/
Author: Болотников Л.Е.
Tags: цветные металлы в целом металлургия цветные металлы промышленные предприятия металлургическая промышленность
Year: 1973
Text
Л. Е. Болотников
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПРОИЗВОДСТВА
РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1973
УДК 669.27/298.001.f
УДК 669.27/298.001.1
Технологическое проектирование производства редких
металлов. Болотников Л. Е., М., «Металлургия»,
1973. 472 с.
Рассматриваются общие методы технологического
проектирования химико-металлургических производств на
примере проектирования производства редких металлов.
Рассмотрена организация проектирования, подготовка
исходных данных, разработка аппаратурно-технологиче-
ских схем, расчеты материального баланса и
оборудования, разработка объемно-планировочных решений,
оценка проектных решений.
Книга рассчитана на работников проектных
организаций, широкий круг инженерно-технических и научных
работников предприятий и организаций
промышленности, связанных с вопросами проектирования и
строительства промышленных предприятий. Может быть
полезна преподавателям и студентам вузов. Ил. 155.
Табл. 25. Список лит.: 88 назв.
3103-185
^ 040(01)-73 ^"^ (С) Издательство «Металлургия», 1973.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 10
Глава 1
Редкие металлы и общие вопросы проектирования
1. Особенности производства редких металлов 13
2. Общие положения о промышленном проектировании 14
Задачи промышленного проектирования 14
Место проектирования в работе по созданию нового производства . . 16
Части проекта 19
Роль главного инженера проекта 23
Структура отраслевой проектной организации 24
Порядок выполнения проекта 25
3. Особенности проектирования производства редких металлов 30
Особое значение технологического проектирования 31
Гибкость в проектных решениях 31
Отсутствие разработанных конструкций нетипового оборудования ... 32
Стадийность проектирования 32
Особые требования к нетехнологическим частям проекта 33
Глава II
Исходные данные для проектирования
1. Значение и место исходных данных в процессе проектирования. Группы
исходных данных 35
2. Основные решения, принимаемые до начала проектирования 36
Объем производства 36
Состав предприятия 37
Выбор района строительства проектируемого объекта 40
Источники обеспечения сырьем 41
3. Общеэкономические исходные данные для проектирования 41
Условия снабжения сырьем и материалами 41
Возможность кооперации с другими предприятиями 43
4. Характеристика площадки строительства 43
Топография и инженерная геология площадки строительства 43
1*
3
Данные по метеорологии в районе строительства 43
Водоснабжение и канализация стоков 43
Данные по объектам, существующим на площадке до начала
проектирования 44
Технологические исходные данные . . 44
Источники получения исходных технологических данных 44
Оценка возможных изменений исходных показателей после ввода
проектируемого объекта в эксплуатацию 47
Допустимость технического риска 49
Отдельные группы исходных технологических данных 50
Требования к качеству продукции 50
Данные по исходному сырью 50
Технологическая схема процесса производства 51
Материальный баланс процесса производства 51
Нормы расхода основных и вспомогательных материалов и
энергетических ресурсов
52
Характеристика основного оборудования 52
Глава III
Разработка аппаратурно-технологической схемы
1. Общие положения 54
Задачи, решаемые при разработке схемы 55
Основные переделы производства редких металлов 56
2. Вскрытие, сырья и выделение первичного концентрата 56
Приемка сырья и первичная подготовка его к технологическому
процессу 56
Пирометаллургическое вскрытие 59
Гидрометаллургическое вскрытие 62
3. Получение чистого химического соединения 68
Кристаллизация и осаждение из растворов 69
Испарение и конденсация 75
Ректификация 77
Ионный обмен 79
Жидкостная экстракция 87
Другие методы и процессы, используемые в производстве чистых
соединений 92
Полные схемы разделения комплексного редкометаллического сырья . . 96
4. Получение редких металлов в элементарном состоянии, их первичная
обработка и дополнительная очистка 98
Химическое восстановление 98
Электрохимическое восстановление 101
Получение металлов в компактной форме 105
Очистка металлов в элементарном состоянии 107
5. Разделение жидкой и твердой фаз 109
Разделение фаз с использованием процессов сгущения и осветления . . 110
Разделение методами фильтрации 111
Разделение под действием центробежных сил 114
6. Процессы и аппаратурные узлы общего назначения, используемые
в технологии редких металлов 115
Пылеулавливание и очистка газов 115
Выпаривание растворов 117
Системы для создания вакуума 120
Пневматический транспорт сыпучих материалов 122
Отдельные технологические приемы и аппаратурные узлы 124
7. Периодические и непрерывные процессы 127
4
о Составление сводной схемы производства 129
Основные принципы разработки сводной схемы 129
Рациональное использование отходов 130
Вопросы охраны труда, опасности и вредности проектируемого
производства 131
Вопросы контроля и управления производственным процессом .... 132
Глава IV
Расчеты материального баланса
1. Задачи и значение расчета материального баланса .... 134
Типы материальных балансов 134
Основные понятия и терминология 136
2. Расчет балансовой операции 138
Основные определения и закономерности 138
Расчет материального баланса операций, основанный на уравнениях
химических реакций 142
Расчет материального баланса операций, основанных на распределении
продуктов между фазами и массообмепе 154
Расчеты материальных балансов, основанные на механическом
распределении исходных продуктов и их компонентов по конечным
продуктам операции 159
Механические потери 161
3. Расчет материального баланса полной технологической схемы 165
Особенности расчета полной технологической схемы 165
Типы технологических схем и порядок их расчета 166
Расчет накопления примесей при циркуляции продукта 178
4. Формы записи материальных балансов 182
Глава V
Выбор и расчет оборудования
1. Общие положения 185
2. Принцип выбора и расчета производительности одного аппарата ... 186
Выбор масштаба оборудования 186
Методы определения производительности аппарата 189
Основные разделы расчетов оборудования 194
3. Расчеты аппаратов, характерных для производства редких металлов . . 197
Аппараты для проведения гетерогенных процессов в кипящем слое . . 198
Установки для разделения и очистки редких металлов и их
соединений методом ректификации 205
Установки для разделения и очистки редких металлов методами
жидкостной экстракции 220
Установки для ионообменного выделения и разделения компонентов
растворов 233
Аппараты для электрохимического восстановления металлов 243
Аппарат для получения металла химическим восстановлением его
соединения на примере титанового производства 248
Аппараты для иодидного рафинирования редких металлов 253
Вакуумные системы 258
Аппараты для фильтрации пульп 267
Аппаратура для процессов теплообмена между жидкими,
газообразными и парообразными продуктами 273
Тяго-дутьевые и гидравлические машины (насосы, вентиляторы,
компрессоры) 283
5
Емкостные аппараты и устройства
4. Определение необходимого числа резервных аппаратов и общего
количества оборудования 291
Расчет общего количества оборудовании в случае, если производство
состоит из изолированных, независящих друг от друга аппаратов . . 294
Расчет общего количества оборудования в случае, если аппараты,
выполняющие ряд последовательных операций, объединены жесткими
технологическими или транспортными связями в единую аппаратурную
линию 297
5. Оптимизация соотношений в режиме работы оборудования на смежных
операциях ■ 301
Определение вероятных отклонений суммарной производительности
или других показателей работы группы аппаратов от номинальной
средней величины 306
Определение потерь рабочего времени при процессах обслуживания
с задалживанием обслуживаемых аппаратов 308
Определение потерь рабочего времени при процессах обслуживания
без задалживания обслуживаемых аппаратов (расчет объема
межоперационного хранения) 312
Некоторые общие выводы 315
Глава VI
Размещение оборудования и планировка производственных
поме'щений
1. Основные задачи 322
2. Установка аппарата 323
Габариты аппаратов 324
Характер транспортных связей аппарата 325
Обслуживание аппаратов персоналом 326
Схемы установки аппаратов 328
3. Группировка операций и переделов и некоторые нормы размещения
оборудования 333
Технологические принципы 333
Транспортные принципы 333
Требования охраны труда 334
Строительные нормы и правила 336
4. Проектирование внутрицехового транспорта 338
Железнодорожный транспорт 339
I (апольный рельсовый транспорт 340
Напольный безрельсовый транспорт 340
Мостовые краны, кран-балки, монорельсовые подъемные устройства . . 341
Конвейеры и элеваторы 341
Трубопроводный транспорт 342
5. Некоторые специфические требования к планировке помещений и
размещению оборудования, встречающиеся в производстве редких
металлов 348
Требование изоляции 348
Возможность чистки и мойки 349
Защита от коррозии 349
Предупреждение возможности накопления в помещениях отравляющих
и взрывоопасных газов 350
Вопросы взрывобезопасности и пожарной безопасности 351
л Основные компоновочные схемы и примеры размещения оборудования
' для некоторых переделов редких металлов 353
Отделение вращающихся печей 356
Отделение приготовления брикетов 358
Отделение хлорирования в расплаве 359
Отделения гидрометеорологической переработки 364
Отделение ректификации и дистилляции 370
Цех электролиза 371
Отделение восстановления и вакуумной дистилляции 373
Отделение иодидного рафинирования 380
Отделение электроннолучевой плавки 380
Установки газоочистки абсорбционного типа .... 381
Емкостные склады для жидких или сыпучих продуктов 382
Межцеховые транспортные сооружения 385
Глава VII
Документация, выпускаемая в ходе выполнения
технологической части проекта
1. Основные положения 387
2. Расчетно-пояснительные записки 388
3. Спецификации к проекту 390
4. Чертежи к проекту 391
5. Задания на смежные части проекта 394
Задание на выполнение архитектурно-строительной части проекта . . . 394
Задание на выполнение проекта отопления и вентиляции 396
Задание на выполнение проекта водоснабжения и канализации .... 399
Задание на выполнение проекта пароснабжения 401
Задание на выполнение электротехнической части проекта 402
Задание на выполнение проекта генералЕ>ного плана и межцехового
транспорта 403
Задание на выполнение проекта КИП, автоматизации и управления
производством 104
Задание на выполнение проекта химической защиты оборудования и
трубопроводов 404
Задание на выполнение проекта складского хозяйства 105
Задание на выполнение проекта межцеховых трубопроводов 406
Задание на составление смет к проекту 406
Задание на выполнение технико экономической части проекта 407
Глава VIII
Проектирование при неполных исходных данных.
Проектирование опытных производств и установок
1. Общие положения 409
2. Проектирование с учетом резервирования на изменение параметров
процессов и оборудования 412
3. Проектирование опытных цехов и участков, не имеющих узкой
специализации и не связанных с заданиями по выпуску определенного
объема продукции 416
7
Глава IX
Решение вопросов охраны труда и охраны природы
при проектировании промышленного производства
1. Значение вопросов охраны труда. Система государстпенного надзора
за соблюдением требований охраны труда и охраны природы 120
2. Условия труда 423
3. Производственные опасности и вредности, характерные для химико-
металлургического производства редких металлов 425
4. Инженерные методы охраны труда в проектируемом производстве . . 426
Выбор процессов и оборудования 427
Планировка предприятия в целом 427
Размещение оборудования, архитектурно-строительные и санитарно-
технические решения 428
Организация производства и труда 428
Индивидуальная защита 429
5. Характерные решения по охране труда в производстве редких
металлов 430
Локализация и изоляция источников вредности и опасности 430
Механизация и автоматизация производственных процессов и
внедрение дистанционного управления 431
Использование системы взаимострахующих мер по охране труда . . . 431
Система предупредительной сигнализации и блокировки 432
6. Обеспечение охраны природы и безопасности людей в районе,
примыкающем к площадке промышленного предприятия 433
7. Организация рассмотрения и решения вопросов охраны труда в ходе
проектирования 436
Глава X
Оценка решений, принимаемых при проектировании
1. Общие положения 439
2. Влияние технологических факторов на оценку проектных решений . . . 439
Качество продукции 439
Внедрение непрерывных процессов 440
Сокращение технологической схемы 442
Развитие хлорной металлургии 442
Использование гидрометаллургических процессов 445
3. Влияние социальных факторов на оценку проектных решений 446
Санитарная характеристика и степень опасности проектируемого
производства 446
Производительность труда 447
4. Экономические показатели оценки проектных решений 447
Экономическая эффективность проектируемого производства 447
Экономическая эффективность новых технологических решений и
затрат на их реализацию 451
5. Оценка обоснованности принимаемых в проекте новых технических
решений 453
6. Влияние срока реализации новых технических решений в производстве
на их сравнительную оценку 457
8
Заключение *ои
Проектирование — важный этап в создании нового промышленного
производства 460
Редкие металлы и научно-технический прогресс 461
Обеспеченность проектирования исходными данными и прогрессивность
проектных решений 462
Объективность результатов проектной разработки 463
Проектирование - • процесс аналитического исследования 463
Задачи развития теории и практических методов проектирования .... 465
Описок литературы 467
ПРЕДИСЛОВИЕ
Решения XXIV съезда КПСС наметили главные направления
развития экономики нашей страны на девятую пятилетку. Как
отмечается в резолюции съезда по Отчетному докладу ЦК КПСС:
«решающим условием повышения эффективности общественного
производства является ускорение научно-технического прогресса» '.
Съезд поставил конкретные задачи перед всеми отраслями
народного хозяйства. Директивы XXIV съезда КПСС по пятилетнему
плану развития народного хозяйства СССР на 1971- 1975 годы
предусматривают увеличение выпуска продукции цветной
металлургии за пятилетие в 1,4 раза. Весь объем прироста выпуска
продукции должен быть обеспечен за счет увеличения
производительности труда, без увеличения численности трудящихся. Директивы
съезда требуют «значительно повысить извлечение металлов из
руд, улучшить комплексное использование сырья; широко внедрить
замкнутые технологические схемы с полной переработкой
полупродуктов и организовать использование отходов производства на
металлургических заводах».2 Поставленные съездом перед цветной
металлургией задачи полностью относятся к одной из самых
молодых и быстро развивающихся подотраслей цветной металлургии —
промышленности редких металлов. Темпы роста объема
производства и производительности труда в редкометаллической
промышленности должны быть выше, чем в среднем по цветной
металлургии.
Для решения этой задачи требуется ввод новых и
реконструкция действующих производственных объектов, а следовательно,
она непосредственно связана с проблемами капитального
строительства. Директивы съезда требуют «... повысить эффективность
капитальных вложений, обеспечить наиболее рациональное
использование материальных и финансовых ресурсов, выделяемых на
1 Материалы XXIV съезда КПСС. М., Изд-во политической литературы, 197К
с. 201.
2 Там же, с. 251.
10
строительство, с тем, чтобы получить максимальный прирост
производства продукции на каждый рубль вложенных средств»1.
Важнейшим средством для решения задач капитального
строительства и ускорения научно-технического прогресса всех
отраслей промышленности, является улучшение проектно-сметного дела,
на что также указывают Директивы съезда.
Проектирование — необходимый, самостоятельный элемент
в общем процессе создания и совершенствования промышленного
производства. Отечественной промышленностью накоплен
значительный опыт по технологическому проектированию
химико-металлургических производств и, в частности, производства редких
металлов. Однако работа по обобщению этого опыта только
начинается. Технологическое проектирование химико-металлургических
производств не рассматривалось и не освещалось в литературе как
единый процесс, аналогично тому, как это выполнено для
обогатительных производств в известном учебном пособии К. А. Разумова
«Проектирование обогатительных фабрик». В изданной литературе
рассматриваются, как правило, только отдельные вопросы
технологического проектирования — расчеты материальных балансов
отдельных операций (Ф. М. Лоскутов, А. А. Цейдлер. «Расчеты по
металлургии тяжелых цветных металлов»), проектирование
размещения оборудования и технологических коммуникаций
(Я. Й. Гринберг. «Проектирование химических производств»,
Г. Рейз. «Монтажное проектирование химических производств
в США»), а также расчеты отдельных видов оборудования,
которые приводятся во многих изданиях, посвященных специальным
вопросам производства редких металлов и общим вопросам
металлургической и химической технологии (Д. А. Диомидовский и
др. «Расчеты ниропроцессов и печей в цветной металлургии»,
Н. 3. Поздняк, А. П. Крушинский. «Проектирование и
оборудование цехов порошковой металлургии»).
В то же время ряд вопросов проектирования не только не
рассмотрен в литературе по существу, но даже и не сформулирован.
Цель предлагаемой работы — восполнить существующий
пробел в литературе и дать достаточно полное представление о
предмете технологического проектирования применительно к
проектированию химико-металлургического производства редких
металлов. В монографии рассмотрены все основные разделы и этапы
выполнения технологической части проекта, методы их выполнения
и оценки принимаемых решений. Разобраны специфические
особенности производства редких металлов, влияющие на процесс
проектирования. Подробно освещен вопрос обеспечения
проектирования необходимыми исходными данными.
При изложении материала автор рассматривал примеры из
практики проектирования не как набор готовых рецептов,
а только как средство иллюстрации общих методов проектирования.
1 Материалы XXIV съезда КПСС. М., Изд-во политической литературы,
1971, с. 271.
11
Главная идея, которой он руководствовался в своей работе,
прекрасно сформулирована другим автором в предисловии к другой
книге «... — учить не тонкостям практики, а принципам и основам
наук, на которых строится быстро изменяющаяся практическая
деятельность. . . Теперь наступило время, когда мы начинаем
обучать не практике проектирования, а принципам и основам решения
задачи проектирования» (Джон Р. Диксон. «Проектирование
систем: изобретательство, анализ и принятие решений»).
Предлагаемый читателям труд, являясь одним из первых
шагов в рассматриваемой области, не может не иметь недостатков и
будет нуждаться в последующей доработке. Это не может быть
выполнено без активной помощи читателей, которым автор будет
искренне признателен за критические замечания и советы,
необходимые для работы по дальнейшему улучшению книги.
В завершение автор считает своим приятным долгом выразить
благодарность многочисленным специалистам, помощью которых
он широко пользовался в процессе работы над книгой.
Прежде всего автор хотел бы отметить роль коллектива
проектной части и всего института «Гиредмет» — Государственного
научно-исследовательского и проектного института редкометалличе-
ской промышленности, в котором был накоплен опыт,
использованный как основа при создании книги.
Серьезную помощь оказали автору специалисты,
просмотревшие предварительную редакцию рукописи и сделавшие по ней
замечания. Этот нелегкий труд выполнили — П. Е. Вельский, канд.
техн. наук А. И. Вайсенберг, канд. техн. наук О. Г. Варшавский,
канд. техн. наук Е. С. Гнатовский, докт. техн. наук проф. А. Н. Зе-
ликман, А. Н. Клейменов, канд. техн. наук А. Н. Крушинский,
канд. техн. наук Г. Н. Левин, канд. техн. наук А. Б. Логинов, канд.
техн. наук И. Л. Пейсахов, канд. техн. наук М. В. Пикунов, канд.
техн. наук Е. К- Сафронов. Ряд ценных замечаний по рукописи
сделали, ознакомившись с ней, докт. техн. наук проф. Э. П. Боч-
карев и чл.-кор. АН СССР проф. Б. А. Сахаров
Основные положения рукописи были обсуждены на заседании
кафедры металлургии редких и радиоактивных металлов и
металлокерамики Московского института стали и сплавов под
руководством докт. техн. наук проф. Меерсона Г. А. и по инициативе
чл.-кор. АН Укр. ССР проф. Г. В. Самсонова на заседании
кафедры порошковой металлургии и редких металлов Киевского
политехнического института. Автор благодарен коллективам и
руководителям кафедр за эти обсуждения, бывшие весьма
полезными.
Автор не считал бы, что он в достаточной мере выполнил свой
долг благодарности, если бы не отметил неоценимую помощь
покойного директора института «Гипроцветмет» Н. П. Ольхова,
который в самом начале работы над книгой рассмотрел и одобрил ее
план, дав автору уверенность в полезности и необходимости
тяжелого многолетнего труда.
12
Глава I
РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ
И ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Металлы, относящиеся к категории редких, получили
промышленное применение и начали производиться в значительных
количествах только в XX в., а некоторые из них в последние десятилетия
или даже последние годы.
Развитие металлургии редких металлов неразрывно связано
с развитием новой техники, которая является их потребителем
во все возрастающих масштабах и обеспечивает техническую
возможность их производства [1, 2].
Можно сформулировать следующие основные присущие редким
металлам черты:
1) высокая стоимость как в чистом виде, так и в сырье;
2) относительно низкое содержание в сырье;
3) комплексный характер сырья;
4) высокие требования к чистоте конечной продукции;
5) сложность технологии выделения из сырья, исключительная
многостадийность производственных процессов и применение
специальных методов современной техники;
6) относительно малый масштаб производства;
7) сравнительно быстрое изменение требований со стороны
потребителей к количеству и качеству продукции, что связано с
быстрым развитием техники;
8) отсутствие, как правило, устоявшейся отработанной
технологии, что является естественным следствием предыдущего
пункта.
Оценивая отличия редких металлов от цветных, благородных
и вообще любых других металлов, следует помнить, что каждая
отдельная характерная черта редких металлов и их производства,
приведенная выше, как и любая из причин сравнительно позднего
развития промышленного производства, еще не дают основания для
причисления того или иного металла к редким.
Редкие металлы — понятие историческое, преходящее. Металл
в связи с изменением характера потребления и технологии
производства может или потерять характер редкого, или даже вновь его
13
приобрести. Титан до 1950 г. был, безусловно, редким металлом
со всеми присущими ему особенностями. После периода бурного
развития производства титана в 50-х годах, когда производство
его выросло от килограммов и тонн в год до десятков тысяч
тонн в год, он все более и более утрачивает характер редкого
металла.
По изложенным причинам в настоящее время строгой
общепринятой классификации, определяющей, какие именно металлы и
элементы следует относить к редким, не имеется. Примерно для 15—
20% от общего числа элементов, причисляемых к редким, нет
единого мнения о правильности отнесения их к этой категории. Так
как редкие металлы достаточно разнообразны по свойствам, нет
единого мнения и о принципах классификации их по различным
группам. Наибольшее распространение в настоящее время имеет
техническая классификация редких металлов, исходящая из
компоновки их на основе технологических принципов производства [3]
на следующие группы: легкие (Li, Rb, Cs, Be), тугоплавкие (Ti,
Zr, I If, V, Nb, Та, Mo, W), рассеянные (Ga, In, Tl, Ge, Re, Se, Те),
редкоземельные (Sc, Y, La и лантоииды от Се до Lu),
радиоактивные (Ро, Fr, Ra, Ac, актиниды от Th до Lr и Ku).
Здесь приведено всего 54 элемента, однако включение
некоторых из них в категорию редких нельзя считать однозначным.
Приведенное в таблице распределение элементов по группам также
достаточно условно. Такие металлы, как титан, вольфрам,
молибден и некоторые другие, правильнее отнести к группе,
определяемой получившим распространение в зарубежной литературе
термином «менее обычные металлы». Что касается титана, то он, как
уже отмечено, сближается с легкими цветными металлами, теряя
характерные признаки редкого. В то же время, в ряды редких
вновь включаются такие металлы, как хром, отсутствующий
в перечне. Хром и некоторые другие металлы по мере того, как
техника позволяет добиться все большей степени их очистки,
помимо своих классических областей применения в черной
металлургии и химической промышленности, завоевывают свое место
в промышленности как редкие металлы с новыми, уникальными,
иногда совершенно неожиданными свойствами.
2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О ПРОМЫШЛЕННОМ
ПРОЕКТИРОВАНИИ
Задачи промышленного проектирования
Промышленное строительство в нашей стране осуществляется
на основе разработанных проектными организациями и
утвержденных в установленном порядке проектов. Строительство без
проектов в нашей стране запрещено и для крупных промышленных
объектов практически невозможно. Современное промышленное
предприятие — очень сложный комплекс взаимосвязанных
инженерных сооружений. Поэтому прежде чем приступить к строитель-
14
ству, необходимо решить ряд вопросов, относящихся к
последующей'эксплуатации предприятия и процессу его строительства.
В задачу проектирования входит разрешение и взаимное
согласование всех этих вопросов. Основными из них при этом являются:
1) размещение предприятия;
2) производственная технологическая схема и ее аппаратурное
оформление;
3) состав вспомогательного и обслуживающего хозяйства
предприятия;
4) затраты средств и материальных ресурсов в ходе-
строительства предприятия;
5) затраты средств и материальных ресурсов в ходе
эксплуатации предприятия;
6) источники сырья, материалов и энергетических ресурсов для
обеспечения работы предприятия;
7) транспортные связи предприятия;
8) обеспечение предприятия кадрами. Создание для
работающих на предприятии необходимых жилищных и культурно-бытовых
условий.
Перечисленные основные вопросы, ответы на которые должен
содержать проект промышленного предприятия, в каждом
отдельном случае могут частично решаться помимо проекта. Так,
задание на проектирование может содержать в себе ответ практически
на любой из затронутых вопросов. При этом разрешение остальных
вопросов ставится в зависимости от заданного. Так, в качестве
исходного пункта для проектирования могут быть заданы:
потребность в продукции, необходимость использования определенной
площадки, технологическая схема предприятия, определенные виды
оборудования, возможности обеспечения сырьем или каким-либо
видом материалов, необходимость потребления определенного
количества энергии и т. д. Конечно, для каждого конкретного случая
может быть задано и обязательно задается не более одного-двух
исходных положений. Ответы на остальные вопросы находят в ходе
выполнения проекта.
Проект современного промышленного предприятия должен
обеспечить выполнение следующих требований:
1) количество и качество выпускаемой продукции;
2) наименьшие капитальные затраты в ходе строительства
предприятия и высокая фондоотдача при его последующей
эксплуатации;
3) наиболее низкая себестоимость годовой продукции;
4) высокая производительность труда;
5) обеспечение для трудящихся предприятия в
производственных помещениях удовлетворительных санитарных условий в
соответствии с действующими нормами и защиты трудящихся от
производственных травм;
6) исключение загрязнения окружающей территории, водоемов
и воздушного бассейна отвалами, стоками и газовыми или
пылевыми выбросами предприятия выше установленных норм.
15
Место проектирования в работе по созданию нового
производства
Создание нового промышленного производства является
результатом проведения комплекса научно-технических разработок, один
из элементов которого — проектирование.
Необходимо четко разделять функции проектирования и
примыкающих к нему смежных областей работ по созданию нового
производства: научно-исследовательской работы и работы по
конструированию оборудования.
Научно-исследовательская работа — это работа, связанная
с изучением свойств объекта и поиском его оптимальных свойств
или путей придания объекту изучения каких-либо заданных
свойств. При этом безразлично, что является объектом изучения —
материал, технологический процесс, оборудование или система
управления. Научно-исследовательская работа, имеющая задачей
подготовку производства редких металлов, включает исследование
процессов получения металлов или их соединений заданного
качества и разработку технологических режимов и оборудования для
наиболее эффективного проведения таких процессов. При этом при
современном развитии техники неотъемлемым элементом
технологии и оборудования является система контроля за ходом процесса
и управления им.
Конструирование оборудования — это разработка на основе
научно-исследовательских работ и опыта, накопленного
промышленностью, рациональной конструкции машины, аппарата или
сооружения для проведения технологических или транспортных
процессов и операций, а также системы управления процессами и
операциями. При этом под рациональной конструкцией подразумевают
конструкцию, обеспечивающую соблюдение заданного
технологического режима, достаточно надежную, удобную в эксплуатации и
технологичную в изготовлении. Объектом конструирования может
быть как отдельная машина, аппарат или сооружение, так и
система, состоящая из нескольких такого рода объектов.
Цель проектирования в отличие от научно-исследовательской
работы и конструирования имеет решение комплекса инженерных
задач по обеспечению условий осуществления технологии. В этот
комплекс включаются задачи осуществления собственно
технологического процесса и обеспечения работы основного оборудования,
создания необходимых условий труда для обслуживающего
персонала, снабжения сырьем, материалами, энергоресурсами и
обеспечения транспортных связей как внутри предприятия, так и
между предприятием и другими объектами народного хозяйства.
Особо следует выделить организацию производства и разработку
системы управления производством в целом, которые решаются
только на стадии проектирования.
Перечисленные задачи решаются на основе и с использованием
разработанной в ходе научных исследований технологии и
разработанных конструкций оборудования. Однако они не совпадают по
16
содержанию с указанными разработками. Это не исключает
возможности влияния проектных решений на существо разработок.
В ходе проектирования могут выявляться дополнительные вопросы
и требования к научно-исследовательским и конструкторским
разработкам, но это не может служить основанием для
отождествления проектных и научно-исследовательских пли конструкторских
работ. Можно отметить, что конструирование в ряде случаев
входит в состав проектирования, но оно не исчерпывает
проектирования, а является только одним из элементов проектной разработки.
Следует отметить, что и проектирование, и конструирование не
исключают элементов исследовательской работы, но она
сосредоточивается в специфических областях. Для конструирования
исследовательская работа заключается в изучении влияния на
показатели технологического процесса конструктивных особенностей
аппаратуры. Такое исследование конструкции совпадает в
значительной мере с технологической научно-исследовательской
работой. Особая область исследования при конструировании —
определение надежности работы аппаратуры. При этом в понятие
надежности включаются такие элементы, как точность в
воспроизведении заданного технологического режима и собственно
надежность, заключающаяся в длительной безотказной работе
оборудования.
Специфическая исследовательская работа, выполняемая в ходе
проектирования, заключается в первую очередь в поисках наиболее
экономичного решения. Показатель экономической эффективности
в значительной мере универсален, в нем отражаются решения по
выбору технологической схемы, организации рационального
транспортного потока, правильной организации контроля, повышению
производительности труда, выбор масштаба аппаратуры,
организации ремонта аппаратуры и т. д. Решение перечисленных
вопросов при проектировании в какой-то мере может сочетаться с
технологическими и конструкторскими исследовательскими работами.
Но, кроме перечисленных, имеется ряд вопросов, связанных
со специфическими местными условиями проектируемого объекта,
объемно-планировочными решениями помещений, обеспечением
необходимых условий труда обслуживающего персонала,
которые являются чисто проектными и исследуются в
основном на стадии проектирования и исключительно для нужд
проектирования.
При организации разработок различие проектных, включая
проектные исследования, и научно-исследовательских
технологических работ заключается в том, что их выполняют в разные по
отношению к периоду проектирования отрезки времени.
Технологические исследования выполняют до начала проектирования. Если
технологические исследования даже и протекают одновременно
с проектированием, то все равно они не являются предметом
проектирования, в то время как проектные, в частности
экономические, исследования в части поиска наиболее эффективных
проектных решений составляют непосредственно предмет проектирования.
2 За к. Л» 461
17
Возможность и необходимость экономических исследований при
технологической исследовательской работе этим не исключается
и не отрицается. Специфично для проектирования ограничение
только экономическими исследованиями.
В работу по проектированию входят некоторые элементы
конструирования оборудования. Эти элементы можно достаточно четко
выделить, хотя некоторая неопределенность в этот вопрос вносится
даже нечеткостью в терминологии. Так, широко принято
выражение «проектирование оборудования», равноценное термину
«конструирование». Для внесения ясности следует разделить
оборудование, используемое при проектировании, на три группы.
Первая — типовое оборудование, выпускаемое
машиностроительной промышленностью серийно. Это оборудование конструируется
без непосредственной связи с проектируемым объектом.
Конструирование и освоение производства оборудования этой группы
заканчиваются до начала проектирования.
Вторая — нетиповое оборудование, конструируемое для
проектируемого объекта, которое можно использовать без внесения в его
конструкцию изменений. Оборудование этой группы конструируют
на основе заданий проектировщиков одновременно с
проектированием. До начала рабочего проектирования должно быть закончено
как конструирование оборудования этой группы, так и в
необходимых случаях испытание головного образца. Естественно, что
в ряде случаев для проектирования можно использовать
оборудование этой группы, которое было сконструировано для другого
ранее проектируемого объекта.
Третья — нетиповое оборудование, в самой конструкции
которого отражены специфические требования проектирования
конкретного объекта. Такое оборудование конструируется одновременно
с выполнением рабочих чертежей проекта и заканчивается в ходе
разработки последних с некоторым опережением их выпуска.
Примером оборудования этой группы может, с одной стороны,
служить транспортное оборудование, емкостная аппаратура, имеющая
достаточно сложные соединения с системой коммуникаций, и
другое оборудование, в основном не непосредственно технологического,
а обслуживающего назначения, по имеющее большое число
элементов согласования с другим оборудованием цеха и поэтому
целиком определяемое проектом цеха. С другой стороны, к этой группе
оборудования можно отнести крупное уникальное технологическое
оборудование, которое составляет законченную производственную
единицу. В этом случае конструкция оборудования также жестко
связана с проектом цеха, но уже в обратной зависимости. Проект
цеха целиком подчиняется конструкции оборудования. Такой
случай для производства редких металлов нехарактерен.
Рассмотрев все три группы оборудования, можно более или
менее четко разграничить область собственно конструирования и тех
элементов конструирования, которые относятся к проектированию.
Конструирование оборудования первых двух групп является
собственно конструированием. Конструирование оборудования третьей
18
группы — элемент проектирования и, как показывает практика, не
может быть от него оторвано.
Проектирование и конструирование имеют одну общую
особенность, отличающую их от технологической
научно-исследовательской работы. Для научно-исследовательской работы характерно
изучение более или менее широкой области изменения объекта
исследования. Соответственно результатом исследования могут быть
сведения о поведении объекта в каком-то интервале изменения
условий. Поскольку на выбор окончательного варианта исследуемого
процесса могут влиять многие факторы, не связанные-
непосредственно с технологией, результаты исследовательской работы, за
исключением случая изучения действующего производства, могут
не содержать конкретной рекомендации, жестко фиксирующей
условия проектирования создаваемого процесса и его ожидаемые
результаты. Принципиально отличается проектирование или
конструирование. Результат проектирования или конструирования —
всегда конкретное решение, исключающее все варианты, кроме
принятого и рекомендуемого организацией, разрабатывающей
проект или конструкцию. В тех случаях, когда проект или
конструкция разрабатываются в нескольких вариантах, положение не
меняется. Цель разработки нескольких вариантов проекта — не отказ
от однозначного решения, а всегда более развернутое обоснование
одного наиболее эффективного варианта. Сказанное в равной
степени относится к исследовательской экономической работе,
входящей в состав проекта. Исследовательская экономическая работа
все возможные варианты проекта сопоставляет по одному
обобщенному показателю — экономической эффективности. Такое
сопоставление само по себе предопределяет однозначность выбора
решения.
