Технологический процесс как основа промышленного проектирования

Промышленные здания и сооружения должны быть запроектированы с точным учетом требований наиболее эффективного технологического процесса.

При составлении проекта промышленного предприятия необходимо определить типы и размеры зданий, их требуемые площади, численность рабочих, количество и типы оборудования, требуемое для предприятия количество сырья, материалов, энергии и топлива. Необходимо также разработать план предприятия и внутреннюю планировку цехов. Все эти задачи решаются на основе данных принятого технологического процесса производства. Поэтому, приступая к проектированию промышленного здания, необходимо прежде всего изучить технологический процесс данного производства.

Основой для архитектурно-строительной разработки проекта служит технологическая производственная схема, которая представляет собой графическое изображение функциональной зависимости между отдельными производственными процессами, осуществляемыми в данном цехе. Например, на рис. 1.6 представлена схема производства серной кислоты контактным способом, который включает три стадии после обжига колчедана:

- очистку газа от вредных для катализатора примесей;

- контактное окисление сернистого ангидрида в серный;

- абсорбцию серного ангидрида серной кислотой.

Рис. 1.6. Схема производства серной кислоты контактным способом: 1,2 - промывные башни; 3 - электрофильтр; 4 - сушильная башня; 5 - компрессор; 6 - теплообменник; 7 - контактный аппарат; 8 - холодильник; 9 - олеумный абсорбер; 10 - моногидратный абсорбер; 11 - воздушный холодильник; 12 - сборник; 13 - насос

Внимательное изучение технологической схемы функциональной связи помещений дает возможность установить рациональную последовательность расположения отделений и помещений цеха, и эта схема является исходной базой для проектирования плана здания. Процесс очистки газов и получения кислоты на заводах протекает в промывном и сушильно-абсорбционном отделениях. Основное оборудование этих отделений (электрофильтры, промывные и сушильно-абсорбционные башни) устанавливают на отметке 7-8 м над уровнем пола.

Электрофильтры, промывные и сушильно-абсорбционные башни имеют вертикальный технологический процесс и обслуживаются с площадок на разных уровнях. Оборудование размещают обычно на открытом воздухе. Для укрепления технологического оборудования устраивают железобетонные постаменты (этажерки). Сетка колонн постаментов – 6x6 м.

Оборудование можно устанавливать на отдельные постаменты для независимой осадки фундаментов. Пространство под постаментами используют для установки насосов, сборников кислоты, для подсобных помещений, трансформаторных подстанций, ремонтных мастерских, бытовых помещений (рис. 1.7).

Предприятия химической и нефтехимической промышленности применяют химическую технологию и выпускают продукцию следующих классов:

- продукцию неорганической химии и горно-химическое сырье;

- полимеры, пластические массы, химические волокна;

- лакокрасочные материалы;

- синтетические красители и органические продукты;

- продукты органического синтеза (нефтехимия, коксохимия, лесохимия);

- химические реактивы и особо чистые вещества;

- медикаменты и химико-фармацевтические изделия;

- резинотехнические и асбестовые изделия.

Технологическое оборудование – определяющий элемент застройки большинства химических и нефтехимических предприятий. Его можно разделить на 5 групп (рис. 1.8):

- машинное оборудование (насосы, компрессоры, воздуходувки, холодильные машины и др.);

- аппараты, в которых осуществляются химические процессы (реакторы);

- аппараты, в которых осуществляются массообменные процессы – колонны;

- емкости;

- теплообменники.

Машинное оборудование размещается, как правило, в отапливаемых зданиях, в то время как условия эксплуатации колонного оборудования позволяют устанавливать его на открытых площадках, на этажерках, специальных постаментах, а особо крупное – на собственных фундаментах; только в редких случаях в суровых климатических условиях часть такого оборудования нуждается в укрытиях.

Рис. 1.7. Производство серной кислоты: а – реакторный блок; б – блок поглотительных башен

Рис. 1.8. Процессы и аппараты химической технологии

Вынос технологического оборудования из отапливаемых помещений на открытые площадки этажерки и под навесы – одна из важнейших тенденций в строительстве химических объектов.

