Категории и типы технологических схем

Технологические схемы принято делить на категории и типы. Категории технологических схем определяются объемом (масштабом) производства и степенью его освоения. Принята классификация, включающая четыре категории технологических схем.

 

Промышленные технологические схемы. Это основная категория постоянно действующих схем, на которых осуществляется производство крупнотоннажной продукции в течение длительного времени эксплуатации. Иногда одна промышленная схема служит для выпуска нескольких видов продукции, имеющих однотипную или близкую технологию. Такие схемы называют совмещенными. В данном случае выпуск различных видов продукции осуществляется циклически по определенному графику, предусматривающему время на переналадку оборудования и подготовку его к выпуску следующего вида продукции. Использование совмещенных технологических схем в ряде случаев является экономически оправданным для производства лекарственных препаратов, витаминов, пищевых добавок и другой малотоннажной продукции, поскольку такие схемы позволяют значительно снизить первоначальные капиталовложения и сократить эксплутационные расходы в целом по предприятию.

 

Опытно-промышленные схемы служат для выпуска опытных партий новых видов продукции, для освоения и отработки новых технологий. В процессе эксплуатации опытно-промышленных схем осуществляется сбор информации и исходных данных для проектирования и монтажа промышленных технологических схем.

 

Стендовые или модульные установки представляют собой малогабаритные легко переоборудуемые виды аппаратуры, смонтированные, как правило, на монтажных фермах («этажерках»). Подобные конструкции позволяют за короткое время переоснастить установку и организовать новое экспериментальное производство. Основное их назначение – освоение производства новых видов продукции, апробация новых методов синтеза и наработка препаратов для широких биологических или клинических испытаний. Модульные установки иногда служат и для серийного выпуска особо малотоннажных продуктов, годовой объем производства которых составляет от нескольких десятков килограмм до 3 – 5 т.

Лабораторные установки. К этой категории схем относят укрупненные лабораторные установки с объемом реакционных сосудов до 10 л, изготовленных из термостойкого стекла с частичным применением металлических узлов и смонтированных с использованием обычного лабораторного оборудования. Они выполняют практически те же функции, что и описанные выше модульные установки. Потребность в отработке методик на лабораторных установках возникает в тех случаях, когда эффект масштабного перехода от лабораторных опытов к промышленному освоению сопровождается значительным снижением выхода целевого продукта. Кроме того, лабораторные установки используются для наработки новых препаратов для биологических или клинических испытаний, а также для получения препаратов и реактивов, потребность в которых составляет лишь сотни граммов или несколько килограммов в год.

Типы технологических схем соответствуют способу организации производства.

 

Схемы периодического действия. На схемах все стадии и производство в целом осуществляется с применением аппаратуры, работающей в периодическом режиме. В большинстве производств малотоннажной химии, в т. ч. при получении биологически активных веществ и лекарственных препаратов, используются технологические схемы периодического действия. Следует отметить, что совмещенные схемы любой категории, как правило, работают в периодическом режиме.

 

Схемы непрерывного действия. Все стадии и в целом производство в этом случае работают в непрерывном режиме. Такие схемы широко используются в крупнотоннажных производствах, включающих минимальное количество стадий. Практически все основные виды продукции нефтехимической промышленности, «большой» химии и тяжелого органического синтеза производятся на технологических схемах непрерывного действия.

 

Схемы смешанного (комбинированного) типа. Такие схемы сочетают стадии или отдельные установки, работающие в непрерывном режиме, со стадиями, на которых используется аппаратура периодического действия. Данный тип схем достаточно широко распространен в производстве антибиотиков, витаминов и других биологически активных препаратов, при получении которых перерабатываются большие объемы сырья, а также в тех случаях, когда оптимальные условия какого-либо технологического процесса обусловлены использованием установок, работающих только в непрерывном режиме. Например, в производстве антибиотиков процессы ферментации чаще всего осуществляются в периодическом режиме, а процессы выделения и очистки целевых продуктов (фильтрование, экстракция, ионообменная сорбция и др.) обычно проводятся на непрерывно-действующих установках (центробежные экстракторы-сепараторы, ионообменные колонны проточного типа, барабанные вакуум-фильтры и т. п.).

Выбор типа технологической схемы осуществляется на первоначальных стадиях проектирования исходя из теоретических и экспериментальных данных с учетом технологической необходимости использования конкретных видов оборудования и на основе тщательного технико-экономического обоснования проектируемого производства.