Части проекта
Выполнение проекта современного промышленного
предприятия требует обязательного привлечения большого числа
специалистов— проектировщиков разного профиля, разрабатывающих
специальные части проекта [4, 5]. Основные части проекта:
технологическая, строительная, санитарно-техническая (отопление,
вентиляция, водопровод и канализация), электротехническая,
теплотехническая, КИП и автоматика, генеральный план, сметная, проект
организации работ, технико-экономическая. Как самостоятельные
части или разделы проекта разрабатываются вопросы охраны труда
и техники безопасности, организации питания и медицинского
обслуживания персонала предприятия на производстве, охраны
территории предприятия. В настоящее время все большее значение
придается вопросам организации производства и труда, которые
превращаются в один из наиболее важных самостоятельных
разделов проекта, а также вопросам управления производством.
Технологическая часть. Технологическая часть проекта решает
вопросы выбора схемы и технологического оборудования, а также
2*
19
размещения оборудования в цехах. В технологической части
определяются потребности технологического оборудования в
помещениях, а также обеспечения энергетическими ресурсами и услугами
вспомогательных цехов. Иногда из состава технологической части
выделяют транспортную часть, в которую включают вопросы
внутрицехового транспорта. Такое разделение в значительной мере
искусственно, так как технологический процесс осуществляется в ходе
эксплуатации единой транспортно-технологической цепи
аппаратуры. Выделение транспортной части имеет смысл, когда речь идет
о межцеховом и тем более о внезаводском транспорте, но это
относится к разделу генерального плана. В технологическую часть
входит выполнение всех технологических коммуникаций внутри
цехов и вне их.
Строительная часть. В задачу строительной части входит
решение вопроса о строительных конструкциях всех зданий и
сооружений предприятия. Сюда относятся здания цехов и конторско-
бытовых помещений, фундаменты под отдельно стоящее
оборудование в цехах и вне их, трубы и борова к ним, эстакады, каналы
и тоннели для прокладки коммуникаций, железнодорожные и
крановые эстакады в складах.
Санитарно-техническая часть. Обычно эту часть проекта
разделяют на две самостоятельные части, которые решают раздельно
две группы специалистов: первая — отопление и вентиляция,
вторая— водопровод и канализация.
Отопление и вентиляция. Эта часть решает вопросы
отопления и вентиляции всех зданий и помещений предприятия.
В этой части в связи с вопросами приточной вентиляции и
отопления решаются также вопросы кондиционирования воздуха,
подаваемого в помещение, а иногда и очистки загрязненного воздуха,
удаляемого из помещений. Обычно очистка воздуха и
выбрасываемых в атмосферу газов разрабатывается в специальной
технологической части проекта. При выполнении проекта вентиляции
рассчитывают не только вентиляционные установки, но и элементы
строительных конструкций, служащие для целей естественной
вентиляции (проемы окон, параметры аэрационных фонарей). В
проекте вентиляции обычно рассчитывают и трубы для выброса
загрязненного воздуха и газов. Расчет ведут как с точки зрения
обеспечения тяги трубы, так и с точки зрения обеспечения
рассеяния вредностей до концентрации, лежащей ниже допустимой
нормы.
Водоснабжение и канализация. В этой части
решаются вопросы обеспечения водой всех производственных,
хозяйственных и бытовых нужд предприятия в воде, а также удаления
всех получающихся на предприятии стоков. Здесь находит свое
отражение водозабор, водопроводные сети от места забора воды
до цехов и насосных станций, разводка водопроводных линий
внутри цехов по потребителям, разводка канализационных линии
внутри цехов, разводка канализационных линий от цехов к месту
сброса, станции перекачки стоков, станции нейтрализации кислых
20
стоков, шламовые поля и т. д. Обычно проект в этой части
подразделяется на внутренний водопровод и канализацию и внешний.
Под системой внешнего водопровода (или канализации)
подразумеваются все сети и сооружения, лежащие вне цехов и прочих
зданий предприятия. Все устройства внутри зданий относятся
к внутреннему водопроводу и канализации. В проекте
водоснабжения обычно раздельно решаются вопросы водоснабжения для
технологических целей, питьевого и горячего водоснабжения для
бытовых целей (душевые), а также пожарного водоснабжения. Точно
так же в проекте канализации раздельно решаются вопросы
отвода промышленных, хозяйственно-фекальных стоков из цехов и
ливневых стоков с территории предприятия.
Электротехническая часть. В этой части проекта решаются
вопросы электроснабжения предприятия, куда входит
проектирование линий электропередач от районной подстанции к подстанциям
предприятия, подстанции предприятия, распределительных и
коммутационных пунктов, кабельных, воздушных и шинных линий на
промплощадке, цеховых и специальных технологических (печные,
выпрямительные) подстанций, разводки питания по отдельным
электроприемникам. Кроме того, в этой части решаются вопросы
пуска и регулирования всех электроприемников и систем их
защиты. Отдельно выполняется проект электроосвещения как цехов
и конторских и бытовых помещений, так и территории завода.
Аналогично проекту водоснабжения электроснабжение делится на
внешнее и внутреннее.
Теплотехническая часть. В этой части проекта решаются
вопросы тепло- и пароснабжения предприятия, включая подачу пара
для технологических целей. В теплотехнической части проекта
рассматриваются источники теплоснабжения (если они входят в
состав предприятия), теплосети (трубопроводы горячей воды,
паропроводы, конденсатопроводы), разводка теплосетей внутри цехов,
станции перекачки конденсата.
КИП и автоматика. В этой части проекта решаются вопросы
обеспечения всех производственных процессов средствами
измерения, контроля, сигнализации, регулирования, блокировки,
автоматического регулирования. Однако в связи со все большим
внедрением автоматизации в производственные процессы в
организационном оформлении этой части проекта имеются две тенденции.
Развитие и усложнение средств автоматизации требуют
специализации этой части проекта и ее организационного выделения. Все
большее проникновение автоматизации в технологические процессы
и тесная их связь требуют совместного комплексного решения как
единого целого. В ряде случаев поэтому проект КИП и автоматики
решается в технологической части проекта.
Существовала другая тенденция в организации выполнения
проекта КИП и автоматики, определяемая тем, что в
значительной степени методы и средства решения задач, стоящих перед этим
разделом проекта, связаны с использованием и передачей
электрических импульсов. Что сближало эту часть с электротехнической
21
частью проекта. Так как во многих случаях система
автоматизации воздействует в итоге на электрический привод, проектируемый
в составе электротехнической части, то иногда целесообразнее
выполнять эти части проекта совместно. Такое решение обычно
принимается при проектировании простейшей электрической
блокировки совместно работающих аппаратов. Однако в настоящее время
в связи с ростом удельного веса автоматизации в управлении
производством, повышением ее технического уровня, широким
применением для целей автоматизации сложных специальных систем
в подавляющем большинстве случаев автоматизация выделяется
в самостоятельную часть проекта.
Генеральный план и транспорт. Здесь решаются вопросы
размещения на территории предприятия всех зданий, сооружений,
линий коммуникаций, шоссейных дорог и рельсовых путей. В
составе этой части решаются вопросы вертикальной планировки
промышленной площадки. Кроме того, в этой части решаются вопросы
транспорта по площадке и внешние транспортные связи.
Проектируются железнодорожные пути и автодороги по промилощадке и
вне ее, принадлежащие предприятию железнодорожные станции,
паровозное депо, гаражи, депо электрокар и т. д.
Сметная часть. В этой части определяется объем всех затрат,
связанных с сооружением предприятия. При этом включаются как
прямые затраты (сооружение зданий, приобретение, изготовление
и монтаж оборудования), так и косвенные (создание строительной
базы, компенсация за снос сооружений, занимающих территорию
до начала строительства, и т. д.).
Проект организации работ. В этой части рассматриваются
вопросы, связанные с организацией строительства проектируемого
объекта. Сюда относятся очередность строительства отдельных
цехов, зданий и сооружений по площадке; очередность организации
строительно-монтажных работ по каждому объекту, а также
организации строительной базы на площадке и вопросы о характере
специального оборудования, а также временных зданий и
сооружений, необходимых для осуществления строительства. В случае
отсутствия для таких объектов типовых решений разрабатываются
их проекты.
Технико-экономическая часть. В этой части концентрируются
все показатели проекта. Здесь сконцентрированы и оценены все
основные технологические показатели, затраты труда и
численность трудящихся по категориям, показатели работы всех
вспомогательных служб. На основе анализа всех статей затрат
технико-экономическая часть определяет проектную себестоимость
продукции предприятия. Кроме того, в этой части анализируется
сметная часть проекта с оценкой удельных вложений на единицу
выпускаемой продукции. Таким образом, материалы
технико-экономической части проекта отражают итоговую достаточно полную
характеристику всего проекта в целом.
Кроме перечисленных, может быть еще целый ряд частей,
которые входят, а иногда в зависимости от конкретных условий мо-
22
гут как самостоятельные части не входить в состав проекта —
химическая защита оборудования и строительных конструкций,
слаботочное хозяйство и т. д. Особо следует обратить внимание на
проектирование объектов по очистке отбросных газов и стоков.
Важность проектирования объектов этой группы определяется двумя
основными моментами. С одной стороны, усиление внимания к
вопросам санитарной техники и охраны природы требует
безусловного обеспечения санитарных норм очистки всех выделений и
отходов производства. Другая сторона вопроса заключается в том,
что при очистке стоков и выбросов идет процесс улавливания
ценных компонентов перерабатываемых продуктов, что позволяет
вернуть их в производство и повысить общее извлечение
соответствующих компонентов. Таким образом, при определенных условиях
объекты, предназначенные для очистки производственных отходов,
являются фактически элементом общего технологического
процесса и могут давать непосредственный положительный
экономический эффект. Последнее положение делает логичным отказ от
выделения проектирования очистки отходящих газов и сточных вод
в самостоятельную часть проекта. Целесообразно рассматривать
ее как раздел технологической части даже в том случае, если
проектирование этого раздела выполняется специализированной
организацией.
Роль главного инженера проекта
Главный инженер проекта является и техническим
руководителем и организатором процесса проектирования любого
конкретного проектируемого промышленного объекта.
Необходимость участия в проектировании такого специалиста
и руководителя, как главный инженер, определяют два основных
момента:
1) сложность современных промышленных объектов и
соответственно проектов для их строительства, включающих, как уже
было отмечено, ряд специальных служб и частей;
2) органическое единство всех специальных служб и частей
в реальных промышленных объектах, требующее такого же
единого комплексного подхода к объекту в процессе проектирования,
что невозможно обеспечить механическим объединением
специалистов различного профиля, а требует участия в проектировании
специалиста высшей квалификации, отвечающего за весь проект
в целом.
Главный инженер проекта является руководителем проекта и
несет ответственность перед руководством проектной организации
и всеми вышестоящими инстанциями за качество и сроки
выполнения проекта во всех частях. Главный инженер проекта
участвует в принятии основных технологических решений повеем частям
проекта и несет за них полную ответственность. Помимо
технологических и ряда общеинженерных вопросов, особую
ответственность главный инженер проекта несет за проектное решение
23
вопросов, имеющих социальное значение, связанных с охраной
труда, техникой безопасности и охраной природы. Постановление
ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об улучшении проектно-
сметного дела», принятое в 1969 г., установило порядок, при
котором проектные материалы, разработанные в соответствии с
действующими нормами и правилами, не подлежат согласованию
с органами государственного надзора. Соответствие проектных
материалов установленным нормам и правилам удостоверяется
главным инженером проекта соответствующей записью в материалах
проекта. Это решение, передавая главному инженеру некоторые
функции органов государственого надзора, еще более повышает
его ответственность за проект.
При выполнении различных частей проекта неизбежно
возникают конфликтные ситуации, когда эффективные решения по
одной из частей проекта осложняют и делают менее эффективными
решения но смежным частям проекта. Правильное решение такого
рода вопросов, основанное на понимании задачи оптимизации
характеристик проектируемого объекта в целом, обеспечивается
руководством процессом проектирования со стороны главного
инженера проекта.
Структура отраслевой проектной организации
Структура отраслевой проектной организации включает ряд
специализированных производственных отделов, соответствующих
различным частям проекта, однако не всегда совпадающих с
номенклатурой таких частей. Дело не только в том, что возможно
механическое слияние или разделение коллективов специалистов
(санитарно-технический отдел может объединять проектирование
отопления и вентиляции с проектированием водопровода и
канализации, а проектирование технологической части разделено
между отделами технологическим и механико-транспортным), но и
в том, что не все специальные части проекта должны выполняться
в рамках одной организации.
Безусловно, необходимы в составе отраслевой проектной
организации отделы, проектирующие технологию производства.
Отраслевая проектная организация не может также осуществлять
головную роль, если не ведет проектирование генерального нла*:а
соответствующих предприятий. Так как разработку проектных
технологических решений невозможно выполнить на высоком уровне
без учета решений в основных общеинженерных областях, в
составе организации должны быть отделы, выполняющие
проектирование архитектурно-строительной части, водоснабжения и
канализации, отопления и вентиляции, энергоснабжения. Однако
выполнение этих частей проекта уже не обязательно в отделах
отраслевой организации. Для их выполнения можно
привлекать специализированные проектные организации как
субподрядчиков.
В состав отраслевой проектной организации обязательно дол-
24
жны входить такие отделы, как технико-экономический и сметный,
выполняющие соответствующие части проекта. Это связано не
только с тем, что в этих частях проекта выявляются итоговые
комплексные характеристики проекта, но и с более глубокими
особенностями процесса проектирования в целом.
Процесс проектирования характеризуется поиском
экономически оптимальных решений. Процесс поиска заключается в
выработке решений и сравнительной их оценке. Если процесс выработки
решений может протекать в рамках специальной части проекта или
взаимосвязанной группы специальных частей, то процесс оценки
решений не может выполняться без разработки сметных и
технико-экономических вопросов. В оптимальном случае разработка
любой специальной части проекта должна сопровождаться
постоянным экономическим анализом принимаемых решений. Эта
особенность проектирования определяет значение
технико-экономического и сметного подразделений и выполняемых ими частей
проекта в работе проектной организации.
Некоторые узкоспециализированные части проекта (химическая
защита оборудования и строительных конструкций, слаботочное
хозяйство и т. п.) иногда выполняются специализированной
организацией, и в составе отраслевой проектной организации
соответствующие подразделения могут отсутствовать.
Кроме производственных отделов, в проектной организации
должны быть отделы управления, функциональные и
вспомогательные службы. К ним относятся плановый отдел, диспетчерская
служба, информационные службы (отдел оборудования,
библиотека и т. п.), службы оформления и размножения документации,
макетная мастерская, технический архив.
Главные инженеры проекта, работая самостоятельно,
объединяются в бюро (или группу) главных инженеров проекта,
подчиненное главному инженеру института.
Порядок выполнения проекта
При проектировании соблюдается определенная
последовательность в выполнении различных этапов и частей. В соответствии
с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР ЛГ° 390
от 28 мая 1969 г. устанавливаются две стадии проектирования —
технический проект и рабочие чертежи или одна стадия — техно-
рабочий проект (технический проект, совмещенный с рабочими
чертежами). Одностадийное проектирование осуществляется для
объектов, при строительстве которых предполагается использовать
типовые и повторно применяемые индивидуальные проекты, а также
для технически несложных объектов.
Для крупных и сложных объектов, к которым относятся многие
предприятия цветной.металлургии, в том числе и предприятия по
производству редких металлов, проектная организация должна до
начала проектирования разрабатывать технико-экономические
обоснования (ТЭО), подтверждающие экономическую целесообразность
25
и хозяйственную необходимость проектирования и строительства
предприятий и сооружений.
Многостадийность процесса проектирования связана с тем, что
выполнение проекта современного промышленного предприятия
требует значительного времени и средств. Полная
продолжительность проектирования колеблется от нескольких месяцев (для
простых) до нескольких лет (для крупных и сложных объектов).
При этом необходимо промежуточное обсуждение и утверждение
основных решений и показателей проекта с целью определения их
приемлемости и в случае несогласия с ними утверждающей
инстанции внесения в проект всех необходимых изменений. Вместе
с тем сложность современного предприятия создает большие
трудности для полного согласования между собой различных
специальных служб и взаимного их учета в различных частях проекта.
Каждая из стадий проектирования имеет свои задачи, которыми
определяются ее объем и содержание [5, 6].
При выполнении технического проекта решаются задачи выбора
и разработки основных технических решений для проектируемого
объекта и выявления всех его характеристик с точки зрения
состава, связи с другими объектами народного хозяйства и
технико-экономических показателей строительства и последующей
эксплуатации. Вопросы связи с другими объектами народного
хозяйства включают обеспечение сырьем, материалами, энергоресурсамп,
обеспечение сбыта основной и, если проект предусматривает
получение какой-либо продукции попутно, то и попутной продукции,
организацию внешних транспортных связей. На стадии
технического проекта разрабатываются вопросы технологии производства,
выполняются все технологические и технико-экономические
расчеты, которые после утверждения соответствующей инстанцией
в рабочих чертежах уже не выполняются. Разрабатываются также
схемы транспортных потоков и объемно-планировочные решения
основных зданий и сооружений. Решаются вопросы размещения
зданий и сооружений на территории предприятия. В техническом
проекте должны приводиться заказные и заявочные спецификации,
технические требования на разработку нестапдартизированного
оборудования.
Утвержденный технический проект со сводной сметой является
основным документом, на основании которого разрабатываются
рабочие чертежи и финансируется строительство.
Рабочие чертежи - -конечная стадия проектирования. Рабочие
чертежи предназначены для детальной разработки общих
решений, принятых на стадии технического проекта, и должны ответить
на все вопросы, которые могут возникнуть при осуществлении
строительно-монтажных работ. Главное место в рабочих чертежах
занимают чертежи размещения технологического и
нетехнологического оборудования, строительных конструкций, отдельных узлов
установки оборудования, схемы всех коммуникаций, а также
чертежи нетипового оборудования. Отсутствие чертежей каких-либо
26
узлов или деталей допускается только в том случае, если эти узлы
или детали нормализованы.
Как следует из самого названия «рабочие чертежи», на
этой стадии выпускаются в основном графические материалы.
Кроме чертежей, выдаются также перечни стандартов, нормалей
и чертежей типовых конструкций, заказные спецификации и
некоторые другие материалы, предусмотренные инструкцией
СН 202—69 [4].
При выполнении каждой из стадий проекта работа в
производственных подразделениях института проводится последовательно.
Исходный документ — задание на проектирование — для
технического или техно-рабочего проекта или утвержденный технический
проект для рабочих чертежей поступают к главному инженеру
проекта. Главный инженер проекта выдает задание на
проектирование основным производственным отделам. Первоначально
задание на проектирование прорабатывается в технологической
части. На основе принятия решений по технологической части
выявляются требования к смежным частям проекта — строительной,
санитарно-технической, электротехнической, теплотехнической и т.д.
Разрабатываемая на основе требования технологической.части са-
нитарно-техническая часть проекта в свою очередь выдвигает
дополнительные требования к строительной, электротехнической,
теплотехнической частям. Электротехническая часть проекта в ходе
своей проработки выдвигает дополнительные требования к
строительной и санитарно-технической частям проекта. Строительная
часть проекта выдает требования к генеральному плану,
электротехнической части (по освещению) и т. д. Все эти взаимные
требования частей проекта оформляются в виде заданий на
выполнение смежных частей проекта.
Задания, до того как они поступают от подразделения,
подготовившего их, подразделению — исполнителю задания,
рассматриваются и утверждаются главным инженером проекта. Естественно,
что при необходимости учитывать большое количество различных
факторов и особенно при выдаче встречных заданий (санитарно-
техническая — электротехнической части и обратно) невозможно
сразу точно определить все требования к любой из смежных частей
проекта. Это приводит на практике к выдаче «обратных» заданий,
т. е. возвращению результатов проработки задания в
подразделение, выдавшее это задание. Существует также практика выдачи
двух заданий. Первое задание, предварительное, не учитывает
интересов смежных частей проекта. Второе задание,
окончательное, выдается с учетом интересов всех смежников.
После того как все части проекта разработаны, они должны
быть взаимно согласованы. Главным является согласование с
технологической частью проекта — источником большей части
заданий для всех остальных частей, при разработке которой
взаимно увязываются все части проекта. Одним из методов такой
взаимоувязки — выполнение технологами совмещенных монтажных
чертежей, на которые наносятся оборудование и конструкции,
27
Задание па проектирование
и утвержденное
технико - экономическое обоснование
Материалы изысканий
по площадке строительства
Технологическая проработка
и подготовка заданий
па слежные части проекта
Характеристика
оборудования
\
\
I
1
Химическая
защита
Генеральный
план и внешний
транспорт
Водопровод
и канализация
Отопление
и вентиляция
Строительная
части
Электротехническая
часть
Контроль
и управление
Теплотехническая
часть
Внешние
коммуникации
Генеральный
план и внешний
транспорт
Водопровод,
и канализация
Отопление
и вентиляция
Технологическая
часть
Строительная
часта
Электротехническая
часть
Контроль
и управление
Теплотехническая
часть
1
Архитектурно-
строительная
часть
Технологическая
часть
I
Генеральное
план и внешний
транспорт
Водоснабжение
и канализация
Отопление
и вентиляция
Архитектурно-
строительная
часть
Технологическая
часть
Электротехническая
часть
Контроль
и управление
Теплотехническая
часть
Химическая
защита
|
Технико -
зконопическая
часто
Рис. 1. Схема разработки проекта в отраслевой проектной организации
относящиеся ко всем частям проекта, и таким образом проверяется
возможность их совместной эксплуатации.
После разработки всех частей проекта по окончательным их
результатам выдаются задания на составление смет и в итоге
задания на составление технико-экономической части проекта. При
выполнении этих двух частей проекта обратных заданий не
выдается, за исключением тех случаев, когда технико-экономический
анализ показывает неудовлетворительные решения в проекте.
Описанный порядок проектирования показан на схеме (рис. 1).
Этот порядок относится к выполнению технического или техно-
рабочего проекта. При выполнении рабочих чертежей схема
отличается в основном тем, что отсутствует разработка смет и технико-
экономической части.
Рассмотренный порядок проектирования показывает, что
ведущее место в проекте занимает технологическая часть.
Действительно, объем требований технологической части определяет
фактически объем всех остальных частей проекта, характер всех
сооружений и установок, затраты на их сооружение и эксплуатацию.
Таким образом, при прочих равных условиях степень
эффективности всего проекта в целом в значительной мере определяется
правильным решением технологической части проекта. Кроме того,
как показано именно исполнителями технологической части,
осуществляется рабочее согласование и взаимоувязка всех частей
проекта. Точно так же следует отметить и важную роль технико-
экономической части проекта, которая позволяет выделить и
обобщить все основные показатели проекта и дать им оценку.
При выполнении собственно технологической части проекта
также существует определенный порядок выполнения отдельных
ее элементов. Первоначально разрабатывается аппаратурно-тех-
нологическая схема, т. е. определяются технологические операции,
их последовательность и взаимосвязь и аппаратурное оформление
как собственно технологических, так и вспомогательных и
транспортных операций. На основе определившейся схемы выполняют
расчеты материального баланса, определяющие потоки продуктов
в производстве. После определения потоков рассчитывают
необходимое количество оборудования. Затем на основе разработанной
схемы и выявленного количества оборудования разрабатывают
размещение оборудования и планировку производственных помещений.
В заключение определяют необходимые штаты обслуживающего
персонала и рассчитывают все показатели производства в части
расходов сырья, материалов, энергоресурсов и т. п.
3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА
РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ [2, 4]
Особенности проектирования производства редких металлов
являются естественным следствием их свойств и характерных черт
технологии производства.
30
Особое значение технологического проектирования
Технологическое проектирование — основа для большинства
проектов. Однако в производствах с установившейся, относительно
медленно изменяющейся технологией сравнительные показатели
проектов определяются в основном изменениями по сравнению
с ранее выполненными проектами в нетехнологических частях
проекта. В производстве редких металлов, где, как правило,
изменения в технологической части от проекта к проекту существенны,
именно эти изменения определяют в основном сравнительные
показатели проектов. Хотя изменения в нетехнологических частях
проекта при этом существенно влияют на показатели проекта, эффект
изменения технологической части проекта, как правило,
перекрывает влияние прочих факторов.
Такое определяющее влияние решений в технологической
части проекта и ее показателей для производства редких металлов
усиливается двумя положениями. Исключительно высокая
стоимость основного технологического оборудования для ряда
ответственных переделов, особенно завершающих, приводит к тому, что от
правильного решения технологической части проекта в большей,
чем для обычных технологий, степени зависит общий объем
капитальных затрат в строительстве. Вместе с тем высокая
стоимость сырья и полуфабрикатов, не говоря уже о том, что в ряде
случаев запасы сырья ограничены вообще, делают очень острым
вопрос о всемерном сокращении потерь в производстве.
Гибкость в проектных решениях
Высокие темпы развития технологии, связанные с высокими
темпами технического прогресса вообще и быстрым повышением
или изменением требований к качеству конечной продукции, в
частности, приводят к тому, что уже в ходе проектирования и
строительства или вскоре после ввода предприятия в эксплуатацию
появляется необходимость внесения изменений в первоначальные
проектные решения. Эти решения с самого начала нужно принимать
такими, чтобы возможные усовершенствования аппаратурно-тех-
нологического оформления процесса можно было выполнить
наиболее просто и с минимальными затратами.
Другим обстоятельством, требующим максимальной гибкости
в проектных решениях, является достаточно стремительный рост
потребности в редких металлах. Это требует принятия проектных
решений, позволяющих в дальнейшем с наименьшими затратами
наращивать мощности предприятий. Однако это положение нельзя
применять догматически. Формальная погоня за обеспечением
любой ценой гибкости проектных решений может необоснованно
увеличить стоимость строительства. Это тем более нежелательно, что
усовершенствование технологии и даже увеличение масштабов
производства, совершенно не обязательно связано с увеличением
объемов и перепланировкой производственных помещений. Быстрое
•31
усовершенствование сравнительно слабо устоявшейся
технологии может привести к тому, что удельные съемы продукции как
с единицы оборудования, так и с производственных площадей за
сравнительно короткий отрезок времени стремительно возрастут,
обеспечивая или даже перекрывая рост потребности.
Отсутствие разработанных конструкций нетипового
оборудования
Быстрое развитие технологии приводит к тому, что практически
для каждого нового проекта одновременно с проектированием
приходится разрабатывать большое количество конструкций основного
технологического оборудования. Другой причиной необходимости
разработки большего количества нового нетипового оборудования
является то, что производство редких металлов, как правило,
относительно маломасштабно. Это не позволяет во многих случаях
использовать при проектировании оборудование, применяемое для
аналогичных процессов в цветной металлургии и химической
промышленности.
Стадийность проектирования
За последние 15—20 лет практики проектирования
установленный порядок стадийности выполнения проектов претерпел
изменения. Сначала проекты выполнялись в три стадии — проектное
задание, технический проект, рабочие чертежи. Затем перешли к
проектированию в две стадии — проектное задание, рабочие чертежи.
В 1969 г. были проведены мероприятия по дальнейшему развитию
проектного дела в стране с переходом на проектирование в
основном в две стадии — технический проект, рабочие чертежи.
Следует отметить, что такие изменения порядка
проектирования целиком отвечают задачам и особенностям проектирования
производства редких металлов. Первоначальное при переходе от
трехстадийного к двухстадийному проектированию (проектное
задание, рабочие чертежи) было разрешено для производств с особо
сложной новой технологией осуществлять проектирование в три
стадии. Однако, как показала практика, именно неосвоенпость
технологии и, как следствие, быстрое ее изменение сводят
преимущества многостадийного проектирования к минимуму.
Практически при переходе от одной стадии к другой
стремительное развитие технологии приводило к таким изменениям, что
на каждой стадии принимались принципиально новые решения.
К моменту выпуска рабочих чертежей все проработки предыдущих
стадий приходилось выполнять заново, так как они не отвечали
решениям, принятым в рабочих чертежах. Даже при
проектировании в две стадии (проектное задание — рабочие чертежи)
взаимное соответствие решении на этих двух стадиях обеспечивалось
только в том случае, когда нормальны» порядок проектирования
нарушался и выполнение обеих стадий шло параллельно. При нор-
32
мальном порядке проектирования соответствие между ними
обеспечить в большинстве случаев не удавалось. Этому способствовало
и то, что благодаря сложности и неосвоенности технологии
сокращенный объем проектной проработки на стадии проектного
задания не позволил достаточно точно выявить все решения и
показатели по объекту, которые серьезно уточнялись при выполнении
рабочих чертежей. На практике это приводило к необходимости
корректировки или даже повторного выполнения проектного
задания после разработки рабочих чертежей.
Установленный в настоящее время порядок проектирования
позволяет на стадии технического проекта обеспечить
достаточно полную и глубокую проработку решений во всех частях и,
таким образом, после утверждения проекта достаточно быстро
выполнить рабочие чертежи, ограничиваясь разработкой деталей и
исключая пересмотр основных принципиальных решений.
Особые требования к нетехнологическим частям проекта
Основные требования к нетехнологическим частям проекта
отражаются в основном в решении санитарных в широком смысле
этого слова вопросов. Санитарные вопросы имеют две стороны.
Одна из них — защита от неблагоприятных в санитарном
отношении производственных факторов. Другая — создание
специальных санитарных условий, необходимых для успешного
осуществления производственного процесса и независящих от
метеорологической обстановки в районе размещения предприятия.
Защита от неблагоприятных в санитарном отношении
производственных факторов, связанная в основном с широким
применением в производстве редких металлов химически активных
материалов и реагентов, имеет три цели. Первая — защита
производственного персонала от воздействия вредных веществ,
участвующих в процессе производства. Вторая — обезвреживание всех
выбросов предприятия в атмосферу, канализационных стоков и
твердых отвалов с целью защиты населения и растительности
близлежащих районов от каких-либо вредных воздействий,
а также предупреждения загрязнения водоемов (это в
значительной мере, технологическая задача). Третья — специальная защита
оборудования, сооружений и строительных конструкций от
разрушения под воздействием агрессивной атмосферы и жидкостей.
Кроме химически активных вредных веществ, при производстве
редких металлов нередко приходится иметь дело с
радиоактивными веществами, что ставит дополнительные задачи по защите
людей от излучения.
Создание специальных санитарных условий —
кондиционирование условий в производственных помещениях также преследует
достижение нескольких целей. Основные из них: предупреждение
загрязнения перерабатываемых продуктов, обеспечение надежной
работы оборудования, обеспечение условий для выполнения
персоналом ответственных операций по обслуживанию технологического
3 Зак. .\» 161
33
процесса. Характерное для производства редких металлов особо
сложное оборудование, в частности аппаратура управления,
требует для своей эксплуатации строго кондиционированных (по
температуре, влажности, запыленности воздуха) условий. При
нарушении таких условий оборудование не обеспечивает
поддержание технологических параметров процесса в заданных пределах.
Обеспечение условий для работы персонала в данном случае
предполагает не обычное соблюдение общих санитарных норм,
а создание особых комфортных условий, позволяющих выполнять
сложные работы, требующие повышенного внимания, и особо
тонкие ручные операции.
Перечисленные особенности проектирования производства
редких металлов во многих случаях имеют место при
проектировании некоторых других производств. Это связано с тем, что только
одна или две из перечисленных характерных черт определяются
собственно технологией производства. Большинство же
особенностей связано с местом и значением, которые принадлежат редким
металлам в развитии новой техники, в научно-техническом
прогрессе вообще [5, 6]. По мере ускорения темпов технического
прогресса во всех областях промышленности особенности эти будут
постепенно приобретать всеобщее значение. Однако в настоящее
время производство редких металлов относится к отраслям, где
они особенно характерны. Это в значительной мере определяется
тем, что в производстве редких металлов технический прогресс
получает отражение не только в особых качествах продукции, но
в первую очередь в самой технологии производства. Нельзя
полукустарными методами получить редкий металл с высокими
свойствами. Это возможно только при использовании самых
современных методов — специальных методов очистки, техники высоких
температур, техники высокого вакуума и т. д.
Глава II
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1. ЗНАЧЕНИЕ И МЕСТО ИСХОДНЫХ ДАННЫХ В ПРОЦЕССЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ГРУППЫ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Любой объект проектируется на основе определенных исходных
данных, определяющих последующие проектные решения. Полнота,
достоверность и техническая прогрессивность исходных данных
в значительной мере предопределяют не только качество проекта,
но и возможность его выполнения вообще.
Подготовку исходных данных для проектирования нельзя
рассматривать как что-то совершенно изолированное от процесса
проектирования; она предполагает творческое участие исполнителей
проекта. Это участие заключается в анализе исходных для
проекта материалов и выявлении в них данных, обеспечивающих для
проектируемого объекта достижение оптимальных показателей.
Без участия авторов проекта такой анализ вообще не может быть
проведен качественно.
Анализ исходных данных для проектирования следует
рассматривать как важнейший, наиболее ответственный этап
проектирования.
По своему характеру исходные данные можно условно
разделить на три группы:
а) общеэкономические данные;
б) характеристика площадки строительства;
в) технологические данные.
К общеэкономическим данным относятся производственная
мощность предприятия и его состав, условия снабжения сырьем
и материалами, обеспеченность энергетическими ресурсами,
обеспеченность рабочей силой, сведения о потребителях продукции.
К характеристике площадки строительства относятся
климатические условия, инженерно-геологические данные площадки,
условия водоснабжения и возможности сброса в водоемы стоков
предприятия, возможность использования в ходе строительства
существующих зданий и сооружений.
