- •Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
- •Навчальний посібник до вивчення курсу «Основи проектування хімічних виробництв»
- •Оглавление
- •Глава 1 основные этапы и организация проектирования
- •Глава 2 состав исходных данных и основные стадии
- •Глава 3 системы автоматизированного проектирования 78
- •Глава 4 введение в проектирование 90
- •Глава 5 выбор и разработка технологической схемы
- •Глава 6 выбор технологического оборудования
- •Глава 7 уравнения материального баланса технологи-
- •Глава 8 технологический расчет основной и
- •Глава 9 тепловой расчет основного оборудования 141
- •Глава 10 гидравлические расчеты 166
- •Глава 11 механический расчет 175
- •Глава 12 конструкционные материалы в химическом
- •Глава 13 оформление отдельных элементов химической
- •Глава 14 трубопроводы и трубопроводная арматура 224
- •Глава 15 вспомогательное оборудование химических
- •Введение
- •Глава 1 основные этапы и организация проектирования химических производств
- •1.1. Перспективный план и технико-экономическое обоснование
- •1.2. Задание на проектирование
- •1.3. Выбор района размещения предприятия и площадки строительства
- •1.3. «Роза ветров» района размещения предприятия и площадки строительства
- •1.4. Основные принципы проектирования зданий и сооружений химической промышленности
- •1.5. Разработка проектной документации по охране окружающей среды
- •1.5.1. Экологическое прогнозирование
- •1.5.2. Разработка прогноза загрязнения воздуха
- •1.5.3. Прогнозирование состояния поверхностных и подземных вод
- •1.5.4. Прогноз воздействия объекта при возможных авариях
- •1.6. Технологический процесс как основа промышленного проектирования
- •1.7. Генеральный план химических предприятий
- •1.8. Типы промышленных зданий
- •1.8.1 Основные элементы конструкции производственных зданий и их назначение
- •1.8.2 Одноэтажные промышленные здания
- •1.8.3. Многоэтажные здания
- •1.8.4. Вспомогательные здания и помещения химических предприятий
- •1.8.5. Склады промышленных предприятий
- •1.9. Инженерные сооружения
- •1.10. Специальные вопросы проектирования химических предприятий
- •Глава 2 состав исходных данных и основные стадии
- •2.2 Виды конструкторских документов
- •2.3. Содержание разделов исходных данных для проектирования промышленного химического производства
- •Раздел 1. Общие сведения и технология
- •Раздел 2. Характеристика выполненных научно-исследовательских и опытных работ, положенных в основу исходных данных для проектирования
- •Раздел 3. Технико-экономическое обоснование рекомендуемого метода производства. Перспективы производства и потребления
- •Раздел 4. Патентный формуляр
- •Раздел 5. Техническая характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов, основных и конечных продуктов. Целевое назначение и области применения основных продуктов
- •Раздел 6. Физико-химические корстанты и свойства исходных,
- •Раздел 7. Химизм, физико-химические основы и принципиальная
- •Раздел 8. Рабочие и технологические параметры производства
- •Раздел 9. Материальный баланс производства
- •Раздел 10. Технологическая характеристика побочных продуктов и
- •Раздел 11. Математическое описание технологических процессов и
- •Раздел 12. Данные для расчета, конструирования и выбора основного промышленного технологического оборудования и защиты строительных конструкций
- •Раздел 13. Рекомендации для проектирования автоматизации
- •Раздел 14. Аналитический контроль производства
- •Раздел 15. Методы и технологические параметры очистки химически и механически загрязненных сточных вод, обезвреживания газовых выбросов и ликвидации вредных отходов
- •Раздел 16. Мероприятия по технике безопасности, промсанитарии и противопожарной профилактике
- •Раздел 17. Указатель отчетов и рекомендуемой литературы по
- •2.4 Проектирование в системе подготовки
- •2.4.1 Курсовое проектирование
- •2.4.2. Дипломное проектирование
- •Глава 3 системы автоматизированного проектирования
- •3.1. История развития сапр
- •3.2. Основные принципы создания сапр
- •3.3 Применение эвм для автоматизации процесса пректирования
- •3.4. Автоматическое изготовление чертежей
- •3.5 Основные преимущества автоматизации проектирования.
