Расчет оборудования технологических систем непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Технологические системы непрерывного действия характерны для производств неорганических веществ и продуктов переработки нефти: кислот, оснований, минеральных удобрений, жидкого топлива. ТС непрерывного действия чаще всего выпускают единственный продукт в большом объеме (десятки и сотни тысяч тонн в год). Стадии, где реализуются основные этапы выпуска продукта, часто оснащаются специализированным оборудованием, предназначенным только для конкретного процесса в конкретном производстве.

1. Содержание и последовательность расчета

Для определения основных конструкционных размеров и количества аппаратов стадий ТС (реакторов, колонн), способных обеспечить заданную производительность системы, используются следующие соотношения:

1. Если для стадии j ТС заданы значения времени пребывания массы в аппаратах (_j) или (и) скорости перемещения массы через аппарат (w_j), то рабочий объем каждого из n_j параллельных аппаратов непрерывного действия, установленных на этой стадии,

,

площадь поперечного сечения каждого из них

,

а длина рабочей зоны

.

Если для стадии j задан массовый материальный индекс, то вместо v_j в этих формулах используется отношение m_j/_j, где _j - плотность среды, обрабатываемой в аппаратах стадии.

2. Если для стадии j задано значение удельной производительности аппаратов (a_j), то в зависимости от ее размерности вычисляется либо объем аппаратов

,

либо площадь рабочей поверхности

.

В этих формулах g_j = v_j, если значение a_j характеризует объемную удельную производительность и g_j = m_j, если массовую.

3. Если аппараты стадии j заполнены катализатором или насадкой, то площадь поперечного сечения аппарата

,

рабочий объем

,

а длина рабочей зоны

.

Здесь S_j - площадь поверхности насадки или катализатора (м²), _j - удельная поверхность насадки или катализатора (м²/м³), b_j - отношение свободного сечения насадки или катализатора к сечению пустого аппарата.

Из приведенных формул видно, что при расчете оборудования стадии ТС необходимо либо задать число параллельно работающих аппаратов и определить их основные размеры, либо задать размер аппарата (стандартного), и найти необходимое количество таких аппаратов. Заметим, что обычно на всех стадиях ТС устанавливается одинаковое количество основных аппаратов (говорят, что ТС работает "в одну нитку", "в две нитки" и т.д.). В этом случае различные аппараты одной стадии работают независимо друг от друга и связаны только с аппаратами соседних стадий. В принципе возможна и установка на различных стадиях ТС неодинакового числа параллельно работающих основных аппаратов, но это приводит к необходимости разделять стадии буферными емкостями. В такую емкость собирается масса, обработанная всеми аппаратами предыдущей стадии, а из нее масса подается в аппараты следующей стадии.

В состав аппаратурного оформления (АО) некоторых стадий ТС непрерывного действия могут входить машины (питатели, дозаторы, измельчители, классификаторы, насосы), к числу основных размеров которых относятся габариты рабочих камер и рабочих органов. Необходимое число машин и их основные размеры определяются в соответствии с известными методиками по заданным материальным индексам стадий и физико-механическим характеристикам обрабатываемой массы.

Пример. Рассчитать основное оборудование технологической системы, выпускающей двойной суперфосфат поточным методом, производительностью 100000 т/год (приблизительно10000 кг/ч). Упрощенная схема ТС представлена на рисунке 2.1. Сырьем для производства двойного суперфосфата поточным методом является фосфоритный концентрат в виде муки и фосфорная кислота, содержащая 2934% Р₂О₅. Для нейтрализации свободной кислотности готового продукта используется мел.

Основная химическая реакция получения двойного суперфосфата разложением фосфоритного концентрата фосфорной кислотой

Ca₅(PO₄)₃F + 7H₃PO₄ + 5H₂O 5Ca(H₂PO₄)₂H₂O + HF

реализуется в реакторном блоке из двух (или трех) реакторов-смесителей, соединенных последовательно. Каждый реактор имеет четыре механических перемешивающих устройства. Из последнего реактора большая часть пульпы погружным насосом подается на сушку в распылительную сушилку. Высушенный порошок двойного суперфосфата подается в двухвальный лопастной смеситель-гранулятор. Сюда же из последнего реактора подается небольшое количество пульпы.