Таким образом, видно, что общеэкономические данные тесно
переплетаются со специфическими условиями площадки. Строго
говоря, к общеэкономическим данным, совершенно обособленным
3*
3.1
от условий площадки строительства, можно отнести только
производственную мощность предприятия. По в некоторых случаях
даже этот фактор определяется условиями площадки.
К технологическим данным относятся полная характеристика
исходного сырья, исчерпывающие сведения по технологии
производственного процесса и требования к качеству производимой
продукции. Исходные данные для проектирования состоят из ряда
директивных положений, а также сведений, получаемых в
результате анализа района намечаемого строительства, его экономики,
состояния отрасли промышленности в целом, состояния научно-
исследовательских и опытно-конструкторских работ по
проектируемой технологии в СССР и передового отечественного и
зарубежного опыта. При этом должны учитываться основные
технические направления в проектировании предприятий отрасли.
Директивные положения задаются инстанцией, утверждающей
задание на проектирование.
2. ОСНОВНЫЕ РЕШЕНИЯ, ПРИНИМАЕМЫЕ ДО НАЧАЛА
ПРОЕКТИРОВАНИЯ [7, 8]
Директивные положения могут иметь достаточно широкую
номенклатуру. Однако основными являются решения, без которых
проектирование не может осуществляться:
1) объем производства на проектируемом объекте;
2) состав объекта;
3) место строительства объекта;
4) источники обеспечения сырьем.
Эти решения обычно входят в состав задания на
проектирование и служат важнейшими исходными данными, необходимыми
для его начала. Особенность их заключается в том, что на их
основе выявляется большая группа исходных данных для
проектирования общеэкономического характера. Кроме того, выбор места
для строительства объекта позволяет определить характеристику
площадки строительства.
Указанные решения подготавливаются проектной организацией
при выполнении технико-экономического обоснования
целесообразности строительства соответствующего производства. Одним из
основных документов, на котором основываются соответствующие
решения, являются схемы развития и размещения отрасли и
производственных сил по экономическим районам и союзным
республикам.
Объем производства
Объем производства для проектируемого предприятия
определяется обычно балансом производства и потребления металла
в стране. В большинстве случаев эта величина задается
директивно утверждающей инстанцией. Задание по объему производства
должно при проектировании тщательно анализироваться, так как
36
производственная мощность каждого отдельного проектируемого
предприятия может колебаться за счет соответствующего
изменения мощности других предприятий аналогичного
профиля.
Кроме баланса металла в стране, на определение объема
производства предприятия влияют возможности обеспечения сырьем
и материалами, всеми видами энергоресурсов. Объем
производства может быть жестко определен возможностью или даже
необходимостью потребления определенного количества сырья. Ввиду
высокой стоимости редких металлов сырье с экономической точки
зрения может быть транспортабельным. Однако исходное сырье
бывает иногда довольно бедным, и большие транспортные потоки
требуют приближения предприятия к источникам сырья. Кроме
того, в ряде случаев сырьем для производства редких металлов
могут служить побочные продукты какого-либо другого
металлургического или химического производства. Тогда объем
производства редкого металла целиком определяется объемом производства
предприятия-поставщика, связанного с выпуском основной для него
продукции. Аналогичное положение может сложиться с
обеспечением производства материалами, если материалы являются
побочным продуктом какого-либо другого производства. Особую остроту
приобретает этот вопрос, если материал, определяющий масштабы
производства, не может по экономическим или технологическим
причинам складироваться или транспортироваться на
значительные расстояния (например, разбавленный воздухом газообразный
хлор).
Обеспеченность энергией для возможности производства
редких металлов так же важна как и в любом другом производстве,
так как ряд производств редких металлов весьма энергоемок.
Рассматривая все приведенные выше факторы, следует
учитывать, что действие их может быть ограниченным. Высокая
стоимость редких металлов, с одной стороны, и большое значение их
для развития народного хозяйства и оборонной техники, с
другой, могут позволить пренебречь рядом факторов, учет которых
обязателен при проектировании большинства обычных
производств. Вопрос о значении этих факторов решается для каждого
объекта в зависимости от конкретной обстановки.
При определении объема производства следует учитывать
непрерывный рост потребности современной техники в редких
металлах. В частности, в задании па проектирование необходимо
оговаривать возможность и масштабы дальнейшего расширения
проектируемого предприятия.
Состав предприятия
В состав современного предприятия входят основные
технологические цехи и ряд производств и служб, обеспечивающих
работу основных технологических цехов. К таким относятся
энергетическое, транспортное, ремонтное и некоторые другие хозяйства
37
и службы. Состав обеспечивающих основное производство служб
определяется составом основного производства и условиями
размещения производства.
Состав основного производства предприятия определяется
характеристикой исходного сырья и требованиями к конечной
продукции. Задание именно этих исходных положений устанавливает
начало и конец производственного цикла и, следовательно, весь
состав технологических объектов на предприятии.
Современное металлургическое производство может включать
добычу руды, обогащение ее; производство черного металла,
рафинирование его; получение из металла полуфабрикатов и
производство изделий. Первые переделы выделяются обычно в горные
предприятия, а заключительный передел относится к
машиностроительной промышленности. Однако границы между горным и
металлургическим предприятием, с одной стороны, и металлургическим
предприятием и машиностроительным, с другой, не являются чем-то
раз навсегда заданным. В производстве редких металлов часто
объединяются металлургические предприятия с горным,
металлообрабатывающим и даже машиностроительным.
Сравнительно небольшие масштабы производства редких
металлов позволяют создавать комплексные предприятия по всему
производственному циклу, не делая их при этом излишне
громоздкими. Это сокращает транспортные коммуникации и
связанные с ними затраты и потери. Концентрация производства
способствует его лучшей координации при любых изменениях, вызванных
прогрессом технологии или изменением требований к выпускаемой
продукции и лучшему использованию квалифицированных
кадров.
Однако по мере развития промышленности появляются новые,
в основном экономические факторы, определяющие оптимальную
структуру предприятия.
Может возникнуть задача приближения металлургического
производства к районам потребления продукции при ограничении
транспортных потоков между раздельно расположенными
горнообогатительным и металлургическим предприятиями. Если
головные металлургические переделы позволяют сократить
материальный поток и не связаны неразрывно с последующими
переделами, то иногда целесообразно ввести их в состав
горно-обогатительного предприятия. Одновременно это позволит укрупнить
головные металлургические переделы с расчетом обслуживания
нескольких аналогичных производств редких металлов, что может
дать значительный экономический эффект.
Важный момент для определения структуры предприятия —
обеспечение максимальной утилизации отходов. Наилучшее
использование отходов обеспечивается в том случае, если отходы
возвращаются в производство с целью утилизации на том же
предприятии, где они получаются. Если, например, между
металлургическим и обрабатывающим переделами производства имеется
операция получения компактного металла, ее следует отнести
38
к обрабатывающему переделу, если здесь утилизируются отходы
обработки.
Другой важный момент — возможность достаточно гибкого
использования конечной продукции предприятия вследствие чего
она должна быть достаточно универсальна, чтобы изменение
формы ее потребления (состав сплавов, форма полуфабрикатов
и пр.) не затрудняло ее использования. Поставку
металлургическим предприятием своим смежникам полуфабрикатов
узкоцелевого назначения можно допускать только в случае, когда
потребление этого вида полуфабриката обеспечено устойчивым спросом
на много лет вперед. Однако для промышленности редких
металлов такая устойчивость требований к продукции совершенно
нехарактерна. Поэтому производство полуфабрикатов целесообразно
размещать на предприятиях, где идет их дальнейшая переработка.
Однако сырьевому предприятию экономически выгодно
выпускать продукцию более высокой стоимости, т. е. полуфабрикаты,
а не сырье для их производства. Вопрос о целесообразности
размещения производства полуфабрикатов на том или ином
предприятии следует решать, исходя из интересов отрасли
в целом.
Важное значение для определения состава предприятия имеет
состав сырья. Сырье, используемое промышленностью редких
металлов, обычно имеет комплексный характер. В состав сырья
входит большое количество (иногда 10 и более) полезных
компонентов. Все полезные компоненты сырья должны извлекаться в те или
иные продукты и не могут рассматриваться как отходы
производства. Предприятие по переработке комплексного редкометалличе-
ского сырья должно обеспечивать получение всех полезных
компонентов сырья в товарном виде. Если технология переработки
полупродукта, содержащего ценный компонент, к моменту
проектирования еще не разработана или не выявлена потребность
народного хозяйства в этом компоненте, продукт должен выдаваться
производством в виде, пригодном для складирования.
Развитие промышленности редких металлов и современной
техники показывает, что объем производств и применение редких
металлов непрерывно расширяются. Надо весьма тщательно
подходить к вопросу использования всех полезных компонентов
комплексного сырья и, безусловно, исключать варианты,
предполагающие потерю какого-либо редкого металла, входящего в его состав.
При этом потери могут быть в виде безвозвратных отходов
производства или в результате отказа от разделения основного
извлекаемого металла и ценного металла-спутника, в момент
проектирования почему-либо не извлекаемого.
Временно складируемая, накапливаемая продукция, а также
продукты, направляемые для дальнейшей переработки на другие
предприятия, должны выпускаться в достаточно
транспортабельном виде. Для этого на предприятии следует иметь все
необходимые переделы и производства, включая в случае необходимости и
производство специальной тары.
39
Выбор района строительства проектируемого объекта
При решении этой задачи должны быть соблюдены многие
разнообразные условия.
Производство должно быть приближено к источникам сырья.
Конечная продукция в производстве редких металлов обычно имеет
малую массу и объем при высокой стоимости. Транспорт ее не
представляет затруднений. Транспорт же сырья из-за
относительной его бедности связан со значительными грузопотоками. Поэтому,
если не преобладают другие факторы, производство редких
металлов целесообразнее размещать вблизи источников сырья.
Как и при определении масштаба производства, на размещение
предприятия влияют обеспеченность материалами, потребляемыми
в процессе производства, и энергией.
Серьезное значение для размещения предприятия имеет
обеспечение водными ресурсами как для водоснабжения, так и с точки
зрения возможности сброса стоков.
Большое внимание необходимо уделять обеспечению
транспортных связей предприятий с учетом особенностей района. При
большом объеме перевозок необходимо ориентироваться на
железнодорожный или водный транспорт. При незначительном объеме
перевозок можно ограничиться авто-гужевым транспортом. Для
транспорта жидкостей и газов все большее значение приобретает
трубопроводный транспорт.
Важное значение для выбора района строительства
предприятия имеет учет возможности кооперации в строительстве и
эксплуатации проектируемого объекта с другими предприятиями,
расположенными в районе строительства.
Первое направление кооперации — условия осуществления
строительства. Строительство будет протекать успешнее и с
минимальными затратами при ведении работ постоянно действующей
в этом районе мощной строительной организацией. Однако
занятость такой организации на других объектах строительства может
служить препятствием для ее эффективного использования.
Второе направление кооперации — транспорт. Кооперация
в вопросах транспорта заключается в максимальном
использовании подъездных путей и железнодорожных станций, а также
морских и речных причалов и автодорог для обслуживания двух и
более предприятий.
Третье направление кооперации — ремонтное хозяйство.
Целесообразно максимальную долю ремонтных работ сосредоточить на
крупных специализированных ремонтных предприятиях,
обслуживающих весь промышленный район. На каждом отдельном
промышленном предприятии ремонтное хозяйство можно при этом
ограничить потребностями мелкого текущего ремонта, а также
специализированного, специфического для данного предприятия вида
ремонтных работ.
Четвертое направление кооперации — кооперация в
энергетическом хозяйстве. Вопросы электроснабжения предприятия обычно
40
решаются по согласованию с местной энергетической системой,
которая обеспечивает правильность согласования электроснабжения
предприятия с другими потребителями района.
В теплоснабжении кооперация обеспечивает укрупнение
установок для снабжения теплом и выравнивание сезонной
неравномерности в потреблении тепла вследствие различного
расположения сезонного максимума потребления у разных предприятий.
Все эти вопросы кооперации предприятия с промышленностью,
транспортом и строительными организациями окружающего
района должны тщательно учитываться при выборе места
расположения предприятия. Большое значение для правильного
размещения предприятия имеет его санитарная характеристика и влияние
на прилегающий район. Размещение предприятия должно
исключать возможность загрязнения атмосферы и окружающих
водоемов любыми отходами производства.
Как правило, при выборе площадки для строительства
предприятия намечается несколько вариантов его размещения, которые
оцениваются экономическим сравнением.
Источники обеспечения сырьем
Вопросы, связанные с выбором источников сырья, в
значительной мере освещены при рассмотрении проблем определения
объема производства и выбора района строительства. Выбор
источников сырья имеет также непосредственное отношение к собственно
технологическим проблемам. Сырье различных источников
отличается, а иногда значительно, по составу и технологическим
свойствам. Поэтому выбор источников сырья может существенно
влиять на технологию.
После рассмотрения в технико-экономическом обосновании
объема производства, состава объекта проектирования, места
строительства, источников сырья начинается работа по сбору исходных
данных для проектирования. Для технолога-проектировщика имеют
значение не только технологические данные, но также
общеэкономические сведения и характеристика площадки строительства.
3. ОБЩЕЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ [7, 8]
Помимо сведений, определяемых заданием на проектирование
и рассмотренных выше, к общеэкономическим данным относятся
и некоторые другие.
Условия снабжения сырьем и материалами
При сборе сведений об обеспеченности сырьем и материалами
следует осветить несколько основных вопросов. Для каждого
источника сырья необходимо иметь данные о запасах.
41
Запасы сырья делятся по категориям в зависимости от
степени разведанности, изученности качества и горнотехнических
условий разработки. По действующей классификации имеются
четыре категории —А, В, G, С>.
К категории А относятся запасы, полностью изученные, для
которых выяснены детально условия залегания, форма и строение
рудного тела, распределение промышленных сортов полезного
ископаемого, гидрогеологические условия. Контуры рудного тела
определены по подготовительным горным выработкам или разве-
дочно-эксплуатационным скважинам. Качество сырья и
технология отработки изучены на основе опыта промышленного
использования.
К категории В относятся запасы, для которых изучены
основные особенности условий залегания, формы и строения рудного
тела, гидрогеологические условия. Условия залегания изучены без
детализации. Качество и свойства полезного ископаемого изучены
в степени, достаточной для выбора схемы его переработки. Запасы
изучены в основном по разведочным выработкам.
К категории G относятся: запасы, для которых известны в
общих чертах условия залегания и строение рудного тела; запасы,
примыкающие к контурам запасов категории А и В и
определенные на основе редкой сети разведочных выработок; запасы
сложных месторождений, для которых даже большое число
выработок не позволяет выяснить распределение ценного компонента.
Качество полезного ископаемого определено предварительно, на
основе отдельных проб. Запасы определены частично по
разведочным скважинам и частично по геологическим и геофизическим
данным.
К категории С2 относятся предварительно оцененные запасы,
определенные по геологическим и геофизическим данным,
подтвержденным отдельными скважинами, и примыкающие к контурам
запасов категорий А, В, G.
Промышленные предприятия проектируют на основе
утвержденных балансовых запасов категорий А, В, G. Запасы категории
Сг учитываются при определении перспективы развития
предприятия.
Если источников сырья несколько, необходимо, чтобы была
четко определена доля каждого в обеспечении проектируемого
предприятия как в момент пуска предприятия, так и ближайшие
годы после пуска. Желательно, чтобы исходные данные для
проектирования содержали сведения об изменениях в составе сырья по
мере отработки месторождений. Кроме того, должен быть решен
вопрос о том, каким транспортом и какими партиями будет
поставляться сырье. Особо следует обратить внимание на
возможность неравномерной поставки сырья. Последние вопросы имеют
непосредственное отношение к решению вопросов не только
экономической, но и технологической части проекта. Аналогичные
вопросы должны быть освещены в исходных данных по снабжению
основными материалами и энергоресурсами.
42
Возможность кооперации с другими предприятиями
После того как район строительства выбран, необходимо в
качестве исходных данных для проектирования собрать сведения
о том, в какой части проектируемое предприятие будет
пользоваться услугами близлежащих предприятий и в какой части
объекты вспомогательного хозяйства проектируемого предприятия
целесообразно ориентировать на обслуживание других предприятий.
После определения таких объектов (ремонтного, складского,
транспортного, энергетического хозяйства), в совместной эксплуатации
которых заинтересовано два или несколько предприятий,
независимо от того, в составе какого предприятия такой объект
находится, необходимо по каждому объекту определить долю
проектируемого предприятия в общем объеме капитальных вложений и
эксплуатационных затрат.
4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПЛОЩАДКИ СТРОИТЕЛЬСТВА
Хотя характеристика площадки строительства во многом
совпадает с общеэкономическими данными, часть сведений в ее
составе специфична.
Топография и инженерная геология площадки
строительства
Эти данные должны позволить четко определить необходимый
объем планировочных земляных работ по площадке, допустимые
нагрузки на грунт от строительных конструкций, уровень
грунтовых вод на площадке и их коррозионное действие. К этой группе
данных относятся и сведения о сейсмичности в районе
строительства.
Данные по метеорологии в районе строительства
Расчетные температуры воздуха и баланс осадков принимаются
по справочной литературе. Данные о скорости и направлении
ветров в районе площадки строительства принимаются по материалам
местной метеорологической службы. Скорость ветра для расчета
вентиляционных систем необходимо установить не только в
приземном слое воздуха, но и на высоте, где будут находиться устья труб
для вентиляционных и производственных выбросов.
Водоснабжение и канализация стоков
Необходимо иметь данные по дебету источника водоснабжения
и сезонным колебаниям его; особо важно минимальное значение
дебета. Следует также иметь сведения по расположению водозаборов
других предприятий или населенных пунктов. Для проектирования
43
технологической части, при сборе исходных данных для
проектирования водоснабжения, серьезное значение имеет температура
воды, поступающей в водозабор, и ее возможные колебания.
Данные по объектам, существующим на площадке
до начала проектирования
В тех случаях, когда все объекты, существующие на площадке,
не предназначаются к дальнейшему использованию, объем
сведений по ним должен позволить определить затраты на снос. Если
их можно использовать, необходимо иметь полные обмерочные
чертежи всех объектов, а также проектную документацию, по
которой они были построены.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Для автора технологической части проекта наибольшее значение
имеют технологические исходные данные для проектирования. Эти
данные содержат сведения о технологической схеме, выходах
годного, потерях, расходах материалов и энергоресурсов и
производительности оборудования.
По технологии производства часто имеется несколько
возможных вариантов технологической схемы разной степени
подготовленности, предлагаемых различными организациями и
предприятиями. Даже по одному варианту технологической схемы разные
авторы часто рекомендуют различные показатели. Поэтому на
технологе-проектировщике лежит обязанность сопоставить эти
данные и выбрать наиболее правильно отвечающие задачам и
возможностям проектируемого призводства.
К технологическим данным относятся:
а) требования к качеству продукции;
б) характеристика исходного сырья;
в) технологическая схема процесса;
г) материальный баланс процесса производства;
д) нормы расхода основных и вспомогательных материалов
и энергетических ресурсов;
е) характеристика основного оборудования.
Выбор этих данных для применения в проекте нового
предприятия должен основываться на опыте работы промышленности и на
результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских
работ.
Источники получения исходных технологических данных
В случае, если проектируемое предприятие ориентируется на
технологию и аппаратуру, которые опробованы и уже
используются на одном из действующих предприятий, то выбор исходных
данных заключается в тщательном анализе всех сторон
технологического процесса действующего предприятия. Часть существую-
44
щих на предприятии деталей и узлов аппаратурно-технологической
схемы могут быть вынужденными. Они обусловлены не
требованиями производства, а случайными причинами и даже ошибочными
решениями. Для устранения их требуется коренная реконструкция
некоторых отделений или даже цехов с перестройкой зданий,
сооружений и заменой основного оборудования. Такие изменения на
действующем предприятии нельзя производить слишком часто,
а иногда просто невозможно. При изучении опыта действующего
предприятия надо всегда тщательно изучать такие узлы и решения
и не допускать механического переноса их на новые предприятия.
Часть этих вынужденных решений сразу не видна. Особенно
сложно их выявить, когда действующее предприятие имеет резервы
производственной мощности по отношению к планируемому
выпуску продукции. В этом случае у предприятия нет стимулов для
освоения полной мощности оборудования и она может оставаться
нераскрытой.
Иногда опыт действующих предприятий отсутствует. В этом
случае необходимо тщательно изучить опыт эксплуатации
предприятий со сходными технологическими процессами.
Использование таких данных с обязательным учетом всех изменений,
вытекающих из переноса в условия проектируемого производства,
может дать очень ценные результаты.
При полном отсутствии данных промышленной эксплуатации
проектирование ведут на основании результатов
научно-исследовательских работ. Научно-исследовательская работа имеет ряд
этапов, у каждого из которых свои задачи и каждый необходим
для эффективной разработки технологии.
Первый этап разработки технологии — лабораторные
исследования— позволяет установить факт принципиальной возможности
протекания разрабатываемого процесса, пределы изменения его
показателей в зависимости от режима и примерные условия, при
которых технологические показатели процесса наиболее
эффективны. При этом могут намечаться основные принципы
аппаратурного оформления процесса.
Второй этап — полупромышленные испытания — проводится
в аппарате, являющемся достаточно точным прообразом
промышленного аппарата, от которого отличается только масштабом.
Этот этап является решающим для разработки конструкции
аппарата и установления параметров процесса.
Третий этап — опытно-промышленное производство с
получением товарной продукции. При этом устанавливается
фактическая производительность оборудования и окончательно
проверяется его конструкция. После проведения опытно-промышленных
испытаний технология считается полностью освоенной и никаких
новых принципиальных технологических вопросов при пуске
промышленного предприятия возникать не должно.
Все этапы исследования необходимы для разработки
технологии, но значение каждого из этапов может меняться в
зависимости от характера разрабатываемого технологического процесса.
45
В зависимости от конкретных условий необходимость в
проведении той или иной стадии исследования может отпасть, а некоторые
стадии могут быть объединены.
Результаты научно-исследовательских работ могут передаваться
для использования при проектировании в форме различных
документов— отчетов по научно-исследовательским работам, заданий
на проектирование процессов и конструирование оборудования,
технологических регламентов. Каждый из названных видов
материалов имеет свою специфику, достоинства и недостатки. Хорошо
зарекомендовала себя как форма задания на проектирование
выдача опросного листа на процесс, операцию или аппарат.
Опросный лист содержит номенклатуру сведений, которые
необходимо учитывать при проектировании. При этом опросный лист
прямо ориентирован на процесс проектирования и используется
только при проектировании.
Технологический регламент содержит исчерпывающие сведения,
характеризующие проектируемое производство, процесс или
операцию. В регламенте описаны параметры процесса, детально
изложен порядок и методы осуществления всех операций по
обслуживанию технологического процесса, контроль за его ходом и
управление им. Технологический регламент отличается
комплексностью, в нем объединены все сведения, необходимые для
правильной организации производства, как связанные с конкретной
технологической разработкой, так и выходящие за ее рамки и
полученные из других источников. Технологический регламент
направлен на использование непосредственно в процессе
производства. Подготовка технологического регламента не предполагает
его обязательное использование в процессе проектирования и, тем
более, его использование исключительно в процессе
проектирования.
Особенностью отчета по научно-исследовательской работе как
материала, используемого при проектировании, является
возможность анализа исполнителями проекта исходных материалов,
условий, при которых они были получены, их достоверности и
надежности. Однако отчет о научно-исследовательской работе может
не содержать прямых рекомендаций по тем или иным показателям,
используемым в проекте, выбор -которых остается за
исполнителем проекта. Отмеченные особенности каждой из форм
выдачи исходных данных для проектирования делают
целесообразным их сочетание. Опросный лист на проектирование или
технологический регламент должен передаваться исполнителю проекта
вместе с отчетом по научно-исследовательской работе, являющейся
основой инфорамации, заложенной в опросный лист или регламент.
В этом случае, конкретный, однозначный характер рекомендаций
для проектирования сочетается с возможностью анализа их
обоснованности.
При одновременном использовании материалов
научно-исследовательских работ и опыта действующих предприятий подход
к оценке этих групп материалов должен быть несколько различным
46
и при выборе исходных данных для проектирования они должны
правильно сочетаться. В тех случаях, когда действующее
производство, аналогичное проектируемому, отсутствует и исходные
данные для проектирования выбираются на основании только научно-
исследовательских работ, следует учитывать, на каком этапе
(лабораторном, укрупненно-лабораторном, полупромышленном или
опытно-промышленном) эти работы были проведены. При этом
важно, какой конкретный производственный процесс является
предметом проектирования.
Если проектируется, например, процесс, протекающий в растворе
или в газовой фазе при относительно низких температурах, с
относительно простой аэро- или гидродинамикой и несложным
аппаратурным оформлением, могут быть использованы даже данные
укрупненно-лабораторных работ.
Для пирометаллургических процессов, как правило, весьма
сложных для моделирования, в основу проектирования можно
принимать только данные полупромышленных или даже
опытно-промышленных работ. В этом случае почти всегда обязательно
испытание головных образцов промышленного оборудования. Даже
относительно небольшое изменение масштаба оборудования для
таких процессов требует длительной работы по его освоению.
Оценка возможных изменений исходных показателей
после ввода проектируемого объекта в эксплуатацию
При выборе данных для проектирования важно правильно
оценить изменение показателей процесса, которое неизбежно при
переходе от научно-исследовательской работы к производству и от
существующего производства к проектируемому.
Такие показатели, как производительность оборудования
(длительность производственного цикла, цикловая загрузка,
использование аппаратуры во времени), выход годного в процессе
(извлечение, потери), расход материалов в процессе, затраты энергии
в процессе на проектируемом производстве, должны быть
несколько улучшены уже за счет устранения неизбежных
диспропорций и неудачных решений существующего производства. Кроме
того, следует учитывать, что время проектирования и
строительства нового производства составляет обычно несколько лет. За
этот срок действующее производство неизбежно изменит свои
показатели в лучшую сторону по сравнению с тем моментом, когда
выбирались исходные данные для проектирования. Если это не
будет учтено при проектировании, то уже в момент пуска
запроектированное предприятие окажется по своим показателям отсталым
по сравнению с действующими.
Более сложное положение складывается, когда основой
исходных данных для проектирования служат результаты
научно-исследовательских работ. При разработке исходных данных на основе
показателей действующего производства показатели изменяются, но
направление этих изменений однозначно: они только улучшаются.
47
При использовании в проектировании материалов
научно-исследовательских работ, показатели могут меняться как в сторону
улучшения, так и в сторону снижения эффективности процесса.
Такое положение определяется тем, что изменение происходит
под влиянием двух противоположных тенденций и в каждом
конкретном случае может преобладать одна из них.
Тенденция к снижению показателей определяется в основном
двумя факторами:
1) научно-исследовательская работа, даже в промышленной
стадии, выполняется более квалифицированными кадрами, чем
кадры промышленного цеха. Контроль за ее выполнением со
стороны руководства более строгий;
2) оборудование, на котором проводится исследование, как
правило, находится в значительно более работоспособном состоянии,
чем рядовое оборудование при обычном промышленном
производстве. Это позволяет получать при исследовании более высокие
эксплуатационные показатели, включая показатель использования
оборудования во времени.
Другая группа факторов создает противоположную тенденцию
повышения технологических показателей при переходе к
промышленному производству. Так, вспомогательные механические и
транспортные операции более эффективны при осуществлении их
в крупном масштабе при постоянно действующем производстве.
В этом случае они осуществляются с помощью более
механизированного и надежного оборудования. Стабильный характер
промышленного производства исключает или уменьшает неизбежное
снижение показателей, связанное с периодами пуска и остановки
производства. Особенно значителен эффект, связанный с этой
особенностью, в случае непрерывного производства. Увеличение
масштаба производства, особенно если оно связано с укрупнением
основного оборудования, приводит к более устойчивому ходу
процесса и неизбежно улучшает его показатели. Хотя квалификация
цехового персонала ниже, но это может компенсироваться и даже
перекрываться выработкой специфических навыков но ведению
данного конкретного процесса.
При выборе для проектирования основных технологических
показателей следует учитывать, что в момент ввода проектируемого
предприятия в эксплуатацию проектные показатели могут не быть
достигнуты. Если проектные показатели учитывают
использование всех возможностей аппаратуры, принятой в проекте, высокую
квалификацию обслуживающего персонала и напряженную его
работу при мобилизации всех технических и организационных
резервов производства, то достигнуть проектных показателей на
вновь введенном в действие предприятии можно только через
несколько месяцев или даже через 1—2 года после ввода в
эксплуатацию. Это срок, необходимый для накопления производственным
персоналом во всех звеньях нужного опыта работы. Для
предприятий полностью или высоко автоматизированных и
механизированных этот срок меньше. Однако в этом случае потребуются
48
дополнительные затраты времени на работы по наладке
оборудования. Необходимо тщательно анализировать исходные материалы
для проектирования с точки зрения получения продукции нужного
качества.
Самый факт получения продукции хорошего качества при
опытных или, тем более, лабораторных работах еще не
гарантирует получение продукции необходимого качества на
проектируемом объекте. Необходимо, чтобы качественная продукция
устойчиво получалась по воспроизводимой технологии методами,
которые можно применить в промышленном масштабе.
Допустимость технического риска
Обеспечение проектирования достаточно полными исходными
данными очень сложная и ответственная задача, на практике
никогда полностью не разрешаемая. При проектировании
производства редких металлов из-за высоких темпов технического прогресса
приходится допускать элементы технического риска. Этот риск
не должен переходить определенных границ. Для принятия в
проекте технологической схемы все основные операции ее должны
пройти испытание не только в лабораторных, но и в
опытно-промышленных условиях. Для процессов, моделирование которых
представляет большие сложности (в основном для пирометаллур-
гических), опробование обязательно на оборудовании,
приближающемся по масштабу к принимаемому в проекте. Вспомогательные
и транспортные операции, когда имеется пример аналогичного
процесса в других производствах, можно принимать в проекте без
предварительного опытного опробования. Производительность
оборудования, выходы годного и расходы материалов и энергетических
ресурсов по причинам, рассмотренным выше, необходимо улучшать
по сравнению с действующими аналогичными предприятиями.
Однако каждое улучшение показателей в проекте должно опираться
на анализ производства и подкрепляться конкретными
мероприятиями, отраженными в проектных решениях.
Принимая решения, вносящие элементы технического риска,
автор проекта, поскольку это возможно, должен предусматривать
меры, позволяющие выправить положение, если какие-либо
технологические решения не оправдаются. К таким мерам относятся
предусмотренная проектом возможность замены оборудования
более проверенным, хотя и менее эффективным и изменения
технологической схемы. Такие возможности должны обеспечиваться не
только технологическими решениями, но и решениями по смежным
частям проекта (подробно этот вопрос рассмотрен в главах VIII
иХ).
Наиболее эффективным средством обеспечения
работоспособности технологической схемы и аппаратуры проектируемого
предприятия является опережающее основные объекты строительство
опытного цеха или установки. Такой цех может обеспечить при
условии заблаговременного ввода в эксплуатацию опробование
4 За к. -\° 161
19
всех основных узлов схемы и основного оборудования и снабдить
проектную организацию данными, необходимыми для уточнения
проекта основного производства.
6. ОТДЕЛЬНЫЕ ГРУППЫ ИСХОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ
Требования к качеству продукции
Б общих чертах эти требования оговариваются уже в задании
на проектирование, но при подготовке к проектированию они
должны быть уточнены. Должны быть точно оговорены ГОСТ и
технические условия, по которым производимая продукция будет
поставляться потребителям. В случае, если потребители к моменту
начала проектирования известны, то с ними или с органами,
которым они подчинены, должны быть оговорены особые условия
поставки. К таким особым условиям могут относиться масштаб
поставляемых партий, вид упаковки, удельный вес в поставляемой
продукции отдельных сортов. Если продукция проектируемого
объекта узкоспециализирована и ранее промышленностью не
выпускалась, необходимо к моменту начала проектирования иметь
опытные данные по ее использованию, подтверждающие необходимость
и достаточность требований к ее качеству.
Прогресс техники приводит к тому, что не только технология
производства непрерывно совершенствуется, но и постоянно растут
требования к качеству продукции. Необходимо анализировать
изменение этих требований с тем, чтобы проект предусматривал
возможность их удовлетворения.
Данные по исходному сырью
Данные по исходному сырью могут в некоторых случаях
определяться также техническими условиями на сырье. Но технические
условия на сырье, определяя наиболее важные его параметры, как
правило, не содержат всех необходимых для проектирования
данных как по составу, так и по некоторым другим характеризующим
сырье сведениям. Необходимо возможно более точно установить
фактический состав концентрата, который будет поставляться
проектируемому объекту, обратив особое внимание на то, чтобы
получить достаточно представительные, а не случайные данные.
Помимо данных по составу сырья, необходимо иметь сведения по его
физическим и транспортным свойствам — насыпной массе, углу
естественного откоса, смерзаемости, слеживаемости.
При получении в качестве исходного сырья концентрата,
который будет производиться на другом, также только еще
проектируемом предприятии, необходимо внимательно изучить данные
исследовательских работ по технологии обогащения. Цель такого
изучения — установление действительной представительности
данных по сырью, предлагаемых к использованию в проекте. Все это
полностью относится и к рассматриваемой далее оценке результа-
50
тов научно-исследовательских и опытно-промышленных работ по
основной технологии. Только результаты научно-исследовательских
работ, которые были проведены с достаточно представительным
сырьем, можно принимать для использования при проектировании.
Технологическая схема процесса производства
В технологической схеме должны быть определены все
основные и вспомогательные операции и их последовательность. Для
каждой операции должны быть установлены режимы, а также
требования к используемым сырью и материалам. Технологическая
схема определяется на основе опыта, накопленного
промышленностью, или на основе научно-исследовательских работ. В
последнем случае необходимо, чтобы схема прошла опробование на
опытных установках. Без этого ее практическое осуществление может
оказаться невозможным. При этом нет необходимости проверять
на опытно-промышленной установке всю схему до малейших
деталей. Целый ряд операций и процессов, не имеющих для схемы
принципиального значения, но с большим числом аналогий в
других производствах, можно принимать без проверки в укрупненном
масштабе. Важное значение для разработки схемы производства
редких металлов имеет проблема сокращения потерь и возврата
в производство отходов. Схему можно считать подготовленной для
проектирования только тогда, когда ее основные узлы проверены
не только на чистых исходных, но и на оборотных продуктах.
