- •Рис. 9.2. К расчету теплообмена в реакторе вытеснения
- •Рис. 7.2. К примеру 10.1
- •Рис. 11.4. К примеру 11.1
- •Рис. 11.9. К расчету шпилек
- •Рис. 11.10. К примеру 11.3
- •Рис. 11.11. К примеру 11.5
- •Рис. 13.10. Рамные мешалки
- •Рис. 13.11. Якорные мешалки
- •Предисловие
- •Экологическое и технико-экономическое обоснование проектов химических производств.
- •Этапы проведения экологической экспертизы
- •Принципы экологической экспертизы
- •Рис. 1.1. Общая система организации проектирования
- •Рис. 1.2. Основные этапы и стадии разработки проектов для промышленного строительства
- •1.2. Задание на проектирование
- •Рис. 1.3. Пример построения розы повторяемости и силы ветров
- •Рис.1.4. Схема выпадения дымовых частиц при наличии зеленых защитных насаждений между застройкой и источником задымления и при отсутствии их:
- •Рис. 1.5. Совмещенная схема движения загрязненных нижнего и верхнего потоков
- •1.5. Разработка проектной документации по охране окружающей среды
- •1.5.2. Разработка прогноза загрязнения воздуха
- •1.5.4. Прогноз воздействия объекта при возможных авариях
- •1.6. Технологический процесс как основа промышленного проектирования
- •Рис. 1.6. Схема производства серной кислоты контактным способом:
- •Рис. 1.8. Процессы и аппараты химической технологии
- •Рис. 1.9. Виды оборудования химической технологии
- •Рис. 1.11. Уровни организации химического предприятия
- •1.7. Генеральный план химических предприятий
- •Рис. 1.12. Генеральный план предприятий химической промышленности
- •1.8. Типы промышленных зданий
- •1.8.1. Одноэтажные промышленные здания
- •Рис. 1.13. Одноэтажное здание павильонного типа:
- •Рис. 1.14. Многоэтажное производственное здание:
- •1.8.2. Многоэтажные здания
- •Рис. 1.15. Многоэтажное производственное здание:
- •Рис. 1.16. Поперечные разрезы зданий I и II очередей сернокислотного производства:
- •1.8.3. Вспомогательные здания и помещения химических предприятий
- •1.8.4. Склады промышленных предприятий
- •1.9. Инженерные сооружения
- •инженерных сооружений
- •1.10. Специальные вопросы проектирования химических предприятий
- •2.1. Основные стадии проектирования химических производств и оборудования
- •Рис. 2.1. Основные стадии проектирования
- •2.2. Виды конструкторских документов
- •2.4.1. Курсовое проектирование
- •2.4.2. Дипломное проектирование
- •2.4.3. Пример использования АвтоЛиспа
- •Рис. 2.2. Схема установки для ректификации трехкомпонентной смеси:
- •СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •3.1. История развития САПР
- •3.2. Основные принципы создания САПР
- •Рис. 3.1. Модульная структура программного обеспечения
- •Рис. 3.2. Области использования ЭВМ в процессе проектирования
- •3.4. Автоматическое изготовление чертежей
- •3.5. Основные преимущества автоматизации проектирования
- •3.6. Основные требования к САПР
- •Рис. 3.3. Схема взаимодействия пользователя со средствами САПР:
- •3.7. Связь САПР с производством, расширение области применения
- •3.8. Система автоматизированного проектирования цементных заводов
- •3.8.1. Функционирование САПР
- •ВВЕДЕНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИЕ
- •4.1. Проектно-сметная документация
- •4.2.1. Исходные положения
- •4.2.2. Обоснование способа производства химической продукции
- •ВЫБОР И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Последовательность разработки технологической схемы
- •Рис. 5.1. Примерная схема стадий технологического процесса:
- •Рис. 5.2. Блок-схема физико-химических процессов, протекающих в гетерофазном реакторе с мешалкой
- •5.3. Принципиальная технологическая схема
- •5.4. Размещение технологического оборудования
- •Выбор технологического оборудования химических производств
- •6.1. Основные типы химических реакторов
- •Рис. 6.1. Установка для непрерывного процесса:
- •Рис. 6.5. Изменение концентрации веществ в реакторах:
- •Рис. 6.6. Реакторы смешения:
- •6.2. Химические факторы, влияющие на выбор реактора
- •6.2.1. Реакции расщепления
- •Рис. 6.7. Относительный выход реакции расщепления:
- •Реактор
- •6.2.2. Реакции полимеризации
- •6.2.3. Параллельные реакции
- •Объем реактора
- •РВНД
- •6.3. Эскизная конструктивная разработка основной химической аппаратуры
- •6.3.1. Общие положения
- •6.3.2. Реакторы
- •6.4. Оптимизация процессов химической технологии
