ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в России на предприятиях химической промышленности наблюдается тенденция к обновлению производственных мощностей на основе современного оборудования, модернизации и компьютеризации существующих производств, внедрению новых технологий, обновлению ассортимента выпускаемой продукции.
Это обусловлено рядом объективных причин.
Значительная доля находящегося в эксплуатации производственного оборудования и коммуникаций к настоящему времени в значительной степени, выработала свой ресурс. Это выражается в появлении трудноустранимых неисправностей, таких как сквозная коррозия ответственных элементов аппаратов, деформация стыковых поверхностей* крупногабаритных деталей, усталостные проявления и т. д.
Из-за резкого возрастания стоимости энергоносителей многие применяемые до настоящего времени производственные технологии становятся нерентабельными, так как во времена их разработок задачи энергосбережения и утилизации материальных и тепловых отходов не рассматривались, как актуальные.
Развитие рыночных отношений сделало актуальным краткосрочное планирование, уменьшение объемов выпуска по каждому продукту, расширение и частое обновление ассортимента выпускаемой продукции, повышение требований к качеству продукции, конкурентоспособность продукции.
Возрастание стоимости сырья, транспорта, расходных и конструкционных материалов выдвигает на первый план задачи не просто рационального, а оптимального их использования.
Ужесточение требований экологической и аварийной безопасности также делает невыгодным сохранение или> внедрение потенциально опасных технологий.
К сожалению, действующие проектные и конструкторские подразделения, как правило, ограничиваются разработками приемлемых вариантов реализации производственных процессов, а поиском оптимальных вариантов не за-
8
нимаются. Это обусловлено применением рекомендованных нормативными документами (ГОСТ, РСТ, ОСТ, РД; РТМ) упрощенных расчетных методик, широко использующих обобщенные эмпирические зависимости и усредненные характеристики процессов. Такие расчеты, как правило, являются < в значительной мере оценочными. Поэтому до сих пор инженеры при разработках технологий и аппаратурного оформления производственных процессов широко используют личный опыт и интуицию, а также добавку избыточных запасов "на незнание" к результатам стандартных расчетов; При; этом возможности компьютерной техники используется далеко не в полной мере.
Как показывает практика, другой путь, заключающийся в приобретении импортного производственного оборудования и зарубежных технологий, также не решает всех проблем. И здесь свои объективные причины.
Доступно, как правило, лишь морально устаревшее оборудование и технологии, от которых индустриально развитые страны уже отказались, и как следствие - неконкурентоспособность продукции на мировом рынке.
Специфика эксплуатации и обслуживания импортного оборудования, требующая исключительно грамотного и высококвалифицированного выполнения технологических и регламентных операций.
Необходимость использования высококачественных и, следовательно, дорогих сырьевых ш расходных материалов.
Актуальным направлением решения проблем действующего химического предприятия «является разработка методик постановки и решения оптимизационных задач, связанных с выбором аппаратурного оформления многоассортиментных малотоннажных химических производств (ММХП), отвечающих всем современным требованиям; на основе новейших научных достижений и полномасштабного использования возможностей компьютерной техники. Решающее значение приобретает подготовка специалистов на базе технологического образования, способных практически внедрять и развивать эти методики.
Интенсивное развитие возможностей компьютерной техники вызвало в настоящее время поистине революционные изменения в теории и практике синтеза технических систем и устройств.
Широкое использование периодических и квазинепрерывных процессов в < ближайшей перспективе останется характерной чертой производств рассматриваемого класса.
Периодические и квазинепрерывные процессы, широко применяющиеся в многоассортиментных малотоннажных химических производствах, являются нестационарными; изменение характеристик процессов во времени принципиально усложняет их инженерные расчеты и математическое моделирование.
Последовательная = обработка продукта в различных аппаратах и в различных условиях не позволяет моделировать отдельные аппараты и отдельные стадии производственного процесса обособленно.
Таким образом, особо важное значение при разработке аппаратурного оформления! многоассортиментных малотоннажных химических производств приобретает подход, заключающийся в комплексном; математическом моделировании и расчете технологических стадий и операций во времени с учетом их взаимного влияния. Составной частью такого подхода является накопление и обобщение информации об особенностях моделируемых процессов.