Рисунок 2.1 Схема ТС по производству двойного суперфосфата поточным методом

1 - реакторы-смесители, 2 - сушилка распылительная, 3 - гранулятор двухвальный лопастной, 4 - сушилка барабанная, 5 - грохот двухситовой вибрационный, 6 - дробилка валковая (ДГ), 7 - нейтрализатор барабанный.

Влажные гранулы поступают из гранулятора в сушильный барабан. Высушенный гранулированный двойной суперфосфат рассеивают на грохоте. Крупная фракция (> 5 мм) направляется на измельчение и затем на пересев, мелкая фракция (< 1мм) снова подается в гранулятор в качестве ретура ("зародышей" для образования гранул). Средняя фракция гранул (15 мм) направляется в барабан-нейтрализатор (сушильный барабан без насадки), где суперфосфат обрабатывается тонкоизмельченным мелом и в результате реакции

CaCO₃ + 2H₃PO₄ Ca(H₂PO₄)₂H₂O + CO₂

содержание свободной кислоты в нем доводится до 5%. Из нейтрализатора суперфосфат подается на упаковку. Заметим, что стадии 1 и 2 рассматриваемой ТС оснащаются специализированным нестандартным оборудованием (реакторы-смесители и распылительная сушилка), которое монтируется из составных частей непосредственно на месте установки.

Исходные данные для расчета:

- стадия 1: n₁=1 (один блок), m₁=18650 кг/ч, ₁=1600 кг/м³, ₁=3 ч, ₁=0.6;

- стадия 2: n₂=1, m₂=7450 кг/ч (по испаряемой влаге), а₂=15 кг/(м³ч);

- стадия 3: n₃=1, m₃=14000 кг/ч, ₃=935 кг/м³, ₃=0.05 ч, ₃=0.8;

- стадия 4: n₄=1, m₄=1500 кг/ч (по испаряемой влаге), а₄=30 кг/(м³ч);

- стадия 7: n₇=1, m₇=10500 кг/ч, ₃=950 кг/м³, ₇=0.25 ч, ₇=0.4.

Расчет грохота и дробилки может быть произведен по известным методикам, см. [4-6], и здесь не рассматривается.

Расчет:

(поскольку вся масса проходит реакторы последовательно, все они должны иметь такой объем),

(степень заполнения здесь не учитывается, т.к. удельная производительность дана по испаряемой влаге),

,

,

.

При других значениях n_j будут получены другие значения размеров аппаратов. Если число основных аппаратов на различных стадиях будет неодинаковым, придется предусмотреть установку буферных емкостей между стадиями и определить их размеры по вышеприведенным соотношениям (увеличить число стадий системы).

Как правило, стадии проектируемой ТС оснащаются стандартным оборудованием, поэтому полученные в результате расчета значения V_j, F_j и L_j необходимо округлять до ближайших значений, соответствующих основным размерам стандартных аппаратов. Можно решить и обратную задачу: определить по тем же соотношениям требуемое число параллельно работающих аппаратов, основные размеры которых заданы. Необходимость округления найденных значений V_j, F_j, L_j до ближайших стандартных, или значений n_j до ближайших целых может привести к тому, что оборудование некоторых стадий ТС будет использоваться не полностью: реальная производительность, степень заполнения рабочего объема обрабатываемой массой будут меньше максимально допустимых. Например, при округлении числа параллельно работающих реакторов с 1.5 до 2, придется смириться с тем, что они будут заполняться реагентами лишь на 75% от возможного, а приняв к установке сушилку объемом 500 м³ при необходимых 450 - с тем, что ее реальная производительность составит 90% от возможной.

2. Постановка задачи расчета оборудования проектируемой ТС

Поскольку существует множество различных вариантов аппаратурного оформления проектируемых технологических систем, встает вопрос об их оценке и выборе наилучшего, т.е. о критерии оптимальности АО ТС. Для оценки эффективности вариантов АО могут быть использованы экономические, технологические показатели, а также такие характеристики ТС, как чувствительность, управляемость и надежность.