- •УРАВНЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
- •7.1. Стехиометрические расчеты
- •7.2. Термодинамический анализ процессов
- •7.2.1. Равновесие химической реакции
- •Рис. 1.1. Зависимость коэффициента активности газв от приведенных давления и температуры
- •7.2.2. Расчет состава равновесной смеси
- •7.3. Общее уравнение баланса массы
- •7.4. Практический материальный баланс
- •7.5. Физико-химические основы технологического процесса
- •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
- •Тепловой расчет основного оборудования
- •9.1. Общее уравнение баланса энергии
- •Рис. 9.1. К примеру 9.1
- •9.2. Практический тепловой баланс
- •9.3. Теплообмен в реакторах
- •9.4. Расчет энтальпий и теплоемкостей
- •9.6. Расчет реактора периодического действия
- •Рис. 9.3. К тепловому расчету реактора периодического действия
- •9.7. Степень термодинамического совершенства технологических процессов
- •Рис. 9.6. Технологическая схема 1:
- •Рис. 9.7. Технологическая схема 2
- •Рис. 9.8. Схемы использования тепла реакций:
- •Гидравлические расчеты
- •10.1. Расчет диаметра трубопровода
- •Пары, насыщенные при абсолютном давлении (МПа)
- •Рис. 10.1. Зависимость коэффициента трения от критерия Рейнольдса и степени шероховатости трубы
- •10.3. Гидравлическое сопротивление кожухотрубчатых теплообменников
- •10.4. Подбор насосов
- •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
- •Рис. 11.1. Номограмма для определения толщины цилиндрических обечаек, работающих под наружным давлением
- •Рис.11.2. Схема пользования номограммой на рис. 11.1:
- •11.1.5. Расчет крышек и днищ
- •Рис. 11.3. Основные конструкции днищ сварных аппаратов:
- •11.1.6. Подбор стандартных элементов
- •11.2. Расчет толстостенных аппаратов
- •Рис. 11.7. Основные конструкции уплотнений затворов высокого давления:
- •Рис. 11.8. К расчету усилий, действующих на затворы высокого давления
- •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
- •Рис. 12.1. Сварка встык:
- •Рис. 12.2. Способы подготовки кромок под сварку
- •Рис. 12.4. Способы сварки легированной и углеродистой стали
- •12.3.2. Конструктивные особенности эмалированных аппаратов
- •Рис. 12.5. Элементы конструкции эмалированных аппаратов
- •Рис 12.6. Пайка элементов медных аппаратов
- •12.3.3. Конструктивные особенности аппаратов из цветных металлов
- •Рис. 12.7. Основные типы паяных соединений
- •12.3.4. Конструктивные особенности аппаратов из пластмасс
- •ОФОРМЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
- •13.1. Оформление поверхности теплообмена
- •Рис. 13.5. Реактор со змеевиковой рубашкой
- •Рис. 13.6. Рубашка с вмятинами
- •Рис. 13.8. Вывод змеевика через крышку аппарата:
- •13.2. Перемешивающие устройства
- •Рис. 13.12. Листовая мешалка
- •Рис. 13.13. Пропеллерные мешалки
- •Рис. 13.14. Турбинные мешалки открытого (а) и (б) закрытого типа
- •Рис. 13.15. Крепление мешалок к ступице:
- •13.3. Уплотнения вращающихся деталей
- •Рис. 13.18. Одинарное торцовое уплотнение:
- •ТРУБОПРОВОДЫ И ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА
- •Рис 14.5. Фасонные части трубопроводов
- •Рис. 14.7. Крепление горизонтальных и вертикальных трубопроводов на подвесках
- •Рис. 14.8. Компенсаторы:
- •ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ
- •15.1. Виды вспомогательного оборудования
- •Рис. 15.1. Схема многостадийного диспергирования твердой фазы с контрольной классификацией продукта
- •15.2. Транспортные средства
- •15.2.1. Классификация транспортных средств для твердых материалов
- •15.2.2. Машины для транспортировки жидкостей и газов
- •ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
- •16.1. Классификация методов гранулирования и особенности уплотнения гранул
- •Рис. 16.1. Тарельчатый гранулятор:
- •Рис. 16.2. Гранулятор барабанного типа конструкции НИИХиммаша
- •16.3. Основные закономерности и аппаратурное оформление метода экструзии
- •16.5. Гранулирование в псевдоожиженном слое
- •16.6. Технологические схемы процессов гранулирования дисперсных материалов
- •Рис. 16.11. Технологическая схема гранулирования шихты методом окатывания
- •Рис. 16.13. Схема уплотнения шихты в роторном грануляторе
- •Рис. 16.14. Схема гранулирования шихты методом экструзии
- •Рис. 16.15. Схема установки для компактирования шихты
- •ЛИТЕРАТУРА
Министерство образования Российской Федерации Томский политехнический университет
