетоннажную продукцию; при создании так называемых совмещенных схем, предназначенных для последовательной наработки разных продуктов, и т. д. Следует подчеркнуть, что распространенное мнение о технической отсталости периодиче-ких процессов и о целесообразности перевода всех периодических процессов на непрерывные столь же ошибочно, как и некоторые другие представления, игнорирующие экономические факторы. По сравнению с непрерывными периодические процессы имеют ряд преимуществ, которые важны для тех отраслей "химической технологии, где применяются эти аппараты. К основным преимуществам их относятся:
1. Простота дозировки исходных реагентов (по весу или заранее отмеренному объему) и выгрузки реакционных масс. Выгрузка может осуществляться через нижние штуцера или трубы для пере давливания после спуска давления газов (если реакция прово дится под давлением) и охлаждения реакционной массы, или ее обезвреживания.
2. Простота аналитического контроля процессов (непрерывного или периодического, с применением или без применения специаль ных приборов) и возможность прекращения дозировки реагентов на время анализа, а также последовательной переработки одной пор ции реакционной массы во всех стадиях производства, что облегчает выявление причин отклонения качества продуктов от нормы и снижения выхода.
3. Необязательность круглосуточной работы реактора.
4. Возможность изменения технологического процесса без ко
122
|>ri!ii(iii реконструкции аппарата, без замены арматуры, насосов, приборов и средств автоматизации.
5. Простота организации периодических установок, что позво-исг ускорить завершение научно-исследовательских и опытных I пбот, быстро освоить новую технологию (что особенно важно при •р.шнзации разнообразных мало- и среднетоннажных произ-во цтв).
Расчет реактора периодического действия начинают с определения допустимого коэффициента масштабирования путем анализа рекомендованного технологического режима. Приведем пример расчета.
Исходные данные. Максимальное количество реакционной массы, подлежа-ИЙ переработке, Vn •= 4000 л/сутки (исходя из расчетной производительности). Кнустимый регламентом коэффициент заполнения аппарата 70%. Среда гомо-huilaii.
Таблица 11. Данные о работе опытного и промышленного реакторов
Стадия Об|.см реакционной МАССЫ В пнпрлтс» А Продол ж ителыгость опернцмн *1 ре окто рс, ч Основной фактор, определяющий продолжительность процесса
опытном промышленном
Осмотр пнпярпта . . Загрузка компонен- — 0,5 0,5 Квалификация аппаратчика и конструкция аппарата
т Л Герметизация аппа- 100 0,5 0,5 Диаметр наполняющего трубопровода и высота напора
prlTU Нагрев компонента 1 с включенным обратным холодильни- 100 0,5 0,75 Тот же, что в п. 1
кпм Добавление компонента Б с включенным обратным холо- 100 1,0 3,0 Интенсивность теплообмена
дилышком 200 2,0 3,0 Интенсивность перемешивания
II ы держка «Вгонка избытка ком- 200 5,0 5,0 Скорость химической реакции
пон< нта Б ...... 150 1,5 4,5 Интенсивность теплообмена
Охлаждение .... У даление реакцион- 150 1,5 4,5 То же Диаметр трубопровода и
ной массы 150 0,5 0,75 конструкция аппарата
Итого . . . — 13 22,5 Квалификация аппаратчика и конструкция аппарата
123
Аппарат, на котором получены параметры технологического режима, представляет собой эмалированный стальной сосуд емкостью 300 л с рубашкой и с пропеллерной мешалкой (скорость вращения 200 об!мин).
Технологические режимы опытного и промышленного реакторов приведены в табл. 11.
Чтобы в производственных условиях ограничиться установкой одного аппа рата, следует принять коэффициент масштабирования К — 20. Тогда объем про мышленного аппарата будет равен 6000 л. От квалификации аппаратчика и конструкции аппарата зависят 1-я, 3-я и 9-я стадии процесса. Считая, что они такие же, как на опытной установке, принимаем, что продолжительность 1-й стадии в промышленном реакторе остается без изменения (0,5 ч), а продолжительность 3-й и 9-й стадий увеличивается до 0,75 ч Это вытекает из опыта заводов, использующих аппараты емкостью 6000 л (увеличение размеров аппарата, как правило, приводит к увеличению затрат труда на его герметизацию и удалении из него реакционной массы). Продолжительность 2-й стадии может быть рас считана по скорости истечения жидкости из трубы принятого диаметра. Принп маем ее равной 0,5 ч. Продолжительность 4-й, 7-й и 8-й стадий в аппарате та кой же конструкции должна быть увеличена пропорционально отношению объема реакционной массы к поверхности теплопередачи. Суммарная продолжительность этих стадий возрастает с 4 до 12 ч. Продолжительность выдержки (6-я стадия) остается неизменной. Таким образом, общая расчетная продолжительность про цесса составляет 22,5 ч вместо 13 ч по опытному регламенту.
В некоторых случаях емкость реактора периодического дейст вия ограничивается возможностями машиностроительных заводов. При этом проектировщики вынуждены принимать к установке нс сколько параллельно действующих агрегатов.. Иногда максималь пая емкость аппарата ограничена условиями техники безопас ности. Так, в производстве диапизидина максимальную емкосп аппарата для восстановления о-нитроанизола принимают равной 2000 л во избежание возникновения в реакторе цепной экзотермической реакции при накоплении в реакционной массе непрореагировавшей цинковой пыли (восстановитель).
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Показатели эффективности реакторов 26
Геометрические размеры химических реакторов непрерывного и периодического действия и интенсивность протекающих в них процессов определяются удерживающей способностью аппа рата * V,
Для реакторов непрерывного действия
н
Гн— Q (kit, + k2ti + ... + kntn) — Q У kt (1)
i
Для реакторов периодического действия
Гп = Q^max (й + t% + ... + tn) = Q&max У t (2)
1
где V„ и Vn — удерживающая . способность агрегата соответственно непрерывного и периодического действия, Л13;
* Этим термином, заимствованным у Кемпбелла 19, мы заменили менее точное понятие «полезная емкость».
124
Q— заданная производительность агрегата по готовому продукту (с учетом простоев на ремонт, технический осмотр и т. д.), м3/ч или кг/ч-,
k — объемный коэффициент, м3 реакционной массы на I л:3 (I кг) готового продукта;
t — необходимое время пребывания реакционной массы в аппарате (секции), ч;
п— число аппаратов;
/г|пах ~ максимальный коэффициент заполнения аппарата в течение процесса.
Количество аппаратов, которые необходимо установить для сспсчения заданной производительности:
V
п=у- (3)
— удерживающая способность, определяемая по уравнениям (1) и (2);
Ио — максимально возможная удерживающая способность одного аппарата (с учетом степени его заполнения), м3.
Величина Vo зависит от допустимого коэффициента масштаби-р папия и от возможностей заводов химического машиностроения (пода относятся и допустимые габариты аппаратов, перевозимых ц<> железным и автомобильным дорогам общего назначения, воз-kt кпый вес отливок — стальной или чугунной, условия их обра-1кп, габариты перемешивающих устройств, обеспечивающие их Вгтойчнвость, и т. п.).
Эффективность химических реакторов непрерывного действия и» (равнению с периодически действующими аппаратами опреде->||<*тся степенью интенсификации процесса / и отношением I коли-W гпа пп аппаратов периодического действия к количеству пн за- 1ПШИХ их аппаратов непрерывного действия:
(5)
Рассчитаем эти показатели эффективности реактора непрерыв-г И'йствия на примере процессов хлорирования и сульфирова-1« бензола 5 * 7’8-27
Пгриодическое хлорирование бензола проводилось в чугунном хлораторе ллж/ыющпмн элементами: Vo = 7 м3. При Q — 2000 кг/ч хлорбензола, » 1Х)| м31кг I 27 = 14 ч
Vn = 2000 • 0,004 • 14= 112 л?
ип= 112:7=16
Дан непрерывного хлорирования бензола применяют стальную колонну, фу-ft । и> кислотоупорными плитками с насадкой (керамические и стальные М 11 условиях непрерывного процесса реакционная масса представляет Ш г«»о и»ро жидкостную эмульсию кажущейся плотностью 200—300 кг)м3. • м-1|г|ыпним хлорировании степень конверсии бензола в хлорбензол сни-
125
ждется; поэтому объемный коэффициент k увеличивается с 0,004 м3/кг (для периодического процесса) до 0,014 м3/кг-, St — 0,06 ч. В этих условиях Ув = 2000 X Х0.014 X 0,06 = 1,68 м3 и nH = 1.
Следовательно, j = 112 : 1,68 ~ 66,5 и I = 16: 1 = 16.
Снижение стоимости строительства цеха хлорбензола при замене реакторон периодического действия непрерывными составило примерно 70%, эксплуатацпон ные расходы снизились более чем на 10%.
Периодическое сульфирование бензола в парах вели в чугунных сульфура торах без мешалок с паровой рубашкой и барботером; Vo — 8 м3, 2/ = 14 ч. При Q = 2000 кг/ч и k = 0,0022 м3/кг
1% = 2000 • 0,0022 • 14 = 61,6 м3
пп — 61,6 : 8 « 8
При Q = 1000 кг/ч имеем: Уп = 30,8 м3 и ип = 4.
Непрерывное сульфирование бензола по одному из применяемых способов осуществляется в каскаде из четырех чугунных аппаратов с рубашками, барботе рами и мешалками. Реакционная масса последовательно перетекает из аппарата в аппарат, а пары бензола параллельно подаются в каждый из них. В таком агрегате 6 = t2 = /3 = t4 = 1,2 ч (2/ = 4,8 ч); величина k для каждого сульфу ратора имеет следующие значения:
= 0,0018; k2 = 0,0020; k3 = 0,0021; k4 = 0,0022 м3/кг
При производительности Q = 2000 кг/ч
Ун = 2000 • 1,2 (0,0018 + 0,0020 + 0,0021 + 0,0022) = 19,45 ~ 20 м3
При Q = 1000 кг/ч величина Ун ~ 10 м3. Количество аппаратов пя в обоих случаях равно 4, изменяется лишь емкость каждого аппарата.
Для обоих значений Q степень интенсификации процесса / = 3. При Q = 2000 кг/ч величина I = 2, при Q = 1000 кг/ч 1=1.
Анализ проектных данных показал, что при Q = 2000 кг/ч достигается не большая экономия капитальных затрат (порядка 10%), при Q = 1000 кг/ч эко номия отсутствует. Эксплуатационные расходы примерно соответствуют расходам в периодическом процессе. Емкость сульфураторов непрерывного действия в три раза меньше, чем периодических, но конструкция их сложнее, а изготовление дороже.
Непрерывные процессы в промышленности органического синтеза характеризуются степенью интенсификации / = 4 — 70 и отно шением 1 = 5— 50. Эти величины могут быть определены непосредственно после лабораторного исследования непрерывного процесса и служат критерием целесообразности дальнейших экспериментов. Их важно выявить на стадии предпроектной разработки.
Важным показателем эффективности реакторов непрерывного действия является также выход готового продукта (в % от теоретического). Он зависит от принятого технологического режима и от частоты и амплитуды возмущений (отклонений от оптимального режима), практически неизбежных в производственных условиях.
В автоматически управляемом непрерывном процессе при прочих равных условиях количество возмущений минимально, что способствует повышению выхода продукта (обычно па 1—2 % и больше) 27. Однако, если готовый продукт может вступать в химическое взаимодействие с исходными веществами (как, например, при сульфировании и хлорировании бензола), выход при непрерывном процессе снижается. Это происходит в тех случаях, когда в реакторе
126
IM продукты могут смешиваться с исходными реагентами. Для процессов эффективны такие реакторы, в которых наряду •< ркнм । / и I обеспечивается минимальное снижение выхода го-| продукта но сравнению с достигнутым при периодическом «тс-’ Иногда сокращение времени пребывания реагентов в ап-непрерывного действия (по сравнению с периодическим) ц цб< niyer повышению выхода более чем на 1—2%.
Классификация реакторов
IlniciicHBHoeib протекающего в реакторе процесса обратно про-iiiioiiajibna его продолжительности. В любом реакторе одновре-пп> происходи г несколько процессов: смешение реагентов (мас-г.мсп), химические реакции (основные и побочные), теплообмен, хочпмое время т пребывания реакционной массы в аппарате | (еляегся скоростью наиболее медленно протекающего процесса. В чависпмосги от характера процесса, обусловливающего вели-> г, химические реакторы непрерывного действия целесообразно |> и гелии, па три следующие группы:
Ргпкюры, ра <меры которых определяются продолжительны»» iipoiieccoii мпссообмена (продолжительность химических pein । iiniup.iг.IX обычно не превышает нескольких секунд). Таким процессам ошосятся все ионные реакции (нейтрализация, к »б| i.ioibiiine и т. д.). Тепловой режим работы реакторов этой ппы приближается к адиабатическому. При экзотермических •iiecc.ix тепло реакции расходуется на подогрев реакционной си и па испарение компонентов, взятых в избытке (так, при рпроваппп бензола испаряется бензол, при нейтрализации бен-Ч)льфокпелоты испаряется вода и т. д.).
’ Реакторы, размеры которых определяются продолжительно-р процессов теплообмена. В этих аппаратах проводят быстро гсклющпе химические реакции с подводом тепла (или с отво-пыделяющегося тепла) при помощи теплоносителя, отделенного опроводпой стенкой от реакционной массы. К таким процес-можно отнести гидрирование нитробензола, сульфирование ал-•пполов олеумом и др.
Реакторы, размеры которых определяются продолжительно-) протекающих в них химических реакций.
ы конструкции аппарата также может зависеть отнесение ре-opj к той или иной группе.
1< приведенном выше расчете величин j и I для сульфирования тола общая продолжительность пребывания реакционной массы Bl pel аге непрерывного действия составляла 4,8 ч. При увеличе-.1 поверхности фазового контакта между парами бензола и сер-п кислотой время пребывания может быть снижено более чем
। раза. Следовательно, данный агрегат относится к первой Kliv реакторов, несмотря на большую продолжительность химией реакции в нем (более 1 ч). При замене реактора емкостного
127
типа тарельчатой колонной массообмен можно ускорить в такой степени, что скорость процесса будет определяться скоростью хи мпческой реакции. В данном случае сульфуратор надо будет о гиг сти к третьей группе реакторов. При этом / увеличится с 3 до 9. п процесс окажется еще более эффективным. Такого же результат можно достигнуть при интенсивном перемешивании реакционной массы в аппаратах емкостного типа.
Лабораторные исследования процесса нитрования бензола в ап парате диаметром 65 мм и высотой 290 мм показали, что с увели чением скорости вращения мешалки с 500 до 1500 об/мин скорое п. нитрования возросла примерно в 20 раз, но дальнейшее увеличенш числа оборотов не влияло на скорость процесса. Следователь!н>, при скорости вращения мешалки 500—1500 об!мин реактор отпо сится к первой группе, а при 1500 об/мин и более — к третьей.
Реакторы первой группы
Реакторы смешения. Для ведения процессов в ходе которых продукты реакции не вступают в химическое взаимодействие с исходными веществами, в качестве реакторов первой группы применяют обычные смесители емкостного типа (сосуды с мешалками). Одной из основных характеристик таких реакторов является их удерживающая способность. Она зависит от способа управления процессом (автоматическое или ручное) и допустимых пределен отклонения качества продукта от установленных норм.
Абсолютную величину VH (в ju3) можно рассчитать по ураппе нию Кемпбелла 19 для определения размеров смесителей при при моугольном импульсе возмущения:
Р max uQ ,
пг~=тг
(Уп-»0 При а->0, Ь->0 И Рщах-*00)
где PmaJb — отношение допустимого отклонения показателя каче ства продукта к максимально возможному при возму щении;
а — продолжительность возмущения, ч;
Q — производительность реактора, мР/ч.
Ртах и Ь могут быть выражены в любых, но одинаковых единицах измерения.
Определим Vn аппарата для нейтрализации бензолсульфокислоты раство ром сульфита натрия8 при Q = 3 мР/ч. В нейтрализатор одновременно подави лись 25 31 %-iibiii раствор NazSO3 и бензолсульфокислота концентрацией 89 91%. Предположим, что процесс стабилизируется при нейтрализации 90%-пой бензолсульфокнслоты 31%-ным раствором сульфита натрия. В этом случае кпе лотпость раствора готового продукта составит 0,2% (максимально допустимая кислотность 0,5%). При допускаемых по регламенту колебаниях концентрации раствора NazSOa (в пределах 25—31%) возможно возмущение, в результат которого содержание Na2SO3 в растворе снизится до 25%. Продолжительное и. возмущения зависит от принятого способа управления, метода контроля и час
128
I «н кино Примем, что при ручном управлении и анализе с помощью И! ри<>й бумажки через каждые 10 мин продолжительность возмущения ч I Вменение кислотности реакционной массы при понижении концентра-tnop» с 31 до 25% Na2SO3 равно 0.5%. при этом амплитуда b состав-1 Uru
Ртах 0,5-0,2
7 - 0.04
b
К
- 22 м: 0,04 22
сужекия допустимых пределов колебания кончен грации раствора 25 31 до 29 31% величина b снизилась до 2,0, а отношение | уисприелось при этом до 0,15. С введением непрерывного авгоматиче-Ьороля сосгппл реакционной массы по показаниям pH-метра а сократи-I 2 3 мин. В результате удерживающая способность VH снизилась более В р.>.|.
целевпый расчет удовлетворительно объясняет затруднения, возникшие небольшого но объему неппэалн ш гора бензолсульфокнслоты без ав-Mtlin кон (роля процесса". В сборник готового продукта систематически |1ск<1||диц||(Н1|1ЫЙ раствор бензолсульфоп.тга, состав которого приходи-Ьиолпчсскн регулнрошит. с большими потерями SO2. После установки рок i.Tii nxinii in pciiMiiioiliioА массы я более пятого приготовления сус-
>, |>м|м натрии процесс 11гАт|111.т111.1Н11н в указанном реакторе был
п*<«* и и iniincM расчет20, величины a, b и Рн снижаются fei I or p)'iii<»ro контроля к автоматическому. Еще больше 1 спи i I при комплексной автоматизации реакторов. Расчет ю niin.ip.iion ге.хнологн должны выполнять совместно со специ-мн но контрольно-измерительным приборам и средствам ав-kiiiiiiiH, поскольку 1/,( прямо зависит от характеристики при-IB и tipnioiюн схемы автоматизации процесса.
feiHMciieinie центробежных смесителей, обладающих минимально «можно только в автоматизированных процессах (при Г1Н тем значении произведения ab) или в тех случаях, когда л.•(Менгу допустимы большие отклонения показателей каче-DKiiiioiiHon массы от средних норм (например, содержание и и te после нейтрализации реакционной массы, вытекаю-хлор.пора; содержание щелочи после нейтрализации сточ-
>r.ikiopi.! вытеснения. Реакторы смешения первой группы не нюня в процессах, при протекании которых образующийся пт может вступать по взаимодействие с исходными вещест- «1Т< вызывает значительное понижение выхода основного Hi л Такие процессы проводятся в реакторах вытеснения. Вы-иИ’ и н> продукта при осуществлении этих процессов в реак-I mi шения и вытеснения может быть определен по уравне-Ниедсииым Корриганом и Маккета28 для консекутивных следующего типа:
A +В —> Ji
bn
A + R — ->M
129
где А и В — исходные вещества;
и k2— константы скорости реакции;
R — готовый продукт;
М — побочный продукт.
Для реакторов полного вытеснения
Cr-Cr
Р __ о____а
1-/<
Для реакторов полного смешения
св-с2в R CB + k(l-CB)
(7)
(Ь)
где CR — содержание готового продукта в реакционной массе, мол. доля;
Св — то же, реагента В, мол. доля;
k = k%!k\.
Одним из процессов, проводимых в реакторах данного типа, является сы дня хлорирования бензола в производстве хлорбензола7. Вещество А в этом процессе — хлор, В — бензол, R — хлорбензол (ХБ), М — дихлорбензол (ДХБ) При Св = 0,7 и £ = 0,118 величина Си в реакторах полного смешения равна но расчету 0,280, а в реакторах полного вытеснения 0,293, что отвечает мольным отношениям ХБ: ДХБ соответственно 14 и 42 и выходам хлорбензола 93,5 и 97,5% от теоретического. Результаты расчетов достаточно хорошо совпадаю! с экспериментальными данными. В аналогичных условиях в реакторе периодич» ского действия мольное отношение ХБ : ДХБ было близко к 40.
На рис. 28 изображена зависимость отношения концентраций ХБ : ДХБ (Сд : См) от концентрации бензола Св в реакторах пол него вытеснения и полного смешения. Значения CR: См в аппаратах промежуточного (смешанного) типа находятся в заштрихован ной области диаграммы.
В хлораторе бензола кроме образования ХБ и ДХБ происходя г: растворение FeCU и хлора в бензоле, испарение бензола (вследствие выделения реакционного тепла), десорбция HCI, взаимодей ствие хлора с железом с образованием FeCU. Большинство этих процессов массообменные; для их ускорения в реакторе должны возможно тщательнее смешиваться газ с жидкостью и осущсст вляться интенсивный контакт газо-жидкостной эмульсии с железом
Наиболее производительным аппаратом для хлорирования бен зола в этих условиях оказалась колонна с насадкой (стальныенм рамические кольца), работающая в режиме эмульгирования. Экс периментально было показано, что при скорости газа 0,35 0,45 м!сек на входе в колонну продольное перемешивание практп чески отсутствует. Мольное отношение ХБ : ДХБ устанавливается на таком же уровне, как в периодическом процессе (около 40), и примерно в два раза больше, чем в агрегате, состоящем из пягп последовательно соединенных реакторов смешения. При снижении
130
• , > раза скорости хлоргаза па входе в колонну отношение Д\Г> уменьшается до 20—25. Следовательно, колонный реактор Кктнчески является реактором полного вытеснения только в ре-Квмс эмульгирования. При работе в этом режиме плотность газо-||<> жп Uiocnioii эмульсии рэ, вытекающей из хлоратора, значи-Мы«> меньше плотности газо-жидкостной эмульсии рг на входе Блор.ыор (несмотря на увеличение плотности жидкой фазы рн( Г Мере образования хлорбензола); это исключает возможность Мольного перемешивания. Величина ря (в кг/л3) может быть шделгна ио уравнению Кафарова24 для расчета колонн с затоп-
Кной n.ica дкой:
Рэ -Щ = 0 43 /_L \0.325 /_рЦО. 18 \0,0362
Рж Рг * \ О / \ Рж / \ Рт /
(9)
/ </
тотность соответственно жидкости и газа, кг/м\ отношение масс жидкости и газа;
|, — вязкость соответственно жидкости и газа, спз.
!1<. расчету величина рэ на входе в Каюр равна 300 кг/л3, па выходе Кю 200 кг/л3. По уравнению (9) I раекча абсорбционных колонн Мн определена также скорость газа Бхфде в реактор, при которой со-<< я режим эмульгирования29:
, 1 „ \0,25
I Li рг \
= (,о>
U1,, скорость газа на входе в реактор, м/сек-,
Id - удельная поверхность насадки, л2/л3;
< V корение силы тяжести (9,81 л/сек2);
Рис. 28. Зависимость отношения концентраций хлорбензола CR и дихлорбензола СЛ[ в реакционной массе от содержания в ней бензола С-D
1 — в реакторах полного вытеснения; 2—в реакторах полного смешения.
/ свободное сечение насадки, л2/л2;
Л коэффициент, зависящий от насадки.
п.ные обозначения те же, что в уравнении (9).
Мечете приняты параметры такого же хлоратора, в каком
J получены приведенные выше экспериментальные данные L I »'•).
рост Wo получилась равной 0,41 м/сек, что хорошо совпа-г (пернментальными данными (0,35—0,45 м/сек). Высота реке (в л), обеспечивающая практически полную конверсию В. численно должна быть равна lOFx (где Fx— площадь сече-Lop.iropa, л2), что соответствует 3—4-минутному пребыванию Ml in и реакционной зоне7.
131
Реакторы второй группы
Процессы, протекающие в реакторах второй группы, отличаются от рассмотренных тем, что они проводятся в режиме, близком к изотермическому. Скорость химических реакций в аппаратах обеих групп достаточно велика и не определяет величины Ун.
К процессам данного типа относятся: гидрирование нитробеп зола в присутствии твердого катализатора9, контактное окисление паров нафталина или о-ксилола воздухом до фталевого ангидри да30, сульфирование алкилбензолов олеумом8 и др. Как известно, количество тепла Q (в ккал), передаваемого от теплоносителя реагентам (или от реагентов теплоносителю) через стенку реактора толщиной 6 (в л) и поверхностью S (в л2) за время t (в ч), равно
Q = KkTtS (11)
/< = -i--1---г (12)
---F -г- Ч- Q| Л Ct2
где /< —коэффициент теплопередачи, ккал! (м2 • ч-град);
ЛГ —разность температур реакционной массы и теплоносителя; щ и а2 — коэффициенты теплоотдачи пленок реакционной массы п теплоносителя, ккалЦм2 • ч • град);
X — коэффициент теплопроводности стенки аппарата, ккал! (м2 • ч•град).
Если стенка аппарата выполнена из теплопроводного материа ла (металл, импрегнированный графит и др.), величиной б/Л можно пренебречь. Так, при нагревании воды конденсирующимся водяным паром через стальную стенку толщиной 5 мм эта величина составляет всего 2% от суммы (1/oci + 1/сс2)-
Отношение поверхности теплообмена S (в м2) к объему аппа рата У„ (в м3) характеризует эффективность реактора второй группы. В промышленности в качестве таких реакторов применяют контактные аппараты (типа трубчатых теплообменников) в производстве анилина9, алкилированных аминов, фталевого ангидрида30, а также сульфураторы в производстве алкиларилсульфонатов 8. Иногда для увеличения поверхности теплопередачи теплообменники монтируют из трубок с наружными ребрами. Увеличение разности температур ДГ допустимо только в узких пределах. Большое по вышение (или понижение) температуры стенки аппарата, соприкасающейся с реакционной массой, может вызвать возмущения — местные перегревы (или переохлаждения), в результате которых снижается выход готового продукта. Кроме того, при большой разности температур затруднено регулирование процесса в реакторе.
Наименьшее значение а характерно для пленки газа (воздух, топочные газы п т. д.), наибольшее — для пленки конденсирующе гося пара (водяной пар, пары высококипящих органических тепло носителей ВОТ и др ). Для нагревания реакционной массы до вы
132
i« к Miiip.'nyp (250- 350 С) можно применять пары ВОТ низ-। лunДенин, например смеси дифенила и дифенилоксида (т. кип. С), лнголнлметапа (т. кип. 280—290° С), дикумилметана кин 310" С). Для пленки пара ВОТ величина а = If' ) kkui/(m ‘Ч’град), значение же а для топочных газов не KiJiiiacr 12 ккал/(м2-ч-град).
। । н । гоночных газов при обогреве реакторов для щелочного к hi । бенюлсульфопата конденсирующимися парами ВОТ । 11<>1М1>Ж11ос11> сократить продолжительность нагревания реак-•и< I массы, снизить температуру стенок аппарата (что способ-. г шкжг iioiiMiiieiniio выхода продукта) и увеличить отношение . б । при ра гмещсник) внутри реактора теплообменных эле-•mi, <ifl<»i ргн немых ii.ip.iMii ВОТ. Кипящие ВОТ применяют так-к М4« 'ini । реакционной массы, например в процессе кон-к и in iriiiiH нитробензола. Для нагревания и охлаж-и | пых niiiiaparoB в производстве фталевого ангидрида рп< плав солей (40% NaNO2, 7% NaNO3, 53% KNO3;
и 110 ( ).
| HMiith увеличенпя скорости движения теплоносителя па вели-। xopotno ин тио на примере работы спиральных теплообмен-
11 iiiiiih iiMonii от скорости движения в них жидкостей а .«ci । от 170 до 2320 ккал/(м2 ч • град). В нитраторе бензола кн о । охлаждающих устройства — рубашка и змеевик. Об-•j.i |>(|>iiiiiteiir теплопередачи от воды к реакционной массе л нижи равен 118 ккал/(м2 • ч-град), для змеевика — к» 11 ( и» • ч • град), поскольку скорость движения воды в нем < । и рубашке, как и скорость реакционной массы в зоне | . (т повышения скорости движения реакционной массы р«м»р । рн сульфировании алкилбензола серной кислотой)8 । . । жидкости возвращают в реактор на рециркуляцию. К' и '•inn м скорости движения газов от 1 до 50 м/сек значение i«. । ip.tcT.ieT с 10—12 до 70—75 ккал/(м2 ч • град).
м< пып нпе продолжительности нагревания t возможно и в ре-
I понижения вязкости реакционной массы, например при ..гш к пей растворителя.
А.л<< эффективный способ интенсификации процесса тепло-III и жидких средах — введение непосредственно в реакцион->гсу теплоносителя (избыток бензола, испаряющийся в хло-5, охлажденная отработанная кислота, нагреваемая в нит-p.t нюрнтель — сернистый ангидрид, испаряющийся всуль-р«-, и др .). В этом случае скорость теплообмена становится I скорости массообмепа, и реакторы, в которых протекают и оцсссы, следует относить не ко второй, а к первой Я» '
Ц и нс тении реакции в газовой фазе применение такого приема пя Cino с большим увеличением объема аппаратуры (наир при введении большого избытка водорода в реакционную
133
смесь, подаваемую в аппарат для гидрирования нитробензола). В этом случае удерживающая способность оказывается меньшей для реактора типа теплообменника, обогреваемого ВОТ9.
Реакторы третьей группы
В реакторах третьей группы обычно проводятся практически необратимые химические реакции второго порядка в жидкой фазе (при постоянном объеме). Степень конверсии, по крайней мере одного реагента, достигает 90—99%. Продолжительность таких процессов в аппаратах периодического действия колеблется от нескольких минут до нескольких часов.
При разработке непрерывных процессов, проводимых в реакторах третьей группы, основной задачей является сокращение продолжительности (/) реакции. Опыт показал, что при —2 ч
весьма трудно сконструировать эффективный реактор с надежной схемой автоматического регулирования.
Уравнение скорости реакции второго порядка, в которой участвуют два компонента — А и В, может быть выражено в следующем виде:
-^- = k(a-x)(b-x) (13)
где k — коэффициент скорости реакции;
(а — х) — концентрация компонента А в конце процесса, моль/л\ (Ь — х) — концентрация компонента В в конце процесса, моль!л\ а, Ь— концентрация компонентов А и В в начале процесса;
х— количество прореагировавшего компонента.
Скорость реакции может быть повышена путем увеличения переменных (а — х) и (Ь— х).
Учитывая, что по крайней мере для одного компонента (А или В) значение х в ряде технологических процессов должно быть близ ко к исходной концентрации этого компонента, произведение (а — х) (Ь — х) можно увеличить за счет повышения начальной концентрации другого компонента. При переводе периодического процесса на непрерывную схему следует проанализировать возможность некоторого уменьшения степени конверсии исходных компонентов. Так, при непрерывном сульфировании бензола остаток серной кислоты в сульфомассе увеличили с 3,5 до 5%, что привело к значительному сокращению продолжительности реакции 8.
Повышение концентрации одного из компонентов при переходе с периодической схемы на непрерывную использовано в процессах аминирования нитрохлорбензолов и антрахинонсульфокислот (увеличен избыток аммиака)9. В процессах нитрования (например, при получении динитробензола, динитрохлорбензола, динитротолуола) стремятся увеличить не только избыток азотной кислоты, но и концентрацию ионов нитрония NOz+ в нитросмеси, используя более концентрированную серную кислоту (вплоть до моногидратд
134
) ь пои II S()4)9. При сульфировании алкилбензолов, например 1> пцлбепзола, серную кислоту заменяют олеумом и даже чистым М1ьм ангидридом, что не только уменьшает количество (оста-) шпрореагировавшей кислоты, но и ускоряет процесс8.
II некоторых процессах стремятся к максимальной степени кр птепия обоих компонентов. В таких случаях применяют двух-шнч.ные реакторы; в первом из них нужная скорость реакции iiiueroi благодаря избытку одного компонента, во втором — Д( nine избытка другого, который возвращают в первый реак-
I пк поступают, например, при нитровании бензола или хлор-
III ппгросмесыо, содержащей HNO3. В первый реактор вводят iiiik плотной кислоты, во второй — избыток бензола (или хлор->а*) Бензол (хлорбензол) с примесью нитробензола (нитро-|Аг1Г1(>ла), образовавшегося во втором реакторе, возвращается грпый реактор9.
I hi ощим из реагентов является газ (например, водород при <> 1'||),ином гидрировании динитротолуола), то увеличению его ih in рации в реакционной массе способствует повышение давле-
liiiriiircvibiioc повышение эффективности каталитических прогон uxTiirncioi подбором более активных катализоторов, за-I .п их от действия контактных ядов (отравления), интенсифи-Н< й теплообмена между зоной катализатора и наружной
К известно, повышение температуры на 10° С увеличивает сы. химической реакции в два и более раза. При переводе nolciua I-аминоантрахинона с периодической на непрерыв-. тему9 температура была повышена с 220—230 до 260— , продолжительность процесса сократилась при этом прн-। и 16 раз. Если повышение температуры ускоряет побочные II больше, чем основную, то для сохранения выхода продукта писи применять такие приемы, как, например, сокращение itiocrii вспомогательных операций (для уменьшения времени > iiii)! реакционной массы при повышенной температуре), 11 йй подогрев. В условиях ступенчатого подогрева процесс и при пониженной температуре. При этом нужная CKO-р.акции обеспечивается благодаря высокой концентрации нх веществ. По мере снижения их концентрации темпера-нопышают; в этот период отношение количества примесей hit гну образующегося в реакционной массе продукта возит абсолютное их количество все же невелико. Такой прием 1мюг при сульфировании нафталина в 1-сульфокислоту, при аипн I-сульфокислоты нафталина, при сульфировании ал-золов, при нитровании хлорбензола и в ряде других реак-П<> всех перечисленных процессах число ступеней подогрева «плпег 2—4.
1 включение мы можем рекомендовать некоторые простые паки, позволяющие отнести реактор к той или иной группе:
135
1 Скорость вращения Мешалки в аппарате периодического действия примерно определяет интенсивность массообмена. Если при увеличении числа оборотов общая продолжительность процесса заметно снижается, реактор можно отнести к первой группе.
2. Если при вводе в реактор одного из компонентов температура реакции значительно отклоняется от допустимой, реактор можно отнести ко второй группе.
3. В аппарате периодического действия скорость химической реакции характеризуется продолжительностью так называемой «выдержки», во время которой реакционная масса выдерживается при необходимой температуре до полного превращения одного из исходных реагентов (или уменьшения его концентрации до заданной). Если при повышении температуры выдержки на 10°С продолжительность ее снижается примерно вдвое, реактор можно отнести к третьей группе.
Удерживающая способность и конструкции реакторов
Необходимость использования реакторов первой и второй групп в качестве аппаратов вытеснения возникает только в тех случаях, когда продукты реакции взаимодействуют с исходными веществами. Реакторы вытеснения, относимые к третьей группе, применяются также для уменьшения их расчетной удерживающей способности Уи, которая является функцией продолжительности реакции t. Для выявления зависимости величины Ун от начальной концентрации исходных веществ С и количества прореагировавшего вещества х за время / можно преобразовать общее уравнение (13) применительно к реакции второго порядка (в постоянном объеме) при эквимолекулярном соотношении реагентов в аппаратах полного смешения и вытеснения. Полученные уравнения имеют следующий вид.
х/(1-х) = С2«в (14)
х!(\-^хУ= Cktc (15)
где k — константа скорости реакции;
/в и tc — продолжительность реакции в аппаратах полного вытес нения и полного смешения.
^сЛв = С/(1-х) (16)
УсЛв-»1 при х->0; /с//в->оо при х->1)
При степени конверсии 99% (х = 0,99) отношение /С/Д = 100, при 90% оно составляет 10, при 80% равно 5, а при 50% снижается до 2. График зависимости tc/tB от степени конверсии х изображен на рис. 29.
Продолжительность процесса нитрования бензола при х = 0,95 в аппаратах полного вытеснения равна 10 сек, а при х — 0,99 достигает 3 мин-, в аппаратах полного смещения (с эквимолекулярным соотношением компонентов) при х = 0,95 она увеличивается до 3—4 мин, а при х — 0,99 возрастает до 5 ч. Продолжительность
136
всего на две ступени. В пер-
Рис. 29. Зависимость отношения tc/tb от степени превращения х при С = 1:
1 — при Сд/С = I; 2 —при С^4/С = 2.
Мнссса можно уменьшить, взяв одни из компонентов в избытке, «к при 2% пом избытке HNO3 и х = 0,99 величина/с = 3 ч. Обыч-1>Г| емкостной пигратор с пропеллерной мешалкой и змеевиком не вМКгТ быть отнесен к аппаратам полного смешения, так как со-реакционной массы в точке ввода компонентов (в нижней ча-
|Н реактора, ближе к мешалке) значительно отличается от состава |»KiliioHiioii массы, вытекающей из верхнего переливного штуцера.
I !Я реакций, которые протекают с большой скоростью (напри-ир. нитрование бензола, толуола или хлорбензола), отношение можно снизить, разделив процесс
В* ступени при х, = 0,9 продолжи-|дыюсть tc = 10 /в, во второй ступени рн л 0,99 и с2 = 0,1 (с2 = й — Xi = • I 0.9) продолжительность /С2 так-if равна 10/в2, т. е. общая продолжи-Mi.iioctb процесса увеличивается в u pin вместо 100 раз при одноступен-м процессе. Таким образом, при Мольшом избытке HNO3 и примене-«м каскада из двух реакторов сме-I пи (из которых один является ни-bl ором, второй — донитратором) про-М птельность процесса значительно Врпгг.тет. В производстве нитропро-bi он этот прием является общепри- 1<м Нитрование бензола начинают I> 1,1г с мешалкой и заканчивают в Диплом холодильнике (его режим Кклнжается к режиму реакторов вы-|г виня), нитрование хлорбензола тят в каскаде из двух котлов с финишами и т. д.
Д я медленно протекающих реак-М шипение процесса, например с v* Г> -7 ч, неприемлемо. В таких вытеснения змеевикового типа | и использованы для аминирования нитрохлорбензолов (tB = II ч), для аминирования сульфокислот антрахинона9, для полу-|в феноксиуксусной кислоты из фенолята натрия и натриевой
| монохлоруксусной кислоты и др. В однопроходных змееви-L выполненных из труб диаметром до 75 мм, происходит прак-
Ьп полное вытеснение продуктов реакции и не наблюдается иимого, ни обратного продольного смешения.
lit и разработке непрерывного способа аминирования 1-сульфо-| i ы антрахинона была сделана попытка заменить однопро-I Л 1МС(‘вик аппаратом типа трубчатого теплообменика с па-г ним пучком труб. Время пребывания реакционной массы мы ншярате, необходимое для достижения заданной степени
случаях применяют реак-(«длинный змеевик»). Они
137
конверсии, увеличилось в несколько раз по сравнению с временем пребывания в аппарате змеевикового типа.
В змеевиковых аппаратах реакционная масса не должна рас слаиваться. Если в аппарат подают суспензию, ее предварительно гомогенизируют. В производстве аминоантрахинонов и при аминп ровании нафтолов применяют мокрый размол реагентов, а темпе ратуру реакции поддерживают на таком уровне, чтобы образую щиеся соединения находились в растворе или в расплаве9.
Мы не рассматривали вопросы расчета реакторов для экзотер мических обратимых реакций, в ходе которых повышение степени конверсии достигается увеличением давления и снижением темпе ратуры. Рост давления лимитируется экономическими и конструк тивными факторами, снижение температуры — скоростью химиче ской реакции В этих случаях упрощенные расчеты аппаратов не применимы, поэтому проектировщику-технологу приходится строго руководствоваться режимом, рекомендованным исследователями, или поручать расчет специалистам по математическому моделиро ванию.
Выбор масштаба опытных установок
Желательно, чтобы вопрос о масштабе установки, результаты работы которой положены в основу проекта промышленного реактора непрерывного действия, решался исследователями совместно с проектировщиками. При этом следует исходить из того, какие данные необходимы для расчета и конструирования надежно работающего реактора. Многие данные для расчетов химических реакторов могут быть получены на опытных установках. Не следует, однако, забывать, что кроме этих данных проектировщику надо знать физико-химические свойства сырья, полупродуктов, готового продукта и реакционных масс, включая данные о их взрыво-, пожароопасности, токсичности и о коэффициентах теплопередачи на всех стадиях процесса; иметь исчерпывающие характеристики перемешивающих устройств, сведения о коррозии конструкционных материалов в нормальном и аварийном режимах. Опытные установки необходимы проектировщику в тех случаях, когда некоторые параметры процесса, определяющие конструкцию реактора, не поддаются точному расчету и не могут быть получены на пилотных установках.
Приведем ряд конкретных примеров из числа процессов, рассмотренных выше и описанных в литературе7-9’2в>30.
Конструирование и расчет реактора для хлорирования бензола могут быть выполнены по лабораторным данным. Однако продолжительность цикла работы реактора и колонн для разделения реакционной смеси не может быть определена в лаборатории. Образующееся в ходе реакции хлорное железо вступает во взаимодействие с сернистыми и другими примесями бензола, в результате чего получается так называемый черный осадок, от которого необходимо
138
I io пческн очищать аппаратуру. Элемент риска при сравнптель-м произвольном определении продолжительности цикла невелик, (ннбкя пс могла отразиться на качестве продукта, но повлияла | на производительность промышленного агрегата. Поэтому при расчете был принят запас моТцности в 25%, а продолжительно ь рабочего цикла предполагалось выяснить в агрегате произ-кк । цепного масштаба, что и было осуществлено. После пуска которых цехов для облегчения очистки ректификационных колонн рпого осадка установили дополнительное оборудование для Ьлботкп реакционной массы раствором едкого натра. Однако в этом случае дополнительные затраты были намного меньше
Мости строительства и эксплуатации опытной установки.
Промышленный агрегат для непрерывной нейтрализации бен-< ульфокислоты спроектировали, минуя стадию проверки расче-н работы конструкции на опытной установке. Агрегат представ-I собой соединенный с колонной аппарат с мешалкой, в который провались реагенты. Колонна состояла из двух частей: широ-। для разделения фаз и узкой—-для отдувки SO2 из раствора (шпата паром 8. Сомнение вызывали лишь вопросы скорости и luiciii регулирования подачи реагентов и непрерывного анализа Тпора сульфоната. Риск заключался в том, что в сборники рас-па сульфоната при ручном регулировании попадает продукт лпгппой или пониженной кислотности. Чтобы избежать этого 1жпепия, проектировщики предусмотрели периодическую до-|> «.шзацию реакционной массы в сборниках-усреднителях, хотя гбовалось большее количество обслуживающего персонала, и показал, что даже в случае значительных потерь сернистого 1рнда при донейтрализации эффективность агрегата непрерыв-действия весьма высока. Было решено отработать систему донки п автоматического контроля непосредственно на промыш-। м агрегате. При пуске агрегата выявилась необходимость мнительного изменения системы эвакуации нейтрализованной и и । колонны. Расчеты показали, что при удлинении сроков пирования промышленного агрегата, связанном со строитель-у и освоением опытной установки, расходы на нее значительно и или бы затраты на освоение промышленного агрегата.
р гое решение было принято при проектировании промышлен-«I регата для синтеза 1-аминоантрахинона. Чтобы получить необходимые для расчета реактора, соорудили пилотную Idukv (длинный змеевик с обогревом, работающий под давле-100 ат). После ее пуска выяснилось, что она не могла рабо-Лс । остановки в течение длительного времени (более 48 ч). шггор подавали тонкую суспензию 1-антрахинонсульфокислоты ••яково-аммиачном растворе. Из реактора через редукционное Lino при 180°С и 100 ат выходил расплав готового продукта рлурой застывания ~150° С. Время от времени редуктор чп , что приводило к забивке реактора и необходимости iffiniiiiH всей системы от реакционной массы. Установка же
139
самоочищающихся редукторов и систем блокировки, предотвращающих забивку реактора, в условиях пилотной установки экономически нецелесообразна.
Если в предыдущих примерах риск проектирования промышленного производства на основании данных пилотной установки заключался в возможности некоторого снижения производительности цеха, то в последнем случае могла бы возникнуть вероятность полной остановки технологического процесса на длительное время. Поскольку цех 1-аминоантрахинона является частью длинной цепи производств (антрахинон— 1-сульфоантрахинон— 1-аминоантрахинон— бромаминовая кислота — красители), его остановка может вызвать простой еще двух цехов и резкое снижение производительности двух остальных цехов. Риск, связанный с возможностью длительной остановки нескольких цехов, недопустим. Поэтому, чтобы получить более надежные исходные данные для проектирования, потребовалась бы проверка процесса на крупномасштабной опытной установке. Позднее было принято решение о проектировании промышленного цеха синтеза аминоантрахинона по периодическому методу. Данные для 'расчета оборудования этого цеха были получены на той же пилотной установке после замены длинного змеевика малолитражным автоклавом.
На основании результатов работы пилотной установки показано, что эффективность агрегата непрерывного сульфирования бензола примерно такая же, как периодического. Поэтому расходы на переоборудование цеха, работающего по периодическому методу, и на освоение непрерывного процесса сульфирования не могут быть оправданы.
На пилотной установке не удалось достигнуть расчетной оптимальной продолжительности процесса. Реакция заканчивалась лишь через 4,8 ч (вместо расчетной продолжительности 1 ч). В подобном случае целесообразнее было создать опытную (полупромышленную) установку, оснащенную аппаратами (емкостные с мешалками или колонны тарельчатые), что позволило бы изучить возможность лучшего распределения бензола в реакционном объеме и значительно интенсифицировать непрерывный процесс по сравнению с периодическим.
Повышение производительности контактных аппаратов для синтеза фталевого ангидрида и анилина до сих пор достигалось увеличением числа трубок без изменения их диаметра и высоты слоя катализатора. Обычные методы расчета градиента температур в трубках большего диаметра и с большим сопротивлением слоя катализатора не могут гарантировать воспроизводимость результатов в промышленных условиях. Произвольное же изменение диаметра трубок и высоты слоя может привести к снижению выхода готового продукта, засмолению катализатора и даже к выходу из строя контактного аппарата. До проектирования контактного аппарата новой конструкции необходимо проверить его элемент (трубку) в натуральную величину на опытной установке.
140
При решении вопроса о масштабировании необходимо оцени* п.пь элементы риска, исходя из экономических соображений. Рассмотрим этот вопрос на конкретном примере.
Задано спроектировать производство продукта А мощностью 1000 т/год. Процесс периодический, режим работы одного из аппаратов определен на опытном реакторе емкостью 100 л. В производственном масштабе оказалось возможным применить аппараты емкостью не более 10 000 л каждый. По заданному режиму продолжительность одной операции составляет 48 ч. Пересчет показал, •по в аппарате емкостью 10 000 л продолжительность операции может соста-ннгь СО ч. При этом для достижения заданной производительности необходимо установить 10 параллельно работающих агрегатов. Если интенсифицировать все »гадин процесса, можно сократить общую продолжительность операции до 30 ч и установить пять реакторов вместо десяти. Из 30 ч, на которые сокращен технологический процесс, 5 ч относятся к операциям 4-й категории надежности, г. с с элементом риска, близким к нулю.
Анализ данных, на основании которых сокращены остальные 25 ч цикла, попал, что 15 ч сэкономлены в результате интенсификации теплопередачи путем уиеличения поверхности теплообмена. Возможны два варианта решения этой за-днчп: установка дополнительных внутренних теплообменников (змеевики, стаканы, трубки Фильда) или выносного теплообменника, через который реакционная масса прокачивается насосом. Остальные 10 ч сэкономлены благодаря интенсификации химической реакции путем применения ступенчатого подогрева.
При выборе способа увеличения поверхности теплообмена надо учитывать, •но установка дополнительных внутренних теплообменников может привести к ««рушению гидродинамического режима реактора, появлению застойных зон и отложению на поверхности теплообменных элементов осмелившейся реакционной ыяссы. При установке же выносных теплообменников может уменьшиться эффективность теплопередачи по сравнению с расчетной, а это вызовет снижение производительности реактора. Риск, связанный с возможностью осмоления реакционной массы, не может быть оправдан, поскольку в процессе дальнейшей | -рсработки это приведет к перерасходу сырья и снижению качества готовой Продукции.
Далее следует определить степень риска совокупности всех приемов интен-фнкации процесса. При коэффициенте масштабирования К = 100 и одновре-шой интенсификации ряда стадий степень риска Р может колебаться в нашем примере от 0 до 80%.
Степень риска при масштабировании периодических процессов можно снизить, установив перемешивающие устройства с переменным числом оборотов (трехскоростные электродвигатели для при-ш> га мешалок, вариаторы скоростей) или обеспечив аппарат смен-I ими деталями (мешалки другого типа, запасные теплообменные к смепты) либо другими способами.
Перемешивающие устройства
•ж
Механические мешалки можно подразделить на четыре основные группы: лопастные, якорные, пропеллерные и турбинные31. Ши-ft и>е применение в реакторах периодического действия находят роиеллерные и турбинные мешалки.
Типы турбинных мешалок и детали реакторов изображены на ft 30 На нем показаны также крепление пропеллерной мешалки | 30,п) — наиболее универсального перемешивающего устрой-
tri* и конструкция сальника с подлавливанием масла (рис.30,в).
141
Пропеллер сообщает жидкости вращательное и поступательна движение. При наличии диффузора в реакторе возможно всасы вание, смешение и вытеснение реагентов. Диффузорами могу i
Рис. 30. Основные детали реакторов с мешалками:
а — крепление пропеллерной мешалки; б —типы турбинных мешалок; в — конструкция сальник.! с автоматическим поддавлИЬанием масла; / — электродвигатель; 2 —редуктор; 3 — сальник; 4—вал мешалки; 5 —пропеллер; 6 — трубка для подлавливания масла; 7, 8~ штуцеры для выхода и входа охлаждающей воды; 9 — штуцер для присоединения к линии регулирования давления в нижней части сальника; 10 — штуцер для измерения и регулирования давления в сальнике; 11 — манометры; 12 — поршень для подлавливания масла.
служить погруженный в аппарат змеевик, стакан или теплообменная трубчатка для охлаждения.
Диаметр пропеллерной мешалки d принимают равным */з—’Л диаметра реактора. Высбта жидкости над пропеллером обычно составляет 3,5 d, а расстояние от дна реактора до пропеллера рав-
142
( корость вращения пропеллера должна быть не менее л мин п может быть доведена до 150 об/мин (рекомендуемая М н> вращения мешалки 400—500 об/мин). В высоких аппара-й И.। одном валу устанавливают два, а иногда и три пропеллера, м усьшовке второго пропеллера мощность, потребляемая ме-Мк)Л, увеличивается в 1,5 раза. Пропеллеры применяют для гмешивания взаимно растворимых жидкостей, суспензий, со-Ь*.||11пх до 10% тонких взвешенных частиц, и эмульсий (в ап-небольших объемов).
1 у рбинпые мешалки всасывают жидкость в центре и отбрасы-Ьт се к стенкам реактора. Скорость вращения турбинной мешал-| л । окна быть не меньше 500—700 об/мин и может быть доведена ) 7000 -3000 об/мин. Эти мешалки применяют для создания цйчнвых эмульсий и перемешивания суспензий, содержащих Imiiic Ю% твердых частиц. Один из типов турбинных мешалок — | п.пынаемое беличье колесо (рис. 30,6, первый слева). Диа-Мр реактора, в котором установлено «беличье колесо», равен 4 d, bwioi.i жидкости в нем может быть доведена до 10с?. Наиболее (•kiiibiio такая мешалка работает при 700 об/мин.
Вргг.тиовка на одном валу второй турбинной мешалки приводит умгличению потребляемой мощности в 1,7 раза, а третьей — U раза.
Ни примере нейтрализации сухой таблетированной бензойной Ьгы раствором едкого натра изучалось32 влияние перемешива-* n.i процесс химического превращения. В исследованномпроцес-Ворость превращения целиком зависит от скорости диффузии Цч 1 nioi'i кислоты в раствор, поскольку собственно реакция ней->« Циации протекает практически мгновенно.
| псрнменты проводились32 в стеклянном сосуде диаметром 300 мм. Были грены пропеллерная и турбинная мешалки диаметром от 75 до 125 мм в ди-M>»i скоростей вращения 50—1600 об/мин. Турбинная мешалка оказалась эф-напес пропеллерной. Так, при снижении скорости вращения пропеллерной ме-мак с 480 до 120 об/мин реакция замедлялась в 4 раза, в случае турбинной — I»! . С уменьшением диаметра мешалки от 125 до 75 мм превращение шло Й*11псс в 2,5 раза при пропеллерной мешалке и в 1,5 раза при турбинной.
При одном и том же числе оборотов в чистой воде меньше всего tytini расходуется на перемешивание при помощи пропеллерной В 1кп. Турбинная мешалка потребляет в 6 раз, а «беличье коле-В а 12 раз больше энергии, чем пропеллерная мешалка. При не-> (них размерах аппаратов абсолютный расход электроэнергии ринк Так, «беличье колесо» диаметром 100 мм при 1000 об/мин Ьгбляет около 3 кет; мощность, потребляемая двойной турбин-I чиналкой диаметром 155 мм при 1000 об/мин, также составляет fXВиланд33, используя результаты эксперимента, проведенного в Варис диаметром 150 мм с турбинной мешалкой (диаметр I •«), вращающейся со скоростью 100 об/мин, определял размеры №<>< и> вращения мешалки в аппарате емкостью 3,8 м3 для
достижения такой же степени перемешивания, как в меньшем ан парате. Автор показал возможность решения этой задачи расн ним путем, исходя из безразмерных критериев геометрического, кинематического и динамического подобия. Необходимые размеры и скорости вращения турбинной шестилопастной мешалки в сос\ ц с отражательными перегородками приведены в табл. 12.
Таблица 12. Характеристика шестилопастной турбинной мешалки в аппарате с отражательными перегородками
Перемешивание *
Емкость аппарата, JJ-fS Диаметр мешалки, мм слабое среднее сильное
скорость вращения, об!сек
75 1500 0,5-0,7 0,7-0,9 .0,9-1,2
38 1200 0,7-0,9 0,9-1,1 1,1-1,5
19 970 0,9-1,1 1,1-1,3 1,3-1,9
3,8 560 1,4-1,9 1,9-2,4 2,4-3,2
0,2 200 3,9-5,1 5,1-6,2 6,2-8,0
* При слабом перемешивании окружная скорость мешалки составляет 2,5—3,3 mJcck при среднем 3,3—4,1 м}сек, при сильном 4,1—5,6 м!сек.
В. В. Кафаров31 приводит данные и номограммы для расчета мощности, потребляемой мешалками различных типов, и для экс г ранодирования результатов, полученных при лабораторных испы таниях. Его расчеты подтверждают приведенные выше данные о большом количестве энергии, потребляемой турбинными мешалками. Рассматривая вопрос о зависимости эффективности перемешивания от числа оборотов мешалки, Кафаров установил также, что максимальная эффективность достигается уже при 600 800 об/мин. Поэтому работа при больших числах оборотов мешалок не всегда оправдана, тем более, что с увеличением скорости вращения даже обычной трехлопастной пропеллерной мешалки с 500 до 1500 об/мин потребление энергии возрастает в 28 раз.
Следует отметить, что при снижении скорости вращения пропеллерной мешалки до 100—150 об/мин она превращается в обычную лопастную мешалку с пониженной эффективностью (из-за малой поверхности лопастей и небольшого диаметра).
В ЛенНПИхиммаше проведена нормализация перемешивающих устройств и составлена рекомендательная таблица (табл. 13) для выбора мешалок к стандартным аппаратам34.
Необходимость интенсификации перемешивания может быть выявлена в результате простых экспериментов на пилотных установках, режим которых положен в основу проекта. Для этого необходимо испытать в аппаратах опытных установок 2—3 типа мешалок
144
Таблица 13. Рекомендуемые области применения и диапазоны угловых скоростей перемешивающих устройств
Перемешивающие устройства и области их применения Коэффициент динамической вязкости среды, пз Скорость вращения, рад/сек (об/мин)
Местные- перемешивание взаимораство-римх жидкостей, грубое эмульгирование, сус- 0,01-5 1,4-9,4 (13,3-90)
ЕЬдиропанне твердых частиц при Т :Ж = 0Д bv'iniiaiiiie волокнистых веществ, легких Кдков, медленное растворение кристалли-Ь«пх, аморфных или волокнистых веществ, вымешивание при кристаллизации, выравни-температуры 5 — 30 2,98-7,34 (28,4-70)
iron ы е — перемешивание маловязких жид-м ft, суспендирование твердых веществ, цнордпие кристаллов, интенсификация теп- 11'1 0,01-0,5 2,98-6,1 (28,4-58,4)
ia р ц ы с — перемешивание вязких и тяже-е жидкостей, интенсификация теплообмена, iiniращение выпадения осадка на стенках К - нс, суспендирование в вязких средах 0,01 -100 1,86-6,1 (17,8-58,4)
и ы с — то же 0,01-100 1,86-9,4 (17,8-90)
100-400 2,98-6,1 (28,4-58,4)
ни II ы е закрытого типа — перемешива- и шнморастворимых жидкостей и эмуль- 0,01-10 12,6-96 (120-630)
пне (в том числе существенно разли-шпхея по плотности), суспендирование 1 члпчсских и аморфных веществ при * 0,8 и волокнистых материалов при ^«0.05, интенсификация теплообмена, пе-Н intnnie при растворении газа в жидко-Б» и процессах экстракции 10-25 18,9-42 (180 - 400)
М II и и ы е открытого типа — растворение, МЫнровапие, суспендирование кристалли- 0,01-100 12,6-52,4 (120-500)
• х пли аморфных веществ приТ:Ж = 0,8 •л кппстых материалов при Т: Ж = 0,05, Ь in.nine осадков, содержащих до 60% Мых частиц размером до 1,5 лм, интен-ж»1Щ|||| теплообмена, перемешивание не-Беиопских жидкостей 100 - 400 18,9-28,3 (180—270)
(•ллерпые — растворение и эмульгпро-» жидкостей, суспендирование При Т : Ж = 0,01-1 12,6-104,7 (120-1000)
м 1М\чпванне шламов, содержащих до • ncpibix частиц размером до 0,1 мм, Ьшпн.п।нс волокнистых веществ, интен-нц теплообмена 1-40 28,3-66 (270-630)
145
(пропеллер, турбина и др.) при различных числах оборотов, определив в каждом случае продолжительность реакции (выдержки), скорости смешения и коэффициенты теплопередачи.
Для интенсификации перемешивания в ряде случаев целесооб разно применение ультразвуковых реакторов и смесителей. Генери тором ультразвука является излучатель, соединенный фланцем с крышкой реактора. Генератор состоит из герметичной трубки, u.i которую надеты соленоидные катушки (питание — от специально, ч
Рис. 31. Ультразвуковое перемешивающее устройство:
/ — генератор; 2 —шток; 3— аппарат; 4 — тарелка.
Рис. 32. Общий вид аппарата УПХА-Р1.
электронного блока). Внутри трубки помещен сердечник, жестко соединенный с перемешивающими тарелками, в которых имеются конические отверстия. Тарелки размещены непосредственно вреак торе и соединены с сердечником при помощи штока. Сердечник, шток и тарелки совершают возвратно-поступательные колебания с частотой 5—20 кгц и амплитудой до 50 мм (рис. 31).
Ультразвуковые проходные аппараты типа УПХА снабжаются излучателями с частотой 8—16 кгц (аппарат типа УПХА-Pl рабо тает на частоте 16 кгц, УПХА-Р8 — на 8 кгц) 35. Потребляемая ш паратом УПХА мощность 10—15 кет, расход воды на охлаждение излучателей 3—5 л]мин, рабочая температура до 200° С, производи тельность 1—2 лг3/ч. Аппарат УПХА-Pl (рис. 32) монтируется hi четырех ступеней, через которые последовательно передается pcai ционная масса, и может работать на проток и по замкнутому циклу
146
Некоторые виды реакторов
Гм 1Н1НПС1ВО химических реакторов периодического действия li'ine or нспрерывнодействующих являются типовыми аппара-
I Ипоювители типовых реакторов стремятся снизить до мини-« степень риска при их масштабировании путем оснащения Рлов деталями, смена которых возможна без демонтажа ре-м, а иногда и без подъема
крышки.
8
9
( Реактор емкостью 50 000 л: »!•» ишгатель; 2 — привод; 3 — саль-5—корпус; 6 —рубашка;
7 — люк.
реак-
Рис. 34. Разрез эмалированного тора:
I — электродвигатель; 2 — привод; 3 — крышка; 4 — корпус; 5 — рубашка; 6 — гильза для термометра; 7 —отбойное устройство для мешалки 9} 8 — мешалка якорная; 9~ мешалка эксцентричная.
ipMa «Ecato» (ФРГ) выпускает реакторы из углеродистой или иной стали емкостью от 50 до 50 000 л (рис. 33) с норма-ПН1ЫМИ приводами, мешалками, рубашками для нагрева и ,.н'пия, сальниками. Диапазон температуры стенок — от мину-|<> +300°С; давление —от 0,01 до 100 ат; скорость вращения Ь'К — от 30 до 3000 об/мин. Присоединительные размеры шту-н люков позволяют применять 6 типов мешалок, 6 типов •м»п, 2 типа приводов со сменными шестернями и двухскоро-III мектродвигателями (число оборотов мешалки может быть »но даже в ходе одной операции).
147
Фирма «Sinko — Pfaudler» (Япония) выпускает унифицирован ные стальные эмалированные реакторы* емкостью до 20 л' (рис. 34).
Аппараты снабжены рубашками для нагрева и охлаждения, л при необходимости и мешалками двух основных типов: якорными
Рис. 35. Реакторы 1-го типа в исполнении 1: а — аппарат с турбинной мешалкой; б—аппарат с лопастной мешалкой.
(скорость вращения до 60 об!мин) или лопастными с валом, усыновленным по центру аппарата или эксцентрично, иногда с отбои никами. Мешалки и отбойники выполняются в нескольких модификациях, их можно устанавливать на различном расстоянии ог днища аппарата. Приводы к мешалкам выпускают пяти типов cci сменными ведущими шестернями, что позволяет изменять чпс к) оборотов в 3 раза.
Переход от нормализации размеров и отдельных узлов annapaid к выпуску стандартных реакторов, подбираемых по каталогам, весьма прогрессивен. В табл. 14 перечислены некоторые типы реам торов периодического действия, которые могут быть заказаны п<4 каталогам па отечественных заводах химического машиностроения, На рис. 35 показаны два аппарата 1-го типа с турбинной п лопастной мешалками в исполнении 1. Эти реакторы в исполнении 3 снабжают рубашкой.
* Известны три основных вида эмалей: рассчитанных на переработку р.п бавленных кислот и щелочей (pH до 11 при 100°С), концентрированных ки •
лот при 150° С и выше и щелочей (pH
промышленности.
12 при 100° С), и эмали для ппщ< i
148
Таблица 14. Нормализованные вертикальные реакторы 34 периодического действия
ElTOU Характерные особенности исполнения Способы исполнения
1 1 Цельносварной с эллиптическим днищем и крьцДкой То же, разъемный С эллиптической крышкой и коническим отбортованным днищем (угол конуса 90°) С плоской крышкой и коническим днищем 1; 2; 3; 4 1; 2; 3; 4 1; 2; 3; 4
(угол конуса 120') 2
То же, с углом конуса 90° 2
(1 С плоским днищем и крышкой 2
Ниже приведен нормальный ряд емкостей реакторов (в ms) :
1; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 10; 16; 25; 32; 40; 50
ии.шаты 1-го и 3-го типов в исполнении 1 и 2 емкостью 1; 1,6 и lit II 1ГОТОВЛЯЮТСЯ.
1 1.16л. 15 приведено расчетное давление в нормализованных инах указанных типов.
Г -I б л и ц а 15. Расчетное давление в нормализованных аппаратах
и* 11сполне-п ие Емкость, л;3 Расчетное давление, ат Примечание
1; 2 2,5-50 До 6
3; 4 2,5-32 »6 —
1; 2; 3; 4 2,5-4 >16 —
1; 2; 3; 4 1-6,3 » з Как исключение могут изготовляться аппараты емкостью 10 и 16 м3
1-6,3 »6 То же, емкостью 10 м3
1-4 >16 —
1; 2 2,5-10 » 6 —
3; 4 1-6,3 »6 Как исключение могут изготовляться аппараты емкостью 10 л3
2 1-6,3 Под палив То же
2 1-6,3 То же То же, емкостью до 32 мг
..|ыгы 1-го и 2то типов в любом исполнении рассчитаны также под работу при и
| обы исполнения. Для аппаратов 1-го п 2-го типов: исполне-рубашки с трубой передавливания; исполнение 2 — то же, с нижним
I. исполнение 3 — с рубашкой и трубой передавливания; исполнение 4 — I нижним спуском.
пппаратов 3-го типа: исполнение 1 — цельносварной без рубашки; ис-
2 то же, с рубашкой; исполнение 3 — разъемный без рубашки; испол-т<» же. с рубашкой.
•пп фатов 4-го, 5-го и 6-го типов исполнение 2 соответствует разъем-кюру.
149
Корпуса аппаратов выполняют из стали марки Ст. 3, кипящей и спокойной, и из двухслойной стали (основной слой Ст. 3, плакирующий Х18Н10Т); рубашку аппарата изготовляют из Ст. 3. Для перемешивающих устройств кроме перечисленных материалов при меняют чугун СЧ 15-32 и сталь Х18Н10Т.
Рис. 36. Реактор с электрообогревом:
/ — вал; 2 — сменные лопасти мешалки; 3 — электронагревательное устройство;
4 — люки.
Штуцера (их количество, условные проходы) и опоры аппарата указываются в каталогах и нормалях заводов-изготовителей. Me шалки могут поставляться нескольких типов. Тип мешалки и крепление вала в аппарате определяют изготовители. Так, в аппаратах 1-го типа емкостью от 2 до 50 м3 можно устанавливать лопастную и рамную мешалки; в реакторах емкостью от 2 до 25 м3—открытую турбинку и пропеллер; в аппаратах емкостью от 2 до 10 м3— якорную мешалку. Валы всех мешалок, кроме турбинных и пропеллерных, опираются на подпятники. В аппаратах 6-го типа емкостью до 32 ж3 устанавливают лопастные мешалки с опорой вала на подпятник; в реакторах емкостью до 25 м3 — турбинные открытые и закрытые и пропеллерные мешалки.
Привод и электродвигатель поставляются в соответствии с типом выбранного перемешивающего устройства. В случае необходи мости применяются электродвигатели во взрывозащищенном
150
исполнении. Уплотнение валов может быть торцевым, сальниковым, I пдравлическим и манжетным.