Проблема отходов, кроме требований повышения извлечения
ценного компонента, имеет еще не менее важную санитарно-тех-
нпческую сторону. Технологическую схему современного, особенно
крупнотоннажного химико-металлургического производства, можно
считать подготовленной к проектированию только тогда, когда
технологически и аппаратурно решен вопрос об обезвреживании всех
отходов производства. Должны быть решены вопросы очистки от
вредных газов и запыления всех отходящих производственных и
санитарно-технических газов, очистки всех производственных
стоков, методов обезвреживания и захоронения всех твердых отходов
производства. Без этого нельзя осуществлять запроектированную
технологию. Вопросы обезвреживания всех видов отходов должны
быть решены до начала проектирования. Проект должен
учитывать возврат в основное производство продуктов, получаемых при
обезвреживании, и полные затраты на строительство и
эксплуатацию, связанные с обезвреживанием отходов. Без этого невозможно
выявить действительные показатели по производству в целом и
принять наиболее эффективные проектные решения.
Материальный баланс процесса производства
Исходными данными для составления материального баланса
являются показатели выходов и потерь по всем переделам,
распределения продуктов на всех операциях. Определяются они на
4* 51
основе анализа материалов научно-исследовательских работ и
опыта действующих предприятий промышленности. При анализе
необходимо изучить все пути потерь — как безвозвратных, так и
в оборотные продукты. Исходным материалом для определения
действительных потерь на действующем предприятии являются
данные так называемых балансовых кампаний. В ходе таких
кампаний собираются полные данные о распределении полезных
компонентов в производстве по отдельным операциям или переделам,
а иногда по цехам и предприятию в целом. На основе изучения
данных балансовых кампаний в проекте намечаются конкретные
мероприятия для усовершенствования процесса с целью снижения
потерь. Анализируя данные по материальному балансу, необходимо
также учитывать изменение показателей при переходе от
исследовательской работы к производству.
Нормы расхода основных и вспомогательных материалов
и энергетических ресурсов
Применительно к этой группе исходных технологических
данных следует прежде всего повторить все сказанное выше о выборе
выходов и потерь в процессе производства.
Кроме того, следует отметить, что основную роль в снижении
затрат энергетических ресурсов в процессе производства играет
увеличение масштабов производства вообще и размеров и
производительности оборудования особенно.
Характеристика основного оборудования
Главная задача при определении характеристики основного
технологического оборудования — правильно определить
производительность. Если аналогичное оборудование имеется на
действующих предприятиях, задача сводится к конкретным условиям,
способствующим повышению производительности, которые по каким-
либо причинам не используются на существующем предприятии.
Следует изучать производительность за рабочее время,
позволяющую выявить число рабочих аппаратов и максимальные
материальные потоки и транспортные нагрузки в проектируемом
производстве, и производительность за календарное время,
позволяющую выявить необходимое число резервных аппаратов и общее
количество устанавливаемого оборудования.
При установлении проектной производительности оборудования
на основе результатов работы опытно-промышленной установки
особое внимание следует обратить на правильное определение
производительности за календарное время. Необходимо учитывать, что
при работе опытно-промышленной установки очень сложно
получить прямые показатели производительности за календарное время,
так как условия осуществления вспомогательных операций на
опытно-промышленной установке, а также условия проведения те-
52
кущего и капитального ремонта носят для опытно-промышленной
установки отличный от условий промышленного цеха характер.
При оценке чисто технических данных по оборудованию,
помимо сведений, непосредственно связанных с параметрами
собственно технологии, необходимо иметь требования к установке
оборудования и обеспечению всеми видами обслуживания. К таким
данным в первую очередь относятся габариты оборудования и его
масса. Если габариты из-за движущихся частей переменны, то
должны быть известны все пределы их изменения. Особенно точно
должны быть определены места соединений с другими.позициями
оборудования, сооружениями и коммуникациями (размеры и
расположение отверстий для фундаментных болтов, места подвода
трубопроводов, электропитания и т. д.).
Необходимо иметь также полные данные по питанию
электроэнергией, водой, паром, холодильными агентами и т. д. При этом
необходимо иметь не только общие количественные данные, но и
полную схему питания с исчерпывающими качественными
требованиями к источнику питания (электрическое напряжение,
давление пара или воды и т. д.).
При подготовке исходных данных по оборудованию большое
внимание следует уделять решению вопроса о конструкционных
материалах, из которых выполняются элементы аппаратов,
находящихся под воздействием обрабатываемых продуктов. Во многих
случаях соединения редких металлов и среды, в которых они об-
рабатываются, весьма агрессивны и конструкционные материалы
быстро корродируют. Поэтому выбор материалов для аппаратуры
и коммуникаций — весьма важный вопрос и требует большого
внимания. Это тем более важно, что на лабораторной и даже на укруп-
ненно-лабораторной стадии аппаратура часто выполняется в стекле
или кварце, которые химически устойчивы к большинству
производственных сред. В результате изучением коррозионной
стойкости конструкционных материалов начинают заниматься только
после перехода к полупромышленной или опытно-промышленной
стадии.
Необходимо учитывать, что коррозионная стойкость, это не
только вопрос о работоспособности аппаратуры, но и значительно
более важный вопрос о качестве производимого продукта, так как
продукты коррозии могут загрязнять перерабатываемый продукт.
Глава III
РАЗРАБОТКА
АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
СХЕМЫ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Разработку аппаратурно-технологической схемы можно разбить
на два этапа — разработку технологической схемы и разработку
аппаратурной схемы. Первая предопределяет технологические
процессы и операции, из которых состоит производство. Вторая
решает вопросы аппаратурного оформления процесса. Тесное
переплетение процессов разработки технологической и аппаратурной
схем в ходе проектирования делает необходимым рассмотрение их
как единого процесса создания аппаратурно-технологической
схемы. В этом заключается одно из отличий проектирования от
научно-исследовательской работы. Технологическое исследование
может быть разделено на разработку технологии и разработку
аппаратуры. В некоторых случаях такое разделение часто неизбежно.
Физико-химические основы процесса можно изучать в отрыве от
аппаратуры.
Для производства редких металлов характерно, что
проектирование новых объектов в большем числе случаев вызвано
необходимостью не только увеличения объема производства того пли
иного вида продукции в стране, но и необходимостью организации
производства принципиально новых, ранее не выпускавшихся
промышленностью видов продукции, или в принципе известных ранее
видов продукции, но значительно более высокого качества.
Поэтому при проектировании новых промышленных объектов, как
правило, решается вопрос о разработке принципиально новой
аппаратурно-технологической схемы. При этом нередко складывается
положение, когда имеется несколько различных
конкурентоспособных вариантов схемы. В момент проектирования, из-за сложного
характера зависимостей между исходными положениями схемы
и конечными показателями проекта, преимущества каждого из
таких вариантов схемы могут не быть очевидными. Поэтому при
разработке схемы необходим весьма тщательный анализ возможных
ее вариантов.
54
Задачи, решаемые при разработке схемы
При разработке апнаратурно-технологической схемы решаются
следующие основные задачи:
1) определяют набор технологических процессов и операций,
а также их взаимное сочетание, необходимые для получения
заданного сырья товарного продукта требуемого качества;
2) определяют набор технологических процессов, их взаимное
сочетание и связь с основной технологической схемой, необходимые
для утилизации и обезвреживания всех видов отходов основного
производства;
3) принимают принципы аппаратурного оформления всех
технологических операций;
4) решают вопросы транспорта всех продуктов,
перерабатываемых и производимых в ходе технологического процесса;
5) решают вопросы контроля за ходом процесса и
управления им.
Эти задачи, как правило, объединяются и решаются совместно.
Так, технологические схемы основного производства и
обезвреживания отходов могут полностью совпадать, и проблема
обезвреживания отходов будет полностью решаться при
осуществлении основных технологических процессов.
Решение вопросов транспорта может играть существенную роль
при разработке схемы процесса. Так, транспорт жидкостей и
газов, для которых недопустим контакт с атмосферой, требует
разработки специальной, достаточно сложной «дыхательной» системы.
Транспорт легко оседающих пульп и взвесей требует организации
специальной системы циркуляции.
Разработка системы управления процессом в настоящее время
все в большей степени является неотъемлемой частью технологии.
При современном уровне требований к производству система
управления должна, как правило, разрабатываться применительно ко
всей технологической схеме в целом, а не к отдельному аппарату
или технологическому узлу [9]. Это делает невозможным
механическое использование разработок систем управления отдельных
узлов схемы, выполненных до начала проектирования. Только
к началу проектирования выявляется полный состав
проектируемого производства и характеристика объекта управления,
без чего во многих случаях нельзя разрабатывать систему
управления.
Разработка аппаратурно-технологической схемы состоит из
четырех основных этапов. Сначала укрунненно намечают основные
переделы. Затем определяют набор операций по каждому
переделу. Для каждой операции устанавливают все поступающие и
выводимые продукты. Составляют сводную схему, объединяющую
транспортными потоками все переделы и операции проектируемого
производства. Кроме операций, связанных с потоком
перерабатываемых материалов, в схеме могут быть операции, связанные
с потоком переносного оборудования. Так, аппарат может после
55
проведения собственно технологической операции переноситься
последовательно на установки или стенды чистки, мойки, сушки,
проверки на герметичность, которые включаются в схему как
самостоятельные операции.
Основные переделы производства редких металлов [10]
При рассмотрении технологии химико-металлургического
производства большого числа редких металлов видно, что для
большинства металлов характерны следующие основные переделы:
1) вскрытие сырья и выделение первичного химического
концентрата извлекаемого металла;
2) получение чистого соединения редкого металла, включая
получение соединения и его очистку;
3) получение редкого металла в элементарном состоянии;
4) первичная обработка редкого металла, включая получение
редкого металла в компактном виде, дополнительную его очистку
и получение из металла полуфабрикатов.
Для каждой конкретной технологии число и состав переделов
могут меняться.
Приведенное деление на переделы, как и любое, условно.
Соединение редкого металла может получаться в ходе вскрытия.
В других случаях может меняться порядок расположения
различных переделов в технологической цепи.
2. ВСКРЫТИЕ СЫРЬЯ И ВЫДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОГО КОНЦЕНТРАТА
Основной задачей рассматриваемого передела является
вскрытие— разложение природных минералов и перевод извлекаемого
полезного компонента в соединение, удобное для дальнейшей
переработки. Попутно в ряде случаев сокращается количество
примесей, а полезный компонент отделяется в обогащенный продукт.
В некоторых случаях извлекаемый компонент при вскрытии
переводится в соединения, значительно более бедные по этому
компоненту, но более удобные для дальнейшей обработки. Этот
передел может осуществляться с помощью пнрометаллургических или
гидрометаллургических процессов или комбинации их. В
производственных условиях этому переделу предшествуют операции по
приемке и хранению сырья и первичной подготовке его к
технологическому процессу.
Приемка сырья и первичная подготовка его
к технологическому процессу
К этой группе относятся как транспортные операции, так и
операции, имеющие технологическое значение. В настоящей главе
рассматриваются операции, имеющие только технологическое
значение. Вопросы транспорта рассматриваются в гл. VI.
56
Материал!
I
Дробление
Разпол
Материал Л
Подготовка шихты к технологическому процессу (рис. 2)
может состоять из следующих операций: хранение шихтовых
материалов, дробление или измельчение, дозировка, смешение,
механическая или тепловая обработка. Каждая из названных операций
имеет свое технологическое назначение.
В задачу хранения шихтовых материалов входит согласование
работы проектируемого производства и производств,
поставляющих сырье и материалы, потребляемые в процессе.
Технологическим содержанием процесса хранения является необходимость
обеспечения постоянства состава сырья и материалов,-
поступающих в технологический процесс. Колебание состава сырья,
поступающего в процесс производства, неизбежно. На предприятиях,
перерабатывающих редкометал-
лическое сырье, в голове процесса
создают достаточно большой его
запас, предупреждающий
возможность перебоев в производстве.
Целесообразно сосредоточение в
одном месте значительных
количеств сырья использовать для
усреднения его состава. Усреднение
становится особенно остро
необходимым, если предприятие
снабжается несколькими
поставщиками сырья. На практике возможны
случаи, когда усреднение сырья
нецелесообразно и недопустимо,
так как эффективная переработка
каждого из различных видов
сырья может осуществляться только
по специальной технологии. Тогда
технологическая схема
характеризуется двумя или несколькими самостоятельными
линиями вскрытия сырья, которые в процессе вскрытия не
соединяются.
Наиболее общая схема усреднения сырья должна включать
точки (емкости, или другие устройства и сооружения) для
хранения отдельных партий сырья и систему транспорта, позволяющую
перегружать находящийся на хранении продукт из каждой
отдельной точки (емкости, сооружения) в любую другую точку
хранения, в любой последовательности. Примером такого решения
может служить схема усреднения при бункерном хранении и
использовании конвеерно-элеваторного транспорта (рис. 3). В некоторых
случаях усреднение достигается совместной параллельной
загрузкой в одну емкость хранения нескольких различных партий
материала. Узел усреднения должен размещаться в общей схеме на
стадии, на которую материал поступает в форме, пригодной для
усреднения. В основном для этого может быть пригоден молотый
или мелкодробленый материал.
Ill
Дозировка
Спешение
Ьрикетирадание или грануляция
Сушка или про/галка '
Готовая шихта
Рис. 2. Технологическая схема подготовки
шихты к металлургическому процессу
57
Исходный материал может нуждаться в дроблении и
измельчении или только измельчении. При разработке схем дробления и
измельчения необходимо учитывать возможность и допустимость
перепзмельчения продукта [11]. Переизмельчение, как правило,
нежелательно. Оно вызывает излишние затраты энергии и осложняет
все транспортные операции, связанные с перегрузкой материалов,
приводит к излишним механическим потерям в результате иыле-
ния, а иногда осложняет и проведение технологических процессов
по существу. Для уменьшения переизмельчения схему процесса
дробления и измельчения необходимо построить на основе
постепенного доведения материала до требуемой крупности с
неоднократным промежуточным отбором фракций. Материал обрабаты-
Вшдачг усредненного
rjmepuofla
<Р=
т-
Г 'Г
3D
Поступление сдетего
материала
"С
^
Рис. 3. Аппаратурная схема усреднения материала:
/-бункер; 2 — транспортер; 3 — элекатор; 4 — транспортер
вают в аппарате дробления или измельчения при режимах,
обеспечивающих положение, когда значительная часть его не достигает
в процессе прохождения через аппарат требуемой крупности,
остается недоизмельченной. Выходящий из аппарата материал
классифицируют. Фракцию материала, достигшую требуемой
крупности, отбирают и направляют на дальнейшую переработку. Более
крупную фракцию возвращают на повторное дробление или
измельчение (рис. 4, 5). В некоторых случаях повторное
измельчение крупной фракции проводят на самостоятельной линии
оборудования. Для прбцесса дробления целесообразно схему дополнить
предварительным грохочением исходного материала до
поступления его на дробление с тем, чтобы более мелкую фракцию
материала, не нуждающуюся в дроблении, минуя дробилку, передать
на последующие операции (рис. 5). В некоторых случаях имеется
отступление от описанной схемы, заключающееся в том, что
конструкция оборудования предусматривает такую классификацию
58
уже в самом узле размола, например в мельницах с
пневматическим отбором продукта.
Материал, доведенный до требуемой крупности, в ряде случаев
направляют непосредственно на операцию вскрытия. Однако
существует большая группа процессов, при которых необходимо
брикетирование или грануляции шихты. В этом случае необходима
организация дозировки и смешения шихты.
В ряде случаев для придания
брикетам или гранулам
механической прочности их сушат или
коксуют.
Процессы брикетирования и
грануляции требуют введения
Исходный материал
Предварительное
грохочение
Исходно»} материал
Иелкая
•■ фракция
Крупная
фракция
Размол
Крупная
Классификация
фракция
Г
Дробление
Грохочение
Размолотый материал
Рис. 4. Технологическая схема измельчения
с возвратом крупкой фракции
Дробленый материал
Крупная
фракция
Рис.
5. Технологическая схема дробления
с предварительным грохочением
после каждой из операции контроля крупности получаемого
продукта. Выделяемую фракцию возвращают на повторную
переработку.
Пирометаллургическое вскрытие
К пирометаллургическим процессам относятся обжиг,
сплавление, спекание, карбидизация, хлорирование и т. п. Схема пироме-
таллургического процесса состоит из рассмотренных операций
подготовки к процессу, собственно пирометаллургического процесса
и операций по первичной обработке продуктов, получаемых в ходе
пирометаллургического процесса. При разработке аппаратурной
схемы непрерывного процесса особое вннмание следует уделить
системе питания основного аппарата исходными продуктами,
которая является важнейшим элементом, определяющим
возможность и уровень проведения собственно пирометаллургического
процесса.
Собственно пирометаллургическая переработка может иметь
несколько вариантов оформления: периодическая или
непрерывная работа; получение твердых кусковых, расплавленных или
парообразных продуктов; обогрев за счет тепла химической реакции,
тепла, получаемого при сжигании топлива, или электрообогрева.
Для разработки схемы решающее значение имеет форма, в которой
шихта загружается в основной аппарат и выводится из аппа-
59
рата, а также принцип подвода или генерации тепла, необходимого
для проведения процесса. Наиболее проста форма загрузки
твердой шихты в виде порошка, гранул или брикетов. В этом случае
разработка схемы ограничивается установкой питателя шихты. При
подаче шихты в процесс в виде пульпы необходимо подготовить
пульпу к загрузке и принять меры по сохранению заданного
состава ее до момента попадания в основной реакционный аппарат.
Главный показатель, который должен быть постоянным, —
отношение жидкого к твердому в пульпе. Нарушение этого отношения
возникает из-за оседания твердого, что также нарушает работу
оборудования и может вывести из строя коммуникации. Для
предупреждения этого необходимо обеспечивать постоянное движение
пульпы в трубопроводах.
Методы введения тепла в процесс можно разделить на две
группы. Первая из них включает электрообогрев или нагрев
любым видом теплоносителя через стенку. Для этих способов
подвода тепла характерно то, что в перерабатываемые продукты не
вносится никаких примесей, они не смешиваются ни с какими
другими продуктами, от которых их в дальнейшем необходимо
было бы отделять или очищать. Проектирование систем подвода
или генерации тепла в этом случае задача чисто электро- или
теплотехническая, разрешаемая в конструкции'аппаратуры и не
влияющая на построение технологической схемы. Иное дело, когда
тепло вносится в процесс топочными газами или генерируется за
счет протекающих в шихте химических реакций. При таких методах
подвода тепла необходимо отводить от основного аппарата
значительное количество газообразных продуктов сгорания топлива
или других химических реакций, используемых для генерации
тепла.
С газообразными продуктами выносятся в виде пыли, капель
или паров перерабатываемые продукты или их отдельные
компоненты, которые необходимо выделить для возвращения в
производство ценных продуктов и санитарной очистки отходящих газов,
а газы, используемые в производстве, очищать для удовлетворения
требований технологии на последующих операциях.
В случае выноса с газовым потоком паров полезных
компонентов задачу извлечения полезного компонента из паров можно
решить конденсацией паров и последующим улавливанием
конденсата пылеулавливанием, связыванием паров в нелетучие
химические соединения или различного вида сорбционными процессами.
Возможны различные сочетания этих методов, а также некоторые
варианты самих методов.
При копдецсации продукт можно выделять на рабочих
поверхностях аппаратов, не используя приемы пылеулавливания. Операции
газоочистки и пылеулавливания обязательны в любом случае
вывода паро-газового потока из технологического аппарата, так как
в той или иной степени газы, пары или пыль практически всегда
выносятся из аппаратов и санитарная очистка газов перед
выбросом их в атмосферу необходима.
60
Особым вариантом рассматриваемой схемы является
использование процессов выделения полезных компонентов из паро-газо-
вой смеси для очистки полезных компонентов от примесей, а также
разделения полезных компонентов при их распределении по
различным продуктам. Этот вариант в последние годы достаточно
распространился в производстве редких металлов в связи с
развитием хлорной металлургии. Характерным примером может служить
схема переработки лопаритового концентрата методом
хлорирования (рис. 6) [12].
Если с газовым потоком из аппарата, в котором проводится
вскрытие, полезные компоненты выносятся в виде пыли, то при
Исходная
Редкоземельный
продукт
Пульпа хлоридод тантала
и ниобия в хлориде титана
на переработку
продукт
Рис. 6. Аппаратурная схема хлорирования лопарита:
/ — шахтная электропечь; 2 — конденсатор высококипящих хлоридов; 3 — оросительные
конденсаторы; 4 — бры.чгоуловитель; .5 — холодильник жидкости; 6 —бак с погружным
насосом; 7-- сгуститель пульпы
разработке технологической схемы процесса возможны различные
варианты. Если выносимая пыль является непрореагировавшей
шихтой, ее просто возвращают в процесс пирометаллургического
вскрытия. При этом ее можно направить как на собственно
вскрытие, так и на приготовление шихты при переработке
брикетированной или гранулированной шихты. Если выносимая газовым
потоком пыль является готовым продуктом, ее направляют на
дальнейшую технологическую переработку. Если пыль по составу и
свойствам отличается от основного продукта, выдаваемого из
аппарата вскрытия в твердом пли расплавленном виде, ее можно
перерабатывать на самостоятельной линии аппаратурно-технодо-
гической схемы.
При выгрузке из аппарата продуктов реакции в твердом виде
продукт может быть пригоден к транспортировке, хранению и
дальнейшей переработке без дополнительных вспомогательных
61
операций. Такое положение, как правило, имеет место при
получении продукта в порошкообразной или мелкокусковой форме.
Мели продукт получается в виде относительно крупных,
спеченных или сплавленных блоков, необходимы дополнительные
операции по его разделке. При проведении основного процесса в
аппаратах непрерывного действия, а иногда и при работе в аппаратах
периодического действия материал выходит из аппаратов,
сохраняя высокую температуру. Поэтому первой операцией является
охлаждение, которое можно осуществлять или в специальном
аппарате (трубчатый холодильник, разливочная машина
непрерывного действия), или естественным охлаждением на воздухе с
использованием простейших приспособлений. Последний вариант для
металлургии редких металлов также достаточно характерен из-за
малого масштаба производства. Остывший продукт дробят и, если
надо, измельчают. Дробленый или измельченный продукт готов
к дальнейшей обработке.
Гидрометаллургическое вскрытие
Другой, принципиально отличный вариант вскрытия сырья —
гидрометаллургическая технология, достаточно широко
распространенная в металлургии редких металлов; Операции подготовки
шихты к гидрометаллургической переработке включают дробление
и измельчение материала. В ряде случаев может применяться
обжиг или прокалка. При подаче сырья и материалов в реактор
вводят операцию дозировки и питания.
Собственно гидрометаллургическая обработка может
осуществляться в различных вариантах. Разработка схемы
гидрометаллургического процесса предопределяется такими его особенностями,
как распределение компонентов по продуктам вскрытия и
принятый порядок осуществления контакта исходного сырья и раствора
реагентов. Особенности гидрометаллургических процессов,
отражающиеся на разработке схемы, это — необходимость и способ
нагрева, работа под давлением, метод перемешивания. Важное
значение для разработки технологической схемы
гидрометаллургического вскрытия имеют операции разделения твердой и жидкой
фаз, завершающие процессы гидрометаллургической обработки.
Возможны три варианта распределения полезных компонентов
по продуктам, получаемым в процессе гидрометаллургического
вскрытия:
1) полезный компонент (или полезные компоненты) переходит
в раствор;
2) полезный компонент удерживается в нерастворимом остатке,
а в раствор переходят примеси;
3) полезные компоненты распределяются между раствором и
нерастворенным остатком.
При концентрации полезных компонентов в растворе главная
задача — тщательное отделение раствора от твердого остатка
с целью уменьшения потерь с отвальным продуктом. Эта задача
П2
решается организацией одной иди нескольких промывок твердого
отвального продукта. Промывные воды возвращают в процесс
производства. При нескольких промывках целесообразно организовать
их по принципу противотока. При этом получаются более
концентрированные промывные растворы, что облегчает их дальнейшую
переработку [13].
Бедные промывные растворы можно направлять в голову
процесса для приготовления растворов реагентов, используемых на
основных гидрометаллургических операциях вскрытия. Если
растворы настолько разбавлены, что использовать их непосредственно
в технологическом процессе невозможно (большой объем), их
можно концентрировать с сокращением объемов, упаривать. Однако
этот способ связан с большими энергетическими затратами и не
всегда экономически эффективен. Использование современных
технологических приемов, в частности ионного обмена, позволяет
извлечь ценные компоненты из относительно бедных растворов.
После чего стоки можно направлять в канализацию или возвращать
в систему оборотного водоснабжения.
Если полезные компоненты концентрируются в твердом остатке,
промывка его имеет целью наиболее полное отделение примесей.
В этом случае растворы, являющиеся отбросными, не
представляют ценности и в дальнейшем не перерабатываются, поэтому их
объем можно увеличить.
При распределении полезных компонентов между раствором и
нерастворимым остатком операция вскрытия совпадает с
операцией первичного разделения полезных компонентов сырья. Такое
разделение позволяет отделить полезные компоненты один от
другого и уменьшить потери, связанные с загрязнением компонента.
Необходима тщательная отмывка твердого от растворенных
компонентов, без излишнего разбавления получаемых растворов. Точно
так же нежелательно попадание в раствор шламов из
нерастворимого остатка. Во избежание этого необходимо предусматривать
контрольную фильтрацию (например, на фильтрпрессах).
Контакт между твердой и жидкой фазами в процессе
гидрометаллургического вскрытия можно осуществлять однократно и
многократно, прямоточпо и противоточно.
При выщелачивании с однократным контактом исходный
твердый продукт и раствор реагентов вступают в контакт однократно,
после чего твердую и жидкую фазы разделяют, направляют на
последующие переделы, и они более в этой операции не участвуют
и в контакт с другими партиями соответственно твердого или
жидкого продукта не вступают.
При выщелачивании с многократным контактом фаз одну и tv
же партию сырья подвергают последовательно обработке
несколькими отдельными объемами раствора реагентов. Или, наоборот,
один объем раствора реагентов последовательно проходит через
несколько партий сырья [14].
Многократную промывку твердой фазы, выводимой из
процесса гидрометаллургического вскрытия, нельзя рассматривать как
63
пример многократной гидрометаллургической обработки. Такая
промывка направлена не на перевод в раствор дополнительного
количества каких-либо компонентов твердой фазы, а только на более
полное разделение конечного твердого продукта
гидрометаллургического вскрытия и растворенных компонентов. Таким образом,
эта операция отлична от операции собственно вскрытия и
выполняет задачи следующей за вскрытием операции механического
разделения.
При прямоточном гидрометаллургическом вскрытии в контакт
вступают исходное сырье и свежий раствор реагентов, а
выходящие с операции как твердая, так и жидкая фазы имеют в момент
разделения состав, соответствующий продуктам, передаваемым на
последующую обработку. При прямоточном процессе фазы
контактируют однократно. Вскрываемое сырье (твердая фаза) и раствор
Исходное Раствор
Осадок Раствор
Рис. 7. Аппаратурная схема вскрытия при прямоточном выщелачивании:
/--бункер исходного сырья; 2 — питатель; 3 — смеситель; 4 — реактор для
выщелачивания; 5 — сборник пульпы; 6 — насос; 7 — дозатор раствора;
S —бак для исходного раствора; 9 — вакуум-фильтр; 10 — кюбель для
осадка; // — бак для конечного раствора
реагентов (жидкая фаза) в момент встречи обладают наивысшей
концентрацией веществ, вступающих во взаимодействие при
операции вскрытия. При завершении процесса концентрации
извлекаемых компонентов в твердой фазе и свободных реагентов в
растворе минимальны. Для технологической схемы прямоточного
процесса характерно, что сырье и исходный раствор реагентов могут
поступать в аппарат вскрытия совместно и смешиваться до
поступления в аппарат в отдельном смесителе (при непрерывном
ведении процесса). Продукты реакции выводят из реактора также
совместно, а затем разделяют в отдельном аппарате (рис. 7). В
некоторых случаях при проведении процессов такого рода может
возникнуть необходимость дополнительной подачи реагентов в
аппарат в ходе операции вскрытия. Соответственно технологическая
схема должна быть усложнена введением самостоятельной системы
дозирования реагентов непосредственно в реактор вскрытия.
При противоточном гидрометаллургическом вскрытии
выводимую из процесса твердую фазу перед выводом обрабатывают
свежим раствором реагентов. Наоборот, сырье, поступающее в про-
61
цесс, вступает в контакт с раствором, уже насыщенным
извлекаемым компонентом и предназначенным для выведения из процесса
на последующие операции. Потоки сырья и раствора реагентов
направлены навстречу друг другу. На головной стадии вскрытия
раствор уже обеднен реагентами и дальнейшее извлечение
компонентов из твердой фазы обеспечивается высокой концентрацией
извлекаемых компонентов в сырье. На заключительной стадии
вскрытия, наоборот, концентрация извлекаемых компонентов в твердой
фазе снижена до предела, но концентрация реагентов в растворе
максимальная, что обеспечивает высокую активность протекания
процесса и полноту извлечения компонентов из твердой фазы. Ввод
сырья и раствора реагентов, а также вывод продуктов вскрытия
(твердая и жидкая фазы) при
противоточной схеме должны быть
разделены. В непрерывном
варианте противоточная схема может
осуществляться как схема с
однократным контактом фаз. При
периодической работе может быть
только многократный
контакт.
В практике
гидрометаллургического вскрытия возможен еще
один вариант технологической
схемы. Этот вариант особенно
наглядно можно представить на
примере твердофазного вскрытия
ильменита [15] (рис. 8).
Особенность этого процесса
заключается в следующем: раствор
реагентов (в данном случае
концентрированная серная кислота),
взаимодействуя с
обрабатываемым сырьем, сначала в ходе реакции дает не раствор, а
твердую фазу (сульфат титанила). После протекания основной
реакции в систему подают дополнительное количество воды
для выщелачивания и перевода извлекаемого компонента в
раствор.
При гидрометаллургическом вскрытии, как правило,
необходимо перемешивание, обеспечивающее лучший контакт между
жидкой и твердой фазами и серьезно ускоряющее процесс. Способ
перемешивания может быть механический или пневматический с
пропусканием пара. Для механического способа перемешивания
характерна возможность весьма интенсивного перемешивания. При
этом в производство не вносится никаких дополнительных
материалов и не возникает проблемы их вывода. При перемешивании
воздухом в аппаратах с аэролифтом возникает проблема отвода
этого воздуха из аппарата и очистки его, если воздух содержит
уносимые механически или возогнанные материалы.
Нзпельченный Серная
концентрат кислота
И
Разложение
Cy/tdtpa/n титанила Вода
Выщелачивание
Фильтрация и аропывка
i D
Раствор Хвосты
\ \
На дальнейшую В отбап
переработку
Рис. 8. Технологическая схема вскрытия
ильменита
5 Зак. Л'а 461
65
Если гидрометаллургическое вскрытие необходимо проводить
при повышенной температуре, продукты переработки можно
нагревать разными способами. Наиболее прост с точки зрения
разработки основной аппаратурно-технологической схемы, нагрев через
стенку с помощью теплоносителя или электрообогрев. При
обогреве через змеевик или рубашку в технологическую схему не
вводится никаких продуктов, которые разбавляют или загрязняют
перерабатываемые материалы. Принципиально отличается нагрев
путем подачи пара с необходимой температурой непосредственно
tlc/одная
Вторичньш пар
Рис. 9. Аппаратурная схема узла автоклавного вскрытия:
/ — бак с обогревом для исходной пульпы; 2 — самоиспаритель; 3 — автоклав;
4 — сборник пульпы; 5 — насос
в пульпу. При этом несколько разбавляются рабочие растворы, но
аппаратурно этот метод много проще и надежнее в эксплуатации.
Особый случай гидрометаллургического вскрытия —
гидрометаллургическая обработка сырья под давлением, в автоклавах.
Автоклавный процесс в зависимости от основ осуществляемой
технологии может преследовать различные цели и иметь несколько
отличное оформление. Если давление — средство достижения
необходимой для осуществления процесса температуры, оно обеспечивается
подачей в рабочее пространство автоклава пара высокого
давления, соответствующего требуемой температуре. Аппаратурно-тех-
нологическая схема процесса при этом должна состоять из" трех
основных элементов — аппарата для приготовления пульпы,
загружаемой в автоклав, включая ее предварительный подогрев,
собственно автоклава и аппарата для сброса давления, первичного
охлаждения пульпы после процесса и отбора вторичного пара
с целью утилизации тепла [10] (рис. 9). Использование пара в этом
случае многоцелевое: для достижения требуемой температуры,
перемешивания продукта и транспортирования его. В другом случае
66
Компоненты исходной шахты
г
WW
<* 5
На дальнейшую
переработку
Рис. 10. Аппаратурная схема вскрытия вольфрамитовых
концентратов;
/ — бункера; 2— дозаторы; ,5 — транспортер; 4 — элеватор; 5 —
шнек-смеситель; 6 — бункер; 7--питатель; 8 — печь спекания;
9 —валковая дробилка; 10 — барабанный выщелачиватель
Цирконовый концентрат
\
ft? SiFe Нэпшчеше Ш
"—w—■
Спекание
г
1%-наяНС1
Выщелачивание
Осадок
На промывку
и в отвал
Раствор
На ovucmny
и выделение
циркония
Рис. 11. Технологическая схема кремиефю-
ридного вскрытия цирконового концентрата
спеканием
67
давление необходимо для интенсификации окисления сульфидов и,
следовательно, необходимо не давление вообще, а давление
кислорода с целью создания его повышенной концентрации в пульпе.