Один из наиболее популярных критериев экономической эффективности АО ТС - это приведенные затраты на выпуск продукции (затраты за определенный период, чаще всего за год): амортизация оборудования и производственного помещения, затраты на производство и приобретение всех видов энергии (электричество, тепло, холод), на сырье и материалы, на хранение и отгрузку готовой продукции, на обслуживание и ремонт оборудования (зарплата персонала) и т.д. К числу технологических показателей эффективности АО стадий ТС можно отнести выход целевых продуктов, термодинамический к.п.д. ее аппаратов, коэффициенты скорости реализуемого процесса (теплопередачи, массопередачи, химической реакции).

Чувствительность ТС - это оценка степени изменения характеристик ее функционирования под влиянием малых изменений режимных и конструктивных параметров, а также внешних факторов. При проектировании стремятся выбирать оборудование, малочувствительное к изменению собственных параметров и внешних воздействий.

Управляемость ТС - это оценка ее способности обеспечивать заданную производительность и требуемое качество продукции в реальных условиях эксплуатации при нестабильности и ограниченности необходимых ресурсов.

Надежность ТС - это оценка ее возможности сохранять работоспособность в течение определенного периода времени, приспосабливаться к обнаружению и устранению причин, вызывающих отказы. Существует методика количественной оценки чувствительности, управляемости и надежности проектируемой ТС.

При расчете оборудования ТС на этапе разработки технического проекта или проектной записки возможности использования упомянутых показателей эффективности ее АО весьма ограничены. Методика расчета не дает возможности применить технологические показатели, характеристики чувствительности и управляемости, т.к. материальные индексы стадий и нормы режима функционирования их оборудования считаются постоянными. Из экономических показателей можно использовать только затраты на оборудование, если известны зависимости стоимости аппаратов различных типов от их основных размеров.

Надежность АО ТС в данном случае можно оценивать только в том смысле, что при работе системы "в одну нитку" выход из строя основного аппарата любой из ее стадий потребует остановки всех остальных и прекращения выпуска продукции, а при установке на стадии нескольких основных аппаратов, работающих параллельно, ТС может продолжать работать с меньшей производительностью. Учесть это обстоятельство можно путем введения в критерий эффективности АО ТС штрафа за установку на ее стадии единственного основного аппарата.

При использовании для оснащения стадий ТС стандартного оборудования для оценки эффективности ее АО можно также применить количественную оценку степени использования выбранных аппаратов, например разность между числом основных аппаратов, установленных на стадии, и реально необходимым для обеспечения требуемой производительности.

На основании вышесказанного в качестве критерия оптимальности решения задачи расчета оборудования ТС непрерывного действия на этапе разработки технического проекта производства предлагается использовать выражение

, (2.1)

где Y_j - основной размер аппарата стадии j (V_j, F_j или L_j); _j, _j - коэффициенты, учитывающие зависимость стоимости аппаратов стадии j от их материала и основного размера; n_{* j} - необходимое (часто дробное) число основных аппаратов на стадии j; _j = 1, если n_j = 1 и _j = 0 в противном случае. Следовательно, задачу расчета основного оборудования ТС непрерывного действия можно сформулировать следующим образом: найти такие значения J, Y_j, n_j, при которых критерий (2.1) достигает минимума и выполняются условия:

, (2.2)

, (2.3)

, , jJ_a (2.4)

, jJ_a (2.5)

, , jJ (2.6)

, jJ (2.7)

Y_j YS_j, j=1,…J (2.8)

n_j {1,2,…}, j=1,…J (2.9)

Здесь J - множество номеров стадий ТС, для которых задано время пребывания массы в основном аппарате;

J_w - множество номеров стадий, для которых заданы скорости движения обрабатываемой массы через аппарат;

J_a - множество номеров стадий, для которых заданы удельные производительности аппаратов по одному из обрабатываемых веществ;

J J_w - множество номеров стадий, где основными являются аппараты со слоем катализатора или с насадкой;

YS_j - множество стандартных размеров аппаратов, пригодных для установки на стадии j ТС.