Кроме стандартных выпускают реакторы по индивидуальным 1.п<азам, предназначенные для проведения специфических процессов. В качестве примера на рис. 36 показан аппарат с электрообо-I ревом для переработки реакционной массы, физические свойства
Рнс. 37. Реактор со встроенным котлом ВОТ:
/ — электропатрон; 2 —зона передачи тепла конденсирующимися парами ДФС (ВОТ); S — зона нагрева жидкой ДФС; 4 —штуцер для слива ДФС;
5 — мешалка.
торой меняются в ходе реакции (сухой порошок — жидкий рас-р— суспензия — сухой порошок). На рис. 37 изображен реактор встроенным котлом ВОТ, обогреваемым электротермиче-IIми элементами во взрывозащищенном исполнении, и рубаш-I для теплоносителя (ВОТ). На рис. 38 представлен реактор приварными греющими трубами, рассчитанными на высокое Менне.
Технолог обязан вместе с конструктором принимать участие (> (работке реактора и его отдельных деталей. Степень надежности ii'iccKoro реактора определяется степенью надежности каждого
151
его узла; выход из строя какого-либо узла влечет за собой выход из строя всего аппарата.
В последние десятилетия был разработан режим хлорирования одного из органических продуктов в водной эмульсии при температуре около 100° С (с понижением температуры органический продукт выпадал в осадок). Хлор вводили под давлением под крышку реактора при помощи всасывающей мешалки. Отверстие для всасывания газа было расположено выше уровня жидкости. Побочно образующийся хлористый водород растворялся в воде. Хлораторы изготовляли из стали с защитой теплопроводной графитовой плиткой, пропитанной этинолевым лаком; мешалку выполняли из гуммированной стали. Однако эксплуатиро-
Рис. 38. Реактор с приварными греющими трубами, рассчитанными на высокое давление
вать такие хлораторы оказалось невозможным, так как после нескольких операций выходили из строя гуммировка мешалки и уплотнение сальника. Последующие попытки усовершенствовать конструкцию сальника и мешалки оказались безуспешными. Причиной этого являлась вибрация всасывающей мешалки, незаметная при ее вращении в опытном аппарате малой емкости. Процесс был освоен после снижения температуры реакции с 100 до 60— 80° С (хлорирование продукта оказалось возможным и в суспензии) и замены всасывающей мешалки рамной. При этом хлор стали вводить в реактор через барботер. Кроме того, отпала необходимость в создании давления хлора под крышкой аппарата и в конструировании специального сальника.
Другой хлоратор был выбран по каталогу; емкость его (6000 л) всего в 2 раза превышала емкость реактора, в котором проводились опытные работы. Выбранный реактор представлял собой типовой эмалированный стальной аппарат, снабженный рамной мешалкой без подпятника. В него дополнительно установили барботер для подачи хлора и гильзу для термометра. Такое незначительное изменение конструкции реактора вызвало вибрацию мешалки и привело к быстрому износу сальника.
теплоносителя.
Отметим, что произвольное изменение конструкции типовых химических реакторов в ряде случаев может привести к значительным последствиям. Так, при установке в аппарате змеевиков расход мощности на перемешивание увеличился в 2 раза, введение отражательных перегородок в реактор привело к увеличению мощности, потребляемой лопастными и турбинными мешалками, в 3—7 раз и т. д. На такое повышение мощности не были рассчитаны ни вал мешалки, ни ее лопасти, ни конструкция сальника. Все эти изменения превратили типовой аппарат в индивидуальный, для конструирования которого необходимы новые исследования и расчеты.
Итак, для правильного выбора реактора необходимо знание кинетики проводимых в нем химических реакций, условии процесса масср- и теплообмена, а также гидродинамического режима работы
152
Аппарата (например, характера перемешивания). Тип реактора определяет самый медленный из этих процессов.
Технолог-проектировщик совместно с химиками-исследователями и инженерами-механиками должен рассмотреть возможность интенсификации медленно протекающего процесса для повышения производительности реактора при масштабировании. При этом может возникнуть необходимость в новых экспериментах. Во всех случаях, когда возможно, лучше выбрать аппарат по каталогам, чем конструировать новый.
В заключение мы дополнительно адресуем читателей к литературе, в которой описаны конструкции многих химических реакторов и методы их технологического и механического расчетов 7-10’ 17,24’ 25> 28,30- 31> 36137.
ГЛАВА 7
МАШИНЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Теория и расчет машин для перекачивания жидкостей, сжатия и транспортирования газов подробно освещены в литературе23. Как правило, машины этого типа выбирают по каталогам машиностроительных заводов. Основные характеристики этих машин (производительность, напор) определяются технологическим расчетом. Если в каталогах нет машин, отвечающих технологическим требованиям, их изготовляют из типовых деталей по чертежам заказчика. Задание на изготовление чертежей нестандартных машин выдает технолог.
Насосы и компрессоры, предназначенные, как известно, для осуществления гидромеханических (а не химических) процессов, не должны быть узким местом технологической схемы. Эти машины, как и вся аппаратура, обслуживающая реакторы, должны быть надежными и обеспечивать максимально возможную производительность последних.
Как степень надежности химического реактора определяется слабым звеном его конструкции, так и степень надежности всего агрегата (схемы) в целом определяется надежностью любого (основного или второстепенного) аппарата (или машины), выход из строя которых может вызвать перерыв технологического процесса. Несмотря на это, риск при выборе вспомогательного оборудования значительно меньше, чем при конструировании химического реактора.
Технолог, выбирающий машину для перекачивания жидкостей, компримирования, вакуумирования и перемещения газов, должен быть знаком с конструкцией этих машин. При выборе такого обору дования технолог прежде всего должен ознакомиться с опытом его эксплуатации на химических заводах в условиях, аналогичных условиям эксплуатации в проектируемом производстве. Получив сообщение от машиностроительного завода о серийном выпуске но вых машин и аппаратов, проектировщик обязан выяснить, каким химическим предприятиям они поставлены и где испытан головной образец. Следует запросить эти предприятия о надежности нового оборудования и в зависимости от ответа решить вопрос о возможности включения его в новые проекты. В некоторых случаях технологу следует лично ознакомиться с работой нового оборудования на химических заводах.
154
Любая из машин — насос, компрессор, газо-или воздуходувка — собрана из следующих основных узлов: неподвижный цилиндр, или корпус; рабочий орган (поршень, ротор, винт, мембрана); привод (электродвигатель, паровая или газовая турбина, паровой или га-Зовый цилиндр с поршнем, гидравлический привод). Привод может быть соединен с рабочим органом штоком или валом, отделенным <и перекачиваемого вещества при помощи сальника, либо встроен и машину.
При выборе привода технолог обязан исходить из конкретных условий проектируемого производства. Обычным решением является установка электродвигателей на одном валу с рабочим органом. Если в процессе эксплуатации требуется часто менять созда-. шлемый напор или производительность машин, можно установить Лрсхскоростной двигатель или вариатор. Если в производственном процессе получают отбросный пар высокого давления, в качестве привода можно установить паровую турбину или поршневую ма-Hiiiiiy. Иногда для особо опасных условий трудно подобрать электро шигатель в соответствующем исполнении, например для перекачивания сероуглерода. В таких случаях устанавливают гидравлический привод. Напомним, что каждая машина поставляется в комплекте с определенным приводом; при изменении типа привода требуется обязательное согласование его с машиностроительным заводом.
' Технолог должен не только хорошо знать конструкцию выбран-Н>й машины, но иметь также четкое представление о свойствах ма-рерналов, из которых выполнены все детали, соприкасающиеся t перекачиваемой средой. С особенной тщательностью следует под-одпть к выбору деталей из пластмасс и материалов для прокладок • сальниковых набивок. Следует учитывать, что за соответствие выбранного оборудования условиям его эксплуатации в первую «жередь отвечает проектировщик-технолог.
Например, известен случаи, когда установленный согласно проекту насос Жвстро вышел из строя. Как выяснилось, весь насос был выполнен из хромони-щевой стали, а одна деталь — из бронзы, в то время как перекачиваемая Меткость (сухой бензол, содержащий НС1 и следы С1г) инертна по отношению t Любым сталям, но быстро разрушает сплавы на основе меди.
НАСОСЫ
Отечественная и зарубежная машиностроительная промышлен-• и. освоила несколько сот типоразмеров специальных насосов в жидкостей, применяемых в химической промышленности, в том ic:
консольные одно- и многоступенчатые центробежные насосы из гродистой и легированных сталей, чугуна, ферросилида, эмали-iMiriioro чугуна, бронзы;
погружные центробежные насосы из углеродистой и легирован-I сталей, бронзы, монель-металла, чугуна, фенолитов;
15?
около 25 типов герметичных центробежных насосов из углероди стой и легированных сталей, фенолитов;
центробежные насосы из неметаллических материалов: резины фенолита, фарфора, полипропилена, фторопластов, стеклопласт ков, фаолита, гр а фитопластов;
черпаковые насосы из легированной стали;
вихревые насосы из легированной стали, бронзы, чугуна;
поршневые насосы с регулируемой подачей жидкости (из угл родистой и легированных сталей) и с нерегулируемой подачей жп i кости (из бронзы, углеродистой и легированных сталей), дозировочные насосы из углеродистой и легированных сталей, керамики, фторопластов, цветных металлов;
винтовые насосы из легированных сталей и бронзы;
шестеренчатые насосы из чугуна, легированных сталей, бронзы1, коловратные насосы из легированных сталей и бронзы и центров бежные насосы с обогревом корпуса из нержавеющей стали.
Здесь не перечислены насосы общего назначения (для воды, парового денсата, фекальных стоков и др.), применяемые не только в химической щчи мышленности, но и в других отраслях народного хозяйства. Из известных в рово.й практике типов машин не приведены мембранные и шланговые герм<1ич1 ные насосы.
Для правильного выбора насоса технолог должен знать: илом ность и вязкость перекачиваемой жидкости, температуру ее кине! ния при атмосферном давлении и разрежении; давление ее паров при температуре перекачивания; наличие в жидкости твердых ч.Н стиц; максимально необходимую производительность машины и < здаваемый ею напор.
Для систем непрерывного действия максимальная произво им тельность насоса должна на 10—25% превышать максимальпчм производительность реактора. При определении напора следуя учесть его потери, связанные с установкой контрольно-измерите н>] ных приборов и средств автоматизации (диафрагмы, регулирующий клапаны и др.). Для систем периодического действия производи! тельность насоса должна обеспечить максимальный расход жидшв сти в соответствии с графиком работы заполняемого (опорожняй! мого) аппарата. При этом следует учитывать, что из установлешп.Л аппаратов одновременно, как правило, заполняются не все, а тольк! те, которые за это время могут быть обслужены одним annap.itl чиком.
Кроме того, технолог должен правильно выбрать тип исполиЛ ния электродвигателя (или привода другого типа) в зависимости степени пожаро- и взрывоопасности окружающей среды и перекЛ чиваемой жидкости, а также от других условий; материалы для i I талей насоса, соприкасающихся с перекачиваемой жидкостыЛ с учетом ее коррозионных свойств; необходимую степень герме, i зации насоса с учетом токсических и других свойств перекачив мой жидкости и целесообразную точность регулирования расхо J жидкости (в %).
1S6
насосы, выполненные из неметаллических материалов. В рекоменда-
4Z7
20
2
10
&-
0
3D н,нвгп h
4/7
20
0 1 2 3 1/507 в'
О. л/сек
Пр/июложпм, что нужно установить насос производительностью 5 л/сек м'1'i) при напоре 25 м жидкостного столба для перекачивания 20 30%-ной ной кислоты при температуре до 50° С. Насос устанавливают в помещении, нет пожароопасных веществ. Этим условиям могут удовлетворять центроид "
• м списке завода-изготовителя требуемым производительности и напору ирно соответствуют насосы трех типов: ЗХ-ЗФ (из твердого фарфора), |>11-2 (из полипропилена) и 2Х-6П-9-13 (из фторопласта). Самый дешевый •тих трех насосов — фарфоровый, самый дорогой — фторопластовый.
т.пювка дорогого фторопластового насоса не оправдана (применение его Ч1ДИМО при перекачивании, например, плавиковой кислоты, в среде кото-пег гонки эмаль, фарфор, полипропилен). По ознакомлении с каталогом опре-|. ч го полипропиленовый выгодно отличается от проиого конструкцией iik.i (торцовая в первом и с мягкой набивкой во
|) Торцовый сальник бо-[рмегпчен, благодаря чему III 1СТСЯ вероятность ПОД-41 кислоты на станину и коррозии наружных Л насоса и двигателя, му остановимся на насо-* 2ХМ-6П-2. к видно из графиков, иных на рис. 39, при 5 л/сек жидкости напор Н >10
i.% во
,0
м, а коэффициент действия насоса При возможных ко-подачи от 4 до и. д. насоса изме-
Ркс. 39. Рабочая характеристика насоса 2ХМ-6П-2:
7] — коэффициент полезного действия, %; 7V — потребляемая мощность, кет; Н — напор, м, жидкостного столба; Q — производительность насоса, л[сек.
IX к.
и пределах 42—50%, а мощности N (в расче-исрекачиваиие воды) — (<> .4,5 кет. При перека-। же соляной кислоты максимальная мощность электродвигателя увели-р 1 кет.
они рабочей кривой центробежных насосов (как и других машин этого ИоЧгнсрждает, что их можно использовать в условиях, значительно ог- |хгя от номинальных. Так, при номинальной производительности на-VI 1ПГ2, равной 5,5 л!сек, напор составляет 30 м; максимальная произ-КЖк'гь насоса (8 л/сек) может быть достигнута при снижении напора до • н<||> порядка 35 м соответствует производительности до 2 л/сек.
и и каталоге нет типа насоса, соответствующего расчетным Й 1ям, то выбирают насос, показатели которого близки ш-IM. При этом для насосов небольшой мощности сниже-П1Ч1ШЫ к. и. д. можно пренебречь.
«анодов освоил выпуск бессальниковых насосов типа ЦНГ Ложный насос, герметичный) и ХГВ (химический герметич-тпкальный) с электромагнитным приводом (со встроенным
) Они пригодны для перекачивания легковоспламеняю-
• и шостей (ЛВЖ) и сжиженных газов при условии дообо-п>1 насосов приборами контроля и регулирования.
, горне зарубежные фирмы, выпускающие аналогичные начинают необходимым предупреждать заказчиков о том,
157
чтобы величина подпора на всасе была больше давления паров ЛВЖ при температуре их перекачивания.
Насосы ЦНГ (рис. 40) предназначены для перекачивания химически активных жидкостей, не содержащих механических примесей. Проточная часть насосов выполнена из нержавеющих сталей и имеет взрывозащищенное исполнение. Температура перекачиваемой жидкости от —40 до 100° С, плотность до 1300 кг!м?. Производительность насосов 18 Л13/ч (ЦНГ-68) и 90 м3/ч (ЦНГ-71); напор
Рис. 40- Герметичный горизонтальный Рис. 41. Герметичный вертикаль-бессальпиковый насос типа ЦНГ-63: ный насос типа ХГВ.
/ — клеммы для подключения кабеля; 2 —встроенный электродвигатель; 3— всасывающий патрубок; 4 — нагнетательный патрубок.
равен 50 м (для ЦНГ-68) и 32 н (для ЦНГ-71); номинальная мощность соответственно 5,5 и 16 кет (в расчете на перекачивание воды). На рис. 41 дан общий вид герметичного вертикального насоса типа ХГВ.
Несмотря па сравнительно низкий к. п. д. бессальниковых насосов, они наиболее экономичны для перекачивания ЛВЖ, сжиженных газов и агрессивных жидкостей благодаря отсутствию их потерь через сальник и снижению расходов на обслуживание. При использовании бессальниковых насосов исключена возможность образования взрывоопасных смесей ЛВЖ и газов с воздухом и загрязнение атмосферы токсичными парами. Но такие машины нельзя применять для перекачивания жидкостей, вызывающих коррозию сталей и сплавов на основе никеля и хрома (например, соляной и плавиковой кислот). '
158
• Насосы типа ХГВ 38 изготовляют в 3-м, 4-м п 5-м конструктивных испоЛ-itdiiiHX. Насосы в 3-м исполнении применяют для перекачивания ВОТ и бензольных продуктов при 100—360° С и плотности жидкостей 250—875 кг/м?. Насосы и 4 м исполнении используют для перекачивания сжиженных газов (бутан, прочли и т. д.) при температуре от —40 до +50° С и плотности 450—600 кг/м3. На-< I сы в 5-м исполнении применяют для перекачивания жидкостей при 50—100° С ii плотности 600—1000 кг[м3.
Производительность насосов от 8 до 90 м3/ч, напор от 18 до 143 м столба жидкости, для перекачивания которой они предназначены. Мощность электродвигателей от 2,8 до 40 квт. — Дополи, ред. *
Изготовляются также погружные насосы с бессальниковым приводом. Насос устанавливают непосредственно на люк вертикального или горизонтального резервуара высотой не более 2,7 м
Рис. 42. Насос типа Х-Е с обогревом:
/ — всасывающий патрубок; 2 —корпус насоса; 3 — нагнетательный патрубок;
4 — сальник; 5 — электродвигатель.
hi выносят в отдельно стоящий стакан, соединенный с резервуа->м донным перетоком. Высота аппарата лимитируется максималь-• юпустимой длиной вала. Погружные насосы можно изготовлять любых металлов, в том числе защищенных пластмассовыми по-ьипями, из коррозионностойких цветных или редких металлов.
ючее колесо насоса может выполняться целиком из пластмассы, гружные насосы незаменимы для перекачивания расплавов ще-•кч”| и солей.
Па рис. 42 показан общий вид центробежного насоса типа Х-Е я перекачивания легко застывающих органических веществ ифталин, диметилтерефталат и др.) с обогревом корпуса35. Всего пускается пять типоразмеров этих насосов:
Tiiiki размеры 11/2Х-4Е 2Х-4Е 4Х-9Е ЗХ-4Е ЗХ-12Е
1 (рои пзодителыюсть, м'/ч 8,65 19,8 19,8 45 45
Напор, м ....... 35,5 61,6 18 108 21,2
Потребляемая мощ- 1(ОС1Ь, квт 4,5 11 4,5 32 8
159
Производительность центробежных насосов можно регулировать
при помощи клапанов, установленных на нагнетательных линиях или на байпасах.
Если не представляется возможным выбрать центробежный насос с требуемой высотой напора, применяют поршневые насосы. Дозировочные поршневые насосы
Рис. 43. Мембранный насос:
/ — мембрана; 2 — цилиндр масляного поршневого насоса, приводящего в движение мембрану; 3 —узел регулирования производительности; 4~ масляный насос.
и агрегаты используют для дозировки жидкостей (точность дозировки не превышает ±2,5%).
На рис. 43 показан мембранный насос, рассчитанный на давление до 1000 кгс1см2 и регулируемый расход в пределах от 0 до 300 л/ч. Детали насоса, соприкасающиеся с жидкостью, могут быть изготовлены из любого материала, устойчивого к коррозии 39,
На рис. 44 дана схема бессальникового шлангового насоса фирмы «Ladendorf» (ФРГ) производительностью до 16 л!ч.
Рис. 44. Схема шлангового насоса:
1 — шланг; 2 — направляющая; 3 — вращаю щиеся ролики.
Н. А. Бакланов применял подобный насос для дозировки пасты в сушильный аппарат40. Насос Бакланова со шлангом внутренним диаметром 10 мм имел производительность 4 л!ч\ высота всасывания 1,5 м, нагнетания 3 м.
Винтовые насосы применяют для перекачивания суспензий и паст. Н. А. Бакланов40 испытывал эти насосы при транспортировании тиксотропных паст, способных разжижаться при механическом воздействии (например, перетирании при прохождении через винтовые насосы). Начальная влажность паст составляла 50±5%'.
160
Ня 1кость этих паст резко уменьшается при увеличении влажности и скорости движения пасты. Испытывались винтовые насосы типов НИМ 18x2 и ВНЗ-5 производительностью соответственно 18—20 и ' ч3/'ч, обеспечивающие напор соответственно 50—80 и 30 м вод. ст.
Оба насоса отличаются большой высотой всасывания (до 8 м вод. ст.) и могут перекачивать пасты, содержащие частицы размером не более 6 мм. Поэтому перед насосом устанавливают лопушку для крупных примесей.
На рис. 45 показаны схема перекачивания пасты винтовым насосом ВНМ-18Х2 и конструкция ловушки. Винтовые насосы могут работать при уменьшенной производительности, достигаемой
Рис. 45. Перекачивание пасты винтовым насосом ВНМ-18Х2:
4J-схема перекачивания; б — конструкция ловушки; / — приемник пасты; 2 — всасывающий трубопровод; 3 — ловушка; 4 — насос; 5 —сетка.
< нижением числа оборотов (при этом напор практически не меняется) . Для перекачивания паст предложен также поршневой насос нестандартной конструкции и насос типа 21/2НФ с заменой стандартного рабочего колеса специальным.
Нежелательна установка групповых насосов, обслуживающих дна и более агрегатов непрерывного действия, лучше предусмотреть для каждого агрегата индивидуальный насос. Это особенно важно рп перекачивании расплавов щелочей и солей, а также застывающих органических жидкостей. В процессе эксплуатации легче сде-дип> временную перемычку между двумя насосами, чем обслужи-ьпт1> десятки единиц арматуры на постоянной схеме, связывающей рп 1 насосов («на всякий случай»), В случае установки резервного Йпспса для замены рабочего (при выходе его из строя) также сле-исг ограничиваться минимумом арматуры.
И Зак. 500
161
МАШИНЫ ДЛЯ СЖАТИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГАЗОВ
К машинам этого класса относятся: компрессоры, нагнетатели и газодувки, дымососы, вентиляторы, вакуум-насосы. По типу исполнения их подразделяют на поршневые (сюда же относятся мем бранные), ротационные, центробежные, водокольцевые, эжекцион-ные; по назначению — на машины для компримирования и транспортирования воздуха, инертных газов, аммиака (в холодильных установках), машины для вентиляционных систем и специальные ма шины, являющиеся неотъемлемой частью технологического агрегата
Проектирование компрессорных установок для воздуха и инерт пых газов, холодильных и льдоделательных установок (а также* печных отделений) входит в обязанности энергетиков. Вентиляцион ные системы цехов проектируют сантехники (кроме систем для по глощения и регенерации газов и пыли, являющихся узлами технологических агрегатов). Технолог выдает задание на комплексное проектирование компрессорных станций, холодильных установок, печей и систем вентиляции. В задании энергетикам указывается потребность производства (или завода в целом) в сжатом воздухе, сжатом газе, хладоагентах, теплоносителях (водяной пар, ВОТ и др.)- В задании на компрессорные установки общего назначения указывают максимальный расход сжатого газа в каждом произвол стве (в м3/ч и м3/сутки)*, максимальное давление и максимальную температуру газа на входе в цех или аппарат, требования к качс ству газа (влажность, допустимое содержание пыли, примесей, масла и т. п.), график потребления сжатого газа.
При составлении этого графика необходимо выявить агрегаты-с постоянной и периодической потребностью в газе (на продувку, передавливание и т. д.). При этом нельзя просто суммировать все расходы; следует учитывать, что при периодическом потреблении воздуха или газа одновременное расходование его во всех аппара тах невозможно.
В одном из проектируемых производств предусматривался расход сжатого воздуха иа передавливание реакционной массы из 10 аппаратов емкостью 6 л1 каждый (20 передавливаний в сутки), иа продувку четырех фильтрпрессов (8 продувок по 2 ч каждая) и на приведение в действие системы КИП й средств автоматизации (СА).
Непрерывный расход (иа приведение в действие КИП и СА) составлявi I м?!ч (или 24 м3/сутки). Периодический расход на передавливание равен 20 X 6 X 4 X2 = 960 м3! сутки (где 4 — коэффициент приведения объема газ,, с 3 ат к нормальным условиям, 2 — коэффициент, учитывающий потери газа через неплотности и продувку линии до и после передавливания).
На продувку четырех фильтрпрессов в сутки расходуется 8X8X4 = =256 м3/сутки (где 8 м3— расход на одну продувку, 4 — коэффициент приве дения объема газа с 3 ат к нормальным условиям).
Таким образом, суммарный расход сжатого воздуха составит:
24 + 960 + 256 = 1240 м31 сутки
Среднечасовой расход будет равен ~52 м3.
* Здесь и далее объем газа приведен к нормальным условиям (760 мм рг. ст. и 0°С).
162
При формулировании требований к качеству сжатого азота следует обязательно оговаривать предельно допустимое содержание и нем кислорода. Необходимо помнить, что азот, содержащий даже 8% О2, не поддерживает горения, поэтому обычное содержание до 2% О2 в азоте, полученном в качестве отхода на кислородных установках и используемом для передавливания ЛВЖ, вполне допустимо. Требование специальной очистки азота до содержания и нем кислорода менее 2—0,5% должно быть обязательно обосно-1П1НО технически и экономически.
Машины, входящие в технологические агрегаты, выбирают технологи. Производительность машины и давление газа (разрежение) определяют, исходя из результатов расчета основного аппарата — химического реактора или агрегата, предназначенного для проведения физико-химических процессов. Для определения давления (разрежения) необходимо обязательно рассчитать сопротивление газопроводов.
Прежде всего необходимо решить вопрос о количестве агрегатов, обслуживаемых одной машиной. Как правило, при непрерывных процессах каждый агрегат обслуживается отдельной машиной. В этом случае исключаются возмущения в подаче газа, неизбежные при обслуживании одной машиной двух и более агрегатов. Если одпа машина подключена к двум агрегатам, ее производительность юлжна быть рассчитана на одновременную работу обоих агрегатов При остановке одного из них расход газа снижается вдвое.
Даже при помощи систем автоматического регулирования нель-I мгновенно уменьшить в два раза подачу газа в действующую петому. Запаздывание будет тем больше, чем больше амплитуда возмущения, т. е. чем больше отличается новый (уменьшенный) расход газа от номинального. Это запаздывание вызовет возмущение в самом аппарате (что может привести к уносу жидкости, катализатора или частиц материала из аппарата, работающего в ре-| нме кипящего слоя), изменение температуры в зоне реакции и т.д. Уменьшение мощности при снижении нагрузки машины приводит к па тению ее к. п. д., и это может вызвать перерасход электроэнергии, вибрацию движущихся частей, повышение уровня шума и др. При работе машины в нормальном режиме распределение потока на два и более агрегата вызывает необходимость увеличения давления п из, связанного с дополнительным сопротивлением (датчики, регулирующие органы, колена, тройники, увеличение длины газопрово-».ж) Точность регулирования расхода газа при низком давлении по обычно не превышает ±5%, а при высоком находится в преде-я t ±2,5% • В периодических процессах целесообразно предусматривать одну машину для обслуживания нескольких аппаратов. Газ пдастся в магистральный кольцевой газопровод, из которого по Ире надобности отбирается в каждый аппарат. Количество газа И(меряется местными приборами (чаше всего ротаметрами), уста-пп кчшыми на ответвлениях от магистрали к аппаратам. Произво-Лин-.тыюсть машины определяется графиком потребления газа.
и
«63
При составлении этого графика не следует завышать коэффициенты неравномерности. Установка машин, обслуживающих несколько аппаратов периодического действия, недопустима при необходи мости создания глубокого вакуума (остаточное давление менее 10-Л4Л1 рт. ст.). Потери вакуума из-за подсоса во фланцах и сопро тивлений труб и арматуры могут привести к тому, что необходимое разрежение не будет достигнуто ни в одном аппарате. В этих случаях следует устанавливать индивидуальные вакуум-насосы.
На одном химическом предприятии иасосы для создания глубокого вакуума разместили в машинном отделении, на расстоянии около 100 м от потребителей. Все три вакуум-насоса были объединены общим газопроводом, от которого шли пять линий к потребителям. На этой системе было установлено 15 вентилей. После опробования пришлось демонтировать всю систему, перейти на индивидуальное обслуживание аппаратов и разместить все вакуум-насосы, установив еше два, в непосредственной близости к потребителям.
Индивидуальные вакуум-насосы для аппаратов периодического действия необходимы и в тех случаях, когда возмущения в системе (резкие изменения остаточного давления) могут привести к нежелательным последствиям. Так, при внезапном уменьшении вакуума в гребковых сушилках типа «Венулет» может повыситься температура, что приводит к ухудшению качества или порче продукта. Поэтому сушилки данного типа поставляют в комплекте с индивидуальными вакуум-насосами.
Компрессоры. К компрессорам относятся машины, повышаю щие давление газа на 0,8—1 ат и более. Машины, повышающие избыточное давление газа от 0,1 до 0,8—1 ат, составляют группу газодувок и нагнетателей. Перепад давления до 0,1 ат создается вентиляторами. В химической промышленности применяют порш невые, ротационные и центробежные машины для сжатия (разрежения) газов41.
Выпускаемые в СССР поршневые машины разных марок обес печивают повышение давления газа на 4—320 ат и могут компримировать различные газы, например воздух, пропан (тин 2СГХ20 — до 11,5 м3/мин и до 20 ат), водород (тип 2СГ608—до 13м3/мин и до 60 ат). Производительность компрессора типа 6М40 320/320 для сжатия азото-водородной ‘смеси и синтез-газа 42 достигает 310 м3!мин, развиваемое давление 320 ат, мощность электродви гателя 5000 кет. Общий вид компрессора представлен на рис. 46.
Минимальная производительность серийных поршневых комп рессоров при сжатии водорода составляет 0,8 м31мин, при сжатии воздуха — 8,7 м3!мин. В зависимости от развиваемого давления машины имеют 1—3 ступени сжатия. Выпускаются также мембранные поршневые компрессоры на давление до 200 ат.
Ротационные компрессоры Сумского машиностроительного завода марок РК, ДРК и РСК для сжатия воздуха и неагрессивных газов со стальными и пластмассовыми пластинами рассчитаны на производительность 22—50 м31мин и давление 2,5—6 ат.
Центробежные компрессоры применяют для сжатия воздуха,
<64
природного и коксового газов, сернистого газа, синтез-газа, хлора, окпслов азота, хлористого водорода, кислорода. Развиваемое давление— до 13,5 ат, производительность 30 5500 мъ!мин.
В настоящее время выпускаются компрессоры с дистанционным в соматическим управлением. Например, компрессоры Бессонов-< кого завода, развивающие давление до 60 аг (тип КВД-Г), мо-гут работать без наблюдения до 50 ч.
Если жидкостные насосы можно заказывать без санкции за-ш> ia-изготовителя (т. е. выбирать по каталогу), то для компрессоров требуется предварительное заполнение опросного листа (см.
Рис. 46. Компрессор типа 6М40-320/320 на оппозитных базах.
Приложение I). Правильное заполнение опросного листа и про-Ирка его заводом-изготовителем предотвращают крупные ошибки, пк как большинство компрессоров сконструировано, исходя из свойств конкретных газов, и не являются взаимозаменяемыми (например, водородный компрессор не может быть использован для компримирования воздуха, и наоборот).
Па рис. 47 показан мембранный бессальниковый компрессор, кип 6 приводит в движение поршень, размещенный в цилиндре 5. 1<>ри1сиь передает давление через масло мембране, зажатой между лигами 7 и 8. В результате возвратно-поступательного движе-Iл мембраны сжимается газ, входящий в клапанную коробку 1 ныходящий через клапан 2. Уровень масла контролируется • (mi помощи мерного стекла; утечка масла компенсируется при по-*>miii насоса 3. Как видно из рисунка, газ не соприкасается Г поршнем и сальниковой набивкой, что исключает его утечку и Ьгрязнение. Компрессор обеспечивает производительность 15 л«3/ч давление 15 ат. Мембраны должны быть выполнены из материала, не подвергающегося коррозии (сплавы на основе железа,
никеля, меди; пластические массы). Выпускаются также двухцилиндровые машины производительностью 60 м3)ч, создающие давление 15 ат, двухступенчатые (давление до 250 ат), трехступенчатые (давление 2000 ат).
Нагнетатели, газодувки, вентиляторы. Нагнетатели и газодувки типа ТВ-80-'/г развивают избыточное давление до 0,8 ат при производительности 5000 м3/ч и выше. Газодувки типа РГН рассчитаны на избыточное давление 0,3—0,5 ат и производительность 60— 1500 м3/ч. Эти газодувки могут
выпускаться во взрывобезопасном исполнении (тип ГРБ).
Черкасский завод освоил выпуск бессальниковых газоду вок типа ГРЦ-А5-2, производительность которых 50 м3/ч,
с повышением давления до 0,5 ат. Газодувка имеет две ступени сжатия, мощность экранированных электродвигателей 3 кет. Конструкция машины аналогична конструкции насосов типа ЦНГ и ХВГ. Нагнетатели и газодувки могут быть использованы и для создания вакуума. В этом случае перепад давления принимают на 20% меньше номинального (например, для газодувки типа ГРБ). Повышенное давление (по сравнению с создаваемыми вентиляторами) создается газодувками,
Рис. 47. Мембранный бессальниковый компрессор:
1 — всасывающий клапан; 2 — нагнетательный клапан; 3 —насос для масла; 4 —ограничитель; 5 — цилиндр для поршня; б — шкив;
7, 3 —плиты.
как правило, за счет повышения числа оборотов ротора (например, газодувка TB-8O-V2 работает при 3000 об!мин). Для обеспечения производительности 5000 м3/ч при максимальном перепаде давления требуется электродвига
тель мощностью 40 кет. Повышенное число оборотов ротора вызывает усиление шума (до 80 дцб от одной машины). Поэтому, прежде чем применять газодувки с большим числом оборотов ротора,
технолог-проектировщик должен тщательно проверить, является ли заданное давление газа достаточно обоснованным.
Метод расчета напора вентиляторов и газодувок приведен в альбоме оборудования «Сантехцроекта»43. В этом альбоме дан перечень коэффициентов, применяемых при расчете сопротивления
газопроводов.
Например, поправочный коэффициент К на материал для стали, пластмассы, асбоцемента равен 1,1, для остальных материалов К •= 1,15,
166
При определении напора вводят поправку Н на нестандартные условия (за • i шдаргные принимают воздух при 20°С и 760 мм рт. ст.):
H = HV
/273 + /
\ 273
760 М
Р ‘ Рв/
(До //р — расчетный напор, мм рт. ст.;
t — температура газа, °C;
Р— давление газа на всасе, ммрт. ст.;
(> и рг — соответственно плотность воздуха и газа при 0° С и 760 мм рт. ст.
Для запыленных газов и сетей пневмотранспорта
Я=1,1Яр(1+Я'М)
(де К'— коэффициент, полученный опытным путем;
М — содержание пыли в газах, %.
При определении мощности электродвигателя принимают поправку на к. п. д. передачи: 0,9 — для плоского ремня; 0,95—для клиноременной передачи; 0,98 — я муфты и 1,0 — при креплении ротора на одном валу с электродвигателем. 1'гн'рв мощности электродвигателя принимается от 1,1 до 1,5 (1,5—для маломощных двигателей, 1,1^ для двигателей мощностью свыше 15 кет). При расчете мощности электродвигателей вносят поправку на температуру окружающей среды. Так, при температуре воздуха в помещении t = 40° С величина этой попрании равна 1,1, при i = 50° С она возрастает до 1,25.
Па одном из заводов проектным отделом была предусмотрена установка i‘0 сушилок с индивидуальными воздуходувками для сушки материала в кипящем слое. По заданию конструкторов сушилки должны быть предусмотрены пе-Кпад напора 0,3 ат (3000 мм вод. ст.) и производительность воздуходувки 10 м3/ч. Машина должна была создавать в агрегате вакуум. Этим условиям к ншлетворяла только газодувка типа ТВ-80-1/2 с двигателем мощностью 40 кет. Мощность двигателя и возможность использования газодувки для создания ва-пума при перепаде давления 0,3 ат были подтверждены заводом-изгоговителем. Установка 20 газодувок этого типа в общем помещении с сушилками была не-®елагельна из-за сильного шума, создаваемого ими. Вынос газодувок в отдель-В стоящее здание привел бы к удлинению газопроводов, повышению сопротив- |ня системы, увеличению мощности электродвигателей (примерно до 50 кет) (ухудшению условий обслуживания сушилок.
Основываясь на опыте эксплуатации аналогичной сушилки и исходя из ми-мальной протяженности газоходов, проектировщики пересчитали гидравли-i кос сопротивление системы и пришли к выводу о возможности снижения рспада давления с 3000 до 700—980 мм вод. ст. при производительности 1Ю 7000 м3/ч. Новым данным удовлетворял центробежный вентилятор ЦВ-18 8 лубенского завода «Комсомолец» (рабочая характеристика машины прнве-I па рис. 48). Потребная производительность вентилятора соответствует кшмальпому к. п. д., что обеспечивает минимальный уровень шума при pain машины. Скорость вращения ротора составляет 2300—2500 об/мин, мощ-гь двигателя 28 кет. Опыт эксплуатации первого производственного агрегата, мчавшего вентиляторы ЦВ-18, подтвердил правильность расчетов.
Вентиляторы применяют для обеспечения перепада до О лш вод. ст. Они выпускаются отечественной промышленностью любом антикоррозионном и взрывобезопасном исполнении. Вы-р их производится аналогично выбору газодувок.
Вакуум-насосы. В СССР серийно выпускают вакуум-насосы че-|н*х типов: ротационные, водокольцевые, поршневые и паро-। кционные.
Ротационные вакуум-насосы типа РВ и РВН (Сумского завода) сильными и пластмассовыми пластинами для воздуха и не-рисивпого газа рассчитаны на производительность 6—60 м3/мин
167
и разрежение 60—90%. При кратковременной работе и снижении производительности они могут создавать разрежение более 90%.
Водокольцевые вакуум-насосы (ВВН) широко применяются в химической промышленности для создания разрежения в пределах 40—80%. В отдельных случаях при небольшом расходе воздуха и использовании охлажденной воды эти насосы могут развивать в системе вакуум до 98—99% (остаточное давление порядка
Рис. 48. Рабочая характеристика центробежных вентиляторов высокого давления типа 1ДВ-18 (лубенского завода «Комсомолец»).
10 мм рт. ст.)-, однако к. п. д. машины в этом случае резко снижается. Производительность насосов типа ДВВН-150 составляет 160 м3/мин, для насоса ВВН-50 она равна 50 м?1мин. Максимальное разрежение 90% при закрытом вентиле на всасывающей линии.
Насос типа ФВВН-11 может быть изготовлен из пластмассы (например, фаолита) и создавать максимальное разрежение до 95%. Некоторые типы водокольцевых вакуум-насосов применяют для работы с ацетиленом (ВГ-50) и с парами уксусной кислоты (ВВН-50Н).
Для защиты от коррозии вакуум-насоса, выполненного из обычной стали, между ним и аппаратом, в котором создается вакуум, устанавливают ловушку, заполненную раствором нейтрализующе-
168
г агента (соды, едкого натра). Сопротивление системы при этом увеличивается на 1000—1500 мм вод. ст. (разрежение 10—15%). Ловушка типа барометрического конденсатора смешения создает ничтожно малое сопротивление, но эксплуатация ее связана со сбросом загрязненных сточных вод. Поэтому такую ловушку устанавливают перед вакуум-насосами лишь в тех случаях, когда дожигается максимальное разрежение, которое может создать насос.
Поршневой вакуум-насос марки ДВНП-6 — двухступенчатая Мишина, обеспечивающая остаточное давление 0,3 мм рт. ст. при закрытом вентиле и 10 мм рт. ст. при производительности 360 м3/ч. I го широко применяют в системах перегонки и дистилляции высо-нокипящих органических жидкостей.
Принцип действия пароэжекционных насосов основан на том, ио при дросселировании рабочего пара увеличивается его кинетическая энергия, сообщаемая всасываемому газу. В результате г» । сжимается, причем средняя степень сжатия в каждой ступени влнна трем44. Следовательно, при остаточном давлении в системе, , анпом 10 мм рт. ст., во второй ступени оно повышается до 30, л третьей до 90 и в четвертой 44 до 270 мм рт. ст. Пароэжекционный насос марки НЭВ-8 X 5 обеспечивает остаточное давление в системе порядка 5 мм рт. ст. при производительности 8 кг/ч воздуха.
Производительность пароэжекционных насосов должна быть рассчитана на отсасывание газов, выделяющихся из реакционной Ьассы, воздуха, выделяющегося из воды в барометрическом кон-нпсаторе (из 1 м3 воды J0,l—0,25 кг воздуха), и воздуха, засасы-I ч'мого через неплотности (через 1 пог. м. прокладок в систему проникает 0,1—0,2 кг/ч воздуха).
Так, при работе обычного четырехступенчатого вакуум-насоса производи-I п.постью 8 кг/ч воздуха при остаточном давлении 5 мм рт. ст. расходуется о 8 м3/ч воды и 140 кг/ч пара. Из воды в систему попадает 0,6—1,5 кг/ч воз-• (соответствует 6—15% мощности иасоса). При большом количестве про-Бл.т«к (до 20 пог. м.) они будут пропускать 2—4 кг/ч воздуха (соответствует 10% мощности). Следовательно, на отсасывание реакционной массы расхо-Бггся примерно половина производительности насоса. Поэтому пароэжекцион-Кй насос глубокого вакуума должен обслуживать один аппарат и устанавли-• |.с>| на минимальном расстоянии от него.
Во всех случаях, где возможно, фланцевые соединения в ва системах, обслуживаемых пароэжекционными насосами, необходимо заменять сварными. Арматура в таких системах должна Выы> бессальникового типа. При применении холодной воды эти и н осы могут обеспечить и более глубокий вакуум (остаточное Кнлспие 3 мм рт. ст. при температуре воды 10°С). Если отсасы-Бесмые из системы газы вызывают коррозию стали и чугуна, причт ншот фарфоровые пароэжекиионные насосы.
Установка пароэжекционных насосов в комплекте с поршне-•ымп пли водокольцевымп со снижением числа ступеней приводит [ шачительному сокращению расхода воды и пара. Так, насос । ill Я X 5, работающий в комплекте с поршневым или водоколь-| ым насосом, расходует всего 58 кг/ч пара давлением 5 ат при
169
158°С (вместо 140ка/ч) и 5,4л!/ч воды при напоре 0,5 ат и температуре не выше 27° С (вместо 8 м3/ч). При самостоятельной работе пароэжекционного насоса этого типа расходуется 140 кг/ч пара и 8 м3/ч воды.
Преимущество подобного решения заключается в том, что первоначальное понижение давления в системе с 760 до 50—• 100 мм рт. ст. происходит в несколько раз быстрее. Поскольку производительность пароэжекционных агрегатов невелика, одна машина для создания форвакуума (отсасывания основной массы га зов) может обслуживать несколько пароэжекционных насосов типа НЭВ.
Глубоковакуумные пароэжекционные установки применяются также для получения холода. При остаточном давлении 5 мм рт. ст. можно охладить воду до + Г С, а при давлении 1 мм рт. ст. снизить температуру холодильного рассола до —17,3° С. Для получения примерно 7,7 м3 воды, охлажденной до +2° С (начальная температура охлаждаемой воды 15°С), расходуется 380 кг/ч пара при давлении 4 ат и 28 м3 воды.
Выше были рассмотрены главным образом вопросы надежности машин и их соответствия необходимым параметрам. Этот показатель является решающим при выборе той или иной машины. Никакие экономические преимущества не могут окупить убытков, связанных с внезапным выходом ее из строя. Сравнение экономических показателей машин разных типов возможно только при одинаковой степени надежности. Основными критериями для такого срав нения являются следующие (в руб./год):
амортизационные отчисления, к которым прибавляется плата за основные фонды;
расходы по обслуживанию машины. В этой статье учитываются заработная плата аппаратчика, машиниста, отчисления по соцстраху и т. д., отнесенные на одну машину. Так, для автоматически управляемых машин (например, компрессора КВД-Г) затраты труда машиниста за двое суток составляют всего 1 ч;
энергетические затраты;
потери продуктов через неплотности;
доля затрат на все установленные машины в суммарной себестоимости готовой продукции.
Если какие-либо из затрат (например, стоимость обслуживания машины или потери продуктов) равноценны для разных типов машин (что может быть выявлено из рассмотрения их конструкций и характеристик), то эти затраты не определяют и не учитывают при сравнении. Расчеты не делают и при очевидных преимуществах одной из машин.
При выборе крупных машин (например, компрессоров для син тез-газа с электродвигателями мощностью 5000 кет) проводят экономическое сравнение их с серийными отечественными и зарубежными образцами. При выявившемся крупном экономическом эф фекте одной из новых машин проектировщики имеют право
170
поставить вопрос об ее импорте или об освоении производства машин новой серии.
В заключение следует отметить, что разработка конструкций новых типов машин и станков ведется только машиностроительной промышленностью, на основе унифицированных узлов и деталей. Исходные задания, которые составляют технологи, должны быть строго обоснованы технически и экономически.
Попытки конструирования таких машин организациями химической промышленности приводят, как правило, к ненужным за-|ратам. В СССР выпускается большое число типоразмеров машин для химической промышленности, что в подавляющем большинстве ыучаев позволяет выбирать их по каталогам.
Основной критерий при выборе насосов, компрессоров, вакуум-ii.icocoB, газодувок, вентиляторов — надежность их конструкции в условиях эксплуатации проектируемого технологического процесса. I in определения степени надежности технолог должен ознако-
мшься с результатами эксплуатации машин на химических заво-
i.ix, с их конструкцией и качеством материалов, из которых выполнены все детали. При одинаковой степени надежности выбирают н.шболее экономичную машину.
Требуемые параметры машины определяют технологи. При
•к>м они должны учитывать, что в пределах рабочей характери-। тики машины допускаются большие колебания производительно-| гн п развиваемого давления (разрежения). Поэтому не следует
। щвать искусственных резервов мощности машин. Желательно, гибы проектный режим соответствовал максимальному к. п. д. (для «которых видов газодувок и вентиляторов максимальный к. п. д. иннетствует низшему уровню шума). При выборе машин следует омывать требования техники безопасности и охраны труда.
ГЛАВА 8
ТЕПЛООБМЕННАЯ АППАРАТУРА
(
Теплообменную аппаратуру по конструктивном)' оформлению можно подразделить на две группы: встроенную в аппараты и отдельно стоящую. К встроенным теплообменникам относятся рубашки, змеевики, электронагреватели в химических реакторах, трубчатки в выпарных аппаратах, кипятильники в кубах колонн. Такие теплообменники являются частями аппаратов и выбираются по нормалям на эти аппараты, либо конструируются вместе с ними (при индивидуальном изготовлении). К отдельно стоящим теплообменникам относятся холодильники, конденсаторы, нагреватели и испарители, соединенные с аппаратами газовыми и жидкостными трубопроводами. Такие теплообменники, как правило, выбирают по каталогам машиностроительных заводов.
Для выбора теплообменников технолог должен в первую очередь определить их производительность и температурный режим.
Так, производительность отдельно стоящего дефлегматора колонны непрерывного действия для ректификации этилового спирта равна:
Q = (Од + бф.) [205 + 0,8 (80 - 75)]
где GA — производительность колонны по дистилляту, кг/ч;
бф — количество флегмы, возвращаемой в колонну, кг/ч\ 205 — теплота конденсации спирта, ккал/кг-, 0,8 — теплоемкость спирта, ккал/кг град-,
80 — температура конденсации спирта, содержащего 86,3 вес. % С2Н5ОН, °C;
75 — температура, до которой спирт охлаждается в дефлегматоре, °C.
При 6Д = 1000 кг/ч и Оф = 1500 кг/ч величина G = 522 500 ккал/ч.
Следующим этапом работы является выбор материала для теплообменной поверхности с учетом коррозионных свойств продукта. Конструкционный материал должен быть достаточно теплопроводным, чтобы можно было пренебречь его термическим сопротивлением. К таким материалам относятся эмалированная сталь, графит и композиции на его основе (например, антегмит). При применении ребристых труб, а также плиток из антегмита (укладываемых на теплопроводных замазках), стекла, керамики в тепловом расчете аппарата следует учитывать термическое сопротивление этих
in
И.Нсриалов. Если при расчете поверхности теплопередачи не учи-|М1>аегся термическое сопротивление стенки, то в конце расчета и обходимо ввести коэффициент на рассчитанную поверхностьтеп-опередачи. Для стали, никеля, сплавов на его основе и для графим этот коэффициент равен 1,02—1,08; для меди (и сплавов на »с основе) — 1,01—1,03; для свинца, эмалированной стали и чугу-• | 1,10-—1,25 (в зависимости от толщины стенки).
I ретьей стадией проектирования теплообменников является выбор теплоносителя и определение коэффициентов теплопередачи. II ыктический интерес представляют значения коэффициентов теп-опередачи, найденные для некоторых процессов органического i нпгеза.
Ниже приведены значения коэффициентов теплопередачи К для Производства хлорбензола, полученные опытным путем [здесь и й.цс К в ккал/м2 • ч~ град)]:
К
От воды к конденсирующемуся бензолу в дефлег-
маторе колонны............................. 400
К конденсирующемуся хлорбензолу в дефлегматоре колонны................................... 300
То же, через 20—25 суток после отложения на внутренней поверхности осадков............... 200—300
В производстве стирола на одном из заводов установлены воз-Ппные конденсаторы. Коэффициент теплопередачи в них от воз-/ха к конденсирующемуся стиролу при скорости воздуха 2,5 м/сек шеи 25 ккал/(м2 • ч•град), а при скорости 6 м/сек К находится пределах 126—134 ккал/ (м2 • ч • град).
Коэффициенты теплопередачи Кот реакционной массы к охлаж-нощей воде при нитровании бензола9 составляют:
к
В рубашке нитратора............... 118
» змеевике » ............. 570
» спиральных холодильниках .... 350 —375
Коэффициенты теплопередачи9 К от реакционной массы охлаждающей воде в процессе нитрования хлорбензола при разгонов скорости воды w (в м/сек) имеют следующие значения:
w К
В змеевике........ 0,47 ПО
В рубашке........... 0,078 94
Ниже приведены коэффициенты теплопередачи на установках
•Пгфнкации анилиновой воды и вакуум-перегонки анилина и Вин шдина:
Аппараты Процессы Среда Теплоноситель Разность температур, °C К
Кожухотрубные ( Охлаждение Конденсирующиеся Вода 76 128
дефлегматоры (холодильники) пары анилина 31
То же 146
То же и пары 40 54
ВОДЫ
Змеевиковые кон- То же То же 24,5 72
денсаторы-холодильники Жидкий анилин 12,5 67,7
Змеевики куба Нагревание Кипящий о-анизи- Коиденсиру- 24,5 430
дин юшийся во-
дяной пар
То же, в вакууме Кипящий анилин То же 81 474
Кожухотрубный Нагревание Кипяшая анилино- 19,5 560
КИПЯТИЛЬНИК вая вода
Трубчатый кон- Охлаждение Конденсирующиеся Вода 21 1335
деисатор пары о-ан из иди -на
ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ХЛАДОАГЕНТЫ Вода и водяной пар
Пресная вода рек, озер, запруд до подачи в теплообменную аппаратуру подлежит отстаиванию и фильтрованию, поскольку взвешенные в воде ил, песок и другие механические примеси засоряют поверхность теплообмена, значительно снижая коэффициенты теплопередачи. Так, на одном из заводов, использовавших неотфильт-рованную Днепровскую воду, приходилось каждый месяц чистить теплообменники при помощи стальных ершей и подавать охлаждающую воду не в межтрубное пространство, как принято на практике, а в трубки.
Начальная температура пресной воды в зависимости от климатических и погодных условий и характера рек (горные, равнинные) колеблется от 4°С (подледная) до 30°С (летом в южных районах). Минимальную разность температур воды охлаждаемой среды обычно принимают за 10° С. Пресная вода из глубинных скважин выходит на поверхность при температуре 8—10° С. Как правило, она не содержит механических примесей. Если в глубинных водах растворены значительные количества солей кальция и магния, необходима специальная очистка или выпуск отработанной воды из теплообменников при такой температуре, при которой эти соли не выпадают в осадок.
Выходящая из теплообменников пресная вода, как правило, не сбрасывается в водоем, а поступает в водооборотный цикл, охлаж-
174
д ется воздухом в градирнях, отстаивается в прудах-накопителях, бассейнах и возвращается в производство. Температура воды из градирен примерно на 5° С выше, чем из водоема. Потери воды < водооборотных циклах составляют около 5%.
Вода используется также для нагревания реакционных масс, •огорые соприкасаются с поверхностью теплообмена, имеющей Температуру не выше 60° С.
Морская вода в Каспийском, Черном и Балтийском морях содержит 0,3—1,8% растворенных солей. У берегов и на поверхности соленость воды меньше, чем в открытом море и в глубине. Кроме того, в разных районах морей соленость воды неодинакова; например в западной части Балтики она составляет 1,1—1,3%, в восточной части 0,6—0,8%. Температура кипения морской воды на 0,1— 0.3° С выше, чем пресной, а температура замерзания на 0,4—1°С ниже. Морская вода также должна отстаиваться и отфильтровываться до подачи в аппаратуру.
Температура воды, охлажденной в пароэжекционных или аммиачных холодильных установках, должна быть не ниже 5° С. Перегретая вода может иметь температуру до 360° С (при давлении ||86 ат). Дистиллированная вода (конденсат) нагревается в специальных огневых печах и циркулирует по стальным цельносварным трубам (с минимальным количеством фланцев и арматуры) шсжду печью и нагреваемым аппаратом. Эти трубы вмуровывают и чугунный корпус аппарата или приваривают к его стенкам. Циркуляция воды осуществляется либо благодаря разности уровней аппарата и печи, либо при помощи специальных насосов. Такой способ обогрева применяется, например, в кипятильниках колонн Дистилляции фталевого ангидрида, оксидифенилов и в аппаратах Для синтеза некоторых марок сернистых цветных красителей (про-Ьсс «запекания») и др. В связи с внедрением высококипящих органических теплоносителей (ВОТ) применение перегретой воды для Логрева химической аппаратуры в промышленности органиче-гмпо синтеза сократилось.
Кипящая вода, применяемая для отвода тепла, далее поступает пд давлением в котлы-утилизаторы. Давление в котле зависит от Допустимой разности температур теплоносителя и реакционной шссы, заданной по условиям технологического процесса. Если эта юность не лимитирована, давление в котле принимают таким, что рпзующийся пар мог быть направлен в цеховые сети (избыточ-> давление пара 3 или 8 ат). Котлы-утилизаторы могут быть Ьроепными в реакционный аппарат (например, в контактные Бппраты с кипящим слоем катализатора) или выносными. Коэф-Ьппепт теплоотдачи от стенки к кипящей воде в котлах-утилиза-рвх. составляет 1750—5000 ккал/(м2 • ч • град) в зависимости от Ьметра труб, в которых происходит парообразование. Для пиония котлов-утилизаторов применяют паровой конденсат, что К|к>ляст избежать образования накипи на теплообменных по-п.хнос I ях.
175
Водяной пар — один из наиболее эффективных теплоносителей для нагревания реакционных масс до 165—170° С (при избыточном давлении 8 ат температура насыщенного пара ~175°С). Теплота конденсации пара при избыточном давлении 8 ат составляет 486 ккал/кг, коэффициент теплопередачи от пара к стенке 3 -103 — 10 103 ккал[ (м2 • чград) в зависимости от скорости движения пара, его давления и средней разности температур между паром и стенкой. Из турбин ТЭЦ, как правило, отбирают пар под давлением 3—5 и 8—9 ат. Пар более высокого давления (до 40 ат) отбирается непосредственно из паровых котлов. При использовании пара высокого давления требуются теплообменники специальной конструкции.
Типовые аппараты с теплообменной поверхностью до 500 ти2 рассчитаны на давление до 10 ат. При более высоком давлении (до 40 ат) применяют типовые теплообменники с поверхностью не более 20 JW2. В реакционных аппаратах пар высокого давления проходит по погружным или приварным змеевикам. Насыщенный пар давлением 20 ат имеет температуру около 200° С. Однако применение пара высокого давления также сокращается в связи с распространением высококипящих органических теплоносителей.
В некоторых случаях (например, в вакуум-вальцовых сушил ках для изопропил- и изобутилксантогенатов калия) применяется пар под давлением примерно 0,5 ат, конденсирующийся при 80° С. что позволяет вести процесс в мягких температурных условиях. Коэффициент теплоотдачи от вакуумного пара к стенке составляет 2000—6000 ккал/ (м2 • ч • град).
Водяной пар применяется и как хладоагент, если допустимо его смешение с реакционной массой. Достоинство такого способа охлаждения — отсутствие поверхности теплопередачи.
Лед и холодильные рассолы
Если в качестве хладоагента используют лед, то в зависимости от начальной температуры реакционной массы 1 кг льда при таянии отбирает 100—150 ккал тепла. При этом температура реакционной массы снижается до 0 — минус 5° С. К недостаткам применения льда следует отнести необходимость его дробления и транспортирования, что связано с большими потерями этого хладоагента. В последние годы выпускаются льдогенераторы, в которых полу чают чешуированный лед при —9° С. Ведется разработка конструк ций более совершенных льдогенераторов.
Для проведения низкотемпературных реакций используют чешуированный лед, получаемый в компактном автоматическом льдогенераторе непрерывного действия 45.
Льдогенератор представляет собой неподвижный цилиндр с двойной стенкой. Вода подается сверху в полый вращающийся вал (единственная подвижная де таль аппарата) с отверстиями и распределяется по полированной внутренней поверхности цилиндра в виде сплошной пленки. Здесь вода охлаждается,, отда вая свое тепло протекающему в пространстве между стенками цилиндра хладо
176
центу низкого давления (например, аммиаку). К вращающемуся валу крепится jiu-mr с рядом режущих приспособлений. Срезанный лед падает в расположенный под машиной бункер; попавшая в бункер вода отделяется ото льда и воз-•оипыется в систему. Процесс проводится непрерывно.
Чешуированпый лед поступает иа храпение в бункер вместимостью 27 т. Для поддержания температуры около —6° С стенки бункера снабжают тепло-«ютяцией (слой пенополиуретана толщиной 7,5 см) Загрузка льда в бункер и выгрузка производятся при помощи механических гребков. В случае переполне-Ння бункера ледогенератор автоматически выключается. В ходе эксплуатации >< i.iiioBKH было найдено, что добавление к воде небольшого количества пова-> иной соли (в соотношении соль : вода 30: 1 000 000) облегчает срезание льда | рабочей поверхности.
Рассолы применяют для охлаждения реакционных масел примерно до —30° С. Предварительно рассолы охлаждают на типо-|it.ix аммиачных и фреоновых установках, выбор которых относится к компетенции энергетиков.
Аммиачные холодильные установки состоят из трех основных i »лов: компрессора, конденсатора и испарителя. В компрессоре |ммиак сжимается максимум до 16 ат; в конденсаторе он охлаж-i ле гея до 30° С и сжижается, а в испарителе при давлении 1 ат , нова превращается в газ, имеющий температуру —30° С (при искрении в вакууме можно понизить температуру до —50° С).
Охлаждение путем испарения может происходить и непосред-ипенно в реакционном аппарате, но чаще всего испаряющимся ммнаком охлаждается промежуточный хладоагент (раствор :»i('l2, органический теплоноситель и др.), температура которого окпжается до минус 5-—минус 20° С. Холодопроизводительность ммиачной машины и ее к. п. д. тем больше, чем ниже температура ^межуточного хладоагента.
Для проектирования или выбора системы охлаждения технолог >лжен сообщить энергетикам не только необходимое количество иода, но и его параметры. Тогда энергетики смогут установить кп ветствующий режим работы для разных холодильных машин направить промежуточный хладоагент с разными параметрами I раздельным трубопроводам (например, хладоагенты при тем-рагурах —-10 и —30°С).
Гели реакционную массу требуется охладить с 70 до 5° С, можно лчала снизить ее температуру водой до 20—30° С, а затем охла-нь до +5°С рассолом (температура -—5°С). Холодопроизводи-лыюсть любых машин характеризуется стандартными парамет-1мн: температура испарения 6 =—15° С, температура конденса-II, = +30° С.
Высококипящие органические теплоносители (ВОТ)
В качестве ВОТ применяют органические жидкости, не раздающиеся при высоких температурах и не образующие смолистых I» иок па поверхности теплообмена. В промышленности органиче-.»<> синтеза часто используют эвтектическую смесь дифе- (26 вес. %) и дифенилоксида (73,5 вес.%), вызываемую
177
U 3«к. 50$
дифенильной смесью (ДФС). Температура ее застывания 12,3° С; термическая стойкость смеси до 380° С; другие ее свойства приведены в Приложении II. Одна из схем охлаждения контактного аппарата кипящей дифенильной смесью с рекуперацией тепла и автоматическим регулированием температуры в аппарате46 пока-
зана на рис. 49.
Температуру в контактном аппарате 1 можно легко изменить при помощи заслонки дроссельного вентиля 3, регулирующего сопротивление паров ДФС в трубопроводе. При повороте заслонки изменяется давление паров ДФС в
Рис. 49. Схема охлаждения контактного аппарата кипящей ДФС: 1 —контактный аппарат; 2— паровой котел-утилизатор; 3 — дроссельный вентиль (Fo — общая поверхность теплообменных трубок в котле; —поверхность, соприкасающаяся с жидкостью; Fn — то же, с парами; —изменение уровня конденсата).
межтрубном пространстве контактного аппарата 1. При этом уровень конденсата ДФС в котле-утилизаторе 2 тоже соответственно изменяется на высоту /гж, что в свою очередь приводит к изменению поверхности трубок, соприкасающихся с конденсирующимся паром, на величину Fm. Тепловое равновесие системы в новых условиях может быть сохранено только в результате значительного изменения разности температур между ДФС и кипящей водой в котле-утилизаторе, т. е. повышения или понижения температуры ДФС (и, следовательно, ее давления Р). При этом в контактном аппарате значительно уменьшается разность температур между парами ДФС и контактными газами, движущимися в трубках, что приводит к возрастанию (или' понижению) их температуры. В ре
зультате в системе устанавливается
новое равновесие, соответствующее заданной температуре в контактном аппарате.
Для увеличения температуры в контактном аппарате на 70° С при скорости паров ДФС в трубопроводе около 10 м/сек достаточно повернуть заслонку вентиля 3 на 30°. При этом уровень конденсата в
котле утилизаторе поднимется на 1 м и поверхность трубок, со-
прикасающаяся с парами ДФС, уменьшится примерно вдвое.
На рис. 50 приведена схема обогрева аппарата парами ДФС, а на рис. 51—схема обогрева жидким ВОТ на примере термо-
стабильного масла НТ.
178
Применение ВОТ вместо огневого обогрева, обогрева водяным В Миром высокого давления и электронагрева имеет ряд технико-| Экономических преимуществ 47. Эффективность огневого обогрева и Эбогрсва конденсирующимся паром ДФС показана в табл. 16.
В табл. 17 сравнивается стоимость рекуперированного тепла, В полученного при использовании различных теплоносителей.
Как видно из таблицы, электроэнергия относится к дорогим I пндам энергии. Поэтому в настоящее время электронагреватель-I ные печи редко применяются I для технологических нужд Вi промышленности органи- Ясского синтеза. Однако это Положение может изменить-I ся при дальнейшем сниже-I инн цен на электроэнер-
I шо.
Типовые котлы и котельные ДФС описаны в литера-пре48. При размещении котельных ВОТ следует учиты-
т
>6
6
1’пс. 50. Схема обогрева аппаратов парами ДФС:
I — парогенератор ДФС; 2 — горелка; топка; 4, 5—реакторы; 6 — сборник конденсата; 7 — циркуляционный II л сое; / — пар ДФС; // — конденсат ДФС при естественной циркуляции; /// —конденсат ДФС в случае принудительной циркуляции.
Рис. 51. Схема нагрева жидким термо-стабильиым маслом НТ:
1 — генератор тепла; 2 — регулятор температуры; 3—нагреваемый аппарат; 4 — дегазатор; 5 —расширитель; 6 — указатель уровня; 7 —питательная линия; 8 — обратный клапан; 9 — фильтр; 10 — спускной кран; 11 — иасос; 12 — бак; 13 — предохранительный клапан; 14 — манометры; 15 — редукционный вентиль; /6 —баллон с азотом.
значительно выше температуры
водя-раза боль-
•nib, что температура ВОТ
ого пара давлением 3—8 ат, а энтальпия примерно в два Меньше, поэтому и потери в окружающую среду значительно
к* при обогреве парами ВОТ. Это вызывает необходимость макси- ялыюго приближения к потребителям котельных ВОТ (что свя-•inio с их децентрализацией) и расчета производительности котлов 1 учетом теплопотерь. В отличие от водяного пара пары ВОТ мо-|\г проникать через прокладки, сальники и даже через сварные шпы Попадание паров любого ВОТ в атмосферу цеха может
179
Таблица 16. ЭффективНос-Гь огневого обогрева И нагревания парами ВОТ
[на примере лаковарочного котла емкостью 200 кг; средняя теплоемкость лака 0,5 ккалЦкг • град) ]
Показатели процесса Обогрев
огневой конденсирующимся паром ДФС
Температура, °C лака максимальная 280 280
лака за час до достижения максимальной температуры 250 230
теплоносителя на входе в котел 500 310
теплоносителя на выходе из котла 400 300
Средняя логарифмическая разность температур между теплоносителем и лаком при противотоке, °C Коэффициент теплоотдачи, ккал Км2 ч • град) от поверхности нагрева к нагреваемому лаку при перемешивании 185 43,2
100 100
от теплоносителя к стенке поверхности нагрева 18,5 1240
Толщина слоя сажи * и копоти на наружной стенке поверхности нагрева, мм 3 Нет
Общий коэффициент теплопередачи от теплоносителя к лаку, ккал!(м2 ч град) 8,7 93,6
Тепловая нагрузка поверхности нагрева, ккал К м1 -ч) 1610 4000
Количество тепла, переданного лаку, ккал/ч . . Продолжительность нагрева, ч ......... 32 200 60 000
8,2 4,4
* Коэффициент теплопроводности сажи 0,06 ккал/(м-наград).
Таблица 17. Стоимость 1 тыс. ккал рекуперированного тепла при использовании различных теплоносителей
Теплоноситель и вид обогрева Стоимость, коп. Количество полученного тепла, тыс. ккал Себестоимость 1 тыс. ккал, коп.
Водяной пар давлением 40 ат (1 т) ... 650 500 1,30
Электроэнергия (1 кет ч) 2 0,73 2,74
Пар ДФС, полученный прн сжигании 1 кг мазута (Qp = 10 000 ккал!кг) . 4 6 0,66
1 м3 генераторного газа (Qp = = 1200 ккал!м3) 0,8 0,78 1,03
1 м3 природного газа (Qp = — 6000 ккал/м3) .......... 2 3,9 0,51
180
Рис. 52. Зависимость Р == f (/) для некоторых теплоносителей:
/—ДФС; 2~ термофлюид; 3 — термостабильное масло
НТ марки С.