Обогрев в данном случае, если он необходим, может
осуществляться другими методами — теплоносителем через стенку или
электричеством.
Процессы пирометаллургического и гидрометаллургического
вскрытия на практике часто комбинируются. Если схема вскрытия
сырья хлорированием (см. рис. 6) является чисто пирометаллурги-
ческой, а схема сернокислотного вскрытия титанового концентрата
(см. рис. 8) — гидрометаллургической, то значительное число
других технологий редких металлов отличается большей сложностью.
Схемы вскрытия вольфрамовых концентратов спеканием с содой
(рис. 10) или цирконового концентрата сплавлением с кремиефто-
ридом калия (рис. 11) отличаются сочетанием пиро- и
гидрометодов (Сажин Н. П., Пепеляева Е. А. [16, с. 647—450]). Пирометал-
лургические процессы в принципе процессы более интенсивные,
осуществляемые при более высоких температурах и концентрациях
реагирующих веществ, обеспечивают разложение природного
минерала или поступающих из других производств продуктов, в
которых находится извлекаемый редкий металл. Пирометаллургиче-
ское вскрытие в комбинированных схемах является
подготовительным этапом для гидрометаллургической обработки.
3. ПОЛУЧЕНИЕ ЧИСТОГО ХИМИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ
Рассматриваемый передел отличается большим многообразием
процессов и аппаратурно-технологических приемов для
осуществления. На этом переделе решается важнейшая задача
современной технологии, характерной для производства редких металлов,—
получение продуктов высокой чистоты. В процессе проектирования
производства редких металлов при получении чистого химического
соединения решаются две задачи — очистка от примесей и
разделение двух или нескольких полезных компонентов.
Первая задача является общей и должна решаться для любого
редкого металла. Отделяемая примесь удаляется как отбросный
или малоценный продукт. Это позволяет не заботиться о сборе
ее с целью дальнейшего использования и практически исключает
требования к ее качеству, что упрощает выбор технологических
приемов для ее отделения.
Вторая задача весьма характерна для металлургии редких
металлов. Большинство редкометаллических руд комплексные и
содержат несколько полезных компонентов. Для большой группы
редких металлов совместное нахождение в природе является
правилом. К таким относятся все редкоземельные элементы, тантал
и ниобий, цирконий и гафний, молибден и рений. Совместно с
некоторыми из этих металлов в сырье во многих случаях
присутствуют титан и торий. При производстве почти всех перечисленных
68
выше металлов приходится решать задачу их разделения, что
является главным содержанием рассматриваемого передела. Порядок
чередования процессов определяется конкретной технологией. При
получении окисла бериллия, парамолибдата аммония очистка
полупродуктов предшествует получению химического соединения.
В хлорной технологии титана и циркония хлориды сначала
получают, а потом уже очищают.
Технологические схемы но рассматриваемому переделу очень
разнообразны и не могут быть унифицированы. Процессы,
используемые для настоящего передела, в принципе можно разделить на
ряд групп— растворение и выделение из растворов, испарение и
конденсация, обезвоживание, связывание в химические соединения,
тонкое разделение методами межфазного массообмена.
Целесообразно рассмотреть разработку схем изолированно для каждой
группы процессов.
Кристаллизация и осаждение из растворов
Очистка и разделение кристаллизацией или осаждением из
растворов основана на различной растворимости очищаемого
соединения и примесей или соединений разделяемых элементов.
При разработке аппаратурно-технологической схемы возможны
два варианта. После кристаллизации кристаллы от маточных
растворов можно отделить, если кристаллы достаточно крупные,
простой декантацией. Если полученный осадок весьма мелкий или не
имеет ярко выраженной кристаллической структуры, декантации
недостаточно для эффективного разделения твердого и маточного
раствора, необходимо дополнить схему операциями по разделению
фаз фильтрацией или центрифугированием.
Имеется несколько различных схем очистки выделением из
растворов. Схемы эти могут предусматривать выделение из растворов
кристаллов очищаемого продукта или осаждение из очищаемых
растворов примесей. Выделение из раствора может достигаться
охлаждением растворов, упаркой растворов, высаливанием,
химическим связыванием в малорастворимые соединения. Для этой цели
можно использовать изменение кислотности раствора и
валентности соответствующего элемента. Соответственно установки для
осаждения могут включать реактор с охлаждением или нагревом,
выпарную установку (с вакуумированием или давлением), систему
дозирования реагентов. После образования твердой фазы,
выделение ее из раствора осуществляется методами разделения фаз,
описанными в разделе 6 настоящей главы.
Один из наиболее простых в технологическом отношении
примеров очистки методом осаждения и кристаллизации это
производство чистого молибденового ангидрида [10] (рис. 12). Другой
пример очистки простой однократной кристаллизацией — очистка
от железа сульфатных растворов в производстве двуокиси титана
[10]. В этом случае (рис. 13) предварительно восстанавливают
все растворенное железо железной стружкой до двухвалентного,
69
NHuHS
Щелок, содержащий Мо
Осатдение принесеи
Фильтрация
РЬ(М03)г
Кек
На переработку
для доизвлечения Мо
Чистый щелок
Выпаривание
Кристаллизация
Центрифугирование
I
Маточный раствор
\
Многократное выпаривание
Кристаллизация
Центрифугирование
-J 1
Кристалле/1 сорта
На получение Мо03
Хвостовой
паточный раствор
\
На переработку
для доизвлечения По
Кристаллы Е сорта
\
На получение Мо03
Рис. 12. Технологическая схема выделения чистого молибденового ангидрида
Раствор
Сулыратов
титана
Железная
струша
Восстановление
Охлаждение
и кристаллизация
Центрифугирование
I
Железный
купорос
Потребителям, как
побочный продукт
Очищенный
раствор
На производство
двуокиси титана
Рис. 13. Технологическая
схема очистки раствора
сульфатов титана
а затем кристаллизуют его при охлаждении растворов в виде
железного купороса.
Сложным вариантом очистки методом выделения из растворов
является метод перекристаллизации с многократным растворением
и кристаллизацией очищаемого соединения. Примером может слу-
Технический KReOu
Вода
Вода
Вода
Вода
Вода
I перекристаллизация
Кристаллы KReOt,
Паточный раствор
111
Л перекристаллизация
Кристаллы KReOi,
Т^1
Ш перекристаллизация
Паточный раствор
Кристаллы KReOi,
1*1
IF перекристаллизация
Маточный раствор
Выпарка
~~г~
Осадок
Вода
Водная обработка
Т
Твердый
остаток
В отвал Раствор
KReff*
Кристаллы /fRed<
II
7 перекристаллизация
Маточный раствор
Уистый KReOt,
Паточно/й раствор
\
Рис. 14. Технологическая схема перрената калия перекристаллизацией
жить схема очистки перрената калия [10] (рис. 14). При каждой
из перекристаллизации кристаллы растворяют в свежей порции
воды при нагреве, а затем, охлаждая, ведут кристаллизацию с
выделением кристаллов перрената калия и отделением примесей
в раствор.
Еще сложнее вариант технологической схемы разделения двух
или нескольких полезных компонентов.
71
Кристаллы K2ZrFe(Hf)
\\\
Iперекристаллизация
Кристаллы Маточные растворе/
I \
И перекристаллизация
Кристаллы
Паточные растворы
Ш перекристаллизация
Кристаллы
Маточные растворы
Раствор
с Р операции
выпаривание
Кристаллизация
Ш перекристаллизация
Г
Кристаллы
На ¥ операцию
Маточные растворы
Раствор
с Ш операции
Раствор
\
Кристаллы На выделение
гарнцевого
концентрата
Кристаллы с Ш операции
Ш перекристаллизация
Кристалле!
Маточнь/е раствори/
L
№ перекристаллизация
вода Кристаллы
Маточные растворы
t
~Z—и
Ш перекристаллизация
Вода Кристаллы
Маточные растворы
1
ШП перекристаллизация
Очищенные кристаллы K2ZrF6
Ma производство циркония
Маточные
растворы
На Ш операцию
I
На Шоперацию
Рис. 15. Технологическая схема разделения циркония и гафния перекристаллизацией
солей
72
Схема разделения двух полезных компонентов дробной
кристаллизацией с противотоком маточных растворов осуществлена
применительно к очистке циркония от гафния с выделением гаф-
ниевого концентрата [10] (рис. 15). Благодаря более высокой
растворимости фторгафниата калия растворы, перемещаясь от
семнадцатой перекристаллизации к первой, относительно обогащаются
Босс
Исходите кристс
Отгцеяше кристаллы
гафниевого концентрата
Рис. 16. Аппаратурная схема узла перекристаллизации солей циркония и гафния:
/ — кристаллизаторы; 2—бак исходного раствора; 3 — нутч-фильтр; 4 — бак воды для
промывки; 5 — холодильник раствора; 6 — кристаллизатор; 7 — поворотный
кристаллизатор; 8 — насосы
гафнием, а кристаллы, проходя встречный путь от первой
перекристаллизации к семнадцатой, очищаются от гафния.
Аппаратурная схема приведенного процесса достаточно проста,
так как на практике кристаллы от момента первой загрузки
исходных кристаллов до выгрузки очищенного продукта находятся в
одном реакторе, в который последовательно заливают разные
растворы, с каждым из которых повторяется цикл растворения и
кристаллизации. Аппаратурная схема должна обеспечивать
возможность гибкого маневрирования, т. е. подачу растворов
практически из любого реактора в любой другой (рис. 16). В этом случае
целесообразно использовать коллекторы, которые обслуживали бы
всю группу реакторов.
Наиболее сложна технологическая схема разделения дробной
кристаллизацией сложной многокомпонентной системы,
уникальным примером которой является сумма редкоземельных элементов.
Принципиальная схема заключается в последовательном
выпаривании растворов с разделением маточного раствора и осадка
(рис. 17). При этом полученные фракции осадка повторно много-
^fe^jjf Промежуточные фракции ^
I I Перекристаллизация (выпарка или охлаждение)
О Кристаллы О Паточные растворы
Рис. 17. Принципиальная схема разделения монократной кристаллизацией сложной
смеси
кратно растворяют и выпаривают. В качестве растворителя
используют свежие порции воды (или другого растворителя), а для
промежуточных фракций — маточные растворы, полученные при
выпарке на соседних операциях и наиболее близкие по составу
к растворяемому осадку. Аппаратурная схема операций дробной
кристаллизации или осаждения значительно проще схемы
технологической, так как она состоит из ряда периодически
действующих реакторов, емкостей для приема отделяемых растворов и, если
требуется, аппаратуры фильтрации. Если кристаллы допускают
декантацию маточных растворов, их не перемещают из реактора
в реактор, а в том же реакторе, где были выделены, растворяют
в маточнике нового состава или свежем растворителе.
Схемы разделения элементов многократной кристаллизацией
из-за малой производительности и невозможности интенсификации
почти полностью вытесняются методами экстракции и ионного
обмена. Процессы экстракции и ионного обмена, осуществляемые не-
74
прерывно и полунепрерывно, позволяют осуществить глубокое
разделение элементов при использовании аппаратуры с относительно
небольшими объемами. Поэтому разделение с помощью осаждения
или, кристаллизации используют в настоящее время, как правило,
только для операций с однократным выделением твердой фазы.
Испарение и конденсация
Очистка и разделение соединений редких металлов с
избирательным испарением и последующей конденсацией — достаточно
распространенный метод, имеющий ряд модификаций.
Выделяемый элемент можно перевести в паровую фазу простым
нагревом, связыванием в соединения с высокой упругостью паров,
вытеснением из растворов. В зависимости от физико-химических
Газы
в атмосферу
Нолибденовшй ангидрид
Воздух
Рис. 18. Аппаратурная схема очистки молибденового ангидрида
возгонкой из тигеля:
/ -тигель; 2 — колпак газоотсоса; 3 — вентилятор; 4 — система
пылеулавливания
свойств переведенного в пары соединения оно может
конденсироваться в специальной системе конденсации или самопроизвольно.
В зависимости от свойств получаемого конденсата система
конденсации может быть полной с совместным одновременным
осаждением всех возогнанных веществ и селективной с раздельным
осаждением из паровой фазы различных компонентов. В последнем
случае в ходе конденсации решается задача полного или
частичного разделения различных компонентов и их очистки. В
зависимости от свойств перерабатываемого продукта и требований к его
качеству процесс может осуществляться непрерывно с проходом
смеси паров и газов через систему конденсации и периодически
в замкнутом изолированном объеме.
Одним из относительно простых решений с точки зрения
разработки технологической схемы является процесс возгонки
молибденового ангидрида с целью его очистки [17] (рис. 18). Возогнан-
ные пары трехокиси молибдена, как только они выходят из
горячей зоны аппарата и охлаждаются окружающим воздухом,
немедленно конденсируются в виде пыли, которая уносится потоком
воздуха на улавливание в рукавный фильтр. В производстве
германия перегонка используется для выделения и очистки четырех-
хлористого германия. Особенность процесса — выделение германия
возгонкой из раствора при кипячении. Очистка завершается
дистилляцией хлорида [18] (рис. 19).
Выделение и очистка методами испарения и конденсации
особенно широко используются в хлорной технологии.
Наиболее сложной схемой
разделения хлоридов редких
металлов в процессе их испарения и
последующей конденсации
является схема переработки
комплексного титанотанталониобиевого
и редкоземельного сырья (см.
рис. 6). В этой схеме отдельно
получаются редкоземельный, тан-
талониобиевый и титановый
продукты. При этом хлориды
редкоземельных элементов вследствие
малой летучести остаются в виде
расплава, который выводится из
аппарата для хлорирования.
Хлориды тантала и ниобия
возгоняются в процессе образования и
осаждаются в конденсаторах в
твердом виде. Во избежание
конденсации совместно с хлоридами
тантала и ниобия четыреххлорис-
того титана в этом конденсаторе
поддерживают температуру 160—
180° С. Для конденсации четы-
реххлористого титана, как и
вообще конденсации жидких
хлоридов, как показал опыт,
целесообразно использовать конденсаторы
смешения. Охлаждающим
агентом при этом служит тот же че-
тыреххлористый титан,
охлажденный до достаточно низкой
температуры. Как показано на схеме, система конденсации смешения
состоит из оросительного конденсатора, емкости для приема
конденсата и орошающей жидкости, насоса для циркуляции жидкости
и теплообменника для охлаждения жидкости, направляемой на
орошение конденсатора. При использовании погружных насосов
бак насоса может служить одновременно емкостью для сбора
конденсированной жидкости. После конденсаторов смешения должна
устанавливаться ловушка для улавливания унесенных капель.
Особенностью последовательной конденсации сначала высоко-
кипящих твердых продуктов, а затем жидкости является практи-
76
НС1
Неочищенная
двуокись герпания
Дистилляция
Рост бор НС1 Неочищенный GeCl^
Г
AsGl3
Адиабатическое
фракционирование
f/еочищеняош GeClu
:f
Обработка
медной стружкой
\
Арсенид педи Неочищенный GeG/^
Си
Дистилляция
Отходи Очищенный GeCU
На производство германия
Рис. !9. Технологическая схема очистки
четыреххлористого германия
чески неизбежный унос некоторого количества твердого, которое
попадает в жидкий продукт. Это вызывает необходимость
создания специальной системы очистки жидкости от твердого, которая
в рассматриваемой схеме представлена сгустителем. Чтобы
исключить необходимость сгущения всего продукта, целесообразно
в схеме предусмотреть два последовательно соединенных
конденсатора смешения с раздельным сбором выходящей из них жидкости.
В первом конденсаторе при этом практически полностью
улавливаются все твердые примеси, а во втором конденсируется низко-
кипящая жидкость, свободная от твердых частиц.
Ректификация
Процессы ректификации получили широкое распространение
в металлургии редких металлов применительно к разделению и
очистке хлоридов [19].
С пес о хлоридов
\
Предварителоноя периодическая ректификация
Головная фракция Основная фракция Кубовый остаток
SiCU , ПС1ь , CCU и др. NbCl5 + ТаСЦ (99,95%) FeCl5,N60Cl3, AlCl3 и др.
I \\
Непрерл/вная ректификация
Легкая фракция
ТаС15 (50%)
"
Периодическая ректификация
Кубовый Промежуточная Основная фракция Головная
остаток фракция ТаСи(99,9в°А) фращия
I } ♦
I » На производство Сброс
I тантала
Рис. 20. Технологическая схема разделения и очистки хлоридов тантала и ниобия
ректификацией
Ректификация может осуществляться как периодически, так
и непрерывно. Периодическая ректификация для металлургии
редких металлов описана в литературе применительно к процессам
разделения тантала и ниобия [20] и очистки хлорокиси ванадия
Тяжелая фракция
NbCl5(99,e%)
На производство
ниобия
11
ректификации проста, так как система испаритель—колонна—
дефлегматор—сборники дистиллята является изолированной и
взаимное соединение различных аппаратов однозначно. Иногда эту
систему конструируют как один аппарат, что исключает
необходимость ее разработки в ходе проектирования. Особенность
периодической ректификации — необходимость фракционного отбора
дистиллята, для чего нужно предусматривать систему из необходи-
Спесь хлоридов
I
Предварительная
периодическая ректификация
Головная фракция
Г
Промежуточная
фракция
Л
Основная фракция Ну So вый остаток
V0C13 (60%\TiCU (40%)
j | г
I основная ректификация
Легколету/ие + V0C13 Y0C13 (99,9 % ) Кубовый остаток
TiClt (75%), VOCls (25%)
Г
г"
Периодическая ректификация Еосновная ректификация
I L-Tz: i l—Г
W остаток VOClj (99,995%) ПСЦ
V0Clj(60%) I I
\ Па Па
производство производство
Ванадия титана
Рис. 21. Технологическая схема разделения хлорида титана и оксихлорида ванадия
ректификацией
voci3(60%y
TiCU (40%)
I
мого числа изолированных сборников. Кроме того, в верхней
части колонны или дефлегматора необходимо предусматривать
устройство для сброса паров легкокипящих балластных компонентов,
конденсация которых затруднена.
Характерный пример очистки методами непрерывной
ректификации— ректификация четыреххлорнстого титана [22] (рис. 22).
Ее особенность — стабилизирующий температуру исходного
продукта подогрев на вводе в колонну. Куб-испаритель колонны
неизбежно становится местом накопления высококипящих примесей,
что делает необходимым периодический вывод кубового остатка на
78
uj-ijja in лс ru Kyutl, а ИЗ НИЖНСИ чачп лилиппш, -и\; приду n.1 i_vj-
держит высококипящие примеси в меньшем количестве, чем
кубовый остаток.
Процессы ректификации, даже для разделения Д(зух
компонентов, при большом числе ступеней разделения нецелесообразно
вести в одну стадию. Теория идеального каскада показывает
целесообразность расчленения операции ректификации На несколько
стадий, различающихся производительностью и режимом
осуществляй? в атмосфер//
I—
Исходно/и
хлоридг
Периодический слив
кубового остатка
хлорид
Рис. 22. Аппаратурная схема очистки хлорида титана от Кремния-
/ — бак исходной жидкости; 2 — регулятор питания; 3 — ректификацИОШ1ая
колонна; 4 — бак для флегмы; 5 — холодильник дистиллята; 6 ~_
конденсатор-дефлегматор; 7 — дыхательная система; 8 — куб-испарител^. g —
холодильник кубовой жидкости; 10 — бак-сборник готового хлцрида
ления процесса (подробно этот вопрос рассмотрев в разделе 4
главы V). В случае проведения процесса в одну стадию затраты
будут максимальными как на создание аппаратуры, так и на
эксплуатацию. Другой причиной необходимости деления процесса на
стадии является задача разделения исходного сырья более чем на
два продукта. Наглядная иллюстрация такого деления на
операции— уже упоминавшиеся процессы разделения тацтала и
ниобия (см. рис. 20) и очистка оксихлорида ванадия (см. пис. 21).
Ионный обмен
Методы ионного обмена для выделения и разделения редких
металлов широко используются промышленностью [23, 24].
В промышленной технологии ионный обмен используется для
решения двух задач. Первая — извлечение тог0 или иного
79
компонента из смеси компонентов в растворе или из разбавленных
растворов. При этом можно получить чистое соединение
извлекаемого компонента и достигнуть значительного его концентрирования.
Вторая — разделение близких по свойствам компонентов смеси за
счет различной их сорбционной способности.
Ионный обмен состоит из ряда последовательных операций:
1) сорбция извлекаемого иона ионитом;
2) элюация или десорбция извлеченного иона элюирующим
раствором (элюатом) с получением очищенного или
концентрированного раствора извлекаемого компонента;
3) промывка и регенерация смолы.
Регенерация ионита имеет целью привести его в исходное
состояние, т. е. но принятой терминологии «зарядить» его ионом,
обмениваемым в процессе сорбции на ион извлекаемого компонента.
Иногда операции десорбции и регенерации совмещаются.
Промывку можно проводить не только в конце полного цикла ионного
обмена, но и между операциями сорбции и десорбции. Все
перечисленные операции, используемые в ходе ионного обмена,
проводятся путем контакта ионита с соответствующим раствором и
последующего разделения твердого ионита и раствора. Имеются два
основных метода оформления процесса — статический и
динамический.
Статический метод основан на взаимодействии ионита и
обрабатываемого раствора в изолированном объеме. Процесс делится
на ряд операций, четко разграниченных во времени. Подача в
аппарат и вывод из него как ионита, так и соответствующего
раствора осуществляются периодически.
Динамический метод основан на взаимодействии ионита и
обрабатываемого раствора при пропускании раствора через слой
ионита (неподвижный или подвижный). Преимущество
динамического метода в более полном использовании ионита и более
высоком, приближающемся к 100%, извлечении соответствующих ионов
из раствора.
В качестве основного аппарата для осуществления
динамического метода используется ионообменная колонна. Динамический
метод имеет три основных разновидности, используемых в
технологии: фронтальный способ, вытеснительная хроматография иэлю-
тивная (или элюэнтная) хроматографии. При фронтальном
способе один или несколько извлекаемых ионов сорбируются .вместе
без разделения. В дальнейшем все извлекаемые ионы могут десор-
бироваться также совместно. Если ставится задача разделения
после фронтальной сорбции извлекаемых компонентов в головной
части колонны, далее проводят их избирательное вымывание из
колонны с использованием для этой цели вытеснительной или элю-
тивной хроматографии.
Схема статического процесса ионообменного разделения и
очистки отличается простотой (рис. 23). Практически в металлургии
редких металлов она не применяется. В случае ее использования
аппаратурная схема может быть ей подобна или отличаться от
80
нее, если операции сорбции и десорбции осуществляются
последовательно в одном и том же аппарате и адсорбент отделяется как
от отбросных маточных растворов, так и от элюанта после
десорбции на одном и том же фильтрующем оборудовании (рис. 24)
Исходный раствор
Раствор
8 канализацию
или для повторного
использования
Г
Адсорбент
Сорбция
Фильтрование
J L
Элмат
Адсорбент
Десорбция
Филотрование
Раствор элнзата
\
Осаждение
~г
Филотрование
Адсорбент
Элюат Соединение
извлекаемого элепелта
На дальнейшую переработку
Рис. 23. Технологическая схема периодического статического ионообменного процесса
Для динамического метода ионообменного выделения
используются ионообменные колонны. Схема коммуникаций таких
колонн достаточно сложна. Она должна обеспечивать:
1) прохождение через колонну исходного раствора или
обедненного раствора из другой колонны;
2) выдачу сбросных растворов на нейтрализацию или
обедненных растворов в другую колонну;
3) поступление свежего или циркулирующего элюата;
4) отбор элюата, содержащего полезный компонент, на
извлечение этого компонента или на дополнительное элюирование в
другой колонне;
6 Зак. .V» 461
81
5) прохождение через колонну регенерирующего раствора;
6) промывку колонны и ее коммуникаций водой как прямо-
точно, так и противоточно.
Примером может служить схема коммуникаций колонны для
одного из промышленных процессов [13] (рис. 25).
Многоколонная схема обеспечивает максимальное насыщение
адсорбента извлекаемым ионом, без проскока извлекаемого иона
через систему сорбции. Требование это удовлетворяется при
условии проведения сорбции в двух или трех последовательно
соединенных абсорбционных колоннах. Параметры колонн подбираются
так, что при полном насыщении извлекаемым ионом первой из них
Исходный раствор Реагент осадит ель
Рис. 24. Аппаратурная схема периодического статического ионообменного процесса:
/ — бак сорбции; 2 — бак элюации; 3 — реактор осаждения; 4 — бак для реагента осади-
теля; ,5 — бак для раствора после извлечения полезного компонента; 6 — фильтры; 7 — бак
для элюата после насыщения; 8— насосы; 9—бак для элгоата после осаждения
вторая или в общем случае последняя из колонн насыщена мало
и проскок через нее извлекаемого иона невозможен. После
насыщения первой колонны ее отключают на десорбцию, а колонну,
прошедшую десорбцию и регенерацию, подключают в линию
сорбции как последнюю колонну в цепи. Так как система взаимного
:оединения колонн постоянно должна меняться, а в течение
поллого производственного цикла любая из колонн последовательно
троходит все операции по сорбции и десорбции (рис. 26), схема
коммуникаций установки колонн должна обеспечивать
универсальные возможности соединения для каждой колонны.
Задача вытеснительной или элютивной хроматографии —
разделить несколько сорбируемых ионов. Так как разделяемые ком-
тоненты распределяются на адсорбенте вдоль направления
потока и после завершения процесса должны отбираться раздельно,
:2
то для четкого разделения фракций колонны развиваются по высоте
вдоль направления потока элюата. Разделенные продукты отби-
Раствор обратной
промывки
Исходный урансодертащий
чх-тч^ ^^
Вода для промывки
труб
Слив урансодержащего
раствора
т
Рециркулирующий элюат
Элюат яа осакдеяие
Обедненный раствор
иj лредд/дущей колонны
-схн
чхн-
Свемай элюат
Рециркулирующий
элюат
Обедненнь/й раствор
к следующей колонне
Сбросный раствор
Вода для обратной
урана ' " промывки
Рис. 25. Схема коммуникаций ионообменной колонны
HL
1
I
!
I
п
*
=J
^
t
J
^
1
§
t
4
1
&
ас,
У
\
XI
1
.1
5
<1
^
i§
Si
,4
^
1
ч
<?>
^
^
q
3
■51
1
?!
§
t
§-
Ч
3
3 этап
I этап 2 этап
Рис. 26. Принципиальная схема работы установки из трех колонн
раются последовательным вымыванием в разные приемники
отдельных фракций. Примером такой схемы может служить
разделение циркония и гафния [10] (рис. 27).
6*
83
Для более четкого разделения фракций колонну целесообразно
разбить на несколько соединенных последовательно. Это упрощает
£
^
t
ч~,
«
§
5
1
J
J;
<§
§
^
1
sf
^
«;
>^>
^
$
^
!
*
^
1
■й
Раствор
гафния
Раствор
циркония
Рис. 27. Аппаратурная схема ионообменного разделения
циркония и гафния:
/—бак раствора для элюации циркония; 2 — бак раствора для
элюации гафния; 3 — бак для исходного раствора; 4 — колонна
насыщения; 5 — колонна разделения; 6 —сборник раствора
гафния; 7— сборник раствора циркония
мюат
Исходнь/й
раствор
. 1
~кхн ПЕо-снПйхг' Нйхя НрХг
Удаление
отбросного
раствора
после сорбции
Г Т \ Т 1
Отбор фракции злнзата с отделиныгш злепентапи
Рис. 28. Принципиальная схема разделения
многокомпонентной системы в ряде последовательных колонн:
1 — бак исходного раствора; 2— колонны; 3 — бак для элюи-
рующего раствора; 4 — сборник элюата
отбор фракций после завершения процесса разделения. Каждую
колонну промывают изолированно от остальной системы.
Примером такого решения может служить схема разделения РЗЭ [10]
(рис.28).
84
со
СД
Исходный раствор
1
вода -
/ч£
и Лх Лх lir^^ilrdi ih sh
Из ванны I
ft каналия7ци/о
Рис. 29. Аппаратурная схема сорбции урана из пульпы:
/ — ванны для извлечения из пульпы; 2 — распределительные устройства; 3 — насосы; 4 — баки для приготовления
регенерирующего раствора; 5 — бак для промежуточного хранения раствора; 6 — бак для осаждения; 8 — фильтриресс; 9 — бак
С исходной пульпой
Особым случаем выделения и очистки соединения редкого
металла с помощью ионного обмена являются методы, основанные
на сорбции из пульпы (Холлис Ф. Ф., Мак-Артур К. К. [16, с. 71 —
82]). Пульпа последовательно проходит через ванну, разделенную
на секции, в которые помещены перфорированные контейнеры
с адсорбентом (рис. 29). Приведенная схема характеризуется
применением нескольких магистральных трубопроводов с отводами
к каждой секции. У каждой ванны имеется устройство для
перекачки пульпы. Так как все они
расположены на одном уровне,
а нужно обеспечить перекачку из
любой ванны в любую, организа-
Растдор
несорбируемого
«оппонента
ф Раствор
Исходный
раствор
Промывной
раствор
Десорбент
Пропыбной _
десорбент
6
1
X
_^ 2
J 5
_У «.
т
Сбросный
раствор ^
1
Продукт щ
' 1
Рис. 30. Схема ионообменной колонны не
прерывного действия:
1 — зона создания подпора; 2 — зона
сорбции; 3 — зона промывки; 4 — зона
десорбции (элюирования); 5 — зона промывки;
6 — насос циркуляции смолы; 7 — насос
создания подпора
I
Исходная
смесь
I
Промывной
Элюат
раствор
Рис. 31. Схема трехколонной установки
непрерывного действия с циркуляцией
смолы
ция самотечного транспорта в этой схеме невозможна. На ранее
приведенной схеме разделения РЗЭ (см. рис. 28) возможна
работа без промежуточных перекачивающих устройств с продавли-
ванием раствора через все колонны за счет напора, создаваемого
на входе в первую колонну.
Имеются разработки по организации непрерывного
ионообменного процесса. Главная техническая сложность —
необходимость организации транспорта попита. Непрерывный процесс
извлечения одного элемента описан для схемы с использованием
одной колонны [13] (рис. 30). Особенность его--наличие в объеме
одного аппарата нескольких самостоятельных не смешивающихся
8 в
материальных потоков, что требует очень точного регулирования
работы оборудования. Другая особенность процесса — специальный
циркуляционный цикл технологических растворов для транспорта
смолы и уравновешивания воздействия на смолу восходящих
потоков исходного раствора и десорбента. Схему разделения двух
компонентов в непрерывном цикле можно осуществить с
использованием трех колонн (рис. 31). Благодаря высокой избирательности
действия как адсорбента, так и промывного раствора исходные
компоненты должны при противоточном контакте этих продуктов
полностью разделяться между ними. После разделения один из
разделяемых компонентов извлекается осаждением или другим
способом из промывного раствора, а другой вымывается элюатом из
адсорбента. Недостаток таких схем — неизбежное измельчение
находящейся в обороте смолы, что требует введения в схему
устройств для удаления мелочи.
Аппаратурные схемы должны учитывать ряд деталей и
особенностей ионообменной технологии. Для повышения разделительной
способности системы в нее могут вводиться комплексообразующие
соединения. Из-за присутствия в перерабатываемых растворах
некоторых примесей сорбционная емкость ионита со временем
уменьшается. Наступает «отравление» смолы. Для восстановления
емкости ионит промывают специальными растворами. Полная
аппаратурная схема должна включать необходимые для проведения
таких операций емкости и коммуникации.
Кроме перечисленных операций, следует также учитывать
работы, связанные с вводом ионообменных установок в эксплуатацию
и подготовкой исходного ионита.
Жидкостная экстракция [25, 26]
Один из наиболее эффективных, высокопроизводительных
методов разделения редких металлов — жидкостная экстракция
основан на избирательном распределении между двумя взаимно
малорастворимыми жидкими фазами растворенных в них веществ.
Обычно в практике производства редких металлов разделение
осуществляется между исходным раствором и органическим
растворителем— экстрагентом. Разделение экстракций складывается из
трех операций, требующих своего аппаратурпо-техиологического
оформления, смешения исходного раствора и экстрагента,
разделения водного раствора и экстрагента, извлечения из экстрагента
выделяемого компонента и регенерации экстрагента. Экстрагент,
насыщенный извлекаемым компонентом и выводимый из процесса,
называется экстрактом. Выводимый из процесса водный раствор
после извлечения из него экстрагируемого компонента или водный
раствор, используемый для промывки экстракта и удаления из
экстракта хуже экстрагируемых примесей, называется рафинатом.
На разработку схемы экстракции влияет тин аппаратуры,
выбранный для осуществления процесса. Экстракция — процесс
многоступенчатый. Для аппаратов колонного типа или ящичных
87
экстракторов типа смеситель — отстойник связь между
отдельными ступенями разделения обеспечивается конструкцией аппарата
и не требует каких-либо решений при проектировании. В проекте
предусматривается согласование со смежными операциями всего
передела экстракции как единого целого. Однако существуют
экстракционные установки, такие как экстрактор Эделеану [25]
(рис. 32), которые состоят из отдельных узлов — смесителей,
отстойников и насосов, связанных коммуникациями. Иногда насос
Ввод ТФ
ЛФ
ТФ - тяжелая фракция
ЛФ - регкая фракция
Рис. 32. Принципиальная схема экстрактора Эделеану:
/ — отстойник; 2 — смеситель; 3 - насос
выполняет одновременно две задачи, являясь и смесителем, и
транспортным устройством.
Отсутствие в процессе экстракции твердой фазы, относительная
простота разделения жидких фаз, их высокая транспортабельность
значительно упрощают процесс по сравнению с ионообменным и
создают предпосылки для непрерывного его осуществления. Ши-
Экстрагент, насыщенный
исходяб/п продуктоп
Рафинат
1
~т т
/7
Экстракт Продукт
\ Возврат
Лромь/днвй
раствор
Рис. 33. Блок-схема процесса экстракции с получением чистого продукта в экстракте
рокое распространение имеет непрерывный противоточный процесс,
осуществляемый в аппаратах колонного типа или ящичных
экстракторах типа смеситель — отстойник. Схема внешних коммуникаций,
а также номенклатура вспомогательных операций и аппаратов
могут иметь несколько вариантов. Если ставится задача получения
чистого продукта в экстракте, разделяемый или очищаемый
продукт вводят в систему (рис. 33) вместе с экстрагентом.