На стадии проектирования наиболее достоверные данные о ходе процессов, протекающих в производственном оборудовании, могут быть получены лишь на основе математического моделирования полей целевых параметров, таких, как температура, концентрация, давление, скорость, напряженность, деформация и т.п:
Выданной*работе рассматриваются термонагруженные процессы, то есть процессы, в которых тепловые взаимодействия играют ключевую роль, а характеристики температурных полей определяют основные результаты процессов, такие, как производительность, качество продуктов, затраты на производство и др. Это процессы, реализуемые в теплообменном, емкостном,, реакционном, сушильном и адсорбционном оборудовании.
Практическая значимость и реализация: результатов научных; исследований заключается в разработке унифицированной методологии математического моделирования полей определяющих параметров класса аппаратов химической промышленности, функционирующих в непрерывных, квазинепрерывных, периодических, переходных и циклических режимах.
10
В настоящее время интенсивные работы в этом направлении проводятся; на кафедре "Автоматизированное проектирование технологического оборудования" Тамбовского государственного технического университета под руководством зав. кафедрой, Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Малыгина Е.Н;
Разработанные методы моделирования и расчета технологического оборудования использованы в Объединенном институте ядерных исследований при проектировании баков и штоков циклотрона тяжелых ионов У-400М и циклотрона ДС-72 ЛЯР; во ВНИИРТмаше при проектировании пропиточно-сушильного оборудования для обработки кордных материалов, линии производства конвейерных лент ЛПД-1600, линии обкладки каркасов ЛОК-1400, ро-торно-конвейерной линии АРКЛ; на ОАО "Пигмент" при проектировании автоклава для щелочной^ плавки амино-Г-кислоты, и контактного аппарата' для синтеза монометиланилина; на ОАО "Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С.Артемова при проектировании системы охлаждения плакированного корпуса высокотемпературного реактора; на ФГУП "ТамбовНИХИ при проектировании теплообменного оборудования, энергетической установки специального цикла и индивидуального дыхательного аппарата ИДА.
Кроме того, в настоящее время разработанная методология используется. в проектно-конструкторских работах, выполняемых в Технологическом * институте ТГТУ, а также в аспирантских работах и в учебном процессе при подготовке магистров и инженеров конструкторско-технологических специальностей.
На защиту выносятся:
- унифицированная методология математического моделирования полей определяющих параметров класса аппаратов химической промышленности, функционирующих в непрерывных, квазинепрерывных, периодических, переходных и циклических режимах;
- унифицированная методология выполнения технологических расчетов теплообменного, емкостного, сушильного и адсорбционного оборудования химической промышленности.
11
Работа выполнена на кафедре "Автоматизированное проектирование технологического оборудования" Тамбовского Государственного технологического университета.
Автор выражает глубокую благодарность научным консультантам Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Малыгину Евгению Николаевичу за всестороннюю помощь и поддержку, оказанные при выполнении работы и Заслуженному деятелю науки и техники РФ, д.т.н., профессору Коновалову Виктору Ивановичу, который предопределил направление работ автора.
Д.т.н., профессор Малыгин Е.Н. осуществлял консультации по вопросам реализации системного подхода к разработке оборудования многоассортиментных химических производств, вопросам теории математического моделирования, вопросам оптимизации конструктивных и режимных характеристик аппаратов химических производств.
Д.т.н., профессор Коновалов В.И. осуществлял консультации по вопросам, связанным с кинетическими закономерностями основных процессов и аппаратов химической технологии.
12
ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА.
Появление новых производственных технологий и эффективных конструкций промышленного оборудования, а также резко возрастающие функциональные возможности компьютерной техники; ее доступность И;простота эксплуатации, открывают реальные возможности для разработки и внедрения конкурентоспособных высокоприбыльных производств, отвечающих современным требованиям энерго-и ресурсосбережения, а также экологической и аварийной безопасности.
1.1... Особенности многоассортиментных химических производств.
При разработке аппаратурного оформления химических производств приходится иметь дело со множеством разнообразных прикладных задач, связанных с определением оптимальных конструктивных и режимных параметров единиц производственного оборудования [1].