под названием термо-1 атм равна 370° С, а
Н- пп> отравление работающих и пожар. Поэтому проектиров-iv.iikii должны предусматривать минимальное количество фланце-Ьы\ соединений на трубопроводах для этих теплоносителей.
В производстве жиров змеевики в аппаратах, обогреваемых ц,п 1<>м НТ, выполняют из нержавеющей стали, в котлах — из угле-pt*. Ин гой стали. На трубах для ДФС применяют прокладки толщиной 0,5—1,5 мм из стали, алюминия, меди и паронита марки УВ; Ьмпачные вентили типов 15с-21нж и 15с-22нж; предохранительное клапаны типов 17с-4нж или 17с-5бр (в последних бронзовые тулки заменяют стальными); обратные клапаны типов 16с-13нж fe.ni 19с-30нж. Для жидкой и холодной . I <1»С применяют стальные бесшовные тру-ы, на которых устанавливают вентили iiii.i 15с-17нж, фланцы выполняют по |()( Т 1255—54.
Днтолилметан (ДТМ), также применяемый в качестве теплоносителя, представляет »боп смесь изомеров о- и п-дитолилметана <11 соотношении 70 и 30 вес. %). Темпера-I |>а кипения ДТМ при 760 мм рт. ст. со-иппляет 289°С (т. кип. ДФС — 255°С), । пл. равна 5°С (т. пл. ДФС—12,3°С). К недостаткам дитолилметана кактеплоноси-• >я следует отнести высокую токсичность нозможность осмоления недостаточно чи-iToi o ДТМ. В СССР разрешено применение Клько жидкого ДТМ под давлением, необ-щмым для его подачи в аппараты.
Во Франции применяют теплоноситель флюид, температура кипения которого при
ымпература застывания ниже —10° С. В качестве теплоносителей пользуют также термостабилы-юе масло НТ марки С, получаемое па основе арилсиликатов (т кип. масла 380°С, т. пл. —30°С); !> 1 раарилсиликат (ТАС) разных марок: в интервале температур Ь —40 до +150° С — марку ТАС-130; от—18 до +325° С — марку АС-160; от 10 до 325°С — марку ТАС-180. Все органосиликатные плоиосители применяются в жидком виде.
На рис. 52 в координатах Р — t показаны кривые для трех видон теплоносителей.
Другие теплоносители
В качестве высокотемпературных теплоносителей применяют ркже расплавы солей. Их свойства и применение описаны в ра-Всиах17’30. В отдельных случаях, например при получении изобу-МШепа из изобутанола, в качестве теплоносителя используют пары irryin (т. кип. при 760 мм рт. ст. равна 356,9°С; при 1342 мм до-< ПИ ист 390° С; при 1574 мм — 400° С; теплота испарения
59,3 ккал/г-атом, плотность 13,546 г/сл3). Из-за особой вредности паров ртути область их применения крайне ограничена.
В некоторых процессах теплоносителем служат топочные газы, получаемые в .огневых печах, выбор и конструирование которых производятся теплотехниками. Представляет интерес нагревание топочными газами с их рециркуляцией, применяемое, например, при обогреве змеевиковых реакторов для омыления хлорбензола в фенол раствором NaOH.
Нагрев топочными газами с их рециркуляцией применяют и в других процессах, где интенсификация теплообмена из-за увеличения разности температур нежелательна. Поэтому такой способ нагрева используют в аппаратах с большой поверхностью теплообмена. В частности, описана49 схема использования рециркуляции топочных газов для обогрева контактных аппаратов, в которых получают бутадиен.
Обогрев топочными газами с их рециркуляцией имеет следующие преимущества по сравнению с обычным обогревом этими газами: лучшее использование тепла газов, широкий диапазон температур нагрева, значительно лучшие условия теплообмена. Кроме того, установки для обогрева топочными газами с их рециркуляцией дешевы и просты по устройству.
Воздух. Воздух широко применяется в качестве хладоагента в вентиляционной технике и в градирнях для охлаждения воды (при прохождении через воду ненасыщенный влагой воздух испаряет часть ее; при этом вода охлаждается). В последнее время воздух в ряде случаев используют вместо воды в охлаждающих теплообменниках.
Так, пенное охлаждение пучков труб в теплообменниках50 осуществляется путем продувания воздуха через воду в межтрубном пространстве. При этом величины коэффициентов теплопередачи от воды, движущейся в трубах, к воздуху — того же порядка (или несколько выше), что и при жидкостном охлаждении. В то же время расход охлаждающей воды и стоимость поверхности теплообмена меньше (нет необходимости в использовании ребристых труб). Удельная поверхность фазового контакта в пене, образующейся на ситчатых тарелках, составляет около 800 м2/м5, в то время как при жидкостном охлаждении для пучка труб диаметром 25 мм при шаге между трубами 37,5 мм поверхность теплообмена равна всего 49 м2]ма.
Коэффициенты теплоотдачи от поверхности труб к воздуху увеличиваются вследствие того, что наружная поверхность труб смачивается непрерывно обновляющимися тонкими пленками жидкости, движущимися турбулентно, что обеспечивает улучшение условий теплоотдачи от наружной поверхности труб к пленке.
Для создания развитого турбулентного пенного режима критерий Рейнольдса должен находиться в следующих пределах:
= pude = 2(Ю0 _ 5000
И
182
не р и р — соответственно плотность и вязкость воздуха; и — скорость воздуха в отверстиях сетки диаметром d.
Кроме того, диаметр отверстий do в сетке должен составлять от 1,8 до 12,7 мм, а число отверстий на 1 м2 площади сечения тарелки при d0 = 2,8 мм должно быть не более 1100, а при d0 = 12,7 мм не более 550.
Сравнение теплоносителей
Теплоноситель выбирают, исходя из экономических и технологических предпосылок. При необходимости избегать местных перегревов реакционной массы, способной к образованию вязкой пленки или корки на внутренней стенке теплообменника, электрообогреву и обогреву топочными газами предпочитают ВОТ.
При отсутствии технологических требований к теплоносителю его выбирают, исходя из технико-экономического расчета. -
Мы рассчитали по общепринятой методике экономические показатели двух температурных режимов водяного охлаждения (1 и 2) и одного режима воздушного охлаждения (3). Расчет проведен Для завода, на котором стоимость 1 м3 воды составляет 2,3 коп., а электроэнергии 1,3 коп. за 1 квт-ч. Температура воды и воздуха, входящих в конденсатор, равна 20° С. Температура выходящей из пего воды для 1-го варианта составляет 30° С, для 2-го достигает 60° С; для 3-го варианта температура выходящего воздуха 40° С; температура конденсации охлаждаемой жидкости (конденсата) 75° С. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося продукта (спирта) к внутренней стенке теплообменника равен I000 ккал!(м2-ч-град).
Результаты расчета приведены в табл. 18.
Таблица 18. Результаты расчета теплообменников для трех вариантов охлаждения
Показатели I Варианты 2 3
Количество теплоносителя, м3/ч .... Поверхность теплообмена, м2 52 13 120 000
60 125 75 (850) *
родовой расход электроэнергии, тыс. кет • ч . . . . — — 80
поды, т/лг3 429 юз —
Отчисления на амортизацию теплообменника и оплата основных фондов, L руб./год 700 1500 5000
• тоимость воды, руб./год 9900 2400 —
Стоимость электроэнергии, руб./год . — — 1040
Г । > сравниваемых расходов, руб. . 12 400 7400 6040
• 75 — внутренняя; 850— внешняя (по ребрам).
183
Как следует из результатов расчета, предпочтительнее воздушное охлаждение. В приведенном примере принято, что ни теплоноситель, ни спирт не образуют на теплообменной поверхности осадков, затрудняющих передачу тепла. При наличии таких осадков необходимая поверхность теплообмена возрастает в 1,25—4 раза по сравнению с расчетной, а коэффициенты теплопередачи К в этих условиях могут быть приняты только по опытным данным. Чтобы избежать ошибок, значения К для охлаждения и нагрева реакционных масс сложного состава также следует принимать по опытным данным.
Экспериментальное определение коэффициентов теплопередачи с точностью, достаточной для инженерных расчетов, может быть выполнено на действующих производствах и на опытных установках.
НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ТИПОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Кожухотрубные теплообменники общего назначения51 выпускают нескольких типов:
TH — с жестким корпусом и неподвижными трубными решетками, поверхность теплообмена от 1 до 500 ж2;
ТЛ — с линзовыми компенсаторами на кожухе и неподвижными трубными решетками, поверхность теплообмена от 10 до 500 л2;
ТП — с плавающей головкой и жестким корпусом, поверхность теплообмена от 6 до 200 ж2;
ТЭ — одноходовые элементные теплообменники. Они компонуются из одноходовых теплообменников типа TH и соединяются «калачами».
Стандартные диаметры теплообменников, рассчитанных на давление от 2,5 до 40 ат, составляют 159 и 273 мм; теплообменники диаметром 400, 600, 800, 1000 и 1400 мм рассчитаны на давление 2; 5; 6 и 10 ат. Теплообменники изготовляют из стали марок Ст.З и Х18Н10Т. Теплообменники диаметром 159 и 273 мм выпускаются без крышек и могут быть соединены «калачами» в секции с любой поверхностью теплопередачи.
Теплообменники TH и ТЛ следует применять в тех случаях, когда не требуется механическая чистка межтрубного пространства, причем теплообменники TH работают при разности температур между стенками корпуса и труб не более 30° С, теплообменники ТЛ — при большей разности температур. Условия эксплуатации линзового компенсатора и максимально допустимую разность температур для данной конструкции определяют расчетным путем.
Нормальная работа компенсатора для горизонтальных тепло обменников обеспечивается применением подвижной опоры.
Теплообменники типа ТП (рис. 53) применяют при значительной разности температур между стенками корпуса и труб и более высоких давлениях, при которых нормализованные компенсаторы не обеспечивают расчетной компенсации деформаций и необходима чистка наружных поверхностей труб.
184
Стальные эмалированные теплообменники§1а выпускают двух типов: сосуд в сосуде с поверхностью теплообмена 2; 4; 5 и 10 м2, рассчитанные на внутреннее давление до 3 ат (рис. 54, а), и гиль-»оные с поверхностью 2 и 5 л2 (рис. 54, б). Выпускается также испаритель поверхностью 4,8 м2, рассчитанный на давление пара 5 ат.
Графитовые теплообменники52 в СССР выпускаются следующих типов: блочные (ТГ-Б), кожухоблочные (ТГ-КБ), кожухо-трубпые (ТГ-КТ), погружные элементы (ТГ-ПЭ), оросительные (II О), испарители графитовые блочные (ИГ-Б), абсорберы графитовые блочные (АГ-Б), абсорберы графитовые кожухотрубные (АГ-КТ). Теплообменники изготовляют из цельных блоков графита, пропитанного синтетической смолой, и из антифрикционного теплопроводного материала АТМ-1 (графитовый порошок, связующее — синтетическая смола).
Теплостойкость этих материалов достигает 170° С (при любых Колебаниях температуры). При давлении не выше 5 ат оба вида графитовых материалов не пропускают воздух, отличаются химической стойкостью к действию кислот и органических веществ (>фиры, дихлорэтан, толуол, бутандиол, этанол и др.). Они широко Ьспытаны в промышленности при охлаждении хлористого водорода смеси с бензолом и хлорбензолом, смеси НС1 и трихлорэтилена, при абсорбции водой НС1 в присутствии органических примесей и т. д. Графитовые материалы нестойки к действию сухого хлора, брома, иода, фтора, гипохлоритов, бихромата калия, хромового ангидрида, монохлоруксусной кислоты, растворов едкого натра.
Коэффициент теплопроводности пропитанного графита находится в пределах 80—100 ккалЦм • ч • град), для АТМ-1 он состав-лиет 30—35 ккалЦм • ч • град).
На рис. 55 показаны три типа графитовых теплообменников (кожухотрубный для одной агрессивной жидкости, кожухоблоч-»п i для двух агрессивных материалов и погружной элемент).
На рис. 56 показан разрез камерного графитового холодиль-
кнка для газов.
Промышленность выпускает до 100 типоразмеров графитовых
>< илообменников (минимальная поверхность теплообмена 0,6 м2, |цксимальная 114 м2). Они могут быть рассчитаны на одну аг-гссивную среду (стальной кожух), на две такие среды или на (зличные сочетания жидкостей и газов, а также на температуру ic i от —18 до 150° С.
Теплообменники следует выбирать по каталогу, определив и ровсрив условия, в которых они могут эксплуатироваться.
Спиральные теплообменники53 отличаются большими коэффи-нспгами теплоотдачи от жидкостей и газов к металлической гике, что обусловлено высокой скоростью движения в них жидко-
П и газов. Выпускаются одинарные теплообменники '(типа "|О) с поверхностью теплообмена 12, 15, 30 и 35 м2 и секцион-hi (типа СТС) из двух элементов с поверхностью теплообмена В, 30, 60 и 70 м2. Поверхность теплообменников третьего типа
185
Рис. 53. Теплообменник типа ТП: / — корпус; 2 — фланец; 3 —трубки.
Рис. 54. Стальные эмалированные теплообменники: а — типа сосуд в сосуде; б — гильзовый.
(( ТБ) зависит от числа секций аппарата. Рабочее (избыточное) дниление в трубах до 6 ат, рабочая температура до 145° С. Схема (•трального теплообменника показана на рис. 57. Такие аппараты
в
Рнс. 55. Графитовые теплообменники: ухотрубный: /, 2 — патрубки для входа и выхода воды; 3 — патрубок для входа иного реагента; 4, 5 —патрубки для выхода агрессивного реагента (газ и жидкость); б — кожухоблочиый типа ТГ-КБ; в — погружной теплообменный элемент ТГ-ПЭ.
•товляют из углеродистой и легированной сталей марок III3M2T и Х18Н9Т.
Пластинчатые теплообменники. На рис. 58 показан пластинча-1 ’•плообменникЕ4, в котором высокий коэффициент теплопе-чн достигается в результате быстрого протекания тонких к жидкости. Такие теплообменники собирают из стандартных
187
Рис. 56. Камерный графитовый холодильник для газов (пунктиром показаны стержни для крепления пластин).
гофрированных пластин с каналами по их углам, между пласти нами уложены резиновые прокладки. Пластины собирают на раме и прижимают к ней нажимной плитой, перемещающейся по двум направляющим стержням. Такие теплообменники можно легко разобрать и очистить.
В аналогичных теплообменниках, собранных из гофрированных пластин площадью по 0,5 м2, коэффициент теплопередачи между паром и жидкостью достигает 2300—2700 ккал/(м2 • ч град).
Воздушные теплообменники, несмотря на свою громоздкость, довольно экономичны. Выпускаемые теплообменники55 горизонтального типа состоят из трех секций с поперечными ребрами на каждой трубке. Количество ходов в теплооб менпиках от 1 до 8, число рядов труб в каждой секции — от 4 до 8. Общее количество труб в секции 94 (4 ряда), 141 (6 рядов), 188 (8 рядов); количество труб в аппарате соответственно 282, 423, 564, длина труб 4 и 8 м. В табл. 19 приведены поверхности теплообмена каждой секции и всего аппарата.
Для подачи воздуха при каждом аппарате установлен вентилятор типа ЦАГИ УК-2М (диаметр колеса 2800 мм, число лопастей 8, скорость вращения 213 или 426 об/мин)
В зависимости от количества подаваемого воздуха (до 600 000 м3/ч) и напора (до 50—60 кге/м2) потребляемая мощность колеблется от 3 до 50 кет.
Воздушные теплообменники изготовляют из различных мате риалов: чугуна, двухслойной стали, углеродистой и легированных сталей, алюминия, латуни. Расчетная температура от 100 до 475° С,
Таблица 19. Техническая характеристика воздушных теплообменников
Количество труб в аппарате Длина трубы, м Внутренняя поверхность теплообмена, м2 Наружная поверхность теплообмена, м2
одной секции всего аппарата одной секции всего аппара i .1
282 4 25 75 300 850
8 50 150 600 1800
423 4 37 111 425 1250
8 74 222 850 2500
564 4 50 150 600 1800
8 100 300 1250 3550
(88
1565
Паро-газовая смесь
Рис. 57. Схема спирального теплообменника.
Рис. 58. Пластинчатый теплообменник:
/ — стержни, иа которых собираются пластины; 2 — подвижная плита; 3 —непо-дшокиая плита; 4, 5 —вход и выход одного теплоносителя; 6, 7 —вход и выход второго теплоносителя.
расчетное избыточное давление при 475° С составляет 19,5 ат, при 100° С —64 ат.
На рис. 59 показан общий вид воздушных теплообменников, установленных в качестве дефлегматоров ректификационной колонны.
Технические данные этой установки:
Диаметр колонн, м............................
Нагрузка теплообменника, ккал/ч..............
Остаточное давление, мм рт. ст...............
Температура конденсации охлаждаемого продукта, °C
Примечание. В скобках данные для установки, включающей высокую колонну.
Ниже (по зарубежным данным) сравниваются две установки водяного и воздушного охлаждения, длительность амортизации которых принята 5 лет (стоимость установки с водяным охлаждением принята за 100%):
Показатели
2 (3,4)
13 105 (32 105)
130 (100)
105 (150)
73,0
151
Водяное охлаждение
Воздушное охлаждение
Стоимость изготовления конденсаторов . . .
трубопроводов Стоимость монтажа установки 17,5 9,5 12 13
Всего ... 100,0 176
Годовые эксплуатационные расходы: Амортизационные отчисления (20%) . . . 20 35,0
Плата за аренду 4 7,5
Стоимость охлаждающей воды 45 —
Стоимость энергии — 6,5
Расходы на обслуживание 6 3,0
Всего ... 75 52
Из сопоставления видно, что при воздушном охлаждении эксплуатационные расходы снижаются почти на ’/з. хотя капитальные затраты на такую установку значительно выше. Однако чем выше температура конденсации продукта, тем экономичнее по сравнению с водяным воздушное охлаждение.
Оно имеет и ряд других (технических) преимуществ: на стен ках воздушных теплообменников не оседает накипь, следовательно, не приходится останавливать производство из-за чистки теплообменника; не происходит коррозия аппаратуры под действием охлаждающей воды и нет опасности замерзания воды, поэтому не нужна теплозащита аппарата зимой и во время про стоев; отсутствует возможность прорыва охлаждающей воды в технологический цикл; отпадает необходимость в создании водооборотного цикла и в резервных поверхностях охлаждения, так как чистка воздушных теплообменников возможна и во время их ра боты; отсутствуют сточные воды.
Как и другие типовые аппараты, теплообменники заказываю! по опросным листам (см. Приложение I),
(90
ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ
Выпаривание широко распространено в хлорной промышленности (выпаривание воды из растворов NaOH, выходящих из электролизеров), в сахароварении (повышение концентрации растворов сахара), в солевых и других производствах. В промышлен-Вости органического синтеза выпаривание и выпарные аппараты используют редко. Технолог-проектировщик предусматривает процессы выпаривания главным обра-
<>) I при проектировании установок ли переработки и обезвреживания точных вод.
В отличие от теплообменников «новые выпарные аппараты изго-1пляются на машиностроительных ।подах для определенных условий <гплуатации.
К настоящему времени уже нор-.гшзованы агрегаты для выпари-агпя электролитических щелоков, Встворов поваренной соли, сахар-ЫХ сиропов, а также опреснители Юрской воды. Любой раствор не->ганических солей характеризуется i пифическими свойствами, кото-le определяют конструкцию вы-рпого аппарата: степень адгезии к таллам, скорость коррозии метал-№ при обычной и повышенной тем-Нггурах (основной металл и свар-р швы); форма и размеры кри-Шлов чистых солей и их смесей; »собность к пенообразованию, .
|КОСТЬ при различных температу- Рис. 59. Общий вид воздушных * И Т. Д. Поэтому применение ТИ- теплообменников-дефлегматоров. »ых агрегатов в промышленности
1 «ппческого синтеза для выпаривания растворов солей, по со-щу отличающихся от тех, на которые рассчитан аппарат (осо-гно при выпаривании растворов, содержащих органические сое-гппя), может привести к неудачам. Об этом должны знать тех-О1П, работающие в промышленности органического синтеза.
II' одном из фенольных заводов 42%-ный раствор электролитического ед-I junpa выпаривали в толстостенных чугунных котлах, обогреваемых топоч-I i азами, до содержания в растворе 85% NaOH. Срок службы котлов со-Юл 1 -2 года, их производительность не превышала 500 кг/ч испаренной « При реконструкции цеха установили вакуум-выпарной аппарат непрерыв-дсйсгвпя со встроенной трубчаткой, который должен был заменить 10 кот-laiiunpaT был изготовлен из чугуна, меди, хромо-никелевой стали). Предва-<ю аппарат испытывали при выпаривании раствора химического едкого
I iipiiMcpno такого же состава, как указанный выше. Однако при выпарке
191
раствора электролитической щелочи обнаружилась сильная коррозия всех кон структивных элементов аппарата.
Этот пример подтверждает необходимость осторожного подхода к использованию выпарных аппаратов, освоенных в других отраслях, но не испытанных в данных конкретных производствах. На личие даже небольшого количества органических примесей в растворах неорганических солей усложняет процесс их выпаривания. Нелетучие органические примеси в процессе выпаривания могут осмоляться, отлагаться на поверхности теплообмена и затруднять кристаллизацию солей. Это было обнаружено, например, в результате лабораторных испытаний схемы выпарки раствора солей натрия и калия (Na2SO4, NaCl, КС1 и др.), содержавшего органические примеси.
На одном из зарубежных заводов решили организовать замкнутый цикл NaCl в производстве фенола, получаемого под давлением при взаимодействш хлорбензола с едким натром. В отходящем растворе NaCl содержался фенол. Для выпаривания раствора применили обычный трехкорпусный агрегат с медной трубчаткой. Соль, выпадающая в осадок по мере выпаривания воды, попадала в резервуар, из которого направлялась шнеком на центрифугу. Длина труб, соединявших каждый корпус выпарного агрегата с резервуаром, обеспечивала гидравлический затвор. Предполагалось, что весь фенол отгонится с па рами воды из первого же корпуса, однако фенол был обнаружен в поваренной соли даже после ее промывки. Отключение первого корпуса от резервуара и принудительная подача из него пульпы во второй корпус не привели к положительному результату. Пришлось отказаться от использования получаемой поваренной соли для электролиза по условиям техники безопасности.
Выбор материалов для изготовления аппаратов, в которых упаривают растворы неорганических солей, содержащие органические примеси, представляет значительные трудности. Например, при вй-паривании воды, смешанной с фенолом, из раствора NaCl, содер жащего примеси 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, гликолевой кислоты и др., углеродистая и хромоникелевая стали при pH = 4 оказались нестойкими к коррозии и разрушались в сварных швах после 3—4 операций выпарки. При таком pH все кислоты переходили в соли, а фенол оставался в свободном состоянии. При pH = 7—8 коррозия резко уменьшалась, но фенол превращался в фенолят натрия и почти не отгонялся с водяным паром. Однако в процессе выпаривания pH раствора уменьшался до 2—3. Нагревательные элементы аппарата были выполнены из красной меди, устойчивой в этих условиях.
При выпаривании растворов органических веществ, которые далее передаются на склад в качестве готовых продуктов (напри мер, гликазин), следует учитывать не только возможность коррозии, но и влияние материала выпарного аппарата на качество продукта В таких случаях для выпаривания целесообразно предусматривать стальные эмалированные аппараты. Так, разбавленный раствор гликазина передают в типовые эмалированные аппараты с мешалкой емкостью 6,3 м3, в которых выпаривается 1,5 т воды и получается 3 т продукта. Выпаривание ведут при 40—58° (' и остаточном давлении 20—30 мм рт. ст., теплоноситель — горячая
192
Хаб лица 20. Классификация выпарных аппаратов
Индекс Тип Исполнение Характеристика Рекомендуемая область применения 'Номинальная поверхность теплообмена, л*2
*
121 I А С естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках Выпаривание растворов, не образующих осадка на поверхности нагрева От 10 до 800
Б То же, с выносной зоной кипения Выпаривание растворов, образующих растворимый осадок, удаляемый при промывке От 25 до 1000
122 11 С естественной циркуляцией, выносной греющей камерой и кипением раствора в трубках Выпаривание пенящихся растворов с незначительным образованием на поверхности нагрева нерастворимого осадка, удаляемого механически От 25 до 800
?С III А С принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубках Выпаривание вязких растворов н растворов, не образующих осадка на поверхности нагрева От 25 до 1000
Б То же, с выносной зоной кипения Выпаривание вязких растворов, образующих растворимый осадок на поверхности нагрева, удаляемый при промывке От 25 до 1000
IV С принудительной циркуляцией, выносными греющей камерой и зоной кипения Для выпаривания вязких растворов, образующих на поверхности нагрева нерастворимый осадок, удаляемый механически От 25 до 1000
V Пленочные с восходящей пленкой и соосной греющей камерой Преимущественно выпаривание пенящихся и термостабильиых растворов, не образующих осадка на поверхности нагрева От 63 до 2500
вода при 70—80° С. Производительность аппарата 125 кг/ч иена репной влаги, что соответствует коэффициенту теплопередачи при мерно 300 ккал/(я? • град • ч).
Для выпаривания можно использовать типовые реакционные аппараты с рубашкой, эмалированные стальные реакторы, одно- п
Рис. 60. Схема выпарного аппарата с погружным горением:
1 — погружная горелка; 2— охлаждающая рубашка; 3 4- патрубки для входа и выхода охлаждающей жидкости; 5 —патрубки для входа упариваемой жидкости; 6 — патрубок для выхода упаренного раствора; 7 —штуцер для опорожнения аппарата.
ческие примеси удаляются через
многокорпусные агрегаты с естественной или принуди тельной циркуляцией, со вст роенными или выносными теплообменниками. Схемы коммуникаций, авт’оматиза ции и расчета этих устано вок рассмотрены в литера туре 27- 36. При эксперимен тальных работах и конст руировании выпарных аппа ратов следует ориентире ваться на типовые агрегаты, указанные в каталоге-спра вочнике56. В табл. 20 дана классификация выпарных аппаратов.
В промышленности орга нического синтеза начи нают получать распростри некие аппараты погружного горенияБ7. При сгорании них 1 кг нефти испаряется более 15 кг воды (в паровом котле испаряется 12, а двухкорпусной выпарной би тарее 6 кг воды). Основное достоинство этих аппаратов при выпаривании растворов минеральных солей, содержащих органические прикн си, заключается в отсутсг-вии нагревательных эдемов тов, на которых могут oi лагаться осадки (соли, см<>-| лы, пеки). Летучие оргапи дымовые трубы вместе
продуктами сгорания топлива и парами воды. Высоту выброса еле дует выбирать с таким расчетом, чтобы вредные примеси рассей
вались до предельно допустимых концентраций, не достигая при
земного слоя воздуха.
При погружном горении выпаривание ведут до такой копнен! трации солей, при которой их суспензию можно без затруднения
194
рдянать в сушильные аппараты и прокаленные печи.
Преимущества аппаратов погружного горения подтвердились |<н их промышленных испытаниях. Такие аппараты бесперебойно ботают на разных растворах с любым содержанием органиче-нх примесей.
На рис. 60 дана схема выпарного аппарата с погружным гением, испытанного в производственных условиях. Производи-д.пость его около 2500 ка/ч по выпаренной влаге, расход топлива кг 1кг влаги.
Аппарат изготовлен из стали Х18Н10Т.
Выпарные аппараты и установки, как и другую типовую аппа-пру, заказывают по опросным листам.
АППАРАТЫ ДЛЯ ПЕРЕГОНКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Перегонка органических жидкостей—одна из распространен-|х операций в технологии органического синтеза. Ее проводят и очистки сырья, растворителей, промежуточных и готовых промен от незначительного количества примесей (смолы, мине-ьпые соли й др.)
II литературе описаны8.9 процессы перегонки фенола, 2-наф-Ъ’|, анилина, фталевого ангидрида 30 и других продуктов. В про-рг перегонки обычно получают три фракции: головную, содер-.ну ю легколетучие примеси, готовый продукт и кубовый 1Ток, состоящий из труднолетучих и нелетучих веществ и неор-нчсских солей. В производстве фенола головной фракцией явил так называемый жидкий фенол (содержащий воду), гото-I продуктом — кристаллический фенол, в кубе остается первич-смола, которая затем вторично подвергается перегонке. |роншодстве анилина сначала отгоняется водный анилин, кото-I далее расслаивается, затем готовый продукт — бесцветный 1Д1Ш, в кубе остаются осмоленный темный анилин и труднолету-прпмеси.
Высококипящие жидкости перегоняют главным образом в ва-. пизкокипящие жидкости типа бензола, этанола, метанола, бензола очищают в ректификационных колоннах. При разре-П1 температура кипения жидкости понижается, в результате нчпвается разность температур теплоносителя и кипения пе-Инемой жидкости. Это позволяет применять теплоноситель при р низкой температуре. Благодаря снижению температуры пе-1хп н вакууме предотвращается разложение и осмоление пер.е-рм<>го продукта, что способствует сохранению его качества, •-мчературы кипения жидкостей при пониженном давлении на-н справочной литературе (см., например, Справочник хи-v. 1, Изд. «Химия», 1962). Значительная часть перегоняемых ..кипящих органических жидкостей застывает при обычной Bin рс, что создает осложнения при конденсации паров. г>н шодствах ряда органических веществ часто приходится
195
перегонять жидкости, кипящие при 150° С и выше под остаточным давлением 5—10 мм и застывающие при 50—70° С. В этих случаях дефлегматоры и конденсаторы охлаждают жидкостями, нагретыми до температуры, превышающей температуру кристаллизации пере гнанного продукта.
При обогреве насыщенным паром, подаваемым в рубашку коэффициенты теплопередачи в вакуум-выпарных аппаратах ко леблются в пределах 500—1200 ккал/(м2 ч • град) в зависимост!
Рис. 61. Перегонный агрегат фирмы «Ламперт» (Венгрия):
1 — куб с рубашкой и мешалкой: 2 — привод: 3 — патрубок для подачи разделяемой смеси; 4—сборники основного продукта и головного погона;
5 —вентили для слива основного продукта и головного погона; 6— тарельчатые холодильники-конденсаторы; 7 —сборник кубового остатка с обогревом; 8 — штуцер для ввода греющей жидкости или паров;
9— штуцер для соединения с атмосферой или с вакуум-линией.
от свойств выпариваемой жидкости. На предприятиях органического синтеза вакуум-процесс ведут в перегонных аппаратах ш риодического действия емкостью от 0,1 до 40 ж3; в качестве нагре вательных элементов служат рубашки и змеевики.
На рис. 61 показана перегонная .установка, оборудованная тремя сборниками (для основного продукта, головного погона к кубового остатка) и двумя тарельчатыми холодильниками. Ку< бовый остаток не перегоняется и собирается в обогреваемый сборник. Установка смонтирована таким образом, что протяженное ii. трубопроводов минимальна.
На рис. 62 представлена схема установки, в которой кондеи сатор используется в качестве обратного холодильника с неболь
196
-6
Рис. 62. Схема перегонного агрегата: /. 2, 3, 4, 6, 8 — то же, что на рис. 61; 5 — штуцер для соединения с атмосферой или с вакуум-линией; 7 —труба для возврата конденсата в куб; 9 — вентиль -для отбора части головного погона.
Рис. 63. Схема перегонного агрегата с обратным холодильником:
I, 2, 3 — то же, что на рис. 61*; 4 —обратный холодильник; 5 —конденсатор типа «труба в трубе»; б —сборник головного погона; 7 —штуцер для соединения с атмосферой или с вакуум-линией.
шой разделительной способностью (2—3 теоретические тарелки). Головной погон возвращается в куб, но через вентиль 9 может частично передаваться в сборник 4.
Рис. 64. Тонкопленочные испарители:
а—фирмы «Лува», общий вид; б— разрез: /—верхняя опора ротора; 2 — штуцер для выхода паров; 3 —ловушка со штуцером для выхода вторичного пара; 4 — корпус с секционной паровой рубашкой; 5 —ротор; 6 — нижняя опора ротора со штуцером для смазки подшипника; 7 —коническая часть аппарата; 8, 9 — штуцера для входа и выхода теплоносителя; 10— штуцер для выхода неиспарнвшейся жидкости; в — аппарат с подвижными гребками: 1 — электродвигатель; 2 — привод; 3 — брызгоотбойник; 4 — вращающийся вал; 5 —штуцер для выхода паров: 6— подвижные гребки; 7, 8 — патрубки для ввода и вывода теплоносителя; Р —штуцер для выхода продукта; 10— штуцера для входа испаряемой жидкости.
На рис. 63 показан агрегат, оборудованный небольшим обрат иым холодильником и конденсатором типа «труба в трубе».
Если перегоняют высококипящие жидкости, необходимо пре дусмотреть рубашки для обогрева сборников головного погона,
98
>А<нюго остатка и трубопроводов. В этом случае для охлаждений он н-псаторов можно использовать ВОТ. На небольших установ-• х такого типа в качестве ВОТ часто применяют этиленгликоль » кип. 197,5°С, т. пл. —12,3°С).
В последние годы получили распространение пленочные выпарит- аппараты роторного типа 68 (рис. 64) со сплошным или пла-гапчатым ротором. За рубежом выпускают тонкопленочные испа-•irc.ni (из хромоникелевой стали, монель-металла, хастеллоя, ихн-талла на основе титана), которые могут быть использованы непрерывных процессах перегонки. Принцип действия такого ис-врителя: исходный продукт подают в верхнюю -часть .аппарата, |< через распределительное кольцо жидкость равномерно расте-пется по периметру. Затем она захватывается крыльями ротора, виде тонкой пленки распределяется по обогреваемой стенке и 11 действием силы тяжести стекает вниз, одновременно быстро паряясь. Необходимое тепло подводится через рубашку (при не-лодимости ее можно использовать и для охлаждения). Время прикосновения продукта с нагретой поверхностью очень мало, игодаря чему его качество не ухудшается. Образующийся пар юходит через аппарат вверх, т. е. противотоком жидкости, и гем попадает в ловушку. Капли жидкости или пены выбрасы-югся быстровращающимся ротором в брызгоуловитель и сте-«>г в зону испарения. Отделенный таким образом от жидкости кричный пар попадает в конденсационное устройство или на-ивляется на следующую ступень выпарки. Неиспарившийся про-Кт собирается в нижней зоне испарителя и удаляется из аппа-тн.
При необходимости отбора головного погона он отделяется в риой ступени, в виде паров выходит через штуцер 2 (см. Г 64, б) и конденсируется в холодильнике любого типа. Продукт, 1<-ржащий примеси кубового остатка, выходит через штуцера 10 ппдается во вторую ступень, где отгоняется основной продукт. Ин рев осуществляется при помощи рубашки, в которую поется насыщенный водяной пар или ВОТ. Описываемый испари-
I. не является универсальным, его работа зависит от свойств х трех фракций.
Скорость вращения гребков в испарителе, показанном на I 64,6, составляет ~3 м/сек, толщина пленки 0,1—0,6 мм, тем-штура до 400°С, давление в таких аппаратах может составлять fj мм рт. ст. до 20 ат, поверхность теплообмена от 0,1 до 18 м2. молжительность пребывания продукта в испарителе несколько лид, причем он может быть получен в виде порошка.
Таким образом, при выборе теплообменной аппаратуры еле-исходить из ее производительности, определяемой при со-п’к-пии теплового баланса и температурного режима (вклю-| максимально допустимую температуру стенки), зависящего от toiniii технологического процесса. Теплоноситель выбирают на -нс юхпологических и экономических факторов.
199
Теплообменники, как правило, выбирают по каталогам В СССР выпускаются типовые теплообменные аппараты из угле родистой и легированных сталей, титана и сплавов на его основ( алюминия, меди и сплавов на ее основе, графита, эмалированнои стали. Можно выбрать теплообменники для работы под давление-.i или при разрежении, рассчитанные на любой стандартный тепло носитель.
Типовые выпарные аппараты не являются универсальными Выбору выпарного аппарата должна предшествовать эксперимен тальная работа, проводимая с учетом требований опросного лист-i (Приложение I).
Перегонные агрегаты комплектуют по возможности из типо вых аппаратов (реакторы, сборники, теплообменники) или кон струируют по заданиям технологов.
Л Л Л 9
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ДИСТИЛЛЯЦИЯ
В процессе дистилляции смеси легколетучий компонент под дей-•м тепла переносится из жидкой фазы в паровую (при испа-Н<ни) или из паровой в жидкую (при конденсации). В простей-bi случае смесь состоит из двух компонентов и число фаз равно
I м
(нижущей силой процесса дистилляции, как известно, яв-)егся разность равновесной и рабочей концентраций компонен- смеси, выражаемая в виде среднелогарифмических величин 41 линия равновесия разделяемой системы и рабочая линия — рмые) или находимая путем графического интегрирования.
| .'(ля двухфазной и двухкомпонентной системы пар — жидкость юстве переменных параметров при расчете обычно принимают р (концентрация, давление), хи/ (концентрация, темпера-), у и х (содержание одного из компонентов в паре и жид-iii). Для двухфазной и двухкомпонентной системы жидкость — 1Кость принимают обычно переменные у и х (содержание одного компонентов в обеих жидкостях). Для двухфазной и трех-попентной системы газ — жидкость обычно принимают три пе-<1шых параметра: х, РА, t(x и ТА—концентрация компонента ндкости и парциальное давление паров этого компонента над остью, t — температура).
В щимозависимость этих параметров изображают в виде грани в прямоугольной (для двух параметров) и треугольной (для i параметров) системах координат или приводят в виде таблиц, тные данные для построения рабочих кривых можно получить чя из классических уравнений Генри, Клапейрона и Трутона, я. Однако они применимы только к идеальным системам, от-р
цельная летучесть которых L = ^-(A и В—компоненты)
ыяипа во всем интервале изменения температур (от т. кип. щлстучего компонента до т. кип труднолетучего).
[ыиинство разделяемых систем не относятся к идеальным.
। на кривой равновесия системы имеется значение L = 1, то />„, т. е. при кипении состав паров соответствует составу жид-гп Такие системы называются азеотропными59. Для построе-/щпии их равновесия нужно пользоваться экспериментальными Вы tn, но такие данные, приводимые в справочниках, основаны , (зультатах изучения двух- или многокомпонентных систем,
Теплообменники, как правило, выбирают по каталога В СССР выпускаются типовые теплообменные аппараты из угле родистой и легированных сталей, титана и сплавов на его основа алюминия, меди и сплавов на ее основе, графита, эмалированно стали. Можно выбрать теплообменники для работы под давлением или при разрежении, рассчитанные на любой стандартный тепле носитель.
Типовые выпарные аппараты не являются универсальными Выбору выпарного аппарата должна предшествовать эксперимеп тальная работа, проводимая с учетом требований опросного лист (Приложение I).
Перегонные агрегаты комплектуют по возможности из типе вых аппаратов (реакторы, сборники, теплообменники) или кон струируют по заданиям технологов.
Л Л Л 9
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ДИСТИЛЛЯЦИЯ
И процессе дистилляции смеси легколетучий компонент под дей-мк'М тепла переносится из жидкой фазы в паровую (при испаши) или из паровой в жидкую (при конденсации). В простей-। случае смесь состоит из двух компонентов и число фаз равно (ум
[нижущей силой процесса дистилляции, как известно, яв-тся разность равновесной и рабочей концентраций компонен- смеси, выражаемая в виде среднелогарифмических величин мп линия равновесия разделяемой системы и рабочая линия — нмые) или находимая путем графического интегрирования.
[ Для двухфазной и двухкомпонентной системы пар — жидкость Вичсстве переменных параметров при расчете обычно принимают В р (концентрация, давление), хи/ (концентрация, темпера-м), у и х (содержание одного из компонентов в паре и жид-Гти). Для двухфазной и двухкомпонентной системы жидкость — икость принимают обычно переменные у и х (содержание одного | компонентов в обеих жидкостях). Для двухфазной и трех-попентной системы газ — жидкость обычно принимают три пеке иных параметра: х, РА, t(x и ТА — концентрация компонента I жидкости и парциальное давление паров этого компонента над |.Шестью, t — температура).
Взаимозависимость этих параметров изображают в виде гра-Мон в прямоугольной (для двух параметров) и треугольной (для •’ параметров) системах координат или приводят в виде таблиц. ►< четные данные для построения рабочих кривых можно получить 1ОЛЯ из классических уравнений Генри, Клапейрона и Трутона, ля. Однако они применимы только к идеальным системам, от-
Р .
Цтельная летучесть которых и В— компоненты)
гв
Жпяпна во всем интервале изменения температур (от т. кип. Нолстучего компонента до т. кип. труднолетучего).
I большинство разделяемых систем не относятся к идеальным, в иа кривой равновесия системы имеется значение L = 1, то в Рп, т. е. при кипении состав паров соответствует составу жид-► н Такие системы называются азеотропными59. Для построе-В линии их равновесия нужно пользоваться экспериментальными pMtiJMii, но такие данные, приводимые в справочниках, основаны | |ичультатах изучения двух- или многокомпонентных систем.
состоящих из чистых жидкостей. Так, классические примеры кри вых дистилляции двухкомпонентных систем бензол — толуол, эти левый спирт — вода, метанол — вода и др. и многокомпонентных систем достоверны только для чистых смесей. В технических же продуктах всегда имеются примеси других веществ, которые могуч исказить результаты работы колонн, спроектированных по справоч ным данным. Продукт, собирающийся наверху колонны, будет со держать все низкокипящие примеси, кубовый остаток внизу колонны — все высококипящие.
Поэтому при отсутствии сведений о разделении в дистилляционных колоннах конкретных смесей нельзя ориентироваться только на справочные данные. По ним можно составить лишь предварительный расчет, который подлежит обязательной экспе риментальной проверке. При проектировании дистилляционны? колонн периодического действия иногда можно пойти на риск, миновав стадию проверки расчета на пилотной установке. Однако при этом следует учитывать возможность снижения производитель ности колони из-за перехода примесей в промежуточные фракции и в готовый продукт.
Дистилляционные колонны непрерывного действия
Методы расчета дистилляционных колонн подробно изложены в литературе 23’24’60’61. Поэтому мы ограничимся анализом влияния флегмового числа R па число теоретических тарелок п, которое рассчитывает технолог-проектировщик для выбора типа и размеров колонн. При расчете ректификационных колонн задаются следующие исходные параметры: производительность колонны, концентрация легкокипящего компонента в дистилляте хр, в жидкости, подаваемой в колонну, и в кубовой жидкости xw (х выражают в мол. долях).
На рис. 65 показан принцип общепринятого графического ме тода расчета числа теоретических тарелок п для разделения двухкомпонентной смеси. На графике в координатах у — х (где у и х — концентрации легколетучего компонента соответственно в парах и жидкости) строят линию равновесия системы и наносят точки, соответствующие значениям хр, xf и xw. Чтобы нанести на график рабочую линию, описываемую уравнением
R хР
y~"R + \x+~R + T (1)
или
у = Ах + В
которое выражает зависимость между составом пара и жидкости в любом сечении колонны, нужно знать флегмовое число R. Как следует из уравнения (1), величина R зависит от значения ордп наты у, отвечающей концентрации х Чем меньше у, тем болыш флегмовое число R и меньше число теоретических тарелок п.
202
Рис. 65. К определению числа тарелок:
а-графический расчет числа теоретических тарелок и для колонны непрерывного действия (п=12 при xw - содержание легколетучего компонента в кубовом остатке; х^ —то же, в жидкости, подаваемой на дистилляцию; Хр —то же. в дистилляте; x?J — d2 - хр - рабочая линия при Rmin; x^-dj — х — то же, при R =« оо; б — графический расчет числа теоретических тарелок при изменении количества флегмы; условные обозначения: -л—18 при R он 1,5;
-----п — 10 при Ji 6.
Однако с увеличением А? удельный расход энергии в процессе ди стилляции возрастает. Величина R является определяющей в рас четах этого процесса.
Возможны два предельных положения точек пересечения рабо чих линий: 1) на диагонали, при этом R — оо, значение п мини мально, дистиллят не отбирается; 2) на кривой равновесия, при этом значение R минимально, п — оо.
Минимальное флегмовое число определяется из соотношения
= (2)
yf -Xf
Где щ — концентрация легколетучего компонента в паре, равновесном с разделяемой жидкостью, которая поступает в колонну
В реальных условиях эксплуатации ректификационных колонн рабочее флегмовое число должно находиться в пределах Rao > R > Rmin- Таким образом, точка пересечения рабочих лини!' (см. рис. 65, а) может перемещаться по вертикали в пределах от yf = Xf (R = ОО, точка dt) до yt = у* (R — Rmin, точка d2).
Если в рассматриваемом примере принять значение R = 1,5, то по уравнению (1) при хр = 0,95 найдем
хр 0,95
Я + 1 = 1,5+1
= 0,38
Отложив на оси у (см. рис. 65,6) отрезок В2 = 0,38, графически найдем п = 18. Если R = 3, то
Хр 0,95
£=ЯТТ=ЗТТ=0-24
Отложив на оси у (см. рис. 65, а) В — 0,24, графически найдем п = 12, при R = 6 значение Bi = 0,135, а п = 9 (см. рис. 65, б).
Следовательно, увеличение флегмового числа в 4 раза приводит к уменьшению п в нашем примере в 2 раза. Однако расход пара в данном конкретном случае увеличивается в 3 раза.
В рассматриваемом примере число теоретических тарелок п в колонне следует принять близким к 18, так как при этом со здается резерв разделительной способности колонны, появляется возможность компенсировать ошибки при определении э.в.н. (эк Бивалентной высоты насадки) для насадочной колонны и к.п.д. тарелок — для тарельчатой. Вместе с тем можно предусмотреть резервы теплообменной поверхности дефлегматоров и кипятильников паро- и водопроводов, которые могли бы обеспечить повышенное количество флегмы (в нашем примере порядка 3—4).
В ряде случаев технологу приходится решать вопрос о числи последовательно устанавливаемых колонн. Для вакуум-дистилля ции число колонн выбирают, исходя из величины допустимог остаточного давления в кипятильнике. Для работы при обычном давлении число колонн выбирают с учетом капитальных и экс
204
»niанионных затрат по каждому из рассматриваемых вариай-। Гак, в некоторых случаях при установке вместо одной высо-И колонны двух или трех колонн меньшей высоты увеличение гхода электроэнергии на перекачивание жидкости из одной ко-П1Ы в другую не компенсируется уменьшением высоты подъема дкости.
В. С Кафаров 24 приводит способы и примеры математического I афического методов расчета процессов дистилляции.
Число последовательно включаемых колонн в одних случаях апавливают без такого анализа, исходя из допустимого остаточ-•о давления в кипятильнике при вакуумных колоннах. В других учаях сравнивают капитальные затраты и эксплуатационные сходы на обслуживание одной колонны и двух последовательно тановленных колонн. По последнему варианту расходуется до-шительное количество энергии на перекачивание смесей из од-н колонны в другую, не компенсируемое меньшей высотой дьсма жидкости.
В ряде процессов нефтепереработки, нефтехимии, основного ншического синтеза и других капитальные и эксплуатационные <-ходы на процессы дистилляции составляют значительную долю щих капитальных затрат и себестоимости продукции. Напри-р, в производстве хлорбензола капитальные затраты на устатку дистилляции реакционной массы достигают 70% общих ка-игальных затрат, а эксплуатационные расходы на дистилляцию лсгавляют 10—12% себестоимости готового продукта (без учета платы основных фондов). В производстве метанола введение оп-нмального режима, найденного путем математического анализа применением счетно-решающих устройств, обеспечило повышение роизводителыюсти установки и снижение эксплуатационных еатрат.
Проектировщики часто пользуются упрощенными методами нечета многокомпонентных систем. На рис. 66 показана схема атериальных потоков в установке разделения трехкомпонентной пстемы (компоненты а, Ь, с). В первую колонну подают смесь, □держащую 27,5 кмоль а, 9,15 кмоль b и 0,3 кмоль с. Температуры «пения этих компонентов при 760 мм рт. ст. равны соответственно ), 132 и 174° С. Содержание а и с в готовом продукте строго ог-шичено по техническим условиям и должно составлять не более .01 кмоль на 9 кмоль компонента Ь. Составы дистиллята первой плонны и кубового остатка второй колонны не ограничены, так нк дистиллят возвращается в цикл, а из остатка выделяют и , и с. Однако содержание b в потоке а и b в потоке с регламен-ируется (чем они ниже, тем меньше затраты на регенерацию), но сбольшие колебания состава этих потоков не отражаются на ка-естве готового продукта и экономике производства.
Упрощенный метод расчета заключается в том, что число теоретических тарелок в первой колонне определяют по кривой равновесия смеси а и b (содержанием с пренебрегают), а во второй
205
по кривой равновесия смеси b и с (содержанием а пренебрегают) При таком методе расчета создается некоторый резерв числа тео ретически^ тарелок. Поскольку разность температур
кипения а и
Г
/?=Ц5
Варианте
В иикл (а=27,49 Ь=0,11)
Ц - 27,5 b=9,J5 с=0,3
ГотоВый продукт
В кондвнсатор-холодильнш
/?=Й5
/7С/71
Вода
lilliu.
Вода'
вариант Б
mryirn П1ц|1 in j hi 'И
На утилизацию Ъ и с "’=0,04, =0,29)
a=o,ui Аг=9,04 с=0,30
Рис. 66. Схема и материальные потоки двухколонной системы для разделения трехкомпонентной смеси:
вариант Л —подача флегмы после полной конденсации паров в деф пегматоре; вариант Б — при нудительная подача флегмы нз-сборника дистиллята; / — прибор, регулирующий расход питания, флегмы, пара и воды; 2 — термометры; 3 — расходомеры; 4 - исполнительные меха низмы; 5 —насос; к —конденсат, проходящий через обратный клапан.
больше, чем разности для а и Ь, действительное расстояние межд\ кривой равновесия обеих смесей и диагональю (см. рис. 65) ш сколько больше, чем на графике, и, следовательно, число теоретических тарелок несколько меньше.
206
При пуске установки, схема которой показана на рис. 66, нами 7 in выполнены следующие работы: проверено соответствие рас-» пой высоты колонны экспериментальной (при этом пришлось Ьгшчить слой насадки и изменить конструкцию устройства для м<прсделения поступающих жидкостей); смонтирована система Ьюматического регулирования подачи воды в дефлегматоры и ра в кипятильники по температуре паров и жидкости в колонне, к как при ручном управлении не удалось получить устойчивого ктава дистиллятов и кубовых жидкостей.
Однако и эти меры не обеспечили стабильность качества гото-|гп) продукта. Иногда получалось а >0,01 и с > 0,01 кмоль Вы-Ьгиплось, что разность температур кипения жидкостей с нормаль-jm содержанием а и с и при их концентрации, незначительно от-чающейся от нормы, настолько мала, что не регистрируется ВИсвматическими термометрами с точностью измерения ±2° С. I In «тому установили более точные термометры сопротивления (по-Цчшпость ±0,75° С) на расстояниях и /72 от уровня насадки, Примерно равных эквивалентной высоте насадки одной теорети-Ккой тарелки. На установках, где были использованы эти немы, нарушений в работе колонн не было.
Наибольшие трудности для проектировщика представляет пе-кгход от теоретических тарелок к реальным. Применение методов <'чета числа теоретических тарелок дает более или менее точные щльтаты (при использовании экспериментальных данных, Полуниных в лаборатории для построения кривых равновесия), кото-Ь<- могут быть проверены в лабораторных колоннах на стандартных смесях (бензол — толуол и др.). Непосредственное определе- ЭВН или к. п. д. по общим уравнениям массопередачи без Нсисриментальной проверки работы колонны может привести | крупным ошибкам. В этом случае нужны промышленные или ыгпо-промышленные испытания колонн, коэффициент масштаби-ипшия которых по производительности обычно равен 1 : 10.
Например, при определении ЭВН вакуумной колонны для раз-й тения смеси изомеров нитрохлорбензолов ошиблись в 6 раз |П 1 —0,5 м по расчету, 2,4 — 3 м в производстве) 9. В аналогичен расчете колонн для отделения бензола от хлорбензола ошибка Би пиала 100% для укрепляющей части (7 м вместо 3,5 м) и ) для исчерпывающей (7 м вместо 5,0 ти) 7.
При разделении анилина и воды в промышленной колонне61, «павшей при атмосферном давлении (// = 9,75 м, d = 0,46 м, метр колец 25,4 мм, высота насадки 9,15 м), значение ЭВН со-пнпло 1,65—1,80 м; число теоретических тарелок 5,1—5,5. По чету ЭВН в промышленной колонне должна была составить в лаборатории она изменялась от 0,3 до 0,6 м.
I Вакуумные колонны применяют только для понижения темпе-уры кипения разделяемой смеси, при этом, как правило, снимется также разйость температур кипения. Кривая равновесия Мн вакуум-дистилляции приближается к диагонали и число
207
теоретических тарелок увеличивается. Поэтому во всех случая' когда возможно, следует применять атмосферную, а не вакуумную дистилляцию.
Для вакуум-дистилляционных колонн большое, а иногда и ре шающее значение имеет перепад давления между кипятильником и дефлегматором: чем меньше этот перепад, тем ниже температур i кипения смеси в кипятильнике. Иногда из-за этого вместо однон колонны приходится последовательно устанавливать две.
Плотность паров при вакуум-дистилляции уменьшается в 20 100 раз по сравнению с их плотностью в атмосферных условиях; увеличение же скорости паров допускается всего в 2—3 раза. Для насадочных колонн любого типа это связано с изменением гидро статического режима по высоте колонны, что неизбежно приводи! к увеличению ЭВН, расстояния между тарелками и др. Так, в од ном из цехов расстояние между тарелками вакуум-дистилляцион ной колонны составляет 200 мм, к. п. д. колонны из-за уноса жидкости с одной тарелки на другую9 составляет всего 25%.
Ошибки в определении числа реальных тарелок в колоннах также довольно часты при их проектировании. Установка для рек тифнкации спирта на одном из заводов оборудована тарельчатыми колоннами с расстоянием между тарелками 178—180 мм. Оказа лось62, что при удалении из колонны половины тарелок (через одну) ее разделительная способность (к. п. д.) не изменится, а про изводительность повысится на 70%). Такие выводы сделаны и в отношении колонн с ситчатыми тарелками.
Основные ошибки при определении к. п. д. тарельчатых ко лонн — занижение расстояний между тарелками. На одном из за рубежных производств стирола 68 установлены тарельчатые колон ны диаметром 4 м в исчерпывающей части и 5 м в укрепляющей части, работающие при остаточном давлении 40 мм рт. ст. (в верх ней части). Число тарелок 46, расстояние между тарелками 800мм, скорость паров в исчерпывающей части 0,8—1,5, в укрепляющей—-2,5—3,2 м/сек. В конструкции этих колонн учтены все особенности вакуумной дистилляции: исключен унос жидкости с нижних тарелок на верхние, применены тарелки вместо насадки, изменяется диаметр колонны по мере увеличения линейной скорости паров из-за падения остаточного давления (на 300— 400 мм рт. ст.).
Ошибки в технологических расчетах встречаются также при определении диаметра колонн. Иногда рекомендуют рассчитывать диаметр насадочных колонн, исходя из максимального приближения режима их работы к захлебыванию (при этом ЭВН достигает минимума). На практике приходится значительно отступать от режима захлебывания, поскольку в результате неизбежного засоре ния насадки осколками, неравномерной ее укладки и выпадения осадков из разделяемых жидкостей возможны местные сужения свободного сечения аппарата, что вынуждает производственников значительно снижать производительность колонны для нормализ;!-
108
ции ее работы. По этой причине автору пришлось однажды заменить две колонны, рассчитанные на скорость паров порядка 0,9— 0,95 скорости в режиме захлебывания, колоннами большего диаметра.
Скорость паров в насадочной колонне обычно составляет 0,6 — 0,7 от рассчитанной (по режиму захлебывания), причем, как показал опыт, это практически не отражается на величине ЭВН.
Абсолютная скорость паров в свободном сечении насадочных колонн, работающих при атмосферном давлении, колеблется в пределах 0,6—1,2 м/сек, в вакуумных колоннах — 1,3—3 м/сек. Скорость паров в свободном -сечении тарельчатых колонн зависит главным образом от расстояния между тарелками и колеблется в пределах 0,3—3 м/сек-, в колоннах, работающих при атмосферном давлении, она равна 0,3—0,6 м/сек, в вакуумных 0,8—3 м/сек. Эти скорости приняты, исходя из максимального расстояния между тарелками 500 мм, при расстоянии 800 мм скорость паров повышается до 3,2 м/сек.
Из-за трудностей обеспечения равномерного орошения насадки по высоте и сечению колонны диаметр насадочных колонн в большинстве случаев не превышает 1,2 м. Диаметр тарельчатых колонн может достигать 8 м, так как на тарелках происходит более равномерное перераспределение орошения.
На рис. 66 были показаны три возможных узла варианта подачи флегмы в колонну: с установленным непосредственно на колонне конденсатором, в котором конденсируется только флегма (основной вариант); с выносным конденсатором, где конденсируется весь погон, а часть его возвращается в колонну (вариант А); с выносным конденсатором, весь погон из которого собирается в емкость, откуда флегма перекачивается в колонну (вариант Б). По последнему варианту на подачу флегмы в колонну расходуется (дополнительное количество электроэнергии.
Вариант А удобен при необходимости замера абсолютного количества флегмы, возвращаемой в колонну, что важно при пусконаладочных работах и переключении агрегата с одной смеси на другую. Вариант Б используется в тех случаях, когда желательно переместить конденсатор вниз (например, в закрытое помещение в районах с суровым климатом). Все варианты могут обеспечить точную работу колонн при современных средствах автоматизации. По наблюдениям автора, как в варианте А, так и в варианте Б высота жидкостного столба должна быть хотя бы на 1 м выше расчетной. Во всех случаях управление работой колонн может осуществляться дистанционно.
Кипятильники также делают встроенными или выносными, в зависимости от условий эксплуатации. В выносных кипятильниках 1добнее очистка и замена трубок без остановки колонн. В этом Случае устанавливают два выносных кипятильника, каждый из которых обеспечивает необходимую производительность. Питание можно подавать на распределительную тарелку через переливной
?о?
14 Зак. 509
бачок (при постоянном напоре), через петлю на подающем трубо проводе, заменяющую переливной бачок, или непосредственно из насоса. При этом также необходим резерв напора не менее 1 м
Дистилляционные колонны периодического действия
Если при выборе режима работы химических реакторов сравнивают технико-экономические показатели агрегатов непрерывного и периодического действия, то результат такого сравнения для дистилляционных колонн, как правило, будет в пользу непрерывных схем. Однако проектировщики часто вынуждены предусматривать колонны периодического действия малой производительности, в основном для разделения многокомпонентных систем. Это обуслов лено следующими причинами:
1) отсутствие достаточно надежных данных для построения кривых равновесия. Ошибка при проектировании колонн периодического действия может сказаться на их производительности и расходных коэффициентах; непрерывная колонна в этом случае вообще не будет работать;
2) большое число компонентов в смеси, что потребовало бы последовательной дистилляции ее в нескольких колоннах при высоких требованиях к чистоте готовых продуктов (xw < 0,01; xp>99,9);
3) универсальность колонн, в которых предполагается проводить разделение различных смесей;
4) малая производительность, позволяющая вести разделение, например, раз в неделю и даже реже.
Выбирая дистилляционные колонны, можно комбинировать непрерывные и периодические агрегаты. Данные о разделении смеси на такой комбинированной установке приведены на рис. 66. Кубовый остаток, содержащий 0,04 кмоль b и 0,29 моль с, разделяю! в колонне периодического действия примерно 1 раз в неделю. Расчет дистилляционных колонн периодического действия принципиально не отличается от расчета непрерывных колонн. Необходимое число тарелок подсчитывают для каждой фракции в отдельности: от точки d\ до хр для первой фракции и от d\ до xw для второй (см. рис. 65).
В отличие от колонн непрерывного действия в периодических колоннах кроме чистых фракций отгоняются так называемые промежуточные фракции. Они отгоняются в результате изменения состава смеси на тарелках (или в сечениях насадочных колонн) по мере дистилляции.
Количество каждой промежуточной фракции зависит от удер живающей способности колонны (всех тарелок или насадки). Для уменьшения отношений количеств промежуточных товарных фрак ций емкость перегонного куба должна в 10 раз (и более) превышать удерживающую способность колонны. При крупных ошибках в определении емкости куба колонны система может оказаться in работоспособной. Для уменьшения количеств промежуточных фрак ций иногда в куб добавляют исходную смесь,
?10
(ругой способ уменьшения объема промежуточных фракций — не шчение количества флегмы (иногда с полным прекращением |6<>ра дистиллята), что приводит к ускорению перераспределения
Рис. 67. Некоторые типы насадок: а, б — перфорированные кольца; в — кольца рашига; г — пружины; д — седла; е — седла с отверстиями; cw — проволочная насадка.
тава жидкости по высоте колонны. Исходя из этого, а также чгывая, что в большинстве случаев работу колонны налаживают в процессе ее эксплуатации, вариант А с возвратом флегмы м. рис. 66) считается оптимальным для периодических процессов.
II
211
Колонны периодического действия конструктивно отличаютс» от непрерывных лишь большей емкостью куба (см. выше). В ко лоннах непрерывного действия необходим максимальный запа^
Рис. 68. Некоторые тыщ тарелок и колпачков:
а —провальная тарелка; б — колпачковая тарелка; в —различные конструкции колпачков.
кубовой жидкости, чтобы снизился эффект запаздывания в работ е средств автоматизации. Перед началом новой операции (цикл i) следует опорожнить колонну. В насадочных тарельчатых колоннах
212
Воиальными и ситчатыми тарелками опорожнение производится <) после остановки. На барботажных тарелках предусмотрены Финальные сливные отверстия для опорожнения колонны.
При замене колец Рашига насадками других типов конструкция И|дочной колонны принципиально не изменяется. Например, при Пользовании в качестве насадки перфорированных металличе-Кпх колец поверхность контакта фаз всего на 12—18% больше, м в случае применения колец Рашига. Но при этом уменьшается Противление колонны, в результате чего скорость паров увели-Аппкчся на 74% (до 1,74 м/сек при атмосферной дистилляции)63’64. ||11 рис. 67 показаны различные типы насадок.
Одна из модификаций тарельчатых колонн — колонны с ситча-А|.мп провальными тарелками. Они могут работать только при ми-Ьмальной скорости паров, удерживающих жидкость на тарелке. Ьп живом сечении тарелок 12,5—28,5% и расстоянии между ними А> 600 мм к. п. д. колонны 69—86%. При живом сечении 30% и Всстоянии между тарелками 300 мм к. п. д. снижается до 50%. Ьорость паров в этих колоннах в 2—4 раза больше, чем в колпач-Квых, она достигает 1,5 м/сек при атмосферном давлении и 3,8— В м/сек при остаточном давлении 710 мм рт. ст. По расчетам65, L п. д. промышленной колонны из 11 тарелок с живым сечением А.5% и расстоянием между тарелками 600 мм равен ~80% при прости паров 1—1,5 м/сек, атмосферном давлении и плотности Лишения 15,4 м3/(м2 • ч). Живое сечение образовано щелями шири->й 3 мм и длиной 100 мм-, расстояние между ними вдоль щели А|но 10 мм, перпендикулярно щели—15 мм. Высота пены над Аждой тарелкой достигает 400—500 мм.
f Одна из конструкций провальной тарелки показана на рис. 68, Ам же приведены общий вид колпачковой тарелки и различные инструкции колпачков.
к Колонны с затопленной насадкой испытаны в процессе дистил- цпп смесей близкокипящих компонентов, а также в процессе аб-Арбции24. Такая колонна представляет собой полый цилиндр или Анус с насадкой из мелких колец Рашига, целиком заполненный ^Акостью (рис. 69). Слой жидкости удерживается на колпачко-й тарелке барботирующими через ее отверстия парами; высота |К>я регулируется гидравлическим затвором. Массообмен происхо-п между мельчайшими пузырьками пара и разделяющими их гиками жидкости во всем объеме газо-жидкостной смеси, запол-Ающей колонну. Высота, эквивалентная одной теоретической та-А)ке такой колонны, около 10 см.
Основной недостаток описанной колонны — необходимость точ-М стабилизации ее гидродинамического режима. Снижение ско-Ани паров по сравнению с расчетной может уменьшить эффектность процесса дистилляции, а повышение скорости паров при-< нг к попаданию в дистиллят газо-жидкостной смеси.
[ В вакуум-Дистилляционных колоннах гидродинамический ре-Н|м нарушается при изменении давления паров по высоте
213
колонны, что приводит к необходимости конструирования колонн с переменным сечением (конического типа).
Рис. 69. Колонна непрерывного действия с затопленной насадкой:
/ — кипятильник; 2 — насадка; 3 — дефлегматор; 4 — разделитель потока дистиллята; 5 — гидравлический затвор.
Рис. 70. Роторная дистилляционная колонна:
/ — крышка; 2 — каплеуловитель; 3 —штуцер для входа охлаждающей воды в ротор; 4 —штуцер для выхода ох.п-ждающей воды; 5 —штуцер для входа греющего па pi в рубашку; 6 —штуцер для выхода конденсата; 7—п.» трубок для выхода паров; 8 — штуцер для входа флегмы, 9 — штуцер для входа разделяемой смеси; 10 — рубашк.1, // — ротор; 12 — нижнее крепление ротора; 13 — штуцер д я выхода концентрата; 14 — штуцер для входа паров и испаритель.
В роторных колоннах массообмен между парами и жидкостью происходит в пространстве между тарелками. Вращающийся ( большой скоростью ротор поднимает жидкость над тарелкой и oi
114
клсыпает ее к стенкам колонны, при этом образуется слой мел-К капель, через который проходят' пары. Количество распыляе->Л жидкости может быть очень велико по сравнению с потоком исгмы. Гидравлическое сопротивление такой колонны невелико I нлг рт. ст. для колонны с 20 тарелками) и практически не ме-ичся при изменении нагрузки. К. п. д. таких колонн достаточно 1сок и практически также не зависит от нагрузки. Диаметр ровных колонн от 500 до 1400 мм, число тарелок 10—15, скорость ращения ротора 300—1000 об/мин.
Одна из конструкций роторной колонны с разделяющей способ-щтыо, соответствующей пяти теоретическим тарелкам, изобразил на рис. 70. Производительность колонны 40—3500 кг/ч (вза-нсимости от типа), остаточное давление до 2 мм рт. ст., темпера-урл процесса 60—250° С.