Необходима операция насыщения экстрагента исходным продуктом. После
того как экстрагент пройдет через все ступени разделения от 1-й
до л-ной, в промывной раствор, вводимый в rz-ную ступень
разделения, перейдет хуже экстрагируемый компонент, который выво-
88
дится из процесса с рафинатом. Для повышения чистоты экстракта
по заданному извлекаемому компоненту с обеспечением достаточно
высокого извлечения этого компонента часть экстрагированного
продукта возвращается в процесс с промывным раствором и только
часть отбирается в виде продукции данной операции. Промывной
раствор вводится на последнюю п-ную ступень. Рафинат выводится
с 1-й ступени. Если ставится задача получения чистого продукта
в рафинате, т. е. чистым получается хуже экстрагируемый
компонент, исходную смесь целесообразно ввести с водным раствором на
Экстрагент
1 Воз брат
Экстракт
водный раствор,
насыщенный
искаднд/м продуктом
Продукт Рафинат
Рис. 34. Блок-схема процесса экстракции с получением чистого продукта в рафинате
n-ную ступень (рис. 34). Соответственно рафинат выводится с 1-й
ступени, но часть продукта переводится в экстрагент и
возвращается в процесс на 1-ю ступень разделения.
Если выдаются два чистых продукта и в экстракте, и в
рафинате, применяют комбинированную схему (рис. 35). Исходный
продукт вводится на одну из промежуточных ступеней каскада, а часть
продукта возвращается в процесс как на выводе экстракта у я-ной
ступени, так и на выводе рафината у 1-й ступени. Общее для всех
трех рассмотренных схем — обязательный возврат части продукта
Исходный
Экстрагент
Продукт
Возврат
Раазинат
1
i
!
/77
продукт
I
п
Экстракт - Продукт
\ Возврат
Промывной
раствор
Рис. 35, Блок-схема процесса экстракции с получением двух чистых продуктов
в точке его вывода из процесса для противоточной промывки. При
этом возвращается не сам продукт в той форме, в которой он
выводится из экстрактора (экстракт или рафинат), а содержащаяся
в нем смесь разделяемых компонентов, которая переводится
частично во вторую фазу.
Операции,' обеспечивающие такой перевод части продукта
в другую фазу, должны предусматриваться схемой. Они могут
осуществляться непосредственно в экстракционном каскаде при
увеличении в нем числа ступеней. Для такой операции также
можно использовать охлаждение раствора и высаливание.
Чистые компоненты, выделенные из экстракта и рафината,
можно извлекать ректификацией, выпарной или простой
дистилляцией, кристаллизацией, химическим осаждением, высаливанием,
а также вымыванием каким-либо растворителем. Соответственно
89
у схемы должны предусматриваться необходимые оборудование и
коммуникации. В схеме экстракционного противоточного каскада
исходный
раствор I
НС/
faSO,,
Водный I раствор Zr
I Водный \
Гексон f
раствор ZruHff
feib
Оборотный раствор ZruHf
Анпиачная
вода I
I
!
Гексон
Раствор Hf Раствор Zr
Рис. 36. Принципиальная схема экстракционного разделения циркония и гафния:
/ — каскад экстракции гафния; 2 — каскад промывки экстракта гафния для отделения
циркония; 3 — каскад реэкстракции гафния; 4— каскад извлечения экстрагента из
раствора циркония; 5 — каскад регенерации экстрагента
может потребоваться ввести специальный узел по изменению объ-
,ема промывного раствора — рафината, так как в
комбинированном каскаде (см. рис. 35) в про-
ffсходная аульпа
Экстракция
Отбросная Экстрагент с U
пульпа
на
Резкстракция
мывной части каскада (от т-и до
п-й ступени) и в экстракционной
части каскада (от 1-й до т-й
операции) для обеспечения
чистоты получаемых продуктов
необходимо иметь различные
отношения объемов экстрагента и
промывного раствора — рафината.
В m-й ступени разделения
требуется сокращать объем
промывного раствора. Это можно
осуществить упаркой промывного
раствора в дистилляционной колонне.
Регенерация экстрагента в
зависимости от конкретных
условий может быть самостоятельной
операцией. Если для выделения
извлекаемого компонента
использовать дистилляцию,
ректификацию, кристаллизацию, экстрагент
в результате может быть получен
в достаточно чистом виде,
пригодном для возврата в процесс
экстракции. Использование процессов высаливания или химического
осаждения вызывает необходимость его регенерации. Аналогичное
Экстрагент Солянокислый
раствор U
I
Дистилляция
Растбор
На выделение окиси урана
Рис. 37. Технологическая схема
экстракционного извлечения урана из пульпы
90
положение создается, если из экстракта извлекается только часть
продуктов разделения, а некоторые примеси накапливаются.
Непрерывный противоточный экстракционный процесс
использован для разделения циркония и гафния [10] (рис. 36) и в
технологии получения окиси урана (рис. 37) (Гристед Ф. Р., Шад К- Г.,
Лонг Р. С. [16, с. 90—96]). В последней схеме имеются два замк-
Ишдный раствор
Растворитель
I экстракция
Тяжелая фракция
На выделение I фракции
Легкая фракция
Раствор кислотьг
U экстракция
I
Тятелая фракция
На выделение И фракции
Легкая фракция
Раствор кислота/
Ш экстракция
ttcmpt
Тятелая фракция
На во/деление Ш фракции
Легкая фракция
Раствор кислотьг
Г
Ш экстракция
Тяжелая фракция
На выделение IF фракции
Легкая фракция
7 экстракция
ft
Раствор кислоты
т- I Легкая фракция
Тятелая фракция i
! I
На выделение V фракции На выделение Ш фракции
Рис. 38. Технологическая схема экстракции РЗЭ в перекрестном токе
нутых цикла циркуляции материальных потоков. Первый — цикл
экстрагента, циркулирующего между аппаратами экстракции и
реэкстракции. Второй — цикл реэкстрагента, циркулирующего
между аппаратами реэкстракции и выделения экстрагируемого
продукта. Достаточно сложным примером, характерным для
процессов разделения, является экстракционное разделение циркония и
гафния (см. рис. 36), включающее пять основных технологических
операций: экстракцию гафния из исходного раствора, промывку
экстрагента от захваченного совместно с гафнием циркония, ре-
экстракцию гафния из экстрагента, очистку растворов циркония
91
от экстрагента и регенерацию выделенного экстрагента. Задача
регулирования потоков в такой схеме достаточно сложна. Для ее
решения необходимо предусматривать в схеме необходимое
количество буферных емкостей и дозирующих устройств. Буферные
емкости должны предусматриваться во всех точках схемы, где
технология требует для перерабатываемых продуктов и регенератов
строгого соблюдения параметров по концентрации, кислотности
и т. п. Если необходимо повысить концентрацию растворов, в схему
вводят операцию выпарки. Питание основных аппаратов
растворами целесообразно обеспечивать установкой насосов, а не
самотечным транспортом.
Особым случаем является экстракция при перекрестном токе,
практически используемая для фракционирования смеси
редкоземельных элементов [10] (рис. 38). До начала процесса в головной
экстрактор заливают исходный раствор смеси разделяемых
элементов, а во все последующие — раствор кислоты. Через все
экстракторы последовательно пропускают органический экстрагент.
Экстрагент извлекает в первом головном экстракторе из исходного
раствора разделяемые компоненты. При проходе экстрагента через
последующие экстракторы эти компоненты переходят в раствор
кислоты, являющейся реэкстрагентом. В зависимости от своих
свойств они распределяются на ряд фракций различного состава,
каждая из которых концентрируется в одном из экстракторов.
Растворы, обогащенные различными группами элементов,
выделенными из исходной смеси, направляются на операции
дальнейшего разделения и очистки.
Другие методы и процессы, используемые в производстве
чистых соединений
Помимо рассмотренных, в производстве чистых соединений
редких металлов может использоваться ряд других методов и
процессов. Это могут быть как методы перевода извлекаемого
компонента в форму, более удобную для дальнейшей переработки, так
и методы очистки. Очистка соединений и получение редких
металлов в элементарном состоянии основаны во многих случаях
на переработке хлоридов или фторидов. Поэтому широкое
распространение в технологии редких металлов получили
хлорирование и фторирование.
Характерный пример использования хлорирования —
технология производства титана, циркония и рассмотренная схема
переработки лопаритового концентрата (см. рис. 6).
Примером сложной схемы, основанной на процессе
фторирования, может служить схема получения фторида урана из его чистой
окиси [13] (рис. 39). Предложенная схема включает по существу
два процесса — восстановление трехокиси урана до двуокиси
водородом и фторирование двуокиси урана фтористым водородом.
Первый процесс проводят в аппарате кипящего слоя, а второй —
в шнековых аппаратах. Особенности протекающих процессов при-
92
водят к необходимости питания установки через герметичные
бункера, что предупреждает попадание в атмосферу газообразных
реагентов, участвующих в процессе. Бункера могут загружаться
периодически или полунепрерывно через шлюзовой затвор, а
реактор из бункеров — непрерывно. Исходный жидкий фтористый
водород испаряется, а затем проходит через подогреватель, так как
температура фторирования выше температуры его кипения. Процессы
восстановления и фторирования проводятся с избытком
газообразных реагентов, который необходимо выводить из схемы.
Получаемые в обоих процессах пары воды также необходимо удалять. Пер-
Мсыдный UOj
Рис. 39. Аппаратурная схема производства фторида урана:
/--контейнер; 2 — герметичный бункер; 3 — реактор восстановления; 4 — бункер для
двуокиси урана; 5 — циклон; 6—фильтр; 7 — конденсатор плавиковой кислоты;
8 — цистерна; 9 — конденсатор безводного фтористого водорода; 10 — бункер;
//--аппарат для фторирования; 12 ■— испаритель фтористого водорода; 13 — подогреватель
вая операция для выводимых паров и газов в обоих случаях — пы-
леочистка в циклонах. Процесс восстановления прямоточный, с
газами уносятся частицы, близкие и совпадающие по характеристике
с конечным продуктом восстановления, к которому и присоединяют
уловленную пыль. Процесс фторирования осуществляется проти-
воточно. Пыль, вынесенная с газами, приближается по составу
к исходному продукту, ее возвращают на фторирование.
Что касается обработки паро-газовой смеси, очищенной от
пыли, то она может иметь три цели: обезвреживание
сбрасываемых газов и паров, утилизация их в форме товарной продукции и
возвращение в процесс производства. Смесь паров втористого
водорода и воды, выходящая из процесса фторирования,
утилизируется в виде двух продуктов. Так как в смеси имеются пары воды,
93
то часть ее улавливается в виде 70%-ной плавиковой кислоты,
которая служит побочной товарной продукцией. Оставшийся
фтористый водород конденсируют и возвращают в процесс фторирова-
Параволофрамат аммония
\
Прокаливание
Аммиак, пары воды
Высевки
Высевки
I
Высевки
"It»
На химическую
переработку
вольфрамовый ангидрид
Двуокись вольфрама
Просев
Кондиционный продукт
II
К восстановление
Вольфрамовый порошок
\
Просев
Вольфрамовый порошок
На npoujeodcmdo
штайиков
Свежий водород
Водород,
пары водд/
\
Сушка
Рис. 40. Технологическая схема восстановления паравольфрамата аммония с регенерацией
водорода
ния для повторного использования. При малом объеме
производства улавливать фтористый водород нерационально, и его
обезвреживают барботажем паров через раствор щелочи. Водород,
94
Плавиковая
кислота
Вода
Ken
' I
В отвал
Нагний
Опись бериллия
Г"
ение
Цсатдение лрипесей
\\
Фило/прование и пролывка
Чистый раствор
\
Выпаривание
Центрифугирование
Фторд~ериллат аммония
Разложение
т
Фторид берилрия
восстановление
бериллии
Фторид поения
отвал
Фторид on по» и Я
Паточный раствор
Пары фторида аммония
Конденсация
Фторидь! паемия и бериллия
Выщелачивание
Центрифугирование
J
Раствор фторида берилл ил
I
Растворение
Раствор
фгпорд~ериллата ом пони я
'1
I
Рис, 41. Технологическая схема производства металлического бериллия из окиси
95
Раствор TiClt,
Осаждение
Фильтрода/те
выходящий из процесса восстановления, сжигают, чтобы
исключить возможность образования взрывоопасной смеси его с
воздухом. В принципе водород после очистки можно возвращать в
процесс [27] (рис. 40).
Для выделения соединений редких элементов и их очистки
используется термическое разложение соединений. Очистка иногда
происходит при образовании и выделении разлагаемого
соединения. Исходное соединение разлагается на два продукта, один из
которых конденсируется, а второй отходит в виде газов или паров.
Извлекаемый компонент может быть получен как в
конденсированной, так и в паровой фазе.
Эта схема используется для
производства вольфрамового и
молибденового ангидрида из пара-
вольфрамата или соответственно
парамолибдата аммония. При
прокалке аммиак и пары воды
улетучиваются, а порошок окисла
остается как готовый продукт.
Описанная в литературе
схема производства чистого фторида
бериллия включает стадию
получения фторбериллата аммония
[28] (рис. 41). После очистки
этого соединения методами
гидрометаллургии оно разлагается
при высокой температуре на пары
фторида аммония и
расплавленный фторид бериллия. Фторид
аммония конденсируется и
возвращается в процесс для
приготовления новых порций
фторбериллата аммония.
Описана схема производства четыреххлористого титана через
хлортитанат калия [29] (рис. 42). Очистка проводится методами
гидрометаллургии с выделением комплексного соединения. При
термическом разложении в паровую фазу переходит титан, а
хлорид калия остается в твердом остатке и возвращается в процесс.
Маточный Хлортитанат
раствор калия
\ \
На головные Разложение
операции
Пары TiCl<,
Конденсаций
Г
Чистый TiCli,
Рис. 42. Технологическая схема получения
чистого четыреххлористого титана через
хлортитанат калия
L
Полные схемы разделения комплексного редкометаллического
сырья
При разработке и оценке схем разделения комплексного редко-
металлического сырья и очистке получаемых соединений
необходимо исходить из требования идеального каскада — разным
ступеням разделения соответствуют разные объемы
перерабатываемых материалов. Первоначально на установках высокой
производительности выделяют грубые концентраты, затем на установках
с относительно меньшей производительностью получают более тон-
96
кие концентраты и продукты. Если решается задача разделения
многокомпонентной системы, рациональная схема должна состоять
из ряда ступеней. Сначала разделяются исходные компоненты на
группы. Затем последовательным делением этих групп смесь
полностью разделяется на соединения индивидуальных элементов.
Ti- продукт
Се - концентрат
La- концентрат
Комплексное сырье - лопарит
ХлорироВание
Суп па РЗЭ
Окисление
Возгоны Nb + Та
I
Ректификация
1
Сунна РЗЭ Nb-продукт' Та- продукт
Осаждение
Сумма РЗЭ
Многократная экстракция
Концентрат РЗЭ
с Sm+Eu
Восстановление амальгамой Na
Концентрат РЗЭ
без Sm+Eu
Sm - продукт Ей - продукт Концентрат РЗЭ
без Sm + Eu
\\
Ионный обмен
1
Продукты,
содержащие индивидуальные РЗЭ
Рнс. 43. Укрупненная технологическая схема разделения полезных компонентов при
переработке лопарита
Рациональная схема разделения сложной системы может
состоять из сочетания большого числа различных технологических
процессов. Примером может служить укрупненная схема
разделения комплексного редкоземельного сырья, содержащего также
титан, тантал и ниобий (рис. 43).
7 Зак. Ке 461
97
4. ПОЛУЧЕНИЕ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ В ЭЛЕМЕНТАРНОМ СОСТОЯНИИ,
ИХ ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ОЧИСТКА
Особенность этой части схемы — переработка продуктов
высокой степени чистоты и высокой стоимости. Для большинства
редких металлов в этой части технологической схемы масштаб
производства чрезвычайно мал, что создает определенные трудности
для механизации производства, устранения ручного труда,
повышения культуры производства. На рассматриваемом переделе
имеется большое число ручных операций, осуществляемых на
простейшем оборудовании. Технология таких операции является часто
результатом обобщения опыта предприятий, а систематическое
исследование ее отсутствует.
Все транспортные операции в этой части схемы осуществляются
периодически и часто вручную. Это превращает схему в набор
изолированных операций, что затрудняет ее изучение в процессе сбора
исходных данных для проектирования.
Химическое восстановление
Передел химического восстановления можно разбить на три
группы операций: подготовка исходных материалов к процессу;
восстановление; отделение
восстановленного металла от других
продуктов реакции.
Подготовка к процессу
исходных материалов
(восстанавливаемого соединения и
восстановителя) может заключаться в до- Восстановление
Двуокись тория Кальций
Хлористый , , , , |
Гранцллцм
кальции
Л\\
Смешение
Т
Сажа
h
Пятаолиа ниобия
брикетирование
Восстановление
Г—
Карбид ниобия
Нзпельчение
If
Приготовление штаваков
\
Восстановление
J
Металлический ниобий
Рис. 44. Технологическая схема получения
ниобия из пятиокиси
Вода Реакционная масса
II
Азотная Водная ооравотка
кислота
Вода Во/щелачавание
II
Фильтрование и промывка
Порошок тория Промывная
1 вода
Вакуумная сушка
Порошок тория
Рис. 45. Технологическая схема получения
тория из двуокиси
98
полнительнои очистке, обеспечении заданной крупности, смешении
исходных продуктов.
Операция восстановления оформляется для разных металлов
различными схемами. Принципиально отличаются схемы
восстановления твердых окислов водородом, твердых же окислов
углеродом или металлом, схемы металлотермического восстановления га-
Натрий
I
Фторниобат калия
Восстановление
~н—
Дистилляция
Вода
Спек ниобия и фторидов
Водная обработка
Фильтрование
Соляная кислота
Плавиковая кислота
I
1
Вь/щелачивалие телеза
Вода
L_
1
Удаление отслои пленки
Прет/вка
Фильтрование
Вакууг,
сишка
Порошок
металлического ниобия
Калий, и натрий
Раствор фторидов
калия и натрия
1
Кислый раствор
Кислый раствор
1
Промывная вода
Вода
~1
Вода
Рис. 46. Технологическая схема получения ниобия из фторниобата калия
логенидов или других более сложных солей, схемы с разделением
продуктов реакции дистилляцией и гидрометаллургической
обработкой.
Если единственный сконденсированный продукт
восстановления—металл, схема технологически наиболее удобна, так как
отделение металла совпадает с восстановлением. Пример такой
схемы —восстановление вольфрамового ангидрида водородом (см.
7*
99
рис. 40): как восстановитель — водород, так и продукт
восстановления— водяной пар находятся в парогазовой фазе.
Вспомогательные операции в этой схеме связаны с необходимостью
подготовки сырья, стадиального ведения процесса, очистки и циркуляции
водорода.
В том случае, когда и исходное для восстановления соединение
редкого металла, и восстановитель находятся в твердом
состоянии, необходимо вводить в технологическую схему операции по
точной дозировке и смешению исходных продуктов. Пример такой
схемы — производство ниобия карботермическим методом [30]
Очищенный хлорид циркония
Аппарат
Чистка и мойка
Восстановление
J
Вакуумная дистилляция
\ L
Реторта
Конденсатор
Реторта
Извлечение губки
Гуд~чать/й цирконий
Удаление конденсата
I \
Конденсатор Магний
I ихлористш л<агниц
\
Сортиробка
\ I
Губчатый цирконий Загрязненный продукт
Рис. 47. Технологическая схема магниетермического получения циркония из хлорида
(рис. 44). В конце процесса восстановления единственный побочный
продукт реакции (окись углерода) удаляется в виде газа.
В схеме восстановления кальцием двуокиси тория [12] (рис.45)
продукты реакции получаются в смеси, для разделения ее проводят
выщелачивание, при котором растворяются все компоненты, кроме
тория. После промывки порошок тория сушат.
При восстановлении натрием фторниобата калия [10] (рис. 46)
в ходе четырех последовательных процессов отделяются от
восстановленного ниобия четыре группы примесей. Избыток
металлического натрия и частично восстановленный калий удаляют вакуумной
дистилляцией. Это необходимо для утилизации, чтобы исключить
их взаимодействие с водой или кислотами при последующей
обработке. Далее последовательным выщелачиванием разными
растворителями удаляют фториды натрия и калия, примеси железа
и окисную пленку.
100
Схема магниетермического восстановления четыреххлористого
циркония (рис. 47) исключает гидрометаллургическую обработку
продуктов реакции (Шелтон С. М., Диллинг Е. Д., Мак-Клидн О. X.
[16, с. 535—637]. Основные примеси, избыток магния и хлористый
магний отделяют вакуумной дистилляцией. Полученная
металлическая губка загрязнена материалом стенок реактора. В связи
с этим вводят операции выборки губки из реактора, ее разделки
и сортировки. Для переработки конденсата и очистки
конденсатора перед следующим циклом восстановления вводят
дополнительные операции (переплав конденсата, механическая очистка
конденсатора, мойка его водой или растворами кислот и сушка).
Электрохимическое восстановление
Передел электрохимического восстановления по структуре
основных групп операций подобен переделу химического
восстановления. Отличие — только в отсутствии операций по подготовке
восстановителя и введение операций по подготовке электролита.
Различие этих двух групп операций заключается в том, что электролит
имеет значительно более сложный состав, чем восстановитель. Это
усложняет схему его подготовки.
Электрохимические процессы делятся на осуществляемые в
растворах при относительно низких температурах и осуществляемые
в расплавах при высоких температурах.
Схема процесса в значительной мере определяется формой,
в которой извлекаемый металл выделяется на катоде. При
выделении металлов из растворов в твердом состоянии дальнейшая его
обработка ограничивается промывкой. Выделение металлов в
твердом состоянии из расплавов сопровождается механическим
захватом электролита, который необходимо отделить на последующих
операциях.
При выделении металлов в расплавленном состоянии операции
по разделению выделенных металлов и каких-либо других
продуктов или отсутствуют вообще, или ограничиваются простым
отстаиванием для разделения металла и электролита.
В производстве редких металлов в качестве электролита
используются смеси хлоридов и фторидов щелочных и щелочно-зе-
мельных металлов. Исходные соединения производимых редких
металлов в ряде случаев вводятся в ванну также в составе
электролита. Приготовление электролита может включать операции сушки
или прокалки исходных солей, а также их переплавку и смешение.
В некоторых случаях соли размалываются.
Пример производства редкого металла электролизом
раствора— получение галлия из щелочного раствора галлата
натрия [23] (рис. 48). В процессе электролитического производства
металлического рения, осуществляемого в водном электролите [10]
(рис. 49), катодный продукт получается в виде порошка на катоде.
В связи с этим вводится операция снятия осадка с катода.
Завершается схема обычными для порошков металлов операциями
101
Электролит
обедненный по галлию
„ I - ,
юxunw/ескии передел
на обогащение
Кислота
Раствор галлата натрия
Электролиз
Жидкий галлий
Пропшдка
Жидкий галлий
Пронмвка
вода
Лромь/внй/е водд/
Жидкий галлий Пропо/внд/е растворы
На извлечение галлия
Рис. 48. Технологическая схема электролитического получения галлия
Катодд/
Соляная кислота
I
Электролит
Электролиз
Катоды с осадком
I
Снятие осадка
Отработанный
электролит
На приготовление
исходного электролита
Порошок рения Вода
1 Г
Сушка
Порошок рения
Противные водь,
Рис. 49. Технологическая схе.ма электролитического получения порошка рения
102
№
\
/Трог, а л к а
NaLi
i
Лрокапка
, ? ; 1
Cl/ШКП
' Г"-
I
I
ilr
lltrrr.ponuj
- ^окалка
От/оды
пысчическоа
Лроппродукт
Соляная кислота
Krrrc^'.t'u продукт
I
Выцелачивание
Обогащение на столе
___J I UZ1
Концентрат
1\
Прсхывка
Фило/прование
Фильтрат Порошок
\ \
Сброс Вакууп - сушка
Рассев
Фракция * 0,2п/1
Азнельчение
Фракция - 0,2пп
На лроизводстбо
штабиков
Вода
Вода
\
Сливы
Фильтрование
Г
Кек
L
Фильтрат
Сброс
Рис. 50. Технологическая схема электролитического получения порошка тантала из фтор-
танталата калия
103
промывки и сушки. Пример электролиза в расплаве солей--схема
производства металлического тантала [31] (рис. 50). Для
подготовки трехкомпонентного электролита его исходные составляющие
обезвоживают при различных температурах. Катодный продукт
выщелачивают. Эта операция характерна для схем переработки
Хлоридbi РЗЭ
Окисль/ РЗЭ
КС1
Cad,
1ПГ
Электролиз
Г
Шла/г
На переработку
для использования при электролизе
Машпеталл Хлор
Розлив На поглощение
I или использование при хлорировании
Vt/шли
Рис. 51. Технологическая схема электролитического производства мишметалла
твердого катодного продукта, выведенного из расплава в виде
«груши», так как при этом неизбежен захват значительного
количества электролита (несколько десятков процентов от массы
металла). В некоторых случаях электролит выделяют из катодного
продукта вакуумной дистилляцией, что исключает операции
выщелачивания, промывки и сушки ка-
Соли
BeCl,
Ртуть
тодного продукта и позволяет
полностью утилизировать соли,
выведенные с катодным
продуктом.
Существуют методы
уменьшения потерь электролита при
гидрометаллургической обработке.
Для производства бериллия
описана операция «отжимки»
катодного продукта, при которой
электролит в значительной мере
отделяется от порошка бериллия до
гидрометаллургической переработки.
Применительно к производству тантала описан метод сухого
отделения электролита от металла путем измельчения катодного
продукта и воздушной классификации.
При электролитическом производстве мишметалла
выделившийся металл получается в расплавленном состоянии,
накапливаясь на подине ванны [12] (рис. 51). Процесс проводят в
открытой аппаратуре, под защитой слоя расплавленного электролита.
Электролиз ведут периодически до заполнения ванны мишметал-
лом.
Л"
Электролиз
Жидкий катод
( лсевдоанальгала)
Дистилляция
~Г~
Бериллии
Рис. 52. Технологическая схема получения
бериллия электролизом на жидком катоде
104
Особый вариант электролитического производства редких
металлов— электролиз в расплаве с выделением металла па жидком
катоде. Такого рода схемы известны как опытные. Описана схема
с выделением на жидком ртутном катоде бериллия [32] (рис. 52)
(по разработке которой проводились исследования).
При разработке схем электролитического производства редких
металлов из их хлоридов необходимо решать вопрос отвода и
использования газообразного хлора, выделяющегося на аноде при
электролизе. В оптимальном случае хлор должен возвращаться
в производство хлоридов на операцию хлорирования.
Получение металлов в компактной форме
Тугоплавкие редкие металлы в ходе химического или
электрохимического восстановления, как правило, получаются в виде
порошка или г>бки. Необходимы дополнительные операции для
перевода металла в компактное состояние. При этом в ряде случаев
решается задача дополнительной очистки металла.
Для перевода металлов в компактное состояние используются
методы металлокерамики и плавки.
При использовании методов металлокерамики из порошка, губки
или гранул перерабатываемого материала прессуют заготовки,
которые нагревают до высоких температур. Если необходимо
получить особенно плотную структуру, металл после нагрева
подвергают ковке.
Схема получения компактного металла методами
металлокерамики хорошо разработана применительно к производству
вольфрама [10] (рис. 53). Необходимо отметить использование в этой
схеме специального раствора для уменьшения взаимного трения
частиц вольфрама при прессовании. Соответственно необходима
операция по приготовлению раствора. Для контроля за качеством
штабиков в схему введено большое число операций по их
отбраковке и переработке брака.
Переработка методами металлокерамики предъявляет
определенные требования к гранулометрическому составу исходного
металла. Металл, полученный восстановлением или являющийся
отходом на какой-либо операции по обработке, не всегда можно
использовать для переработки методами металлокерамики без
предварительного измельчения. Измельчение чистого металла обычно
практически неосуществимо из-за его пластичности. Для
измельчения пластичных металлов их предварительно гидрируют с
последующим измельчением гидридов и дегазацией в процессе спекания.
Удаление из металла водорода не требует дополнительных
операций, а происходит в процессе вакуумного спекания штабиков.
Все методы плавки редких металлов основаны на
использовании электрической энергии. Три основных метода генерации
энергии при плавке — индукционный, дуговой и электроннолучевой
отличаются при разработке схемы требованиями к металлу,
направляемому на плавку.
105
Индукционной плавкой можно переработать металл с любой
формой кусков. На практике для обеспечения лучшего заполнения
плавильного тигля металл предварительно прессуют в брикеты.
При дуговой плавке с нерасходуемым электродом плавят
гранулированный металл, подаваемый в расплавленную ванну. При
дуговой плавке с расходуемым электродом необходимы операции
Брак
Брак
Побочная продукция
вольфрамовый порошок
растбор спицерана
Скачивание
Просеб
Прессование
Штабики
Спекание
Разбраковка
Годные штабики
Сварка
т
Разбраковка
Годные штабики
На ковку
_ . . п
бой штабиков
II
Разпол
\ Крупная
Просев франция
"ТТ I
Нелкая фракция
\
Рис. 53. Технологическая схема получения штабиков из порошка вольфрама
по производству расходуемых электродов методами прессования и
спекания.
При электроннолучевой плавке переплавляемый металл можно
подавать в печь как в гранулированном виде, так и в виде
спрессованных и спеченных заготовок или кусков неправильной формы.
Все три метода плавки имеют сходные основные операции,
составляющие технологическую схему [23] (рис. 54). Металл
прессуют и спекают для получения заготовок. Спеченные заготовки
поступают на плавку. Слиток подвергают механической обработке
для устранения дефектов поверхности и отделения поддона, необ-
106
ходимого как затравка для проведения следующего процесса
плавки. При обработке образуется стружка, ее возвращают в
процесс. Возврат поддона не требует дополнительных операций.
Стружка до поступления на повторный переплав может нуждаться
в очистке вследствие окисления поверхности. Для очистки стружку
подвергают травлению, промывке и сушке. Кроме поддона и
стружки, в ряде случаев необходимо отделять верхнюю часть
слитка, так называемую «корону». Чтобы вернуть этот вид отходов
в процесс, относительно крупные компактные куски неправильной
формы должны быть подготовлены или переводом в стружку, или
гидрированием и размолом. Для электроннолучевой плавки подго-
Порошок или губка
II
Прессование а спекание
II
Плавка
Обдирка
т
Поддон
Сушка
-Л Т
Слиток Струтка Травление и промь/вка
\ . \ ^
Обрезка торцов
J I ' 1
Слиток
\
На обработку давлыиеп
Корона
\
Разделка
для повторной плавки
Рис. 54. Технологическая схема получения слитков тугоплавких металлов из порошка или
губки
товка проще, но необходимо разделать куски до размеров,
обеспечивающих подачу в печь.
Иногда для более глубокой очистки и повышения однородности
слитка металл переплавляют дважды. После первого переплава
может возникнуть необходимость обработки слитка давлением для
уменьшения его поперечного сечения.
Очистка металлов в элементарном состоянии
Требования к чистоте редких металлов вызвали необходимость
введения дополнительной очистки после получения их в
элементарном состоянии. Эти процессы могут быть разбиты на три группы:
1) химические, основанные на использовании газотранспортных
реакций;
2) электрохимические, к которым относится электролиз с
растворимым анодом;
107
3) физические, основанные на использовании неравномерного
распределения примесеп между жидкостью и расплавом в процессе
кристаллизации.
Из химических методов очистки металлов широкое
распространение получил процесс иодидного рафинирования, основанный на
избирательном переводе рафинируемого металла в иодид, который
в виде пара переносится к нагретой поверхности и разлагается с
выделением очищенного металла [33]. Схема процесса иодидного
рафинирования (рис. 55) отработана для ряда металлов. Схема
состоит из операции но подготовке к процессу, собственно процесса
Порошок или гувка
\
Прессование и спекание
Аппарат
i
f
Вода
1_
Аппарат
Пропывка
Штад'ики
Нарезание стружки
Струтка пе/пилла
Сцшка
111
Иодидное рафинирование
ьушка
Прутки рафинированного металла Остаток
нерафинированного
\
Наплавку
металла
\
Пропь/вка
It
Лромывнь/е воды
я \
На извлечение иода
Рис. 55. Технологическая схема иодидного рафинирования
и операций по обработке продуктов и аппарата после процесса.
При подготовке к процессу рафинируемый металл переводят
в стружку для обеспечения большей поверхности взаимодействия
с иодом. После завершения процесса иодидного рафинирования
аппарат следует вскрыть и промыть. Иод собирается в промывных
водах, откуда его выделяют и возвращают в процесс. Часть
металла, оставшегося нерафинированным, после промывки и сушки
можно вернуть на повторное рафинирование.
Электрохимическую очистку редких металлов проводят как
электролиз с растворимым анодом, в качестве которого используют
черновой металл. Схема электрохимического рафинирования
подобна схеме электрохимического восстановления с заменой
операции по подготовке исходного соединения операциями по подготовке
растворимых анодов.
108
Исходный металл
\
Плавка
~Т
Ковка
Зонная плавка
т
Отр*.
•ежа
Из физических методов очистки редких металлов широкое
распространение получила зонная плавка [33]. Процесс зонной плавки
завершается практически за одну операцию, но набор необходимых
вспомогательных операций может быть достаточно большим. Для
проведения зонной плавки необходима заготовка с определенными
свойствами и формой, полученная методами металлокерамики или
плавки с последующей обработкой. При очистке металла зонной
плавкой после проведения собственно процесса плавки примеси
концентрируются в одном из концов слитка, который должен быть
отделен на соответствующей операции. При сложной схеме передела
очистка металла зонной плавкой будет состоять, по крайней мере,
из четырех операций (рис. 56).