Замечания: 1. В случае задания для стадии jJJ_w массового материального индекса вместо значения v_j используется отношение m_j/_j.

2. В формулах (2.4), (2.5) g_j соответствует m_j, если a_j - массовая производительность и v_j, если объемная.

3. Если в результате решения задачи число основных аппаратов на соседних стадиях ТС окажется не одинаковым, необходимо ввести между ними стадию, оснащенную буферными емкостями, и определить их число и объем согласно (2.2) или (2.4), (2.5).

4. Основные размеры и необходимое число машин, устанавливаемых на стадиях ТС, определяются по известным методикам.

5. Для определения основных размеров и числа вспомогательных аппаратов стадий ТС (приемные и напорные баки, бункеры) используются соотношения (2.2) - (2.9).

Задача (2.1) - (2.9) относится к классу задач целочисленно-нелинейного программирования. Для ее решения можно предложить алгоритм, основанный на стратегии локальной оптимизации [7-9]:

1) формирование базового варианта АО ТС, соответствующего n_j = 1, j = 1,…,J, и его оценку по критерию (2.1);

2) последовательное увеличение значений n_j на единицу для всех возможных комбинаций номеров стадий ТС (по одной, попарно, тройками и т.д.), формирование соответствующих этим комбинациям вариантов АО, и выбор наиболее предпочтительного из них по критерию (2.1);

3) если выбранному варианту АО ТС соответствует меньшее значение критерия, чем базовому, то он становится базовым и т.д., в противном случае процесс прекращается и оптимальным вариантом считается базовый.

3. Расчет оборудования ТС перепрофилируемого производства

ТС непрерывного действия, как правило, проектируются под конкретный продукт. Возможности их перепрофилирования на выпуск другого продукта ограничены применением специализированного оборудования, которое проектируется и изготавливается для реализации конкретного процесса, при строго определенных характеристиках сырья и продукта, условиях реализации (температура, давление, скорость течения среды и т.п.). Однако в последние годы, когда новые производства практически не проектируются и не строятся, перед проектно-конструкторскими отделами предприятий ставятся такие задачи. Одним из главных факторов, принимаемых во внимание при принятии решения о перепрофилировании действующей ТС, является сходство технологии выпуска прежней и новой продукции.

Расчет основной аппаратуры стадий перепрофилируемой ТС ведется с использованием тех же соотношений, что и проектируемой. Отличие состоит в том, что в число исходных данных дополнительно включаются размеры и число аппаратов стадий ТС, а целью расчета является ответ на вопрос: способна ли ТС обеспечить требуемую производительность по новому продукту? Расчет можно произвести двумя способами. Первый предусматривает определение по соотношениям (2.2) - (2.7) при фиксированных значениях Y_j, n_j, j = 1,…,J по материальным индексам стадий, пересчитанным на 1т нового продукта, максимально возможной производительности оборудования каждой стадии и выбор из них наименьшей. Если найденное значение производительности ТС по новому продукту окажется меньше запланированного, необходимо либо скорректировать план, либо изменить АО лимитирующих ее стадий. Изменение АО может потребоваться и в случае, когда при найденной производительности ТС оборудование некоторых стадий окажется неработоспособным.

Пример. Определить максимально возможную производительность ТС, перепрофилируемой с выпуска простого суперфосфата на выпуск аммофоса. Технологии выработки этих удобрений сходны. Схема ТС представлена на рисунке 2.2.

Реакции получения аммофоса из фосфорной кислоты и аммиака:

1) H₃PO₄ + NH₃ NH₄(H₂PO₄)

2) NH₄(H₂PO₄) + NH₃ (NH₄)₂HPO₄,

реализуются в реакторном блоке, состоящем из двух баков-смесителей, и сатураторе, в который через кольцевой барботер подается газообразный аммиак. Около двух третей пульпы аммофоса из второго бака подается в выпарной аппарат, а остальная возвращается на аммонизацию. Упаренная пульпа подается в барабанный аппарат, выполняющий роль гранулятора и сушилки. Полученные гранулы рассеиваются на двухситовом грохоте: крупная фракция подается на измельчение, мелкая - обратно в гранулятор в качестве ретура, средняя фракция (размер зерен 13 мм) является готовым продуктом.