В.И. Косинцев, А. И. Михайличенко, Н. С. Крашенинникова,
В.М. Миронов, В. М. Сутягин
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Издание 2-е, исправленное и дополненное
Под редакцией А. И. Михайличенко
Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов «Химическая технология неорганических веществ и материалов», «Химическая технология органических веществ и топлива», «Химическая технология высокомолекулярных соединений и полимерных материалов», «Химическая технология материалов современной энергетики», «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий», «Энерго- и ресурсосберегающие процессы химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», «Биотехнология»
Москва ИКЦ «АКАДЕМКНИГА»
2010
1
УДК 66 ББК 65.304.17
О75
Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, профессор Г. Г.Волокитин (Томский государственный архитектурно-строительный университет)
доктор технических наук, профессор В. И. Верещагин (Томский политехнический университет)
Основы проектирования химических производств: Учебник для вузов /Под ред. А. И. Михайличенко. – М.: ИКЦ «Академкнига» 2010. – 371 с.
ISBN 5-94628-131-3
Рассмотрены основные принципы и этапы архитектурно-строительного и технологического проектирования химических производств с разработкой технологической схемы, материальными и тепловыми расчетами, механическим расчетом и подбором стандартного оборудования
Учебник подготовлен на химико-технологическом факультете Томского политехнического университета и в Российском химико-технологическом университете им. Д. И. Менделеева и предназначен для студентов очного и заочного обучения химических специальностей вузов и факультетов, а также может быть использован инженерно-техническими работниками химической промышленности.
ISBN 5-94628-131-3 |
© В. И. Косинцев, А. И. Михайличенко, |
|
Н. С. Крашенинникова, |
|
В. М. Миронов, В. М. Сутягин, 2010 |
|
© ИКЦ «Академкнига», 2010 |
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
К настоящему времени в мире синтезировано огромное количество химических соединений. Отрасль химических производств является ведущей и определяет в целом прогресс химической промышленности. Она обеспечивает сырьем все остальные отрасли народного хозяйства. Поэтому создание современной, экологически и экономически целесообразной технологии производств химических продуктов (молекул, катализатора, растворителя, полимера и т.д.) является основной задачей химиков-технологов. К инженерам химикам-технологам предъявляются высокие требования в различных областях знаний. Именно они должны уметь выбирать наиболее приемлемые варианты производства того или иного химического продукта.
Химик-технолог должен знать основы специальной технологии, особенно ее общие методы и принципы, владеть методикой экономических и экологических расчетов, так как в процессе разработки технологии необходимо оценивать различные пути синтеза химических продуктов, методы их производства, варианты технологических схем и оценивать среди них оптимальные, выбирать наиболее необходимое оборудование и надежную систему контроля и регулирования производства.
Для этого он должен в достаточной мере знать основу конструирования реакторов синтеза химических веществ. Кроме того, химик-технолог, является центральной фигурой при создании, проектировании и эксплуатации химических производств.
Поэтому необходимо готовить высококвалифицированных химиков-тех- нологов низкого профиля. В связи с этим настоящее пособие будет необходимым в процессе подготовки специалистов, а так же при их переподготовки.
Истинной сутью проектирования производств является соединение химической идеи с инженерным поиском, диктуемых экономическими, экологическими факторами. В процессе проектирования химических производств решаются многие задачи:
−технология производства и его аппаратурное оформление;
−генеральный план;
−электротехническое обеспечение и т.д.
Однако нас в контексте этой книги интересует технологическое проектирование, включающее в себя:
− выбор метода химического производства продуктов, отвечающего конкретным условиям;
3
−экологическое технико-экономическое обоснование проектов;
−расчет, выбор и разработку необходимого технологического оборудо-
вания;
−рациональное размещение оборудования в цехе;
−механизация и автоматизация процесса.