При разработке схемы тонкой
очистки металлов физическими
методами необходимо
предусмотреть возврат отходов,
являющихся загрязненным металлом, на
переработку. Отходы можно
возвратить на один из предыдущих
переделов, наиболее чистые —на
переплавку для получения слитка,
в других случаях — на
химическую переработку или
использовать на приготовление сплавов.
Особенностью всей группы
рассматриваемых процессов
является высокая стоимость
перерабатываемых материалов и
конечной продукции. Это предъявляет
при составлении схемы этого
передела требование максимальной
утилизации всех отходов
производства. Затраты на полный цикл получения редких металлов
обычно так велики, что в случае, если отсутствуют схемы
непосредственного квалифицированного использования металлических отходов,
возврат их на головные переделы с полной химической
переработкой нецелесообразен. Возможно правильнее складировать отходы
до момента появления в них потребности для производства какого-
либо рода специфических изделий или разработки эффективной
технологии переработки в кондиционный металл.
Специфичной для рассматриваемой группы процессов является
необходимость организации питания аппаратов инертными газами
и систем по созданию в аппаратах вакуума, которые необходимо
предусматривать при проектировании (подробно эти вопросы
рассмотрены в разделе 6).
5. РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКОЙ И ТВЕРДОЙ ФАЗ
Операции, связанные с разделением жидкой и твердой фаз,
имеют очень большое значение для решений всей аппаратурно-
Очищенный
металл
Рис. 56.
Технологическая
очистки
Загрязненный
металл
На химическую
очистку
схема зонной
109
технологической схемы в целом. Ни один гидрометаллургический
процесс не может считаться завершенным без однозначного
решения последующих операций разделения полученных продуктов.
Значение операций разделения фаз настолько велико, что режимы
основных технологических операций в значительной степени
определяются требованиями последующего разделения получаемых
в ходе ее продуктов.
Существуют гидрометаллургические процессы, не требующие
последующего разделения фаз. К ним можно отнести перколяцию.
Твердый продукт, прошедший перколяционную обработку и
промытый, можно выгружатьиз перколятора и транспортировать на
переработку или в отвал без каких-либо дополнительных операций.
Процессы перколяции, как экстенсивные, не получили
распространения в металлургии редких металлов.
Разделение фаз с использованием процессов сгущения
и осветления
При существенной разнице в плотности жидкой и твердой -фаз,
достаточной крупности твердых частиц и низкой вязкости
жидкости разделить твердую и жидкую фазы можно отстаиванием
(сгущением). Этим методом можно выделить твердую фазу с
минимальным количеством влаги (до 40—60%). Широко
распространена практика отстаивания для первичного сгущения до менее
разбавленных пульп, направляемых на фильтрацию, а также на
промывку твердой фазы. В ходе промывки осуществляется не
разделение фаз, а отделение твердой фазы от веществ, растворенных
в жидкой фазе. Полнота отделения может достигать 97—98%.
При периодическом отстаивании (рис. 57) аппарат заполняется
исходной пульпой. После заполнения проводится процесс
отстаивания. Осветление жидкости начинается с верхней части отстойника
и слив жидкости, очищенной от твердой фазы, начинается также
из верхней части. Затем, по мере понижения уровня жидкости, слив
ведут из все более низких точек, для чего предусматривается
система из нескольких сливных патрубков или используется сифон.
Чистота сливаемой жидкости в процессе периодического
отстаивания изменяется. Для проверки чистоты сливаемой жидкости
целесообразно на сливной линии иметь контрольную емкость. Если
отделение твердого проведено недостаточно полно,
соответствующую партию жидкости можно возвратить на отстаивание.
В зависимости от требований конкретной технологии решается
задача выгрузки твердого. В случае недопустимости репульпаиии
осадка его для передачи на следующие операции выгружают
вручную. Если репульпация осадка возможна, в отстойник подводят
воду. Осадок выводится по трубам или лоткам в виде пульп. При
полунепрерывной работе подача исходной пульпы и слив
осветленной жидкости осуществляются непрерывно до момента, пока
сгуститель не заполнится осадком. Затем питание и слив отключают
и осадок выгружают. После выгрузки цикл повторяется.
ПО
В практике широко распространена схема отстаивания пульп
с непрерывной загрузкой и выгрузкой всех продуктов [11]. Схема
установки сгущения непрерывного действия (рис. 58) является
типовой.
Схема установки многоярусных сгустителей практически не
отличается от приведенной схемы, так как соединение со
смежными аппаратами в
принципе не меняется. При
использовании многоярусных
сгустителей для
многократной промывки в схеме его
коммуникаций добавляется
подвод промывной воды или
раствора.
IXl-T-tXh
НхЗ-i
I»
Исходная пульпз
репулопации
чх>£к
&
§
Осветлен
—
1
;
■■ /
/
^^
Г
/
i
Ал
<з
Рис. 57. Аппаратурная схема разделения
пульпы отстаиванием:
/ — бак для исходной, пульпы; 2 —
отстойник; 3 — насос; 4 — бак для слива из
отстойника; 5 — бак для чистой жидкости
Рис. 58. Аппаратурная схема установки
сгустителя:
1 — сгуститель; 2 — песковый насос
Разделение методами фильтрации [34—36]
При разработке аппаратурно-технологической схемы
фильтрации необходимо учитывать:
1) характеристику исходной пульпы;
2) требования к качеству фильтрата и кека;
3) какой процесс — периодический или непрерывный;
4) применяется ли в процессе давление или вакуум;
5) необходимость промывки осадка;
6) способ последующей транспортировки осадка.
К фильтрам периодического действия относятся: нутч-фильтры,
листовые фильтры, мешочные фильтры, фильтрпрессы (рамные или
камерные). Наиболее простой аппарат нутч-фильтр, который
может работать под напором гидростатического столба пульпы с
применением вакуума или под давлением (закрытый нутч-фильтр).
Схема установки нутч-фильтра должна включать следующие
системы: питания, приемки фильтрата, выгрузки осадка, создания
давления или вакуума, промывки осадка и возврата фильтрата на
111
повторную фильтрацию. Типичная схема установки нутч-фильтра
(рис. 59) предусматривает полунепрерывную подачу на фильтр
пульпы, промывку осадка и периодическую выгрузку осадка и
откачку фильтрата из сборника. Нутч-фнльтры, работающие под дав-
Исходнан
Путный филбгпрат
{ХН-СХ 1
Их>-1
I
h
^ХЭ-0
Рис. 59. Аппаратурная схема фильтрации на нутч-фильтре:
/ — бак для исходной пульпы; 2— нутч-фильтр; 3 — сборник фильтрата;
4 — бак чистого фильтрата
лением, питаются периодически. Осадки можно выгружать репуль-
пацией его или вручную.
В вакуумном листовом фильтре фильтрующий элемент без
нарушения системы откачки фильтрата можно извлекать из ванны
Вакуум
Вакуум
Исходная
пульпа
Давление
i,\Bmxod осдетленной
IK- жидкости
Удаление осадка
Рис. 60. Аппаратурная схема фильтрации на листовом фильтре:
1 — бак для фильтрации; 2 — фильтрующий элемент; 3 — бак для
снятия осадка
с перерабатываемой пульпой и переносить в емкость для снятия
осадка (рис. 60). Для облегчения снятия осадка на фильтрующие
элементы подводится давление. В листовых фильтрах, работающих
под давлением, осадок удаляется без вскрытия фильтра после ре-
пульпации в рабочем пространстве фильтра.
112
Для фильтрации под давлением и контрольной фильтрации
трудно фильтрующихся продуктов при малом содержании твердого
используют фильтрпрессы (рис. 61). Особенностью схемы установки
фильтрпресса является необходимость введения питания водой
высокого давления для зажима рам. Для подачи пульпы на
фильтрацию целесообразно использовать монтежю. Использование мон-
тежю обеспечивает точную регулировку давления пульпы на вводе
в фильтрпресс и исключает возможность гидравлических ударов
в системе питания.
Недостаток фильтрпрессов — необходимость тяжелых ручных
операций при удалении осадка. Этот недостаток устранен в меха-
/кидлостд
Рис. 61. Аппаратурная схема фильтрации на фильтрпрессе:
/ — бак для исходной пульпы; 2 — монтежю; 3 — фильтрпресс; 4 — кю-
бель для осадка; 5 — сборник фильтрата; 6 — сборник чистого
фильтрата
визированной и автоматизированной конструкции фильтра типа
ФПАК.
К фильтрам периодического действия относят обычно также
фильтры-сгустители, сочетающие элементы сгустителей и
листовых фильтров, которые аналогичны сгустителям-отстойникам.
Отличие в том, что если в первом случае сгущение происходит под
действием силы тяжести, то во втором обеспечивается удаление
части жидкой фазы через фильтрующую поверхность. Схема
установки фильтра-сгустителя подобна схеме установки
сгустителя-отстойника (см. рис. 58). Отличие в том, что фильтрат выводится не
самотеком, а откачивается через вакуумную систему. Патронные
фильтры-сгустители могут быть аппаратами полунепрерывного
действия в случае организации секционной попеременной очистки
поверхности патронов с автоматическим переключением.
К фильтрам непрерывного действия относятся барабанные,
дисковые и ленточные вакуум-фильтры. На барабанных
вакуум-фильтрах, как и на всех вакуум-фильтрах непрерывного действия,
осуществляется достаточно сложный цикл фильтрации, требующий
8 Зак. Л'° 461
113
разветвленной схемы соединения фильтра со смежными
аппаратами и обслуживающими установками (рис. 62). Схема
коммуникаций и обвязки оборудования от фильтра до вакуум-насосов
обычно решается заводом — изготовителем фильтра,
поставляющим оборудование комплектно. Главный элемент схемы — система
отбора фильтрата — постоянно находится под разрежением.
Отбор фильтрата принудительный. Фильтр позволяет собирать
отдельно основной фильтрат и фильтрат от промывки осадка. Во
избежание оседания твердого в корыте фильтра и коммуникациях
питание фильтра осуществляется непрерывно со сливом избытка
на циркуляцию.
4
С/катыи
Рис. 62. Аппаратурная схема фильтрации на барабанном вакуум-фильтре:
1 — вакуум-фильтр; 2 — сборник фильтрата; 3 — сборник промывных вод;
- барометрический конденсатор; 5 — насосы; 6 -
7 — вакуум-насос
■ гидравлический затвор;
Для фильтрации пульп с высоким содержанием мелких фракций
целесообразнее использовать барабанные фильтры с внутренней
фильтрующей поверхностью.
Дисковые вакуум-фильтры в основном аналогичны барабанным.
Преимущество их-—большая компактность, но промывка осадка
на них затруднена. Ленточные вакуум-фильтры позволяют
разделять промывные воды на две или несколько фракций, что создает
возможности для организации противоточной промывки осадка.
Плохо фильтрующиеся пульпы и легко испаряющиеся жидкости
можно фильтровать на барабанных или ленточных
вакуум-фильтрах, работающих под давлением. В фильтрах под давлением
упрощается система отбора фильтрата, которая работает на слив, и
вводятся специальные устройства для создания давления в кожухе
фильтра.
Разделение под действием центробежных сил
Гидроциклон наиболее простой аппарат для разделения фаз
сгущением под действием центробежной силы. В гидроциклоне
происходит непрерывное разделение пульпы на осветленную и
сгущенную части. Схема ограничивается подсоединением к
гидроциклону линии питания и линий отбора осветленного и сгущенного
114
продуктов. При недостаточном напоре в питающей линии на ней
устанавливаются дополнительные питающие устройства.
Более эффективным аппаратом для центробежного разделения
жидкой и твердой фаз является центрифуга. Центрифуги делятся
на периодически действующие и непрерывные. Схемы включения
центрифуг в технологическую цепь определяются при разработке
конструкции заводом-изготовителем.
Главные трудности в разработке аппаратурно-технологической
схемы для процессов разделения фаз, включая
центрифугирование, связаны с удалением твердого осадка. Если возможна репуль-
пация осадка и удаление пульпы по трубам, решение относительно
простое. Для продукта с высокой степенью обезвоживания и даже
подсушенного схема решается просто в случае аппаратов со шне-
ковой выгрузкой (непрерывные фильтры, работающие под
давлением, листовые фильтры с разгрузкой в бункер со шнеком,
непрерывно действующие центрифуги со шнековой разгрузкой), а также
центрифуг с пульсирующей выгрузкой поршнем и некоторых
других. Для нутч-фильтров, фильтрпрессов, центрифуг с ручной
выгрузкой осадка и им подобных система удаления осадка сложнее.
Серьезное значение имеет способ последующей транспортировки
осадка. При использовании непрерывного транспорта (ленточный
транспортер и др.) необходимо упорядоченное питание
транспортирующего устройства. Осадок первоначально должен сгружаться
в "бункер или воронку, из которых через течку или питатель
(например, шнек) уже поступать на транспортер.
Для повышения эффективности процессов разделения жидкой
и твердой фаз применяют специальные технологические приемы,
улучшающие ход сгущения или центрифугирования. В пульпу
вводят специальные реагенты-флокулянты. Для введения флокуляптов
в схеме предусматривают емкости и дозаторы для дозирования
перерабатываемой пульпы и раствора флокулянта и их смешения.
Аппаратурная схема должна обеспечивать также определенное
время контакта, от момента ввода флокулянта до поступления
пульпы на аппаратуру разделения.
6. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТУРНЫЕ УЗЛЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕХНОЛОГИИ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Помимо процессов разделения жидкой и твердой фаз, имеется
значительное число технологических процессов, приемов и
аппаратурных узлов общего назначения, используемых в аппаратурно-
технологических схемах производства редких металлов. Некоторые
из них рассмотрены ниже.
Пылеулавливание и очистка газов
Процессы пылеулавливания и очистки газов являются
непременным элементом практически любого производства редких
металлов [37]. Эти процессы можно классифицировать по следующим
основным признакам:
8*
115
1) очистка гетерогенных систем, содержащих примеси в виде
пыли или капель, и гомогенных систем, загрязненных газами и
парами;
2) очистка с использованием орошения очищаемого газа
жидкостями и очистка без орошения (сухими методами);
3) очистка одноступенчатая и многоступенчатая.
Одноступенчатые схемы применяются для улавливания
продуктов, не требующих классификации для дальнейшей переработки
в тех случаях, когда за одну ступень достигается необходимая
степень очистки. Во всех остальных случаях схемы решаются как
многоступенчатые. В многоступенчатых схемах процессы грубой
очистки должны предшествовать процессам тонкой очистки. При
очистке от пыли без орошения (рис. 63) циклон должен предшест-
Отшеннд/и
Запиленный
газ
Грубая пыль
Тонкая тиль
Рис. 63. Аппаратурная схема системы пылеулавливания:
/ — циклон; 2 —кулер; J--рукавный фильтр; 4 — вентилятор
вовать рукавному фильтру или электрофильтру. Такая очистка
может включать: аппарат грубой очистки, холодильник, аппарат
тонкой очистки, вентилятор, обеспечивающий уборку газов.
Для грубой очистки в металлургии редких металлов
используются пылевые камеры, циклоны или батарейные циклоны. Для
топкой очистки используются рукавные фильтры или
электрофильтры. Холодильник в схему вводится для защиты от высокой
температуры ткани рукавных фильтров. Снижать температуру газов
можно также, разбавляя их атмосферным воздухом.
Схемы с орошением газов используются для очистки от
загрязняющих газов и паров, а также для очистки от пыли. Главными
элементами схемы очистки, основанной на орошении, являются:
скруббер-промыватель, система орошения и аппарат для
улавливания брызг, выносимых из скруббера. Система орошения может
включать сгуститель для отделения уловленной пыли, пасосы,
холодильники для орошающей жидкости, если температура
орошающей жидкости повышается из-за теплообмена с очищаемыми
газами и растворения улавливаемых продуктов. Такая схема приме-
116
пена к процессу улавливания чстыреххлористого титана (см. рис. 6).
При проектировании многоярусной системы скрубберного
орошения необходимо предусматривать раздельное питание каждого
пояса орошающей жидкостью. Иначе невозможно обеспечить
эффективное регулирование орошения по ярусам (рис. 64). Для
улавливания брызг используют простую ловушку, мокрый циклоп,
электрофильтр или их сочетание. Интересным вариантом очистки
с орошением является схема для орошения очищаемых газов в
турбулентном промывателе (трубе Вентури). В нем отсутствует вывод
орошающей жидкости из аппарата орошения. Вся жидкость вместе
с уловленным продуктом выносится газовым потоком в циклон или
какой-либо другой брызгоуловитель,
где и выводится из системы. При
орошении газы, как правило,
охлаждаются, что вызывает конденсацию
содержащихся в них паров. Конденсат
может образовываться в газоходах и
вытяжном вентиляторе. Необходимо
предусматривать отвод конденсата из
газоходов и корпуса вентилятора или
их обогрев.
На практике системы газоочистки
с орошением и без орошения могут
комбинироваться в зависимости от
конкретных задач.
Важное значение имеет
расположение в схеме газоочистки тяго-дутъевых
аппаратов. В обычно применяемой
схеме (см. рис. 63) вентилятор
расположен в конце аппаратурной цепи.
При таком расположении исключается выбивание газов из системы
через неплотности, воздействие агрессивных газов на вентилятор
и возможность его забивания выносимой газами пылью. Если
нежелателен подсос воздуха в систему, вентилятор или дымосос
устанавливают в начале схемы очистки.
Рис. 64. Аппаратурная схема
установки скруббера:
/ — скруббер; 2 —
брызгоуловитель; 3 — бак для орошающей
жидкости; 4 — насосы
Выпаривание растворов
В гидрометаллургической технологии производства редких
металлов выпаривание растворов решает две задачи: вывести
избыток воды из технологического процесса и выделить
концентрированием раствора растворенное вещество в осадок.
Используют две схемы выпарки — периодическую и
непрерывную. При одноступенчатой периодической выпарке в чашах
обогрев ведут, как правило, через греющую рубашку, а пары воды
удаляются в атмосферу [36]. Вакуумная выпарка (рис. 65) имеет
ряд преимуществ: исключается выброс паров в атмосферу и
необходимость нагрева выпариваемого раствора до высоких
температур. Основные элементы схемы: собственно выпарной аппарат,
117
конденсатор паров, система обогрева и устройство для удаления
воздуха, накапливающегося в конденсаторе.
Для осуществления непрерывной выпарки распространение
получили многокорпусные выпарные установки [36, 38] (рис. 66).
В этих схемах только для первого
корпуса в качестве греющего
агента используется свежий пар. В
каждом последующем корпусе для
обогрева используется вторичный пар,
полученный при испарении раствора
в предыдущем корпусе. Последний
из последовательно соединенных
выпарных корпусов подключают
к вакуумной системе. Это создает
разрежение в системе и
обеспечивает закипание выпариваемых
растворов при более низкой
температуре. Раствор в процессе выпарки
делится на упаренный раствор,
поступающий на выпарку в
следующий корпус, и вторичный пар,
идущий в греющую камеру того же
корпуса. Греющий пар после конденсации удаляется из системы
в виде конденсата, а раствор доходит до последнего корпуса,
постоянно повышая свою концентрацию. Приведенная схема назы-
^-4-^1
Рис. 65. Аппаратурная схема
вакуумной выпарки:
/ — вакуумный выпарной аппарат;
2 — конденсатор; 3 — сборник
конденсата; 4 — накуум-насос
Исходный
7^л
Упаренный
раствор
Рис. 66. Аппаратурная схема трехкориусной прямоточной выпарки:
/•-бак исходного раствора; 2 — подогреватель раствора; 3 — корпусы; -/ —
барометрический конденсатор; 5 — брызгоуловитель; 6 — бак для упаренного раствора; 7 — насосы;
8—конденсационные горшки
вается прямоточной, так как направления движения раствора и
вторичного пара совпадают.
Имеются еще две принципиальные схемы многокорпусных
выпарных установок — противоточная и с параллельным питанием.
118
При использовании противоточной схемы (рис. 67) наиболее
концентрированные растворы выпариваются при наиболее высокой тем-
/г вакууп ■
Пйр
конденсата
Рис. 67. Аппаратурная схема трехкорпусной противоточной
выпарки:
/ — корпусы; 2— барометрический конденсатор; 3— насосы
''сходный раствор
/Г вапуум-насс:^
РостЗор
Гис. 68. Аппаратурная схема трехкорпусной выпарки с параллельным
питанием;
/ — корпусы; 2-- барометрический конденсатор; 3 — гидравлический затвор
пературе, что благоприятно сказывается на ходе процесса. Но
перекачивать растворы в установках этого типа приходится
насосами, преодолевая разницу давлений между корпусами.
119
Система с параллельным питанием (рис. 68) основана на том,
что, хотя вторичный пар используется, как и в любой
многокорпусной схеме, раствор упаривается только однократно. Такую схему
используют для быстро кристаллизующихся растворов.
Кроме выпарки, концентрирование растворов может достигаться
более сложными технологическими приемами. Можно часть
раствора выпарить в кипящем слое до получения кристаллов, которые
затем растворить в остающейся части раствора, повысив его
концентрацию.
Из отначцваеггого
аппарата *^/гл
Рис. 69. Аппаратурная схема двухступен
чатой вакуумной системы:
1 — диффузионный насос; 2 — механичс
ский насос; 3 — ловушка
Системы для создания вакуума
Вакуумные системы для создания относительно неглубокого
вакуума применяются в основном в процессах фильтрации (см.
рис. 62). В системах такого типа остаточное давление составляет
не менее 30—40% от атмосферного. В схему установки входят:
вакуум-насос, сборники фильтра-
| та и барометрический
конденсатор. Сборники фильтрата служат
для накопления и вывода
полученного фильтрата. Откачиваемым
воздухом по вакуумной линии
выносится значительное количество
пара. Большая часть пара
конденсируется в барометрическом
конденсаторе, орошаемом
холодной водой.
В процессах
высокотемпературного восстановления редких
металлов, их иодидного
рафинирования, зонной очистки, плавки требуется в аппаратуре более
глубокий вакуум. Остаточное давление может уменьшаться по
абсолютной величине до 10~2—Ю-5 мм рт. ст. и ниже.
Системы глубокого вакуума требуют многоступенчатой откачки
газов и паров из эвакуируемого объема [39]. На выброс в
атмосферу могут работать только механические ротационные
вакуум-насосы, обеспечивающие остаточное давление выше Ю-3 мм рт. ст.
Диффузионные насосы, создающие разряжение вплоть до
остаточного давления 10~5—10~6 мм рт. ст., не могут работать, имея на
стороне выброса откачиваемых газов давление выше Ю-1—
10~2 мм рт. ст. Поэтому для создания в системе остаточного
давления 10~3 мм рт. ст. и ниже пользуются многоступенчатой схемой
(рис. 69). Схема предусматривает линию непосредственного
соединения механического ротационного насоса с откачиваемым
объемом. Эту линию включают в начале откачки аппарата, когда
давление слишком высоко для работы диффузионного насоса. После
достижения в системе необходимого разрежения включают линию
с диффузионным насосом. В ряде случаев характеристика
диффузионного насоса может не позволить присоединить его к механи-
120
ческому насосу, так как производительность последнего при
заданном разряжении будет недостаточной. В этом случае между
механическим и диффузионным насосами в схему вводят
вспомогательный (бустерный) диффузионный или механический насос,
перекрывающий перепад между давлением на входе в механический
насос и выходе из диффузионного насоса при заданной
производительности. Для создания в системе особенно глубокого вакуума до
остаточного давления Ю-7 мм рт. ст. и ниже применяются
специальные системы откачки, такие как сорбционная, ионная.
В процессе откачки из аппарата могут выноситься пыль и пары,
попадание которых в насос нарушает его работу и приводит
к преждевременному износу. На линиях откачки необходимо
устанавливать защитные устройства. Как правило, эти ловушки ставят
на линии предварительной откачки, защищая механический насос.
К моменту, когда включают диффузионный насос, в системе прак-
Рис. 70. Аппаратурная схема вакуумных систем установок вакуумной
дистилляции продуктов металлотермического восстановления:
/ — печь вакуумной дистилляции; 2 — реторта вакуумной дистилляции; 3 —
диффузионный насос откачки реторты; 4 — механический насос откачки реторты; 5 —
ловушка; 6—механический насос откачки печи
тически прекращается выделение пылевых возгонов и химически
активных паров.
Систему, состоящую из одного механического насоса, можно
использовать в случае, когда он обеспечивает необходимый по
технологии вакуум, а также, когда процесс идет в атмосфере
инертного газа и вакуумную систему используют для
предварительной откачки. Достаточно полное удаление из системы воздуха
в этом случае достигается «промывкой» инертным газом. Промывка
заключается в многократной откачке системы и заполнении ее
инертным газом. Относительно небольшое число промывок
позволяет понизить содержание воздуха в системе до предела,
определяемого исходным содержанием примесей в инертном газе.
Системы, состоящие из последовательно соединенных
механического и диффузионного насосов, широко распространены в
производстве редких металлов. Системы, состоящие из
последовательно соединенных механического, бустерного (механического
или диффузионного) и диффузионного насосов, применяются для
121
процессов, требующих более высокого вакуума, таких как
электронно-лучевая плавка.
Вакуумные устройства обслуживают в основном одиночные
установки. Создание централизованных систем глубокого вакуума
даже для однотипных аппаратов — задача чрезвычайно сложная.
Существующие средства вакуумной техники не позволяют
обеспечить скорость откачки, исключающую взаимное вредное влияние
объединенных в одну систему аппаратов. При необходимости
получения высокого вакуума вакуумные системы бывают только
индивидуальными для каждой установки. При более низких
требованиях к вакуумным системам объединение нескольких
аппаратов в одну систему возможно, например вакуумная система для
дистилляции продуктов магниетермического производства титана
(рис. 70). В этой схеме откачка реторт, требующая глубокого
вакуума, индивидуализирована, а для откачки рабочего пространства
печей одни насос используется на несколько печей.
Пневматический транспорт сыпучих материалов
Пневматический транспорт сыпучих материалов является одним
из наиболее рациональных видов транспорта. Он позволяет
полностью механизировать и автоматизировать процессы
транспортировки материалов.
Пневматический транспорт может быть напорным и вакуумным.
Вакуумный пневматический транспорт можно использовать,
если длина и общее сопротивление линии не чрезмерны для
ограниченного перепада давлений, который достигается за счет
создания разрежения. Схема применяется, если нельзя допустить даже
незначительное попадание транспортируемого материала в
окружающую атмосферу. Основные элементы схемы вакуумного
пневматического транспорта (рис. 71)—загрузочное устройство,
разгрузочный циклон, фильтр для очистки выбрасываемого воздуха
и тяговое устройство. Тяговым устройством в зависимости от
необходимого разрежения может служить вентилятор или
вакуум-насос. При использовании системы циркуляции воздуха потери
транспортируемого материала, неуловленного рукавным фильтром,
снижаются пропорционально уменьшению количества сбрасываемого
воздуха.
Напорный пневматический транспорт может быть ннзконапор-
ным и высоконапорным. В первом случае воздух в систему
подается высоконапорным вентилятором, во втором используется
компрессорный воздух. Схема высоконапорного пневматического
транспорта (рис. 72) для загрузки емкостей включает камерный насос,
систему коммуникаций, состоящую из трубопроводов, запорную и
регулирующую аппаратуру, загружаемую емкость, фильтр для
очистки сбрасываемого воздуха, хвостовой вентилятор. Камерные
питатели системы пневмотранспорта — аппараты периодического
действия. Для производств, где необходима высокая
производительность транспорта, целесообразно на одну линию устанавливать
122
два параллельно соединенных камерных питателя. Пока один
питатель загружается продуктом, другой выдает материал в
трубопровод. В составе транспортной линии отсутствует разгрузочное
устройство. При загрузке большой емкости в конце линии из-за
атмосферу
Вариант с циркуляцией доз духа
Рис. 71. Аппаратурная схема вакуумного транспорта:
/ — бункер транспортируемого материала; 2 — циклон; 3 — шлюз для выгрузки
материала; 4 — герметичные затворы; 5 — бункер для сбора материала; 6 —
вентилятор; 7 — рукавный фильтр
резкого изменения скорости воздуха на выходе из трубопровода
происходит естественная сепарация материала. В системе
высоконапорного транспорта малейшие неплотности приводят к попаданию
транспортируемого продукта в атмосферу. Это требует максималь-
B^amnocipepy
Материал 4 -
Рис. 72. Аппаратурная схема
напорного пневматического
транспорта:
/ — компрессор; 2 —
камерные насосы; 3 — бункер для
приемки материала; 4 —
рукавный фильтр; 5 —
вентилятор
Материал
ной герметизации всей системы, что трудно осуществить для
крупной емкости в конце системы. Для предупреждения повышения
давления в емкости устанавливается хвостовой вентилятор,
обеспечивающий удаление поступившего по системе пневмотранспорта
воздуха. При транспортировке мелких классов пылей главной
123
опасностью для нормальной раооты пневматических линии является
окомкование и залипание продукта в результате контакта с влагой
воздуха. Для предупреждения этого необходимо воздух или
пропускать через адсорбент, или подогревать в калорифере для
исключения конденсации влаги в системе. При транспортировке
взрывоопасных продуктов воздух заменяется инертным газом.
Отдельные технологические приемы и аппаратурные узлы
Перекачка пульп. При прекращении подачи пульпы или
значительном снижении скорости ее движения твердая фаза оседает
в трубопроводах, что может привести к их забиванию. Для
предупреждения этого создаются замкнутые схемы циркуляции
пульпы с высокой скоростью. Отбор пульпы в аппараты от
замкнутой линии производится (рис. 73) через короткие отрезки
трубопроводов, на которых из-за малой
длины и больших уклонов забивание
невозможно. Для ликвидации забивания
трубопроводов, если оно произойдет,
схема должна иметь линии подвода
промывных вод.
Предупреждение перелива емкостей
и поддержание в них постоянного
Пульпа
14
g
h
1
й
. *=
1
31
1
L
1
^
-/
-^
\
V2
1
/
/
J
$
^
*
1
§
^
Отбор
пульпа
Рис. 73. Схема перекачки пульпы
прерывной циркуляцией
Рис. 74. Схема перекачки
жидкости с переливом:
/ — бак, из которого жидкость
закачивается; 2 — насос; 3 —
бак, питаемый жидкостью
уровня. При закачивании растворов и пульп в емкости имеется
опасность их переполнения. Если заполняемые емкости
расположены- на большой высоте, а жидкость агрессивная, то создается
опасность для персонала цеха, нижерасположенного оборудования
и строительных конструкций.
Для предупреждения переполнения емкости снабжаются
системами перелива (рис. 74). Иногда подобная схема используется
для поддержания постоянного уровня в верхнем баке. Для этого
в верхний бак насосом постоянно подается жидкость в количестве,
превышающем ее расход. Избыток жидкости по переливной линии
возвращается в бак, из которого она подается.
Дыхательные системы. В ряде случаев обрабатываемые
материалы, в том числе жидкости, не должны сообщаться с
атмосферой, чтобы исключить загрязнение атмосферы продуктами перера-
124
ботки и загрязнение обрабатываемых материалов из-за контакта
с воздухом, в особенности с влажным.
Полная изолирующая герметизация всех производственных
аппаратов невозможна. Это исключает возможность их заполнения
и опорожнения в первую очередь жидкостями.
При полной герметизации аппарата неизбежно периодически
возникает значительный перепад давлений между аппаратом и
окружающей атмосферой, не обусловленный потребностями
технологии. Это способствует, в конечном итоге, нарушению
герметичности аппарата и всем нежелательным последствиям, вызванным
контактом с атмосферой. Для предупреждения возникновения
значительного перепада давлений между рабочим пространством
аппаратов и атмосферой в изолированных от атмосферы аппаратурных
схемах используются так называемые дыхательные системы. Чтобы
максимально снизить обмен газов с окружающей атмосферой,
В атмосферу или систему
газоочиш/гц
Атмосауер/ю/й воздух
1
или инертньш газ
~-з
От различных аппаратов схемы —I—
Рис. 75. Схема дыхательной системы:
/ — ресивер; 2 — затвор для сброса давления; 3 — затвор для заполнения системы
газом
схема дыхательной системы (рис. 75) должна предусматривать
объединения с общим ресивером газовых объемов аппаратов
системой коммуникаций, парогазовые фазы которых не могут быть
источником взаимного загрязнения [40]. Ресивер подсоединяют
к двум гидравлическим затворам: сбросному и заборному. Через
сбросный затвор газы выводятся из системы, если разница
внутреннего и атмосферного давления превысит заданную величину
(равную гидростатическому давлению столба жидкости над концом
трубки). Через заборный затвор аналогичным образом система при
падении в ней давления питается газом. Для подпитки можно
использовать инертный газ или очищенный атмосферный воздух.
Системы осушки воздуха. В ряде производственных процессов
потребляется осушенный воздух. Наиболее широко используется
сушка пропусканием через адсорбент, которым, как правило,
является спликагель или цеолит [36] (рис. 76). Обычно ставят два
параллельно работающих адсорбера: один выдает сухой воздух,
второй занят на регенерации, осуществляемой пропусканием
горячего воздуха. Для подогрева воздуха ставят калорифер. Работа
установок автоматизирована.
Системы питания инертными газами основаны на баллонной их
доставке. Давление газа в баллонах 150 ат (в некоторых случаях
■
/-^.
125
до 200 ат). Схема питания инертными газами (рис. 77)
заключается, как правило, в следующем. Баллоны подсоединяют к рампе,
куда через редуктор передается газ под давлением 4—6 ат,
который разводится к потребителям. При поступлении к потребителям
газ может быть редуцирован повторно.
Сброс в атмосферу
Сухой воздух
Рис. 76. Схема осушки воздуха:
/ — компрессор; г —калорифер; 3 — абсорберы
Поставляемые промышленностью газы не всегда отвечают по
качеству требованиям производства редких металлов, вследствие
чего необходима организация их очистки на месте потребления.