Увеличение производительности аппаратов оказывает существенное влияние на снижение удельного расхода территории и капитальных затрат. Это позволяет установить насосы, компрессоры и др. машины порознь, открыто, приблизив их к основному технологическому оборудованию и соответственно уменьшить протяженность коммуникаций.

Рис. 1.9. Виды оборудования химической технологии

На рис. 1.9 и 1.10 показаны наиболее распространенные виды пространственных форм основного и вспомогательного оборудования и возможные схемы их компоновки.

Анализ процессов, номенклатуры применяемого оборудования, а также принципов его комбинирования показывает, что в химической технологии определилась система структурных единиц, каждая из которых – составная часть более крупной и может функционировать самостоятельно.

Структурные уровни организации химического и нефтехимического предприятия показаны на

1.11. Использование этого принципа в планировке позволяет разрабатывать на основе определенного модуля пространственные структуры, которые пригодны для построения системы любой сложности, а также устанавливать единые принципы компоновки всех ее элементов. Это дает возможность вести разработку даже для самой сложной структуры (например, комбината) последовательно, сохраняя на любом уровне разработки единство стиля и, в то же время, учитывая любые конъюнктурные требования.

Система технологических элементов, из которых формируют объекты химии, включает следующие единицы. Аппараты – выполняют отдельные операции и являются первичными элементами общей технологической структуры предприятий. Аппараты, как правило, объединяют в группы и образуют качественно новую структурную единицу – технологические узлыили агрегаты. В агрегате протекает не один, как в аппарате, а несколько процессов. Сочетание агрегатов быстрого и планомерного освоения производственных мощностей потребовало выделить минимальный комплект технологических установок (дающих, подобно целому, готовую продукцию, но в меньших масштабах) в самостоятельную единицу – технологическую линию, образующую следующий уровень организации технологии.

В зависимости от заданной мощности и номенклатуры продуктов несколько технологических линий, функционирующих автономно, комплектуют в новую структурную единицу – производство, которая, участвуя в общей программе предприятия по выпуску готовой продукции, в случае необходимости также может функционировать самостоятельно.

Формирование и объединение специализированных химических и нефтехимических предприятий обычно осуществляется автономными технологическими комплексами, в которые входит группа производств, объединеная общим технологическим процессом и имеющая в своем составе необходимые объекты подсобно-производственного и обслуживающего назначения.

Каждый автономный технологический комплекс специализируется на выпуске одного или нескольких видов готовой продукции и формируется на основе единичной укрупненной мощности головного производства (например, производство этилена на заводе оргсинтеза).

Состав производств в каждом пусковом комплексе определяется их оптимальным сочетанием на основе переработки основного продукта. Например, для специализированных азотных заводов установлена следующая номенклатура продукции: аммиачная селитра, карбамид, сложные удобрения, капролактам. На заводах органической химии имеется широкая номенклатура выпускаемых продуктов (хлор, этилен, винилхлорид и др.).

Автономные технологические комплексы строятся на базе двух головных производств - хлора и таких органических продуктов, как ацетилен, этилен и др., и могут иметь разнообразные наборы производств.

Рис.1.10. Схемы компоновки технологического оборудования: А - колонн и реакторов; Б - машинного оборудования; В - теплообменников; Г – емкостей

Автономные технологические комплексы должны по возможности иметь однородную структуру, основанную на оптимальном сочетании производств и внутреннем материальном балансе, строго последовательном размещении производств, в соответствии с технологическим потоком и самостоятельном материально-техническом снабжении.

Схема размещения производственных объектов в пределах автономного комплекса должна подчиняться общей закономерности процесса переработки сырья, осуществляемого в такой последовательности: подача сырья, производство основных видов полупродуктов, производство готовой продукции, вывоз готовой продукции. Встречаются разновидности этой схемы.

Так, например, производство карбамида на азотных заводах может быть без стадии получения полупродуктов; производство капролактама и многих хлорорганических продуктов осуществляется на базе двух головных производств. Встречаются схемы, когда поток разделяется на две линии. Однако во всех случаях сохраняется четкая последовательность расположения производственных объектов автономного комплекса, имеющего относительно самостоятельную систему снабжения сырьем, водой, паром, электроэнергией, кислородом, сжатым воздухом др.