Жидкую смесь подают в колонну через боковой штуцер 9, далее пл равномерно распределяется вращающимся ротором по испари-f плюй поверхности и стекает вниз. Часть жидкости испаряется L обогреваемой внутренней стороне колонны. Допустимая скорость вторичного пара при остаточном давлении 2 мм рт. ст. составляет (i0 м/сек. Поднимающаяся вверх смесь пара частично конден-нруется на поверхности охлаждаемого ротора и переносится вра-“ыющимися лопастями ротора на обогреваемую стенку. Здесь она •рсмешивается со смесью, поступающей на разделение, и с флег-<>й и вновь частично испаряется. »
Описанные процессы непрерывно протекают в обогреваемой ектнфикационной части установки, эффект разделения достигает-I за счет частичного испарения и конденсации. Вторичный пар, Вразующийся в результате испарения продукта, через штуцер 7 грсходит в конденсатор. Часть конденсата в качестве флегмы че-14 штуцер 8 вновь поступает в ректификационную часть, осталь-<»п конденсат является конечным продуктом. Остаток собирается нижней части ректификатора и удаляется через штуцер 13.
В СССР проведена нормализация колонных аппаратов66. Для цстилляции, абсорбции и других процессов массообмена колонны Ьгут быть заказаны по опросным листам и эскизам к ним. Выпу-инот несколько типов колонных аппаратов. Аппараты общего на-ычсния (КО) могут быть тарельчатые, с капсюльными колпач-1мп, стальные (КОСК) и чугунные (КОЧК), стальные с проваль-<ми тарелками (КОСП) и стальные насадочные (КОСЫ). Для (гциализированных производств изготовляют аппараты типа КС: СЧС — для содового производства, КСЧК — для коксохимических ропзводств, КСЧГ, КССГ — чугунные и стальные для гидролизной [юмышленности.
Тарелки аппаратов КОСК по конструкции не отличаются от (нтеденных на рис. 68 (шифр тарелок ТСК): там же изображены Йисюльные колпачки типа 4а. Диаметр тарелок 400—1000 мм »1<К1), 1200—1800 мм (TCK-1II) н 1000—3600 мм (ТСК-Р).Про-льиая тарелка представляет собой стальной лист со щелями,
215
поперечное расстояние между ними 10 мм, продольное 26—42 мм длина щели 60 мм, ширина 4—8 мм.
Диаметр тарельчатых колонн достигает 5 м. Насадочные колон ны имеют диаметр 0,4—3 м. Их комплектуют из питающих и рас пределительных тарелок и опорных решеток. Насадку заводы-из готовители не поставляют.
Колонные аппараты изготовляют из углеродистой или кислото стойкой стали. Нормализованы размеры не только аппаратов, н< и их деталей: расстояния между тарелками от 200 до 900 мм, в зависимости от диаметра; высота царг от 800 до 2000 мм, числ< тарелок в них 2—7 и др.
АБСОРБЦИЯ
В процессе абсорбции поглощаемый газ последовательно диф фундирует через пленку инертного газа и пленку жидкости, а за тем растворяется в основной массе жидкости. Скорость диффузии определяется коэффициентами массопередачи через пленки газа и жидкости, поверхностью массообмена и движущей силой про цесса.
Высота абсорбера может быть определена по формуле
N — Kndh Ар
где N — количество газа, абсорбированного за единицу времени К — коэффициент массопередачи;
h — высота абсорбера;
d — диаметр абсорбера;
Др—разность парциальных давлений поглощаемого газа (до и после абсорбции).
Из этого уравнения следует, что если Др —► 0, то N -> 0 и h—>оо, то полное (100%-ное) улавливание поглощаемого газа в абсорбере любой конструкции невозможно.
Обычной ошибкой технологов является предположение о том, что при хемосорбции, т. е. химическом взаимодействии поглощас мого газа с жидкостью, к. п. д. можно приблизить к 100% и сократить продолжительность абсорбции до времени реакции. Чтобы сорбируемый газ вступил в реакцию, он должен раствориться в поглощающей жидкости, т. е. преодолеть сопротивление газовой и жидкостной пленок. Однако химическая реакция протекает и п i поверхности раздела фаз. Хемосорбция происходит быстрее, чем абсорбция, но гораздо медленнее, чем химическая реакция. При хемосорбции, как и при обычной абсорбции, определяющей вели чиной является коэффициент массопередачи К.
В случае хемосорбции значение h по мере увеличения V уменьшается. Кроме того, N тем больше, чем выше давление р н ниже температура. Отсюда следует, что хемосорбцию желательно
шкодить при пониженной температуре, повышенном давлении
м > II отводить тепло реакции.
J Методы расчета и практические данные о работе абсорберов Маличных типов приведены в литературе 23-66а.
| При расчете абсорберов следует учитывать, что размер эле-jto'iiiOB насадки влияет на отношение высоты Н абсорбера к его Ьилметру D. Ю. С. Шменев и К. Н. Шабалин 666 установили, что абсорбере диаметром 1000 мм при поглощении водой аммиака Ь воздуха отношение H.D в результате замены колец Рашига bin метром 25 мм на кольца диаметром 50 мм увеличилось вдвое К 3 до 6).
I Интенсивность процесса абсорбции зависит также от критерия Гшольдса Re. При увеличении скорости движения газа и жидко-Ьн значение Re возрастает, а толщина газовой пленки уменьшается. Мо<тому для интенсификации работы абсорберов стремятся увеличению скорости фаз. Всеэти обстоятельства технолог-проек-*1нровщик должен учитывать при выборе абсорбционных аппаратов.
г В промышленности органического синтеза абсорбция применится главным образом для улавливания примесей из отходящих Капов, что накладывает некоторые ограничения на конструкцию аб-Ьрбсров. Если сопротивление технологических абсорберов не btecT решающего значения (газ подают при помощи компрессо-Ьв и газодувок под давлением), то для улавливания вредных при-Ьчгй из отходящих газов наиболее желательно использование Ьтрежения, создаваемого высокими дымовыми трубами или вен-Ьл я горами низкого давления. Поэтому в качестве технологиче-мнх абсорберов широко применяют тарельчатые и насадочные Млопны (аналогичные по конструкции дистилляционным), а для шавливания вредных примесей предпочитают полые, пленочные, Ьжекционные, пенные, роторные и другие скрубберы с малым шнравлическим сопротивлением. При этом в первом случае абсор- р должен обеспечить требуемый выход основного продукта, во Мором — высокую степень очистки.
[ Прежде чем устанавливать абсорберы для санитарной очистки
Вов, технологу-проектировщику следует рассчитать или опреде-т1> допустимую концентрацию вредных примесей в отходящих •ах. Содержание вредных веществ в рабочей зоне производст-Ьнпых помещений и предельно допустимые концентрации их в ат-гферном воздухе населенных мест нормируются 67’ 68. Концентра-Но примесей в газах, удаляемых через вентиляционную трубу, ВСчитывают по формуле Андреева 68а: г 235МП гаах“ Vo№
С1П11Х-максимальная концентрация на поверхности земли, мг/л3;
Ми — количество удаляемых примесей, мг/сек\
Vt, — скорость ветра, м!сек\
11 — высота вентиляционной трубы, м.
217
С учетом продолжительности измерения максимальная конце:: траиия составит:
235МИ гаах KALV2
где Ми — мощность источника загрязнения, г/сек-,
— коэффициент, учитывающий уменьшение максимальной концентрации при отборе проб в течение продолжитель ного времени;
Vo —скорость ветра, м/сек-,
Н — высота вентиляционной или дымовой трубы, м.
Предложена следующая формула для определения максималь но допустимой концентрации вредных примесей в отходящих газа'
AMBmF A~N~
°гаах~ Н2 у ML
где А — коэффициент, отражающий условия вертикального и го ризонтального рассеивания примесей в воздухе (для Си бири А = 200);
Л1В — количество вредных примесей, выбрасываемых за 1 сек, F — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние скорости осаждения примесей в атмосфере;
т — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние скорости выхода газов через дымовую трубу;
Н — высота дымовой трубы;
N— число труб одинаковой высоты, через которые производится выброс газов;
А/ — разность температур между выбрасываемыми газами и окружающим воздухом;
L — количество газов, выбрасываемых в трубу за 1 сек.
По формуле Андреева максимальная концентрация Стах для о т ной установки составляла 0,118, по другой формуле 0,067 мг/м'. Для инженерных расчетов оба результата достаточно точны, так как максимально допустимое содержание данного газа в атмосфере по нормам составляет 0,5 мг/м?.
При установке абсорберов для поглощения вредных примеси: из отходящих газов производств органического синтеза техноло: -проектировщик обязан установить необходимость улавливания таких примесей из отдельных аппаратов и выбрать тип абсорбер.:. При небольшом количестве газовых выбросов устанавливают гори» зонтальные поверхностные или барботажные абсорберы или аппараты другого типа. Кроме того, технолог определяет необходимое л. установки санитарных скрубберов, выбирает их тип (насадочные, пленочные и т. д.) и выдает задание сантехникам па проектирование технологической вентиляции.
Для уменьшения концентрации твердых и газообразных примесей в газах разработаны различные способы: рассеивание гач » на большой высоте через дымовые трубы, промывка газов в абещи берах или скрубберах, сжигание примесей па катализаторах, a I-
218
бцпя. Наиболее прост первый способ, но его применение странно, так как в промышленных районах воздух иногда уже сомит значительное количество загрязнений. Поэтому на практике |бипнруют абсорбцию и промывку с последующим рассеива-м выбросов на большой высоте.
В большинстве случаев перед выбросом в атмосферу газ промают жидкостью, в которой могут растворяться побочные газо-азные вещества. При этом находящиеся в газе твердые примеси ю.чяются в виде суспензии. После промывки газ отводится че-всптиляционную трубу определенной высоты Можно также
Рис. 71. Скруббер с механическим перемешиванием: / — поддон; 2 — корпус скруббера; 3 —вал; 4 — сетчатые диски.
пускать газ через электрофильтры. Если твердые побочные про-1Ы необходимо получить в сухом виде, применяют сухие фильт-после которых устанавливают скруббера для промывки газов чпиляционные трубы для отвода их в атмосферу. Капитальные Мгы на электрическую очистку газов очень велики, и, если стои-гь улавливаемых твердых частиц недостаточна для компенса-•лпх затрат, газы очищают путем промывки.
II последние годы стали применять каталитическое сжигание ншческих примесей, содержащихся в газах. Процесс освоен для шипя анилина в отходящих газах, для разложения окислов 41 иа кислород и азот и для сжигания органических примесей Водящих газах производства фталевого ангидрида17’30. Способ юмпчен при обезвреживании относительно небольших коли-1ц I .тзовых выбросов.
На заводах органического синтеза успешно освоены абсорб-нпые установки для поглощения и регенерации различных газов.
219
I
\
Сероводород, выделяющийся в производстве сернистых крае телей, поглощается в механическом горизонтальном скруббер раствором NaOH в виде тумана, создаваемого вращающимися пл. стинами (рис. 71). В скруббере образуется загрязненный органа ческими примесями раствор гидросульфпда натрия NaHS, приго ный для применения в производстве сернистых красителей и в к< жевенной промышленности.
Хлор, выделяющийся в процессе синтеза некоторых гербициде в поглощается раствором NaOH с образованием гипохлорита, испол) зуемого для щелочного окисления фенолов в сточных водах. АО сорбцию ведут в насадочной колонне с промежуточным охлаж.п нием поглотителя.
При внедрении этого процесса очистки газа было трудно по и брать материал, стойкий к действию хлора и раствора гипохлорш Лучшими материалами оказались гуммированная сталь для абсо] бера и чугун для теплообменников оросительного типа.
Хлористый водород — отход ряда производств хлорорганически продуктов — поглощается в насадочных колоннах Гаспаряна ади.
батического типа 7. Абсорбцию ведут при температуре кипения < <> ляной кислоты. При этом отгоняются летучие органические сое nt нения (например, бензол), образующие с водой азеотропные смечи а также двуокись серы и хлор. При отдувке соляной кислоты гч духом получают продукт, по качеству близкий к синтетической < < ляной кислоте. Пары воды и летучих органических примесей, также хлор, двуокись серы улавливаются в абсорберах, устав с ленных после отдувочного аппарата. Уловленные органические при меси возвращаются в производственный цикл, соляная кислота мп жет быть отправлена потребителям в гуммированных цистерна
Двуокись серы, выделяющаяся в сульфурацпонном пронес с производства фенола, поглощается слабощелочным раствором i|> нолята натрия в каскаде из 2—3 охлаждаемых абсорберов барс') тажного типа с мешалками. В процессе хемосорбции фенол я натрия превращается в фенол, а двуокись серы — в сульс|и натрия.
В производстве ряда промежуточных продуктов примени к стальные абсорберы колонного типа, защищенные от коррозии кн< лотоупорной плиткой. Попытки применения для этой цели аппарс тов из хромоникелевой стали оказались неудачными: наблюдал.к сильная точечная коррозия, главным образом в сварных швах Двуокись серы поглощается раствором кальцинированной или ю устической соды с образованием бисульфита натрия NaHSO3, npt меняемого в синтезах некоторых продуктов.
Смесь сероводорода и сероуглерода71 — отход произволе i и меркаптобензотиазола (каптакса)—поглощается в трехступен'1 той установке (рис. 72). Первой ступенью являются два бар--тажных абсорбера, включенные последовательно, в которых II поглощается раствором щелочи с образованием гидросульфи и Для отдувки сероуглерода и создания безопасных условий рабе I
220
| абсорберы подают газовую смесь (80% N2, 18% СО2, 0,2—2%
•О,)*. Содержание кислорода в смеси после абсорберов составляет D<'8% (вместо 4% без подачи инертного газа). Смесь CS2 с возду-
Паро-газоВая
Рис. 72. Схема обезвреживания отходящих газов производства каптакса:
1,2 — поглотители сероводорода; 3 — холодильник;
4, 6 — холодильники-конденсаторы; 5, 7-гидро-затворы; 8 — адсорберы; 9 — промежуточный сборник сероуглерода; 1О~ сборник сероуглерода.
ом взрывоопасна при содержании в ней 5—7% О2 и концентра- i CS2> 1%.
I Второй ступенью поглощения служит серия последовательно m моченных теплообменников, в которых происходит конденсация I охлаждение сероуглерода, содержащегося в газах, выходящих **| абсорберов. Сконденсировавшийся в них CS2 стекает в проме-К|\ точный сборник продукта слой воды. Часть серо-Клерода дополнительно ад-прбпруется в попеременно !• 'ботающих адсорберах, в Ьлном из которых происходи I адсорбция, а в другом Ьповременная десорбция. К'Ц’орберы заполнены активированным углем. Выходя-Bite из них газы сжигаются.
||1 схеме предусмотрена воз-«•жпость отключения одной
*> ступеней.
Фосген и смесь фосгена 1 мористым водородом вы-^^^Нвются при синтезах фос-Hut и диизоцианатов9. производстве некоторых тиоцианатов, например |уплендиизоцианата, фос-»»пирование аминов прово-
НЬг при избытке фосгена в присутствии растворителя — о-дихлор-|»тола (ОДХБ). В отходящих газах содержится преимущественно ф'> ген. Установка для его улавливания (рис. 73) состоит из трех It пеней: регенеративной, деструктивной и санитарной.
На первой регенеративной ступени фосген абсорбируется о-ди-Кцрбензолом. Абсорбер 4 представляет собой трубчатый охлаж-<»<мый аппарат (трубки заполнены насадкой), к. п. д. которого Ьпближается к 95%. Часть о-дихлорбепзола, в котором растворен Кггоп, возвращается в основной производственный цикл, осталь-|К количество подается в абсорбер для донасыщения.
На второй деструктивной ступени фосген разлагается водой до < I и СО2 в присутствии активированного угля. Эта стадия про-^^в.птся в двух последовательно включенных колоннах, заполнен-14 активированным углем. Из колонн стекает кислая вода — сла-Ki'i раствор НС1, передаваемый па станцию очистки сточных вод.
Здесь концентрации в объемных процентах.
221
Инертные газы из аппаратов 6 и 9 эксгаустером 10 направляю ген на санитарную очистку (третья ступень); здесь газы до выброса в атмосферу промываются аммиачной водой.
В некоторых производствах на абсорбцию поступает газ, си держащий смесь СООг и НС1. На одном из заводов применяю! трехступенчатую схему поглощения фосгена (рис. 74). На первом ступени газы охлаждаются до —20° С, при этом конденсируется фосген. Содержащийся в нем НО в дальнейшем испаряется в про
Рис. 73. Схема абсорбции фосгена;
1 — холодильник; 2 — насос; 3 — гидрозатвор; 4 — абсорбер; 5 — каплеуловитель;
6— скрубберы; /—разделитель фаз; 8 — поглотитель воды; 9— сборник-гидрозатвор; 10 — эксгаустер.
изводствепном цикле и присоединяется к отходящим газам абсорб< ционных установок. Несконденсировавшийся фосген вместе с хло< ристым водородом передается па вторую ступень — в аппарат I где происходит абсорбция хлористого водорода водой и образуегся соляная кислота. Третья ступень санитарная — аппараты 5 и Я Недостатком этой схемы является низкий к. п. д. холодильника /. где конденсируется всего 75% фосгена, а 25% разрушается нря последующей очистке. Схему целесообразно дополнить абсорбсч ром типа аппарата 4 (см. рис. 73), который может быть уставом лен до холодильника 1 (см. рис. 74) или после него с возвращением ОДХБ в производственный цикл или с десорбцией и последующе! конденсацией концентрированного фосгена.
Окислы азота. Часть азотной кислоты (5—50%), вводимом 1 процесс нитрования органических соединений, превращается в омы!
222
шота, подлежащие регенерации и улавливанию. Они выде-лся также в процессе денитрации отработанной серной кислоты, щзующейся после отделения от нее нитросоединений. Окислы па абсорбируют водой с получением азотной кислоты или по-нц.нот раствором едкого натра с образованием смеси нитрита и рата натрия (если эта смесь находит потребителей).
В. И. Атрощенко, А. Н. Цейтлин и др.69 исследовали поглощение (центрированных окислов азота водой. Концентрация окислов ia, выходящих из нитраторов и отгоняемых с паром из дени-цпонных колонн, значительно выше, чем в газах, выходящих из шерторов окисления аммиака.
Рис. 74, Схема абсорбции смеси фосгена с хлористым водородом: / — холодильник; 2 —гидрозатворы; 3 — каплеуловитель; 4 — колонна Гаспаряна; 5. 6— санитарные скрубберы; 7 - сбориик-гидрозатвор; 8 — разделитель фаз;
9 — эксгаустер.
С увеличением концентрации NO в газах до 20%’ и концентра-I NO2 до 16% скорость окисления NO и NO2 возрастает в II раз сравнению со скоростью окисления нитрозных газов обычного ыва (8,5% NO и 8% NO2). Соответственно уменьшается необ-пмый окислительный объем и в 2—3 раза возрастает скорость щзования азотной кислоты при взаимодействии NO2 с водой. Нодаря высокой концентрации окислов азота в отходящих газах Ле нитрации и денитрации вместо обычно применяемой абсорбцией системы из пяти башен можно использовать тарельчатую мшу барботажного типа.
( корость реакции образования HNO3 из NO2
3NO2 (газ) + Н2О (жидк.) —> 2HNO3 (жидк.) + NO (газ)
I концентрации NO2 в газе более 0,5 моль!м^ определяется ско-Ы.1О растворения окислов азота в воде. Этот процесс ускоряет-Ьрп пониженной температуре и повышении концентрации NO2
223
Схема установки для поглощения азота69 изображена на рис. 75.
концентрированных окислы
Рис. 75. Схема абсорбции концентрированных окислов азота: / — тарельчатая колонна; 2 — окислитель; 3 — теплообменник; 4 — гидрозатвор; 5 — вакуум i 6 — ловушка; 7— сборник кислоты; t —термометры.
Отходящие нитрозные газы производства HNO3 проходят ox.id ждаемый водой теплообменник 3, где конденсируются водяш^ пары. Поскольку в парогазовой смеси в основном содержатся mid шие окислы азота (NO), то при конденсации водяных паров счя пень абсорбции окислов азота невелика (8—10%).Образовавшая.!
224
• теплообменнике разбавЛейнаЯ азотная кислота используется для Кошения колонны. Нитрозные газы, выделяющиеся из нитраторов, I содержат паров воды и не проходят через конденсатор.
Из теплообменника 3 газы, охлажденные до 30° С, поступают в числитель 2, куда добавляется воздух. Окислитель представляет ivCoii трубчатый теплообменник, охлаждаемый водой. Абсорбция Кислов азота водой происходит в тарельчатой барботажной колон-•1с числом тарелок, равным 18. На нижних 12 тарелках жид-• гь охлаждается при помощи змеевиков. Движение газов осуще-угнляется вакуум-насосом 5 типа РМК.
Для поглощения 2,5 т окислов азота (в пересчете на HNO3) при • нцентрации их 22,12%' необходимо установитьхолодильник-окис-«<пель поверхностью 1,7 м2 и тарельчатую колонну диаметром 1 м • высотой 11 м. При использовании кислорода вместо воздуха число Эврелок в холодильнике можно уменьшить до 8, теплообменную по-Ьхпость холодильника до 0,5 м2, расход электроэнергии снижается * В раз.
| Проведено поглощение окислов в пенном аппарате и в аппарате । мешалкой и диском для распределения газа70. В обоих случаях Всорбция происходит более интенсивно, чем в насадочной или та-гльчатой колонне. Благодаря ускорению процесса в пенном режи-«< производительность аппарата увеличивается ’ в 2—4 раза по ^ввнению с производительностью насадочных колонн.
Полное удаление окислов азота из газа не достигается даже при щгоступенчатой очистке. К. п. д. двухколонной системы с насад-Й и с орошением раствором NaOH по практическим данным со-йвляет ~96%. Над выхлопной трубой из последнего абсорбера 1.ВПЮ появляется желтый дымок («лисий хвост»), свидетельствую-нй о наличии в газе окислов азота. А. А. Кулик и А. Д. Тихо-1ко71 предложили окислы азота в выхлопных газах восстанавлп-ть метаном при 500—600° С на хромоникелевых катализаторах по икциям:
CH4 + 2NO2 —> N2 + CO2 + 2H2O
CH4 + 4NO —> 2Nz + CO2 + 2H2O
Предварительно газы нагреваются топочными газами, получае-ми при сжигании части метана.
Аммиак выделяется при спуске давления из автоклава или при рвении щелочного раствора аммиачных солей в процессах ам-юлиза фенолов, нафтолов и сульфокислот. Улавливание амми-производится при охлаждении газа в каскаде поглотителей, ично каскад состоит из трех барботажных абсорберов. В третий ходу газа абсорбер заливают чистую воду с таким расчетом, ы содержание аммиака в ней по окончании охлаждения не пышало 15 г/л. Из третьего абсорбера аммиачная вода посту-। во второй, а из него в первый. Аммиак движется противотоком I Концентрация аммиака в первом абсорбере доводится до 80— i/л. Полученную слабую аммиачную воду используют.
Зак. 509
225
Вместо трех поглотителей может быть применена тарельчат. колонна непрерывного действия с охлаждением тарелок, а таю насадочная колонна из нескольких изолированных царг. Flepei кающая из царги в царгу жидкость охлаждается в выносных хол< дильниках.
На рис. 76 представлена схема улавливания NH3. Выделяв щийся при спуске давления из автоклава 1 аммиак, содержащн i пары воды, охлаждается в теплообменнике 2. Образовавшийся коп денсат стекает в сепаратор 3, аммиак барботирует через раствор аммиачной воды. Теплообменник 2 и сепаратор 3 работают под ш большим давлением и охлаждаются водой. Из сепаратора 3 аммиак
Рис. 76. Схема улавливания аммиака:
/ — автоклав; 2 — конденсатор; 3 —сепаратор с водяным охлаждением; 4—6— абсорберы; 7 — сборник аммиачной воды.
проходит через редуктор, где его давление снижается до атмо-сферного, и подается в абсорбер 4, охлаждаемый рассолом. Пере» выбросом в атмосферу газы проходят барботажный абсорбер 5 и оросительный абсорбер 6. В схеме предусмотрена возможность не I ретока аммиачной воды из одного абсорбера в другой для повыше^ ния ее концентрации. По этой схеме можно получить 25—28%-пу >1 аммиачную воду.
Полное улавливание аммиака, отгоняемого из автоклава, оче» J важно для экономики производства, так как во всех процессах ам1 монолиза обычно применяют большой избыток NH3. Аммиак, гД держащийся в фильтратах и сточных водах в виде аммонийш х солей, может быть отогнан при кипячении щелочного раствори! Улавливание NH3 проводится по описанной схеме.
Для интенсификации процесса абсорбции аммиака водой прим I ияют также аппараты, работающие в пенном режиме70. При изв.nJ 226
Рис. 77. Абсорбер для поглощения SO3: / — барботер; 2 —штуцер для слива кислоты.
газы стали сжигать в топке,
funii аммиака из коксового газа устанавливают многоступенчатые । иные абсорберы, имеющие до 10 секций. Интенсивность абсорб-Itii в этих аппаратах в 45—100 раз выше, чем в обычных колоннах насадкой.
Серный ангидрид выделяется из емкостей, реакторов, мерных и рзгнх сосудов при сульфировании органических соединений серин кислотой, в которой растворен SO3. Для поглощения SO3 при-<няют горизонтальные абсорберы (рис. 77) поверхностного типа, српый ангидрид поступает в барботер 1 и, пройдя через слой кис-i гы (93%-ная H2SO4), растворяется в ней. Раствор выходит из жового штуцера 2.
В производстве фенола через бензолсульфокислоту фенол со-,< ржится в газах и парах, выделяющихся из плавильных котлов и всптелей. Из плавильных котов кроме фенола выделяются ыль бензолсульфокислого на-рпя, оксидифенилы и другие родукты. Попытки транспор-нрования этих газов в скруб-ср не привели к успеху, так як скрубберы расположены j большом расстоянии от котов, и газопроводы быстро за-нвались твердыми осадками, [оэтому от регенерации фено-м отказались, а выделяющие^
пиленной в непосредственной близости от котлов. Газы и пары из .швильпых котлов и гасителей проходят насадочный колонный бсорбер, орошаемый слабым раствором фенолята. Часть фенолята обращается на орошение для увеличения концентрации фенола в бсорбере. Потери фенола в процессе щелочного плавления 8 оставляют 1,2—1,5% от его теоретического выхода, а при гаше-UII — 1,2—1,5%
Предложено72 улавливать фенол из плавильных котлов и из rati елей в водоструйных или пленочных абсорберах. Принцип дей-птя водоструйного абсорбера показан на рис. 78. Применяемая Ля абсорбции и промывки газа жидкость (обычно вода) по верти-ильной трубке входит в форсунку, расположенную в верхней части нпарата. Вылетающая из форсунки с большой скоростью струя, роходя суженную часть трубы Вентури, увлекает за собой газ или л|», поступающий в верхнюю часть, и твердые частицы. Одновре-сппо с абсорбцией газа происходит механический захват и унос Яердых частиц жидкостью. Жидкость сливается в бак, где от нее Оделяются твердые частицы, промытый отходящий газ выводится ||>ез дымовую трубу.
. Для изготовления такого простого аппарата можно использо-мн, большинство конструкционных материалов. Гуммированный Вппарат из нержавеющей стали был использован для промывки
15*
227
газа от SO2 и для отделения мельчайших частиц пирита от газа на выходе из пиритных сушилок и шаровых мельниц, применяемых для дробления флотационных колчеданов. Производительность во доструйных скрубберов зависит от напора воды, разрежения и ра створимости газов и паров в- воде.
Рис. 78. Водоструйный скруббер с трубой Вентури для очистки отходящих газов:
/ — подача жидкости из циркуляционного насоса (давление на входе в форсунку 1,7 ат); 2—патрубок для сброса в атмосферу не-скондеисировавшихся газов; 3 — патрубок для входа очищаемого газа; 4 — вращающийся клапан для непрерывного удаления твердых частиц; 5 —вертикальный многоступенчатый центробежный насос; 6 — перегородка для отделения твердых частиц от жидкости.
Рис. 79. Скруббер со стекающей пленкой жидкости (высота скруббера 9,1 — 10,7 м, диаметр 600 —760 мм)-.
1 — осевой вентилятор из поливинилхлорида, 2 —форсунки для распыления жидкосчи.
3 — скруббер; 4 — патрубок для входа загря» иенного газа; 5 — трубопровод для подачи жидкости на орошение; 6 — погружной вер тикальный центробежный иасос; 7 —непре рывно вращающийся затвор для выв» 11 шлама; 8 — перегородки для отделения твср дых частиц от жидкости.
Достоинством водяных скрубберов является большая произно дительность. К их недостаткам относятся: большой расход жидки сти на единицу объема газа, низкая эффективность абсорбции из < непродолжительного контакта фаз, малый коэффициент использо вания мощности насоса, создающего тягу. Поэтому водоструйные скрубберы имеют ограниченное применение.
12а
I Скрубберы co стекающей пленкой жидкости (рис. 79) представая |<|г собой усовершенствованные водоструйные скрубберы, лишеннее некоторых недостатков их. При создании скрубберов со сте-воицей пленкой жидкости был использован опыт работы конденсаторов. Так как при стекании пленки по стенкам скруббера поверхность контакта фаз сравнительно невелика, то эффективность аб-|ирбции в нем низка. Поэтому практическое применение пленочных ррубберов ограничивается лабораторными и опытными установками.
I (редложено объединять такой скруббер с дымовой трубой, что пшоляет повысить эффективность его работы. В таком аппарате огличие от описанного вьТше водоструйного скруббера процесс бсорбции осуществляется при противоточном движении жидкости газа, что обеспечивает максимальную степень абсорбции при ми-цмальном расходе жидкости. Кроме того, газ эффективно охла-i даетея при передаче его тепла пленке жидкости. Это создает словия для выпадения твердых примесей еще до контакта газа жидкостью. г
В процессах нефтехимического синтеза применяют абсорбцию и I давлением. Так, при получении ацетилена пиролизом метана, ропана и бутана содержание С2Н2 в газе колеблется в пределах к--12%. Остальные компоненты пирогаза — неконденсирующиеся В. N2, С2Н4, СН4, а также диацетилен и др. Для выделения ацетина применяют абсорбцию водой, N-метилпирролидоном, диметил-армамидом (растворимость 23 вес.% С2Н2 при 20°С). В воде при ГС и 1 ат растворяется около 1,2 г/л ацетилена, с повышением явления газа до 20 ат растворимость С2Н2 повышается до 24 г/л. [о водной или диметилформамидной абсорбции из пирогаза уда-яют сажу (промывкой водой), бензол и нафталин (абсорбцией пперальным маслом).
Ацетилен абсорбируют водой при 20 пт и 18° С, диметилформ-мидом при 10,5 ат и 38° С. Десорбция С2Н2 осуществляется в ггырех ступенях со снижением давления с 20 до 0,05 ат. В первой гупени происходит десорбция ацетилена и других углеводородов, ^створившихся в воде. Выделившийся газ содержит 45% С2Н2 и «вращается на абсорбцию. После четвертой ступени газ содержит К-96 % С2Н2. Его дополнительно очищают последовательной про-ывкой минеральным маслом, серной кислотой и 0,5%-ным растром NaOH. После этого концентрация С2Н2 в газе повышается • 99%.
Абсорбцию диметилформамидом (ДМФ) проводят по двухсту-пчатой схеме с последующей десорбцией. Температурный режим сорбции: 87°С и 1,2 ат на первой ступени, 120° С и 1 ат на второй.
*В производстве фталевого ангидрида методом парофазного ка-литического окисления ароматических углеводородов кислоро-м воздуха образуется большое количество отходящих газов, под-жащих очистке перед удалением их в атмосферу. В современных ях годовой мощностью примерно 20 тыс. т фталевого ангидрида ручается до 100 тыс. м*]ч отходящих газов и более. В связи
229
с ростом мощности проектируемых и строящихся цехов фталево! о ангидрида увеличивается и общее количество хвостовых газон отводимых в атмосферу.
Отходящие газы содержат фталевый и малеиновый ангидриды, нафтохинон, двуокись углерода, пары воды, соединения серы, вешд ства типа лакриматоров (всего до 20 химических соединении) Часть примесей содержится в отходящих газах в виде паров, часть — в виде аэрозолей. Газы обладают резким неприятным запа хом, раздражают слизистые оболочки и вызывают слезотечение.
Абсорбционная очистка отходящих газов является наиболее рас пространенным методом30. В качестве абсорбентов могут бы и использованы вода, водные растворы щелочей, органические раство рители. Вода — самый доступный и дешевый растворитель. Однаьо существенным затруднением при водной промывке является хим и ческая агрессивность водных растворов фталевой и малеиновой кислот, образующихся при гидратации фталевого и малеиновок> ангидридов.
Промывку газов водой проводят в насадочных, полых, пенных . скрубберах. Аппаратуру и трубопроводы абсорбционных агрегатов в большинстве случаев изготовляют из кислотостойкой стали 1Х18Н10Т. Можно применять также аппаратуру, защищенную rp.i фитовой плиткой (на замазке арзамит), поливинилхлоридом,поли изобутиленом, диабазовой или метлахской плиткой.
Стальные насадочные скрубберы обычно выкладывают изнутри диабазовой плиткой или полиизобутиленовой пленкой. Как показал опыт, насадка периодически забивается смесью фталевой кислом и 1,4-нафтохинона. Приемлемые условия работы создаются только при орошении скрубберов большим количеством воды, обеспечп вающим почти полное растворение образующейся фталевой кисло ты. Разбавленный раствор фталевой и малеиновой кислот, содержа щий примеси 1,4-нафтохинона, сбрасывают в канализацию. На 1 г фталевого ангидрида образуется до 30 м3 раствора, который перс, сбросом в водоемы должен быть обезврежен. Скрубберы периодп-J чески приходится останавливать для очистки насадки от фталевой кислоты и 1,4-нафтохинона. Таким образом, в насадочных скруббер рах практически невозможно реализовать принципиальные преимс! щества водной очистки отработанных газов.
При использовании полых скрубберов их орошают циркулируют щим раствором. В качестве полого скруббера используют колонн! из стали 1Х18Н10Т (диаметр 1,2 м, высота 8 м). Достоинством ш>-1 лого скруббера является отсутствие насадки, которая может забш ваться смесью фталевой кислоты и 1,4-нафтохинона. В верхш-я части скруббера имеется лишь небольшое количество насадки, mJ полняющей роль брызгоотбойника.
Для возможно более полного использования преимуществ вом ной очистки были применены пенные скрубберы. В таких annapai.il контакт между газом и жидкостью осуществляется в слое динами! чески устойчивой пены (газо-жидкостная взвесь), образующей^
230
» прохождении газа через жидкость со скоростью 1,5—3,5 м/сек. tnn-пь слоя пены поддерживается постоянным с помощью газо-|Прсделительной решетки и зависит от высоты расположения Вшпого порога.
I азы поступают в нижнюю часть скруббера, представляющего (ой полую колонну, в средней части которой размещена газорас-мелительная колосниковая решетка, орошаемая циркулирую-IM раствором. При определенном соотношении скоростей газового Ька и плотности орошения над решеткой образуется газо-жидко-♦<ая взвесь плотностью примерно 0,3 г/см3. Скрубберная жидкость ниается в сборник. Фталевая кислота и нафтохинон плохо раство-1мы в воде. Поэтому они находятся в скрубберной жидкости в Ле суспензии. Для отделения твердой фазы суспензию отфильтро-|ii;iiot, осветленный раствор поступает на орошение скруббера, результате контакта с циркулирующим раствором температура от-(ящих газов снижается с 50—55 до 35—40° С. С повышением тем-Ьптуры увеличивается скорость гидратации фталевого и малеино-го ангидридов, что благоприятно сказывается на процессе очистки.
Следует отметить, что в пенных скрубберах нет необходимости щтельно отделять орошающую жидкость от твердых частиц, что водно отличает пенные скрубберы от насадочных и полых. При-пепие скрубберов с газо-жидкостной взвесью позволяет значи-пыю сократить размеры аппарата, так как эффективная очистка питается в слое пены высотой не более 1 м. Площадь попереч-1Го сечения скруббера сокращается в 3—4 раза, так как линейная орость газа может быть увеличена с 0,4—0,6 м/сек (в полом руббере) до 2,5 м/сек и более (в скруббере пенного типа). Солено расчету, производительность пенного скруббера в 4 раза Ныне, чем полого.
Обследовано качество отмывки хвостовых газов производства плевого ангидрида 73 в скрубберах всех трех типов. В скрубберах Засадкой степень улавливания кислых продуктов и 1,4-нафтохи-nia составляет 79%, в полых и пенных скрубберах она достигает ответственно 94,5 и 99,5%- В отходящих газах, промытых в скруб-рнх полого и пенного типов, содержатся лишь следы 1,4-нафтохи-н а.
Значительным преимуществом пенных скрубберов является |же стабильность их работы на протяжении длительного времени В очистки и промывки. Например, при орошении скрубберов пен-io типа фильтрованным раствором они могут работать без очини до полугода. Скрубберы с газо-жидкостной взвесью могут нь применены и для очистки других газов, содержащих твердые (нмеси. — Дополн. ред. «
АДСОРБЦИЯ
Адсорбция — процесс поглощения веществ сильно развитой по-рхпостью твердых адсорбентов (активированный уголь, антрацит, Иикагель и др.). Адсорбенты характеризуются статической и
231
динамической активностью. Статическая активность Определяете, количеством вещества, поглощенного единицей массы (или объема адсорбента до установления состояния равновесия между поглоти телем и средой, из которой извлекается данный компонент. Дина мическая активность характеризуется количеством вещества, погло щенного единицей массы (или объема) адсорбента, до начала «про скока» через него данного компонента. Статическая активность н 10—20% больше динамической. Значения статической и динамиче ской активности адсорбента весьма важны для расчета адсорбцион ной аппаратуры. После насыщения адсорбента проводят десорбции поглощенного вещества путем нагревания или промывки раство рами реагентов, взаимодействующих с поглощенным веществом.
В нефтехимической промышленности процесс адсорбции исполь зуется для поглощения бензина из нефтяных газов, извлечения про пана из природных газов, этилена из газов, содержащих менее. 6 объемн. % С2Н4, и др. При периодическом процессе параллельна работают три адсорбера: в первом протекает процесс адсорбции, во втором — охлаждение, в третьем — десорбция перегретым паром при 6—8 ат и 250° С. Расход пара составляет 2,5—3 т на 1 т улов ленных углеводородов37.
При непрерывном процессе (некоторые называют его «гиперсорбцией») адсорбент, например активированный уголь, проходи! колонну, разделенную на три зоны: охлаждения (трубчатый тепло обменник), адсорбции (полая колонна) и десорбции (трубчатьн теплообменник, обогреваемый парами ВОТ с продувкой заполнен ных углем трубок перегретым паром). Из зоны десорбции угол! поднимается в первую зону. Часть угля активируется в аппарате обогреваемом топочными газами. Высота колонны 26 м, диаметр 1,37 м. Давление в колонне 5 ат, температура десорбции 260° С Экономические показатели этого агрегата достаточно высоки бла годаря сокращению расхода активированного угля (он активи руется на этом же агрегате) и пара. Несмотря на это, адсорбцию применяют только в тех случаях, когда ее нельзя заменить более экономичным процессом — дистилляцией.
В производстве резиновых изделий применяется адсорбция си ликагелем примесей эфира, бензина и спирта из газов вентиляцион ных систем. В процессе синтеза фенола была опробована схем i адсорбции бензола из газов, отсасываемых из аппаратов, с применением активированного угля. Однако к. п. д. адсорбции оказался низким; кроме того, были случаи самовозгорания активированного угля в аппаратуре.
Адсорбцию широко применяют для очистки сточных ВОД ПОСЛ( промывки и нейтрализации сырых нитропродуктов и после пар эжекционных вакуум-насосов при ректификационных колонна' В промывных водах производства мононитрохлорбензола (МНХБ) содержится 1,0—3,5 г/л нитропродуктов и до 15 г/л H2SO4. Смешан ные промывные воды производства мононитротолуола (МЫТ) со держат 1,0—2,5 г/л нитропродуктов. В сточных водах из пароэжек
232
Ионных вакуум-насосов содержится от 0,034 до 0,077 г/л нитро-Ьсдуктов. Известны химический и адсорбционный способы обезвоживания сточных вод производств нитротолуолов и нитрохлор-Г» июлов. По химическому способу нитропродукты в сточных водах Гвссганавливают железной стружкой в кислой среде (20—30 г/л l,SO4) с последующей нейтрализацией известью. Время контакта Ь менее 2,5—3 ч. Общее содержание нитро и аминосоединений и пересчете на нитропродукты) после очистки снижается в 5—7 раз [сточных водах, содержащих МНХБ (к. п. д. очистки 86—25%), и [2—3 раза в сточных водах, содержащих МНТ (к. п. д. 50—67%). li-обходимое разбавление перед спуском в водоем для вод, содер-Кпцих МНХБ, снижается в 7—8 раз, а для вод, содержащих МНТ, »же увеличивается. Из приведенных данных видна малая эффек-ннпость химического способа.
Адсорбционный способ очистки сточных вод, содержащих нитро-иединенпя, разработали Р. М. Бехер, А. М. Когановский и др.65, (чистке подвергались сточные воды с содержанием 1,2—2 г/л нитро-гпзола; сточные воды, содержащие 0,4 г/л МНХБ, 0,03 г/л моно-пгрофенолов, до 50 г/л H2SO4 и до 10 г/л HNO3; сточные воды, идержащие 0,5 г/л МНТ, 0,4 г/л мононитрокрезолов и до 5 г/л |a2SO4; сточные воды, содержащие 0,6 г/л ДНХБ, 10—30 г/л H2SO4 до 10 г/л HNO3, а также сточные воды, содержащие 3,5—6 г/л нитрофенола и 150—200 г/л NaCl. Этим же методом очищались точные воды, содержащие и другие полупродукты и красители 65’74. 1 Наиболее подходящим адсорбентом оказался активированный Голь марки КАД; применяется также активированный антрацит, ктивация антрацита, смешанного с отработанным адсорбентом, роводится на той же установке, что и очистка сточных вод. При (генерации активированного угля и антрацита теряется 10—12%' х общего количества.
Ниже приведена динамическая активность угля КАД при погло-хснии некоторых нитросоединений:
Вещество Концентрация, г/л Активность, % к массе угля Время контакта, мин
Нитробензол . . 1,5 30 26
Мононитрохлорбеизол . . . . 0,3 16 30
Смесь мононитротолуола И
нитрокрезола . . 0,6 11 89
Динитрохлорбензол . . . . . 0,6 18 34
и-Нитрофенол . . 4,5 24 45
I Для интенсификации процесса адсорбции углем вредных приме-гй, содержащихся в сточных водах, сконструированы аппараты, которых активированный уголь марок КАД, БАУ или антрацит яходится во взвешенном слое75.
Десорбция нитросоединепий из активированного угля в произ-щствах нитробензола, нитрохлорбепзола и нитротолуола прово-птся путем продувки перегретым паром, в производстве нитрокре-> юв, нитрофенолята и динитрохлорбензола — промывкой горячей
?зз
водой. После нескольких циклов адсорбции — десорбции активиро ванный уголь регенерируют во взвешенном слое в специальных не чах. Через уголь продувают продукты сгорания природного газ i или нефтяного топлива (смесь двуокиси углерода и водяных паров) при 700° С.
При десорбции нитробензола температуру перегретого пара пол держивают в пределах 200—210° С, количество образовавшегося конденсата составляет 7,5% количества очищенной воды. При д< сорбции МНХБ и МНТ температура пара равна 200—240° С, коли чество конденсата соответственно 4 и 6,8%. Конденсат присоеди няют к неочищенным сточным водам. При десорбции нитрофенол i объем промывной воды составляет 7% объема сточных вод, в ней содержится 35 мг/л нитрофенола. При десорбции ДНХБ он превра щается в динитрофенол и может использоваться в синтезе краев теля сернистого черного. Объем водно-щелочной эмульсии в этом случае равен 10%, содержание в ней динитрофенола 10 мг/л.
Очистка вод происходит по следующей схеме: смешение кислых и щелочных вод, усреднение и отстаивание; отфильтровывание oi твердых примесей; адсорбция органических соединений углем; нейтрализация стоков известью; отфильтровывание стоков от гипса; разбавление условно чистыми водами; передача в общезаводские (биологические и другие) очистные установки. К- п. д. очистки ко леблется в пределах от 90 (для МНХБ) до 99% (для ДНХБ). В очищенных водах содержится 10—50 мг)л нитросоединений.
К десорбционным процессам относится также извлечение из жидкостей поглощенных ими газов и паров. Десорбцию проводят при денитрации отработанной серной кислоты (продувка перегре тым паром) 9; при очистке соляной кислоты от примесей бензола, при отдувке сернистого газа из раствора бензолсульфоната натрия (паром) 8; при удалении из сточных вод примесей органических соединений (например, бензола) в виде азеотропных смесей их с во дой; при удалении бензола из бензолсульфокислоты в вакууме8 и др
Десорбция применяется также для получения чистого хлористою водорода. Концентрированная соляная кислота при кипении выделяет хлористый водород до содержания в ней 2,0% НС1, образую щего с водой азеотропную смесь. Соляная кислота (20%-ная) воз вращается в колонну на абсорбцию хлористого водорода, получен ного сжиганием Н2 в С12, а десорбированный чистый хлористый водород после осушки поступает в реактор синтеза хлористого винила.
При повышении температуры и понижении давления процесс десорбции ускоряется, а выход десорбированных продуктов увели чивается. Конструкции аппаратов, применяемых для десорбции, та кие же, что и для адсорбции. Если десорбция является первичным процессом (например, при денитрации отработанных серных кис лот), то для улавливания выделившихся примесей применяют отстаивание конденсата и абсорбцию. Для улавливания десорбиро ванных примесей используется также хемосорбция,
234
ЭКСТРАКЦИЯ
Экстракция в системах жидкость — жидкость применяется для [деления смесей, которые трудно или невозможно разделить пу-| дистилляции или перегонки из-за небольшой разности испия их паров, малой летучести или недостаточной терми-кой стойкости, а также вследствие того, что они образуют тропные смеси.
При экстракции в разделяемую смесь вводят новую жидкость ктрагент), которая может растворять один из ее компонентов и смешивается с другими. Полученный раствор подлежит разделе-) методами перегонки или дистилляции. Поэтому общий расход <1>1 пи в процессе экстракции больше, чем при перегонке или ди-II (ЛЯНИИ.
В последнее время начали применять новые способы — азеотроп-й п экстрактивной дистилляции, более экономичные, чем жидко-ная экстракция, совмещаемая с перегонкой или дистилляцией. Яна ко они не являются универсальными, а жидкостная экстрак-|н как метод разделения смесей приобретает все большее значение промышленности. Экстракция применяется также для промывки |г;шических соединений (чаще всего водой) от небольших коли-ств загрязнений.
Экстракцию применяют, например, для извлечения фенолов из полсодержащих вод в коксохимической, газовой и химической омышленности. К. п. д. процесса составляет 98—99%, экстраген-ми являются бензол, бутилацетат, изопропиловый эфир. В нефте-рерабатывающей и нефтехимической промышленности путем экс-ищии очищают смазочные масла, дизельное топливо, керосин, рье, направляемое на каталитический крекинг (экстрагентами ляются фенол и фурфурол). Экстракцию используют также для влечения и очистки ароматических углеводородов, получаемых >п ароматизации нефтяных фракций (экстрагенты — диэтиленгли-1ль и жидкий сернистый ангидрид). В промышленности органиче->го синтеза водная экстракция применяется для извлечения кис->т нз нитросоединений9, для промывки нитрила адипиновой кис->1Ы, направляемого в производство полиамидов. Для извлечения гполов из трикрезил- и трифепилфосфатов в качестве экстрагента пользуется раствор NaOH. Уксусную, муравьиную, салициловую другие органические кислоты экстрагируют из водных растворов иловым или изопропиловым эфиром, этилацетатом. В производно капролактама его извлекают из лактама-сырца трихлорэтиле-iM. Экстракцию применяют в производстве лекарственных и биотически активных веществ (хинин, пиретрин, эфедрин, кофеин, офиллин, стрихнин, антибиотики, витамины и др), используя в рк'стве экстрагентов этиловый и изопропиловый эфиры, бензол, утилацетат, хлороформ и т. д. Экстракция используется в пищевой ромышленности для очистки животных жиров и растительных магл пропаном, фурфуролом и другими растворителями.
235
Теория, расчет и конструкции экстракторов подробно описаны в литературе 23’76-79. Основные параметры процесса экстракции (степень селективности растворителя, распределение в нем экстр., тируемого вещества и т. д.) в каждом конкретном процессе прихо дится определять опытным путем.
Технологу-проектировщику при составлении технологически i схемы, включающей процесс экстракции, необходимо начать с вы бора экстрагента. Его характеристикой является селективность (избирательная способность) по отношению к извлекаемому п жидкости веществу. Понятие селективности относится к статичс ским параметрам и определяется максимальной продолжитель ностью контакта жидкостей.
Количественное выражение селективности ф:
Ф = уХ- In 4s- = In фа - In ф*
где фа и ф6 — коэффициенты распределения компонентов а и b между исходным раствором и экстрагентом;
Са и Сь — количество растворенных веществ при равновесии мол. доля.
При >0 In-у-= 1 — In (такой экстрагент является оптп мальным). При In-—-->0 и -^-=1 (такой экстрагент
неприемлем).
Избирательная способность экстрагента может быть выражена формулой:
1П l|)g - In Ipfr
* ф Xa~Xb
где Xa и Хь — количество растворителя в экстракте (а) и в рафи нате (Ь), мол. доля.
При Ха -> Хь ф - > оо
Для перехода от статических параметров к динамическим еле дует определить минимальное время контакта между экстрагентом И жидкостью, необходимое для достижения статической селектин ности (или близкой к ней величины), и минимальное количество экстрагента, которое надо ввести в смесь. Обе эти величины зависят от типа экстрактора. Сравнение нескольких экстрагентов про водят в одинаковых гидродинамических условиях.
Селективность экстрагента зависит в основном от растворимое i п в нем компонентов смеси и температуры. Как правило, при повы шении температуры селективность увеличивается. Иногда она boi растает при добавлении к исходному раствору неорганических сол ft и оснований (например, NaCl при извлечении анилина из водной) раствора и др.). Кроме селективности, времени контакта фаз и количества экстрагента технолог должен знать или определить н
236
►vnie свойства экстрагента: давление его паров при температуре и 1|)акции, возможные потери, токсичность, взрывоопасность, также разработать схему отделения экстрагента от извлечен-rio вещества (дистилляция, перегонка и др.).
При прочих равных условиях выбора экстрагента определяющи-। являются экономические факторы и требования техники без-иитгости. Так, нежелательно применение этилового эфира (из-за жышенной огне- и взрывоопасности), трихлорэтилена и дихлорана (из-за токсичности) и т. д. В качестве экстрагентов применит также воду, водные растворы неорганических щелочей и кис->г, фенол, фурфурол, диэтиленглпколь, трикрезил- и трифенил->сфат, этилацетат, бутилацетат, бензол, диизопропиловый эфир др.
Скорость перехода вещества из одной фазы в другую в единицу смени (dM) для всех процессов массопередачи выражается урав-ппем:
dM = Ка dF
с а —движущая сила процесса массопередачи;
dF — поверхность контакта фаз;
К — коэффициент массопередачи [при а, выраженной через разность относительных мольных концентраций, размерность К моль/(м2 • ч); если М выражена в мольЦм3- ч), размерность К м/ч\.
Значение а определяется как среднелогарифмическая величина •жду разностью концентраций в начале и в конце процесса, по-рхность F зависит от конструкции экстрактора. Кроме молеку-1рной диффузии в пограничном слое при экстракции имеет значе-ис и конвективная диффузия к пограничной зоне.
Для молекулярной диффузии:
dM= — D-^F-dF де
е D — коэффициент диффузии;
/де — градиент концентрации в направлении диффузии.
Для конвективной диффузии:
dM = $(Cn-C^dF
е р — коэффициент диффузии;
и Сф — концентрации у поверхности раздела фаз и в ядре потока. Величины К, D п р определяют экспериментальным путем. Знания D и р для ряда веществ приведены в литературе77.
При расчете экстрактора основной величиной является высота кницы переноса (ВЕП). Высота участка экстрактора, соответ-иующая ВЕП, равна
Y Y
= или
Высоту аппарата можно определить по формуле
Н = 1*х/"х = lly'ny
237
где Ух и Yy — массовый расход обеих фаз (X и У);
S — удельная поверхность контакта фаз, м2/л3; f — площадь поперечного сечения колонны;
Кх и Ку — коэффициенты массопередачи в фазах X и У; тх и ту — числа единиц переноса в фазах X и У.
Значения тх и mY определяют число ступеней смешения npi к. п. д. каждой ступени 100%- При непрерывной экстракции фактп ческий к. п. д. значительно меньше. Число единиц переноса при периодической экстракции определяется количеством циклов; в этом случае к. п. д. каждого цикла близок к 100%.
В производстве нитросоединений экстракция применяется для извлечения нитропродуктов из отработанной серной кислоты. Так на 1 т товарного нитробензола получается 1 т H2SO4, содержащей 1,2—2,2%) нитропродукта. Этот же процесс используется для очи стки нитробензола-сырца, содержащего примеси H2SO4, HNO, 0,6—1,2 г нитрофенолов и других веществ (например, динитрохлор бензола, динитротолуола, тринитротолуола и др.). Ранее экстрак цию нитросоединений из кислот и примесей из нитросоединении проводили в двухступенчатых аппаратах колонного типа с насад кой, совмещавших функции смесителей и отстойников. Экстраген том нитробензола служил бензол. Минимальное (по бензолу) со отношение бензол: кислота = 1:15, максимальное 1 : 1,5. В первой ступени к. п. д. достигает 80%, во второй 75%, продолжительносп контакта 20 мин. Содержащий нитросоединения бензол практически полностью отстаивается от воды и возвращается в произвол ственный цикл на нитрацию. При замене колонн системами центре бежный насос — отстойник время контакта, объем и стоимость оборудования снизились в несколько раз, а к. п. д. повысился. Экс тракция проводилась также в две ступени.
Водная экстракция кислот и нитрофенолов из готовых продук тов проводится в две ступени в системе насос — отстойник. Следуе! отметить, что коэффициент распределения нитрофенола межд\ нитробензолом и водой составляет для пара-изомера 0,31 при 20° ( и 0,101 при 40° С, для орто-изомера соответственно 0,036 и 0,0057 Полное удаление нитрофенолов возможно при увеличении количества воды, повышении температуры и увеличении числа ступеней экстракции. Раствор нитрофенолов и кислот в воде обычно присоединяют к сточным водам, направляемым на очистку. Однако нитрофенол может быть утилизирован в виде аммиачной соли, почти не растворимой в воде9.
В производстве фенолов экстракция применяется для извлечения их из сточных вод, в которых содержание фенолов колеблется от 2 до 17 г/л. Фенолы можно извлекать путем адсорбции, дистилляции, десорбции циркулирующим паром и экстракции. Выбор mi тода определяется экономическими соображениями. Установлено, что при концентрации фенола в воде выше 0,2 г/л наиболее выгодна экстракция80. При паровой десорбции образуется больше количество вторичных сточных вод (до 30% от загруженного), и
из
>« иу она применяется на тех заводах, где десорбция исполь-»| я и в других производственных процессах 8. Кроме того, к. п. д. Крного способа составляет 90% (к. п. д. экстракции 98—99%). «ячестве экстрагентов применяют бензол (фенол регенерируют шпором NaOH с образованием фенолята) и бутилацетат. На *< 80 показана двухступенчатая схема экстракции фенола бен-л<>м в центробежных экстракторах. Во второй ступени совмещены фракция фенола и регенерация его раствором NaOH. Исходная цептрация фенола в воде 1,3 г/л, температура процесса 30— 1 < к. п. д. свыше 97%. Оптимальное соотношение бензол : вода = 1,5:2. Производительность установок от 50 до 120 м?1ч, рабо- емкость экстракторов 380—760 л, их удерживающая способен, составляет всего 2% по сравнению с насадочными колонами. Расход электроэнергии 0,8—1 квт-ч/м? воды.
Рис. 80. Схема экстракционной обесфеноливающей установки:
* Жстрактор первой ступени; 2 — промежуточная емкость фенолизированного бензола; | Л — промежуточная емкость регенерированного бензола; 4 — экстрактор второй ступени.
Па одном из заводов испытывали инжекторный экстрактор для тлечения фенола из воды маслом 81. Принцип работы экстрактора m ten из рис. 81. Вода отстаивается от поглотительного масла » ространстве между инжекторами и стенкой аппарата. Для внед->|пя в производство рекомендуется двухступенчатая экстракция, пказатели работы установки: коэффициент распределения — 30; Ьшржание фенола до экстракции 3 г/л. К. п. д. при соотношении бтрагент: вода (0,5: 1) — (2: 1) изменяется от 94 до 97%). Фенол и-тскается из масла 30%-ным раствором NaOH с добавкой30— > ,,-ного метанола в количестве 5—10% от количества масла. Восгопнство инжекторного экстрактора — развитая поверхность Китакта, благодаря чему можно уменьшить время контактирова-|ни (в нашем примере до 5 мин) и, следовательно, размеры аппа-мта.
Г Для экстракции фенола применяют также бутилацетат (фено-львап), коэффициент распределения которого равен 17 (для бен-h'a 2—3). Даже при соотношении бутилацетат : вода = 1 : 15 I и д. экстракции приближается к 97,6; при соотношении 1:10 В п д. около 99%..
Из приведенных примеров видно, что любой процесс экстраi ции является двухстадийным — собственно экстракция и отделение исходной жидкости от экстрагента. Вторая стадия может пров<> диться в две операции: отделение исходной жидкости от экстраген i.i в отстойниках и извлечение растворенного вещества путем дистп i ляции или хемосорбции. Применяются различные комбинации этих процессов: хемосорбция без отделения экстрагента, отделение ш ходной жидкости без извл<
Рис. 81. Схема обесфеноливающей установки с инжекторными экстракторами: 1 — экстрактор; 2, 3 — инжекторы; 4—7 —сборники; 5, 9 — насосы.
чения растворенного веществ.i и т. п. Однако в экстракторах любой конструкции coxpa няются две операции: смете ние жидкостей (эмульгирова ние) и их разделение. Обе операции для систем жидкость жидкость более сложны, чем для систем пар (газ) — жид кость, так как пар и газ стрс мятся занять весь свободный объем аппарата и отделяются от жидкости путем сепарации, нагревания и других простых приемов.
Для смешения жидкостей необходимо использовать гравитационные силы или механическую энергию, причем каждая жидкость в процессе эмульгирования ведет себя по-разному. Этим объясняется большое разнообразие типов и конструкций жидкостных экстракторов. Пратт76 подразде ляет экстракторы на два класса: дифференциально-контактные и ступенчатые. В экстрак
торах первого класса состав фаз непрерывно изменяется, в экстракторах второго класса имеется
определенное количество ступеней, в которых происходят смешение и последующая сепарация фаз. Все описанные здесь экстракторы относятся ко второму классу. В каждом классе Пратт выделяет группы конструкций: гравитационная, центробеж ная, вертикальная или горизонтальная смесительно-отстойная
и др.
В промышленности экстракторы обычно подразделяют на три группы: гравитационные (смешение и разделение происходят по i действием силы тяжести), механические (смешение производится при помощи вращающегося ротора, пульсации и т. п.) и инжек
24Q
инонные (смешение инжектором). По конструкции различают Гкстракторы вертикальные колонного типа и ротационные со строенным или вынесенным устройством для отстаивания.
Для выбора экстрактора, по нашему мнению, достаточно двух признаков: эксплуатационные затраты на 1 т готового продукта и соответствие аппарата действующим правилам и нормам техники Iбезопасности (при одинаковой надежности сравниваемых типов).
В СССР нормализованы колонные аппараты 66, каждый из которых может быть использован как экстрактор, и герметические экстракторы непрерывного действия (ЭГН), выпускаемые мелкими сериями. Наиболее просты по конструкции применяемые в качестве экстракторов комбинации стандартных центробежных насосов с отстойниками. Более сложные смесители этого типа описаны в литературе9.
ЭКСТРАКТИВНАЯ И АЗЕОТРОПНАЯ ДИСТИЛЛЯЦИЯ
При экстрактивной дистилляции двух близкокипящих жидкостей в разделяемую смесь добавляют третью жидкость (или ее пары), что приводит к изменению относительной летучести разделяемых компонентов. Чаще всего этот прием используется в нефтехимической промышленности. Так, по отношению к бутадиену летучесть изобутана составляет 1,209, летучесть изобутилена 1,070, после добавления фурфурола в смесь углеводородов С4 летучесть' увеличивается соответственно до 2,6 и 1,666.
При периодическом процессе третий компонент добавляют в куб колонны (иногда на верхнюю тарелку), при непрерывном — в укрепляющую секцию колонны (вместо флегмы). Добавляемый компонент должен обладать достаточной селективностью по отношению к тяжелой фракции, значительно меньшей летучестью, чем разделяемые жидкости, и быть инертным по отношению к веще-• ствам, с которыми он смешивается. Если этот третий компонент полностью растворим в тяжелой фракции, добавку отделяют дистилляцией; при ограниченной растворимости — отстаиванием. При отделении толуола от близкокипящих нефтяных продуктов в ко-’ донну вводят фенол (в колонну из 50 тарелок разделяемую смесь вводят на 16-ю тарелку, фенол — на 30-ю). Кубовую жидкость (смесь фенола с толуолом) разделяют дистилляцией, причем фенол направляют в первую колонну, а толуол —в сборники готового продукта.
При азеотропной дистилляции к смеси добавляют жидкость (или пар), которая образует с одним из компонентов азеотропную смесь. •1\пдкость (пар) добавляют в количестве, достаточном для полного извлечения одного из компонентов смеси.
В нефтехимической промышленности азеотропную дистилляцию (применяют для разделения смесей толуол — парафины при добавлении в них нитрометана; для выделения бутадиена из смеси углеводородов С4— добавлением в нее жидкого аммиака или двуокиси
|6 Зак. 509
241
серы. В этом случае дистилляцию ведут под давлением 16 ат, So, отделяют от углеводородов при температуре от —20 до —45° С.
В промышленности органического синтеза азеотропную дистил ляцию используют для выделения анилина из анилиновой води 1 В азеотропной смеси анилин — вода содержится 81,2 вес. % вот и 18,8 вес. % анилина; т. кип. смеси 99,5° С (т. кип. анилина при 1 атм равна 184° С). Колонны для азеотропной дистилляции р;к считывают так же, как и обычные, причем азеотропная смесь р;и сматривается как легкокипящий компонент. При дистилляции воды, содержащей 4 вес.% анилина, достаточно однократного испарения для получения азеотропной смеси и около 10 тарелок — для отгон ки 95% анилина от первоначального содержания. Расход пара . ставляет 11—14 т на 1 т извлеченного анилина, расход воды 180 230 м3. При 25—28° С растворимость анилина в воде около 3,5Г7,>. а воды в анилине 5%, поэтому анилин отделяется от воды просты i отстаиванием с возвращением 3,5 %-ной анилиновой воды на пог торную дистилляцию, а влажного анилина — на вакуум-перегонк\
Производство абсолютированного изопропилового спирт (ИПС). В результате простой дистилляции получают азеотропную смесь ИПС с водой (87,7% ИПС, 12,3% Н2О; т. кип. 80,3°С). T.i ким образом, в ИПС-сырце иа 1 т спирта приходится 155 кг воды, в то время как в тройной смеси ИПС — бензол на 1 т спирта при ходится 40 кг воды. Чтобы удалить из смеси всю воду, надо доб i вить Ют бензола на 1 т воды (или 660ка бензола на 1 т ИП( ) Абсолютирование спирта проводят в тарельчатой колонне с 68 70 тарелками. Бензол подают на верхнюю тарелку, технический ИПС на 50—66-ю.
Тройная азеотропная смесь (73,8% бензола, 7,5%' воды, 18,7" ИПС) охлаждается и расслаивается на водный и бензольный слои Чтобы извлечь из смеси весь ИПС, в нее добавляют холодную во ду. В бензольном слое после расслаивания содержится 80% бен зола, 1% воды и 19% ИПС; в водном слое содержится 10—15% спирта, остальное—вода. Бензольный слой возвращается на 68 70-ю тарелку колонны. Количество флегмы составляет 1500 кг ii.i 1 т ИПС-сырца. Кубовый остаток из колонны абсолютирования подвергается повторной дистилляции в насадочной колонне перво дического действия для выделения остатков воды и других примесей; дистиллят представляет собой готовый продукт.
Водо-спиртовую смесь (10—15% ИПС, 85—90% воды) подвергают простой перегонке в насадочной колонне непрерывного действия. В дистилляте получают двойную азеотропную смесь, которая направляется затем в колонну абсолютирования на 50—66 кг тарелку. Кубовый остаток представляет собой воду, содержащий 5%' ИПС. Часть кубового остатка после охлаждения используео я для разбавления тройной азеотропной смеси, избыток сбрасываек и! в канализацию. В результате теряется до 10 кг бензола на 1 гни тового продукта и около 150 кг ИПС (примерно 30 кг из колонны дистилляции и 120 кг из очистной колонны). На 1 т ИПС расход 242
г и 1,75 Мкал пара, 79 м3 воды, 31 квт-ч электроэнергии и и азота.
I место бензола в колонну абсолютирования можно вводить ди-щропиловый эфир (ДИПЭ), при этом образуется тройная азео-Iiii.ih смесь (91% ДИПЭ, 6% ИПС и 3% воды). Из-за малого Йржания воды в этой смеси в цикле должно находиться значи-ю большее количество экстрагента, чем при использовании бен-(для удаления 1 т воды требуется до 32 т ДИПЭ или 10 т bitvia). Схема азеотропной дистилляции с применением ДИПЭ рпиципе не отличается от описанной выше. Критериями для вы-ц бензола или ДИПЭ в качестве экстрагента являются эконо-еские показатели. Температура кипения ДИПЭ (68,7° С) не-Крько ниже, чем бензола (79,6°С), а парциальное давление паров ние. Это приводит к увеличению потерь экстрагента, что особенно (мио при большом количестве его в цикле. Однако и этот пока-ль нельзя рассматривать отдельно от остальных.
Приняв, что в обоих случаях (при использовании бензола и ди-цпрспилового эфира) качество ИПС-сырца и готового продукта ’•% ИПС) одинаково, а также одинаковы потери (0,32 т на 1 т iplia и 0,15 т на 1 т готового продукта), получим следующие податели для второго способа (с ДИПЭ):
Потери ДИПЭ, кг.............. 104
Расход
пара, Мкал ......... 2,7
воды, л/3-............... 181,5
рассола, ккал.............. 55
электроэнергии, кет ч... 100
Стоимость переработки составляет около 50% стоимости сырца, гп время как при использовании бензола она равна 30%. Основ-ll перерасход приходится на ДИПЭ, цена которого в 3 раза выше ни нЗ бензол, а потери примерно в 10 раз больше. Энергетические граты примерно в 1,5—3 раза выше, что связано с большим обо-Гом ДИПЭ в цикле. Основываясь на этих показателях, технолог-оектировщик должен выбирать бензол.