- •3.6. Основные требования к сапр
- •3.7. Связь сапр с производством, расширение области применения
- •Глава 4 введение в проектирование
- •4.1. Проектно-сметная документация
- •4.2. Технико-экономическое обоснование проекта
- •4.2.1. Исходные положения
- •4.2.2. Обоснование способа производства химической продукции
- •4.2.3. Экономика строительства предприятия и производства продукции
- •Глава 5 выбор и разработка технологической схемы производства
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Последовательность разработки технологической схемы
- •5.3. Принципиальная технологическая схема
- •5.4. Размещение технологического оборудования
- •Глава 6 выбор технологического оборудования химических производств
- •6.1. Основные типы химических реакторов
- •6.2. Химические факторы, влияющие на выбор реактора
- •6.2.1. Реакции расщепления
- •6.2.2 Реакции полимеризации
- •6.2.3. Параллельные реакции
- •6.2.4. Комбинация реактора смешения с реактором вытеснения
- •6.3. Эскизная конструктивная разработка основной химической аппаратуры
- •6.3.1. Общие положения
- •6.3.2. Реакторы
- •6.4. Оптимизация процессов химической технологии
- •Глава 7 уравнения материального баланса технологического процесса
- •7.1. Стехиометрические расчеты
- •7.2. Общее уравнение баланса массы
- •7.3. Практический материальный баланс
- •7.4. Физико-химические основы технологического процесса
- •Глава8 технологический расчет основной и вспомогательной аппаратуры
- •8.1. Общие положения
- •8.2. Расчет объемов реакторов
- •8.2.1. Основные положения химической кинетики
- •8.2.2. Расчет идеальных реакторов
- •8.3. Определение объемов аппарата
- •Глава 9 тепловой расчет основного оборудования
- •9.1. Общее уравнение баланса энергии
- •9.2. Практический тепловой баланс
- •9.3. Теплообмен в реакторах
- •9.4. Расчет энтальпий и теплоемкостей
- •9.5. Расчет реактора периодического действия
- •9.6. Степень термодинамического совершенства технологических процессов
- •Глава 10 гидравлические расчеты
- •10.1. Расчет диаметра трубопровода
- •10.2. Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводе
- •10.3. Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменников
- •10.4. Подбор насосов
- •Глава 11 механический расчет
- •11.1. Расчет сварных химических аппаратов
- •11.1.1. Основные расчетные параметры
- •11.1.2. Расчет на механическую прочность
- •11.1.3 Требования к конструированию.
- •11.1.4 Расчет цилиндрических обечаек.
- •11.1.6. Подбор стандартных элементов
- •11.2. Расчет толстостенных аппаратов
- •Глава 12 конструкционные материалы в химическом машиностроении
- •12.1. Виды конструкционных материалов
- •12.2. Коррозия металлов и сплавов
- •12.2.1. Виды коррозии
- •12.2.2. Виды коррозионных разрушений
- •12.2.3. Способы борьбы с коррозией
- •12.3. Влияние материала на конструкцию аппарата и способ его изготовления
- •12.3.1. Конструкционные особенности аппаратов из высоколегированных сталей
- •12.3.2. Конструктивные особенности эмалированных аппаратов
- •12.3.3. Конструктивные особенности аппаратов из цветных металлов
- •12.3.4. Конструктивные особенности аппаратов из пластмасс
- •Глава 13 оформление отдельных элементов химической аппаратуры
- •13.1. Оформление поверхности теплообмена
- •13.2. Перемешивающие устройства
- •13.3. Уплотнения вращающихся деталей
- •Глава 14 трубопроводы и трубопроводная арматура
- •Глава 15 вспомогательное оборудование химических заводов
- •15.1. Виды вспомогательного оборудования
- •15.2. Транспортные средства
- •15.2.1. Классификация транспортных средств для твердых материалов
- •15.2.2. Машины для транспортировки жидкостей и газов
- •Список рекомендованой литературы
- •1Вимоги до оформлення розрахунково-пояснювальної записки та графічної частини
- •1.1 Загальні вимоги
- •1.2 Вимоги до тексту
- •1.2.10. Оформлення ілюстрацій і додатків.
- •1.3 Оформлення графічної частини
- •2 Склад розрахунково-пояснювальної записки
- •3 Стандартизація і метрологія
- •4 Матеріалоємність і ресурсозбереження
- •5 Будівельна частина
- •5.1 Вибір майданчика для будівництва
- •5.2 Пов’язування технологічної лінії з об’ємно-планувальним рішенням промислової будови
- •5.3 Вибір конструктивного рішення будівлі
- •5.4 Допоміжні будівлі і приміщення
4.2.1. Исходные положения
Характеристика роли данного предприятия, обеспечение роста мощностей и покрытия потребностей в продукции, намечаемой к выпуску:
- соответствие решений ТЭО схеме развития и размещения отрасли химической промышленности, а также схеме развития и размещения производственных сил района;
- характеристика состояния действующего предприятия, оценка и анализ его деятельности, 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 про-
дукции 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, капитальным затратам 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-материальных работ по жилишно-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 раскрываются основные вопросы технико-эко
номического 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 выполнении этого задания необходимо использовать планово-ста-
тистические данные.