 

1.5.2. Правила составления и основные требования

К технологическим схемам

 

На начальном этапе проектирования составляется принципиальная технологическая схема будущего производства. При этом осуществляется предварительный выбор основного и вспомогательного оборудования, определяются объекты для расчета и рассматриваются общие вопросы оснащения схемы материальными линиями, обеспечения ее энергоресурсами, контрольно-измерительными приборами, средствами автоматизации и управления технологическими процессами.

На следующем этапе проектирования выполняется весь комплекс технохимических расчетов. Как правило, расчеты начинают с расчета материального баланса всех стадий производства, на которых происходят изменения материальных потоков, и с определения суммарных материальных затрат на производство в целом. Именно расчет материального баланса позволяет получить основные исходные данные для всех последующих технохимических и экономических расчетов.

Далее приступают к технологическим расчетам, главной целью которых является определение основных параметров и производительности установок, их количества для обеспечения заданной мощности производства. После расчета и выбора всех единиц оборудования технологической схемы осуществляются энергетические расчеты, прежде всего включающие тепловые расчеты установок, в которых происходят теплообменные процессы. В результате определяют расход всех видов энергии, необходимых для работы каждой единицы оборудования и технологической схемы в целом.

Следует отметить, что при проектировании принципиально новых крупных производств в современном проектном деле широко применяется математическое моделирование химических и биотехнологических процессов, что позволяет успешно решить вопросы масштабного перехода от лабораторных опытов к промышленному производству, а в некоторых случаях исключить этапы разработки, связанные с созданием и освоением опытно-промышленных и стендовых установок. Это позволяет существенно сократить временную дистанцию от создания нового вида продукции до массового ее производства в необходимых количествах. Особо остро стоит такая проблема в области производства биологически активных веществ и лекарственных средств.

После проведения всего комплекса материальных и технологических расчетов и выбора конкретных единиц оборудования составляется технологическая схема соответствующей категории и типа с приложением ведомости спецификации оборудования. В ведомости приводится основная характеристика каждой позиции оборудования с указанием нормативно-технической документации, используемой при выборе стандартного оборудования (ГОСТ, ОСТ, каталоги на оборудование и т. п.).

Выбор основного и вспомогательного оборудования осуществляется на основе исходных данных, полученных на стадии разработки проектируемого производства в лабораторных условиях, и дополнительных данных, полученных в процессе эксплуатации лабораторных, модульных или опытно-промышленных схем. В некоторых случаях приходится выбирать альтернативный метод синтеза, осуществление которого позволит значительно повысить технико-экономические показатели проектируемого производства. При этом проводится технико-экономический анализ каждого элемента схемы с целью выявления оптимальных вариантов оснащения и компоновки технологической схемы в целом.

Чертежи технологических схем должны отвечать требованиям ЕСКД, ЕСТД и другой общероссийской нормативно-технической документации (НТД), устанавливающей общие требования к проектной документации, а также отраслевых стандартов и НТД, учитывающих специфику отраслей промышленности. Основные требования к чертежам технологических схем сводятся к следующим правилам:

1) расположение единиц оборудования на схеме должно соответствовать последовательности технологического процесса независимо от размещения оборудования в производственных помещениях. При этом, как правило, на схеме отображается относительный уровень размещения оборудования относительно друг друга. Например, емкости, из которых в аппараты подаются жидкости самотеком (мерники, дозирующие устройства), должны на чертежах находиться выше уровня соответствующего аппарата;

2) все позиции оборудования на чертеже нумеруются по ходу технологического процесса. В спецификации оборудования эта нумерация должна строго соблюдаться. Допускается в номера позиций вводить буквенный индекс, характеризующий вид оборудования, например: реактор Р1, мерник М2, фильтр Ф3, сборник Сб4 и т. п. При этом сквозная нумерация сохраняется, т. е. цифровой индекс не должен повторяться;

3) на схеме должна быть приведена работоспособная конструкция установки, обеспечивающая оптимальный ход технологического процесса и его безопасность;

4) на чертеже технологической схемы должны найти отражение следующие характеристики и особенности оборудования:

- место и способ ввода (загрузки) в установку сырья и полупродуктов с указанием, откуда они поступают;

- место и способ вывода (выгрузки) продуктов переработки с указанием, куда они направляются;

- наличие механического перемешивающего устройства;

- наличие теплообменного устройства (условное отображение рубашки, внутреннего или наружного змеевика, трубчатки и т. п.);

- оснащение основного оборудования контрольно-измерительными приборами и средствами автоматического регулирования (КИПиА) с указанием места установки датчиков (стандартными условными обозначениями);

- основные монтажные устройства и способы установки оборудования (условное изображение стоек, боковых опор, консолей, станин и т. п.);