Метод азеотропной дистилляции применяется и для абсолюти-и.шия других спиртов (например, этилового).
В производстве противосорняковых препаратов применяется «тропная дистилляция сточных вод, в которых содержатся фе-В, поваренная соль и другие примеси. Процесс ведут в колонне рподического действия, заполненной насадкой из колец Рашига вмсром 50 X 50 мм. Диаметр колонны 1500 мм, высота насадки ИМш; флегмовое число R = 2 4. Фенол получают в виде 6%-г<> водного раствора, используемого в производственном цикле, сход пара составляет 8—12 т на 1 т извлеченного фенола.
При перегонке с водяным паром температура кипения извле-гмон органической жидкости ниже 100° С (при 760 мм. рт. ст.). Перегонный куб или в колонну водяной пар подают до тех пор, 1с*
243
пока не будет достигнута заданная степень извлечения органического компонента. Пары воды и органической жидкости концепт руются и охлаждаются, при этом слой органической жидкое,и отделяется от водного конденсата. Если эти жидкости не отделяю, ся друг от друга, перегонка с паром обычно не применяется. Пер, гонка с водяным паром — наименее экономичный способ раздел, ния жидких смесей. Так, если при вакуум-перегонке 1 кг анилин., расходуют около 0,8 кг пара, то на перегонку с паром (с учетом последующей вакуум-перегонки) расходуется до 5 кг пара. Затр., ты на перегонку анилина с паром в 1,5—5 раза превышают ра< ходы при любом другом способе извлечения его.
Применение перегонки с паром оправдано при одном из следую гцих условий: если в реакционной массе содержится твердое вещ, ство, адсорбирующее часть органического продукта и цемент,, рующее его при исчерпывающей вакуум-перегонке (к таким вещ, ствам относятся окислы железа, застывающие смолы и др.); если необходимо провести перегонку при температуре паров ниже 100 ( (чтобы предотвратить ухудшение качества продукта). Так, приме нение перегонки с паром примерно для 40% анилина, полученного восстановлением нитробензола чугунной стружкой (60% продую., отгоняется из реактора за счет тепла реакции)9, и для дихлорбеи золов 7 объясняется первой причиной.
Расчет процесса проводится на основе общих уравнений тепло вого баланса. Расход пара может быть определен по уравнении)
6 = Д-18рв-
/ИоЦо
где рв— парциальное давление водяных паров;
ро — парциальное давление паров органической жидкости;
т0 — молекулярный вес органической жидкости;
/( — коэффициент, равный 1,2—1,25 (иногда К достигает 2—5)
Величину д можно снизить при использовании перегретого пар.) вместо насыщенного и глухого для компенсации потерь тепла, нагревания жидкости до температуры кипения, равномерного распределения пара в массе жидкости (перемешивание, кольцевые барботеры и др.). Значение К зависит также от заданной степени извлечения органического вещества: чем больше степень извлечения, тем больше должен быть К. Можно определить максимальное значение К, выше которого затраты на пар больше стоимости извлеченно, ,> продукта.
Для проведения процессов перегонки с паром могут примени, I, ся как емкостные, так и колонные аппараты. Последние пригодни лишь в том случае, когда твердый осадок не цементируется на n.i садке (именно поэтому не удалось освоить колонны для отгонки анилина из реакционной массы, содержащей окислы железа). Топ копленочные испарители также могут найти применение в проц,, сах перегонки с водяным паром, если жидкость не содержит цемсн тирующихся осадков.
244
В заключение следует отметить, что дистилляция, абсорбция, >рбция и экстракция широко применяются в промышленности цншческого синтеза. Эти процессы должны рассматриваться тех-яогом-проектировщиком так же серьезно, как n основные опера-IH, связанные с превращениями реагентов. В ряде случаев пере-глишые процессы могут быть взаимозаменяемыми. Наиболее эф-Ki явные методы переработки реакционных масс следует выбирать .четом экономических, конструктивных, санитарно-гигиенических щторов, а также требований техники безопасности.
В ряде процессов разделения реакционных масс и обезврежи-ппя сточных вод и отходящих газов последовательно применяют • ные методы: абсорбцию и адсорбцию; десорбцию и абсорбцию; чракцию и дистилляцию или перегонку; адсорбцию, выпарку, шку и прокаливание, операции биологической очистки, сжигания яр.
Все окончательные расчеты описанных процессов можно вести лько на основании экспериментальных данных, но нельзя вообще называться от расчетов. Они позволяют проектировщику провеши достоверность экспериментов и выдать задание на конструи-щание и испытание опытно-промышленных образцов.
Проектировщику следует пользоваться нормалями на насосы лонны, санитарно-техническое оборудование, отдельные типы стракторов. Конструирование индивидуальных аппаратов прочится только в машиностроительных организациях, располагаю-»х стандартными узлами, которые могут найти применение в >иых аппаратах. Некоторые организации химического машино-роения принимают на себя проведение экспериментов с конкрет-ыми процессами и аппаратами.
СУШКА
В процессе сушки из продукта удаляется (испаряется) вода или (п анический растворитель, при этом затрачивается большое коли-гство тепла. Расчеты процессов сушки и сушильных аппаратов ряведены в литературе23’82.
Продукт, подлежащий сушке, как правило, предварительно от-шльтровывают, в результате чего количество влаги в нем снимется. После этого продукт поступает на сушку в виде суспен-ни или пасты (содержание жидкости 30—75%) или же влажного орошка (содержание влаги 5—15%). Для сушки применяют на Ьтый воздух или газ и проводят ее при атмосферном давлении hi в вакууме. К концу процесса сушки испарение жидкости загуляется.
Некоторые гигроскопичные вещества можно высушить только и определенного предела, другие (например, сульфит натрия) по ере выпаривания влаги сначала становятся жидкими — плавятся кристаллизационной воде, а затем превращаются в безводный »срдый продукт. Такие продукты, как, например, органические | мсптели, разжижаются в результате механических воздействий,
245
нагревания и т. п. Известны пасты органических веществ, качеств, которых ухудшается при соприкосновении с горячей поверхностью (они прилипают к ней). Поэтому выбирать тип сушилки и опреде лять ее производительность желательно на основании эксперимеп тальных данных.
Не следует забывать, что данные, полученные при изучении сушки одного материала, не всегда применимы к другому, даж< ес...и эти материалы сходны по физическим свойствам. Часто тип сушилки для одного материала выбирают на основании серии опытов, проводимых на экспериментальной установке.
Применяются сушилки периодического и непрерывного дейсг вия. Некоторые сушилки, например с кипящим слоем, могут рабо тать в обоих режимах.
При выборе типа сушилки должны быть известны следующщ данные:
физико-механические свойства высушиваемых продуктов, в том числе их форма (паста, суспензия, порошок, чешуйки, гранулы и др.), насыпная плотность влажного и сухого материала, влияние температуры на свойства материала, максимально допустимая температура сушки, способность материала окисляться и т. д.;
сведения о взрывоопасности и токсичности материала, о pi зультатах его сушки в лабораторных и опытных установках;
характеристика оборудования, из которого материал поступаем в сушилку (испарители', центрифуги, фильтрпрессы кристаллизаторы) и возможный способ загрузки его в сушилку;
количество материала, которое необходимо высушить в заданное время; его начальная и конечная влажность;
стоимость высушиваемого материала;
методы контроля качества сушки (химический или физико-хп мический, периодический или непрерывный);
При компоновке совмещенных схем (стр. 73), кроме того, должно быть известно, какие продукты предусмотрено высушивать в одной и той же сушилке. Проанализировав имеющиеся сведения, выбирают тип сушилки и режим процесса.
Следует отметить, что большинство готовых (сухих) продуктов органического синтеза в той или иной степени токсичны, а значительная часть пыле-воздушных смесей взрывоопасна. Атмосфер.! сушильных отделений, где производится отгонка растворителей, очень вредна. Поэтому основными требованиями при конструиро-1 вании сушильного оборудования является обеспечение его надеж ности и герметичности, включая операции загрузки и выгрузки.
В промышленности органического синтеза применяются еле дующие типы сушильных аппаратов.
Воздушные сушилки. К ним относятся барабанные непрерывного действия с вращающимся барабаном (например, в произво i-стве салициловой кислоты), барабанные гребковые периодическою действия, обогреваемые изнутри топочными газами (для сушки не которых красителей), полочные с рециркуляцией воздуха, с ручной
246
• ирузкой и выгрузкой противней (для сушки некоторых малотон-мжпых красителей, фотокиноматериалов и медикаментов), ленточ-ВйС и вальцеленточные сушилки непрерывного действия (в произ-Ьвдстве химикатов-добавок для резиновой промышленности), рас-Ьмптельные аппараты непрерывного действия (в производстве Када моющих веществ и др.), сушилки с кипящим слоем, пневма-пческие и аэрофонтанные, циклонные непрерывного действия, широко внедряемые во все отрасли химической промышленности.
В перечисленных воздушных сушилках предусмотрен непосред-Ьиеиный контакт теплоносителя (воздух, топочные газы, азот) с >1и’ушиваемым материалом. Целесообразность рециркуляции теплоносителей определяется экономическими факторами. При низкой Температуре сушки выгоднее рециркуляция дорогостоящих газов (например, азота), а иногда и воздуха, нагреваемого в паровых ».«лориферах, но не топочных газов. При решении вопроса о ре-внркуляции следует учитывать необходимость в дополнительном |>11сходе электроэнергии и оборудовании (циркуляционные газо-by вки, вентиляторы и др.).
Вакуумные герметические сушилки. К ним относятся гребковые типа «Венулет» периодического действия, применяемые там, где ирсбуется удалить из материала органические растворители, при tyшке токсичных веществ, а также материалов, образующих взрывоопасные смеси с воздухом. Вакуум-сушильные немеханизированные шкафы периодического действия с противнями, расположенными на греющих элементах, нашли применение в малотоннажных производствах. Вакуум-вальцовые механизированные сушилки непрерывного действия распространены в производстве пищевых ироду ктов, красителей и др. Во всех вакуум-сушилках исключен непосредственный контакт теплоносителя с высушиваемым материалом, поэтому в них можно сушить продукты, нестойкие к действию Ьоздуха и топочных газов.
Сушилки с кипящим слоем, просты по конструкции и могут изготовляться в механических мастерских химических заводов. Такие (ыпилки непрерывного и периодического действия имеют разную производительность. Например, выпускаются агрегаты непрерывного действия производительностью 5—200 т/ч для сушки неорганических продуктов и термостойких паст 83’84. В сушилки периоди-кского действия типа «^эроматик» одновременно можно »|ружать от 2 до 400 ка материала. Цикл сушки материалов, содержащих до 67% влаги, не превышает 80 мин. На установках • Ъроматик» проводилась сушка ацетатов целлюлозы, поливинил-• (орнда, полиамидов, полиэфиров, полиэтилена, добавок для рези-L. медикаментов и др.
Г Сушилки малой производительности выполняют однокамерными пк.*. 82), большой производительности — спаренными. При загрузке сживающихся продуктов применяют разрыхляющие мешалки.
Принцип действия сушилки «Аэроматик» заключается в том, о материал в виде гранул или пыли разрыхляется током воздуха
и переводится во взвешенное состояние. Воздух подается вентп. ui тором, размещенным в верхней части сушилки. Перед поступлепш м в сушилку воздух очищается от пыли и нагревается. Фильтры и нагреватели смонтированы в камере 5. Как правило, рециркуляция воздуха не производится. Воздух проходит снизу вверх через емкость 3 с материалом, днище которой выполнено из перфорированной жести и покрыто частой проволочной сеткой из нержавеющ? и стали. В зависимости от конструкции дна и принятой скорости дни жения воздуха можно усилить или ослабить перемешивание м.
Рис. 82. Однокамерная сушилка «Аэроматик»:
1— двигатель вентилятора; 2 — камера вентилятора; 3 — тележка с сетчатым
днищем; 4— узел управления; 5 —камеры для фильтров.
териала. Расположенный над емкостью с материалом фильтр предотвращает потери продукта. По окончании сушки материал высыпается вручную или при помощи специального автоматического приспособления в сборник.
В спаренных сушилках «Аэроматик» емкость с материалом перемещается при помощи карусельного механизма. Все операции в такой сушилке автоматизированы. Аппарат состоит из двух, работающих независимо друг от друга, сушильных отделений и оборудован устройством для поворота сборников. В отделения вмонтированы вентиляторы, нагреватели воздуха, фильтры, 3.1 слонки, регуляторы температуры, механические и пневматические устройства. В центре аппарата установлена массивная колонка, снабженная несущей стойкой для трех цилиндрических сборникои материала, выполненных из нержавеющей стали. Два сборника па
J48
itch в сушильных отделениях: один в отделении предваритель* сушки, другой в отделении окончательной сушки продукта.
пй сборник находится вне сушильного аппарата и предназна-для загрузки влажного материала в сушилку и выгрузки из сухого продукта. После загрузки сборника влажным материа-м его при помощи червячной передачи вводят в отделение пред-рнтельной сушки.
В сушилках типа «Аэроматик» на гранулированных частицах шикают заряды статического электричества. Величина заряда висит от относительной влажности проходящего воздуха, скоро-н его движения в вихревой зоне и от состава обрабатываемого сериала. Максимальный заряд достигает 100 кв. Этот недостаток (пилки типа «Аэроматик» — общий для всех аппаратов данного ы (пневматические, аэрофонтанные и др.).
В сосуд с материалом и в камеру для фильтра вмонтированы лльные коробки заземления, благодаря чему потенциал заряда пжается до величины, исключающей образование искр. При поник контрольного устройства, сблокированного с пусковым меха-II ।мом аппарата, последний включается лишь тогда, когда имеет- контакт между коробками заземления и аппаратом.
Сушилки с кипящим слоем применяются для сушки поташа 85, риродного сульфата натрия, асбестового волокна, синтетических расителей (до 60 марок), натриевой соли бензолдисульфокислоты, нмазина, моющих средств |4, флотационного колчедана86, нитрофоски 87 и многих других продуктов и материалов.
Г Оптимальные условия сушки флотационного колчедана в уста-онке с кипящим слоем86:
Максимальная температура газа, °C................... 350
Высота слоя, мм неподвижного......................................... 300 — 400
кипящего......................................... 500—600
Живое сечение провальной решетки, %.................... 7,8
Сопротивление слоя н решетки, мм вод. ст............ 200— 350
Остаточная влажность продукта, % ..................... 2,5
Уиос (частицы размером менее 0,074 мм), % ......... 2,5
Ниже приведены экспериментальные данные о сушке флота-попного колчедана86 в аппаратах с кипящим слоем (1) ив бара-
ниной сушилке (2): Показатели Сушилки
(I) (2)
Удельная производительность по сухому колчедану т/(м3 • сутки) .......................... 21,7 21,0
т/(м2-сутки) .................. 86,5 11,5
Удельный расход электроэнергии на тягу, кет • ч/т . . 2,39 2,89
Влагосъем кг/(м3 • ч).............................. 61 66,8
кг/(л<2 • ч) .................... 237 36,7
Удельный расход воздуха, кг/кг продукта.................. 0,58 1,88
условн что топлива, кг/т продукта..... 7,35 17,0
Себестоимость сушки продукта, руб........ 0,64 0,82
249
Иногда в сушилке с кипящим слоем надо получить гранулпро ванный продукт (хлористый калий, поташ, сернистый натрий и др ) Проблема одновременной сушки и гранулирования довольно слоя на, ее рекомендуется решать на основании экспериментальных данных, полученных на крупномасштабных установках. Исслс ;о ватели, работавшие в области сушки и гранулирования 85-87, пришли
к выводу о том, что в ряде сл\ чаев необходимо возвращение и зону сушки не менее 10—15% ю товых гранул. По этому принципу работают установки сушки по i. ша, сернистого натрия, некоторы гранулированных удобрений и др
Иногда желательно получи и. сухой продукт в виде пыли В этом случае кипящий слой cot дается из инертного материал.!
8Р.: .
Рис. 84. Комбинированная аэрофонтпи-ная сушилка:
/ — нагнетательные вентиляторы; 2, 3 — калориферы; 4 — искрогаситель; 5 — подсушива i с 6 —сушильная камера; 7 — цнклои; 8 — отс.к ы вающий вентилятор.
Рис. 83. Схема сушильной установки с кипящим слоем:
/ — вход нагретого воздуха; 2 —камера сушилки (кипящий слой — фторопластовая крошка); 3 — батарея циклонов; 4,7 — разгрузочные устройства; 5— течка; 6 — бункер; 8 — разгрузочный шкаф; 9 — контейнер для готового продукта.
(носителя), а высушиваемый продукт подается в него в виде сус-1 пензии. Сушилка такого типа изображена на рис. 83; она выполнена в промышленном масштабе (диаметр 1,6 ж) и применятся для сушки красителей.
Один из видов сушилок с кипящим слоем — аэрофонтанныс i у шилки. Сушилка, показанная на рис.84,испытана в производствен ном масштабе на ряде веществ (резорцин, промежуточные про дукты, красители). При сушке термически нестойких паст с пн чальной влажностью 10—50% до конечного содержания вл ни
250
.1 -3% удельный влагосъем в аэрофонтаннои сушилке составил I) -80 кг!ма. Технологический расчет этих сушилок приведен в лигатуре 82.
Таким образом, сушилки с кипящим слоем пригодны и в мало-Ьнпажных и в крупнотоннажных производствах для сушки распоров, суспензий, паст и порошков; они экономичны и просты Г изготовлении. В зависимости от конкретйых условий процесса , шки выбирают тот или иной тип сушилки.
| Для удаления органических растворителей (сушки) применяют >1пилки типа «Венулет». Для получения продуктов в виде гранул
У////////?
Рис. 85. Сушилка типа «Венулет» (объем 6,3 л/3):
* •лектродвнгатель; 2 — редуктор; 3 — сушильный барабан; 4— фильтр; 5 —загрузочный люк; к вал с обогревом; 7 —рама для крепления сушилки и привода; 8 — разгрузочное устройство.
лользуют вальце-ленточные и ленточные сушилки88. Вальцовые тпплки, характеризующиеся высокой металлоемкостью и особыми н-бованиями к высушиваемому материалу (он должен легко прижать к вальцам и легко срезаться с них в сухом виде), а также очные (с ручной загрузкой и выгрузкой продукта) и барабан-jc сушилки в промышленности органического синтеза применяют |пи> в особых случаях. Основная область их применения — соле-<0 производства, промышленность строительных материалов, пе-Ьпботка рудных материалов и др.
I l.i сушилок типа «Венулет» следует отметить аппараты швей-лрской фирмы «Бусс» (рис. 85). Эти сушилки монтируют так, Ббы ими можно было управлять снизу (с нулевой отметки), кк» решающие элементы рассчитаны на применение любых паро
251
образных и жидких теплоносителей (водяной пар, ВОТ, горячие жидкости и др.). Благодаря обогреву фильтра исключается кондеи сация в нем паров. Конденсатор и привод, вакуумный насос и фильтр смонтированы на одной раме с сушилкой, вал обогреваю ся изнутри, разгрузочным устройством управляют при помощи обычного штурвала. Поэтому между полом первого и полом вто рого этажа (с которого производится загрузка пасты) отсутствую! обслуживающие площадки. Все горячие поверхности сушилки изо лированы и защищены металлическим кожухом.
Рис. 86. Распылительная сушилка с циклонной топкой:
/ — камера распылительной сушилки; 2—разгрузочный шнек; 3 — приемник пыли; 4 — фор сумки; 5— газоход горячего газа; 6 — циклонная топка; 7 —приемник плава; 8 — Охладите.Th плава; 9 — течка.
Распылительная сушилка в сочетании с циклонной топкой ос воена в производственном масштабе для обработки сточных вод, содержащих неорганические и органические соединения. Схема сушилки представлена на рис. 86. В камеру сушилки поступает 1100—1200 кг/ч суспензии (или раствора), содержащей около 250 кг солей. За счет тепла газов, поступающих из циклонной топки при 800—900°С, выпаривается около 800 кг влаги. Газы выходя! из сушилки при 250—280° С и направляются для очистки в сухой циклон и пенный скруббер (на схеме не показаны). Выходящий in сушилки порошок поступает в циклонную топку, где расплавляете я (температура в топке 1000—1200°С), при этом органические со единения сгорают. Расплав стекает на охлаждаемый транспортер
Ш
|>етается с него в виде чешуек. Расход топлива (в пересчете на ут составляет ПО—120 г/кг выпаренной влаги.
При освоении сушилок с циклонной топкой основные трудности попались в устранении сводообразования (в нижней части илки) и адгезии материала к корпусу. Чтобы избежать этого, ему ввели следующие изменения: корпус был защищен полиро-ной легированной сталью; газ вводили сверху (прямотоком к >дному веществу), вместо центробежного применили форсуноч-распыл и др.
'.'пециальные сушилки. В производстве 2-нафтола сушку про-гг для отделения и испарения воды из его расплава8'9. В тех 1аях, когда недопустимо нагревание продуктов (например, не-щых лекарственных веществ, пищевых продуктов), для сушки меняют метод вымораживания, а иногда проводят сушку инфра-шыми лучами. При сушке ряда красителей используют вакуум дут процесс при 60—100° С.
Основными критериями для выбора сушилок являются их на-пость и герметичность. Если этим условиям удовлетворяют юлько типов сушилок, сравнивают их экономические показа-I. К наиболее экономичным сушилкам относятся аппараты пящим слоем.
3 СССР крупными сериями выпускаются печные барабанные илки (изготовитель — завод «Прогресс») и печи с кипящим :м (КС) для обжига дробленого и флотационного колчедана 89. ако такие аппараты почти, не находят применения в промыш-пости органического синтеза. Вальце-ленточные сушилки выпускаются мелкими сериями по нормалям НИИХиммаша 90 семи ниоразмеров с индексами от СВЛ-400/400 до СВЛ-1000/2000 (цифры — соответственно диаметр и длина вальца). В ленточной нети монтируется 3—6 секций.
Вакуумные цилиндрические и вальцовые сушилки из углероди-Пой и легированной сталей нормализованы и изготовляются по циничным заказам91. Гребковые сушилки типа «Венулет» выпу-». потея трех типов: СВЦР-800-2500, СВРЦ-1000-3200, СВРЦ-50-4000 (первая цифра — диаметр барабана, вторая — его дли-К). Вальцовые сушилки могут выпускаться с одним вальцом (( ОА) и двумя (СДА). Диаметр вальцов 600—1250 мм, длина 00—3200 мм, поверхность 5,2—25 м2, мощность двигателя 12 — кет.
I Распылительные сушилки (СР1Д) нормализованы и изготов-Ящотся по единичным заказам 92. Нормалью предусмотрено восемь ниоразмеров СРЦ: для испарения от 50 кг до 6,3 т влаги в час пли для сушки от 70 кг до 9 т исходного материала). Рабочий бьем сушилок от 12,3 до 1470 лг3, мощность двигателя от 1,4 до 176 кет.
Кроме того, выпускаются сушилки с форсунками (типа СРФ) «1Ной же производительности как распылительные, а также
М3
воздушно-полочные и вакуум-полочные сушилки с ручным обе живанием.
Из сказанного следует, что для выбора сушильного еборудо, л ния необходимо располагать всеми расчетными и практическими данными. К расчетным следует отнести производительность аш рата, начальные и конечные параметры материала (влажное,, концентрация и др.); к практическим — физико-химические свои ства участвующих в процессе веществ. Желательно пользоваты >i| данными, полученными непосредственно в производстве или в л л бораториях: При переходе от расчета сушилок к выбору констр\ ции и типа аппарата следует ориентироваться на практичесь данные пилотных установок, масштаб которых не менее 1 : 10 отношению к проектируемым.
Как указывалось, за основные критерии при выборе типа i шильных аппаратов принимают их надежность и герметичное , i.J а при прочих равных условиях сравнивают экономические показ., тели работы сушилок.
I Л В Л 10
РАЗДЕЛЕНИЕ СУСПЕНЗИЙ И АЭРОЗОЛЕЙ
В данной главе рассмотрены выбор оборудования и способы гтавления схем для процессов отделения твердых веществ от |пикостей и газов. Отделяемые твердые вещества могут быть как гповными компонентами реакционных смесей, так и примесями к нм. В ряде случаев реакционные массы в виде суспензий или .арозолей содержат взвешенные твердые вещества.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
1 Кристаллизация основана на изменении растворимости тверич веществ в жидкостях. Растворимость большинства солей увенчивается по мере повышения температуры растворителя. Исклю-гнием является хлорид натрия (поваренная соль), растворимость шорого в воде и в растворах других солей практически не зави-|tr от температуры93. Поэтому для кристаллизации NaCl доста-чпо выпарить часть растворителя без последующего охлаждения яствора. Кристаллы поваренной соли выпадают в осадок сразу осле того, как «порог насыщения» будет пройден. Если кроме NaCl растворе содержатся другие соединения (например NaOH), расширимость которых возрастает с повышением температуры, то по **ре выпаривания воды удается осадить практически весь хлорид лгрия. При последующем охлаждении раствора в осадок выпадает Бессоленный едкий натр. Этот процесс широко применяется в «ирной промышленности93 и в производстве неорганических со-• и— так называемая дробная кристаллизация, первой стадией «норой является осаждение NaCl из горячего раствора.
[ Зависимость растворимости солей от температуры графически •ображается в виде плавной кривой. Для ряда веществ харак-Гриы экстремумы на кривой растворимости, причем иа некоторых I участках растворимость уменьшается с повышением темперации К таким веществам относятся: сульфат кальция CaSO4, расширимость которого в воде уменьшается при температуре выше г С; сульфат натрия Na2SO4, растворимость которого снижается и 33—100° С; гидроокись кальция Са(ОН)2; сульфит натрия
SO3, растворимость которого понижается в интервале 40—80° С, ip Обычно экстремальным точкам кривой растворимости соот-псгвуют кристаллогидраты, например Na2SO4 • 12Н2О; Na2SO4-1<)||2О; Na2SO3-7H2O. При нагревании кристаллогидратов до
Температуры, превышающей температуру в точке перегиба кршкм растворимости, соли переходят в раствор вследствие выделений кристаллизационной воды. При наличии подобных точек на криви! растворимости в процессе дробной кристаллизации можно удалиii из раствора одно из растворенных веществ.
В тех случаях, когда растворимость солей значительно (и пл<пм но) увеличивается при повышении температуры, после выпари!..il ния раствор охлаждают; в процессе охлаждения происходит крп! сталлизация. Поскольку пределы насыщения растворов при дан,н>й температуре для разных солей различны, после отделения опре к ленных компонентов раствора (сульфат натрия, хлорид натриЦ и др.) можно продолжать дробную кристаллизацию, отфильтровы вая соли, выпадающие в осадок по мере снижения температур. Следует иметь в виду, что некоторые соли образуют смешанные кристаллы. Если же дробная кристаллизация не требуется, охлал дение ведут до минимально допустимой температуры, зависящей oi экономических и технологических факторов (затраты на холен, подвижность суспензии, степень загрязненности кристаллин и др.).
Наибольшее распространение процессы выпаривания и криста., лизации получили в производстве солей, в хлорной и пищевой промышленности. В промышленности органического синтеза они используются в основном для утилизации отходов (тиосульф.I I натрия9, сульфат натрия 8 и др.).
В большинстве производств органического синтеза, в хлорной и пищевой промышленности применяются:
емкостные кристаллизаторы с коническим днищем, мощной мешалкой и рубашкой для охлаждения;
вакуум-кристаллизаторы с испарением избытка растворите.,,1 при разрежении;
кристаллизаторы шнекового типа с охлаждающей рубашкой и с продувкой воздуха (при этом воздух насыщается парами раство рителя, и температура раствора понижается). В таких кристалл,, заторах суспензия и кристаллы перемещаются при помощи шнека j трубчатые вращающиеся кристаллизаторы с наружным и внутренним охлаждением или с продувкой воздуха. Такие аппараты устанавливаются с уклоном, что облегчает перемещение суспензии и кристаллов.
Технологический расчет кристаллизаторов выполняется на ос нове уравнений материального и теплового балансов и кривых „а сыщения растворителем воздуха, продуваемого через суспензии! (или над суспензией). Для определения размеров аппаратов необ 1 ходимо знать коэффициенты теплопередачи, которые могут бы и получены только опытным путем. Для определения продолжите.,,. ности кристаллизации также нужны опытные данные о ее влияпш на размеры кристаллов и качество готового продукта и о приг<>, ности кристаллов для дальнейшей переработки (отфильтровы,,., ния).
256
Принято считать, что при образовании более крупных кристал-В качество продуктов повышается, однако это предположение не р.шдывается при агломерации крупных кристаллов, на поверх-I in которых адсорбируются загрязнения нгому обычно не стремятся получать in таллы размерами более 2—3 мм.
Для выбора конструкции кристаллиза-ра требуется большое количество исход-1.x данных (подвижность суспензии, адге-н к конструкционным материалам, воз-1Жпость сводообразования, затрата энер-н па перемешивание и т. д.), которые мо-1 быть определены только в результате мплексных испытаний кристаллизатора иной конструкции при коэффициенте мас-1абирования не болеее 1 : 10.
Так, экспериментально установили вменения аппаратов шнекового типа Й рубашкой для кристаллизации
возможность с охлаждаю-семиводного ьфата натрия (отход производства фенола8). При пекгнровании же и изготовлении мощных кри-^|лпзаторов их значительно удлинили, поэтому • ребовалась установка внутреннего подшипника Соединение двух частей кристаллизатора непо-гдетвенно при его монтаже. Такое соединение бы-выполнено сварным, а не на фланцах, причем премя сварки допустили небольшой перекос на >рснней поверхности кристаллизатора, вследствие о образовался порожек. Эти небольшие отступле-и от модели послужили причиной невозможно-| освоения данного аппарата, так как суспензия рессовывалась в местах поперечного сварного и внутреннего подшипника. Кристаллизатор пилось демонтировать и заменить его обычными костными аппаратами периодического дей- ия.
74
7J
6 „ Квакуум-
воронка; вентиль; штуцер, насос;
Рис. 87. Вакуум-кристаллизатор со взвешенным слоем:
1 — питательная
2 — регулирующий
3 — переливной
4 — центробежный
5 — корпус кристаллизатора; 6 — смотровые окна; 7 — пере-точная труба; 8 —термометр; 9 — элеватор; 10 — приемный бункер; 11 — «качалка»; 12— обратная труба;13 — сепаратор; 14 — отбойник; 15 — штуцер для отвода сокового пара; 16 — вакуумметр; 17 — циркуляционная труба.
В промышленности минеральных удобре-II стали применять высокопроизводитель-с кристаллизаторы со взвешенным Ьсм81. Схема такого аппарата (диаметр | м, диаметр сепаратора 0,4 м, высота I м, общая высота агрегата 1,25 м) прицепа на рис. 87. Кристаллизатор пред-инляет собою аппарат вакуумного типа
циркуляцией маточного раствора. Горячий концентрированный ггнор смешивается с маточным раствором и перекачивается в куум-испаритель (сепаратор). Часть воды испаряется, благодаря му температура смеси понижается. При этом образуется пересы-ппый раствор, стекающий во взвешенный (кипящий) слой кри-и.гов. В кристаллизаторе пересыщение раствора снижается из-за
П Зак. 509
257
увеличения размера кристаллов и удаления из него части расы о-рителя. Кристаллы удаляются элеватором, избыток маточника (. кает через штуцер 3 в емкость для исходного раствора. Пересытс ние раствора, вытекающего из сепаратора, составляет 1—4 . I, скорость циркуляции раствора 200—340 л/мин, разрежение 715—720 мм рт. ст., температура кристаллизации в предел.л 29—34° С. Изучалось влияние различных условий процесса на величину кристаллов, их средние размеры составляли 0,6—1,7 .им Было отмечено скопление кристаллов в районе сварных швов и> ратной трубы, которое удавалось предотвращать включением и i ружного электрообогрева. Часовая производительность кристаллизатора до 72 кг соли.
Высаливание (уменьшение растворимости органических соединений в воде при добавлении неорганических солей) наиболее широко применяется в синтезе водорастворимых красителей. В эшч процессах высаливание настолько эффективно, что после добав. и ния NaCl или КС1 к водному раствору красителя след капли р.ц твора на фильтровальной бумаге («вытек») становится почти бес цветным и краситель весь находится в осадке. Обычно в прощч cd высаливания выпадают мелкокристаллические осадки, содержащие даже после фильтрования 60—80% маточного раствора. Кристаллы приходится отделять на обычных фильтрпрессах. Высали! вание применяется также в мыловарении и ряде других проц J водств. В отдельных случаях, варьируя солевой состав раствор.i, температуру высаливания и продолжительность процесса, полу-1 чают крупнокристаллические осадки, пригодные для отфильтровывания на механизированных аппаратах.
Так, в производстве 2-нафтола8 после сульфирования нафталина прово ыг гидролиз примеси 1-сульфокислоты, образующийся нафталин отдувают пароч. После этого сериую кислоту нейтрализуют сульфитом натрия. В процессе neiiipi лизации натриевая соль 2-сульфокислоты выпадает в осадок и отфильтровываем ся. От величины и формы кристаллов этой соли зависят скорость фильтровашии
полнота ее отмывки от маточного раствора, содержание влаги в соли и возмчж
ность механизации ее транспортирования. Н. И. Масанову и др.
удалось ре..и
эту задачу путем введения сульфита натрия в реакционную массу после ницим лиза 1-сульфокислоты (перед отдувкой нафталина). Изменение солевого соет п>< реакционной массы до начала кристаллизации натриевой соли 2-сульфокисл<>| . нафталина позволило получать кристаллы ‘необходимой величины и формы
Обычно высаливание осуществляется в тех же аппаратах, i и проводится химическая реакция. Например, в производстве краги телей соль добавляют в аппараты для диазотирования, в привет и ном выше примере сульфит натрия загружают в аппарат для гп I релиза и т. д.
Химическая обработка реакционной массы для кристаллизацш
одной из ее составляющих также широко применяется в промыт
ленности органического синтеза.
Характерным примером является обработка реакционных масс, обр:нуа щихся в процессе синтеза Аш-кислоты (мононатриевая соль Ьокси-З.б-сулыр । • нафтиламииа). После сульфирования, нитрования и денитрации получается рс.и
258
иная масса, содержащая 1,3,6-сульфокислоту-8-нитронафталина в смеси с сер-кислотой. Для отделения H2SO4 ее превращают в гипс, который отфильтро- 4К>г; нейтрализующим агентом является водная суспензия мела. В реакцион-массе остается кальциевая соль 1,3,6-сульфокислоты-8-нитронафталина, ко-. к, восстанавливают до амина. Раствор кальциевой соли 1,3,6-сульфокислоты-•фтнламина обрабатывают серной кислотой и получают кислую кальциевую II,, нерастворимую в реакционной массе. Выпавший осадок отфильтровывают Водпергают дальнейшей переработке.
В ряде процессов химическая обработка растворов комбини-сгся с их выпариванием и охлаждением. Так, для разделения и 7-сульфокислот-1 -нафтиламина (Клеве-кислоты) используют ыичную растворимость их магниевой соли в воде. Раствор смеси глот обрабатывают окисью магния и переводят в магниевые ill. Далее выпаривают часть воды, кристаллизуют 1,6-изомер и рпльтровывают его. Оставшуюся в растворе магниевую соль I и номера действием H2SO4 переводят в свободную кислоту, ко-। in выпадает в осадок и отфильтровывается. Далее проводят । I операций для очистки технических изомеров перекристаллиза-1СЙ.
Химическая обработка применяется и в процессе очистки сточ-IX вод (осаждение сульфат-ионов известковым молоком с обриванием гипса и др.).
Кристаллизация органических веществ из органических расгво-1елей проводится методами, которые описаны выше. Дополни-льпой трудностью здесь является огнеопасность и токсичность льшинства растворителей и осадков. Общим способом их кри-аллизации является медленное охлаждение растворов.
Ранее мы описали способ кристаллизации п-дихлорбензола из о раствора в орто-изомере7 и др.
Как известно, при близких температурах кипения трудно разде-ii> жидкости методом дистилляции. Так, для отделения этилбен-ia (т. кип. 136,2° С) от стирола (т. кип. 144,2° С) требуется че-ре колонны с 30—45 тарелками в каждой. Для разделения смеси io- и пара-нитрохлорбензолов потребовалось бы 75 теоретиче-их тарелок или около пяти колонн с 25—35 реальными тарел-ни в каждой. Для облегчения процессов разделения подобных । сей и улучшения качества готовых продуктов дистилляцию ком-пируют с кристаллизацией.
Изомеры мононитрохлорбензола образуют эвтектические смеси, исталлизующиеся при более низкой температуре, чем каждый пмер в отдельности. При медленном охлаждении смеси изомеров нее выкристаллизовывается то соединение, количество которого свышает его содержание в эвтектической смеси. Таким путем яется выделить данный изомер в обогащенном виде. Остав-к;ся эвтектическую смесь нельзя разделить вымораживанием, «тому ее подвергают ректификации, которую обычно проводят не I полного разделения смеси (на что потребовались бы колонны большим числом теоретических тарелок), а до получения обеганных погонов. Из них снова выделяют часть изомеров путем
!/• 2S9
кристаллизации. Такое комбинирование процессов ректификац ( и кристаллизации позволяет полностью разделить смесь изомер! . Конструкция применяемых при этом трубчатых кристаллизатор! >» периодического действия дает возможность послойного медленного вымораживания продуктов на внутренней поверхности трубок с и следующим медленным послойным же оттаиванием осадка. Чисы 4 изомеры удается получить без отфильтровывания и промывки кр i сталлов при полной герметизации и механизации процессов, ч особенно важно ввиду токсичности нитросоединений хлорбепзо ।
Смесь изомеров нитрохлорбензола при температуре около 9(1 (, (т. пл. смеси около 52° С) загружают в трубчатый кристаллизаю в межтрубном пространстве которого циркулирует горячая во После загрузки в межтрубное пространство кристаллизатора к бавляют холодную воду и охлаждают в нем массу до 13—1 I ( J Охлаждение ведут медленно и по определенному режиму (ip фику), чтобы кристаллизация продукта в трубках происходила и» степенно и слоями. При 13—14° С массу выдерживают и затем с i 1 вают эвтектическую смесь. Далее начинают медленно подогрев.i содержимое кристаллизатора до 80—82° С с промежуточным < i i вом горячих маточных растворов. При сливе растворов постоя нт контролируют температуру их застывания. Когда она достш л я 80,5° С, слив маточных растворов прекращают, расплавляют i • содержимое кристаллизатора и сливают чистый пара-нитрох. п>р бензол. Схема процесса разделения представлена на рис. 88
Разделение мононитротолуолов, как и нитрохлорбензолов, опии вано на различии температур кипения и застывания изомеров:
Температура, °C
Плавления................
Кипения при 760 мм рт. ст.
То же, при 40 мм рт. ст. .
о-нитро-толу ол
-4
222,3 122,7
п-ннтро* толуол
54,5
237,7
137,9
л-нитро-толуол
16
230,1
134,4
Обычно изомеры выделяют в такой последовательности:
1) отгонка непрореагировавшего толуола и других углеводор. дов острым паром;
2) непрерывная вакуум-ректификация смеси изомеров с <лб ром дистиллята, содержащего о-нитротолуол с незначительной пр месью м- и п-нитротолуола;
3) повторная непрерывная вакуум-ректификация кубового о татка с отбором дистиллята, содержащего о-нитротолуол с бо i шей примесью двух других изомеров;
4) очистная перегонка кубовой жидкости после второй коли ны (освобождение смеси п- и ^-нитротолуола от смолы);
5) кристаллизация и плавление n-нитротолуола в трубили, кристаллизаторах;
6) ректификация маточного раствора, содержащего до °0 льнитротолуола, с отбором дистиллята, обогащенного мета-пюм ром (до 80%) и орто-изомером;
260
Рис. 88. Схема процесса разделения смеси о- и п-ннтрохлорбензолов; кривая температур застывания смеси в зависимости от содержания в ней ПНХБ; б —температурный график работы трубчатого кристаллизатора; в —принципиальная схема разделения изомеров (ПНХБ - пара-изомер; ОНХБ - орто-изомер).
7) кристаллизация и плавление .«-нитротолуола в трубчаты' кристаллизаторах.
Применяя описанный метод, можно очистить органические про дукты (нитробензол, орто-дихлорбензол и др.) до содержания п них 99,9—99,96% основного вещества7.
Смеси орто- и пара-дихлорбензола разделяют, комбинируя про цессы дистилляции и обычной кристаллизации. Т. кип. пара-изо мера при 760 мм рт. ст. 173,9° С, т. пл. 53° С, т. кип. орто-изомер.i при 760 мм рт. ст. 180,5° С, т. пл. 17,5° С. Разделение ведут в такой последовательности:
1) кристаллизация в емкостном аппарате с мешалкой и oi фильтровывание пара-нитрохлорбензола (ПНХБ) на центрифуге
2) дистилляция фильтрата с получением погона орто-нитро хлорбензола (ОНХБ), содержащего более 10% ПНХБ;
3) вторая кристаллизация ПНХБ и отфильтровывание осадка.
4) вторая дистилляция фильтрата с получением погона ОДХБ. содержащего 2—3% ПНХБ.
ОТСТАИВАНИЕ И ФИЛЬТРОВАНИЕ
Теория и практика разделения суспензий подробно изложены в монографии В. А. Жужикова ®4, который приводит следующее опре деление процесса фильтрования: «разделение неоднородных систем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие. К этим процессам отпо сятся: разделение суспензий на чистую жидкость и влажный оса док, аэрозолей на чистый газ и сухой осадок или на чистый газ и жидкость». Мы рассматриваем процессы разделения суспензий и аэрозолей отдельно. Готовыми продуктами при разделении суспсн зий могут быть влажные осадки, растворы или и то, и другое.
Кроме фильтрования через пористые перегородки для разделения суспензий можно применять также отстаивание твердой фазы под действием силы тяжести (гравитационные отстойники) или центробежной силы (отстойные центрифуги).
Обычное (гравитационное) отстаивание применяется в про мышленности органического синтеза в случае необходимости отдг ления отходов (окислы железа или др.), образовавшихся в процессе очистки сточных вод (например, после нейтрализации этих стоков известковым молоком или после биохимической очистки) или ж< в основном производственном процессе после отфильтровывания продукционного раствора, промывки и суспендирования осадка (на пример, в процессах нейтрализации серной кислоты известью или мелом, после восстановления нитросоединений чугунной стружкой и др.). Суспендирование осадка (отхода) проводится для мехапп зации его транспортирования в отстойные бассейны. После отстав вания отходы выгружают для передачи их потребителям (рис. 89), которые могут использовать эти отходы как сырье. Отходы, не находящие применения, направляют в накопители, для устройства
262
вторых используются овраги или земельные участки, непригодные д di земледелия.
Расчет и конструкции отстойников рассмотрены в литературе очистке сточных вод74. В основных технологических процессах рынического синтеза гравитационное отстаивание применяется крайне редко. В некоторых производствах оно заменяет промежу-hninoe отфильтровывание осадков, которые должны быть тща-TVTbiio отмыты от раствора. Осадок попеременно взмучивается . промывной жидкости и отстаивается от нее. После таких проме-i уточных промывок осадок отфильтровывают. Подобный процесс
1
3
из отгонного аппарата
В канализацию
окислов железа из отстойников:
Рис. 89. Схема удаления
/ — бетонные отстойники; 2 — эстакады; 3 — распределители суспензии; 4 — вагон; 5 — скреппер; 6 — лебедка.
Вова
/ Вода
|<»кно воспроизвести в каскаде фильтров, между которыми уста-»п юны суспензаторы. Отстаивание применяется также для тща-ibiioro отделения раствора от твердых примесей в тех случаях, ►еда эти примеси могут выпадать из раствора в течение продол-и тельного времени.
Так, в производстве одного из химикатов-добавок к резиновым смесям вы-ос качество продукции удается обеспечить только при продолжительном от-иввнии раствора промежуточного продукта от примесей, выпадающих из I в течение 30 ч и долее. Столь продолжительное отстаивание вызвало не-олимость установки оборудования большого объема (в одном из цехов было лиовлено 12 отстойников объемом по 90 л3 каждый). Замена его более про-<> гптельным оборудованием, например, отстойными центрифугами, оказалась можной только при внесении в технологию очистки раствора изменений, уско-«цих выделение осадков (добавка коагулянтов, поверхностно-активных ветл н др.). Следовательно, расчет отстойников этого типа может выполняться |.ко на основе экспериментальных данных о минимально необходимой про-жительности пребывания раствора в аппаратах, обеспечивающей выделение т< гаивание вредных примесей. Примеры расчета и конструирования отстой-Ми1 применительно к процессу очистки рассолов (растворы NaCl) в хлорной мышленности описаны А. А. Фурманом 95.
Ниппы для фильтрования суспензий выпускаются в широ-
ассортименте; их выбирают, как правило, по каталогам06
263
Таблица 21. Характеристика фильтров
Группы Типы Конструкционные матери.। 114
количество обозначения
Барабанные вакуумные Барабанные гравитационные Барабанные, работающие под давлением . Ленточный вакуумный Дисковые Дисково-пакетные . . . Тарельчатые вакуумные Карусельные вакуумные Фильтрпрессы То же, автоматизированные с горизонтальными плитами .... Нутч-фильтры Друк-фильтры Цилиндрические, работающие под давлением Патронные, работающие иод давлением . . . Листовые гравитационные Листовые вертикальные, работающие под давлением Листовые горизонтальные . 3 2 2 1 - 4 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 Б и БН — с намывным слоем; В — внутренний * БГ и БГН —с намывным слоем БД и БДН — с намывным слоем л Д — вакуумный; ДД— под давлением; ДДС — сгуститель под давлением; ДДГ — под давлением с горизонтальными дисками ДП Т К Ф ФГА (ранее ФПАКМ) Е ЕД ц П; ПС — сгуститель ЛГ лв ЛГ Углеродистая, неря веющая, гуммирован ная стали Углеродистая и нержавеющая стали То же, гуммированная it эмалированная с га и) Углеродистая,нержав, nd щая, гуммировании стали; титан
Фильтры с
внутренней фильтрующей поверхностью.
264
энологическая классификация машин в каталогах основана на мующих признаках проводимых процессов:
осветление (фильтрование без образования существенного слоя । 1ка);
сгущение (фильтрование с отделением от суспензии только ча-и жидкости);
разделение (фильтрование с образованием существенного слоя лдка);
разделение с промывкой осадка.
По конструкции фильтры подразделяются на несколько групп лбл. 21).
Из перечисленных в таблице групп только для трех требуется чиая работа при разгрузке осадков (типы Ф, Е, ЕД), остальные хаиизированы, а часть их может быть и автоматизирована нны ПС, ФГА и др.). В пределах всех групп выпускается 377 ти-. размеров фильтров, из них до 300 типов Ф, Е, ЕД. Осваивается и отопление еще нескольких десятков типоразмеров, из которых и и>ко один немеханизирован.
[ Для осуществления процесса фильтрования необходима раз-ость давлений по обеим сторонам фильтрующей перегородки явление фильтрации), которая создается насосом, подающим । цдкость в фильтр, сжатым воздухом или вакуум-насосом, отсасы-йющим воздух из пространства за фильтрующей перегородкой «<вестны и другие способы создания разности давлений).
В качестве фильтрующих перегородок применяют различные I ши, металлические сетки, пористую керамику, металлокерамику, допетые пластмассы и резины, а также вспомогательные филь->ующие вещества (см. ниже). Частицы,задерживаемыефильтрую-< й перегородкой, образуют на ее поверхности все увеличиваю-пйся слой осадка, в результате чего повышается сопротивление жжению жидкости, и скорость фильтрации постепенно умень-истся. Когда скорость фильтрации снижается настолько, что даль-йшая работа фильтра становится нецелесообразной, фильтрова-!< прекращают. После промывки и отжима осадок удаляют фильтрующей поверхности. От остатков твердых частиц ткань ннцают различными способами: механическим, промывкой водой, щдувкой воздухом или паром. После очистки ткани возобновляют п н.трование.
Подобная периодичность процесса характерна не только для ильтров периодического действия, но и для аппаратов непрерывно действия. Непрерывнодействующие фильтры состоят из не-).1ьких фильтрующих элементов, в которых одни и те же стадии ронссса (фильтрование, отжим, промывка и т. д.) протекают в оди-,.копой последовательности, но не одновременно. Благодаря непре-пному чередованию фильтрующих элементов, находящихся в •иной стадии процесса, обеспечивается непрерывность работы I литра.
265
Качество разделения и производительность фильтра завися! в основном от физических свойств фильтруемой суспензии и от н нологических условий процесса фильтрования. Производительного можно повысить, увеличивая крупность и однородность часiни твердой фазы путем введения электролитов в суспензию. Если с\. пензия плохо разделяется, рекомендуют добавлять в нее вспомог.। тельные фильтрующие вещества (диатомит, целлюлозу, асбест, др. весные уголь и муку, лигнин). При фильтровании суспензий, содер жащих крупнодисперсные быстроосаждающиеся частицы твердой фазы, в фильтрах с большим приемным пространством должна быть обеспечена однородность слоя суспензии по высоте, что до стигается путем интенсивного перемешивания. При разделении суспензии, твердая фаза которой является целевым продуктом, целесообразно поддерживать в ней возможно более высокую концеп трацию твердых частиц. Суспензии с низкой концентрацией твердой фазы в ряде случаев следует подвергать предварительному сг\ щению.
Производительность фильтра и степень отжима осадка можп< увеличить путем снижения вязкости жидкой фазы, для чего суспеп зию нагревают перед фильтрованием. Нагревание способствую также удалению из суспензии части воздуха и предотвращает вы деление его пузырьков в порах фильтрующей ткани и в слое осадка на фильтре. Следует иметь в виду, что при фильтровании на ва куум-фильтрах температура суспензии может лишь ненамного пре вышать температуру образования паров фильтруемой жидкости в условиях рабочего вакуума.
Производительность фильтров можно повысить также, увеличи вая давление фильтрации. При этом, однако, надо принимать во внимание различную сжимаемость осадков с повышением давле ния. Если осадки легко сжимаются (как, например, гидроокиси алюминия и железа), повышение давления может привести кумень шению производительности фильтра. Кроме того, рост давления обычно способствует проскоку твердой фазы в фильтрат.
В большинстве случаев при обезвоживании суспензий на филь трах в слое осадка образуются трещины, что приводит к его нерав номерной сушке и промывке. В процессе отфильтровывания рас трескивающихся осадков в аппаратах периодического действия нельзя полностью обезвоживать их до промывки. В барабанных вакуум-фильтрах с фильтрующей поверхностью до 10 м2 растрески вание слоя можно предотвратить, используя бесконечное полотно покрывающее осадок в зонах просушки и промывки (приспособле ние для «заглаживания» трещин). При образовании растрескиваю щихся осадков не рекомендуется применять дисковые фильтры и аппараты с внутренней фильтрующей поверхностью.
В вакуум-фильтрах с непрерывной разгрузкой сокращение про должительности рабочего цикла (т. е. увеличение скорости вра щения фильтра) ограничено минимально допустимой толщиной слоя осадка, при которой еще возможно снятие его с фильтрую 266
I» Л поверхности. Рекомендуемые значения минимально допустимой > нцинЫ'СЛОЯ осадка приведены в табл. 22.
Таблица 22. Наименьшая толщина слоя осадка на фильтрах
(в мм)
Фильтры Осадки Время образования осадка указанной толщины, мин (не более)
зернистый, рассыпающийся прочный, маловлажный, ломающийся; полностью отделяется от ткани непрочный, влажный,. слегка мажу- щийся; не полностью отделяется от ткани слабый, липкий, сильно мажущийся
|Н1|мбанные 8 5 8 10 4
(исковые 10 8 10 12 3
утренние 10 6 10 — 3
1 «рельчатые 16 16 20 — 2
Карусельные 6 6 6 6 6
Jen точные 4 4 6 8 4
при сухой выгрузке . . — 8 10 12 —
при мокрой выгрузке 3 3 4 5 —
Патронные
при сухой выгрузке . . —- 6 8 12
при мокрой выгрузке 3 3 4 5 Не огра-
Фильтрпрессы с горизон- ничено
1 тальными плитами . . . 4 3 8 8
Примечание. Данные таблицы не относятся к специальным способам съема или • мина осадка, к процессам осветления жидкостей при работе с намывным слоем и к процес-«м сгущения.
Для предварительного выбора типа фильтра рекомендуется •делать тщательный анализ исходных технологических данных и 1|>ебований к процессу разделения, т. е. решить следующие вопросы:
I. Короткий или длительный цикл фильтрования следует принять в проекте? Здесь учитываются концентрация и гранулометрический состав твердой фазы суспензий, а также вязкость жидкой фазы. Если данные условия позволяют получить при фильтровании <лой осадка толщиной, достаточной для полного съема его с ткани, и если не требуется высокая степень очистки фильтрата (при коротких циклах фильтрат обычно содержит 0,2—1 вес. % твердой фазы), то выбирают фильтр непрерывного или периодического дей-ттвия, работающий с коротким циклом фильтрования (например, типа ФГА). Если же при разделительном фильтровании не предста-нптся возможным получить слой осадка достаточной толщины, следует выбрать фильтр периодического действия с более длительным циклом фильтрования (листовой, фильтрпресс или др.). Для освет-днтельното фильтрования следует принять барабанный фильтр с намывным слоем осадка (вакуумный или работающий под давлением, листовой, патронный).
2. Как проводить фильтрование, при разрежении или под дав.к нием? Большинство фильтров непрерывного действия работает при разрежении. Если по п. 1 намечен выбор вакуум-фильтра непр< рывного действия, необходимо проверить, достаточно ли давлен nt фильтрования при разрежении и данной вязкости жидкой фазы и не начнется ли при разрежении и данной температуре парообразе вание или кристаллизация. Выбор фильтра периодического дсп ствия предрешает проведение фильтрации под давлением, так как болыпинствр фильтров периодического действия работает под дан лением. Такой процесс, в целом более интенсивный, чем вакуум фильтрование, может оказаться неэффективным, если твердая фаз образует легкосжимаемый осадок (например, тонкодисперспьп гидратированные соединения или коллоидные системы). Эта оси бенность процесса фильтрования может быть выявлена лишь при его экспериментальной проверке.
3. Какой тип фильтра выбрать? После решения вопроса о x.i рактере процесса и давлении фильтрации следует выбрать тип фильтра. При этом нужно учитывать следующие факторы. При большой скорости осаждения твердой фазы предпочтителыи с фильтры с направлением фильтрации «вниз»: наливные непрерыв ного действия (внутренние, тарельчатые, карусельные, ленточные), емкостные (нутч- и друк-фильтры) или фильтрпрессы с горизоп тальными плитами. Если надо промывать осадок, наилучшими типами фильтров являются такие, в которых фильтрация при про мывке направлена «вниз».
Расположение фильтрующей поверхности, скорость ее переме щения, а также проницаемость осадка предопределяют максималь но возможное количество промывной жидкости, которое по отш шению к объему фильтрата может составлять: до 150% на бара банных фильтрах, до 200% на тарельчатых и до 500% на ленточ ных фильтрах. На фильтрах периодического действия с направле нием фильтрации «вниз» количество промывной жидкости можш быть любым. Применение для промывки осадка фильтров с напра влением фильтрации «в сторону» в этом случае неэффективно. Пл дисковых и внутренних фильтрах количество промывной жидкост не превышает 15—20% массы осадка. Поэтому типовые дисковые и внутренние фильтры не оснащаются устройством для промывки осадка.
На листовых фильтрах количество промывной жидкости можно не ограничивать, но при сливе суспензии из корпуса фильтра и заливке промывной жидкости осадок часто сползает с поверхносш листов. На патронных, как и на листовых фильтрах, количеств промывной жидкости также неограничено. Вероятность сползания осадка в патронных фильтрах несколько меньше, особенно если патроны небольшого диаметра. Подача промывной жидкое! и в фильтр, заполненный суспензией, приводит к сильному разбав.ю нию фильтрата и повышенному расходу промывной жидкост Лишь в фильтрпрессах в конце фильтрования остается очень не
168
и,шой объем суспензии, поэтому промывная жидкость может цть подана непосредственно в суспензию и промывка бывает эф-«кгивной. Однако при недостаточной плотности осадка он спол-jci с поверхности и неравномерно промывается.
В случае растрескивания осадка (во время просушки) нельзя именять дисковые и внутренние вакуум-фильтры. Если за фильт-танием не следует промывка, то и фильтры других типов при грескивании осадков работают плохо, кроме барабанных и Лениных вакуум-фильтров, на которых осадок в зоне просушки ожпо покрыть движущейся тканевой лентой. При этом целесооб-зиее фильтрпрессы с горизонтальными плитами, оснащенные iponcTBOM для отжима осадка воздухом через мембрану.
При высоких требованиях к чистоте фильтрата не рекомен-устся применять фильтры, работающие по короткому циклу шьтрования (фильтры непрерывного действия типов Б, В, Д, Т, . Л и фильтры периодического действия типа ФГА), так как на их получается фильтрат, содержащий 0,2—1% твердой фазы, таких случаях лучше использовать фильтры с длинным циклом ильтрования, причем первые загрязненные порции фильтрата 1<!дует возвращать на фильтрацию. Более чистый фильтрат подуются в патронных и гравитационных фильтрах (тканевых и сыпных). Чистый фильтрат как при коротких, так и при длитель-ых циклах фильтрования дают также фильтры, работающие с наивным слоем вспомогательного фильтрующего вещества.
Если осадок приходится удалять путем его смывания, рекомен-хется применять фильтрпрессы с гидровыгрузкой осадка без 1скрытия аппарата и с укороченным циклом фильтрования или же исковые фильтры, работающие под давлением, листовые фильтры, также патронные фильтры с удалением осадка в заполненный о той корпус при подаче воздуха, воды или пара внутрь патронов.
При переработке вредных веществ следует выбирать фильтры крышками и отсосом из-под них выделяющихся паров или газов, также фильтры, конструкция которых исключает необходимость итакта обслуживающего персонала с такими веществами. В этих |учаях лучше всего выбрать герметичные фильтры, для выгрузки тдка из которых не требуется раскрывать аппарат. При фильтро-иши огне- и взрывоопасных продуктов необходимо применять 1лько герметичные фильтры, заполняемые циркулирующим инертны газом, с выгрузкой осадка в закрытое пространство.
В Пр иложении III приведены данные по фильтрованию раз-нчных суспензий на барабанных фильтрах. Эти данные подтвер-ццот необходимость проведения испытаний для выбора типа и । <мера фильтра, так как различия показателей процесса фильтро-1НИЯ разных суспензий очень велики. Влажность осадков за ред-I мп исключениями составляет 25—70% (в единичных случах ме-25%, для ряда продуктов до 85%)- Для получения продуктов меньшей влажностью следует применять центрифугирование ••(Ли оно возможно). Для фильтрования суспензий, содержащих
Органические продукты, используют преимущественно барабан пи« вакуум-фильтры, вертикальные фильтрпрессы (рамные и кам; ные) и механические горизонтальные фильтрпрессы типа Ф1 \ В отдельных случаях (для очистного фильтрования) примени юг патронные и листовые горизонтальные фильтры.
для фильтрования суспензии:
Рис. 90. Лабораторная установка
с —общий вид; б —детали фильтра; I, 4 — уплотниющие шнуры; 2 — фильтровальное полотииЯ S — подкладка под фильтровальную ткань; 5—патрубок для отвода фильтрата; 6 — резипоии!
шнур.
Преимуществами фильтрпрессов являются развитая поверхног 11>' фильтрования (до 50 м2) и возможность их выбора без предварительных специальных экспериментов в полузаводском масштабе
Таблица 23, Максимальные нормы расхода на 1 м2 фильтрующей поверхности (за 1 мин) для определения размеров вспомогательного оборудования, комплектного с вакуум-фильтрами
Фильтры Воздух, м3 Фильтрат, л Промыв-наи жидкость, л Пар, л*3 (при раз делении горячих суспензий)
с промывкой осадка без промывки осадка из зоны фильтрации из зоны промы 14к ••
Барабанные .... 1,4 2 30 30 3 3
Дисковые — 1 12 — 1,2 —
Ленточные 1.8 3 30 30 3 3
Тарельчатые .... 3 5 50 50 5 5
Карусельные .... 2 — 30 30 3 3
Внутренние — 1,5 10 — 1 —
Примечания: I. В расчетах ресиверов при раздельном отводе основного и прцммц ного фильтратов принято, что 25% воздуха отсасывается из зоны фильтрации и 75% и 1-4 промывки и просушки.
2. Расходы промывной жидкости и выделившегося нз нее пара даны для случая о ими кратной промывки осадка.
270
s
2
£
s
9
I ч h § § s &
Й §
Hl
> jS h £11
Z. 8 — баки с мешалкой для основной суспензии; 2 —насос для подачи основной суспензии; 3 —насос для подачи суспензии вспомогательного фильтрующего вещества; 4—бак с мешалкой для суспензии вспомогательного фильтрующего вещества; 5 —насос для рециркуляции суспензий; 6 — бак с мешалкой для перелива суспензии; 7 — вакуум-фильтр; 9 — ресивер для фильтрата; 10— насос для пере качивания фильтрата; // — ресивер для промывной жидкости; 12— насос для перекачивания промывной жидкости; 13 — воздухоотделитель; 14 — воздуходувка; 15 — барометрические ящики; 16 — вакуум-насос; 17 — конденсатор; 18 — ловушка.
5 F s s?
I
0
ыыОООб
ЫНПППВ-
По мере освоения суспензаторов и насосов для перекачив;.....и
пасты и внедрения фильтровальных материалов, плит и рам из спи тетических материалов, обладающих минимальной адгезп к осадку, объем ручных работ по обслуживанию фильтрпресош резко сократился и перестал служить препятствием к их прим' нению.
Рис. 92. Патронный автоматизированный фильтр.
Рис. 93. Фильтр типа ФГА.
Для получения экспериментальных данных о процессах филы рования сконструирован ряд лабораторных и модельных уста по вок (рис. 90), которыми оборудуются все заводы органическою синтеза. Результаты грамотно проведенных экспериментов мог\ я быть достаточно надежными для выбора промышленных филы I ров. Эти данные можно получить и в специализированных opramti зациях по предъявлении опросного листа.
На рис. 91 показана типовая схема установки барабанного пл куум-фильтра.
В табл. 23 приведены нормы для выбора вспомогательного оборудования, комплектного с фильтрами.
На рис. 92 показан патронный фильтр с автоматическим унран-лением, на рис. 93 — фильтр типа ФГА.
272
Так называемые фунда-фильтры с вращающимися тарелками 14 рубежом применяются в некоторых производствах для очистной фильтрации с намывным слоем кизельгура (800 г/л2) и для очистной сгущающей фильтрации из раствора, содержащего I—2% извещенного осадка. После сгущения содержание твердой фазы г суспензии повышается до 10—20% • Далее она отфильтровывается на центрифуге.
В промышленности органического синтеза применяется также сочетание друк-фильтров с гребковыми вакуум-сушилками. В друк-фнльтрах имеются мешалки, которые при фильтровании и промывке осадка поднимаются. По окончании фильтрации мешалки опускаются и суспендируют осадок в небольшом количестве растворителя. По трубопроводу суспензия удаляется из агрегата. Этот прием используется в целях герметизации процесса. Для изготовления такой аппаратуры применяется кислотоупорная или эмалированная углеродистая сталь.
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ
Процесс центрифугирования применяется в промышленности
органического синтеза для получения осадков с влажностью менее 20 -25%', для отделения диспергированных осадков (<5 мк) и тл.злеления эмульсий.
При центрифугировании неоднородные дисперсные системы (суспензии, эмульсии) разделяются под действием центробежных гнл. Параметром центрифуг, характеризующим напряженность силового центробежного поля, является безразмерная величина — ' зктор разделения F, который показывает, во сколько раз центро-ремительное ускорение больше ускорения силы тяжести.
Фактор разделения определяют по формуле (см. также рис. 94):
— =1,12- 10“W g
с to = лн/30 — угловая скорость ротора, рад/сек’.
7? — максимальный внутренний радиус ротора, м; п — скорость вращения ротора, об[мин\ g — ускорение силы тяжести, м/сек2.
По величине фактора разделения центрифуги условно подраз-йяются на три класса:
Классы F
Тихоходные................................. <1000
Скоростные............................ 1000 <F< 5000
Высокоскоростные, или сверхцентрифуги >5000
Условное подразделение дисперсных систем по крупности ча-ч । твердой фазы приведено ниже:
1в 3»к. 508
27S
Системы Диаметр частиц
Крупноизмельченные......................... 10—1 мм
Среднеизмельченные.......................... 1—0,1 мм
Мелкоизмельченные......................... 100—5 мк
Тонкоизмельченные........................... 5—0,1 мк
Коллоидные................................ 0,1—0,001 мк
По принципу действия центрифуги подразделяются на осади тельные (отстойные) и фильтрующие97.
Рнс. 94. Номограмма для определения фактора разделения F и окружнои скорости в зависимости от числа оборотов и диаметра ротора центрифуги.
Ротор осадительных центрифуг выполняется со сплошной обечайкой. При разделении в них суспензий твердые частицы, имеющие, как правило, большую плотность, чем жидкая фаза, по i действием центробежной силы осаждаются на обечайке ротора и виде кольцевого слоя; жидкая фаза, также в виде кольцевик» слоя, располагается ближе к оси вращения.
Разновидность осадительных — сепарирующие центрифу! it предназначены для разделения эмульсий. При разделении их на обечайке ротора располагается слой жидкости с большей плог ностью, ближе к оси вращения-—жидкий слой меньшей плотное hi 274
В фильтрующих центрифугах ротор выполняется в виде перфорированной обечайки, на внутренней поверхности которой за-ренлена фильтрующая перегородка (сито или ткань). При-разде-иии суспензий жидкая фаза проходит через фильтрующую перегородку, твердая фаза осаждается на ней в виде кольцевого слоя.
По характеру процесса центрифугирования центрифуги относят (К машинам периодического и непрерывного действия. В центрифугах периодического действия различные операции (загрузка,
Рис. 95. Установочный чертеж центрифуги типа АГ-1200-4У:
/ — промывной клапан: 2 —клапан регенерации; 3 — загрузочный клапан.
разделение, выгрузка) происходят последовательно и периодически, в центрифугах непрерывного действия — одновременно и непрерывно.