Ожидаемый баланс производства и потребления по СНГ, тыс. т:
Потребность 3879
Производство 3066
Дефицит - 813
Ожидаемая потребность в формалине по экономическим районам СНГ
(1990 г), 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
Всего 3161,0
Ожидаемая структура потребления в 1990 г, тыс. т:
Карбамидные смолы 59% 2263,0
Феноло-формальдегид
ные смолы 17% 656,1
Пентаэритрит 7% 268,0
Параформ 1 % 37,4
Полиформальдегид 3% 127,4
Прочие 13% 527,1
Всего 100% 3879,0
Как видно из этих данных, значимость товарной продукции 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 производствен-
ной мощности по метанолу на территории Томского нефтехимического комбината (ТНХК);
- возможность переработки основной массы формалина в формальдегидные смолы на месте при организации его производства на ТНХК;
- имеющиеся железнодорожные и водные транспортные развязки позволяют обес-
печивать продукцией (карбамидными смолами) весь регион от Урала до Дальнего Востока;
- наличие местных источников электроэнергии (районное энергокольцо и своя мощ
ная ТЭЦ на ТНХК);
- наличие водных ресурсов (р. Томь);
- своя стройиндустриальная база;
- 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.
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.
Таблица 4.1. Характеристика действующих производств
Показатель |
г Кемерово, ПО «Азот» |
г Ангарск, ПО АНОС |
г Омск, з-д «Пластмасс» или СК |
г. Зима, Хим- комбинат |
г. Саянск, ПО «Химпром» |
Сырье – ме танол |
Со стороны |
Собственное производство малой мощности |
Отсутствует |
Отсутствует |
Отсутствует |
Наличие промпло- щадки |
Нет возмож ности |
Нет возможности |
Есть |
Есть |
Есть |
Наличие потребителя на месте |
Нет |
Малая произ- водственная, мощность МФС |
Ограниченное потребление, а на ЗСК - нет |
Нет |
Нет |
Обеспечение: энергией
кадрами водой |
Резерва почти нет Имеется Ограничено |
Из районной сети Имеется Очень ограничено |
Имеется
Имеется Имеется |
Имеется
Нет Ограничено |
Имеются
Ограничено Ограничено |
Таблица4.2. Сравнительная характеристика названных методов производства
Метод |
Преимущества |
Недостатки |
Окисление, метанола на серебряном катализаторе |
Практически нет ограничений по мощности единичной установки. Простота конструкции реактора. Низкая металлоемкость и энергозатраты. Высокая производительность |
Высокий расходный коэффициент по сырью. Наличие в формалине до 10% метанола. Наличие примесей муравьиной кислоты в продукте. Расход драгоценного металла - серебра |
Окисление метанола на оксидном катализаторе |
Низкий расходный коэффициент по сырью. Товарный формалин содержит менее 1% примеси метанола и не выше 0,02% муравьиной кислоты |
Повышенный расход энергии и воздуха. Ограничение по единичной мощности установки. Сложность эксплуатации и ремонта реактора. Повышенная металлоемкость. Низкая производительность |
Таблица 4.3. Проектная характеристика способов производства.
Способ производства |
Объем производства | |
тыс. т |
у е | |
На серебряном катализаторе |
360 |
31 428 |
На оксидном катализаторе |
120 |
12 000 |
Таблица 4.4. Проектная себестоимость продукта, у.е.
Способ производства |
Марка ФМ |
Марка ФБМ |
На серебряном катализаторе |
46 |
56 |
На оксидном катализаторе |
54 |
75 |
Таблица 4.5. Сравнительные данные по затратам на основное сырье
Сырье |
Единица измерения |
Цена,уе |
Расходный коэффициент |
Сумма, у.е. | ||||
Окисление на серебряном катализаторе |
|
| ||||||
Метанол |
т |
70-39 |
0,508 |
39-37 |
| |||
Катализатор |
кг |
202-86 |
0,0046 |
4-10 |
| |||
Вода |
т |
2-30 |
0,440 |
0-94 |
| |||
Окисление на оксидном катализаторе |
|
| ||||||
Метанол |
т |
77-80 |
0,570 |
44-37 |
| |||
Катализатор |
кг |
25-00 |
0,115 |
2-74 |
| |||
Вода |
т |
0-65 |
0,160 |
0-10 |
|
Таблица 4.6. Энергозатраты производств
Сырье |
Единица измерения |
Цена, у.е. |
Расходный коэффициент |
Сумма, у.е. | |
Окисление на серебряном катализаторе |
| ||||
Пар |
ГДж |
9-58 |
0,2959 |
2-83 | |
Электроэнергия |
тыс. кВт |
22-00 |
0,06055 |
1-01 | |
Воздух |
тыс. м3 |
16-68 |
0,0572 |
0-95 | |
Окисление на оксидном катализаторе |
| ||||
Пар |
ГДж |
7-84 |
0,261 |
2-05 | |
Электроэнергия |
тыс. кВт |
24-10 |
0,260 |
6-28 | |
Воздух |
тыс. м3 |
19-00 |
0.084 |
1-60 |
Способы отличаются друг от друга физико-химическими основами процесса, количеством получаемой продукции, побочными продуктами, выходами, экономическими и аппаратурными показателями. Как видно из табл. 4 2, наиболее подходящим местом для строительства является площадка ТНХК в г. Томске.
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. табл. 4 3 - 4.6), вопрос о способе производства решается в пользу метода окисления метанола на серебряном катализаторе.
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 аргументами, 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 исключается ряд обоснований, решения по которым уже оговорены в самом задании. Так, 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.).