5) на технологической схеме отображаются все материальные линии, связывающие оборудование между собой в единую систему для производства того или иного продукта. Трубопроводы изображаются сплошными линиями с указанием направлений потоков стрелками. В случае многочисленных материальных линий и связей допускается вводить условные обозначения трубопроводов, выделяя их толщиной линии, цветом или другим способом. При этом на чертеже обязательно приводится расшифровка условных обозначений;

6) на линиях материальных трубопроводов в соответствии с требованиями ЕСТД отображается трубопроводная арматура, необходимая для ручной или автоматической регулировки потоков и безопасной транспортировки жидкостей и газов (вентили, краны, клапаны, смотровые фонари, огнепреградители, отсекатели и т. п.);

7) общезаводское и общецеховое оборудование (общецеховые хранилища сырья, сборники общецеховых отходов, установки по переработке и регенерации растворителей или утилизации отходов производства и т. п.) на чертеже технологической схемы не приводится, но условными обозначениями или словами указывается откуда поступают или куда направляются вещества, растворы или отходы данного производства;

8) на чертежах технологических схем не приводятся схемы энергообеспечения установок и трубопроводы с общезаводскими энергоносителями (вода, пар, сжатый воздух, охлаждающие агенты и т. п.), но условными обозначениями указывается обеспеченность той или иной установки необходимыми энергоносителями с указанием места их ввода-вывода;

9) если в производстве имеется несколько идентичных технологических линий (параллельных ниток) или несколько однотипных аппаратов (установок), выполняющих один и тот же вид работы, то на чертеже отображается лишь одна линия или аппарат, а их количество указывается в спецификации к чертежу.

При разработке принципиальной технологической схемы для производства нового вида продукции или экспериментального производства рекомендуется использовать типовые модульные установки или схемы совмещенного типа. При этом схема должна быть полностью адаптирована к конкретному производству с обеспечением необходимых параметров и условий технологических процессов. При выборе оборудования для монтажа проектируемой схемы следует максимально использовать стандартные установки, реакторы, их оснастку и лишь в случае необходимости включать в схему уникальное нестандартное оборудование. Однако следует внимательно относиться к вопросам выбора появившейся на рынке новой аппаратуры, которая может существенно повысить технический уровень производства и обеспечить выпуск продукции высокого качества.

 

Оформление чертежей технологических схем

 

При разработке регламента производства лекарственных средств медицинской промышленностью России рекомендуется использование так называемого «флажкового» метода изображения технологического оборудования. В данном методе вся емкостная аппаратура изображается в виде многоугольников различной конфигурации в зависимости от основных условий работы установки (давление, вакуум, нагрев, охлаждение). В качестве примера приведены обозначения аппаратов, работающих при различном давлении (рис. 1.2 а-г).

 

Рис. 1.2. Обозначения аппаратов: работающих при атмосферном (а),

повышенном (б), пониженном (в), повышенном и пониженном (г) давлении

Однако информативность таких схем весьма ограничена. Поэтому в данном разделе приводятся условные обозначения оборудования, общепринятые на предприятиях химической промышленности, и примеры их использования при составлении отдельных фрагментов технологических схем.

 

Условные обозначения оборудования на технологических схемах. На чертежах технологических схем оборудование и аппаратуру принято изображать в виде условных знаков, имеющих сходство с реальным чертежом соответствующего устройства. В качестве примера приведены изображения трубопроводной арматуры, емкостной аппаратуры, фильтровального оборудования, сушилок и теплообменников (рис. 1.3 – 1.7).

Рис. 1.3. Трубопроводная арматура и механические устройства

 

 

 

Рис. 1.4. Емкостная аппаратура, реакторы с рубашкой, сборники,мерники

 

 

 

Рис. 1.5 Фильтровальное оборудование

 

 

Рис. 1.6. Сушилки

Рис. 1.7. Теплообменники

При отражении на чертеже этой и другой химической аппаратуры допускаются и иные типы условных изображений. Следует отметить то, что каждая установка должна иметь весь необходимый набор запорной арматуры – краны, вентили, сообщение с атмосферой (воздушки), смотровые фонари и т. п.

 

Выбор способов перемещения жидкофазных смесей и отражение их

на чертежах. При разработке технологической схемы следует обращать внимание на выбор методов перемещения жидкостей и суспензий из одной емкости в другую.

