Проектно-сметная документация

Проект любого химического производства – это комплекс технической документации, включающий пояснительные записки, расчеты, чертежи, сметы, соответствующие заданию на проектирование. Проект выполняется на основе научно-исследовательских данных и опыта эксплуатации наиболее современных действующих заводов.

Следует отметить, что определяющей частью проекта химического предприятия или отдельного производства является механико-техническая часть, разработка которой включает:

- выбор метода производства, отвечающего конкретным условиям;

- создание принципиальной и монтажно-технологической схемы производства;

- технический расчет, выбор или разработку необходимого технологического оборудования и его рациональное размещение;

- механизацию и автоматизацию всех непрерывных и периодических процессов.

По мере решения этих вопросов переходят к основным частям проекта: архитектурно-строительной, энергетической, технологической, контролю и автоматизации и т. д.

Материал, изложенный в пособии, охватывает две области проектирования. В первой – это приемы и методы разработки технологических схем проектируемого производства, сравнительный анализ и обоснование выбранного метода производства в соответствии с конкретными условиями, определение основных и вспомогательные физико-химических процессов и их последовательности, аппаратурное оформление технологического процесса, выбор трубопроводной арматуры. Вторая – посвящена технологическим расчетам основного и вспомогательного оборудования (материальному, тепловому, гидравлическому и др.), основам конструирования реакторов, выбору конструкционного материала и т. д.

При работе над проектными заданиями студенты могут выполнять различные по объему и глубине разработки, которые сводятся, в основном, к следующей тематике:

1) проекты новых отдельных установок или небольших технологических узлов, состоящих из нескольких единиц оборудования;

2) проект реконструкции (расширения) действующего производства (цеха, отделения);

3) проекты новых производств (цехов, отделений).

Совершенно очевидно, что при разной трудоемкости проектных заданий, содержание проектных записок и их объемы будут различными. Несмотря на это, разделы пояснительных записок дипломных (курсовых) проектов, которые почти повсеместно являются обязательными, т. е. включены в их содержание. Такими разделами являются: технико-экономическое обоснование или необходимость проектирования, обоснование и выбор расчетов, технологическая схема материальных и тепловых потоков, материальные и тепловые расчеты, расчеты химических реакторов, гидравлические и механические расчеты и другие. В данном пособии предпринята попытка раскрыть сущность некоторых из них на конкретных примерах.

4.2. Технико-экономическое обоснование проекта

Технико-экономическое обоснование – это предпроектный документ, уточняющий и дополняющий схемы развития и размещения отраслей химической промышленности в части размещения намечаемого к проектированию и строительству предприятия, его производственной мощности, номенклатуры продукции, обеспечения сырьем, полуфабрикатами, топливом, электроэнергией и водой, основных строительных и технологических решений и важнейших технико-экономических показателей производства и строительства предприятия. Обоснование технологической схемы, материальные и тепловые расчеты, расчеты химических реакторов.

В технико-экономическом обосновании (ТЭО) рассматриваются следующие вопросы.

Исходные положения

Характеристика роли данного предприятия и обеспечение роста мощностей и покрытия потребностей в продукции, намечаемой к выпуску:

- соответствие решений ТЭО схеме развития и размещения отрасли химической промышленности и схеме развития и размещения производственных сил района;

- характеристика состояния действующего предприятия, оценка и анализ его деятельности, и основные технико-экономические показатели его работы.

Обоснование потребности народного хозяйства в продукции предприятия, его проектной мощности и специализации:

- ассортимент и качество продукции;

- текущие и перспективные балансы производства и потребления этой продукции по основным потребителям и экономическим районам, регионам потребления продукции данного предприятия;

- анализ технической возможности и экономической целесообразности покрытия дефицита данного вида продукции за счет реконструкции или расширения действующего производства.

Обоснование места размещения предприятия заключается в следующем:

- обеспечение предприятия сырьем, топливом, водой, электроэнергией, возможность сброса промышленных отходов;

- наличие трудовых ресурсов;

- наличие необходимых площадей для строительства производственных, жилых и гражданских объектов.