По способу выгрузки осадка из ротора различают центрифуги 1 ручной выгрузкой, с гравитационной (саморазгружающиеся), инерционной с выгрузкой ножом, пульсирующим поршнем, шнеком, •пбрацией. В центрифугах периодического действия типов ТВ, bl В, TH, ОТН, ПМ, ОФТ осадок выгружают вручную после оста-I пки ротора через его верхний борт или через окна в ступице ро-• ра. В центрифугах типа СГС и СТО для выгрузки осадка привидится демонтировать ротор.
В фильтрующих центрифугах периодического действия типа ||С с гравитационной выгрузкой осадок удаляется под действием Ьбс!венной массы после остановки ротора (такой способ
16'
275
выгрузки пригоден лишь для сыпучих осадков). В центрифугах п риодического действия типов АГ, АОГ, МГ, ПН, АПН, ЛIII АОТН осадок срезают ножом при рабочем или пониженном чт ч оборотов ротора. Такой способ выгрузки обычно применяют i ы малоабразивных осадков и в тех случаях, когда допустимо мельчение частиц твердой фазы. В фильтрующих центрифугах ни НГК осадок выгружается при возвратно-поступательном движении внутреннего каскада ротора (поршня). При этом осадок удаля( н i непрерывно (порционно) без остановки ротора. Из шнековых m । рифуг непрерывного действия типов НОГШ, НОВШ, НВШ, HI III осадок выгружается при вращении шнека относительно ротора и удаляется непрерывно без остановки ротора. Центрифуги непр рывного действия типов НВВ, НГВ характеризуются выгрузг
Рис. 96. Схема питания центрифуги типа АГ-900:
/ — загрузочный клапан; 2— фонарь; 3 — воздушник; 4 — гибкий рукав.
осадка под действием колебаний конусного ротора в осевом па правлении; осадок выводится из ротора непрерывно при рабоч А скорости вращения. В центрифугах непрерывного действия тши НВИ с инерционной выгрузкой осадок выходит из ротора под дсп ствием тангенциальных составляющих центробежных сил инерции превосходящих по величине силы трения осадка о стенки ротор I
В зависимости от расположения оси вращения центрпфхш подразделяют на вертикальные и горизонтальные.
Производительность центрифуги зависит от физико-химически свойств обрабатываемых продуктов и может отличаться от пр i изводительности, приводимой в каталогах87 или в справочнпк.1'
Экспериментально полученные данные в некоторых случаи позволяют ориентировочно определить тип центрифуги для ра ления той или иной суспензии. Но иногда таких данных недосц точно, и, согласно установленному порядку, рекомендации о прпхы нении центрифуги для разделения конкретной суспензии (эмульсии! необходимо получить в специализированных организациях. 'I । этого заказчик центрифуги заполняет опросный лист (см. Нрй ложение I).
276
III.। рис. 95 и 96 показаны схемы установки и питания центрифуг ы ЛГ, чаще всего применяемых в производстве органических ||»луктов.
РАЗДЕЛЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ
‘ В промышленности органического синтеза получаются аэрозоли кх типов: концентрированные (в системах пневмотранспорта, Ьушилках с кипящим слоем, в распылительных сушилках, в конца пых аппаратах с кипящим слоем и др.) и разбавленные (в сигмах местной вентиляции от загрузочных и разгрузочных при-Ья'облений, сушилок, смесевых аппаратов, мельниц; от пылесосов, |>испособленных для удаления пыли со стен, аппаратов и др.), мльно разбавленные аэрозоли попадают в общеобменную вы-рьиую вентиляцию сушильных, размольных и смесевых отделе-|ft. Концентрация твердых веществ в аэрозолях систем пневмо-ынспорта колеблется в пределах 0,2—80 кг на 1 кг воздуха (на->нмер, 0,9 кг полистирола, 2—6 кг фталевого ангидрида, 80 кг снтеля прямого черного, 0,5—2,5 кг гранул каучука, I кг кри-лллического диметилтерефталата, 0,25 кг крошки лавсана, 0,2 кг глочной целлюлозы 22 на 1 кг воздуха).
Разделение аэрозолей проводится в объемных аппаратах гра-Панионного типа (под действием силы тяжести), в циклонах цггробежного типа (под действием центробежной силы), в матерных фильтрах (фильтрованием через пористую перегородку), »лектрофильтрах (в электрическом поле) и в орошаемых водой ;рубберах.
В гравитационных объемных аппаратах высотой, равной 1,1— t их диаметра, скорость движения аэрозоля снижается до 0,3— ’) м/сек', угол конуса, в котором собираются осевшие твердые ча-нцы, достигает 50—60°; к. п. д. таких аппаратов не превышает I -60%.
Циклоны для снижения их гидравлического сопротивления ычно рассчитывают на скорость аэрозолей в пределах 12— > м/сек. При повышении входной скорости с 11 до 23 м/сек и. д. аппарата достигает 90—92% (при 11 м/сек он равен 76— [%)-
Нагрузка матерчатых фильтров рукавного типа по аэрозолю (ходится в пределах 150—200 jw3/(jw2 ч). Сопротивление фильтра ртавляет:
P<b = BQ"
< В — коэффициент, равный 0,13—0,15 (0,15 для тонкодисперсной пыли);
I Q— расход аэрозоля, м3/(м2 -ч);
I п— коэффициент, равный 1,2—1,3 (для тонкодисперсной пыли 1,3).
‘ Сопротивление матерчатых фильтров составляет 20—60 мм ст. (до 20 мм в нагнетательных и до 60 мм во всасывающих
277
рукавах). Основным недостатком таких фильтров является тр\м ность отвода образующихся в них зарядов статического электршим ства. В этом отношении циклоны менее опасны, так как их можно надежно заземлить. Поэтому матерчатые фильтры применяю к для разделения аэрозолей, в которых концентрации частиц opi.i нических веществ заведомо ниже их взрывоопасной концентрации^
(а) и рукавный фп.
Рис. 97. Центробежный фильтр «Рота-клон Д» «Амержет Б» (б):
/ — привод (вне подвижной рамки, подвеска на шарнирной цепи); 2— входные и выходив окна (расположение нх можно изменять в зависимости от условий); 3 —коническая во; «м (угол конуса 60°); 4 — воздуходувка (подает воздух для очистки фильтра от пыли); 5 — лести и. J (для обслуживания окон и привода); 6 —корпус (работает при разрежеинн до 7,so Л вод» ст.); 7 —колонна для питания подвижной рамки; 8 — фильтрующие рукава (£> = 225 aiJ
Обычно матерчатые фильтры устанавливают в конце схемы пос я батарейных циклонов.
Электрофильтры вообще не применяют при разделении аэро л лей, содержащих частицы органических. веществ. В мокрЛ фильтрах — скрубберах улавливают пыль (после циклонов и мЛ терчатых фильтров) главным образом из вентиляционных усi 111Л вок. Нерастворимая пыль отстаивается, растворившиеся веществ возвращаются в производственный цикл или направляются в < Л стему очистки сточных вод.
Все аппараты для разделения аэрозолей, применяемые в С< < 14 нормализованы.
278
Jru аппараты используются также для очистки воздуха от пыли ррсд компрессорами, реакционными и другими аппаратами).
Французская фирма «Tunzinie» специализировалась на выпуске 1леуловителей. Один из таких фильтров рукавного типа показан рис. 97,6 («Амержет Б»), Фирма изготовляет также агрегат Ьта-клон Д» центробежного типа производительностью 0,1— «3/сек (рис. 97, а).
ГЛАВА II
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ВЫПУСКНЫХ ФОРМ ГОТОВЫХ ПРОДУКТОВ
Готовые продукты органического синтеза выпускаются в вн i«l неслеживающихся гранул или чешуек, обладающих требуемыми механическими свойствами; в виде тонких порошков или па<1,1 содержащих очень тонко размолотые вещества.
Иногда на базе одного и того же продукта изготовляюня| различные выпускные формы его для разных потребителей. T.ik.I 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) может быть nepep.i ботана в эфиры (бутиловый, изопропиловый, октиловый и др ), в соли (натриевую, аммониевую), в амины и т. д. Каждая вы пускная форма 2,4-Д используется для обработки посевов p.i i I личных культур или одних и тех же культур, но в различных клн , матических зонах. Красители можно выпускать в виде обычных к тонкоизмельченных порошков или паст для печати.
Цехи, перерабатывающие основные вещества в их различные! выпускные формы, не должны быть узким местом технологичесм схемы. Поэтому в проектируемых цехах необходимо предусмы ривать резервное оборудование для приготовления выпускш.ии форм продуктов в соответствии с заявками их потребителей (в пре делах общей производительности оборудования по основному вс ществу) и резервные складские площади для хранения постоявши<1 запаса сырья и готовой продукции.
Гранулирование, проводимое для предотвращения слежнн.к мости и улучшения дозировки и транспортабельности продукт > настолько широко применяется в производстве минеральных y/ioftJ рений, что описывать его в данной монографии нецелесообразно, Чешуирование расплавленных продуктов на поверхности охлаам даемых барабанов освещено в нашей работе8.
Специальный процесс гранулирования с получением rpaiixJ имеющих заданные физико-механические свойства, является о бенностью производства катализаторов, химикатов-добавок к реп» новым смесям и др. Этот процесс включает три основных ста ни I
1) фильтрование с выпуском пасты, пригодной для гранулп|>< J ванпя по содержанию в ней влаги и нежелательных прим<че(И Фильтрование обычно проводится на барабанных вакуум-филы । • I или в центрифугах типа АГ. Иногда применяется каскад из 1*1 барабанных фильтров с промежуточным суспендированием пас <1 для тщательной отмывки ее от примесей. В этих случаях прпх I дптся подсушивать пасту для снижения ее влажности, примени™ специальные методы кристаллизации, обеспечивающие возмидЛ ность фильтрования суспензии на центрифугах и другие прш-мцИ
2) приготовление гранул из подготовленной пасты; I
180
, 3) сушка гранул на ленточных сушилках, выбор которых опре-лнется необходимостью сохранения структуры гранул.
1 Выбор схемы подготовки пасты зависит от индивидуальных |ойств последней. Попытки применения типовых схем гранули-кхаиия к разным продуктам (даже одного класса) оказались I успешными. Основной машиной, применяемой в процессах спе-ильного гранулирования, является отечественный смеситель-гра-Ьятор непрерывного действия (СНГ) производительностью до ) ка/ч по влажным гранулам или 200 кг)ч по сухому продукту
Веда
Рис. 98. Схема установки для гранулирования:
। щит электрооборудования; 2 — питатель пасты (тщт ПНК-80-800Н); 3 — смеситель-грануля тор типа СНГ-200; 4 — дозатор жидкости; 5 —бачок для жидкости.
.нурам, каптакс, альтакс). Гранулятор охлаждается через ру-41нку водой, имеющей температуру 10° С, температура охлажден-пх гранул составляет 28—30° С. В процессе гранулирования смесь добавляют жидкие компоненты (стеараты, олеаты), что Икдусмотрено схемой, изображенной на рис. 98. Для питания гра-*лятора пастой применяется стандартный аппарат типа ПНД-1800Н. Смешение и гранулирование производятся двумя шне-|ми, смонтированными в корпусе смесителя-гранулятора.
» В последние десятилетия ряд синтетических красителей выпускается в виде пул98, применение которых резко снижает пыление продуктов. Гранулы удоб- дозировать, кроме того, они не слеживаются при хранении Гранулы могут )П> получены сушкой тонкодисперсных суспензий в распылительных сушилках • присутствии специальных добавок или пластификацией сухих порошков (тоже
281
со специальными добавками) в смесителях-грануляторах с последующей сунн Л полученных гранул в ленточных сушилках. Размеры основного количества rp.n.vi находятся в пределах 0,1—0,8 мм. —Дополн. ред.*
Дробление и измельчение сухих продуктов применяются г.ы ным образом в угольной, строительной и рудной промышленное id в производстве минеральных солей, удобрений и др. При круш i измельчении исходным материалом являются куски с поперечный размером D= 120—1000 мм, степень измельчения и = 2—6. Пра среднем измельчении размеры исходных кусков D = 25—100 нм! п = 5—10. При мелком измельчении D = 2—50 мм, п = 10 >(М При тонком измельчении D < 2 мм, п > 50. Поперечные размере частиц, получаемых при сверхтонком помоле, составляют 1—50 mJ
Рис. 99. Мельницы тонкого сухого помола: а ~ универсальная мельница; б — шаровая мельница.
Мы остановимся на наиболее типичных машинах для toiikoiJ и сверхтонкого измельчения. Машины для получения более крупный частиц (кусковые, конические, дисковые, валковые дробилки, б< i ны, конические, молотковые мельницы) описаны в литературе2’^
В промышленности органического синтеза тонкий помол при! меняется для изготовления нерасслаивающихся сухих смесей ( r/J стов), паст, суспензий. При недостаточно тонком помоле как cyl хие смеси, так суспензии и пасты могут расслаиваться во вргм| хранения и транспортирования, что в ряде случаев приводит к i возможности их применения. Так, расслаивание смесей пестики и» с инертными наполнителями может привести к гибели части \рц жая; расслаивание паст пигментов и красителей, предназначсI ных для печати (по бумаге, ткани и др.), вызывает неравному ность окраски, т. е. брак, и т. д.
Наиболее широкое применение для тонкого помола получи.i ударно-штифтовые центробежные мельницы типа дисмембра ю|> и дезинтеграторов (рис. 99). Производительность таких машин <» 50 до 10 000 кг/ч, тонина помола от 5 мк до 2 мм. При измельчи он легкоплавких продуктов мельницы охлаждают воздухом. Для <> спечения необходимой тонины помола размолотый продам и
282
1>ко раз пропускают через мельницы. Чтобы повысить эффек-носгь измельчения, на повторный размол целесообразно возвра-। только крупную фракцию. Перед заказом мельницы необ-11.мо экспериментально проверить ее пригодность для измель-пи данного продукта.
Некоторые органические продукты приходится выпускать в виде 1иц размером 1—2 мк и менее; их выпускные формы — порошки | нерасслаив^ющиеся пасты. Например, красители, предназна-ные для окрашивания химических волокон в массе, должны гоять из частиц размером не более 1 мк.
11,1 основании современной теории сверхтонкого измельчения, (н1ботанной советскими учеными под руководством акад. А Ребиндера, было установлено, что для наиболее эффектив- > измельчения частицы материала должны подвергаться мно-ра гному высокочастотному воздействию относительно неболь-I ударных усилий, разрушающих структуру частиц. Применение I оцессе размола поверхностно-активных веществ, проникающих рещины измельчаемого материала, способствует его дальней-1у измельчению и препятствует агрегации мелких частиц. В со-гтствии с этим для сверхтонкого измельчения могут быть ис-ьзованы вибрационные, ультразвуковые и коллоидные мель-ц.|, а также мельницы типа песочных.
Вибрационные мельницы ^ожно применять для мокрого помола условии изготовления их из материалов, не загрязняющих го-wii продукт (специальные стали или покрытия из полимерных срналов).
Коллоидные быстроходные мельницы разных типов исполь->тся, например, для мокрого помола красителей. Эффектив-fi. измельчения в этих машинах несколько ниже, чем в вибра-шых, хотя в коллоидных мельницах 85—94% красителей кпо измельчить до размеров частиц 1—2 мк. Испытание струй-| мельниц для размола сухих красителей показало, что даже добавлении поверхностно-активных веществ электризация ча-ц, происходящая при размоле, вызывала агломерацию уже изученного продукта с увеличением размеров его частиц до 3— |К. Испытание отечественных ультразвуковых измельчителей нчродинамическими вибраторами подтвердило возможность нергирования продуктов в водной среде до содержания 70—85% чщ размером 1—2 мк.
Для диспергирования в водной среде перспективно применение Ьпых (или «жемчужных») мельниц. При мокром размоле фта-напиновых пигментов в такой мельнице 90—91% частиц изучаются до размеров менее 2 мк.
Фирма «Drais» (ФРГ) выпускает мельницы типа «жемчужных» с. 100). В первом аппарате производится предварительное ди-|>!ирование пасты с добавкой поверхностно-активных веществ. Ьость вращения мешалки регулируется бесступенчатым вариа-IM в пределах 550—1150 об/мин. Из первого аппарата суспензия
283
непрерывно подается в нижнии штуцер корпуса мелышцы! в котором вращаются диски с окружной скоростью 10—12 л»/.»• 1 При вращении дисков мелющие тела приходят в движение п и] полняют рабочий объем мельницы. В верхнюю часть ее кори'J встроено сито специальной конструкции, отделяющее суслен »и от мелющих тел. Суспензия стекает,в сборник и с помощью шли тового насоса направляется на повторный размол. Продолжит J
Рис. 100. Мельница мокрого помола (цилиндр о дисками показан в развернутом виде; в рабочем состоянии цилиндр установлен вертикально и соединен фланцем с приводом).
ность размола регулируй скоростью подачи суспензии • мельницу и кратностью >4 циркуляции. Известны к<>ц{ струкции аппаратов для мои рого помола с трубоизмеличм телями, заполненными меля щими телами из полимертя материалов.
Отечественная машине строительная промышленпигя выпускает дисмембраторы, п ровые мельницы, вибращш ные мельницы различных ко струкций, выбор которых I проектируемых процессов и мельчения входит в обязани сти технолога-проектировщик Для отделения от n;ui крупных частиц (более 1 ч применяются отстойные и» трифуги с фактором раздс । ния F = 3000 — 5000. Готом продукт может быть выи\н| в виде пасты или сухого поры
ка. Сушка проводится в распылительных сушилках (с центробщ ным распылом) в потоке воздуха или циркулирующего азота Описанными аппаратами не ограничивается номенклатура ч шин для приготовления товарных форм органических продукт! Количество их потребителей настолько велико, а предъявлю".' ими требования так разнообразны, что выпускные цехи до.’ый быть оснащены не только аппаратурой для предварительна диспергирования, мельницами для мокрого помола, отстоит j центрифугами, но и смесителями паст, аппаратами для отп>»»1 растворителей, протирочными машинами, мельницами для су ч<1 размола, смесителями сухих продуктов.
Ни одна из перечисленных машин не может быть рекомгг вана к установке в промышленных цехах без предварите.! ни проверки ее пригодности для проектируемого процесса. на заводах, выпускающих органические продукты, должны имей пилотные установки, оснащенные разнообразным оборудован»»
284
«пример, опробование процессов фильтрования и сушки на пи-। «>й установке необходимо для внедрения механизированной Герметичной аппаратуры, а без опытной установки для диспер-|'|>нания вообще нельзя обеспечить надлежащее качество гото->1 продукции.
Смешение твердых продуктов производится для приготовления Кнпкообразных смесей химикатов, например, с инертными напит елями при изготовлении сухих моющих средств, ядохимика-। для сельского хозяйства, красителей и др. В качестве смесителей
101. Горизонтальные барабанные Рис. 102. Смеситель «Nautamix» с вра-двушпековые смесители. щающимся шнеком:
а— деталь нижнего крепления шнека; б —приспособления для выгрузки смеси.
чио применяют емкостные аппараты — вращающиеся барабаны овольно длительным циклом смешения.
На рис. 101 показаны более производительные барабанные шнековые смесители с дистанционным управлением и пневма-гской разгрузкой.
Из смесителей новых типов для сухих продуктов можно отме-аппараты голландской фирмы «Nautamix» (рис. 102). Их сть составляет 50—10 000 л. Смешение продолжается всего - мин. Предложены также конструкции смесителей с кипящим м
Характеристика двухвальных смесителей, по конструкции ана-чных смесителям Вернера — Пфлейдерера, приведена ниже:
ины........ СМ-ЮО-ЭМ СМ-200-М СМ-400-М СМ-800
Ito кость, л . . 100 200 400 800
|ви|рев . . . Паровой или электрический Электрический Паровой
28J
Смесевые вращающиеся барабаны с загрузкой и выгрузкой и, i помощи шнека выпускаются следующих типов:
Диаметр, мм Длина, мм Загрузка, кг
2000 2600 3000
1400 1820 1500
Тонкий и сверхтонкий помол и тщательное смешение продукпт относятся к факторам, предотвращающим расслаивание смеси. Чем мельче частицы, тем менее влияет их форма на склонность к рас» слаиванию. Частицы разной формы при прочих равных условиях имеют различные углы естественного откоса, поэтому любой про цесс, сопровождающийся скольжением частиц, будет способстпо вать их расслаиванию. Если плотность частиц различна, они р.п слаиваются независимо от того, ускоряется или замедляется их
»Рис. ЮЗ. Вариант
универсальной технологической схемы изготовления выпучи ных форм красителей:
1а — шаровая мельница; 16 — песочная мельница; 1в — коллоидная мельница; /г —смесит* id тяжелого типа; 2 — сепаратор; 3, 7, /7—сушилки; 4 — смеситель для стандартизации со< i. А суспензий и паст; 5 — смеситель-гомогенизатор; 6 — экструдер; 8 — гранулятор; 9 — мелипм] сухого помола; 10 — барабан для обеспыливания; 72, 13 — тара с готовой продукцией. — Дойч н ред. *
движение, например, под действием центробежной силы. В пр<я цессе пневмотранспорта смесей более крупные и тяжелые частниц отделяются в вертикальных стояках, в местах поворотов трубопрд вода и в циклонах. Если частицы скатываются с гладкой поверх ности или перемещаются в вибрационном питателе, то более окру! лые из них отделяются от частиц неправильной формы так М как при высыпании их из барабанного смесителя или из буд кера.
Почти не существует такого способа транспортирования порой кообразных продуктов, при котором не происходило бы их рас слаивание. Решение этой проблемы может заключаться в правил^ ном размещении смесителя в технологическом цикле. Если чпс операций, совершаемых со смесями (упаковка в мешки, таб.кчИ рование, гранулирование, выдавливание или экструзия, прессован и
286
1 д.), ограничено, то для подачи смесей на эти операции нужен большой пульсирующий бункер.
• На основе производственного опыта и анализа литературных данных 1 । тожена универсальная технологическая схема изготовления выпускных форм г и гелей некоторых типов98 (рис. 103). Схема состоит из ряда взаимозаменяе-I аппаратов и позволяет приготовлять тонкодпсперсные порошки, гранулы, ТЫ для крашения и печати. Достоинством этой схемы, согласно которой в »| июдственном цехе (или отделении) устанавливается большое количество Личных машин и аппаратов, является возможность в зависимости от требо-liifi к выпускаемой продукции применять различные варианты ее обработки. ) особенно важно для малотоннажных химических производств с относитель-ч.цтыми изменениями ассортимента продукции и ее выпускных форм.
Гак, для приготовления различных выпускных форм красителей можно реко-Ыонать примерно такую последовательность обработки продуктов в аппара-I, показанных на рис. 103.
Выпускная форма
Последовательность обработки в аппаратах
Гонкие порошки.............
Высокодисперсные порошки . .
I ранулы ...................
Жидкие пасты для крашения .
1->2>3->5 (6)->7->.9>10->12
Густые пасты для печати .
— Дополн. ред. *
обследованных химических
В заключение отметим, что на 10
подах операции, связанные с кристаллизацией (выделением про-кгов), составляют 64% общего объема вспомогательных процес-I, на долю операций фильтрования и центрифугирования при-пггся 50%, на размол 15% и на смешение 9% проводимых фи-ю-механических процессов. Ввиду такого высокого удельного .1 операций разделения и переработки твердых веществ от про-.шта-технолога требуется очень внимательное отношение к чету и выбору оборудования для этих процессов.
Выбор оборудования для кристаллизации, отстаивания, фильт-кншя, центрифугирования, гранулирования, диспергирования и псотделения должен быть основан на экспериментальных дан-I, полученных в лаборатории и на пилотных установках. Такие •цоссы, как гранулирование, кристаллизация и др., должны быть Щерены на полузаводских агрегатах при масштабе не менее 10 к проектируемому агрегату. При выборе оборудования сле-I также учитывать необходимость соблюдения правил и норм Пики безопасности, возможности механизации процесса и гер-нтации аппаратуры.
По данным, приведенным в литературе и в каталогах, и в со-щгетвии с физике химическими и физико-механическими свой-лмп продуктов может быть выбран тип аппарата, подлежащего Мишин? в лаборатории, на пилотных и опытно-промышленных
287
установках. К полученным результатам эксперимента должны нр лататься способы их масштабирования (кривые, дифференты । ные и критериальные уравнения).
Для улучшения технико-экономических показателей процп при составлении технологической схемы следует опреде in целесообразность комбинирования нескольких операций: цсп1р фугирования и осветления в аппаратах патронного типа, mcii.hi среднего и тонкого помола, последовательного включения пыли делителей гравитационного и центробежного типов, матери.ни
фильтров и скрубберов и др.
ABA /2
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ компоновки ОБОРУДОВАНИЯ
ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
•Основной задачей компоновки оборудования является пра-иьная организация проектируемого технологического процесса. 1« задача может быть решена графически (разработка планов разрезов расположения оборудования) или объемным методом — ем создания объемной модели проектируемого цеха. Эти методы i исключают один другого, а в ряде случаев могут дополнять друг ^уга.
Схема компоновки технологического оборудования является [ходной документацией для разработки проектов строительной, in технической, электротехнической частей проекта, проекта про-|.|дки трубопроводов и др. Совокупность компоновки оборудова-•я, технологической и монтажной частей проекта составляет нову проекта производственного здания на предприятиях орга-«чсского синтеза. Сложность технологии органических произ-Щств в большинстве случаев определяет важнейшие проектные Мнения.
При компоновке оборудования выявляются конфигурация зда-|я, его этажность, размеры сооружения, нагрузки на между-Ьжные перекрытия, число и расположение лестниц и т. д., т. е. родные данные для разработки строительной части проекта. Ь монтажной части проекта определяются места расположения к ктродвигателей, светильников, точки отсоса вредных газов и И юй, места вводов водопроводных и других сетей, сброса стоков пр.
। Основными исходными данными для компоновки оборудования 1гшотся принципиальная технологическая схема и чертежи обо-|дования (общие виды). В случае отсутствия чертежей они могут Игь заменены эскизами аппаратов, снятыми с натуры или взятии из каталогов, при условии нанесения на эскизы всех неводимых размеров (наружный диаметр и высота аппарата, рас-ожение опорных лап, штуцеров и т. д.).
* При выборе способов установки отдельных аппаратов (на коль-лапах, консолях и др.) следует стремиться к максималь-Miy использованию типовых решений, например существующих Ц'Малей (чертежей) на установку типового оборудования, норма-ll иа фундаменты под вертикальные и горизонтальные емкости, оных вариантов установки мерников и других емкостей. Если компоновке оборудования своевременно учесть имеющиеся
IV Зак. 509
289
типовые решения, в дальнейшем не придется выполни и, циальных графических работ. Это позволяет сэкономить i] время проектировщиков и снизить стоимость проектирования При разработке проекта компоновки оборудования гр ским методом планы его расположения в большинстве вычерчивают в масштабе 1 : 100, разрезы — в масштабе 1 . ;>п II планы наносят все оборудование, устанавливаемое в данном и мещении. Планы каждого этажа и каждой площадки вы к вают по отдельности, иначе получаются нечеткие чертежи рыми трудно пользоваться. Любой аппарат изображается в ни его наружного контура с ориентацией относительно осей и привязкой к осям колонн, стенам здания или к другим уж, । несенным на план аппаратам. Нанося на план аппараты пй котла, достаточно показать его наружный (максимальный) тур, люк и привод. В разрезах следует, по возможности, пок все аппараты, устанавливаемые в данном корпусе (здании). В ц резах аппараты изображают также в виде наружных контурчи показывают способ установки аппарата (на фундаменте, на ,ч солях, на кронштейне), высоту его установки и высоты распо ю ния всех междуэтажных перекрытий и площадок.
В спецификации перечисляется все технологическое обор\ н>| ние, устанавливаемое в корпусе, и указывается: наимено -,.п| каждого аппарата, материал, из которого он должен быть и и товлен, количество устанавливаемых одинаковых аппаратов, ш i чертежа, по которому изготовляется аппарат, или же тип и аппарата по каталогу, номер установочного чертежа, место > < новки аппарата и его масса. Каждый аппарат на плане, в ра цн и в спецификации должен иметь номер, обязательно совпала к ни с номером этого аппарата на технологической схеме.
Разработка проекта расположения оборудования зависит <>i ( шений, принятых в других разделах проекта. К началу ком; новки оборудования проектировщик располагает разработана технологической частью и общими видами оборудования. Прис: пая к компоновке, следует решить и согласовать основные вонро по строительной, сантехнической, электротехнической и другим • стям проекта. Это необходимо для увязки проекта размещения 7 рудования с остальными разделами проекта, т. е. для своеврс |-ной комплексной разработки проекта корпуса в целом.
Одним из первых должен быть решен вопрос о копфигур.щ здания. Сооружения, имеющие в плане форму прямоугол! ши позволяют относительно просто и удобно организовать обще ри скую территорию, без нарушения симметричного расположи i зданий и проездов, и достаточно просто вписываются в свобю ы кварталы заводских площадок. Прямоугольная форма сооружу позволяет также принять более простые проектные рецк пня достигнуть максимальной повторяемости отдельных констрчьи ных элементов здания, что сокращает объем проектных ра(><>| упрощает строительство. В здании прямоугольной формы мн •
290
• г.почно удобно разместить оборудование и создать хорошую у стороннюю освещенность рабочих помещений. Поэтому в боль-ццстве случаев прямоугольная форма здания предпочтительнее лтпх.
При выборе этажности здания необходимо руководствоваться нкретными условиями работы проектируемого производства, (ранее, без учета особенностей его технологии, нельзя сказать, кая этажность зданий наиболее рациональна. В одноэтажных 1ЛППЯХ обеспечиваются удобная связь с наружной территорией вспомогательным хозяйством, простой и дешевый транспорт по рпзонтали, отсутствие лестниц и подъемников, простота строи-.пьпых конструкций, возможность установки тяжелого оборудова-п< непосредственно на фундаменты и другие преимущества. При вмещении производства в многоэтажных зданиях появляется можность сократить площадь застройки, организовать самотек технологическом процессе, установить в помещениях аппараты । юнного типа. Помещения с вредными выделениями должны 4 гь высокими, с повышенным соотношением строительного гьема к объему аппаратов. Это облегчает аэрацию, препятствует пданию повышенных местных концентраций вредных веществ, рупшает условия труда.
При компоновке оборудования в производствах органического штеза применяют различные принципы организации строитель-;>го объема: единый зал (иногда с междуэтажными площадками и 1рремами), разделение цеха на помещения, изолированные по го-нзонтали и вертикали, смешанный тип компоновки в виде общего .па и изолированных отделений. Кроме того, в последние годы шрокое распространение получило размещение оборудования на ткрытых площадках, вне зданий.
На выбор принципа компоновки оборудования в первую счесть влияет количество производств, располагаемых в одном цехе, лрактеристика производственного процесса и отдельных техноло-нчсских стадий по вредности и огне- и взрывоопасности, а также Лабильность ассортимента проектируемой к выпуску продукции.
Размещение производств в общем зале обладает такими пре-муществами, как хорошая вентиляция, создаваемая за счет аэра-ни, простота связи между персоналом, обслуживающим отдель-iiic производственные агрегаты, возможность легкой перекомпо-пвки оборудования. В большинстве случаев общий зал можно Компоновать при размещении в данном корпусе одного или двух поизводств-с одинаковым санитарно-гигиеническим режимом ра-оты.
I Однако в производстве органических продуктов часто перера-киываются вредные, а иногда пожаро- и взрывоопасные вещества, некоторые операции являются источниками сильного загрязнения Воздуха (например, сушка и размол красителей); в ряде производств необходима особая чистота помещений. Поэтому при раз-, Йощснии в одном цехе (или здании) нескольких производств,
19*
часто практикуемом при проектировании процессов тонкого орн нического синтеза, иногда целесообразно компоновать обор\ ш ние в отдельных изолированных производственных помещении, В каждом отделении в таких случаях можно расположить одно in несколько сходных производств. Подобный метод компоновки рудования позволяет сконцентрировать внимание обслуживании--» персонала на технологических процессах каждого конкретного пр<» изводства, что обеспечивает выпуск продукции высокого качс, tn и исключает возможность загрязнения одного продукта другим
Во избежание удлинения коммуникаций и связанного с ним \ •<» рожания их монтажа и обслуживания не следует предусматрш .. перекрестные материальные потоки при компоновке оборудован,
Однотипные аппараты одинакового производственного n.inia чения (например, нитраторы, сульфураторы, выпарные и дрмп аппараты), выполняющие сходные технологические фупкиш иногда целесообразно объединять в специализированные arpei iri Это обеспечивает взаимозаменяемость аппаратов и удобств,, , обслуживания (загрузка из одних мерников, общие методы п нр| боры контроля, общие места приема сырья и выгрузки готовы продуктов, обслуживание аппаратов работниками одинаковой ми лификации).
На первом этаже, как правило, устанавливают сырьевые кости, аппараты для растворения и подготовки сырья, здесь , располагают отделения упаковки готовых продуктов и хравсшЛ тары. Сырьевые емкости, представляющие собой большей ч.и Л тяжелые аппараты, должны устанавливаться на фундамент «И Размещение таких аппаратов на верхних этажах вызывает утя кЛ ление и, следовательно, удорожание строительных конструмшЛ Кроме того, поскольку сырьевые емкости связаны со складами. Л легче обслуживать на первом этаже. На верхних этажах уст.пыЛ ливают реакционную аппаратуру, размещая ее на междуэта ж щЛ перекрытиях или с «провисанием» через перекрытие. Для уды ни Л ния аэрации производственных помещений междуэтажные п<рЛ крытия иногда выполняют из перфорированной стали.
Каждый аппарат должен быть установлен таким обра <>Л чтобы его было легче обслуживать, проводить наружный осмсИ и текущий ремонт и проще смонтировать, демонтировать ши Л мепить. Люки аппаратов, краны, вентили должны находиться в гЛ ких местах и па такой высоте, чтобы они тоже были вполне ступны для обслуживания.
Аппараты устанавливают на фундаментах или на конструкцией так, чтобы вода от смывки полов не вызывала коррозию • струкционных материалов.
Для транспортирования аппаратуры в цех, а также для ( демонтажа и ремонта предусматриваются постоянные или п|Л менные монтажные проемы. Предпочтительнее в качестве мои г-Л ных проемов использовать двери или ворота цеха, или же окоин^Н проемы. Если же их габариты недостаточны, то для редко дсми^В
• фуемых аппаратов иногда предусматривают возможность раз-|ft'>pa части стены. Для подъема аппаратуры на верхние этажи и Ьуска ее при демонтаже в междуэтажных перекрытиях тоже илжны быть предусмотрены монтажные проемы (постоянные или Временно открываемые).
Цеховые хранилища, например для хлорсульфоновой кислоты, вммиачной воды, соляной кислоты, хлорбензола и др., лучше размещать вне здания цеха, чтобы в производственных помещениях Бе находились большие количества токсичных и огнеопасных ве-1|нсств. При этом внешние хранилища ни в коем случае не должны мгемнять световые проемы, затруднять доступ к цеху, загромо- 1ать заводскую территорию. — Дополн. ред.*
КОМПОНОВКА ОБОРУДОВАНИЯ В ЗАКРЫТЫХ ЗДАНИЯХ
После определения категории производственных помещений по < ПиП68 и ПУЭ 100 необходимо выбрать тип здания. В связи с развитием производства сборного железобетона проведена типизация производственных и вспомогательных зданий, проектируемых для имической промышленности. Без такой типизации невозможен массовый выпуск строительных деталей.
При выборе типа проектируемых промышленных зданий сле-уст руководствоваться только требованиями технологии, при этом Количество типов зданий целесообразно свести к минимуму, что Достигается только в результате совместной работы технологов-Ьроектировщиков и архитекторов.
В здание каждого типа при его ширине до 18 м должны быть Включены аппаратные залы и сплошные «вставки» от стены до стены для вспомогательных помещений (лабораторий, щитовых ж.»ла управления, шахт грузовых лифтов, лестничных клеток, сан-Кзлов, административных помещений для сменного персонала, кладовых, электросборок, электроподстанций и др.). Если ширина здания больше 18 м, сплошные «вставки» неэффективны, и они встраиваются в габариты здания (размеры «вставок» 12x12 и 18X18 л/). Расстояние между «вставками» по осям обычно не превышает 72 м и определяется максимальным расстоянием от наиболее удаленного аппарата до эвакуационного выхода, допустимой Клиной импульсных линий от датчиков до приборов, установленных в помещении узлов управления и контроля. Размещение бытовых и административных помещений во «вставках», встроенных в здания категорий А и Б, не допускается. Как правило, для таких помещений предусматриваются самостоятельные здания, Обслуживающие один цех (и более) и соединенные с производственными помещениями утепленными переходами.
Ширина производственного здания категорий А и Б не превышает 24 м (исходя из нормируемой площади остекления на 1 м3 кданий). Ширина зданий других категорий не лимитируется при условии соблюдения норм естественной освещенности и аэрации. На
кровле зданий шириной более 36 Л1 следует устанавливать фонари Такие здания должны быть одноэтажными, максимум двухэтаж ными при условии, что на первом этаже находятся аппараты, п> требующие постоянного обслуживания (насосы, емкости), или ф\ и даменты под оборудование, выходящее на второй этаж. При эк>м в местах, где не может быть соблюдена норма естественной оспе щенности, первый этаж должен . освещаться лампами дневном' света и снабжаться системой механической вентиляции. Соор\ жение бесфонарных широкопролетных зданий, как и устройство подвалов, в химической промышленности практически запрещено Статистика показала, что причиной значительной части несчастны'.
а
Рис. 104. Два варианта (а и б) компоновки оборудования:
1~ узел управления; 2— фронты обслуживания аппаратов; 3 — местные щиты КИП (стре ihik показывают, куда «смотрят» стекла приборов); 4— мерники; 5 — электроподъемники.
случаев и аварий в старых производствах органического синтез i была загазованность подвалов и туннелей в сочетании с грубыми нарушениями правил техники безопасности со стороны обслужи вающего персонала.
Выбор типа здания не ограничивает возможности технолог.i в смысле внесения необходимых дополнений и изменений в строп тельную часть проекта. Так, если для установки дистилляции вы брано одноэтажное здание с обслуживанием аппаратов на уровне первого этажа, вполне допустимо верх колонн вывести че|и • кровлю с устройством над ней этажерки. По длине можно блоки ровать здания разных типов (многоэтажные с одноэтажным и т. д.). В этом случае целесообразно предусматривать сплошвчю «вставку» между разнотипными секциями зданий.
В одноэтажных зданиях возможно устройство внутренних -и i жерок для размещения оборудования на разных уровнях, прн'нм для сооружения таких этажерок пригодны металлические кон струкции. Если металлические этажерки не перекрываются сгаи
294
дартными плитами из сборного железобетона, расстояние между [стойками не обязательно должно быть кратно 6 м, высота этажей также может быть нестандартной. В комбинированных этажерках (металл, сборный железобетон) следует придерживаться установленных расстояний между стойками (6; 9; 12 м в плане).
Для удобства управления производством арматуру и щиты КИП целесообразно размещать по фронту обслуживания аппаратов. На рис. 104 показаны два варианта компоновки части аппаратов одного из цехов органического синтеза (категории В), рабо-
Рис. 105. Часть цеха органического синтеза (на переднем плане справа — дозирующие насосы, слева — щит КИП).
тающего по периодическом)' способу. По варианту а проектировщики стремились объединить мерники п расположить аппараты «лицом к окнам». По варианту б н задачи компоновки входило создание наибольшего удобства управления процессом, сокращение фронтов обслуживания аппаратов и длины путей доставки сырья из подъемников к аппаратам. Этот вариант позволил вдвое уменьшить число франтов обслуживания (с 10 до 5) и их протяженность (с 180—200 до 100 м), сократить примерно вдвое длину пробега грузов от подъемников к аппаратам и обойтись восемью аппаратчиками вместо 12 по варианту а.
На рис. 105 представлена часть одного зарубежного цеха органического синтеза. Вся компоновка оборудования подчинена удобству работы аппаратчиков; недостатком компоновки является «провисание» реакционных аппаратов в подвальное помещение.
i 295
На рис. 106 показан щит КИП, расположенный непосредственно в производственном помещении. Судя по величине щита, с него не дется управление аппаратами, находящимися не только на пер вом, но и на остальных этажах. Здесь же размещены панели дли арматуры и электропусковых устройств, обслуживающих с пер вого этажа аппаратуру, расположенную на других этажах.
Если размещение щитов КИП, показанное на этом рисунке не соответствует действующим нормам, можно организовать поддан воздуха в щиты или поместить их в стеклянный шкаф.
Рис. 106. Щит КИП, рааположениый в цехе промежуточных продуктов.
На рис. 107 изображены два реакционных аппарата, усташи ленные на полу первого этажа. Обслуживающая площадка здесь отсутствует; вся арматура и Приборы для регулирования дозпро ночных насосов находятся также на первом этаже.
При установлении ширины проходов технолог и мехапн должны с учетом действующих норм создать возможность (по бодного маневрирования напольного и подвесного транспор!л в цехе-и предусмотреть следующее:
1) площади для временного хранения контейнеров с сырь промежуточных продуктов, демонтированных деталей аппарате (на время ремонта, выполняемого на месте); для хранения, пы грузки и загрузки насадок, катализаторов, футеровочных м.п«-риалов;
296
2) удобное обслуживание болтовых соединений, фланцев, люков, арматуры, трубопроводов (на высоте 1—1,5 м от уровня площадки фронтом к проходу);
3) возможность быстрой замены аппаратов с небольшим сроком службы, а также некоторых сменных деталей (мешалки, барботеры, теплообменные элементы и т. д.), катализаторов, насадок. Необходимость замены громоздких аппаратов с длительным сроком службы (3 года и более) * можно не принимать во внимание;
4) площади для хранения тары (при доставке ее в цех 1 раз •1 сутки) и упакованных готовых продуктов (на время их анализов
Рис. 107. Узлы управления реакторами (на переднем плане — дозирующие насосы).
и приемки отделом технического контроля), а также для хранения промежуточных продуктов, вырабатываемых в цехе (на время их анализа или накопления перед смешением).
Площади, упомянутые в пп. 1 и 4, должны быть показаны на плане цеха, а их размеры обоснованы в пояснительной записке. Напольный транспорт также следует показать на планах. Приспособления для монтажных и демонтажных работ показывают в разрезах цеха.
Резервные площади предусматриваются при необходимости последующего увеличения мощности производства. В этом случае резервная площадь нужна не только для установки основного технологического оборудования, но и для размещения средств контроля и регулирования процесса, щитов КИП, компрессоров, насо-
сов
и т. Д. t
* Максимальный пробег оборудования между капитальными ремонта'ми, свя-luiiHbiMH с полной остановкой цеха.
297
Преимущество такого проектного решения состоит в том, i । расширение производства будет возможно без существенного \n«J личения количества обслуживающего персонала. Однако это |Мя шение имеет практическую ценность лишь в том случае, когда кМ личество вновь устанавливаемых аппаратов значительно мепьпв количества уже действующих.
В задании на проектирование производства одного химического прио, предусматривался его выпуск, равный п т/год, и ввод цеха в эксплуа i > в 1968 г. Проверка потребности в продукте показала, что в 1971 г. она со- -всего 0,6 п, а в 1975 г. спрос на продукт возрастет до п. Максимальная •• ность единицы оборудования в первой стадии производства составляет 0.3 - 4 во второй 0,05 п. До ввода цеха в эксплуатацию не прогнозировалось ос машиностроителями новых более мощных аппаратов и машин. Проектам ы .
няли решение об установке оборудования на мощность 0,6—0,7 от задаю и оставлении в каждом отделении цеха свободных мест для установки д нительных аппаратов после 1970 г. При этом стоимость строительства сок - < лась на 20% с соответственным снижением амортизационных и других огнь ний. Удорожание по сравнению с вариантом строительства цеха на мош. rd 0,6—0,7 п без резервов составило около 10%. Установка же всего оборудог . на заданную мощность могла бы привести к полному моральному износу р- 1 ных агрегатов к моменту начала их эксплуатации.
Производительность систем вентиляции, освещения, элскцкя сборки рассчитывается с учетом обслуживания оборудования, торое может быть установлено на резервных площадях. Эти р 1 зервы могут быть рассчитаны не только на расширение запросным рованных схем, но и на их дооборудование, связанное с изменение J ассортимента, с усовершенствованием технологии и т. д.
Схемы компоновки оборудования
В 30-х годах классической схемой размещения оборудования в цехах органического синтеза была схема, изображенная и i рис. 108. В центре аппаратурного зала (по всей его длине) нахЛ дился большой проем, который использовался для аэрации пом» щения и демонтажа оборудования, а также для наблюдения и производственным процессом начальником смены и мастером Помещения повышенной опасности и вредности (автоклавные, печные и др.) размещались в пристройках.
В настоящее время эта схема имеет ограниченное примененн» Устройство таких проемов запрещается 67- 68 в цехах, где перерм батываются легковоспламеняющиеся жидкости и сильнодснсг* вующие ядовитые вещества (если необходимость в этих проем.ц не вызывается условиями технологического процесса). Слеиев отметить, что устройство проемов приводит к нерациональному использованию до 25% производственной площади здания.
Для демонтажа оборудования устанавливаются специа.|ьпыв механизмы (кранбалки, мостовые краны, монорельсы с тельфД рами), позволяющие переместить аппарат к небольшому прогчу (6X6 м) и опустить его на первый этаж. Наблюдение за работе оборудования осуществляется с помощью дистанционных кон г рольно-измерительных приборов.
298
Справа от осевой линии на рис. 108 размещена ректификационная колонна, благодаря чему рационально использовался междуэтажный проем. На площадках установлены теплообменная аппаратура, мерники и щит КИП. На первом этаже смонтированы емкости и насосы, в пристройке — газодувки и другие машины. При проектировании современных зданий в схему, изображенную на Ьтом рисунке, следует внести изменение, приняв сетку колонн <i X 6 м (экономичная ширина зданий 6 X 4 = 24 ж) В этом случае в проеме можно установить два ряда колонн диаметром до
Рис. 108. Схема размещения оборудования (разрез):
/ — фонарь; 2 — кабина подъемника; 3 —подъемник; 4~ ректификационная колонна; 5 — теплообменник; 6 — щит КИП; 7, И — емкости; 8 — куб колонны; 9 — реакторы; 10 — мерннки; 12 — пристройка; 13 — приямок.
4,5 м и вынести лабораторию и подъемник во «вставку», разместив Эс в торце здания. Такая схема размещения оборудования приемлема для дистилляционных, перегонных п контактных отделений.
Многоэтажные здания без проемов могут использоваться для размещения отделений сушки, размола, гранулирования, диспергирования и смешения при вертикальной схеме транспортирования продуктов (сверху вниз). Оптимальная ширина таких зданий категорий А и Б составляет 24 м, высота — три этажа по 7,2; 6 и <1 м или по 6 м каждый этаж. Применяют также 4-этажную схему размещения оборудования (высота этажей 6; 4,8; 4,8 и 4,8 м) с >стайовкой на четвертом этаже фильтров, куда продукт подается м виде суспензии по трубопроводам.
Эту схему можно заменить 2-этажной (высота этажей 7,2 и <i м), разместив на втором этаже фильтровальное оборудование, о на промежуточной площадке первого этажа сушильное
299
- Фонарь
' Рис. 109. Каскадная схема размещения оборудования: напорные емкости; 2 — барабанные вакуум-фильтры; 3— суспензаторы; 4 — реактор; 5-кран-балки (грузоподъемность 3—5 т/; а - насосы* 7 - сборники; 8 — дистилляционные колонны,
♦деление. На первом и втором этажах можно поместить также |>ромежуточные площадки для оборудования и его обслуживания.
L хой продукт в этом случае подается на второй этаж на размол и иешение. Небольшой дополнительный расход электроэнергии Врмпенсируется удобством обслуживания процесса.
Минимальная высота помещений в зонах обслуживания Ькже 67-68 нормируется: 3,2 м (от пола до потолка) в производ-i ценных сооружениях; 3 ж в помещениях энергетического и транспортного хозяйства (2,6 м от пола до выступающих конструкций), Р м для площадок при регулярном проходе через них и 1,9 ж при In-регулярном проходе обслуживающего персонала через площадки.
Многоэтажные здания (более двух этажей) без проемов ие рекомендуется использовать для размещения реакционных отделений. В таких зданиях затруднителен демонтаж оборудования и I го отдельных деталей, практически исключена возможность использования естественной вентиляции, более сложно обслуживание 'участков схемы, расположенных на разных этажах.
Каскадная схема расположения оборудования изображена на рис. 109. Для компоновки принято здание павильонного типа шириной 24 X 2 = 48 ж (категория В) и высотой 18 ж до крана. Поскольку такая высота может быть принята только для зданий, обслуживаемых мостовыми кранами, пришлось установить более тяжелые колонны, на которые опирается кровля. Внутри здания имеется этажерка из сборного железобетона (или металлическая), отстоящая от стен здания на расстоянии 3 ж, что улучшает условия аэрации цеха и облегчает демонтаж оборудования. В центре тажерки имеется проем (на рисунке показаны дистилляционные колонны 8, размещенные в проеме, у торцевой стены здания). Основное реакционное оборудование расположено на краю этажерки на высоте 4,8 ж. Над реакторами и над фильтрами нет никаких перекрытий, что создает хорошие условия для аэрации помещения. По обе стороны от осевой линии центральных колонн оборудование размещено симметрично. Односторонний каскад может быть осуществлен в здании шириной 24 ж, двухсторонний — в здании шириной 18 X 3 = 54 ж. На первом этаже находится только вспомогательное оборудование (емкости, насосы). Недостаток естественного освещения (через окна и фонарь в кровле) может быть компенсирован освещением лампами дневного света. Основное оборудование в здании хорошо освещено.
Значительные сложности возникают при компоновке оборудования опасных и вредных процессов. А. К. Шабиц 101 предложил схему компоновки автоклавов для гидрирования вредных веществ, изображенную на рис. ПО. Этот вариант компоновки предусматривает защиту обслуживающего персонала не только от вредных выделений, но и от последствий возможного взрыва автоклава.
Компоновка оборудования для неавтоклавных процессов проще. В этом случае кабины сохраняются, но отпадает необходимость во взрывной мембране, железобетонной перегородке 19, разрывной
Рис. ПО. Схема компоновки оборудования в кабинах с дистанционным управлением (при работе с водородом под давлением):
/^-выхлопная линия; 2 —резервная линия; 3 —водород из баллонов; 4 — водород из комирев сора; 5 — азот; 6 — датчик (Р — манометр); 7 — автоклавы; 8 — электронагревательные элсмекi •# 9 — мешалка; 10— змеевиковый холодильник; 11 — провода термопары; /2 —линия аварпил сброса давления; 13 —рабочие рычаги клапанов с дистанционным управлением; 14- п к>1 ♦ подогнанные гильзы, проходящие через железобетонную стену; 15 — смотровые окна; 16 лятор температуры; 17 — самописец, регистрирующий давление; 18 — система отключения и аварийной сигнализации (для автоматического охлаждения); 19 — железобетонная лер. родка; 20 — взрывные маты; 21 — открытое сверху помещение для сброса давления; 22 j »| рывные панели; 23 —рабочие камеры; 24 — двери из стальных плит; 25 — чувств пт с г:
головки газовых детекторов; 26 — электропривод;' 27 — щиты КИП; 28 — помещение КН И
.июли 22, стальных плитах для дверей 24, открытом сверху помещении 21 сброса давления и во взрывных матах 20. Стены камины 101 могут быть выполнены из листового стекла или стеклоблоков и расположены в общих помещениях. В кабинах можно размерить оборудование для работы с такими вредными веществами, как диметил сульфат, цианиды, бромалкилы и др.
Компоновка нескольких схем в одном помещении может быть [выполнена в двух вариантах:
I) по принципу общности технологических процессов (сульфирование, нитрование, этерификация и др.);
2) по ходу технологического процесса каждой схемы.
Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Преимуществом первого варианта является возможность сконцентрировать хранение одноименного сырья (например, олеума, меланжа, спиртов и т. д.) в одном месте цеха и изолировать Бти хранилища от тех отделений, в которых перерабатывается данное сырье. Это особенно важно при использовании сильнодействующих ядовитых веществ. Недостатком этого варианта является I удлинение цеховых коммуникаций и невозможность специализации цехового персонала на обслуживании каждой отдельной схемы и целом. Второй вариант компоновки лишен этих недостатков, но связан с рассредоточением сырья по всему цеху.
Оптимальным проектным решением является частичное совмещение обоих вариантов с тем, чтобы оборудование для однородных технологических процессов размещалось в цехе по поперечным линиям, а каждая схема образовывала бы продольную цепочку. Если подобное оптимальное решение неосуществимо по технологическим пли другим условиям, следует отдать предпочтение второму варианту компоновки с отделением от общего аппаратурного зала только' помещений для тех аппаратов, в которых перерабатываются сильнодействующие ядовитые или взрывоопасные вещества.
Размещение оборудования в производствах «тонкой» химической технологии определяется характерной для них необходимостью частого изменения ассортимента вырабатываемых мало-юннажных продуктов. В настоящее время такие производства размещают в типовых зданиях, в которых предусматривают аппаратурные залы и «вставки». Кроме вспомогательных помещений во [«вставках» располагают машинные и холодильные отделения, котельные для высококипящих органических теплоносителей (ВОТ), цеховые склады. Для этой цели разработаны типовые конструкции зданий, широко применимые при проектировании предприятий органического синтеза 1С2’103. Построено и находится в эксплуатации более 60 таких зданий.
Они рассчитаны на размещение реакционного оборудования 'емкостью до 3 л:3. Первый этаж типового здания имеет высоту 6 м ц ширину 6 X 3 = 18 м, второй этаж перекрывается фермой на высоте 18 м и оборудован подкрановым путем для ручного мостового
крана. Длина аппаратурного зала составляет 30 м. В 3—4-этажп >и «вставке» высота первого этажа равна 6 м (в месте размещения машинного оборудования), высота остальных этажей по 3 и «Вставка» предназначена для обслуживания двух аппаратурных, залов и помещается между ними.
Для, размещения более крупного реакционного оборудования (емкостью до 6 м3) разработаны типовые здания шириной
ПоЛ-Д
Рис. 111. Планы и разрезы типового здания шириной 24 л и длиной 72 м-/ — аппаратурный зал; 2—узел управления; 3 — лаборатория; 4 —электроподъемник; 5 —ск ыд( 6 —котельная ВОТ; 7 —вентиляционная камера; 8 — электрощитовые; переход в быiо те помещения; 10 — балкон.
6 х 4 = 24 м, перекрытые фермой на высоте 24 м и оборудова t ные кранбалками, с продольным расположением в них «вставок», обслуживающих аппаратурные залы длиной по 72 м (рис. Ill) Перекрытие второго этажа (на отметке 7,2 jw) рассчитано на во г можность работы напольного транспорта. Во «вставке» находя к четыре этажа высотой по 3,6 м. Конструкция строительной час in здания позволяет ликвидировать перекрытие второго этажа и пр< вратить аппаратурные залы в павильоны, устанавливать в них
304
поперечные стены, исходя из условий проектируемых технологических процессов, организовать каскадную компоновку оборудования путем устройства дополнительных площадок на отметке 10,8 м (при этом машинное отделение лифта будет выступать над кровлей) или на отметке 3,6 м. Оба варианта здания рассчитаны иа размещение в них производств категорий А, Б и В-1а.
С учетом принятых в проекте компоновочных и монтажных решений технологи выдают задания на разработку общеинженерных разделов проекта (сантехническая часть, электротехническая часть, внешние и внутренние трубопроводы, транспортное хозяйство и др.). В процессе разработки этих частей проекта их исполнители и технологи должны поддерживать постоянную взаимную (прямую и обратную) связь. При ее отсутствии ошибки, допущенные в заданиях и в проектах общеинженерных сооружений и сетей, могут остаться во всех стадиях проектирования, строительства и монтажа данного цеха или другого объекта и выявиться только после его пуска.
Основная задача технолога при компоновке оборудования заключается в правильном выборе категории помещений и опасных зон и типа зданий для размещения проектируемого объекта (выбор производится совместно со строителями и механиками), а также в правильном размещении фронтов обслуживания аппаратуры и щитов для контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации процесса.
Технолог должен участвовать как в компоновке оборудования, так и в проектировании специальных частей проекта, постоянно контролируя правильность выданных им заданий по результатам разработки тех или иных общеинженерных разделов. Проектанты других (нетехнологических) специальностей должны своевременно сообщать технологу о результатах работы и акцентировать его внимание на принятые ими отклонения от проектов других аналогичных производств.
Технолог должен оценить общий результат проекта компоновки оборудования по следующим показателям: доля стоимости оборудования в общей смете по объекту, количество производственной площади, приходящейся на один аппарат, строительный объем здания на 1 м2 его площади. Эти показатели проектируемого производства подлежат сравнению с показателями объектов, аналогичных данному по типу, объему и материалам аппаратуры.
РАЗМЕЩЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ НА ОТКРЫТЫХ ПЛОЩАДКАХ
Одним из важнейших вопросов, которые должен решать технолог-проектировщик при выдаче задания на компоновку оборудования, является определение возможности частичного или полного размещения установок и аппаратов на открытых площадках. Основные преимущества такого расположения оборудования
2Q Зак. 609
305
заключаются в улучшении условий труда в производственных по мещениях, снижении капиталовложений за счет уменьшения объ ема строящихся зданий, сокращении сроков сдачи спроектирован ных объектов в эксплуатацию, снижении расходов на вентиляции и отопление зданий.
Для успешного внедрения в практику проектирования и строп тельства принципа размещения оборудования вне зданий изготоп ляемые промышленностью машины и аппараты должны надежно работать в условиях эксплуатации установок на открытых площап ках (дистанционное управление аппаратами без их постоянною обслуживания, защита от воздействия атмосферных осадков и низ ких температур зимой и др.).
Размещение химических цехов, установок или отдельных аппа ратов на открытых площадках возможно только на основании результатов подробного обследования условий труда, климатичс ских особенностей района и технико-экономического анализа реши ний, принятых в проекте. Если по каким-либо причинам размещу ние всего оборудования на открытых площадках не представляем возможным, целесообразно предусмотреть частично закрытые но мещения. При необходимости размещения основного оборудовании цеха (установки) в здании рекомендуется проработать вопрос возможности выноса на открытую площадку отдельных аппарагш для уменьшения кубатуры зданий, снижения стоимости строитель ства и повышения безопасности работы.
На открытых площадках в первую очередь следует размеща л, крупногабаритное оборудование (колонны синтеза, скрубберы, аб сорберы и т. д.), для которого нужны большие производственные площади и крупные здания; установки, при эксплуатации которы' необходимы мощные вентиляционные и отопительные системы, обеспечивающие нормальные условия работы обслуживающею персонала и оборудования; установки с возможным выделением взрывоопасных газов или жидкостей или с большими тепловылс лениями; временные и пусковые устройства и установки, например для производства газа до пуска в эксплуатацию основных цсхон топки для разогрева контактных аппаратов и др.; емкости для сж| женных и сжатых газов и легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ).
При размещении оборудования вне зданий должны быть обсю печены лучшие условия труда обслуживающего персонала или, ио крайней мере, такие же условия, как для работающих на анало! ич ных установках, расположенных в закрытых помещениях. В северных и центральных районах СССР организация постоянных раба! чих мест на открытых площадках недопустима.
Капиталовложения и эксплуатационные расходы для установим на открытых площадках должны быть меньше, чем для таких установок в закрытых помещениях, иначе преимущества пыт* оборудования из зданий в значительной мере теряются. При опут«1 ствии экономической выгоды от размещения установки на огкрм* 306
той площадке целесообразность такого решения по сравнению с Остановкой в закрытом помещении должна определяться только Санитарно-гигиеническими и безопасными условиями работы (наличие в помещениях дымящих кислот, легковоспламеняющихся жидкостей и т. д.).
При размещении оборудования на открытых площадках следует обеспечить:
дистанционный контроль, регулирование и управление работой оборудования с центрального пульта, расположенного в специальном помещении;
соответствующую теплоизоляцию, а при необходимости и обо-|рев технологических трубопроводов, арматуры и контрольно-измерительных приборов специальными теплоагентами, чтобы предотвратить застывание или замерзание транспортируемых продуктов;
широкое использование аппаратуры в качестве несущих конструкций для рабочих площадок.
Кроме того, должны быть предусмотрены специальные помещения для ремонтных работ и дежурного обслуживающего персонала. Как и при размещении оборудования в зданиях, на открытых площадках следует обеспечить:
удобный доступ к оборудованию обслуживающего персонала, передвижных грузоподъемных, монтажных и транспортных средств при монтаже, ремонте и эксплуатации аппаратуры;
расположение оборудования, удобное для ведения технологического процесса и позволяющее максимально сократить протяженность трубопроводов между аппаратами;
быстрое и надежное опорожнение основной аппаратуры при остановке производства.
Как правило, не следует размещать емкости со сжатыми газами и ЛВЖ под основным оборудованием, так как в случае возгорания содержимого этих емкостей опасности подвергаются и вышерасположенные аппараты. Нежелательно также размещать аппараты с агрессивными жидкостями (серной, соляной, азотной кислотой п др.) над другими аппаратами и емкостями. Каскадный способ размещения аппаратов целесообразен при необходимости организации самотека.
Конструкция и размещение оборудования должны быть удобны [для преимущественно поагрегатного ремонта его в мастерских. Работу ремонтного персонала вне зданий следует ограничить заменой отдельных узлов и деталей.
Для размещения на открытых площадках надо выбирать оборудование, приспособленное к работе на открытом воздухе в определенных климатических условиях (специальная смазка, изоляция рт холода и солнечных лучей и др ). Эти требования необходимо шключать в задания и технические условия, выдаваемые машиностроителям на поставку и конструирование оборудования, контрольно-измерительных приборов п средств автоматики, работающих вне |даний. При выборе материалов для изготовления химической-
20*
307
аппаратуры, предназначенной к установке на открытых Площадках в районах с низкими температурами наружного воздуха, слсд\ учитывать возможность резкого охлаждения аппаратов во вр<-плановых (и неплановых) остановок и соответствующего снижении ударной вязкости металла, которое может служить причиной сю разрушения вследствие повышения хрупкости.
При невозможности или затруднительности постепенного и р.п номерного нагрева стенок от низких температур наружного в<’< духа до рабочей температуры аппараты следует изготовлять н • спокойных углеродистых сталей или из низколегированных сталей удельная ударная вязкость которых при наиболее низких темпер.i турах эксплуатации не ниже 2 кгс • м/см2.
Для защиты от атмосферной коррозии оборудование необхо димо окрашивать антикоррозионными материалами (краски, лаки и др.). При размещении на открытых площадках оборудования <. неметаллическими покрытиями внутренних поверхностей (эмаль смолы, лаки и т. д.) основу покрытий надо выбирать с учетом ш обходимости сохранения их механической прочности и адгезии основной поверхностью при низких, высоких и переменных темпе ратурах. Система смазки также должна сохранять работоспос<и> ность в интервале изменения наружных температур в данном р.ш оне строительства. Наиболее ответственные узлы аппаратов и m.i шин снабжают защитными устройствами от пыли или дождя.
Оборудование, предназначенное для работы с продуктами, легко затвердевающими при температуре окружающей среды, должно иметь надежные системы обогрева и быстрого опорожнения. Эю особенно важно, если наружные емкости используются для дли тельного хранения продуктов. При хранении обводненных жидко стей и сжиженных газов в емкостях, расположенных на открытых площадках, в нижних точках хранилищ следует предусматривать незамерзающие дренажные устройства. В аппаратах с водяным охлаждением необходимо обеспечивать быструю эвакуацию во ил при прекращении работы аппарата.
В зависимости от температурного режима работы, свойств перс рабатываемых или хранимых продуктов, условий эксплуатации и конструкции оборудования, размещенного на открытых площадках, оно должно иметь соответствующую надежную термоизоляцию для защиты продуктов от замерзания в зимний период и от перегрей.» в летнее время. Во взрыво- и огнеопасных производствах для эюА цели следует применять негорючие изоляционные материалы. 11о верхность изоляционного слоя необходимо защищать надежными атмосферостойкими покрытиями (например, металлическими ко жухами из тонколистовой стали или гофрированных листов алюминия, монолитной асбоцементной штукатуркой и т. д.). Изоли-ционные покрытия, предназначенные для защиты оборудован!! i от солнечных лучей, следует окрашивать алюминиевой или другими светлыми красками. В отдельных случаях, например при хранении легколетучих жидкостей в наружных емкостях, применяются угг
308
от климатических усло-размещать целиком на
иойства для орошения водой наружной поверхности резервуаров К летний период или размещение их под легкими навесами, шат-
I 1МИ и т. п.
При компоновке оборудования на открытых площадках следует Считывать необходимость укрытия и утепления некоторых машин насосы, компрессоры и др.) и приборов. Это легко выполнимо при применении современных полимерных материалов, например пласт-ч.тсс (рис. 112).
Следует учитывать, что в зависимости ни одинаковое оборудование приходится открытой площадке, в полузакрытом здании и в полностью закрытом помещении.
Так, на Украине или в Армении один и тот же цех можно разместить на от-। крытой площадке, в Башкирии вне зда-। ппй этого цеха могут быть размещены [только дистилляционные колонны, дефлегматоры и емкости для ЛВЖ (кипятильники к колоннам, холодильники и насосы следует расположить в закрытом помещении), а в Западной Сибири все оборудование цеха должно находиться и помещениях.
• На одном из заводов США104 в районе с | уровыми климатическими условиями (9 месяцев Зима и 3 месяца сырая погода) при размещении оборудования на открытых площадках чис-I ло невыходов на работу из-за болезней было меньше, чем в аналогичных производствах, размещенных в зданиях; простои оборудования не превышали 2% календарного времени. По-видимому, это объясняется высоким уровнем механизации и хорошим качеством изготовления и мон-
। тажа оборудования, предназначенного для размещения на открытых площад-1 ках. — Дополн. ред. »
При решении вопроса о выносе оборудования на открытые площадки большое значение имеет также мощность установки. Аппараты с малой тепловой инерцией в районах с суровым климатом лучше размещать в зданиях.
На рис. 113 показан макет цеха органического синтеза, полностью размещенного на открытой площадке. В составе этого цеха имеется также небольшое закрытое здание, в котором находятся помещения: для щита контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации; для коллекторов воды, пара, рассола, сжатых газов; для кристаллизации, фильтрования и расфасовки* одного из побочных продуктов (отхода); душевые, раздевалки,
* Эти процессы проводятся в аппаратах периодического действия, которые нуждаются в постоянном обслуживании.
Рис. 112. Укрытие для насосов, выполненное из листовой пластмассы.
309
Рис. ИЗ. Макет цеха органического синтеза, размещенного на открытой площадке.
аборатория, кабинет начальника цеха, комната для ремонтников др.