Одним из способов перемещения является перекачивание насосами. В промышленности для этих целей широко используются центробежные (лопастные) насосы. Областью применения центробежных насосов являются транспортировка больших объемов жидкостей; передача жидкостей на большие расстояния, подача их на значительную высоту; перемещение суспензий с высоким содержанием твердой фазы (специальные насосы для суспензий). Достоинства центробежных насосов:

- относительная простота конструкции по сравнению с емкостными насосами (поршневыми, плунжерными, мембранными);

- достаточно высокий КПД, относительно низкое гидравлическое сопротивление, минимальные затраты энергии на трение подвижных частей;

- длительный срок эксплуатации, легкость ремонта и обслуживания;

- возможность изготовления рабочих органов насоса из коррозионно-устойчивых, кислотоупорных материалов (ферросилид, керамика, каменное литье и т. п.).

Однако, наряду с достоинствами, имеются недостатки и ограничения по применению центробежных насосов:

- невозможность подачи жидкостей под давлением (центробежные насосы создают напор, но не давление);

- трудность точной регулировки объемной скорости потока и дозировки жидкостей;

- необходимость заполнения некоторых типов насосов жидкостью перед их пуском в работу.

На рис. 1.8 изображено перекачивание жидкости из хранилища с помощью центробежного насоса:

 

Рис. 1.8. Емкость (хранилище) с центробежным насосом

 

Такие насосы устанавливают на уровне не выше минимального уровня жидкости в сосуде, из которого перемещается жидкость (рис. 1.8), либо на всасывающей линии устанавливают клапан, не позволяющий жидкости вытекать из рабочей полости насоса. Помимо выносных центробежных насосов для перекачивания агрессивных жидкостей используются специальные погружные насосы, которые изготавливаются из антикоррозионных материалов и помещаются внутри емкости.

 

Емкостные насосы (поршневые, плунжерные, мембранные и др.). Область применения: подача жидкостей под давлением в широких пределах; использование в качестве насосов-дозаторов для точной дозировки жидкостей и регулирования их объемной скорости.

Емкостные насосы широко используются для подачи жидкофазного сырья или полупродуктов в установки непрерывного действия.

Недостатками емкостных насосов по сравнению с центробежными являются:

- сложность конструкции и высокая стоимость насосов;

- более низкий КПД вследствие затрат энергии на трение подвижных деталей насоса и на преодоление гидравлического сопротивления;

- трудность и дороговизна изготовления насосов с высокой коррозионной устойчивостью.

 

Перемещение жидкости за счет разности давления. Другим методом перемещения жидкостей или суспензий является использование разности давлений в аппаратах. В качестве примера на рис. 1.9 приведен этот способ.

 

 

 

Рис. 1.9. Перемещение жидкофазной смеси из емкости Е1 в емкость Е2 с помощью давления или вакуума: А – воздушка, В – вакуум, Д – сжатый воздух

 

Положение запорной арматуры при перемещении смесей из емкости Е1 в емкость Е2 («О» – открыто, «З» – закрыто) показано в табл. 1.5.

Таблица 1.5

 

Перемещение с помощью	Обозначение запорной арматуры и ее положение
А1	В1	Д1	А2	В2	Д2
Вакуума	О	З	З	З	О	З
давления	З	З	О	О	З	З

 

Такой способ перемещения жидкофазных смесей является самым распространенным для передачи их в пределах конкретной технологической схемы или на небольшие расстояния.

Достоинства способа перемещения жидкости за счет разности давления:

- значительное сокращение или полное исключение насосного оборудования (в пределах данной схемы);

- снижение капитальных затрат на создание схемы, сокращение удельных энергозатрат на ее эксплуатацию;

- более простое решение вопросов безопасной эксплуатации оборудования в пожаровзрывоопасных производствах, в частности, использование инертных газов для перемещения легковоспламеняемых жидкостей (ЛВЖ) и других пожароопасных смесей.

Недостатки и ограничения:

- относительно небольшие расстояния транспортировки жидкостей;

- ограничение в перепаде высот при передаче жидкостей из сосудов, расположенных на различных уровнях. При использовании вакуума максимальный перепад высот обычно составляет 5 – 6 м. В случае применения давления этот перепад зависит от величины избыточного давления в системе, при этом следует иметь в виду, что давление сжатого воздуха в заводских сетях обычно составляет 0,3 МПа;

- недопустимость использования вакуума для перемещения низкокипящих жидкостей (эфир, хлороформ, сероуглерод и т. п.) из-за возможности их испарения или вскипания;

- недопустимость использования сжатого воздуха для перемещения ЛВЖ и любых веществ, способных образовывать взрывопожароопасные смеси с кислородом воздуха. В таких случаях необходимо использовать сжатый инертный газ (азот, СО₂, аргон и т. п.);

- трудность или невозможность перемещения тяжелых вязких жидкостей, суспензий с высоким содержанием твердой фазы.