4.2.2. Обоснование способа производства
химической продукции

В этом разделе проектировщик на основе анализа литературных данных должен сделать обоснованный выбор способа производства целевого продукта. При выборе способа производства продукта на конкретном предприятии необходимо учитывать экономическую целесообразность комплексной переработки сырья и отходов других производств, а также требования потребителей к товарной форме и чистоте производимого продукта.

Необходимо указать достоинства и недостатки методов производства, располагать данными по затратам на основное сырье, проектную себестоимость продукта и капитальных затрат на 1 тонну продукта, энергозатратам производства.

На основании выбранного способа производства составляется перечень продуктов, получаемых при осуществлении основных и побочных процессов, а также перечень исходных реагентов и материалов с их характеристикой.

4.2.3. Экономика строительства предприятия
и производства продукции

Ориентировочные объемы капитальных вложений, в том числе строительно-монтажных работ и по жилищно-гражданскому строительству с учетом сопряженных затрат в смежных отраслях промышленности:

- удельные капитальные затраты;

- экономическая эффективность капитальных вложений;

- удельные расходы сырья и полуфабрикатов;

- сравнение технического уровня и важнейших технико-экономических показателей проектируемого предприятия с уровнем и показателями действующих передовых отечественных и зарубежных предприятий.

Ниже приводится пример, в котором схематично раскрываются вопросы технико-экономического обоснования строительства производства формалина.

Пример 4.1. Провести технико-экономическое обоснование строительства, выбрать место и способ производства формалина в наиболее удобном районе СНГ. Предполагается, что производство будет новым в выбранном месте.

Решение: При ответе на это задание необходимо опереться на планово-статистические данные.

Ожидаемый баланс производства и потребления по СНГ:

потребность………… 3 879 тыс.т.

производство……….. 3 066 тыс.т.

дефицит…………….. -813 тыс.т.

Ожидаемая потребность в формалине по экономическим районам СНГ в 1990 г. (в тыс.т.):

Центральный……………………………………… 537,0

Уральский…………………………………………. 539,0

Северо-Западный…………………………………. 268,0

Западно-Сибирский………………………………. 1041,0

Северо-Кавказский……………………………….. 317,0

Поволжье………………………………………….. 162,0

Восточно-Сибирский и Дальний Восток……….. 76,0

Волго-Вятский……………………………………. 28,0

Казахстан и Средняя Азия………………………. 193,0

по СНГ……………………………………………. 3161,0

Ожидаемая структура потребления в 1990 г. (в тыс.т.):

Карбамидные смолы……………………………... 59 % 2263,0

Феноло-формальдегидные смолы………………. 17 % 656,1

Пентаэритрит……………………………………... 7 % 268,0

Параформ ……………………………………….. 1 % 37,4

Полиформальдегид……………………………….. 3 % 127,4

Прочие……………………………………………... 13 % 527,1

В с е г о…………………………………………….. 100 % 3879,0

Как видно из этих таблиц, значимость товарной продукции в народном хозяйстве и дефицит формалина совершенно очевидны, что само по себе определяет необходимость строительства новых мощностей по производству формалина и началу проектно-изыскательских работ.

В отношении района строительства вопрос о размещении производства наиболее вероятен в Западно-Сибирском регионе, где намечается самый большой дебаланс потребления.

Наиболее подходящим местом для строительства является г.Томск, что определено следующими соображениями:

- большие запасы природного газа и имеющиеся большие резервы производственной мощности по метанолу на территории Томского нефтехимического комбината (ТНХК);

- предполагается основную массу формалина перерабатывать на месте в карбамидные смолы при организации этого производства на ТНХК;

- имеющиеся железнодорожные и водные транспортные развязки позволяют обеспечивать продукцией (карбамидными смолами) весь регион от Урала и до Дальнего Востока;

- наличие местных источников электроэнергии (районное энергокольцо и своя мощная ТЭЦ на ТНХК);

- наличие водных ресурсов (р.Томь);

- имеется своя стройиндустриальная база;

- в области имеются возможности готовить квалифицированные кадры (вузы ТПУ, ТГУ, ТГАСУ; сеть ПТУ и техникумов).