Основной структурной единицей химического производства является химико-технологическая система (ХТС) - комплекс взаимосвязанных основных и вспомогательных аппаратов, предназначенный для выпуска продукции определенного ассортимента. Ключевой проблемой разработки ? нового производства и обновления существующего с целью изменения номенклатуры и объемов выпуска продуктов, а также реализации усовершенствованных (энергосберегающих, экологически безопасных) технологий, является определение аппаратурного оформления (АО) входящих в его составХТС, т.е. типов, числа, геометрических размеров и характеристик режима* функционирования основных и вспомогательных аппаратов каждой системы. При решении этой проблемы приходится иметь дело со множеством разнообразных прикладных задач, связанных с определением оптимальных конструкционных и режимных параметров единиц производственного оборудования. Самый широкий комплекс задач приходится решать при определении аппаратурного оформления многоассортиментных химических производств, примерами которых могут служить производства химических красителей
13
и полупродуктов, добавок к полимерным материалам, фармацевтических препаратов, кино-фотоматериалов, химических реактивов. Это обусловлено следующими причинами:
- в многоассортиментных малотоннажных химических производствах наиболее широко представлены виды технологических процессов, способы осуществления и организации:технологических операций, типы технологического оборудования, используемые в химической промышленности;
- оборудование, входящее в состав таких производств, работает в периодических, непрерывных и квазинепрерывных режимах;
- оборудование работает при различных во времени степенях загрузки;
- обрабатываемые на одном и том же оборудовании продукты могут иметь различные теплофизические характеристики;
- теплофизические характеристики продуктов и теплоносителей могут значительно изменяться в ходе производственных процессов вследствие изменения их температур, давлений, скоростей, а также при фазовых переходах;
- недостаточная изученность особенностей основных и побочных процессов, протекающих в аппаратах; частичное отсутствие информации о кинетических закономерностях процессов и теплофизических характеристиках участвующих в них веществ.
Другими особенностями многоассортиментных малотоннажных химических производств являются [2, 3, 4]:
- предпочтительное использование многофункционального основного технологического оборудования;
- предпочтительное использование типового технологического оборудования стандартных размеров;
- частая смена ассортимента и объемов выпускаемой продукции.
- сложные многостадийные физико-химические процессы;
- преимущественное использование периодического способа организации технологических процессов;
- выпуск ряда сходных продуктов на одной и той же технологической схеме;
- малые сроки выпуска продуктов;
- частая сменяемость требования к их ассортименту;
14
- небольшие объемы выпуска отдельных продуктов;
- широкая номенклатура производимых продуктов.
Из-за частого изменения ассортимента выпускаемой продукции; замена периодических процессов на непрерывные не всегда целесообразна.
Кроме того, длительность многих процессов, определяемая по достижению заданных качественных показателей; может изменяться в очень широких пределах при незначительных изменениях характеристик исходного сырья и количества микропримесей в * нем. В технологических регламентах химических производств можно встретить указания: "Процесс проводить от 3 до 30 часов, отбирая?пробы на анализ через час до достижения концентрации конечного продукта 90%". Возможность организации таких процессов в непрерывных режимах весьма сомнительна.
В малотоннажных химических производствах каталитические химические процессы осуществляются;, как правило, в аппаратах с неподвижным слоем гранулированного катализатора. В этом случае реакционное оборудование работает в квазинепрерывных режимах, предусматривающих периодические остановки аппарата для регенерации или замены катализатора при снижении его активности или механическом разрушении гранул катализатора.
В тех случаях, когда на рабочих поверхностях аппаратов наблюдается рост отложений, либо рабочие поверхности подвержены интенсивной коррозии или эрозии, необходимо периодическое проведение регламентных и ремонтных работ, что делает режим работы такого оборудования также квазинепрерывным.
Широкое использование периодических и квазинепрерывных процессов, по-видимому, в ближайшей перспективе останется; характерной чертой' производств рассматриваемого класса.
Так как периодические и квазинепрерывные процессы являются нестационарными, изменение характеристик таких процессов не только в пространстве, но и во времени значительно усложняет их математическое моделирование. Инженерные методики расчета таких процессов часто вообще отсутствуют..
Последовательная обработка продукта в различных аппаратах и в < различных условиях не позволяет моделировать отдельные аппараты и отдельные стадии производственного процесса обособленно.