Рис. 1.11. Уровни организации химического предприятия

1.7. Генеральный план химических
предприятий

Рис. 1.12. Генеральный план предприятий химической промышленности

Генеральный план – это важная составная часть проекта промышленного комплекса, будь то одно предприятие или группа предприятий (промышленный узел). Генеральный план – это комплексное решение вопросов планировки, застройки и благоустройства промышленных предприятий (рис. 1.12).

В проекте генерального плана решаются следующие вопросы:

1. Производственно-технологическая связь цехов и сооружений (размещение сооружений, зонирование территории предприятий, блокирование цехов и сооружений, выбор системы заводского транспорта, организация грузовых и людских потоков, трассировка подземных, наземных и надземных коммуникаций).

2. Архитектурно-планировочная структура предприятий (характер застройки, унификация параметров и типизация элементов генерального плана, форма и конфигурация отдельных зданий и сооружений, их ориентация по сторонам света и розе ветров, защита от шума, решение сети обслуживания, питания, санитарно-гигиенического и медицинского обслуживания, отдыха, расположение входов и выездов на территории предприятий, система заводских магистралей, проездов и площадей, возможность расширения и реконструкции предприятия, благоустройство территории, создание единого архитектурного ансамбля в увязке с архитектурой прилегающих предприятий и населенного пункта).

3. Производственно-строительная характеристика проектируемых предприятий (общеплощадочная унификация строительных решений и индустриальных методов строительства, строительный генеральный план и график строительства).

4. Оценка и учет климатических, гидрогеологических и других природных условий (солнечная радиация, внешняя температура, направление ветров, влажность воздуха, количество осадков, качество грунтов, гидрогеологические условия и рельеф участка, сейсмичность).

5. Технико-экономическая эффективность общего проектируемого решения.

6. Охрана окружающей среды и природных ресурсов от промышленных загрязнений (резкое снижение выделений вредных примесей в атмосферу за счет создания новых или усовершенствования существующих технологий; применение эффективных газоочистных или пылеулавливающих установок; создание санитарно-защитных зон между промышленным узлом и селитебной зоной и др.).

При составлении генерального плана химического предприятия в основу должен быть положен принцип четкого зонирования территории предприятия по функциональному назначению, типизации и унификации элементов генерального плана (кварталов, дорог, сооружений для коммуникаций и
т. п.).

На химических предприятиях рекомендуется выделять следующие зоны: производственную, складскую, вспомогательных цехов, административную. При взаимном расположении зон следует учитывать рельеф участка, розу ветров, технологические связи, протяженность коммуникаций.

В производственной зоне размещают технологические установки, объекты обслуживающего назначения, относящиеся к отдельным производствам (энергетические установки, сооружения оборотного водоснабжения, бытовые помещения и т. п.), если радиус обслуживания не позволяет разместить их вне производственной зоны.

К зоне вспомогательных служб относят объекты вспомогательного назначения (газоспасательные станции, ремонтно-механические, ремонтно-строительные и тарные цехи, станции перекачки разных стоков, размещенные в пределах ограждений территории предприятия).

Складская зона объединяет склады материальные, оборудования, химикатов, масел и т. п. В зоне емкостей располагают склады легковоспламеняющихся или горючих жидкостей и сжиженных газов.

В административно-хозяйственную зону входят заводоуправление, комплекс проходной, столовая, пожарное депо, объекты связи и т. п.

Производственная зона играет существенную роль в формировании структуры генерального плана предприятия вследствие того, что площадь занимаемая ею, колеблется от 30 до 70% территории предприятия. Вид внутризаводского транспорта следует выбирать с учетом величины грузооборота отдельного цеха или группы цехов. При грузообороте до 100 тыс. т нужно отдавать предпочтение колесному транспорту; при грузообороте от 200 до 400 тыс. т вид транспорта определяется характером груза. В одинаковых условиях предпочтение следует отдавать непрерывным видам транспорта, как более экономичным.

Железнодорожный транспорт для внешних перевозок предусматривают в случае общего грузооборота не менее 10 условных вагонов в сутки. Автомобильные дороги проектируют в расчете на полную мощность предприятия; для автодорог рекомендуется применять цементно-бетонное покрытие. Ширина проезжей части межквартальной дороги 7,0 м, внутриквартальной – не менее 3,5 м.