Для подтверждения приведенных моментов "за" рассмотрим возможные другие варианты размещения производства на действующих химических предприятиях Западной Сибири, представленные в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Характеристика действующих производств

Таблица 4.2. Сравнительная характеристика названных методов производства

Таблица 4.3. Проектная характеристика способов производства по валу ЗСР

Таблица 4.4. Проектная себестоимость продукта, у.е.

Таблица 4.5. Сравнительные данные по затратам на основное сырье

Таблица 4.6. Энергозатраты производств

В нашей стране реализованы два метода получения формалина:

- каталитическое окисление метанола на серебре;

- каталитическое окисление метанола на оксидных катализаторах.

В обоих случаях процесс протекает в парогазовой системе при повышенной температуре и давлении, близком к атмосферному. Способы отличаются друг от друга физико-химическими основами процесса, количеством получаемой продукции, побочными продуктами, выходами, экономическими и аппаратурными показателями.

Как видно из таблицы 4.2, альтернативы по месту строительства опять же предпочтительны в отношении г.Томска на площадке ТНХК.

Основным сырьем для производства формалина в настоящее время является метанол, хотя в промышленности (за рубежом) для этих же целей иногда используют окисление природного газа и низших парафинов.

Как видно из приведенных сведений (см. таблицы 4.3-4.7), вопрос о способе производства решается в пользу метода окисления метанола на серебряном катализаторе и строительством нового цеха в г.Томске на площадке ТНХК.

В данном примере итог по моментам обоснования «за» определился четко. В тех же случаях, когда по специфичности условий проектируемых производств имеется примерное равенство аргументов «за» и «против», необходимо дополнять приведенную методику какими-то добавочными соображениями, чтобы прийти к итогу «за» или «против». В противном случае приходится прорабатывать все альтернативные варианты на ЭВМ по предполагаемым экономическим показателям. Ниже приведены капитальные затраты на 1 т продукта, у.е.:

Окисление на серебряном катализаторе……… 16,9

Окисление на оксидном катализаторе………… 23,1

При выполнении проектов для действующих предприятий отпадает ряд обоснований, решения по которым уже оговорены в самом задании. Так, например можно не обосновывать место строительства и метод производства. Зачастую остаются прежними (по согласованию с заказчиком) технологические параметры, можно не разрабатывать вопросы, связанные с оценкой дополнительной мощности производства и ее взаимосвязи с существующими технологическими линиями (наличие резерва сырья, вспомогательных веществ, энергии, воды; кадры, социальные вопросы, площади для производства и т. п.).

Г л а в а 5

__________________________________________________________________

ВЫБОР И РАЗРАБОТКА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

__________________________________________________________________

Общие положения

Задача создания технологической схемы нового производства состоит в разработке комплекса взаимосвязанных процессов, обеспечивающих получение требуемых продуктов нужного качества при минимальной себестоимости. Взаимосвязь отдельных процессов, возможность решения проблемы различными путями, необходимость экономического решения обусловливают участие в разработке технологической схемы специалистов разного профиля (химиков-технологов, механиков, специалистов по монтажу оборудования и автоматизации).

Исходными данными для разработки технологической схемы являются:

- задание на проектирование;

- материал предпроектной проработки (предполагаемый район строительства, мощность производства, сведения по технологии действующих производств или их аналогов и т. д.);

- общие данные по заводу (температура воздуха, воды, условия выброса сточных вод в общезаводскую канализацию, сброса отходящих газов в атмосферу, вывозка шлаков и отходов, особые условия и т. д.);

- рецептурные материалы к проектированию (регламент и все изменения и дополнения к нему, отчеты о научно-исследовательских разработках, материалы из учебников, монографий, справочников, периодических изданий, авторских свидетельств и патентов, материалы по обследованию родственных производств; систематизируется литература по методам расчета основных технологических процессов и аппаратов, которые будут использоваться при проектировании);

- уточненные ограничивающие параметры (запрещение использовать в виде промежуточных продуктов в технологической схеме канцерогенных или мутагенных веществ), выбор мероприятий, позволяющих исключить использование сильнодействующих ядовитых веществ, технико-экономические ограничения и т. д.