Помещение для щита контрольно-измерительных и регулирующих приборов расположено на отметке +6 ж с переходом на расположенную около здания этажерку, где размещено основное оборудование. Для соблюдения противопожарных норм вся стена здания, обращенная к этажерке, выполнена без оконных проемов, но огнезащитными закрывающимися дверями. На отметку 4-6 ж вы-• едены все пробники и арматура, требующие эпизодического обслуживания, а также те приборы для регулирования и управления, вынос которых в помещение КИП по разным причинам нецелесообразен. Вторичные же регистрирующие приборы находятся в помещении КИП. Таким образом, все обслуживание цехом может осу-
Рис. 114. Узел управления установкой с остекленной стеной, обращенной к открытой этажерке, где размещено оборудование.
ществляться с одной площадки в радиусе 15—30 ж от оператора. Постоянных рабочих мест на открытой этажерке нет. Под реакторами и колоннами отсутствуют емкости, насосы и другие машины, которые могли бы пострадать при аварийном состоянии выше расположенной аппаратуры. Для демонтажа и ремонта любых аппаратов, приборов, арматуры и трубопроводов к этажерке обеспечен подъезд подъемных и транспортных средств.
При размещении узлов управления установками, расположенными на открытых площадках, следует учитывать также психологические факторы. Например, если узел управления установкой, размещенной на открытой площадке, отделен от нее остекленной . теной (рис. 114), операторам удобнее вести постоянное наблюдение за работой и состоянием оборудования установки со своих ра-(очих мест.
Рассмотрим принцип размещения па открытой площадке крупного цеха органического синтеза, построенного за рубежом в районе
311
с умеренным климатом. В центре цеха по всей его длине распо ложена этажерка для обслуживания колонных аппаратов, нам. дящихся по обе стороны от оси этажерки. Все крупное оборудонл ние установлено на нулевой отметке, оно не опирается на этажерку и не подвешено к ней. Емкости и кипятильники расположены вен роне, и над ними не размещены аппараты; трубопроводы крепя к i непосредственно к аппаратам или к этажерке. Лю'бой аппарат может быть демонтирован при помощи наземных подъемно-траш портных устройств. В правой части цеха на верхней площадь.
Рис. 115. Цех синтеза спиртов, расположенный на открытой площадке.
имеется примыкающее к аппаратам закрытое помещение, которое обслуживается лифтом. В этом помещении находится узел упрпн ления цехом (или частью цеха). Размещение узла управления на верхней площадке позволяет сократить протяженность трубонро водов и импульсных линий. Из узла управления имеется выход ил широкую площадку, оканчивающуюся удобной лестницей под углом 45—60° к горизонтали; все площадки, расположенные выше Ц ниже этой, крепятся непосредственно к колоннам.
Следует отметить, что по действующим нормам68 встроенный * этажерку узел управления не может быть принят в проекте, хо в технологическом отношении подобное размещение этого узла некоторых случаях рационально.
На рис. 115 изображен цех синтетических спиртов, расположен, ный на открытой площадке. Оборудование размещено в нем при 31?
насосами и
аппаратами невысокой
Рис. 116. Установка дистилляции, расположенная па открытой площадке.
мерно по такому же принципу, что и в предыдущем случае: основ-ия аппаратура установлена на нулевой отметке; емкости и насосы DIнесены в сторону от реакционных аппаратов; трубопроводы кре-| Пятся к этажеркам или непосредственно к аппаратам; второстепен-I ные лестницы и площадки размещены на аппаратах и емкостях; гнсе лестницы сделаны удобными (с уклоном 45—60° к горизонта- <ли). Представляют интерес размещение всех насосов на фасаде I установки и устройство между обслуживающей площадки |(~ 1 л), на перилах которой I крепится вся арматура. Под той площадкой проложены
I всасывающие трубопроводы, I что исключает необходимость и устройстве каналов для ук-
I Ладки труб, которые представ-I ляют известную опасность для работающих.
На рис. 116 показана одна варубежная установка дистил-ляции, вынесенная из цеха на Iоткрытую площадку и распо-|ложенная на расстоянии не | более 2—4 м от здания. Все колонны и аппараты здесь установлены на нулевой отметке. Верхние части аппаратов ре-I гулирующие клапаны колонн обслуживаются с площадки высотой около 4 м, непосред-1ственно соединенной с цехом и с мостками над емкостями i (слева). Конденсаторы и холодильники установлены над I этой площадкой и соединены с пей удобной лестницей. Такая I же лестница ведет на площадку, прикрепленную к колоннам, пня, расположенного в отдельном невысоком здании на расстоянии около 2 ж от этажерки. К этому узлу подведены импульсные линии от аппаратов, находящихся в этажерке и в цехе.
Размещение оборудования на этой установке не соответствует действующим в СССР нормам 68. В соответствии с ними открытая установка должна размещаться у торца здания, а не по его фасадной стене, или находиться на расстоянии 12 л от оконных проемов.
На рис. 117 изображена установка для абсорбции НС1, выполненная из стекла и вынесенная из цеха на открытую площадку. Все
313
Справа видна часть узла управле-
управление процессом осуществляется с нулевой отметки. 11. скольку на этой установке не перерабатываются ЛВЖ, на пег но распространяются ограничительные нормы 67-68. К недостатким установки следует отнести размещение кислотопроводов для со di ной кислоты в закрытых каналах. Известен случай, когда в рез> и. тате вытекания соляной кислоты из трубопровода, находившего. >| в закрытом канале, разрушилась часть фундамента здания.
Рис. 117. Установка абсорбции НС1, расположенная на открытой площ.. (оборудование стеклянное).
Для приближенной оценки экономии эксплуатационных загря' которую можно получить благодаря выносу оборудования па 01 крытые площадки, приведем следующие цифры, отнесенные 1000 м3 здания одного из уральских заводов:
1) по амортизации здания и оплате основных фондов (за вы-к том расходов на утепление оборудования) экономия coii.ihim примерно 10 тыс. руб. в год;
2) на отоплении и вентиляции здания было сэкономлено око 3 • I05 млн. ккал за отопительный сезон;
314
3) экономия на электроэнергии составила 20 тыс. кет в год.
* По зарубежным данным 104 при размещении оборудования на Открытых площадках капитальные затраты на строительство химических предприятий снижаются на 15—20% по сравнению с ка-пталовложениями в строительство таких же предприятий, но с Возмещением оборудования в зданиях. — Дополн. ред. «•
МАКЕТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
«• Для современной химической промышленности, в частности ля промышленности органического синтеза, характерен систематический рост объема проектных работ при одновременном повышении сложности проектных решений. Как уже отмечалось, одной । тенденций развития химической промышленности в настоящее время является переход к созданию цехов большой мощности, так h.iK это дает возможность значительно снизить удельные капитальные затраты. Современные цехи производства продуктов органиче-гкого синтеза зачастую представляют собой сооружения, насыщенные большим количеством сложного технологического, санитарно-Вехнического и электросилового оборудования, щитами КИП и средствами автоматизации, сложной арматурой, требующей само-I гоятельного обслуживания, и т. д. Общая протяженность трубопроводов и газоходов в некоторых из таких цехов достигает 30 км более.
В связи с этим даже высококвалифицированный проектировщик, обладающий хорошим пространственным представлением, не ожег представить себе во всех деталях современный цех органического синтеза. Трудности проектирования крупных и сложных Химических цехов в наибольшей степени проявляются при разработке проекта трубопроводов.
. Увеличение объема проектных работ и усложнение задач, возникающих в процессе проектирования, обусловили необходимость опека его новых методов, которые наряду с повышением качества н надежности проектных решений позволили бы сократить сроки проектирования и снизить стоимость проектных работ.
Одним из новых прогрессивных методов разработки проектной Рокументации является макетное проектирование. Оно предусматривает создание моделей, позволяющих уже на стадии Разработки проектов получить наглядное представление о принимаемых в них объемных решениях. Практически объемное проектирование осуществляется следующим образом. Из типовых элементов собирается макет здания проектируемого цеха. В здании разрешаются модели важнейшего оборудования и основных газоходов и трубопроводов.
Примером объемного решения проекта цеха сложного органического синтеза может служить макет, приведенный на рис. 118. гак показал отечественный п зарубежный опыт, применение объемного метода проектирования 103-108 сложных химических
производств позволяет снизить капиталовложения в их строите и.« ство на 5—10% и стоимость проектных работ на 10—30%.
Объемный метод проектирования применяется в различных отраслях промышленности. Им пользуются не только при разр.г ботке проектов химических производств, но и при проектировании лабораторных корпусов, разработке конструкций сложных станке в, самолетов, автомашин, судов. Объемное проектирование ведется it.i стадиях разработки технического проекта и рабочих чертежей. Л\ i кет цеха, выполненный на стадии технического проекта, служит также наглядным материалом при рассмотрении проекта в утвер дающих инстанциях.
Рис. 118. Макет цеха органического синтеза. — Дополн. ред. *
Для осуществления объемного проектирования в составе пре ектных организаций создаются специальные отделы-объемного, и i модельного, проектирования. В их состав входят: моделетека, м стерская для изготовления моделей, фотолаборатория для изгок» ления фоточертежей и группа оформления проектной докумеш ции. Заказчику проекта выдаются как модели спроектировашц цехов и сооружений, так и фотографии этих моделей. В ряде ел чаев модели и фотографии дополняются монтажными чертежа» наиболее сложных узлов, например отдельных узлов трубопр' водов.
По завершении разработки технологической части проем.i моделетеке подбирают соответствующие модели. Недостающие < дели на нестандартное оборудование дополнительно изготовляв л в модельной мастерской проектной организации. Наличие обии ной моделетеки, в которой хранится большое количество м<> к-1 различного типового и нестандартного оборудования, значите.!» облегчает и ускоряет процесс объемного проектирования. H.ipii
>16
с моделями оборудования в моделетеке должен иметься набор типовых элементов строительных конструкций.
Модели оборудования, особенно стандратного, лучше всего из-Киовлять по рабочим чертежам завода, производящего данное оборудование. Поэтому целесообразно централизовать изготовление "Таких моделей и выпускать их в массовом масштабе.
Материал для изготовления моделей должен легко обрабаты-ипться, быть достаточно прочным и обладать небольшой плотностью и высокой стойкостью к атмосферным воздействиям. Морели аппаратов в большинстве случаев выполняют из пластических масс или из древесины путем обработки соответствующих загото-нок на токарных и других станках. Из таких же материалов изго
товляют модели конструктивных элементов зданий. Модельные трубопроводы выполняют преимущественно из пластических масс, например из поливинилхлорида.
Разработку проекта расположения оборудования в цехе, как правило, совместно начинают специалисты различного профиля — технологи, Механики, строители. В ряде
Рис. 119. Компоновочный стенд. — Дополн. ред. »
случаев уже на начальном этапе разработки этого проекта к участию в ней привлекаются специалисты смежных отделов — санитарно-технического, энергетического и др. Прежде всего устанавливают основные размеры будущего сооружения — отметки (высоты) междуэтажных перекрытий и размер пролетов здания. Затем собирают макет его каркаса на подмакетниках, выполненных из дерева или пластмассы и разграфленных в соответствии К шагом строительных колонн (расстояний между их осями). По гетке колонн делают отверстия, в которые устанавливают модели колонн (высота стола-подмакетника обычно равна 1 м). Размеры макетируемого цеха в плане рекомендуется принимать 0,75 X 1,5 л. Для компоновки макета больших цехов стыкуют 2—3 стола-под-Макетника.
Иногда для разработки предварительных вариантов проекта размещения оборудования пользуются компоновочными стендами (рис. 119). В стенд вмонтированы междуэтажные перекрытия из ••'истового органического стекла. Модели оборудования расстав-Ьпот в стенде на этих листах. Собранный таким методом макет рдобно просматривается.
Обычно модели цехов органического синтеза выполняют в масштабе 1 :25 или 1:50. Вначале путем макетирования разрабатывают первый вариант проекта размещения технологического
317
оборудования, вентиляционных и отопительных агрегатов, эл< к силовых установок и прокладывают модели газоходов. А\о в прикрепляют к подмакетникам и междуэтажным перекрыиг • (если аппараты не «провисают») при помощи клеев, мастики и магнитами. Иногда «провисающие» между этажами аппараты р.п резают на две части и приклеивают к перекрытию сверху и ситу
В ряде случаев выполняется несколько вариантов компоновки цеха. После выбора варианта к дальнейшей работе" над маю рч привлекаются специалисты смежных отделов. Во избежание пот| времени задания им выдаются заблаговременно с тем, чтобы ш лежащие воплощению технические решения были предварите. пн< подготовлены путем макетирования на моделях. При компопош i макета здание воспроизводится в виде каркаса, без наружных спи что позволяет лучше просматривать расстановкуоборудованпя
Внутренние стены на макете целесообразно выполнять из при зрачного материала (например, из органического стекла), а в случаях, когда не требуется просмотр всего сооружения, из степи вых блоков. В стенах должны быть сделаны двери, проемы, ворт । предусмотренные проектом. В междуэтажных перекрытиях так к« должны иметься все запроектированные проемы для монтаж и демонтажа оборудования, для установки «провисающих» ann.ip.-тов, для прохода вертикальных трубопроводов диаметром о 300 мм и более и др. Кроме того, на макете монтируют, согл.п и проекту, все площадки, лестницы к ним, подкрановые, тельфериы-и монорельсовые балки, приямки, подвалы, каналы, тоннели.
По законченному объемному решению составляют поясните и ную записку и выполняют фотоснимки модели цеха. Фотографпро ванию подлежат поэтажные планы расположения оборудовании разрезы цеха, сложные узлы. На фотографиях проставляют пе<»б ходимые габаритные и привязочные размеры, номера аппаратов п< схеме; фотодокументация подписывается проектировщиками. М • дели целесообразно фотографировать на масштабном (разграф ленном) фоне, при этом уменьшается количество размеров, йоги рые приходится проставлять на фотографиях. Полученные такие способом фоточертежи брошюруют в виде альбомов.
Применение разъемных макетов (рис. 120) дает возможней п выполнять фотографии различных разрезов цеха.
Макетное проектирование при помощи моделей в наибольп.Н степени оправдывается при разработке проекта цехов со сложным! технологическими схемами, с большим количеством оборудован* и трубопроводов, главным образом на стадии изготовления р.>М чих чертежей. При обычном методе проектирования в этих случаи приходится разрабатывать и выполнять большое количество тежей, согласование и увязка которых между собой представ. пИЙ немалые трудности. Более половины труда проектировщиков Hfi обычном методе проектирования тратится на разработку комп< » вочных решений, от 10 до 20% — на оформление графической ча н проектов. При разработке же проектов объемным методом неоФм
318
Низость графического оформления компоновочных решений и подии овки чертежей-заданий смежным специалистам полностью отпа-рет или объем этих работ значительно сокращается
I Объемный метод проектирования позволяет существенно сократить время изыскания оптимального варианта размещения обору-щвания и устранить многоступенчатость процессов выполнения 1роектов его расположения. При этом квалифицированные проек-нровщики освобождаются от трудоемкой графической работы, -прощается взаимосвязь между проектантами разных специаль-юстей (технологи, механики, сантехники и др ).
Рис. 120. Разъемный макет цеха. — Дополн. рсд. *
Обычно до 30% рабочего времени в сметном отделе проектной (рганизации расходуется на изучение строительных и монтажных гртежей объектов, по которым должны составляться сметы для шределения стоимости строительства. При пользовании же объемными моделями цехов сметчикам гораздо легче разобраться в яростных решениях и составить сметы с большей скоростью и точ-юстью.
При обычном методе проектирования в принятую технологами (омпоновку оборудования очень трудно вносить изменения, необхо-щмость которых обусловливается дополнительными требованиями мсжных отделов (санитарно-технического, строительного, энерге-нческого и т. д.). В ряде случаев при компоновке оборудования (роектанты не имеют возможности заранее учесть эти требования 1чи предусмотреть в проектируемом цехе достаточные площади, шпример, для размещения щитов КИП, для обслуживания арма-уры и др. Подобные неувязки объясняются тем, что обычная раз->аботка проектов ведется последовательно разными специалистами •— технологами, монтажниками, строителями, сантехниками, шергетиками, которые подчас вынуждены вносить те пли иные изменения в первоначальные проектные решения.
319
Объемный метод проектирования кроме наглядности комп» новки отличается тем, что дает возможность одновременно вею и разработку проекта специалистами различных профилей. Это н<»< зволяет ликвидировать неувязки между смежными отделами проем ной организации, которые возникают при последовательной прорл ботке проекта в разных отделах. Особенно большое преимущества дает объемное проектирование при разработке проектов трубонро водов. В цехах органического синтеза прокладывается, как и i вестно, большое количество технологических трубопроводов, груб для пара различных параметров, для конденсата, хладоаген пн», газов, сжатого воздуха и т. д. Разработка чертежей прокладки i кой сети трубопроводов, естественно, представляет собой оч'ти. сложную и трудоемкую задачу. Стоимость монтажа трубопров<>ч< и в цехах органического синтеза часто превышает 50% общей сиш мости монтажных работ в цехе.
В связи со сложностью разработки подобных проектов ряд но просов проектировщики иногда оставляют нерешенными, и в рп бочих чертежах в этих случаях даются указания типа: «Прокла п<у трубопровода вести по месту».
После сдачи объекта в эксплуатацию отдельные трубопроно и4 приходится перекладывать, так как многие неувязки выявлявши только в процессе монтажа, а некоторые лишь в начале эксплу > > и ции. Все это удлиняет сроки освоения спроектированного пропзно । ства и увеличивает стоимость строительно-монтажных работ. Ouui показал, что чертежи трубопроводов, выполненные по масштабные моделям, впоследствии практически не нуждаются в исправлении На строительные площадки целесообразно передавать объемны макеты цехов с прокладкой модельных трубопроводов и снабжа их дополнительным комплектом чертежей на основные узлы труД< проводов.
Следует, однако, отметить, что макетный метод проектирована не может полностью исключить разработку компоновочных ч<-тежей. Выбор того или иного метода разработки проектной док ментации зависит главным образом от сложности объекта п кн лификации проектировщиков. В ряде случаев до начала сбор макета целесообразно выполнить предварительную компопон оборудования в виде чертежей.—Дополн. ред. *
ЛАВА 13
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
ШТАТЫ ЦЕХА И УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ
В ряде отраслей промышленности (металлообработка, добыча гля и руды, текстильные и трикотажные фабрики и т. д.) произво-ительность оборудования в значительной мере определяется про-знодительностью труда обслуживающего персонала. Оборудована и машины работают в этих отраслях в большинстве случаев ишь то время, когда ими управляет человек (сидит за рулем или рычагом управления, устанавливает или снимает деталь, направляет работу резца или фрезы; наблюдает за движением пряжи, ликвидирует ее обрывы и др.). Проектировщики-технологи таких про-। шодств рассчитывают трудовые затраты так же, как производи-1сльность оборудования: определяют необходимое количество машин и рабочих, наносят на планы цехов рабочие места.
В химической промышленности, в частности в производствах органического синтеза, технологический процесс (переработка газовых и жидких сред) теоретически может осуществляться без уча-тия человека или с применением ручного труда лишь на тех one рациях, которые трудно механизировать (загрузка, выгрузка и т. д.). В таких процессах, где человек участвует только в их на-шльной или конечной стадии, производительность агрегата также непосредственно не зависит от производительности обслуживающего персонала.
По мере внедрения простейших средств автоматизации для регулирования расхода, давления, вакуума, температуры и других параметров аппаратчики становятся наблюдателями за показа-миями приборов, либо подсобными рабочими, осуществляющими транспортные операции. Поэтому расчетам штатов в ряде случаев проектанты-технологи перестали уделять необходимое внимание. В результате этого штатные расписания в проектах иногда составлялись недостаточно обоснованно, что приводило к ошибкам при компоновке оборудования, выборе систем автоматизации, размещении щитов контрольно-измерительных приборов, лабораторий, помещений для обслуживающего персонала, внутренних переходов и лестниц, ремонтных средств.
Никакое самое совершенное оборудование не может обеспечить успешного проведения технологических операций без продуманной системы контроля, управления и обслуживания. Управлением и обслуживанием оборудования, а также технологическим контролем в конечном счете занимается человек, какие бы механические и Ьлектронно-решающие устройства ни помогали ему в этом труде.
21 Зак. 509
321
* В технологической части проекта должны быть определены количества и j квалификация лиц, обслуживающих данный объект. Это необходимо для ими» ления потребности в обслуживающем персонале, для расчета размеров бы, пт и обслуживающих помещений (раздевалки, душевые, санузлы, конторы, k.i <• неты и т. д.), для расчетов расхода воды на бытовые и санитарно-техшивч >. нужды, для определения фонда заработной платы (что требуется при р.ич< себестоимости готовой продукции), необходимого количества жилой плопц in столовых, учреждений медицинского обслуживания, транспорта и т. д.
Объем штатов и квалификация работников определяются размерами пр > оптируемых объектов, трудоемкостью и сложностью производственных прошч •] сов, продолжительностью рабочего дня. Чем рациональнее запроектирован нологический процесс, тем меньше штаты. Это в свою очередь способе i в » общему снижению расходов на заработную плату, которые являются одним ч основных элементов себестоимости готовой продукции. Уменьшению штатов собствует правильное размещение оборудования, внедрение непрерывных м<-о. дов производства, механизация трудоемких операций, автоматизация техно и и и ческого процесса, оснащение его контрольно-измерительными регулирующими и управляющими приборами и другие технические усовершенствования.
Штаты производственного цеха состоят из следующих основных групп . i женерно-технических работников, рабочих основных и вспомогательных пр<и|п снй, служащих и младшего обслуживающего персонала.
Ниже приводятся краткие сведения, необходимые для определения lu'iu чества и квалификации цехового персонала, обслуживающего производства opi«« нического синтеза. >
К числу инженерно-технических работников относятся следующие катскццШ работающих. Начальник цеха, в функции которого входит общее технически.- административно-хозяйственное руководство цехом. Начальниками крупных хов должны быть инженеры, в небольших цехах они могут быть техник.) ши В крупных цехах предусматривается должность заместителя начальника выполняющего функции технического руководителя, а также должности иачл и ников отделений (если они имеются в цехе).
Начальники смен осуществляют техническое и административное руконщ-ство сменами. На мастеров возлагается помощь начальнику смены в управления бригадами; мастера непосредственно организуют производственный пронес^ обеспечивают производство сырьем, тарой для готовой продукции, инструмент»!, сдают готовую продукцию на склад и т. д. В цехах, состоящих из неско.и.киа отделений, иногда предусматриваются должности мастеров в отделениях. К » правило, штат мастеров комплектуется из техников, иногда на эти должиися назначают лиц, получивших специальную подготовку на курсах мастеров.
Цеховой лабораторией, основной задачей которой является ведение щего контроля производства и изучение возможностей усовершенствования |»м нологнческого процесса, руководит заведующий. Химики для цеховой лабор.чн рии предусматриваются только в крупных цехах с большим объемом работ контролю производства и рационализации технологического процесса. Как вило, в цеховой лаборатории должен иметься старший лаборант, работакин только в утреннюю смену. На старшего лаборанта возлагается обеспечение боратории посудой, реактивами, стандартными растворами и т. д.
В обязанности сменных лаборантов входят текущий контроль произни u i в сменах. Количество лаборантов определяется общим объемом их работ в первую очередь количеством точек химического контроля и сложностью м дов анализов. На должности лаборантов подбираются лица различной кн фикации, имеющие подготовку в объеме техникумов, ремесленных училищ. . • циальпых курсов, или практики.
Механик цеха обеспечивает нормальную эксплуатацию оборудования, р водиг_ его планово-предупредительным и текущим ремонтом, а также п<>л| тонкой и проведением капитального ремонта в цехе. В зависимости от ко ш ства и сложности цехового-оборудования на должность механика цехп н.п чается инженер или техник. В цехах со значительным объемом ремонтных р.й должны иметься мастера-механики, их квалификация — техники или ирльп с большим опытом.
322
Инженер-электрик цеха обеспечивает нормальную работу электротехнического оборудования и руководит работами по его ремонту. Мастер-электрик непосредственно организует работу по ремонту электрооборудования. По квалификации он должен быть техником или практиком с большим опытом. Должности инженера-электрика и мастера-электрика предусматриваются в цехах с большим количеством электрооборудования.
Инженер по контрольно-измерительным приборам (КИП) и средствам автоматизации (СА) обеспечивает бесперебойную работу этих приборов и регуляторов процесса и организует их своевременный ремонт. Мастер КИП непосредственно ведает ремонтом и обслуживанием приборов и регуляторов; эту должность обычно занимает техник или практик, получивший подготовку на специальных курсах. Обе или одна из этих двух должностей предусматриваются и цехах, оснащенных большим количеством контрольно измерительных приборов и средств автоматизации.
В цехах с большим объемом работ по составлению производственного плана и учету выработки предусматривается должность экономиста-плановика, имеющего высшее или среднее специальное образование. Нормировщики ведут работу по составлению норм выработки и учитывают их выполнение. Должности нормировщиков занимают техники или лица, получившие подготовку на специальных курсах.
К категории основных производственных рабочих относятся лица, непосредственно участвующие в выпуске продукции, например аппаратчики, их помощники, подсобные рабочие. Для определения количества производственных рабочих, необходимого для обслуживания цеха, следует установить в первую очередь количество рабочих точек.
Под рабочей точкой понимается совокупность аппаратов в процессов, которые связаны между собой технологической последовательностью и территориальной близостью и могут быть обслужены одним рабочим или совместно с его помощниками (в зависимости от объема работ). Например, обслуживание суль-фуратора и нейтрализатора сульфомассы, если они расположены рядом, целесообразно поручить одному аппаратчику или аппаратчику с помощником, в зависимости от числа параллельно работающих агрегатов и сложности производственного процесса.
Формально под одной рабочей точкой можно понимать группу аппаратов или процессов, объединенных общим обслуживанием. В ряде случаев в одну рабочую точку объединяются аппараты, в которых протекают идентичные или сходные технологические процессы и для их обслуживания требуются рабочие одинаковой квалификации. Например, если в цехе установлен ряд питраторов для производства нескольких продуктов, то обслуживание этих аппаратов целесообразно объединить в одну или (в зависимости от объема работы) в несколько однотипных рабочих точек, так как процессы нитрования имеют много общего между собой и для их обслуживания нужны рабочие одной квалификации.
Условием правильной организации рабочих мест является так же объединение в одну рабочую точку обслуживания аппаратов, расположенных в непосредственной близости друг к другу. Если, например, указанные нитраторы расположены на различных участках цеха, иногда значительно удаленных друг от друга, то объединение их в одну рабочую точку недопустимо.
В большинстве случаев аппараты, в которых проводятся сходные процессы и перерабатывается однотипное сырье, объединяют в специализированные агре- аты, станции, отделения (питровалыплй агрегат, станция сульфирования, отделение плавильных котлов и т. д ), которые обслуживаются одним аппаратчиком или одной бригадой.
Нежелательно объединение в одну рабочую точку аппаратов, расположенных на разных этажах, однако иногда это неизбежно. Например, в отделении ректификационных агрегатов обслуживание куба, дефлегматора, холодильника, подогревателя и приемника необходимо объединять в одну рабочую точку, хотя эти аппараты, как правило, расположены па разных этажах. Если поручить наблюдение за работой перечисленных аппаратов нескольким лицам, то затрудняется налаживание и регулирование работы всего ректификационного агрегата.
21*
323
Если в цехе работают несколько производственных схем, то в рабочую ку целесообразно объединить аппараты какой-либо одной производственноii мы с тем, чтобы один рабочий обслуживал возможно меньшее число и,..........J
водств. Это облегчает освоение технологического процесса и упрощает кош за качеством продукции.
Следует отметить, что до настоящего времени не существует обоснован)! метода расчета или нормативов для определения количества и видов аппарат I и процессов, обслуживание которых может быть поручено одному рабо'н' . В промышленности органического синтеза разработка таких методов и норм.) вов затрудняется из-за чрезвычайного разнообразия применяемых техноло! ним ских процессов, способов, приемов работы и аппаратов. Однако наличие ыь > нормативов значительно упростило бы определение и. расчет штатов npnei руемого объекта. Решение этой задачи облегчается при внедрении автом.ш ского управления технологическими процессами, позволяющего одному p.i чему (оператору) вести с пульта управления контроль, регулирование и пай н<и дение за технологическим процессом, протекающим во многих аппаратах, ми рые могут быть расположены в различных точках цеха. Однако в большип i • случаев при расчете цеховых штатов исходят из конкретных условий данном производства, пользуясь в основном аналогией с действующими цехами.
После определения числа рабочих точек следует установить количесию * квалификацию рабочих, необходимых для обслуживания каждой точки. II | этом основными исходными пунктами являются объем и сложность выполю мых работ.
Старшие аппаратчики (как и аппаратчики) обслуживают основные производи ственные агрегаты, например автоклавы, сульфураторы, нитраторы, ректнфпкм ционные колонны и т. д. Старшие аппаратчики руководят работой подчп i . вых им лиц. Старшие аппаратчики и аппаратчики должны иметь подгопшкЯ в объеме профессионально-технических или ремесленных училищ или спецп i . ных курсов
Помощники аппаратчиков либо помогают аппаратчику обслуживать гаты, состоящие из нескольких сложных аппаратов, либо самостоятельно <>Гк , живают менее ответственные участки процесса (например, нутч-фильтры. щ >• мыватели, отстойники й т. д.). Помощники аппаратчиков обычно подбирак> * из числа практиков или лиц, окончивших ремесленные училища, спецпал, пне курсы и еще не имеющих достаточного опыта.
Вспомогательные (подсобные) рабочие выполняют второстепенные рибо rd в цехе: помогают аппаратчикам и их помощникам, подают в цех сырье, уд.1.1» ' отходы, упаковывают готовую продукцию, передают ее на склад и т. д. К чн. • лу вспомогательных относятся рабочие ряда профессий, связанных с ремонт» и обслуживанием оборудования (слесари, электромонтеры, прибористы, m.ihh* нисты компрессоров и вакуум-насосов, шорники, плотники, -жестянщики и т
Дежурные слесари обеспечивают нормальную работу оборудования, комм никаций и арматуры в сменах. В утреннюю смену обычно работает брига 11 । монтных слесарей. Их количество зависит от количества и сложности обор) вания цеха, протяженности коммуникаций, интенсивности коррозии аппарат и коммуникаций и т. д.
Дежурные электромонтеры предусматриваются в цехах, оснащенных б< । шим количеством электрооборудования. В их обязанности входит обесиече , нормальной работы этого оборудования в сменах. Для его текущего ремонт штате цеха дополнительно предусматривают электромонтеров, работающих утреннюю смену.
Дежурные прибористы обеспечивают нормальную работу контрольно-и ы» рнтельных приборов и средств автоматизации в сменах. Текущий ремонт 1\| и СА осуществляется одним или несколькими прибористами, работающими а утреннюю смену.
К числу служащих, должности которых предусматриваются в зави пм<« от мощности цеха, относятся заведующий хозяйством, бухгалтер, табслыш конторщик и т. д. Штат служащих в основном зависит от размеров цеха и ortt ма учетной работы. Обязанности табельщика и конторщика часто выполняю» одним и тем же лицом.
324
К младшему обслуживающему персоналу относятся уборщики. Число их нрсделяют, исходя из того, что мытье оборудования и полов в производственных помещениях возлагается на рабочих, обслуживающих данное производство. В обязанности уборщиков входит обслуживание бытовых, административных, дозяйственных, лабораторных и вспомогательных помещений
Расчет штатов является одним из разделов расчетно-пояснительной записки • технологической части проекта. Результаты расчета оформляются в виде Ьгатной ведомости с ее кратким обоснованием, в котором указывается, является ли данное производство самостоятельной административно-хозяйственной » ижицей или входит в состав какого либо цеха в качестве его отделения; ка-11ми общезаводскими службами или службами ближайших цехов может обслуживаться данное производство (в связи с этим некоторые должности не предусматриваются штатным расписанием). Например, если проектируемое про-Н (подство полностью обслуживается общезаводским отделом КИП, то в штат цеха должности прибористов, мастеров и инженеров КИП не включаются. Следует указать также продолжительность рабочего дня, принятую для данного производства, допустимость по существующим правилам и нормам применения [женского труда в данном цехе и др.—Дополн. ред. *
Таким образом, работа обслуживающего персонала должна быть рассчитана и спланирована проектировщиком-технологом. При чтом он должен использовать данные хронометража, графики работы оборудования и контроля производства, применять методы научной организации труда, а также учитывать элементы психологии работающих.
В одном из непрерывных производств органических продуктов была предусмотрена полная автоматизация работы реакторов. В случае аварийной ситуации, вероятность которой была очень мала, предусматривался звуковой сиг-' нал с запасом времени в 7 мин от момента подачи сигнала до возникновения аварии. За 2 мин из любого угла цеха к агрегату мог подойти оператор. Для ликвидации аварийной ситуации достаточно было одного действия, занимающего не более 30 сек. Во избежание аварии производственники ввели штатную единицу— аппаратчика у данного агрегата. Месяцами этому аппаратчику было нечего делать, и фактически он никогда не находился па своем рабочем месте. Один раз за 5 лет, когда возникла аварийная ситуация, аппаратчика не было на месте и никто из работавших в цехе не подошел к агрегату до тех пор, пока сигнал не услышал начальник цеха.
В другом цехе эксплуатировались фильтры периодического действия. В обязанности аппаратчика входило их заполнение, наблюдение за вакуумом и выгрузка осадка. При образовании трещин в слое осадка вакуум уменьшался не только в аппарате, где получались трещины, но и во всех остальных аппаратах. По действовавшей в цехе системе оплаты труда аппаратчику засчитывалась главным образом работа по заполнению и выгрузке аппаратов. Для увеличения заработка аппаратчики охотно брали на себя обслуживание нескольких фильтров, что поощрялось и руководством цеха. Через некоторое время эти аппараты [стали «узким местом», а увеличение их количества не давало нужного эффекта. Результаты обследования работы цеха показали, что перегруженные аппаратчики недостаточно тщательно следили за вакуумом и не принимали быстрых мер к ликвидации трещин в осадке. Процесс фильтрования удлинялся пропорционально количеству установленных аппаратов. «Узким местом» стали не аппараты, а обслуживающие нх рабочие.
В одном из цехов была реализована схема механизации загрузки реакционного аппарата. Для этого к реактору па электрокаре подвозили бочки с сыпучим сырьем. Из бочек сырье под действием вакуума засасывалось в бункёры, откуда шнеком загружалось в аппарат. Единовременная загрузка реактора не превышала двух бочек. Аппаратчик должен был спять с бочек крышки, включить вакуум в бункер, опустить наконечник шланга в бочку с сырьем, собрать остатки сырья из бочки и засосать их шлангом, выключить вакуум, включить
систему встряхивания пыли со стенок, включить шнек, обстучать молотком б\.> кер, выключить шнек. В довершение аппаратчик и химик не были уверен! а том, что все загружаемое сырье действительно попало в реактор. Аппарпч.»* не стал пользоваться такой «механизацией», С помощью свободного раГю'нга он за 2—3 мин высыпал из обеих бочек сырье непосредственно в люк amup.i При проектировании этой системы механизации не был проанализирован и р Н считан труд аппаратчика. Иначе вместо всей этой сложной системы техно s и проектировщики применили бы автопогрузчики с приспособлениями для iiomi рота бочкц над люком аппарата.
Во многих проектах производств органического синтеза ini.ii ным расписанием предусматриваются так называемые цеховые р< монтные мастерские, оборудованные станками, со штатом слесарей, токарей, трубопроводчиков, мастеров по ремонту приборов п ip Эти мастерские часто проектируются без специального расчета, ио аналогии с действующими производствами. Такие мелкие ремни г ные мастерские приносят не пользу, а скорее вред обслуживаемым ими цехам. Передовые химические предприятия уже более 20 irf применяют прогрессивную централизованную систему ремонт» Оборудование не ремонтируется в цехах, а быстро заменяется 11 ранее подготовленными узлами и деталями с применением соври менных монтажных средств. Аппараты и узлы демонтируются in по выходе из строя, а по истечении заранее устанбвденного срока их службы. Ревизия, ремонт, обкатка демонтированных узлов aini.i* ратуры производятся в центральных ремонтных мастерских.
Проект современного химического предприятия должен иклю чать графики ремонта и замены оборудования, спецификации in пасных узлов и деталей, расчет централизованных мастерских, средств монтажа и демонтажа оборудования и узлов, расчет iiit.i тов механической службы цехов, в обязанности которой входит и блюдение за оборудованием, составление заявок центральным р< монтным мастерским и прием от них работы.
Кроме аппаратчиков производство обслуживают химики, ипж< неры, лаборанты. Штаты управления цехом также подлежат pi счету и обоснованию, а компоновка цеха должна, предусматршы г облегчение их труда.
В одном из цехов сменные инженеры и химики не справлялись со свои обязанностями. Увеличение их штата также не привело к положительным । зультатам. В цехе было размещено несколько схем синтеза сложных протхк с десятками последовательно проводимых операций. Для управления проник ством за каждым химиком была закреплена одна схема, чтобы он мог конц лировать каждую операцию в отдельности от начала до конца произволеim ного цикла. Автор решил обойти с одним из химиков «подведомственную» е схему от начала до конца производственного цикла. Нам пришлось 27 раз w ниматься с первого на второй и третий этажи аппаратурного зала, что с>< ветствовало общей высоте подъема до 220 м, а по горизонтали было прой ц около 500 м. Лаборатория, в которую аппаратчики относили пробы рсакшм ных масс, находилась в 100 м по горизонтали и в 12 м по вертикали or ш более удаленного аппарата. Прямая телефонная связь между рабочими мг< i и с лабораторией отсутствовала.
Часть оборудования этого цеха была размещена вне здания на огкры площадке, где находились также рабочие места аппаратчиков, apMaiype
326
щиты контрольно-измерительных приборов; какие-либо укрытия отсутствовали. В районе данного предприятия зима продолжается 5 месяцев в году и сопровождается сильными морозами и вьюгами. Обслуживание аппаратов на открытых площадках в зимнее время было практически невозможно.
Этот пример наглядно показывает, какое большое значение для технологического процесса имеет правильная компоновка оборудования, выполненная с учетом условий обслуживания аппаратуры.
Суммируя изложенное, следует подчеркнуть, что технолог-проектировщик должен представлять себе технологический процесс как непрерывное движение к конечному результату, т. е. к выпуску продукции заданного качества и в соответствии с установленным графиком. Всякий перерыв этого движения, независимо от причин, сводит к нулю результаты труда обслуживающего персонала и работы оборудования. Технологический процесс осуществляется в результате проведения технологических операций, причем в это по-।иятие входят не только переработка сырья и полуфабрикатов в готовую продукцию, но и подача сырья от поставщика и доставка готовой продукции потребителю. К технологическим операциям относятся также ремонтные работы, контроль и управление процессом, изготовление тары, подготовка кадров, т. е. все, что необходимо для проведения технологического процесса. В технологической части проекта должны быть обоснованы и рассчитаны все эти операции.
Поскольку технологические операции выполняются при помощи оборудования, управляемого людьми, то выбор оборудования, расчет штатов и размещение обслуживающего персонала следует производить так, чтобы достигалась высокая надежность технологического процесса и своевременная ликвидация помех — «возмущений». Для погашения таких «возмущений» следует предусматривать резервы (оборудования, производственных площадей, территории), подлежащие расчету и экономическому обоснованию.
Затруднения в управлении технологическим процессом могут быть причиной его остановки. Поэтому рабочие места аппаратчиков, графики ремонта оборудования, режим работы инженеров, химиков, лаборантов, размещение пунктов контроля также подлежат технологическому расчету и обоснованию наравне с расчетом, подбором и компоновкой оборудования.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
В технологической части проекта и в технологической схеме должны быть проработаны основные вопросы техники безопасности проектируемого процесса (производства, цеха). Важнейшими из этих вопросов являются: замена сильнодействующих ядовитых веществ более безопасными, легколетучих ЛВЖ менее летучими; исключение из производственного цикла веществ, обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами; герметизация оборудования и коммуникаций, в которых перерабатываются и транспортируются
327
токсичные, горючие и взрывоопасные жидкости и газы. Применяются также специальные приемы обеспечения безопасных у< вий работы и противоаварийной защиты, которые должны и i ходить обязательное отражение в технологической схеме.
Следует иметь в виду, что при нормальном состоянии воздхпм ной среды в производственных помещениях (отсутствие запы icif ности, загазованности) повышается надежность и точность обе г, живания аппаратов. Кроме того, при герметизации оборудована« уменьшаются потери ценных веществ, повышается выход основным продуктов и, следовательно, снижается их себестоимость.
А. К. Шабиц101 предложил классифицировать технологические прощчч ы • промышленности органического синтеза в зависимости от степени опасноеi it рерабатываемых веществ па три группы: опасные (связанные с приметшим ЛВЖ, возможностью резкого повышения давления, детонации и взрыва), с и м циальные (переработка горючих веществ, возможность быстрого выделен I газов или особо токсичных веществ) и обычные. Однако эта классифпк.-н не является общепризнанной и в известной мере дискуссионна, а потому -t будет использована нами в дальнейшем изложении.
Ниже перечислены мероприятия и приемы, обеспечивающие безопасную работу в промышленности органического синтеза, указанием, в какой проектной документации они доАжны быть i il фиксированы или разработаны:
1. Эффективная вентиляция (6—10-кратный воздухообмен в час), koioji ta должна быть рассчитана таким образом, чтобы соотношение ЛВЖ : воздух и«-ходилось вне пределов взрываемости (рециркуляция воздуха ие допускается) J указывается в задании на вентиляцию.
2. Взрывные мембраны, предохранительные и взрывные клапаны, кл.пппи! для быстрого опорожнения аппаратов с автоматическим или ручным при»-дом—показывают на схеме и отражают в заданиях на конструирование пб->« рудования.
3. Заземление оборудования и трубопроводов для борьбы со статическим электричеством — прорабатывают в электротехнической части проекта.
4- Применение инструментов, не дающих искр. — указывают в техно няи ческой записке.
5. Применение электродвигателей, пускателей и другого* электрообору i<ue ния во взрывобезопасном исполнении (по ПУЭ) или в герметичном исполнении указывают в задании электрикам.
6. Применение гидроприводов для двигателей и центрифуг в тех случки когда требуется переменная скорость вращения, — указывают в задании чи« гетикам, если требуемые электродвигатели такого типа нельзя выбрать по • талогам.
7. Достаточно большие выхлопные отверстия для сброса максима давления, которое может развиваться в любых условиях, за исключенном * тонации, — указывают на технологической схеме и в заданиях иа коппру ванне оборудования.
8. Непрерывная продувка аппаратуры азотом, воздухом, паром для и i жения концентрации опасных веществ (меньше нижнего предела взрын им сти) — показывают на схеме и отмечают в проектной записке.
9. Непрерывный анализ среды на взрываемость в газоопасных помоцк-i i и аппаратах — показывают на технологической схеме в разделе КИП и <> . жают в проектной записке.
10. Установка реакторов и технологического оборудования в спсппа-п и кабинах с непосредственным управлением или с дистанционным упраплвии» аппаратами — вносят в задание на компоновку оборудования.
328
1J. Автоматические устройства для отключения всех систем, кроме охлаждения, в случае аварийного повышения температуры или давления — показывают на технологической схеме.
12. Специальное н раздельное хранение химических продуктов, которые мо-I гут образовывать окислительно-восстановительные системы или реагируют с водой или паром с выделением тепла, воспламеняющихся или взрывающихся газов, или реагируют с кислотами и кислыми продуктами с выделением тепла, водорода или других взрывоопасных газов, или отличаются сильным коррозионным действием, или являются легковоспламеняющимися жидкостями, — показывают на технологической схеме и отражают в задании на компоновку оборудования.
13. Спринклерные и дренчерные системы — показывают на технологической схеме и включают в задание сантехникам.
14. Периодичность и характер проверки и осмотров технологического оборудования на соответствие его условиям безопасной работы и на исправность — отражают в технологической записке.
15. Огнепреградителн общего типа и специальные — показывают на схеме.
16. Специальные меры индивидуальной защиты (противогазы, фильтрующие । или изолирующие, защитная или изолирующая одежда и т. д.) — перечисляются в записке.
Интересные данные по технике безопасности в химической промышленности опубликованы в специальном номере «Журнала Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева» 109, где были рассмотрены вопросы герметизации оборудования, образование и отвод зарядов статического электричества, конструкции промышленных огнепреградителей, системы вентиляции химических цехов, новые типы зарубежного электрооборудования, меры борьбы с профессиональными отравлениями, частные вопросы работы с ацетиленом, органическими перекисями, описаны факелы для сжигания газовых выбросов, детонационные взрывы газовых смесей и др.
Основные задачи в области техники безопасности, которые должен решать технолог при компоновке оборудования, заключаются в правильном отнесении каждого помещения и наружной установки к соответствующей категории взрыве- и пожароопасных сооружений по СН 67 и ПУЭ 100 (табл. 24) и обеспечении оптимальных условий управления производством (минимальное расстояние между аппаратами, технологически связанными друг с другом, рациональное размещение щитов КИП и СА, панелей для ручных регулято-I ров и др.).
Критериями для отнесения производственных помещений (наружных установок) к той или иной категории являются температуры вспышки паров жидкостей и нижние пределы взрываемости смесей горючих газов или аэрозолей с воздухом. Эти критерии могут служить основанием для отнесения помещения к категории взрывоопасных лишь в тех случаях, когда перечисленные пары, газы и пыли применяются в количествах, которые могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.
Следует отметить, что требования к категориям помещений (см. табл. 24) по СНиП исходят из максимально возможной температуры в рабочей зоне (28°С) и на поверхности отопигсльных устройств (120°С). По ПУЭ ориентируются на максимальную температуру наружной поверхности электродвигателей, пускателей, кабелей и др. (45°С). Это разногласие создает известные трудности, которые приходится преодолевать проектировщикам.
Таблица 24. Категории взрывоопасных помещений и внешних пространств (устанозох)
1ел взрывае-:ти по ПУЭ, г/л«з Для пыли 65 и ниже То же Для газов 15 и выше, для пыли 65 и выше Для пыли 65 и выше О А |
Нижний пре/ МО( С S Х^ О о к Для газов 10 и выше 1 1 1 Для газов 10 и выше 1 1
>а вспышки в, °C Л >5 С о к 45 и ниже 45 и ниже 45 и ниже 45 и ниже 45 и ниже 45 и выше' 45 и выше1
Температур паро Е X О о к 28 и ниже 1 1 1 120 и ниже 120 и выше 1
И S 6П >-Е о с В-1 В-1а В-16 В-1г сЗ CQCQ П-1 сЗ сЗ ।—। СЁЁ
ф с
X X о < 1 1 и m
о к
К взрывобезопасным относятся помещения (внешние пространства и их части), в которых происходит сгорание твердых веществ, газов или легковоспламеняющихся жидкостей (печные отделения газогенераторных станций, газовые котельные и т. д.), технологический процесс связан с применением открытого пламени или раскаленных частиц (например, открывающиеся электрические печи), а выделяющиеся в небольших количествах газы и жидкости не могут образовывать взрывчатых смесей и работа с ними производится под вытяжной вентиляцией или выход газов и паров постоянно контролируется.
По приведенным ниже уравнениям можно ориентировочно определить максимальные взрывоопасные зоны в помещениях и наружных пространствах, где установлено герметичное технологическое оборудование. Основным критерием при расчетах является плотность газов. В отдельных случаях при наличии местной вытяжной вентиляции взрывоопасные зоны могут быть уменьшены. Если технологическое оборудование работает под высоким давлением или при повышенных температурах, взрывоопасная зона должна быть увеличена.
Обозначения:
Н — зона распространения опасности вверх, м;
h — зона распространения опасности вниз, м;
R — радиус зоны опасности по горизонтали, м;
г— радиус зоны распространения тяжелых паров на уровне земли, м;
d — относительная плотность газа или пара (по воздуху).
Для газов и паров с относительной плотностью менее 0,8 зона опасности ниже уровня выделения газов /г — 5 м, но не менее 1 лг, зона опасности на уровне выделения газов R = 15d; Н — зона распространения опасности вверх не ограничена.
Для газов и паров с относительной плотностью 0,8—1,1 зона опасности находится в радиусе 15 м от места выделения газов или паров.
Для газов и паров тяжелее воздуха (относительная плотность 1,1—2) зона опасности выше уровня выделения газов или паров И = 5/rf; зона опасности на уровне с местом выделения газов или паров R — 15/rf; зона опасности по поверхности земли от проекции точки выделения газов r=15+(d—1)15; зона h не ограничена.
Для паров с относительной плотностью 2,1—4 зона опасности выше уровня вытекания паров жидкости и газов Н = 5/rf; зона опасности на уровне выделения паров R= \5/d; зона опасности на уровне земли г = 30—(d— 2,1)6,5.
Для паров с относительной плотностью более 4 зона опасности на уровне земли определяется по уравнению г = 30 — (d + 3,2).
Для паров горючих жидкостей с относительной плотностью более 7,8 минимальный радиус зоны опасности г = 5 м.
Для агрегатных установок радиус зоны опасности считается от крайних внешних объектов. Для наружных установок в незакрытых местах вычисленную приземельную зону опасности по газам и парам относительной плотности 2,1—6 можно уменьшить на 3/4. Для внешнего оборудования, установленного на эстакадах, вычисленную приземельную зопу опасности по газам и парам относительной плотностью 2—7 можно уменьшить на 50 % • В помещениях, где могут возникать местные взрывоопасные смеси, зону опасности зачисляют в соответствующую категорию (В-Ia, А и т. д.).
331
Пространство за пределами зоны опасности причисляется к меп< опасной (на одну ступень) категории: Б, В-I б и т. д.
Помещения, отделенные от взрывоопасных помещений стеноп с огнестойкими и автоматически закрывающимися дверями, можно зачислить:
по газам относительной плотностью менее 0,8 к взрывобезопас ным (по ПУЭ — на одну ступень ниже);
по газам и парам относительной плотностью более 0,8 к как гории, менее опасной на одну ступень;
по пыли к взрывобезопасным (по ПУЭ — В-Па; смежные пом< щения классифицируются тоже, как В-Па).
Помещения, отделенные от взрывоопасных помещений пото ком или двумя стенами с огнестойкими автоматически закрываю щимися дверями, считаются взрывобезопасными по всем газам и парам (категория совпадает с ПУЭ). Пространство между дверями должно продуваться и иметь такие размеры, чтобы можно было открыть одни двери при одновременном закрытии Других дверей.
Возможность образования взрывоопасных концентраций парой в зоне расположения оборудования при аварийных условиях мол но определить, исходя из давления паров ЛВЖ при данной темпе ратуре.
Приведем следующие примеры. В цехе размещена емкость для 20 -25%-ной аммиачной воды; при 30° С произошла авария (нарушилась гермегич ность насоса, трубопровода и др.), в результате которой аммиачная вода р.п лилась по полу производственного помещения. При концентрации 20% Nil, и аммиачной воде содержание аммиака в неподвижном воздухе на некотор iv расстоянии от жидкости (испарение NH3 происходит одновременно с водой, и непосредственно над разлитой жидкостью взрывоопасная концентрация аммиака не может образоваться) достигает 9 объемн.%, а при концентрации аммпачн П воды, равной 25% NH3, в воздухе содержится 15% аммиака. Нижний прете-взрываемости аммиачно-воздушной смеси равен 15%. При двукратном обш и воздуха в час (естественная вентиляция) концентрация аммиака в воздухе си зится до 4,5—7,5%. т. е. составит 50% нижнего предела взрываемости. Сле i • вательно, независимо от температуры вспышки аммиака помещения, в которым он хранится или перерабатывается в виде аммиачной воды при 30° С, не должны относиться к категориям А, Б, В или В-П.
Допустим, что в цехе хранится или перерабатывается хлорбензол при 35" С При его проливах концентрация хлорбензола в воздухе составит 2,6%. Претелм взрываемости смеси паров хлорбензола и воздуха 1,3—11%. Для создппн* безопасных условий работы необходим 4—5-кратный обмен воздуха в час, ч может быть обеспечено местной вентиляцией. В этих же условиях конце»гр.щ 4 паров бензола может составлять 16—18%. снижение которой за счет естестве кого 2—3-кратного воздухообмена в час приведет к возникновению взрывооты ной бензоло-воздушной смеси (в пределах 1,5—9,5%). Поэтому снижение к.тт гории помещения по взрывоопасности для таких условий недопустимо.
В цехе красителей при температуре не выше 30° С хранится и перернй тывается анилин. Его концентрация в неподвижном воздухе непосредствен над местом возможного пролива составит 0,13% а при естественной кош менее 0,05%. Температура самовоспламенения анилина 540° С Поппи М температура его вспышки (78° С) в этих условиях не может служить оспой нием для отнесения цеха красителей к категории Б (следует принять кат рию В).
3321
Наибольшую опасность представляют ЛВЖ с низкой гсмнера-турой самовоспламенения (эфиры 190° С, сероуглерод i02" С, фосфористый водород 100° С и др.).
Для снижения категории помещения по взрыво- и пожароопасности может быть использовано и разбавление газов воздухом непосредственно в аппарате, где они выделяются. Так, при проектировании установки для восстановления в амины нитросоедине-пий, содержащихся в сточных водах, при помощи железной стружки в кислой среде под крышку редуктора подавали 1000 лг3/ч воздуха, что позволило снизить расчетную концентрацию водорода до 1 % (т- е. в 4 раза меньше нижнего предела взрываемости). Поэтому все помещение было отнесено к неогнеопасным.
При небольших количествах ЛВЖ и горючих газов, перерабатываемых в помещении, для отнесения его к той или иной категории следует пользоваться СНиП П-М 2—62, согласно которым 68 разрешается не учитывать более пожароопасное производство, занимающее менее 5% общей площади здания (но не более 100 м2). При этом необходимо исключить возможность распространения взрывоопасных смесей по всему помещению, предусматривая местную вентиляцию, перегородки и т. д. При компоновке оборудования следует предусматривать максимальное уменьшение единовременных запасов ЛВЖ в производственных помещениях путем замены периодических процессов непрерывными, мерных сосудов дозирующими насосами и др. Одной из наиболее эффективных мер является размещение хранилищ и аппаратов для переработки ЛВЖ на открытых площадках.
ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНЕРАЛЬНОГО ПЛАНА
Ведущими специалистами при составлении генерального плана предприятия являются главный инженер проекта и архитектор. В ряде проектных организаций главный инженер проекта завода органического синтеза является также главным технологом. Проектировщик-технолог должен принимать непосредственное участие в компоновке генерального плана проектируемого объекта как исполнитель и руководитель этой работы. В его компетенцию входит также составление схемы взаимосвязи производственных цехов и вспомогательных сооружений, материального и водного баланса производства, схем обезвреживания и выброса газов и сточных вод, выдача смежным отделам заданий на проектирование энергетических, ремонтных, административных и других сооружений. Особое внимание должно уделяться выбору способов и разработке схем очистки сточных вод в локальных общезаводских установках.
Поэтому мы сочли целесообразным привести здесь основные сведения о методах компоновки генеральных планов производств органического синтеза. В первую очередь генеральный план должен учитывать схему взаимосвязей отдельных производств. Эту схему составляют в упрощенном виде примерно так же, как схему
333
материальных потоков. Вместо стадий процесса на схему нанося! каждое производство.
Схемы связей производств основного органического синтеза и малотоннажных производств «тонкой химии» различны. Как np.i вило, на заводе основного органического синтеза ведется последи вательная переработка исходного сырья в готовую продукцию но прямолинейной или разветвленной схеме. Следовательно, прои Бедственный процесс на таком заводе начинается, например, с i.i зофракцчонирующей установки, на которой получают этилен, про пилен и полимер-дистиллят (смесь углеводородов определенною состава). Далее этилен перерабатывается в этилбензол, этилбен зол — в стирол, стирол — в полистирол, являющийся ГОТОВОЙ про дукцией. От основной схемы ответвляется производство окиси эти лена (из этилена) и моющих веществ типа ОП (из окиси этилен i и полимер-дистиллята). В качестве исходного органического сыр,, на завод могут поступать также бензол и фенол.
На заводах тонкого органического синтеза размещенные в ра ных цехах производства могут быть и не связаны друг с другом Более того, проектирование" этих заводов ведут таким образом, чтобы снятие с ассортимента продукции одного из производств и ш замена ее другой продукцией не влияли бы на работу других цехов В малотоннажных производствах переработка исходного органичг ского сырья проводится от начала до конца в одном цехе.
Таким образом, на заводе основного органического синтеза про изводственные цехи следует располагать на генплане в сооттч ствии со схемой их взаимосвязи, на заводе же тонкого оргалит ского синтеза размещение производственных цехов на генплане зависит от других факторов. Кроме этих двух предельных схем часто приходится вести проектирование предприятий промежуточ НОГО ТИПа, 3 КОТОрЫХ ЧаСТЬ ПРОИЗВОДСТВ ОТНОСИТСЯ К ОСНОВНОМ) органическому синтезу, а часть — к тонкому. Такие случаи m<h\i рассматриваться как кооперирование двух групп цехов.
Схема взаимосвязи цехов на заводах обоих типов начинаенч с приемки и разгрузки привозного сырья (органического и неорг.1 нического) и заканчивается отправкой готовой продукции.
При разработке этой схемы проектировщики должны иметь с к дующие данные:
1. Перечень производственных цехов, непосредственно связанный с разработкой генерального плана в части устройства и опреюк* ния количества бытовых и административных помещений, цехш i лабораторий, ремонтных мастерских и др.
Производственным цехом является самостоятельная хозрасчетная едши Для осуществления хозрасчета цех должен принимать сырье и выдана и i дукцию, соответствующую требованиям ГОСТ или технических условий, и ни поддающемся учету (анализ,' взвешивание, отмеривание). Размеры цеха ч<> i ю i быть удобны для управления им. Однако критерии для определения оптпма и размеров цеха отсутствуют, а на некоторых заводах по ряду причин и дается тенденция к разукрупнению цехов, предусмотренных проектом. Гак. »4 одном заводе производство, размещенное в типовом двуэхтажном здании д и>н
334
100 м и шириной 18 м, разделено на два цеха. На другом заводе отделение цеха, размещенное в отдельно стоящем здании размерами 40X18 м, выделено и самостоятельный цех.
Следует помнить, что разукрупнение цехов связано с необходимостью сооружения дополнительных пристроек к производственным зданиям.
2, Внешний и внутренний грузооборот проектируемого завода (цеха).
3. Схемы локальных и централизованных установок (цехов) для переработки производственных отходов и очистки сточных вод. Централизованные установки обычно предназначаются для переработки отходов (или очистки стоков), поступающих из нескольких цехов.
4. Годовой водный баланс завода или цеха, составляемый совместно с сантехниками и включающий поступление свежей и оборотной воды; расход воды на разбавление готовых продуктов; испарение воды в градирнях и в производственных цехах (в процессе выпаривания без конденсации); баланс условно чистых вод (не соприкасающихся с продуктами в процессе производства); количество сточных вод до и после локальных и общезаводских очистных установок, а также содержание влаги в отходах, направляемых в отвал.
5. Максимальные количества вредных газов, сбрасываемых в атмосферу с учетом неравномерности их выделения в отдельных производствах и высоты труб для рассеивания газов в атмосфере.
6. Годовую и максимальную часовую потребность в холоде, тепле, электроэнергии, сжатом газе с указанием их параметров.
При определении коэффициента неравномерности потребления этих видов энергии следует учитывать количество рабочих дней каждого цеха в году, длительность остановки оборудования на капитальный ремонт и др. При определении потребности в электроэнергии следует учитывать, что установленная мощность работающих электродвигателей рассчитана на пуск обслуживаемых ими аппаратов и в 1,2—1,4 раза превышает обычную нагрузку, а двигатели обслуживающие электроподъемники, монтажные и другие приспособления, загружены несколько часов в сутки и резервные электродвигатели не работают одновременно с основными двигателями. Опыт показал, что отношение потребляемой мощности к установленной на заводах тонкого органического синтеза колеблется в пределах 0,2—0,35, а на заводах основного органического синтеза не превышает 0,5. Это отношение резко возрастает при наличии на заводах электротермических и электрохимических произ-. водств.
7. Штатное расписание завода, исходя из которого архитекторы совместно с главным инженером проекта составляют перечень сооружений административной зоны (конторы, учебные заведения, пожарное депо, телефонные узлы, медицинские учреждения, сооружения городского транспорта и др.) и перечень бытовых помеще ний. Одновременно на основании схемы взаимосвязи цехов
335
архитекторы вместе с транспортниками и главным инженером про екта составляют перечень складских и транспортных сооружении
8. Перечень основного оборудования, контрольно-измеритель ных приборов и средств автоматизации для определения состав.! и требуемой производительности ремонтных цехов.
9. Потребность завода в таре для выяснения необходимости в сооружении тарных цехов.
На основе данных, приведенных в п. 6, энергетики составляют перечень энергоцехов и установок, необходимых для проектирут мого завода (цеха). На этой стадии проектирования определяется источник тепла (от ТЭЦ или от заводской котельной); количестве!, мощность и параметры холодильных и компрессорных установок источники электроснабжения, количество и мощность заводски понизительных подстанций. Исходя из перечисленных материалов, составляют полный перечень цехов, установок и сооружений про ектируемого объекта и решают вопросы его кооперирования с соседними заводами и городом в технологической части (использо ванне сырья, готовой продукции, отходов), в энергетической части (совместное строительство ТЭЦ, районных понизительных подстанций, газопроводов и др.), в сантехнической части (общие сооружения для водозабора, биологической очистки вод и др.), в чаши ремонтно-механической и тарной базы, коммунальной службы (клубы, учебные заведения, медицинские учреждения, город ской транспорт и др.) и промышленного транспорта (ровместши-строительство узловых железнодорожных станций, портов) и т. д.
* Примерный состав заводских сооружений. Состав сооружении завода <>[> ганического синтеза трудно представить в виде какой-либо одной типовой схемы Типы и количество сооружений, входящих в состав конкретного объекта, и большой степени зависят от ряда факторов, в первую очередь от состава проги тируемых производств, характера кооперирования данного завода с близки расположенными промышленными и городскими объектами, от типа подъездных путей, имеющихся вблизи заводской территории и др. В самом общем вид* заводские сооружения можно подразделить па ряд групп, отличающихся по и значению.
В первую группу входят производственные сооружения, номенклатура » ш речень которых определяются составом производств, их мощностью и выбрпн ными технологическими методами ведения процессов.
К числу энергетических объектов относятся: котельная, газогенераторн.п! электроподстанции, трансформаторные киоски, центральная компрессорная (i получения сжатого воздуха), холодильные установки (в том числе для по туче ния льда), водонасосная, артезианские скважины, водонапорные башни, ip дирни и т. п.
К вспомогательным, цехам и сооружениям могут быть отнесены' центра i ная заводская лаборатория, опытный цех, станция очистки сточных вод. п<*Л для переработки и обезвреживания отходов, тарные мастерские, ремонтно м<» ханические, ремонтно-строительные, электроремонтный цехи цех для ремонте и наладки контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации иг t
В комплекс складских сооружений входят: склады сырья, промежу ючт • продуктов и готовой продукции (иногда эти сооружения подразделяют на <к * ды твердых продуктов, жидкостей, кислот, легковоспламеняющихся и<чк<ч «В и др.), склады топлива, оборудования, вспомогательных материалов, н>н > м мента, спецодежды, лесопиломатериалов, других строительных материалов и г I
336
К числу транспортных сооружений относятся: железнодорожное депо, погрузочно-разгрузочные платформы, гараж и т. п.
В состав административных и хозяйственно-бытовых сооружений входят: за-►одоуправление, пожарное депо, здание военизированной охраны, проходные, медпункт, столовые, прачечная и т. п.
Приведенный нами перечень заводских сооружений далеко не полон и в то же время необязателен для любого генплана. Его можно считать лишь примерной номенклатурой сооружений на заводах органического синтеза, состав которых подлежит уточнению в каждом отдельном случае- — Дополн. ред. *
Во всех случаях, когда возможно, проектировщики при разработке генерального плана должны применять типовые и повторно используемые проекты, по которым выстроены и эксплуатируются аналогичные производства. Не следует принимать без критической
Рис. 121. Схема размещения завода основного органического синтеза:
/ — территория нового города; 2, 3 —отклоненные варианты размещения нового города; 4 — химический комбинат; 5 —ТЭЦ; 6 — строительная база и вспомогательные объекты; 7 —предприятия переработки хнмпродукцнн; 8—резервная территория химкомбината; 9— резервная территория города; /0— базисные склады; 11 — вокзал; 12 — предприятия легкой и пищевой промышленности; 13 — сортировочная железнодорожная станция; 14 — санитарио-защнтная юна; 15, 16—зоны санитарных ограничений для первой и второй очередей строительства комбината; 17 — очистные сооружения канализационных стоков; 18 — существующий поселок;
19 — засоленный водоем.
оценки нереализованные проекты, поскольку надежность их не пре-вышает -надежности разрабатываемых проектов. Преимущества же типовых и повторно используемых проектов, апробированных в условиях строительства и эксплуатации, очевидны и не требуют комментариев.
Ниже перечислены группы сооружений, для которых могут быть использованы типовые и повторные проекты:
все сооружения административной зоны, включая медицинские учреждения, пожарное дело, центральные заводские лаборатории склады общего назначения и большинство специальных складов (для сжиженных газов и др );
все сооружения, обслуживающие внутризаводской и автомобильный транспорт (депо, гаражи, мастерские, платформы, вокзалы и др.);
котельные ВОТ 48;
большинство сооружений механической службы и обслуживания КИП и средств автоматики, мастерские для изготовления тары,
22 Зак. 509
337
7» л
схема хими-
Рис. 122. Принципиальная зонирования и расширения ческого предприятия по трем очередям строительства (/, II, III): 1 — товарно-сырьевые базы; 2 — склады и общезаводские сооружения; 3 — зона производственных объектов; 4 — водооборотные сооружения; 5—газофракционирующие установки; 6 — общезаводские административно-хозяйственные здания; 7 — совмещенные коммуникации.
сантехнические сооружения общего назначения (насосные, градир ни, иловые площадки и т. д.); оборудование (и монтаж) понпзп тельных электроподстанций;
головные сооружения систем слаботочного хозяйства (А'1 < охранная и пожарная сигнализация и др.);
отдельно стоящие азотно-кислородные установки общего назна чения.
Применение повторно используемых и типовых проектов зданий и сооружений основного производственного назначения целесоо" разно при более или менее одновр! менном строительстве нескольких производств, где используются э I и проекты. При разрыве во времени реализации ранее спроектпрованио го и нового объектов даже сран нительно небольшое усовершенстно вапие проектируемой технология!-с кой схемы может дать экономию, во много раз превышающую ту, к<> торая достигается в результате при менения типового проекта.