15
Таким образом, особо важное значение при разработке аппаратурного оформления многоассортиментных малотоннажных химических производств приобретает подход, заключающийся в комплексном математическом моделировании и расчете технологических стадий и операций во времени с учетом их взаимного влияния. Составной частью такого подхода является накопление и обобщение информации о кинетических особенностях моделируемых процессов.
В настоящее время процесс проектирования многоассортиментных химических производств складывается из следующих основных этапов [2, 3]:
- предпроектная разработка,
- разработка технического проекта,
- разработка рабочей документации.
Предварительно технологические процессы производства продуктов исследуются на лабораторных и опытных установках. На основе исследований разрабатываются технологические регламенты, в которых указываются условия осуществления технологических производственных стадий и даются рекомендации по типам и конструкциям аппаратов.
Предпроектная разработка включает ознакомление с характеристиками сырья и готовой продукции, а также с методами получения продуктов. На этой основе осуществляются выбор и обоснование вариантов производства.
На этапе разработки проекта выполняются технологические, инженерные и технико-экономические расчеты. Технологические расчеты включают следующие этапы.
1. Разработка,технологических схем. При этом определяется число химико-технологических схем, необходимых для выпуска продукции; ассортимент продуктов по каждой схеме, порядок совмещения технологических стадий выпуска различных продуктов внутри каждой из схем. На основании этого определяется количество < аппаратурных стадий в каждой схеме, типы аппаратов и структура связей между ними при выпуске каждого из продуктов.
16
2. Материальные расчеты, в которых определяются расходные нормы исходных продуктов, удельные количества перерабатываемого сырья, количество и состав отходов производства.
3. Расчеты оборудования, определяющие число единиц оборудования, его размеры и производительность.
4. Расчеты всех видов энергозатрат на технологические нужды.
5. Расчет компоновки оборудования и трассировки технологических коммуникаций в производственных помещениях, определение объемов помещений и их расположение на генеральном плане предприятия.
Система управления производством, транспортные и строительные расчеты, организация труда и техника безопасности составляют общеинженерную часть проекта.
Технико-экономические расчеты осуществляют калькуляцию себестоимости готовых продуктов и смету на строительство производственного объекта.
Рабочая документация является технической документацией, по которой ведется строительство предприятия. В ее состав входят технологические схемы, на которые нанесено оборудование, трубопроводы, контрольно-измерительные приборы, планы и разрезы зданий, а также материалы по регламенту производства.
1.2. Задача разработки аппаратурного оформления многоассортиментного химического производства.
В наиболее общем случае речь идет о необходимости постановки и решения одной из следующих глобальных задач:
- разработка принципиально нового производства с заданными показателями производительности, реализующего новейшие технологии, отвечающего современным требованиям и обеспечивающего минимальные затраты на производство продукции;
- модернизация и обновление существующего производства на базе имеющихся в наличии производственных мощностей с целью изменения номенклатуры
17
и объемов выпуска продуктов, а также реализации усовершенствованных (энергосберегающих, экологичных) технологий.
В частных случаях речь идет о проблемах разработки нового технологического регламента производственного процесса и решения широкого круга оптимизационных задач:
- поиск оптимального аппаратурного оформления;
- определение оптимальных размеров партий продуктов для периодических производств;
- выбор оптимальных конструкций основного и вспомогательного производственного оборудования;
- определение оптимальных режимов функционирования основного и вспомогательного производственного оборудования;
- нахождение оптимальных вариантов размещения оборудования и трассировки коммуникаций;
- разработка оптимальных систем контроля и управления производством;
- разработка оптимального плана выпуска продукции;
- разработка оптимальных методов переработки или обезвреживания материальных отходов основного производства;
- разработка оптимальных методов утилизации тепловых отходов производственных процессов;
- оптимизация качественных показателей.
Все эти задачи приходится решать с учетом экологических требований, а также эргономических факторов.
Поскольку задачи являются взаимосвязанными, обособленное решение любой отдельно взятой задачи не позволяет радикально повлиять на экономические показатели производства в целом:
Таким образом, задача разработки нового производства или модернизации существующего объединяет взаимосвязанную совокупность всех возможных частных оптимизационных задач, возникающих на этапах разработки и функционирования химического производства, при наличии большого количества дополнительных требований и условий. |