5.2. Последовательность разработки
технологической схемы

После сбора и обработки данных на разработку технологической схемы приступают к составлению операционной технологической схемы. Результаты изображают графически: отдельные процессы обозначают прямоугольником или кружками, пути перемещения материалов – сплошными линиями различной толщины. Каждому процессу и технологической линии присваивается номер; весь чертеж называется схемой материальных и технологических потоков производства.

Такая схема дает только общее представление о характере проектируемого производства, поэтому следующим этапом является составление операционных блок-схем отдельных стадий производства. Блок-схема обычно включает следующие стадии:

- подготовка сырья;

- проведение химического превращения;

- выделение и очистка целевого продукта;

- создание товарной формы целевого продукта.

Пример блок-схемы представлен на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Примерная схема стадий технологического процесса: 1 – подготовка сырья; 2 – химическое превращение; 3 – выделение не превращенного сырья; 4 – выделение и очистка целевого продукта; 5 – придание товарной формы целевому продукту; 6 – регенерация и очистка непревращенного сырья; 7 – регенерация и очистка вспомогательных веществ; 8 – обезвреживание отходов

Следующим этапом детализации блок-схемы является разбивка каждой стадии процесса на отдельные физико-химические и химические операции. Это один из важнейших моментов проектирования, определяющий технический уровень и качество всего проекта. Анализ большого числа технологических схем показал, что чаще всего встречается ограниченное число операций. К ним можно отнести:

- подачу и выдачу газообразных, жидких и твердых веществ с их дозировкой, разбавлением или концентрированием;

- массообменные процессы – растворение, кристаллизация, простая перегонка и ректификация, экстракция, абсорбция, адсорбция, десорбция;

- гидромеханические процессы – осаждение, фильтрование, центрифугирование;

- теплообменные процессы – нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, выпаривание, сушка;

- механические процессы – дробление, измельчение, классификация и дозирование твердых веществ; транспортирование и перемешивание жидкостей;

- химические процессы – хлорирование, нитрование, окисление, восстановление, гидрирование, пиролиз и т. д.

На этом этапе решаются вопросы о непрерывном, периодическом или полупериодическом режиме проведения отдельных операций с учетом экономической эффективности их работы. Прежде чем приступить к определению состава операций стадии подготовки сырьянеобходимо уточнить, какие формы состояния сырья наиболее рациональны для проведения в дальнейшем химических превращений в оптимальных условиях. Следует стремиться к созданию однофазной системы в аппаратах, где происходит химическое превращение, так как однофазные системы позволяют упростить технологическое и конструктивное оформление химического процесса и легче поддаются комплексной автоматизации. Наиболее предпочтительна работа с жидкостями, так как в этом случае можно обрабатывать в единице объема реактора большую массу реагентов в единицу времени по сравнению с газовыми системами. Но газовые (паровые) системы имеют ряд достоинств, например возможность смешивать любые вещества в любом соотношении. Наименее предпочтительно использование трех и более фаз в одном аппарате.

Изучив стандарты и технические условия (ТУ) на сырьевые продукты, выбирают процессы и операции перевода их в рациональную форму. Чаще всего встречаются операции приема жидких, твердых и газообразных продуктов, операции отмеривания, взвешивания, растворения, переме­шивания, измельчения и пр.

При приеме продуктов в условиях Сибири иногда приходится предусматривать их предварительный подогрев для уменьшения вязкости или плавления в железнодорожной цистерне перед перекачкой. В случае создания склада на открытой площадке предусматривается постоянный подогрев емкостей.

При приеме газообразных продуктов уделяется внимание удалению конденсированных фаз, например фильтрованием, осушкой, сорбцией и т. д. Иногда приходится прибегать к увлажнению газов, например для безопасной работы с ацетиленом в него добавляется «транспортный» водяной пар.