Рис. 2.2 Схема ТС, перепрофилируемой с выпуска простого суперфосфата на выпуск аммофоса

1 - бак слабоаммонизированной пульпы, 2 - сатуратор, 3 - бак неупаренной пульпы, 4 - выпарной аппарат, 5 - барабанный гранулятор-сушилка, 6 - грохот, 7 - дробилка ДГ.

Исходные данные для расчета (материальные индексы пересчитаны на 1т продукта):

- стадия 1: n₁ = 1, m₁ = 7074.6 кг/ч, ₁ = 1360 кг/м³, ₁ = 3.5 ч, ₁ = 0.6, V₁ = 50 м³;

- стадия 2: n₂ = 1, m₂ = 7170.9 кг/ч, ₂ = 1330 кг/м³, ₂ = 3 ч, ₂ = 0.75, V₂ = 32 м³;

- стадия 3: n₃ = 1, m₃ = 7170.9 кг/ч, ₃ = 1330 кг/м³, ₃ = 3.5 ч, ₃ = 0.6, V₃ = 50 м³;

- стадия 4: n₄ = 1, m₄ = 851.6 кг/ч (по испаряемой влаге), а₄ = 145 кг/(м³ч), V₄ = 9 м³;

- стадия 5: n₅ = 1, m₅ = 1923.1 кг/ч (по сухому), а₅ = 67.8 кг/(м³ч), ₅ = 0.25, V₅ = 177 м³.

Грохот и дробилку рассчитывать не будем.

Расчет:

,

,

,

,

.

Как видно, максимальная производительность ТС по аммофосу может составить 1483 кг/ч, т.е. около 12000 т/год и лимитирует ее рабочий объем сатуратора. При такой производительности системы аппараты остальных ее стадий будут работоспособны. Второй способ сводится к определению по соотношениям (2.2) - (2.7) при фиксированных значениях n_j, j = 1,…,J граничных значений размеров основных аппаратов стадий ТС и выбору среди оборудования перепрофилируемого производства (не обязательно рассматриваемой ТС) подходящих аппаратов. Предполагается, что оборудование других ТС может быть включено в состав АО рассматриваемой системы путем его демонтажа и монтажа на новом месте или путем его обвязки дополнительными трубопроводами. Более общим и перспективным является второй способ, который предусматривает возможность формирования АО стадий перепрофилируемой ТС из парка оборудования действующего производства в целом. В этом случае задача расчета основного оборудования аналогична задаче (2.1) - (2.9), в постановку которой необходимо внести следующие изменения:

- в первой составляющей критерия (2.1) учитывать только аппараты, привлекаемые из других ТС, т.е.

,

технологический непрерывный производительность аппаратный

где - число основных аппаратов на стадии j до перепрофилирования;

- ввести дополнительное ограничение n_j n^*_j, j = 1,…J, (2.10) где n^*_j, число имеющихся аппаратов требуемого типа, которые могут быть использованы на стадии j перепрофилируемой ТС;

- символом YS_j обозначить множество основных размеров имеющихся аппаратов требуемого типа, которые могут быть использованы на стадии j.

Другими словами, при перепрофилировании ТС действующего производства решается точно такая же задача, что и при проектировании нового, с учетом ограничений на использование для оснащения стадий ТС только имеющегося оборудования. Такая постановка задачи учитывает и возможность отсутствия среди имеющегося оборудования аппаратов, подходящих по типу для оснащения некоторых стадий выпуска нового продукта. В ходе решения задачи эти стадий не рассматриваются, а по окончании решения для них рассчитываются граничные значения основных размеров аппаратов при различных значениях n_j. В результате становится известно, сколько и каких аппаратов надо приобретать, изготавливать своими силами или передавать из других производств для оснащения этих стадий. Так же решается вопрос о рабочих объемах и необходимом количестве буферных емкостей, вводимых в ТС между стадиями, число основных аппаратов которых неодинаково.

Размещено на Allbest.ru