Административно-хозяйственная зона объединяет здания и сооружения общезаводского назначения и обычно размещается со стороны подхода основной массы работающих на предприятии. Территория, занимаемая административно-хозяйственной зоной, зависит от величины предприятия. На мелких предприятиях она достигает 17%, а на крупных от 1,2 до 3,5 % от общей территории предприятия.

Планировку территории обычно производят по блочной системе. Блок состоит из 2-3 кварталов. Размеры блока определяют, учитывая условия технологического процесса, количество принятых кварталов и радиусы обслуживания производственных установок транспортом (электроснабжением, водоснабжением, канализацией). В пределах кварталов следует предусматривать коммуникационный коридор.

Здания и сооружения должны быть ориентированы торцами к этому коридору. В коммуникационном коридоре размещают технологические материалопроводы, сети теплоснабжения, оборотного водоснабжения и некоторые виды производственной канализации, сети электроснабжения. Основным способом прокладки коммуникаций должен быть наземный, исключение составляют самотечные трубопроводы или трубопроводы хозяйственно-фекальной канализации, противопожарного водопровода.

В целях оздоровления условий труда производственные здания и установки на открытых площадках и этажерках с оборудованием, выделяющим производственные вредности, следует располагать по отношению к прочим производственным объектам и административной зоне с подветренной стороны. Положение территории предприятия должно быть такое, чтобы были обеспечены условия прямого солнечного облучения и естественного проветривания. При составлении генерального плана химического предприятия следует предусмотреть озеленение и благоустройство заводской территории, улучшение условий труда и повышение его производительности.

Застройка территорий предприятий химической и нефтехимической промышленности может быть четырех типов:

- с открытым оборудованием;

- полуоткрытым и закрытым оборудованием;

- сплошная (павильонная);

- смешанная.

Застройка предприятий с открытым оборудованием представляет собой площадки и этажерки, на которых размещаются различного типа технологическое оборудование (колонны, реакторы, теплообменники и др.).

Оборудование и инженерные сооружения заполняют практически все пространство завода, за исключением немногочисленных зданий обслужи­вающего назначения. Такого типа предприятия имеют развитую сеть эстакад и коммуникаций, по которым осуществляется передача жидких и газообразных продуктов. Площадки таких предприятий имеют достаточно большую ширину (3–4 квартала).

Железнодорожный транспорт сосредотачивается в сравнительно узкой складской зоне, организуемой вдоль одной из длинных сторон. С противоположной стороны производственной территории предусматриваются вводы людских потоков. На этих заводах работает относительно небольшое число трудящихся, постоянные рабочие места которых в зданиях управления и на объектах обслуживающего назначения. Примером такого типа заводов могут служить нефтехимические производства изопрена, формальдегида, изобутилена и др. с перспективой их переработки в каучуки различного вида.

На предприятиях с полуоткрытым и закрытым оборудованием в равной мере присутствуют открытые площадки и этажерки, заполненные оборудованием, инженерные сооружения и производственные здания относительно небольшой ширины. Также в равной мере здесь производят трубопроводные передачи жидкостей и газов и передачи сыпучих и затаренных продуктов конвейерным, пневмо- и автотранспортом. Это предопределяет (при наличии одной складской зоны) небольшую ширину площадки, но с возможностью
2-х квартального ее построения.

На предприятиях минеральных удобрений, где осуществляется передача материала преимущественно в сыпучем и затаренном виде, а также на предприятиях с большим грузооборотом не зависимо от характера груза применяют двухстороннее размещение складских зон, с двух противоположных сторон площадки, такое предприятие – производство хлорорганических продуктов.

Группа предприятий сплошной (павильонной) застройки - заводы шинной промышленности, химического волокна, пластмасс. Производства здесь размещаются в одном, двух строительных объемах, имеющих значительные размеры по длине и ширине. Технологический процесс осуществляется внутри зданий, открытое оборудование, если оно имеется в малом количестве, размещается на небольшой площадке и этажерке вблизи основных процессов.Предприятия смешанной застройки – это многопрофильные предприятия, на площадках которых соседствуют производства различных отраслей промышленности, в том числе химической и нефтехимической.