Впособии рассматривается системный подход к проектированию сложных систем, какими являются химические производства. В частности, рассмотрены приемы и методы разработки технологической схемы производства, эскизное конструирование реакторов, объемнопланировочные ремонты цеха.
Кроме того, приводится методика проведения материальных, тепловых балансов, расчеты реакторов и другие расчеты.
Экологическое и технико-экономическое обоснование проектов химических производств.
Нормативной основой экологического обоснования проектов служат:
−закон РФ и об охране окружающей среды;
−инструкция по экологическому обоснованию хозяйственной деятельности (утвержден приказом Министерства России от 29.12.1995г., № 5351).
Методология создания и проектирования химических производств включает последовательное выполнение работ на различных этапах:
−предпроектная разработка химических технологий;
−выполнение рабочего проекта производства химических продуктов. Предпроектная разработка химических производств включает в себя:
−экологическое обоснование инвестируемых проектов химических производств;
−технико-экономическое обоснование проектных решений.
На рис 1. представлена процедура экологического обоснования инвестируемых проектов химических производств.
Экологическая экспертиза технологий химических веществ − это оценка малоотходности производства в сравнении с выработанными нормативами или имеющимися лучшими образцами. При этом определяется степень экономичности и экологической опасности способа производства и технологических переделов, выхода технологии в окружающую среду и т. д.
Методы экологической оценки технологии следующие:
−материальные балансы и технологические расчеты;
−технологическая альтернатива;
−прогнозирование технологического риска;
−оценка экологической опасности технологии;
4
Этапы
Определение цели инвестирования
Обоснование инвестиций в строительство
Природопользование |
|
|
Документация |
Общественность |
Исполнительная власть |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Инвестиционный |
|
Публикация |
|
|
Предварительное со- |
|||||||
1.Экологическая оценка рай- |
||||||||||||||||
|
|
замысел (принятие |
|
в СМИ |
|
|
гласование |
хозяй- |
||||||||
она предполагаемого разме- |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
решения о созда- |
|
|
|
|
|
ственной деятельности |
||||||||
щения |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
нии объекта) |
|
|
|
|
|
определения |
участка |
||||||
2. Источники |
воздействия- |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
застройки |
|
|
||||
выдвижения |
экологических |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
нагрузок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3.Определние |
граничных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ходатайство о |
|
|
|
|
|
|
|
Принципиальное |
|
|||||
условий природопользова- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
намерениях |
|
|
|
|
|
|
|
одобрение админи- |
|
|||||
ния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
страции места раз- |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мещения объекта |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.Принципиальные технические решения и основные техникоэкономические показатели.
2.Предварительное согласование условий природопользования (граничные экологические условия).
3.Оценка потенциального воздействия на окружающую среду (ОВОС).
4.Определение санитарно-за- щтитной зоны и зоны воздействия (СЗЗ и ЗВ).
5.Декларация о безопасности промышленного объекта. 6.Проект решения на природопользование.
Обоснование
инвестиций (Буклет ОИ)
Государственная экологическая экспертиза
Утверждение ИО
Обсуждение с общественностью
Общественная
экологическая
экспертиза
Решение о предварительном согласовании площадки.
Разрешение на проектно-изыска- тельские работы. Акт выбора земельного
участка.
5
Этапы
Разработка проектной документации
Природопользование |
|
Документация |
|
Общественность |
|
Исполнительная власть |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.Детализируются |
технические |
|
Технико-экономиче- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Обсуждение с |
|
|
|
|
|||||||
решения выбранного варианта. |
|
|
ское обоснование |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение об изъя- |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
2.Согласование условий приро- |
|
(проект) строитель- |
|
|
|
|
|
общественно- |
|
|
|
||||||
допользования. |
|
|
|
ства, или рабочий |
|
|
|
|
|
стью |
|
|
тии земельного |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
3.Разрабатываются |
мероприятия |
|
|
проект |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
участка |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
по охране окружающей природ- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общественная |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ной среды. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
экологическая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4.Уточняются технико-экономи- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
экспертиза |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ческие показатели. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Государственная эко- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
5.Оформляются |
согласования |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
логическая эксперти- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
природоохранных |
и надзорных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
за |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
органов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Утверждение ИО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рабочая документация
Рис. 1. Процедура экологического обоснования инвестиционных проектов химических производств
6