При приеме и удалении из цеха твердых продуктов уделяется внимание механизации следующих основных операций:

- доставка материалов в цех, разгрузка и размещение их в цехе;

- вскрытие тары и ее обработка;

- подготовка материалов к использованию;

- доставка материалов к технологическим аппаратам и их дозировка;

- обработка и удаление твердых и сыпучих отходов производства;

- переработка твердых целевых продуктов.

В некоторых случаях на стадии подготовки сырья приходится осуществлять процессы и операции по повышению качества сырья в связи с тем, что требования технологического процесса превышают показатели стандартов или ТУ. Обычно применяются процессы перегонки, сорбции, сушки, фильтрования и т. п. Иногда приходится использовать и химические процессы, например гидрирование для удаления следов ацетилена, разложение перекисей, которые могут образоваться во время хранения ряда продуктов, и т. д.

Особого внимания требует составление схемы стадий химического превращения, так как проведение технологического процесса при этом предопределяет во многом экономическую эффективность всего произ­водства в целом.

Исходными данными для составления операционной схемы в этом случае являются данные по термодинамике, кинетике, механизму химической реакции, данные о фазовом состоянии реагентов. На основании этих данных необходимо задаться определенным типом аппарата. При проведении стадии химического превращения приходится иметь дело с явлениями различной физико-химической природы: химическими, тепловыми, диффузионными и гидромеханическими. Они, как правило, совмещены в объеме аппарата и характеризуются большим числом элементов и связей, иерархий уровней элементарных физико-химических эффектов, связанных цепью причинно-следственных отношений. Поэтому необходимо стремиться, прежде всего, провести качественный анализ физико-химической системы и процессов, протекающих в ней. Следует заметить, что глубина детализации зависит от степени изученности рассматриваемой системы и явлений, связанных с проектируемым процессом.

На основе проведенного анализа можно составить набор операций, обеспечивающих стадию химического превращения, и определить их локализацию. Результаты анализа можно представить в текстовом виде или дополнить текст графической иллюстрацией (см. пример на рис. 5.2).

Выбирая определенную операцию или их набор, надо точно уяснить достигаемую цель. Необходимо иметь представление, как осуществляется та или иная операция. Например, целью перемешивания может являться:

- ускорение течения химической реакции;

- равномерное распределение твердых частиц в объеме жидкости;

- интенсификация теплообмена.

Рис. 5.2. Блок-схема физико-химических процессов, протекающих в гетерофазном реакторе с мешалкой

Перемешивание может происходить как в реакционных аппаратах, так и в специальных аппаратах-смесителях или в трубопроводах. Перемешивание может осуществляться механическими мешалками, газом или паром, циркуляцией с помощью насосов, вибраторами или пульсаторами.

При составлении операционной схемы стадии выделения целевого продукта решаются задачи:

- выпуск готовой продукции в соответствие с требованием стандартов и технических условий;

- максимально возможная утилизация побочных продуктов;

- выделение и регенерация не прореагировавшего сырья и вспомогательных продуктов.

Обычно эти задачи решаются за счет использования процессов дистилляции и ректификации, кристаллизации, переосаждения, сорбционных процессов и т. д. Критерием выбора процесса или комбинации процессов является удовлетворение требований стандартов и экономическая эффективность. Набор операций зависит от принятия решения по выбору вывода из цеха готовой продукции (по трубопроводам, в цистернах, бочках, контейнерах, мешках и т. п.).

Операционная схема должна решать и вопросы удаления отходов производства. Под отходами производства понимают удаляющиеся в технологическом процессе продукты, которые не могут быть использованы ни на данном, ни на другом предприятии, и поэтому подлежат уничтожению или обезвреживанию.

Отходами могут быть отработанная охлаждающая вода, отходящие газы, жидкие органические соединения, химически загрязненные водные стоки, кислотно-щелочные стоки, твердые отходы и т. д. Газовые отходы перед выбросом в атмосферу могут очищаться в скрубберах, циклонах, электрофильтрах или подаваться на факел к печам сжигания.

В зависимости от конкретных условий предусматриваются как общезаводские установки по переработке и обезвреживанию отходов, так и прицеховые.