Размещение химических пре i приятий в каждом данном районе и всех заводских’ сооружений на генеральном плане регламентируеп»! соответствующими нормами и правилами 67’68> которые являются основными исходными матери.। лами для технологов и архитек ю-ров. Транспортники, энергетики и другие специалисты-проектанты pj• ководствуются дополнительными нормами. Расстояния от заво ton органического синтеза до насели пределах 300—1000 м с предост.ш и
НЫХ пунктов нормируются в нием органам санитарного надзора права увеличения этих рк стояний вдвое. Практически от городов районного значения предприятий даже тонкого органического синтеза (мощное и 1000т/го5 и более) предпочтительное расстояние должно бы и. и менее 3 км, а от крупных заводов до больших городов — примерн 6—12 км. При этом учитывается не только содержание в атмосф<-| вредных веществ, определяемое анализом, но и неприятные запах сопутствующие переработке ряда химических продуктов (паф| • лин, жирные кислоты, меркаптаны и др.) и распространяющие на большие расстояния.
На рис. 121 показана схема размещения нового завода ш » • ного органического синтеза, ТЭЦ и города. Вне завода вблизи! соленному водоему расположены сооружения для очистки его пи
338
вод. В засоленный водоем можно сбрасывать сточные воды, содержащие минеральные Соли, но освобожденные от органических соединений.
На рис. 122 представлена принципиальная схема зонирования завода основного органического синтеза 113 по трем очередям его строительства (I, II, III). Вторая и третья очереди сооружаются
S2C
Производство эталонно пропилена
Производство этанолам иноВ, ОП, азо токи слор од ная станции, сооружения Водо-оборотной системы
ПроизВод стВо этилбензола и стирали
Производство полисти рола
Складская зона
1 > Здания
ат077. Автодороги
IIIIIIIIIH Этажерки
,____открытые площадки ,, „
!***• в I под оборудование Навесы
__ __Линия железные электропередачи дороги
Рис. 123. Схема
3oiniiipoiiaiiii>a территории завода основного органического синтеза.
по мере необходимости, в составе первой очереди только по административной зоне учитывается возможность расширения завода. Остальные сооружения первой очереди не рассчитаны на обслуживание последующих очередей строительства.
На рис. 123 показана схема размещения отдельных сооружений на территории первой очереди завода |13. Проектировщикам удалось ограничить ввод железнодорожных путей на территорию завода двумя ветками- на складскую базу жидких продуктов
22‘
33»
и в складскую зону производственной площадки Это ограничение стало возможным благодаря тому, что данный завод выпускам и сухом виде только полистирол. Цех полистирола и его склад р к-
Рис. 124. Генеральный план завода тонкого органического синтеза:
/ — производственная зона; 2—зона расширения завода; 3 —дамбы; 4— пруд для водоснабжения; 4'~насосная; 5 —селитебные территории; пруд-накопи
тель очищенных стоков; 7 —коллектор сброса стоков нз пруда 6\ 3 —водоем (море); 9 — железнодорожный путь.
положены возле железнодорожной ветки. Если бы в составе зп вода предусматривалось несколько аналогичных цехов, нельзя были бы обойтись одной железнодорожной веткой. Остальные решения, принятые в генеральном плане, тоже достаточно прогрессивны.
940
сдна эстакада, компактное размещение цехов и сооружений (с соблюдением соответствующих норм), расположение их с учетом технологических взаимосвязей и др. В результате совместной ра-
боты архитекторов и технологов территория производственной площадки уменьшилась, а трассы технологических трубопроводов со-
кратились.
На рис. 124 изображена схема генерального плана завода тон-
кого органического синтеза, интересная тем, что для сооружения пруда 4 чистой воды и пруда-накопителя 6 очищенных стоков использован естественный рельеф местности. Сточные воды сбрасывались в море в зимний штормовой период. На генеральном плане
этого завода все производственные здания приняты однотипными. В одноэтажных пристройках к ним расположены различные специальные помещения (изолированные бытовки, склады пожаро- и
взрывоопасных продуктов, автоклавные и т. д.). Ввиду незначи-
тельного
грузооборота
завода
и небольшого расстояния от складов
до цехов на генплане удалось обойтись только одним вводом железнодорожной ветки. Для внутризаводских перевозок грузов мо-
1гут использоваться электрокары с прицепом.
Характерной особенностью этого генплана является соотношение площадей основной производственной зоны и комплекса водопроводных и очистных сооружений (без пруда-накопителя и пруда чистой воды), составляющее примерно 1:0,9. Если в территорию очистных сооружений включить площадь пруда-накопителя, это отношение составит 1 :4.
Подобное (но несколько меньшее) увеличение доли территории, занятой канализационными сооружениями, в общей территории заводов органического синтеза характерно для многих проектов таких предприятий.
ОЧИСТКА СТОЧНЫХ вод
Сокращение количества водоемов, имеющих щелочной и солевой резервы, т. е. способных к нейтрализации кислот, содержащихся
в сточных водах, и к растворению минеральных солей, обусловливает необходимость регулирования водного баланса рек и предотвращения их загрязнения. Солевым и щелочным резервом обладают только нижние течения сибирских рек, соленые озера,
лиманы и их заливы, пока не имеющие народнохозяйственного значения, и моря в зимний период. Одновременно увеличилось количество водоемов, в которые запрещено сбрасывать любые сточные
воды химических заводов, в том числе ливневые и условно чистые. Поэтому схемы и способы очистки стоков на химических заводах должны прорабатываться в их проектах самым тщательным образом.
Упомянутые нами ранее приемы очистки и сброса стоков от-
носятся к сточным водам, загрязненным неорганическими приме-
сями.
Очистка же от органических примесей обязательна при сбросе
341
сточных вод в любые водоемы и обычно проводится в две стадии на локальных и на общезаводских сооружениях.
В ранее опубликованных нами работах8-9 описаны очистки сточных вод различных производств (фенола, 2-нафтола, нитро к нитрохлорбензола, нитротолуола) и методы очистки промышленных стоков от ртути, мышьяка, нафтолсульфокислот, ароматнчс ских аминов и нитросоединений, от серосодержащих органических примесей. Обширный материал по очистке сточных вод химических и нефтеперерабатывающих предприятий обобщен в работе74.
К настоящему времени разработаны и испытаны новые схемы локальных очистных установок. Так, разработан процесс очистки фенолсодержащих сточных вод с применением ионитов (после на сыщения фенолом он извлекается из ионита в виде фенолята ши рия щелочью). Испытана схема извлечения из сточных вод хрома в виде трехвалентных окислов (степень извлечения до 99,8%) В неочищенных стоках содержится 15—50 г/л трехвалентного хрома, до 4 г/л шестивалентного и 15—300 г/л серной кислоты. В про цессе очистки шестивалентный хром восстанавливается бисульфи том до трехвалентного. Далее окислы хрома осаждаются содой (14%-ный раствор, 60—70°С), осадок отфильтровывается на фильтрпрессе. Испытана также схема извлечения меди осаждением ее на стали марки Ст. 5 с последующими отстаиванием, промыв кой сгущенной суспензии и фильтрованием. Из осажденной мс ш окислением ее хлором в присутствии соляной кислоты получают хлористую медь.
Кроме того, освоено получение сульфата меди из шламов, содержащих CuS. Шлам высушивают в полочной сушилке, зап-» окисляют до СиО во вращающейся печи при 800° С, охлаждают размалывают и растворяют окись меди в купоросном масле. Пос и очистного фильтрования из раствора кристаллизуется CtiSO, Кристаллы отфильтровывают на центрифуге и сушат. Сернш и ангидрид SO2, выделяющийся при окислении CuS в СиО, пог ш щается содовым раствором. Освоено также выпаривание сточим вод и сжигание органических примесей к минеральным солям. Эк: метод очистки стоков опробован на установке производительное и, 3 м3 испаренной воды, в том числе 2,5 м3/ч в аппарате с погружпн горением и 0,5 m3Jh во включенной последовательно распыли к ной сушилке. До выпаривания стоки содержат 20 г/л минералып примесей и 10 г/л органических. В сухих солях (после прокалив ния их в циклонной топке) органические примеси отсутствуют.
В промышленном масштабе испытан процесс адсорбции орта и ческих примесей из сточных вод активированным антрацитом. Пр изводительность установки 60 мэ/сутки сточных вод, содержащим 1—15 г/л минеральных веществ и 0,5—10 г/л органических приме сей (окисляемость перманганатом 200—4000лтг/л). Максимальный коэффициент извлечения органических примесей составляет 98% по фенолу и до 93% по активным красителям. При затру«кв 100 г/л угля в неочищенные сточные воды производства акппии ж
342
красителей коэффициент их извлечения снижается до 85%. Очищенные стоки содержат до 20 мг/л фенола и до 850 мг!л краси-1 елей.
Освоен способ полного разрушения цианурхлорида в сточных водах при нагревании их до 90° С в присутствии едкого натра. Работает установка осаждения известью окислов тяжелых металлов
Рис. 125. Установка для концентрирования серной кислоты в аппаратах с погружным горением.
(Zn, As, Pb, Fe и др.). Полученная суспензия отстаивается, сгущенный осадок высушивают и используют в цветной металлургии. В очищенных сточных водах содержится 0,05—0,9 мг/л металлов (до 0,9 мг/л Zn; 0,05 мг/л РЬ; 0,22 лге/л As; 0,32 мг/л Fe). Описан метод извлечения цинка из сточных вод”4. Разработан способ разрушения диметилсульфата в сточных вода'х при нагревании их с избытком щелочи.
За рубежом освоен ряд процессов регенерации отработанной серной кислоты методом погружного горения. Они применяются, в частности, для концентрирования H2SO4113 отходов процесса нитрования, из отработанной серной кислоты производства изобутаиола.
343
изопропанола, ацетанилида и др. Общий вид подобной установки показан на рис. 125.
На некоторых заводах без регенерации серной кислоты из oi \<» дов не представляются возможными не только организация новы» производств, но и существование действующих цехов. Извести производства, вынужденные сбрасывать в канализацию 95—9В' ную H2SO4, загрязненную примесями (синтез монохлоруксуснпП кислоты из трихлорэтилена, производство некоторых кубовых кр.1 сителей, хлорамина и др.). На одном из заводов общее количссш сбрасываемой серной кислоты различной концентрации достш.ич 75 тыс. т в год (в пересчете на H2SO4). Для ее нейтрализации it вестью требуется до 100 га площади отстойных бассейнов. Нейц лизация отработанной серной кислоты аммиаком с получением ы-грязненного сульфата аммония не может считаться перспективным методом вследствие ограниченной потребности сельского хозяйип! в этом физиологически кислом малоконцентрированном удобрении. В лабораториях и на опытных установках отработаны метою очистки концентрированной серной кислоты путем экстракции н> нее примесей и разложения H2SO4 до SO2 с возвратом его на кон тактирование.
Большое значение приобретает также вопрос об отвалах л ы сухих отходов. На некоторых заводах смеси сухих солей, ране* сбрасывавшиеся в отвал как отходы, подвергают разделению и очистке (независимо от экономики этих процессов) с последующи»»: использованием их в промышленности. При проектировании попы! заводов отвалы для сухих солей и бассейны для суспензий (напри мер, гипса) должны быть предусмотрены технологами-проектпром щиками.
На локальных очистных установках не достигаются пределы» допустимые нормы115 содержания вредных органических вещее и в водоемах. Так, количество нитросоединений в стоках после ад сорбции их из сточных вод превышает норму в 50 раз, содержать фенола —в 6000 раз, мышьяка — в 4000 раз и т. д. Происходя ни»» в водоемах естественное разбавление стоков в большинстве с.ц чаев не компенсирует неполноту очистки. В ряде случаев вот<>< уже загрязнен в сечении, намеченном для спуска сточных вод нр< ектируемого завода, и имеет весьма ограниченные резервы для р.п бавления новых стоков. При этом возникает необходимость coops жения второй ступени очистки сточных вод.
Простейшим общезаводским сооружением для очистки сточпы вод является накопитель, из которого стоки сливают в водоем» 1—2 раза в год во время паводков. В настоящее время опороли ние накопителя неочищенных сточных вод в большинство во ци мов (особенно в регулируемые водоемы) запрещается даже во врем паводка. Дл-я органических стоков наиболее универсальны бно ш гические очистные сооружения. Кислые стоки нейтрализую! in вестью или магнезитом. При невозможности спуска в водоемы < к ков, содержащих минеральные соли, они подлежат вынаршыннг
344
На рис. 126 показана принципиальная схема очистных сооружений одного из строящихся химических комбинатов, расположенного на крупном водоеме, который имеет небольшой солевой резерв, не имеет щелочного резерва и не способен разбавить до нормативных пределов концентрацию органических веществ, содержащихся в стоках после локальной очистки (включая сооружение /). Общее количество загрязненных сточных вод составляет около
ХозяйстВенно-
Рис. 126. Принципиальная схема общезаводских сооружений для очистки сточных вод:
/ — установка для нейтрализации и адсорбции органических соединений; 2 — установка для нейтрализации остальных сточных вод; 3 — отстойник-накопитель шлама; 4 —станция биологической очистки стоков; 5— аварийный пруд; £ —установка для приготовления известкового молока; 7 —смеситель кислых и щелочных стоков; S —пруд-усреднитель; 9 — контрольный пруд-накопитель; 10 — установка для сжигания смол; //—установка для выпаривания растворов и прокаливания минеральных солей; 12— площадка для отвала солей.
2,8 млн. м3 в год. Из них ~300 тыс. м3 обрабатывается на групповой локальной очистной установке 11 выпаривания, сушки и прокаливания солей. Общезаводская и локальная установки размещены в зоне производственных цехов.
Станция нейтрализации 2 перерабатывает 1250 тыс. м3 стоков в год, станция усреднения 7 — до 1425 тыс. м3 в год. После нейтрализации ~ 1240 тыс. мэ в год стоков, содержащих органические примеси, они очищаются на биологической установке 4 совместно с 22,2 млн. мэ хозяйственно-фекальных вод, поступающих из соседнего города. При смешении с этими водами производственные стоки разбавляются примерно в 18 раз. На случай необходимости каких-либо аварийных сбросов, содержащих примеси, которые могут вызвать отравление активного ила, в схеме предусмотрен
34$
усреднитель 8, рассчитанный на 3-недельный запас производствен ных стоков, и аварийный пруд 5. Все очищенные стоки из общезано i ских сооружений собираются в контрольный бассейн 9, рассчитан ный на 5-суточный запас, соответствующий примерно 3-месячному количеству производственных стоков. Проектом предусмотрены также отстойный бассейн 3 (накопитель шлама) емкостью 163 тыс. м3 (на 7 лет по осадку), площадка 12 (0,5 га) для отва.юн неутилизируемых сухих солей (на 4—5 лет) и установка 10 д.щ сжигания смол. Общая емкость всех накопителей, не считая пли вых площадок и других сооружений биологической очистки, состав ляет около 1 млн. м\ поверхность их около 30 га.
На отечественных заводах органического синтеза эксплуаш руются крупные установки биологической очистки стоков. На одном из заводов работает установка производительностью 48 тыс.лг! i сутки; продолжительность аэрации 22 ч. К. п. д. этой установки при окислении сточных вод, содержащих хлорфенолы, фенол, монохлор уксусную кислоту, фенокси- и крезоксиуксусные кислоты, их хлор производные, растворенные бензол, хлорбензол, полихлориды и другие примеси, составляет 98% по БПК (концентрация примесей на входе 500 мг/л, на выходе 10 мг/л). Расход воздуха 50 Ж/ч' жидкости. На другом заводе действует установка производитель ностью 2,5 тыс. м3 в сутки, продолжительность аэрации 12 ч, р.п ход воздуха 30 m3Jm3. К. п. д. установки при окислении фенолсо держащих сточных вод 96% по БПК (концентрация примесей па входе 400 мг/л, на выходе 15 мг/л). Кроме фенола в стоках солер жатся другие примеси.
Следует, учитывать, что к. п. д. биологической очистки, равный 96—98%, не означает, что уже окислилось 96—98% органически, соединений, поступивших со сточными водами. Этот к. п. д. ото сится к БПК, т. е. к соединениям (или к их части), подвергших^! воздействию активного ила (окислению). Общее содержание органических соединений в сточных водах определяется величиной XIIК (химическое поглощение кислорода). Разность значений ХПК п БПК в ряде случаев весьма значительна. Так, бензол окисляется активным илом всего на 30%, анилин на 80%, тринитрофенол во обще не окисляется 9 и т. д. Некоторые органические соединения нс только не окисляются активным илом, но и препятствуют окне. ie нию других веществ. Вследствие этого, например, нитросульфокпс лоты нафталина должны быть разбавлены фекальными стоками не в 18, а в 1000—3000 раз8, чтобы не отравлялся активный ил. ( <> став промышленных сточных вод, направляемых в коммунальны»» биологические сооружения, регламентирован. Отступления от лич норм допускаются только для крупных систем (например, москоя ской). Отстаивание вод, улавливание пленок ЛВЖ, усреднение и нейтрализация обязательны и для вод, принимаемых в москоя ские канализационные сети. Для их нейтрализации применяют м.п незит, при этом образуется раствор MgSO4 вместо осадка CaSO( В других случаях воды, загрязненные соединениями, которые яг
346
окисляются активным илом, приходится подвергать термообработке. Если воды, даже после биологической очистки, не могут быть сброшены в некоторые водоемы, применяют испарение стоков (после их очистки) на специальных площадках, что целесообразно в южных районах, или используют такие воды для орошения полей, на которых выращиваются некоторые технические культуры.
СМЕТЫ
Стоимость строительства проектируемых предприятий определяется сметой, составляемой на стадии разработки технического или техно-рабочего проекта. Смета является основным документом для планирования капитального строительства и финансовых расчетов между заказчиками и строительными организациями. При реконструкции промышленного предприятия сметная документация составляется в таком же порядке, как для нового строительства. Расходы на ремонт, не связанный с реконструкцией, в сметную стоимость не включают.
Порядок составления, объем ц содержание сметной документации регламентированы2. В объем сметной документации входят: сводная смета, сводка затрат, сметы на отдельные виды строительных и специальных работ, на приобретение оборудования, на проектные и изыскательские работы, сметные расчеты на отдельные виды затрат (включая научно-исследовательские и экспериментальные работы), единичные расценки, калькуляции стоимости материалов.
Сметы на отдельные виды работ составляются раздельно на каждый вид таких работ, как, например, устройство путей и дорог, благоустройство территории, вертикальная планировка площадки, внутрицеховые санитарно-технические и электротехнические коммуникации и др.
При проектировании производств органического синтеза технологу чаще всего приходится иметь дело со сметами на строительство отдельных объектов — цехов и сооружений.
Стоимость отдельных зданий и сооружений определяется объектной сметой, составленной по прейскурантным цепам стоимости строительства данных зданий и сооружений или смет на отдельные виды работ, необходимых при их строительстве.
Составлению объектной сметы предшествует составление смет и расчетов на отдельные виды работ. Ниже приведена типовая форма объектной сметы 2.
Сводной сметой определяется общая стоимость строительства предприятия. В сводную смету включают: стоимость объектов основного и подсобного производственного и обслуживающего назначения, энергетического и транспортного хозяйства и связи, сетей и сооружений водоснабжения, канализации, теплофикации и газификации, подготовки и благоустройства территории, подготовки кадров, проектных и изыскательских работ, содержания
347
Типовая форма объектной сметы
(наименование строительства)
ОБЪЕКТНАЯ СМЕТА № на строительство ——--------------------------——_________
(наименование объекта)
Сметная стоимость---------------------------------------тыс. руб.
Составлена в ценах 19------г.
Сметная стоимость, тыс. руб.
м порядковый
№ смет
Наименование работ или затрат
строительные работы
монтажные работы
оборудование, приспособления, производственный инвентарь
прочие затраты
Общая сметная стоимость, тыс. руб.
Пока * 1 тели еднш и noli стой
МОСТИ •
Главный инженер проекта Начальник отдела Составил
Проверил
«----»----------------19----г.
* Эти показатели исчисляются на единицу укрупненных измерителей (1 м3 здания nor. м. трубопроводов. 1 Л!2 дорог и т. д.).
дирекции строящегося предприятия, временных зданий и соору жений, прочие работы и затраты. На неучтенные и непредвиден ные затраты в сводной смете предусматривается сумма в размере 10% общей стоимости строительства при двухстадийном проект ровании и 5% сметной стоимости при проектировании в одну ста дию (техно-рабочий проект).
Если строительство предприятия осуществляется в несколько очередей, то в сводную смету включаются затраты только на пер вую очередь. В технико-экономической части проекта определяет ся по укрупненным показателям стоимость строительства после дующих очередей.
Сводка затрат составляется в том случае, когда одновременно со строительством проектируемого предприятия выделяются ли миты на жилищное строительство.
До утверждения сметной документации она должна быть со гласована с подрядными организациями. Согласование ведется заказчиком с участием проектировщиков.
После утверждения смета является окончательным докумен том, по которому ведется финансирование строительства и рас чет с подрядными организациями.
348
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ I. ПРИМЕРЫ ОПРОСНЫХ ЛИСТОВ
ДЛЯ ЗАКАЗА ОБОРУДОВАНИЯ
1. Форма опросного листа для заказа компрессоров42
Данные о газе
Наименование газа.......................................
Состав сухого газа, объем». %...........................
Относительная влажность газа при начальной температуре и начальном давлении, % ............................................
Особые свойства газа: содержание примесей, пыли, ядовитых веществ, взрывоопасность, коррозионное действие на металлы и т. д. . . . .
Требуемые параметры машины
Производительность при начальных условиях (начальной температуре и начальном давлении), м31мин...........................
Производительность (при 0°С и 760 мм рт. ст.), м3/мин...
Конечное абсолютное давление (при выходе из нагнетательного патрубка машины), ат .........................
Повышение давления (разность между конечным и начальным давлениями), мм вод. ст..........................
Начальная температура газа (при входе во всасывающий патрубок машины), °C...............................................
Начальное абсолютное давление газа (при входе во всасывающий патрубок машины), ат.......................................
Плотность сухого газа при ОС и 760 мм рт. ст. (с учетом примесей), кг/м3 Разрежение или избыточное давление перед всасывающим патрубком (нужное подчеркнуть), мм вод. ст........................
Температура охлаждающей воды, поступающей в маслоохладители, холодильники компрессора, воздухо- и газоохладители, °C...
Данные об электродвигателе*
Напряжение сети, питающей основной электродвигатель, в..
Желательный тип электродвигателя (синхронный, асинхронный, с короткозамкнутым ротором, с фазовым ротором)..............
Желательная система возбуждения синхронного электродвигателя: от возбудителя на одном валу с электродвигателем, от отдельного дви-гатель-генератора)......................................
Желательное исполнение электродвигателя: защищенное, закрытое, продуваемое под избыточным давлением (с забором и выбросом воздуха наружу или по замкнутому циклу вентиляции, с воздухоохладителем), взрывозащищеиное........................................
Характеристика окружающей среды: состав газа, его температура, запыленность, влажность. В случае взрывоопасного помещения — категория помещения, категория и группа взрывоопасной смеси...
Желательный способ пуска (прямой, через реостат или автотрансформатор) .................................................
* Составляет инженер-электрик и согласовывает с технологом.
349
Напряжение постоянного тока цепей управления аппаратуры основного электродвигателя (НО или 220 в)..............................
Особые требования к двигателю и аппаратуре управления........
Напряжение сетей постоянного и переменного тока, питающих электродвигатели масляных насосов и других вспомогательных механизмов
Регулирование
Система автоматического регулирования и требуемая точность регулирования .....................................................
Необходимость установки автоматического противопомпажного устройства
Особые требования к агрегату
Желательное направление всасывающего и нагнетательного патрубков. Пределы отклонений от режимов, указанных в п. I..............
2. Форма опросного листа для заказа теплообменников
Характеристика теплоносителя*
Наименование теплоносителя...................................
Расход**, кг!сек или мР/сек (заполняется по требованию изготовителя) Физическое состояние (газ, пар, жидкость)....................
Плотность ***, кг/м3.........................................
Вязкость ***, м?)сек.........................................
Теплоемкость ***, ккал/(кг • град) ................... Взрыво- и огнеопасность......................................
Агрессивность, токсичность.............. ....................
Начальная и конечная температуры, °C................-........
Рабочее давление, ат.........................................
Дополнительные данные........................................
Конструктивные сведения о теплообменнике
Количество перегородок в межтрубном пространстве.............
Материал деталей, прокладок, способ крепления труб к трубным решеткам ......................................................
Наличие теплоизоляции и толщина изоляционного слоя, мм.......
Попадает ли под действие правил Госгортехнадзора.............
Дополнительные данные и требования к конструкции теплообменника
3. Форма опросного листа для составления технического задания на проектирование (выдачу рекомендаций) выпарных аппаратов и установок
Состав раствора до и после выпаривания (указать содержание основных компонентов).............................................
Физико-химические свойства выпариваемого раствора (если имеются литературные данные, указать): теплоемкость, к,кал/(кг • град)..............................
теплопроводность, ккал/(м ч • град)....................
вязкость при различных температурах и концентрациях, кг сек/м2 плотность при различных температурах и концентрациях, кг/м2 . . . температурная депрессия в зависимости от концентрации при различных давлениях, °C.....................................
выделяется ли осадок при выпаривании; характер и химический состав осадка, рекомендуемый способ удаления.............
* Размерности могут быть дапы и в других системах единиц.
** Заполняется по требованию завода-нзготовнтеля.
*** Показатели при средней температуре теплоносителя.
ISO
пенится ли раствор, как сильно и при каких концентрациях . . . . агрессивен ли раствор, какие материалы разрушает................
среда (кислая, щелочная или нейтральная, pH)....................
Требуется ли определение перечисленных свойств раствора лабораторным путем...........................................................
Характеристика вторичного конденсата, требования к нему, где используется .......................................................... .
Режим работы установки:
концентрация раствора, поступающего на выпаривание, %...........
концентрация упаренного раствора, %.............................
давление греющего пара, ат......................................
давление (вакуум) в последнем корпусе, ат (мм рт. ст.)..........
температура поступающего раствора, °C...........................
производительность установки (по исходному раствору, по выпаренной воде, по упаренному раствору), кг/ч.........................
ориентировочные (практические) коэффициенты теплопередачи по корпусам (указать необходимость их экспериментального определения), ккал/(м2 ч • град)....................................
количество воды, выпаренной с 1 м2 греющей поверхности, кг]ч . . Схема установки и оборудование:
число корпусов .................................................
схема (противоточная, прямоточная, смешанная)...................
тип аппаратов (пленочный, с выносной камерой, соосный, с принудительной циркуляцией и т. д.)..................................
рекомендуемый диаметр греющих трубок, мм........................
тип конденсатора (барометрический, поверхностный и т. д.), если используется конденсат вторичного пара .........................
материал аппаратов (марки) .....................................
тип брызгоотделителя............................................
Потребность в теплой воде (утилизация тепла конденсата) ............
Тип сооружения, где устанавливается аппаратура (на открытой площадке, в помещении, на междуэтажных перекрытиях, на полу) . . . .
4. Форма опросного листа для заказа центрифуг
Характеристика продукта, обрабатываемого в центрифуге
Наименование суспензии (эмульсии).........................
Концентрация твердой (дисперсной) фазы, вес. °/0..........
Наименование, химический состав и плотность твердой (дисперсной) фазы; нерастворимые примеси........................... .
Гранулометрический состав твердой фазы по фракциям, %.....
Форма частиц..............................................
Наименование, химический состав, плотность и вязкость жидкой (дисперсионной) фазы..........................................
Температура суспензии (эмульсии) при поступлении на центрифугу. . .
Коррозионное действие фугуемого продукта (содержание свободной кислоты или щелочи, %); необходимая защита (антикоррозионные покрытия или специальные материалы, их марки)...............
Абразивные свойства осадка................................
Токсичность, огне- и взрывоопасность продукта.............
Назначение и показатели работы центрифуги
Назначение центрифуги.....................................
Что используется (осадок, жидкость, оба компонента).......
Требуемая производительность по суспензии (эмульсии), м3/ч ......
То же, по осадку, кг/ч .........................
Конечная влажность осадка, вес. %...........................
351
Допустимое содержание твердой фазы в фугате (необходимая четкость разделения), %..................................................
Необходимость промывки осадка и раздельного отвода промывной жидкости; характеристика промывной жидкости......................
Допустимость измельчения твердой фазы в процессе фугования . . . . Наименование растворителя кристаллов (осадка) и возможность его применения для растворения кристаллов на сите ротора центрифуги
Условия эксплуатации центрифуги
Требуемый режим работы центрифуги (непрерывный, периодический), длительность работы в течение суток ............................
Тип центрифуги..................................................
Необходимость обогрева или охлаждения центрифуги и отсоса газов или паров при центрифугировании ................................
Характер окружающей среды в помещении, где будет установлена центрифуга (влажность, запыленность, наличие газов и паров, температура среды).....................................................
Требования к исполнению электродвигателя (открытое, защищенное, взрывобезопасное), напряжение тока в электросети................
Место установки центрифуги в здании (желателен чертеж) с указанием способа питания центрифуги и выгрузки обработанных продуктов . .
Прочие технические требования ..................................
Литература (книги, журналы, отчеты) для ознакомления с процессами получения данной суспензии (эмульсии) ..........................
Техническая характеристика центрифуги
Тип машины и ее параметры; диаметр, число оборотов ротора центрифуги ...........................................................
Количественные и качественные показатели работы: производительность, длительность цикла (по операциям), конечная влажность осадка, степень осветления фугата, расход энергии на единицу массы продукта Характеристика применяемых подкладных и рабочих сит, тканей (материал сит и размер ячеек, материал и сорт ткани).................
Форма опросного листа для заказа жидкостных фильтров практически не отличается от приведенной, но включает соответствующие изменения и дополнения (например, поверхность и давление фильтрации, скорость отстаивания, площадь отстойников и т. д.). Вместе с опросным листом в специализированную организацию желательно направить образец суспензии.
ПРИЛОЖЕНИЕ П. СВОЙСТВА ДИФЕНИЛЬНОЙ СМЕСИ
ПРИЛОЖЕНИЕ III. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ БАРАБАННЫХ ФИЛЬТРОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА8,95
Продукт Содержание твердой фазы суспензии, % Температура фильтрования, °C Скорость вращения, об!мин Толщина осадка, мм Угол погружения, град Влажность осадка, % Вакуум, мм рт, ст. Производительность, кг/(л2.ч) (по влажному осадку) Фильтрующая ткань
Бензидин-сульфат . . . 20-24 50-55 0,2 5-7 60 35-37 350 80 Фторлон
Бензойная кислота техническая 38 20-25 — — 120 Г 4 0-22 400-450 50 Бельтинг (2 слоя)
Натриевая соль 2-нафталинсульфокислоты 21 40 — — 120 2 5-35 300-400 250 Сукно
Бутилкаучук (суспензия крошки) 2,5-3 65 0,8 5 45* 6-18 300 16-18 Латунная сетка
Диаминостильбенди-сульфокислота .... 18 80 1,5 — 130 — 300-350 80 Диагональ
Натриевая соль 2,4-ди-хлорфеноксиуксусной кислоты 20-25 20-25 0,2-0,4 3,5 140 20-25 550-600 60-80 Бельтинг
Железный шлам в производстве анилина . . 22 12 0,3 4-5 — 40 400 350 Бязь
Азоамин синий С . . . 4 25 3 — — — 200 42 Хлорин
К асятедь черный лля » — — — 1-. — л • •
1-Нафтиламин-5-сульфо-кэ кислота to 14 — л 0,5 — — — 250-300 85 Хлорин
Нигрозин спиртораство-римый 12 40-50 0,06-0,12 5-20 135 38-45 500 - 600 60
Трихлорфенолят меди Уголь активированный 7-8 17 60-70 18 0,15 0,6 5-10 8 100-160 120 60-6с 65 400-500 450 50 270 Бельтинг Диагональ
1-Нафтиламин-8 -сульфо-кислота 5-20 — 0,7-1,0 — — 30-50 400 30 ** Хлорин
Натриевая соль 1-нафтил-амии-8-сульфокис-лоты 5—2( — 0,9-1,0 — — 30-50 400 35- 40 **
2-Нафтиламин-5,7-ди-сульфокислота . . • 5—2( — 0,5 — — 30-50 400 40 - 50** ъ
2-Нафтил амин-6,8-дисульфокислота . . • 5—2( — 0,5 — — 30-50 400 35-40** X»
Непрореагировавший антрахинон в производстве сульфокислот 5-2 3 — 0,5 — — 30-50 400 70**
Гипс в растворе*** СН3СООН 22 70 1,4 1 20 — 70 500-5 1 50 430 >
* с верхним наполнением,
** По сухому осадку.
*** Данные получены на ленточном фильтре.
355
ЛИТЕРАТУРА
1. В Центральном Комитете КПСС и Совете Министров СССР. Об улучшении проектно-сметного дела, «Правда», № 173, 22 июня 1969 г.
2. Временная инструкция по разработке проектов и смет для промышленного строительства. СИ 202—69, Госстройиздат, 1969.
3. Ч а р н а я Е. Б., П е т р у ш и н Д. И., Хим. пром., № 7, 545 (1966).
4. Г у р е в и ч Д. А., Хим. пром., № 11, 819 (1966).
5. Holland F. A., Brit. Chem. Eng., 9, № 6, 384 (1964).
6. Беркман Б. Е., Анилинокрасочный завод, «Экономическая энциклопедия» (раздел «Промышленность и строительство»), т. I, Изд. «Советская энциклопедия», 1962.
7. Беркман Б. Е., Промышленный синтез хлорбензола, Госхимиздат. 1957.
8. Б е р к м а н Б. Е., Сульфирование и щелочное плавление в промышленности органического синтеза, Госхимиздат, 1960.
9. Б е р к м а н Б. Е., Промышленный синтез ароматических нитросоединенпй и аминов, Изд. «Химия», 1964.
10. Chem. Eng., 70, № 20, 120 (1963).
II. Мельников Н., Миллиарды экономии, «Правда», 16 января 1967 г.; Общая методика разработки генеральной схемы размещения производительных сил СССР на 1971—1975 гг., Изд. «Экономика», 1966.
12. Murdock L., Chem. Ind, № 8, 1196 (1961).
13. Goll eman I. R., Ind. Eng. Chem., 56, № I, 28 (1964).
14. Романнов П. Г. и др., Хим. пром., № 11, 822 (1966); Сушка в кипящем слое, Изд. «Химия», 1964.
15. Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева, № 2 (1967).
16. Л а м е х о в П. Н., Некоторые вопросы проектирования цехов анилинокрасочной промышленности (лекция), Изд. «Высшая школа», 1960.
17. Плановский А. Н., Гуревич Д. А., Аппаратура промышленности полупродуктов и красителей, Госхимиздат, 1961; Касаткин А. Г., Плановский А. Н., Процессы и аппараты промышленности органического синтеза, ГОНТИ, 1939.
18. Добкин В. М. и др., Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева, № 5, 559 (1961).
19. Кемпбелл Д. П., Динамика процессов химической технологии, перев. с англ., Изд. «Химия», 1965.
20. Гофман-Захаров П. М., Низкотемпературное хранение сжиженных технических газов, Изд. «Техника», Киев, 1966; Тара. Упаковка. Транспортирование химической продукции, изд. НИИТЭхим, вып. 1, 1957.
21. Козлов Г. С., в сб. «Комплексная механизация погрузочно-разгрузочных работ», изд. Дома научно-технической пропаганды им. Ф. Э. Дзержинского, 1965. - '
22. Из опыта механизации складского хозяйства на предприятиях химической промышленности, изд. НИИТЭхим, 1965; Вдовенко О. II., Пневмотранспорт на предприятиях химической промышленности, Изд. «Машинострое ние», 1966.
23. Касаткин А. Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, Госхимиздат, 1961.
24. Каф а ров В. В., Основы массопередачи, Изд. «Высшая школа», 1962, Бляхман Л. И., Давыдов С. Л., Хим. пром.. № 3, 220 (1967).
25. Л е в е н ш п и л ь О., Инженерное оформление химических процессов, перев. с англ., Изд. «Химия», 1969; «Хайлов В., Брандт Б., Введение в тех-
356
Нологию основного органического синтеза, Изд. «Химия», 1969 — Дополн. ред.*\ Вильямс Т. Дж., Проектирование химико-технологических процессов методами системотехники, перев. с англ.. Изд. «Химия», 1965.
26. Б е р к м а и Б. Е., Хим. пром., № 8, 3 (1964).
27. Беркман Б. Е., Герулайтис Ю. Н., в сб. «Автоматизация химических и коксохимических производств», Металлургиздат, 1958.
28. G г о g g i n s P., Unit Processes in Organic Synthesis, N. Y, 1958.
29. P а м м В. M., Абсорбция газов, Изд. «Химия», 1966, стр. 418.
30. Гуревич Д. А, Фталевый ангидрид, Изд. «Химия», 1967.
31. Кафа ров В. В., Процессы перемешивания в жидких средах, Госхимиздат, 1949; Штербачек 3., Тауск П., Перемешивание в химической про мышленности, перев. с чешского, Госхимиздат, 1963.
32. П а в л у ш е н к о И. С., Смирнов Н. Н., Р о м а н к о в П. Г., Журн. прикл. хим., 34, № 2, 312 (1961).
33. Экспресс-информ. АН СССР, серия «Процессы и аппараты», вып. 2, 1963.
34. Каталог-справочник «Аппараты с перемешивающими устройствами, вертикальные», изд. ЦИНТИхнмпефтемаш, 1966.
35. Советские экспонаты па Московской международной выставке 1965 г. «Химия в сельском хозяйстве, промышленности и строительстве», Каталог «Ультразвуковая аппаратура», Внешторгиздат, 1965.
36. Генкин А. Э., Оборудование химических заводов, «Высш, школа», 1965.
37. Юкельсон И. И., Технология основного органического синтеза. Изд. «Химия», 1968.
38. Каталог-справочник «Герметичные электронасосы типов ХГВ и ЦНГ для химических производств, изд. ЦИ1 ПИхимнеортемаш, 1968.
39. Беркман Б. Е., Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева, № I, 93 (1966).
40. Бакланов Н. А., Хим. пром., № 5, 344 (1964).
41. Компрессоры и насосы, нефтяное оборудование, т. I, Гостоптехиздат, 1958; Компрессовые машины, изд. ЦИНТИхимпсфтемаш, т. I, 1962; т. II, 1966.
42. Центробежные компрессорные машины, конструкции и изготовления НЗЛ, Изд. «Машиностроение», 1966.
43. Альбом оборудования «Вентиляторы», изд. Сантехпроекта, 1966.
44. Черкан И. С., Справочник машиностроителя, т. II, Машгиз, 1960; Ромм В. М., Пароструйные вакуум-эжекциониые установки, Машгиз, 1949.
45. Chem. Proc., № 3, 23 (1967).
46. Долинин Н. П., Хим. пром., № 5, 36 (1957).
47. Бир кг ан Ю. Б., Опыт освоения органических теплоносителей в химической и смежных отраслях промышленности, изд. ГОСИНТИ, 1960; Высокотемпературное теплоснабжение в жировой промышленности за рубежом, изд. ГОСИНТИ, 1959.
48. Д о л и н и н Н. П., Установки для обогрева химических аппаратов с помощью ВОТ. Машгиз, 1962; Вексельман Д. Г., Карпачев П. С., Вест. техн, и эконом, информ. НИИТЭхим, № 12, 13 (1962).
49. Szerb in R., Przem. Chem., 40, № 7, 367 (1961).
50. 'Smihn W., Brit. Chem. Eng., 6, № 9, 614 (1961).
51. Каталог «Кожухотрубные теплообменники общего назначения», Изд. НИИхиммаш, 1958.
51а. Каталог эмалированной аппаратуры, изд. ЦИНТИ по автоматизации и машиностроению, 1964.
52. Каталог-справочник «Химическая аппаратура из графитовых материалов», изд. ЦИНТИхнмпефтемаш, 1966.
* 53. Номенклатурный перечень изделий Сумского машиностроительного завода им. Фрунзе, № 4 и 5, изд. ЦБТИ машиностроения, 1966.
54. Рацпредложения, внедренные в химическую промышленность, изд. НИИТЭхим, вып. 10, 1966, стр. 37.
55. Каталог Таллинского машиностроительного завода «Аппаратура воздушного охлаждения», изд. ЦБТИ Эстон. ССР, 1966.
56 Аппараты выпарные трубчатые вертикальные общего назначения, изд. ЦИНТИхимнефтемаш, 1965.
57. Экспресс-информация АН СССР, серия «Процессы и аппараты», вып. 4.1958.
Б8. Патрикеева Н. И., Выпарные аппараты роторного типа, Сб. «Хим. пром, за рубежом», изд. НИИТЭхим, вып. 11, 1966, стр. 58.
59. Коган В. Б., Ф р и д м а и В. М., К а ф а р о в В. В., Справочник по растворимости, Изд. АН СССР, т. I, 1961; т. II, 1962; Коган В. Б., Фридман В. М., Справочник по равновесию между жидкостью и паром в бинарных н многокомпонентных системах, Госхимиздат, т. I, 1957; т. II, 1961; т. III, 1962; Бреттина й дер С., Свойства газов и жидкостей, Изд. «Химия», 1966.
60. К а с а т к и н А. Г., П л а н о в с к и й Л. И., Расчет тарельчатых ректификационных аппаратов, Стандартгиз, 1962; Козорезов Ю. Н., Хим. технол. топлив и масел, № 5, 49 (1962).
61. Norman W. S-, Fresco A., Ind. Chem., 37, 55 (1961); Экспресс-информация АН СССР, серия «Процессы и аппараты», вып. 18, 1961.
62. Фер тм ан Г. И., Ко л у ня нц К. Л., Спирт, пром., № 3, 1 (1961).
63. Braun R., Chem. Ind. Techn., 33, № 5, 350 (1961).
64. Dodt I., Chem. Ind. Techn., 33, № 3, 205 (1961).
65. Бехер P. M., Когановский A. M. и др., Укр. хим. журн., Ns 2, 262 (1961); Хим. наука и пром., № 2, 622 (1957).
66. Каталог-справочник «Колонные аппараты», изд. ЦИНТИхимнефтемаш, 1966.
66а . Ж а в о р о н к о в Н. М., Гидравлические основы скрубберного процесса, Изд. «Советская наука», 1944.
666. Ш м е н е в Ю. С., Шабалин К. Н., Хим. пром., № 9, 694 (1966).
67. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий, СН 245—63, Госстройиздат, 1963.
68. Производственные здания промышленных предприятий. Нормы проектирования. СНиП П-М. 2—62, Госстройиздат, 1963.
68а. Ш а п р и цк и й В. Н., Очистка загрязненного воздуха в металлургии, Изд. «Металлургия», 1965.
69. Атррщенко В. И., Цейтлин А. Н. и др., Хим. пром., Ns 1, 79 (1960). 70. Ind. Eng. Chem., 53, № 1, 101 (1961); Поз ин М. Е., Ко пыл ев Б. А.
и др., Журн. прикл. хим., № 3, 473 (1962); Поз ин М. Е. и др., Кокс и химия, № 9, 46 (1962); Тютюнников А. Б. и др., Хим. маш., № 12, 15 (1966).
71. Ry лик А. А., Тихоненко А. Д., Вести, техн, и эконом, ннформ. НИИТЭхим, № Б, 57 (1962).
72. Moly hex F„ Meeh. World, 140, 3489 (1960); Whitman, Chem. Met. Eng. 29, 147 (1923); Ind. Eng. Chem., 16, 1215 (1924).
73. Ципенюк M. X., Ципенюк Ю. E. Санитария и гигиена, As 1, 66 (1963).
74. Очистка производственных сточных вод, под ред. Ю. И. Турского и И. В. Филиппова, Изд. «Химия», 1967.
75. К о г а н о в с к и й А. И., Исследования в области промышленного применения сорбентов, Изд. АН СССР, 1961.
76. Т р е й б а л, Жидкостная экстракция, перев. с англ., 1958.
77. Б р о д ш т е й н Б. И., Железняев А. С., Физико-химические основы жидкостной экстракции, Изд. «Химия», 1966.
78. Процессы жидкостной экстракции и хемосорбции. Труды 2-го Всесоюзного научно-технического совещания, под ред. П. Г. Романкова, Изд. «Химия», 1966.
79. Ш к о р о п а д Д. Е., Л ы с к о в ц е в И. В., Центробежные жидкостные экстракторы, Машгиз, 1962.
80. Дир и хс А., Кубичка Р., Фенолы и основания нз углей, Гостоптех-издат, 1958.
81. Постников В. А., Мату сев ич Л. Н., Хим. пром., Ns 11, 802 (1962).
82. Лыков М. В., Сушка в химической промышленности, Изд. «Химия», 1970. 83. Stratton R. et al., Chem. Ind., Ns 1, 67 (1965).
84. Chem. Proc. Eng., 45, Ns 1, 574 (1964).
85. Mop илов А. А., Рубцов Г. К. и др., Хим. пром., Ns 11, 809 (1962).
86. Д о н а т Е. В. и др., Хим. пром., № 11, 842 (1962).
87. Шахова Н. А., Рычков А. И., Хим. пром., № 11, 839 (1962).
358
88. Шапиро С. О., Хим. пром., № 8, 465 (1955); Хим. наука и пром.. № 2, 256 (1958).
89. Каталог-справочник «Печи общего назначения с вращающимися барабанами», изд. ЦИНТИхимнефтемаш, 1965.
90. Сушилки вальце-лепточные. Параметры и основные размеры, отраслевая нормаль 011-26-01-14—65, Машгиз, 1965.
91. Сушилки вакуумные цилиндрические. Типы, параметры и основные размеры. Межотраслевая нормаль МН-2533—61, Стандартгиз, 1962.
92. Сушилки распыливающие. Типы, параметры и основные размеры. Межотраслевая нормаль МН-1812—61, Стандартгиз, 1961.
93. Пасма пик М. И., С а с с -Т и с о в с к и й Б. А.. Якименко Л. М., Производство хлора и каустической соды. Справочник, под ред. Л. М. Якименко, Изд. «Химия», 1966.
94. Ж у ж и к о в В. А., Фильтрование, Изд. «Химия», 1968.
95. Ф у р й а н А. А., Шрайбман С. С., Производство хлора и каустической соды. Приготовление и очистка рассола, под ред. Л. М. Якименко, Изд. «Химия», 1966.
96. Каталог-справочник «Фильтры для жидкостей», изд. ЦИНТИхимнефтемаш, 1965.
97. Каталог-справочник «Промышленные центрифуги», изд. ЦИНТИхимнефтемаш, 1966.
* 98. Голомб Л. М., Май Л. С.. Морозова И. А., Пачева Н. И., Шалимова Г. В., Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева, № 1, 70 (1966).— Дополн. ред. *
99. Сиденко П. М., Измельчение в химической промышленности, Изд. «Химия», 1968.
100. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), Изд. «Энергия», 1965.
101. Shabic А. С.. Chem. Eng. Progr.. 63, № 9, 57 (1963).
102. Беркман Б. Е., Хим. пром., № 6, 407 (1963).
103. Беркман Б. Е., Вести, техн, и эконом, информ. НИИТЭхим, № 3, 25 (1961).
*104. Бельская В. К., Хим. пром, за рубежом, изд. НИИТЭхим, вып. 2, 1966, стр. 50. •—Дополн. ред.»
105. Хим. пром., № 9, 593 сл. (1961).
*106. Рейз Г., Монтажное проектирование химических производств в США, Стройиздат. 1966 — Дополн. ред. *
*107. Левин М. Н., Вести, техн, и эконом, информ. НИИТЭхим, № 4, 21
(1959) . — Дополн. ред. »
*108. Антонов С., Коган М., Вести, техн, н эконом, информ. НИИТЭхим, № 10, 40 (1961). — Дополн. ред.»
109. Журн ВХО им. Д. И. Менделеева, № 3, 242 (1963).
ПО. Генеральные планы промышленных предприятий. Нормы проектирования. СНиП II-M. 1-62, Госстройиздат, 1962.
11 J. Вспомогательные здания и помещения промышленные предприятий. Нормы проектирования. СНиП ТЕМ. 3 62, Госстройиздат, 1962; Бюллет. строит, техн., № 7 (1964).
112. Складские здания и сооружения общего назначения. Нормы проектирования. СНиП II И. 1—62; Бюллет. строит, техн. № 7 (1964).
113. Основные направления в проектировании предприятий химической промышленности, Материалы 5-го пленума Союза архитекторов СССР (июль 1964 г.,), Стройиздат, 1965.
114. Скрыл ее в Д. Д., Мокрушин С. Г., Журн. прикл. хим., 40, № 1 72 (1967).
115. Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами № 372—61, изд. Мин. здравоохранения СССР, 1961.
Примечание. Все изменения, вносимые в санитарные нормы (СН), в нормы проектирования (СНиП) и в отраслевые нормали, публикуются в «Бюллетене строительной техники», допоЛиенйя и поправки к ПУЭ—в журнале «Промышленная энергетика».
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорберы 213
водоструйные 227 сл.
пенные 230, 231
расчет высоты 216
санитарные 217 сл.
типы 215, 216
Абсорбция
аммиака 225 сл.
аппараты см. Абсорберы
в производстве фталевого ангидрида 229 сл.
двуокиси серы 220
окислов азота 222 сл.
под давлением 229
расчет концентрации примесей в газах 217, 218
сероводорода 220
сероуглерода 220
трехокиси серы 227
фенола 227
фосгена 221, 222
химическая 216, 217
хлора 220
хлористого водорода 220
Автопогрузчики 104 сл., НО
Авторский надзор
при пуске объекта 62 сл.
— строительстве объекта 61, 62
Адсорбенты 231
активность динамическая 232, 233
— статическая 232
КАД (активированный уголь) 233
Адсорбция 231 сл.
Андреева формула определения концентрации вредных примесей в газах 217, 218
Аэрозоли, разделение 277 сл.
Бензол
нитрование 128, 134, 135
сульфирование 126, 127, 134
хлорирование 128, 134, 135
Бензолсульфокислота, нейтрализация 128, 129
Вакуум-насосы 167 сл.
Вентиляторы 164, 166, 167
Вспомогательные операции 65 сл.,
98 сл., 103 сл., 154 сл., 172 сл.,
Вспомогательные операции 190 сл., 201 сл., 255 сл., 280 сл., 341 сл.
Выбор оборудования 76 сл. максимальная производительность 77 материалы 85 сл., 155 сл., 172 сл., 192, 215 сл. надежность 81 нестандартного 81, 85 сл. число «ниток» 79
Выбор площадки 30 сл., 58
Выбор района строительства 36
Выпарные аппараты 191 выбор материалов 192 классификация 193 опросные листы к заданию на проектирование 351, 352 с погружным горением 194, 195 Выпускные формы продукции 280 сл. Высаливание 258
Высококипящие органические теплоносители (ВОТ) 177 сл.
Газодувки и нагнетатели 164, 166 Генеральный план предприятия зонирование территории 339 сл. использование типовых и повторных проектов 337, 338 состав заводских сооружений 336, 337 схема взаимосвязи производств 333 сл.
Гранулирование 84, 280 сл.
Десорбция 232 сл.
Диспергаторы 84
Дистилляционные колонны вакуумные 207, 208, 213, 214 выбор 210 — числа 204, 205 диаметр 208, 209 коэффициент полезного действия 208 материалы 215 сл. насадочные 208, 212 сл. непрерывного действия 202 сл. периодического действия 210 сл. расчет числа теоретических тарелок 202 сл.
360
Дистилляционные колонны роторные 214, 215 способ подачи флегмы 206, 209, 211 тарельчатые 202 сл., 213 типы 215, 216 флегмовое число 202 сл. эквивалентная величина насадки (ЭВН) 207
Дистилляция 201 сл. азеотропная 241 сл. комбинирование с кристаллизацией 259 сл., 262
при перегонке с паром 244, -245 расчет многокомпонентных систем
205 сл.
экстрактивная 241
Дифенильная смесь 178 сл., 354 Дробление и измельчение 282 сл.
Кафарова уравнение расчета колонн 131
Кемпбелла уравнение расчета размеров смесителей 128
Колонны абсорбционные см. Абсорберы дистилляционные см. Дистилляционные колонны
Компоновка оборудования 291 сл.
в зданиях 294 сл.
выбор схемы 298 сл.
— типа здания 293 сл.
на макете 61, 315 сл.
— открытых площадках 305 сл. размещение КИП 295, 296, 311 резервные площади 297, 298 совмещенные схемы 73 сл.
форма и этажность зданий 290 сл.
Компрессоры
количество в установках 163
основные узлы 155 привод 155
расход сжатого газа 162 сл.
типы 164 сл.
Контейнеры 117 сл.
Корригана и Маккета уравнения 129, 130
Коэффициенты масштабирования 50, 254, 257 полезного действия
насосов 157, 158
тарельчатых колонн 208
экстракции 238, 239 теплопередачи
в вакуум-выпарпых аппаратах 196
— теплообменниках 173, 174 Кристаллйзаторы
выбор 257
коэффициент масштабирования 257 расчет 256
Кристаллизаторы
со взвешенным слоем 257
Кристаллизация
дробная 256
комбинирование с дистилляцией 259 сл., 262
при разделении нитрохлорбензолов 259 сл.
---- нитротолуолов 260
размеры кристаллов 257
с высаливанием 258
Льдогенераторы 176, 177
Макетное проектирование 61, 315 сл.
Массообменпые аппараты
расчеты 202 сл., 205 сл., 216, 237 сл.
технологическая надежность 84
типы 207 сл., 215, 216, 240 сл., 246, 253 сл.
Масштабирование 287
коэффициенты 50, 254, 257
крупнотоннажных производств 51 малотоннажных производств 51, 52 реакторов 50 сл., 124 сл., 138 сл.
экспериментальных производств 52, 138 сл.
Мельницы и дробилки 84, 283 сл.
Механизация погрузочно-разгрузочных работ
снижение стоимости 98
схемы индивидуальные 99 сл.
— универсальные 103 сл.
Мешалки 141 сл.
области применения 145, 146
пропеллерные 142, 143, 145 турбинные 143 сл.
ультразвуковые 146
Насосы
вакуумные 167 сл.
винтовые 160 сл.
выбор 154, 170 с л.
коэффициент полезного действия 157, 158
материалы 155 сл.
мембранные 160
основные узлы 155
пароэжекционные 169 сл.
поршневые 160
привод 155 сл.
производительность 156 сл.
типы 155 сл.
центробежные
бессальниковые 157 сл.
погружные 159
с обогревом корпуса 159 шланговые 160
Нейтрализация бензолсульфокислоты 128 сл.
361
Нитрование бензола 128, 134, 135
Окислы азота, абсорбция 222 сл.
Опросные листы для заказа оборудования 350 сл.
Отстойники 262 сл.
Отстойные центрифуги 274 сл., 284 Отходы производства обезвреживание 33, см. также Очистка сточных вод и Очистка газов
переработка и утилизация 26, 27 Очистка газов см. также Абсорбция аппараты см. Абсорберы способы 218 сл.
Очистка сточных вод 33, 191 адсорбцией 232 сл. биологическая 346 сл. новые способы 342 сл. отстаиванием 262 сл. схема сооружений 345 сл.
Перегонные аппараты см. также Дистилляционные колонны для высококипящих жидкостей 195 сл.
— низкокипящих жидкостей 195 пленочные испарители 198 сл.
Предпроектная разработка анализ исходных данных 41 сл., 53 — качества сырья и готовой продукции 43 сл.
— методов контроля и автоматизации производства 49
— способов производства 48 сл. выбор аналогов 36 — схемы синтеза 46 сл.
задания на проектирование 36 сл. масштабирование см. Масштабирование
методов обезвреживания отходов н побочных продуктов 45 мощности предприятия балансовый метод 38, 40 капитальные затраты 40 сл. математический (статистический) метод 39 сл.
оптимальной 41 экономических показателей см. Экономические показатели проекта
Проект 10, 13 варианты 18 сл., 25 сл. корректировка 12, 60, 61 последовательность разработки 14 реализация 61 сл.
согласование и утверждение 57 сл. технико-экономическое обоснование 15, 37 сл.
технический см. Технический проект
Проект технологическая часть см. Техполо гическая часть проекта техно-рабочий 15 экспертиза 58
Проектирование
варианты проекта 18, 25, 26 выбор оборудования см. Выбор оборудования
— площадки 30 сл., 58
— района строительства 36
— схемы 18, 46 сл., см. также Технологические схемы генерального плана см. Генеральный план предприятия исходные данные 41 сл., 53 компоновка оборудования см. Компоновка оборудования макетное 61, 315 сл.
обратная связь 11 сл., 14, 69 ограничивающие параметры 18, 48 очистных сооружений см. Очистка газов и Очистка сточных вод пуск объекта 62 сл.
расчет штатов производства 27 сл., 321 сл.
— экономических показателей см. Экономические показатели проекта
складских и транспортных операций 90 сл.
состав документации 14 сл., 54 сл., 59 сл., 318 сл., 326
стадии см. Стадии проектирования схем приготовления выпускных форм продукции 280 сл.
— упаковки н отправки продукции 111
технологическая часть см. Технологическая часть проекта элементы риска 28 сл., 139, 154 Проектная информация
внешняя 10 сл. внутренняя 11 сл. выходная 13, см. также Проект лишняя 11, 14 некомплектная 10 сл.
обратная связь 11 сл., 14, 69 способ передачи 11 требования 11
Пылеуловители, технологическая надежность 83 сл.
Рабочие чертежи 15, 59 сл., 318 сл.
Разделение аэрозолей 277 сл.
Разделение суспензий отстаиванием 262 сл. фильтрованием 263 сл., см. также
Фильтры
центрифугированием 273 сл., 284
362
Растворимость солей 255, 256 Расфасовка готовых продуктов выбор схемы 112, 115 сл. жидких 112 сл.
твердых 114 сл.
Расчет (ы)
вентиляторов 166 сл.
высоты абсорбера 216 количества транспортных механиз-
мов 110 сл.
концентрации примесей в отходящих газах 217 сл.
кристаллизаторов 256 многокомпонентных систем 205 сл. реакторов непрерывного действия
125, 126, 128, 129
— периодического действия 123 сл. сопротивления рукавных фильтров
277
числа теоретических тарелок 202 сл. ширины взрывоопасной зоны 331 штатов производства 27 сл., 321 сл. экстрактора 237 сл.
эффективности реактора непрерывного действия 125 сл.
Реакторы математическое моделирование 121 непрерывного действия 122
время пребывания реакционной массы 127
вытеснения 129 сл., 136 сл. двухступенчатые 135 изотермические 132 сл.
каскад 137
классификация 127 сл. масштабирование 50 сл., 124 сл., 138 сл.
перемешивающие устройства
141 сл., см. также Мешалки показатели эффективности 125 сл. расчет 125, 126, 128, 129 смешение 128 сл., 136 сл. теплообмен 132 сл. технологическая надежность
82 сл.
удерживающая способность 124, 128 сл., 136 сл.
ультразвуковые УПХА 146 периодического действия 121
максимальная емкость 124 расчет 123, 124
технологическая надежность
82 сл.
типы 147 сл.
удерживающая способность
124
Реакции
Гетерогенные 121 консекутивные 129 скорость 120, 134 сл.
Себестоимость продукции 20 сл. влияние числа работающих 27 зависимые затраты 22 сл. калькуляция 21, 23 сл. независимые затраты 22 сл.
Складские и транспортные операции 90 сл.
Смесители 84, 285 сл., см. также Мешалки
Стадии проектирования предпроектная разработка см. Предпроектная разработка рабочие чертежи 15, 59 сл., 318 сл. технический проект см. Технический проект техно-рабочий проект 15 Сульфирование бензола 126 сл.
Сушилки
«Аэроматик» 247 сл. аэрофонтанные 250 сл. вакуумные 247 «Венулет» 247, 251 воздушные 246 с л. выбор типа 246, 253 сл. коэффициент масштабирования 50, 254
распылительные 252 сл.
с кипящим слоем 247 сл. специальные 253 типоразмеры 253 сл.
Сушка см. также Сушилки в кипящем слое 247 сл. показатели процесса 249 с гранулированием 250
Теплоносители и хладоагенты вода 174 сл.
водяной пар 176 воздух 182 сл. выбор 183 сл.
высококипящие органические (ВОТ) 177 сл.
дифенильная смесь (ДФС) 178 сл., 354
лед 176 сл.
расплавы солей 181 сл.
топочные газы 182 холодильные рассолы 177 Теплообменники
воздушные 188, 190 сл. выбор 192 сл.
—• теплоносителя см. Теплоносители и хладоагенты графитовые 185 кожухотрубные и кожухоблочные 184 сл.
коэффициенты теплопередачи 173 сл., 188
материалы 172 сл.
опросные листы для заказа 190, 351
363
Теплообменники пластинчатые 187 сл. производительность 172 спиральные 133, 185, 187, 189 типы 184 сл.
Теплообменные аппараты см. также Теплообменники выпарные см. Выпарные аппараты для перегонки органических жидкостей см. Перегонные аппараты технологическая надежность 84 Технический проект 15, 54 сл. исходные данные 55, 56 разработка схемы см. Технологическая часть проекта смета объектная 347 сл. — сводная 348 согласование и утверждение 57 сл. состав 54, 55, 326
Технологические схемы выбор 46 сл., 298 сл. компоновка оборудования см. Компоновка оборудования контроль и регулирование процесса 49 сл., 67, 87 сл., 295, 296, 311 оформление 69 сл., 76 оценка надежности 80 сл. предварительные 67 сл. приготовления выпускных форм продукции 280 сл. причины ошибок 69, 73 разработка 66 совмещенные 73 сл. упаковки и отправки продукции 111
Технологическая часть проекта вспомогательные операции 65 сл., 98 сл., 103 сл., 154 сл., 172 сл., 190 сл., 201 сл., 255 сл., 280 сл., 341 jc-л'. компоновка оборудования см. Компоновка оборудования контроль и регулирование процесса 49 сл., 67, 87 сл., 295, 296, 311 материальный расчет 66 расчет штатов 27 с л., 321 сл. техника безопасности 327 сл. технологическая схема см. Технологические схемы
Транспортные устройства для газов 154 сл. — жидкостей и сжиженных газов 92 сл., 101, 112 сл., 154 — паст 101 — порошков 101 сл. — сыпучих грузов 109 — твердых веществ 98, 114 сл. — штучных грузов 106 сл, дублирование 91
Транспортные устройства контейнеры 117 сл. механизация 98 пневматические и гидравлические 101 сл.
расчет количества НО сл. технологическая надежность 82
Удерживающая способность 124, 128 сл., 136 сл.
Уравнения
Кафарова 131
Кемпбелла 128
Корригана и Маккета 129 сл. массопередачи 237 скорости газа на входе в реактор 131
— реакции второго порядка 134 теплопередачи 132
Фактор разделения 273
Фильтрующие центрифуги 274
Фильтры
барабанные 271, 355 сл.
выбор вспомогательного оборудования 270
друк- и фунда-фильтры 273 количество промывной жидкости 268 сл.
материалы 264 показатели работы 267, 355 сл. производительность 266 рукавные 277 сл.
технологическая надежность 83 типы 264, 267 сл.
фильтрующие перегородки 265 форма опросного листа для заказа 353
Хемосорбция 216 сл.
Хлорирование бензола 125 сл.
Центрифуги осадительные (отстойные) 274 сл., 284
технологическая надежность 83 типы 275 сл.
фактор разделения 273 фильтрующие 274
форма опросного листа для заказа 352 сл.
Циклоны 277 сл.
Штаты производства, расчет 27 сл., 321 сл.
Экономические показатели проекта 17 сл.
затраты зависимые 22 сл.
«— независимые 22 сл.
ЗМ
Экономические показатели проекта себестоимость продукции см. Себестоимость продукции структура капитальных затрат 29 сл.
удельные капитальные затраты 23
Экстрактор(ы) выбор 241 инжекторный 239 расчет 237 сл. типы 240, 241
Экстракция
в производстве нитросоединений 238
-----фенолов 238 сл.
выбор экстрагента 236, 237
к. п. д. процесса 238, 239
отделение исходной жидкости 240 сл.
типы аппаратов 240 сл.
Электропогрузчики 104 сл., ПО
БОРИС ЕФИМОВИЧ БЕРКМАН
Основы технологического проектирования производств органического синтеза
Издательство „Химия", М., 1970 г.
368 с. УДК 661.7.013.5
Редакторы Н. С. Аврамова, Р. Е. Миневич Технический редактор В. М. Сытина Художник М. Ф. Ольшевский
Т.08671. Подписано к печати 3/VI 1970 г.
Формат бумаги 00Х90‘/16. Печ. л. 23. Уч.-изд. л. 23,39.
Тираж 5500 экз. Типогр. бум. № 2. Цена 1 р. 35 к.
Заказ № 509. ВЗ №23-1970-№20.
Ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградская Типография № 2 имени Евгении Соколовой Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР. Измайловский проспект, 29
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
готовится К ВЫПУСКУ в 1970 г.
РУМЯНЦЕВ О. В.
Оборудование цехов синтеза высокого давления в азотной промышленности 25 л., ц. 1 р. 08 к. в пер.
В книге кратко изложены физико-химические основы процессов синтеза аммиака, карбамида, спиртов, описаны промышленные схемы их производства. Основное внимание уделено аппаратурному оформлению этих процессов — дан подробный анализ типов, устройства и конструкций насадок колонн синтеза, рассмотрены конденсационно-сепарационная аппаратура, конструкции и основные узлы сосудов, циркуляционных компрессоров и насосов высокого давления. Показаны методы технологических, тепловых и механических расчетов описываемого оборудования.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов химико-технологических вузов и факультетов, специализирующихся в области процессов и аппаратов химических производств, технологии связанного азота и химического аппаратуростроения. Она представит также большой интерес для широкого круга инженерно-технических работников химической и смежных с ней отраслей промышленности.
Предварителъные заказы на книгу можно оформить в магазинах, распространяющих научно-техническую литературу.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
готовится К ВЫПУСКУ В 1970 г.
ГРИНБЕРГ Я. И.
Проектирование химических производств 20 л., ц. 1 р. 26 к. в пер.
В книге приведены сведения, необхо димые для разработки технической до кументации проектируемых и реконстр} ируемых установок химической промыт ленности. Излагается материал, отра жающий накопленный опыт монтажной обработки основных узлов технологиче ских схем, эскизного конструирования нестандартного оборудования и компоновки цехов.
Большое внимание уделено вопросам технологии проектирования. Приводятся рекомендации о последовательности выполнения отдельных работ и о порядке выдачи заданий на разработку смежных частей проекта.
Книга предназначена для инженерно-технических работников проектных организаций, предприятий химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Она может быть полезна также студентам старших курсов вузов при курсовом и дипломном проектировании.
Предварительные заказы на книгу можно оформить в магазинах, распространяющих научно-техническую литературу.