Для этой цели в системе
питания предусматриваются
установки по очистке газов.
Установки могут работать на
принципе сорбции примесей, анало-
Cffpoc воздуха
п
' атносферу
И-
Воздух
Рис. 77. Схема питания инертным газом:
1 — баллоны; 2 — вентили; 3 — редукторы;
4 — предохранительный клапан; б —
аппарат контрольной очистки газа
Рис. 78. Схема термостатирования
нагретым воздухом без циркуляции:
/ — вентилятор; 2 — калорифер; 3 —
термостатируемый аппарат
гично системе осушки воздуха или поглощения их химическими
реактивами.
Термостатирование при повышенных температурах и нагрев
высокотемпературными теплоносителями. Во многих процессах
производства редких металлов необходимо поддерживать в аппа-
126
ратах постоянную температуру. При использовании для этой цели
воздуха возможны две схемы. При первой (рис. 78) воздух до
ввода в термостатпруемып аппарат нагревается в калорифере,
пройдя через аппарат, сбрасывается в атмосферу. При второй
(рис. 79) воздух из термостатируемого аппарата, возвращается на
циркуляцию в системе. Если воздух в аппарате нагревается, то
часть его сбрасывается и заменяется холодным воздухом.
Если требуется более точное термостатирование и достаточно
высокие температуры, используются высокотемпературные
теплоносители [36]. К таким теплоносителям
относятся некоторые органические, со- ff атмосферу
левые и металлические системы. Обо- Л
грев осуществляется при циркуляции
теплоносителя по замкнутому контуру.
г
1
4
^ 2
1
\
■
К-
i i
Сброс части нагретого
^з
воздуха
Забор
Рис. 79. Схема термостатировання
нагретым воздухом с циркуляцией:
/ — вентилятор; 2 — калорифер; 3— термо-
сгатируемый аппарат
Рис. 80. Схема обогрева
высокотемпературным теплоносителем;
/ — обогреваемый аппарат; 2 •-
насос; 3 — нагреватель; 4 —
расширительный бак
Схема обогрева высокотемпературным теплоносителем (рис. 80)
состоит из нагревателя, поддерживающего необходимую
температуру, насоса, обеспечивающего циркуляцию, обогреваемого
аппарата и расширительного бачка. Циркуляция теплоносителя
может быть также и естественной.
7. ПЕРИОДИЧЕСКИЕ И НЕПРЕРЫВНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Подход к разработке аппаратурно-технологической схемы при
периодических и непрерывных процессах существенно
различается. При периодическом процессе один аппарат последовательно
задалживается для ряда операций, например заполнение
аппарата, включая дозировку, собственно процесс, разгрузка,
подготовка аппарата к следующему циклу. Собственно процесс может
делиться на ряд элементов.
При непрерывном процессе для каждой операции или этапа
операции необходим специальный аппарат или узел, который в ходе
эксплуатации постоянно находится в одном и том же заданном
режиме работы. Это полностью распространяется на транспортные
127
коммуникации и устройства. Транспорт продуктов между
аппаратами должен осуществляться непрерывно и одновременно. Для
каждой транспортной операции должна быть своя
самостоятельная транспортная система. При периодическом процессе в период
проведения собственно технологической операции никаких
транспортных операций не осуществляется, и поэтому соответствующие
транспортные устройства могут использоваться для выполнения
нескольких операций, несовпадающих во времени. Особенно
наглядно это в гидрометаллургических производствах. Так, по одной
и той же системе трубопроводов одним и тем же насосом можно
заполнять или опоражнивать несколько работающих параллельно,
а иногда и различных аппаратов. Такой порядок работы можно
обеспечить созданием разветвленной системы коммуникаций и
—сю—.
1
кЗ
—00—1
UP
♦
h-
2
^3
ii~-~.
t
HXJ—I
% Рис. 81. Аппаратурная
*^ схема непрерывного про-
<§ цесса:
/ — приемные баки; 2 —
питающие насосы: 3 —
реакторы; 4 — сборные
баки; 5--насосы выдачи
готового продукта
подсоединением к одному трубопроводу нескольких аппаратов,
а в некоторых случаях даже использовать переносные, и в том числе
гибкие, трубопроводы. Точно так же в зависимости от принятой
(непрерывной или периодической) системы работы решается
система загрузки и опорожнения аппаратов.
При периодической схеме основной технологический аппарат
может служить емкостью, в которой продукты переработки в
случае необходимости накапливаются и хотя бы ограниченное время
хранятся.
При непрерывной схеме для обеспечения бесперебойной работы
аппаратуры необходимо иметь как на питании, так и на разгрузке
буферные емкости, которые компенсировали бы неравномерность
подачи исходных и сбора произведенных материалов. Если
непрерывных установок несколько, каждая из них должна иметь
собственную систему питания. Для периодических процессов, если
параллельно работающих аппаратов несколько, система питания,
состоящая из емкости для накопления исходных продуктов,
транспортных устройств и системы коммуникаций, может быть одна на
несколько аппаратов.
12S
Принципиальные схемы аппаратурно-технологпческого
оформления для непрерывных и периодических гидрометаллургических
процессов показаны на рис. 81, 82.
Для непрерывных гидрометаллургических процессов система
трубопроводов с последовательно соединенными технологическими
аппаратами, отражающими все операции производства,
превращается в материализованную аппаратурно-технологичсскую схему.
Выбор непрерывного или периодического процесса при
разработке схемы определяется технологическими, аппаратурными и
экономическими факторами. Непрерывные процессы нецелесообразны,
как правило, для производств малого масштаба и невозможны при
отсутствии удовлетворительных решений для транспортных
устройств. По этим причинам они, как правило, не применяются для
1
1
1
t
1
§
*
1
-J
ill
It
^з 1
^^^
W
4 —
5
Рис. 82. Аппаратурная схема периодического процесса:
/ — приемный бак; 2 — питающий насос; 3 — реакторы; 4 - сборный бак; 5 — насос
вь-дачи готового продукта
процессов получения металлов при высоких температурах. В
основном непрерывные процессы применяются для
гидрометаллургических производств, где все продукты легко транспортируются
по трубопроводам. Характерен процесс экстракции, который как
периодический в производстве редких металлов не используется.
8. СОСТАВЛЕНИЕ СВОДНОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
Основные принципы разработки сводной схемы
При разработке в ходе проектирования сводной схемы
приходится решать ряд задач. Основными из них следует признать
следующие:
1) правильное качественное сочетание различных процессов.
Продукты, получаемые полностью в предшествующих процессах,
должны удовлетворять требованиям их дальнейшей эффективной
переработки;
2) сведение к минимуму потерь полезных компонентов в
процессе производства;
9 За к. № 461
129
3) сведение к минимуму выделения вредностей с отходами
производства;
4) обеспечение количественного взаимного соответствия
процессов и операций, связанных материальным потоком производства;
5) обеспечение для обслуживающего персонала санитарных
условий, соответствующих нормам и полной безопасности труда;
6) обеспечение возможности оперативного контроля и
эффективного управления процессом.
Рациональное использование отходов
Максимальный возврат отходов в производство — одна из
важнейших задач, решаемых при разработке сводной схемы. Все
отходы содержат извлекаемые полезные компоненты, при
возвращении их в технологический процесс уменьшаются потери полезных
компонентов и расход сырья. Отходы производства редких
металлов практически всегда вредны в санитарном отношении. Возврат
их в процесс производства решает также и санитарные задачи.
Отходы могут получаться в форме, затрудняющей их
непосредственное использование. В этом случае необходимо в общую схему
ввести линию переработки отходов, обеспечивающую подготовку
отходов для использования в основной технологической цепи.
В некоторых случаях извлечение полезного компонента из
отходов экономически нецелесообразно. Однако по санитарным
соображениям переработка таких отходов обязательна. Утилизируемым
элементом при переработке отходов может быть не только
извлекаемый редкий металл, но и какой-либо другой, опасный в
санитарном отношении элемент, используемый в производстве. В
производстве редких металлов такими элементами являются в первую
очередь хлор и фтор.
Важное место в проблеме использования оборотных продуктов
занимает вопрос об использовании разного рода отбросных
разбавленных растворов. Наиболее эффективное направление
использования таких растворов —приготовление на их основе растворов
и пульп из сырья и реагентов, вводимых в процесс производства.
Однако объем отбросных растворов, как правило, превышает
потребность в воде для приготовления исходных растворов и пульп.
Чтобы исключить сброс растворов в канализацию, в схему можно
ввести операцию упарки, которая выводит из процесса воду в виде
паров и устраняет при этом сброс вместе с водой извлекаемых и
опасных в санитарном отношении компонентов (исключая случаи,
когда эти компоненты обладают значительной летучестью). Упарка
растворов, однако, связана с большими затратами. Развитие сорб-
ционной ионообменной технологии позволяет извлекать из
производственных стоков все ценные и опасные в санитарном отношении
компоненты. Вода после очистки должна возвращаться в
производство.
При составлении технологической схемы с рециркуляцией
каких-либо продуктов следует анализировать вопрос о накоплении
130
примесей в оборотных продуктах. Такое накопление происходит
как при циркуляции в замкнутом цикле, так и при циркуляции
в разомкнутом цикле.
Под замкнутым циклом подразумевается технологическая схема
или часть технологической схемы, при которой из цикла
циркуляции выводится только товарный продукт или промежуточный
продукт, служащий сырьем для производства товарного продукта.
В замкнутом цикле циркуляции вместе с товарным продуктом из
цикла выводятся и все примеси, поступающие в цикл с сырьем или
другими материалами.
Под разомкнутым циклом подразумевается технологическая
схема, при которой из цикла выводятся, кроме основного
технологического продукта, какие-либо отбросные или побочные
продукты. В этом случае примеси выводятся с отбросными продуктами.
Однако примеси, хотя и ограниченно, здесь также накапливаются
(подробно вопрос о накоплении примесей при циркуляции
продуктов в разомкнутом цикле рассмотрен в разделе 3 главы IV).
Вопрос о накоплении примесей в процессе циркуляции должен
тщательно анализироваться, так как он, как правило, не может
быть полностью освещен в результате предварительных
исследований и опытно-промышленных работ. В то же время при
накоплении примесей выше определенной концентрации их присутствие
может существенно повлиять на производственный процесс в связи
с изменением физико-химических свойств перерабатываемых
продуктов.
Если имеется возможность накопления примесей при
циркуляции выше допустимой концентрации, при разработке схемы
следует учитывать необходимость периодического вывода
циркулирующего продукта на очистку или даже в отвал. Для этой цели
необходимо предусматривать транспортные линии и емкости. Если
циркулирующий продукт выводится на очистку, в схеме
появляются дополнительные операции очистки.
Вопросы охраны труда, опасности и вредности
проектируемого производства
Рассмотрение этих вопросов — важный элемент разработки аппа-
ратурно-технологической схемы [41]. Цель такого рассмотрения-—
выявление всех очагов опасности и вредности в проектируемом
производстве, чтобы учесть их при принятии решений как на
стадии дальнейшей разработки схемы, так и в разделах проекта,
связанных с расчетами оборудования и размещения его в
производственных помещениях и на открытых площадках.
Характерными причинами возникновения опасности,
определяемыми структурой аппаратурно-технологической схемы [42],
являются:
1) контакт двух веществ, реакция между которыми протекает
самопроизвольно с возрастанием скорости (например,
металлический натрий и вода);
9*
131
2) утечка токсичных, горючих, взрывоопасных, коррозионно-
опасных газов или паров и радиоактивного излучения;
3) повышение давления в аппаратуре и коммуникациях выше
номинального, в том числе и при проведении транспортных
операций;
4) переполнение емкостей с токсичными или агрессивными
жидкостями.
Возможность возникновения опасностей от названных
источников в значительной мере зависит от правильного согласования
работы смежных операций и переделов и организации транспорта
перерабатываемых продуктов. После выявления источников
опасности принимаются решения по предупреждению возможности
возникновения аварийной ситуации или неблагоприятной в
санитарном отношении обстановки. Такие решения могут быть разбиты на
несколько основных групп:
1) изменение аппаратурно-технологической схемы (разобщение
коммуникаций взаимоопасных продуктов, устройство переливных
линий, создание буферных емкостей и т. д.);
2) изменение конструкции аппаратуры и коммуникаций
(введение предохранительных клапанов, установка дополнительной
контрольной и сигнальной аппаратуры, замена конструкционного
материала и т. д.);
3) использование специальных систем и оборудования,
необходимых для локализации и ликвидации аварийной ситуации
(специальное противопожарное оборудование, система пожарного
водоснабжения и т. п.);
4) разработка инструкций по технике безопасности для
последующей эксплуатации проектируемого производства.
Значительная часть потенциальных очагов опасности в
проектируемом производстве выявляется при разработке аппаратурно-
технологической схемы. Мероприятия по обеспечению
безопасности производства выполняются как на стадии разработки схемы,
так и в ходе выходящей за рамки проектирования работы по
конструированию оборудования и транспортных устройств, на стадии
проектирования размещения оборудования, а также при
разработке нетехнологических частей проекта.
Вопросы контроля и управления производственным
процессом
Разработка этих вопросов — необходимый элемент сводной
аппаратурно-технологической схемы производства. Хотя
разработка систем контроля и особенно управления может составлять
самостоятельный раздел проекта, выходящий за рамки собственно
технологической части проекта, однако при разработке
аппаратурно-технологической схемы производства необходимо учитывать
требования, вытекающие из необходимости обеспечения
эффективности такого контроля и управления. Главное общее требование
к намечаемой схеме контроля — она должна не только достаточно
132
полно, точно, но и своевременно информировать о ходе процесса,
позволять эффективно влиять на него.
Если информация, получаемая из системы контроля, служит
только для регистрации нарушений технологического режима,
схему контроля нельзя признать удовлетворительной.
При разработке схемы аналитического контроля необходимо,
чтобы точки отбора проб были связаны с наличием в схеме
емкостей для хранения анализируемых продуктов. Цель такого
хранения— предупредить поступление на последующие операции
продукта, не отвечающего требованиям технологического регламента.
Емкостей должно быть минимум две, установленных
параллельно, или даже три. Во втором варианте в первую емкость
поступает свежий промежуточный продукт с предыдущей операции;
вторая заполнена продуктом, проходящим контроль; третья выдает
проконтролированный продукт на последующую операцию.
Задача согласования аппаратурно-техиологической схемы
производства с требованиями обеспечения эффективного
автоматизированного управления процессом совпадает с общей задачей,
сформулированной выше, и задачей, которая решается при
согласовании аппаратурно-техиологической схемы со схемой аналитического
контроля. В отличие от схемы аналитического контроля влияние
схемы управления процессом отражается на организации
технологии производства более существенно. Например, при сжигании
топлива в барабанных печах с внутренним обогревом сжигание
топлива непосредственно в барабане не позволит строго
контролировать и регулировать температуру газов. Наиболее рациональным
решением в данном случае, вероятно, будет использование
выносной топки, создающей значительно большие возможности для
контроля и регулирования температуры.
На стадии разработки аппаратурно-техиологической схемы
вопросы оборота отбросных продуктов, межоперационного хранения
и некоторые другие решаются только качественно. Количественно
они решаются в других разделах проекта. Объем оборотов,
накопление примесей при циркуляции продуктов количественно решаются
на стадии расчетов материального баланса производства. Объем
межоперационного хранения — на стадии расчетов оборудования.
Глава IV
РАСЧЕТЫ
МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА
1. ЗАДАЧИ И ЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА
Расчет материального баланса при проектировании направлен на
решение двух основных задач.
Первая задача — обеспечить согласование проектируемого
производства с поставщиками сырья и материалов и потребителями
готовой продукции, основной и попутной. При расчете
материального баланса устанавливается:
1) количество всех продуктов, потребляемых в процессе
производства; I
2) количество и состав всех продуктов, получающихся в
процессе производства в виде готовой продукции или неиспользуемых
в проектируемом производстве отходов.
Вторая задача — обеспечить самый процесс проектирования
материалами, необходимыми для расчета оборудования и оценки
качественных показателей принятой схемы. При этом
устанавливаются:
1) все материальные потоки внутри проектируемого
производства;
2) состав всех промежуточных продуктов производства,
пределы накопления примесей в этих продуктах и, следовательно,
возможность обеспечения заданного качества конечной продукции.
Исходные данные для расчета могут быть выбраны под
влиянием случайных субъективных факторов. По результат правильно
выполненного расчета всегда объективен. Этот результат
определяет показатели процесса, которые могут быть достигнуты при
заданных исходных данных. Если результаты расчета будут резко
отличаться от показателей существующей практики, они будут
объективно свидетельствовать о неполноте или даже
неправильности исходных данных, принятых для расчета материального
баланса. Материальный баланс также объективен, как и
технологическая схема. Более того, баланс является количественным
выражением схемы.
Типы материальных балансов
Материальные балансы могут быть двух основных типов —
полные материальные балансы и материальные балансы по эле-
134
менту или химическому соединению. В первом случае баланс
составляется с точным определением количеств и составов всех без
исключения продуктов, поступающих в процесс и выходящих из
него. Во втором случае баланс составляется только по одному
основному полезному компоненту или соединению, извлечение
которого н является обычно задачей производства. В некоторых
случаях баланс по элементу составляется не для извлекаемого
элемента или соединения. При этом баланс показывает использование
реагента, вводимого в процесс, а в случае, когда этот реагент
токсичен, выявляет опасные в санитарном отношении • узлы
технологической схемы. В балансе по элементу обычно не
показывается полное количество перерабатываемых и получаемых
продуктов, а только содержащийся в них излучаемый компонент. В
балансе по элементу могут вообще не фигурировать продукты,
реально участвующие в процессе производства, но не содержащие
соответствующего компонента. Однако целесообразнее в баланс
по элементу включать все без исключения продукты,
участвующие в процессе производства. В тех же случаях, когда какой-либо
продукт не содержит извлекаемого полезного компонента, в
записи баланса по элементу следует фиксировать нулевое
поступление или выход полезного компонента с рассматриваемым
продуктом.
Полный материальный баланс производства позволяет получить
ответы на все вопросы, необходимые для увязки проектируемого
производства со смежными производствами в части количества и
состава всех потребляемых и выпускаемых продуктов, а также для
процесса проектирования, в частности расчета оборудования.
Однако затраты рабочего времени на составление полного
материального баланса весьма велики и могут в десятки раз превышать
затраты времени на составление баланса по элементу.
Баланс по элементу значительно менее трудоемок, что
позволяет при необходимости оперативно выполнить несколько
вариантов расчетов. Характерная особенность баланса по элементу — его
наглядность. В ряде случаев, которые будут рассмотрены,
выполнение расчета полного материального баланса невозможно без
предварительного расчета баланса по элементу. Это относится ко
всем схемам, предусматривающим использование в процессе
оборотных продуктов. В некоторых частных случаях создается
обратное положение, когда невозможно составить баланс по элементу
без расчета полного материального баланса.
Особенности каждого вида материального баланса определяют
и области их применения. Баланс по элементу принимается для
предварительных расчетов, для анализа потерь и определения
основных показателей, в частности потребности в сырье по
производству в целом. Полный материальный баланс служит для
всестороннего анализа проектируемой схемы, в том числе для
определения всех материальных потоков производства и качественной
характеристики всей выпускаемой продукции, полупродуктов и
отходов производства.
135
Полный материальный баланс и баланс по элементу являются
расчетными балансами. Их рассчитывают непосредственно на
основе принятых выходов, распределения потерь и в случае
полного баланса составов исходного сырья и материалов. На основе
расчетных балансов можно составлять балансы демонстрационные.
Это, как правило, балансы материального потока, в которых
показаны полные количества всех продуктов, потребляемых или
производимых в процессе производства, но не приведен их состав.
Балансы такого рода принято называть «материальный поток
производства» и составлять применительно к единице времени —
суточный материальный поток производства, годовой материальный
поток производства и т. п. Иногда материальный поток
производства относится к единице выпуска продукции или потребления
сырья — материальный поток производства на 1 т концентрата, на
1 т конечной продукции и т. п.
Основные понятия и терминология
Для рассмотрения методов расчета материального баланса
необходимо дать определения основным терминам и понятиям,
используемым при расчетах. Таких основных понятий имеется три:
извлечение, выход и операция (или балансовая операция).
Извлечение. Понятие извлечение применимо к элементу, а также
химическому соединению, не претерпевающему изменений в
проектируемом процессе. Величина извлечения показывает, какая часть
от исходного количества элемента или соединения, поступающего
в производство, извлекается в процессе производства в конечный,
выходящий из производства продукт. Понятие «извлечение» можно
применить как к отдельной операции, так и к группе операций и
всему проектируемому производству в целом.
Как правило, в составе исходных данных для проектирования
извлечение задается для каждой отдельной операции. Извлечение
для всего производства в целом получается как результат расчета.
В общем случае извлечение для производства в целом
рассчитывают, деля количество элемента или соединения, перешедшего
в конечную продукцию производства, на количество этого элемента
или соединения в исходном сырье.
В некоторых случаях применительно как к отдельной операции,
так и к производству в целом пользуются термином «прямое
извлечение». Применительно к отдельной операции этот термин
совпадает с понятием извлечение в полезный продукт. Применительно
к производству в целом этот термин подразумевает извлечение без
учета использования в процессе производства оборотов. Повторная
переработка оборотных продуктов, позволяющая извлечь
дополнительное количество полезного компонента в конечную продукцию
производства, не находит отражения в показателе прямого
извлечения. Вычисление прямого извлечения сводится к нахождению
произведения показателей извлечения для каждой из цепи
последовательных операций от исходного сырья до конечной продукции.
136
Для производств, технологические схемы которых не
предусматривают получения и использования оборотных продуктов, понятия
извлечения и прямого извлечения совпадают.
Понятие «извлечение» характеризует полноту перехода
извлекаемого компонента в основной полезный продукт операции или
производства. Поэтому при определении степени перехода
извлекаемого компонента в другие продукты приняты другие термины.
Степень перехода в оборотные продукты, возвращаемые в процесс
производства, можно называть возвратными потерями, а иногда
извлечением в оборотные продукты. Степень перехода в отвальные
и отбросные продукты называют просто потерями.
Извлечение обычно выражается в процентах, но может быть
также выражено в любых других долях от целого.
Выход. Понятие выхода в отличие от понятия извлечения
применяется к фактически получаемым продуктам, а не к отдельным
их компонентам. Величина выхода для операции или группы
операций показывает количество какого-либо конечного продукта,
получаемого на единицу количества исходного продукта. Под
исходным продуктом подразумевается обычно сырье, содержащее
извлекаемый ценный компонент. Выход может определяться для
основного полезного продукта, оборотного продукта, отвального
продукта. В каждом конкретном случае говорится о выходе
конкретного продукта (выход осадка, выход конденсата, выход
раствора и т. д.).
Для различных процессов возможны различные формы
выражения выхода. Наиболее простая форма — через количество по
массе. Размерность может быть различной — тонны на тонну (т/т),
килограмм на тонну (кг/т) и т. п. Если продукт, выход которого
определяют, — жидкость или газ, можно ввести объемные
характеристики, такие как литры или кубические метры на тонну (л/т,
м3/т). Возможно и обратное сочетание, например килограмм на
кубический метр (кг/м3).
В некоторых случаях говорят о выходе, отнесенном к единице
времени — часу, суткам и т. п. Выход, отнесенный к единице
времени, служит для определения объема материального потока
производства и характеристики производительности оборудования,
а в расчете материального баланса не используется.
Операция или балансовая операция — это элементарная ячейка
любого материального баланса производства. Балансовой
операцией называется часть технологического процесса, состоящая из
операции, части ее или группы нескольких реальных
производственных операций, для которых известны составы, могут быть
определены количества исходных продуктов и состав и количество
всех конечных продуктов, получающихся в процессе.
Главное условие выделения операции — возможность четкого
определения по составу и количеству продуктов, поступающих на
балансовую операцию и выходящих с нее. Такая возможность
позволяет выделить ее в проектируемом производстве как объект
самостоятельного рассмотрения.
137
2. РАСЧЕТ БАЛАНСОВОЙ ОПЕРАЦИИ
Основные определения и закономерности
При расчетах всех видов балансовых операций целесообразно
использовать единую номенклатуру продуктов, поступающих на
операцию и выходящих с нее.
К исходным продуктам относятся:
1. Сырье, содержащее ценный компонент. Комплексное сырье
содержит несколько ценных компонентов. В процесс может
вводиться не один, а два и более видов сырья, перерабатываемых
совместно. Для операций, не находящихся в начале процесса, в
качестве сырья используются полупродукты, произведенные на
предшествующих операциях.
2. Материалы, необходимые для протекания процесса. Как
правило, они не содержат извлекаемых компонентов. К таким
материалам относятся химические реагенты (восстановители,
окислители, растворители, флюсы и т. п.), материалы-носители,
служащие для транспортирования извлекаемых элементов,
технологическое топливо, входящее в непосредственный контакт с
перерабатываемыми материалами.
3. Оборотные материалы, которые могут содержать
извлекаемый полезный компонент или не содержать его. Оборотные
материалы вводятся в процесс для повышения общего извлечения
полезного компонента, уменьшения расхода свежих материалов или
для улучшения условий протекания процесса.
Конечными продуктами балансовой операции являются:
1. Основной продукт, содержащий ценный извлекаемый
компонент. При комплексном сырье, если на операции происходит
разделение полезных компонентов, таких продуктов может быть
два или несколько.
2. Отбросные или отвальные материалы. Эти
продукты могут содержать и не содержать ценные компоненты.
Частный случай такого рода продуктов — попутно выпускаемая
продукция. Такой продукцией является любой продукт, выпуск
которого— неизбежное следствие осуществления технологии
производства заданного материала и который используется для целей,
не связанных с проектируемым производством. К отвальным
продуктам не предъявляется каких-либо требований по качеству, за
исключением их общей санитарной безопасности. К попутно
выпускаемой продукции предъявляются требования по соответствию
определенным кондициям. Если извлекаемый компонент переходит
в каком-то количестве в отвальные продукты или попутную
продукцию то, это уже безвозвратные потери полезного компонента на
данной операции.
Частный случай отвальных продуктов — временные отвальные
продукты. Их складируют до пуска производства по технологии,
делающей эффективной их переработку, которая должна быть
реализована во второй очереди строительства предприятия или не
завершена разработкой в момент проектирования.
138
3. Оборотные материалы. Эти материалы без
дополнительной обработки или с такой обработкой возвращают для
повторной переработки на операцию, где они были получены, или
на одну из предшествующих ей операций. Эти материалы также
могут содержать извлекаемый компонент. Если они его содержат,
то это количество компонента относят к потерям с оборотами или
возвратным потерям полезного компонента на данной
операции.
Приведенным видам исходных и конечных продуктов
балансовой операции может в каждом конкретном случае соответствовать
широкая номенклатура конкретных продуктов. Количество
исходных для данной операции продуктов может быть очень большим.
Наоборот, на операциях ректификации и иногда электролиза
материалы не потребляются и в процесс вводится только сырье.
Число и номенклатура конечных продуктов балансовой операции
также могут меняться в широких пределах.
Расчетам балансовых операций присущи некоторые общие
закономерности. Первая из них предполагает обязательность
балансирования продуктов и их отдельных компонентов. Общее
количество (по массе) продуктов и каждого их компонента,
поступающих на операцию, равно общему количеству (по массе) продуктов
или соответствующего компонента, выводимых из нее. При
проведении прямых замеров на производстве обнаруживается, что
в продуктах, выводимых с операции, количество рассматриваемого
компонента всегда меньше, чем в продуктах, поступающих на
операцию. Это связано с тем, что в условиях производства
практически невозможно учесть все виды отвальных продуктов. Часть
продукта теряется механически в виде пыли, паров, брызг и т. д.,
попадающих в производственное помещение по случайным
причинам, уносимых воздухом или газами через систему вентиляции,
выносится из аппарата на инструменте, поглощается футеровкой
и т. п. Эти потери нельзя прямо относить к каким-либо видам
отвальных продуктов, так как их движение невозможно
контролировать. Потери такого рода включаются в расчет материального
баланса как особая статья — неучтенные потери. При расчете эти
потери относят к отвальным продуктам.
Помимо неучтенных потерь, причиной неувязки баланса между
продуктами, поступающими на операцию и выходящими с него,
при снятии материального баланса действующего производства
может явиться неизбежная погрешность при замере потоков, отборе
проб и анализе соответствующих продуктов. Однако эта
погрешность может относительно уменьшать или увеличивать количество
как конечных, так и исходных продуктов балансовой операции.
Составление материального баланса с полным соответствием
количества продуктов и компонентов, поступающих на операцию,
количеству продуктов и компонентов, выходящих с. операции,
необходимо для решения вопросов не только технологии, но и охраны
природы. Значительная часть продуктов, перерабатываемых в
производстве, представляет санитарную опасность. Необходимо в ходе
139
проектирования достаточно точно определить объем и точки их
вывода из процесса и предусмотреть меры по обезвреживанию.
Извлечение в полезный продукт, извлечение в оборотный
продукт (возвратные потери), потери с отвалами (безвозвратные
потери) и неучтенные потери, выраженные в процентах от
количества компонентов, поступившего на операцию, в сумме составляют
100,00%.
Рассмотренные показатели позволяют рассчитать
распределение полезного компонента по продуктам реакции, т. е. составить
для операции баланс по извлекаемому элементу. Для расчета
полного материального баланса необходимы дополнительные данные,
которые позволили бы сделать такой расчет для всех без
исключения компонентов всех продуктов, поступающих на операцию,
а также определить относительное или абсолютное количество
всех продуктов, поступающих на операцию или выводимых с нее.
Данные для определения потребных количеств всех исходных
продуктов должны включать состав всех продуктов и коэффициенты
использования в ходе операции входящих в состав этих продуктов
отдельных компонентов.
Для определения состава и количеств конечных продуктов
могут использоваться три метода. При первом для каждого
компонента исходных продуктов задаются извлечения во все конечные
продукты операции. Состав и количество любого конечного
продукта операции определяют, суммируя компоненты, составляющие
данный продукт. При втором задаются составы конечных
продуктов. Абсолютное содержание в них извлекаемого компонента
известно. Это позволяет определить абсолютные содержания всех
остальных компонентов и количества самих продуктов. Если в
каком-либо конечном продукте полезный компонент не содержится,
необходимо иметь сведения о количестве содержащегося в нем
любого другого компонента. При третьем задается выход и состав
конечного продукта. Это позволяет определить абсолютное
количество самого продукта и любого его компонента. На практике эти
методы часто совмещают. Количества одних компонентов в
конечных продуктах определяют на основе данных о составе, количества
других — на основе заданных выходов и т. д.
Каждое задаваемое исходное положение для расчета баланса
является ограничивающим условием. Число таких ограничений не
может быть произвольным. При расчете могут изменяться три
величины: извлечение индивидуального компонента в конечный
продукт, выход этого конечного продукта и содержание
извлекаемого компонента в этом продукте. Величины эти взаимно связаны
и свободно изменяться могут только две из них. Третья жестко
определяется двумя первыми и не может принимать произвольные
значения. Если известны выход конечного продукта, извлечение
в этот продукт полезного компонента и содержание в продукте
полезного компонента, одно из этих трех условий для расчета
излишне. Его нельзя использовать для проведения расчета. Третье
140
условие можно использовать только для контроля проведенного
расчета. Если третье условие не соответствует результатам
расчета, то это показывает, что или в исходных данных для расчета,
или в самом расчете имеется ошибка.
Иногда при расчете балансовой операции величиной извлечения
и потерь можно задаваться в процентах не от количества
компонента, поступающего на данную операцию, а от исходного
количества соответствующего компонента, поступающего в процесс
производства вместе с сырьем. В этом случае необходимо определить,
какая доля от исходного материала поступает на данную
операцию, с учетом потерь на предыдущих переделах. После этого
определяют потери относительно поступления на данную операцию, по
которым ведут расчет операции.
Порядок расчета балансовой операции определяется способом
задания требуемого объема производства. Возможны три
варианта задания объема производства:
1) задан объем потребления исходного продукта, содержащего
полезный компонент (сырья);
2) задано количество получаемого в ходе операции продукта;
3) задано количество материала, потребляемого в процессе
переработки сырья.
Если задан объем потребления исходного продукта, на основе
данных по распределению компонентов и составам продуктов
устанавливают количества исходных материалов и конечных продуктов.
Определяют состав конечных продуктов. Расчет ведут в одну
стадию как расчет полного материального баланса.
Если задано количество продукта, получаемого в ходе
операции, сначала рассчитывают баланс по элементу (или соединению).
На основе заданного количества и состава конечного продукта
определяют количество элемента в нем. По известному извлечению
вычисляют количество элемента в исходном продукте, а на основе
данных о составе — полное количество исходного продукта. Затем
выполняют расчет полного баланса. В практике проектирования
иногда избирают другой путь расчета. Баланс по элементу не
рассчитывают, а сразу просчитывают полный баланс, но на условное
количество исходного продукта (100 кг, 1 т и т. п.). После расчета
полного баланса сравнением заданного количества конечного
продукта и полученного при условном расчете определяют
коэффициент пересчета на проектируемый объем производства. Однако
этот путь расчета более трудоемок.
Если задано количество материала, потребляемого в процессе
производства, сначала рассчитывают полный материальный баланс
на условное количество сырья (100 кг, 1 т и т. п.). После того как
установлены точные количественные соотношения между всеми
исходными и конечными продуктами операции, пересчитывают
баланс на заданный объем потребления соответствующего
материала [43].
Расчет балансовой операции может относиться к одному из
трех принципиально отличных видов расчета: расчету процесса,
141
основанному на уравнении химической реакции; расчету массооб-
мена между различными фазами; расчету механического
распределения.
Расчет материального баланса операций,
основанный на уравнениях химических реакций
В расчетах этого вида используются количественные
соотношения между всеми исходными и конечными продуктами операции,
выражаемые через уравнения химических реакций
соответствующих процессов. При проведении расчетов необходимо учитывать,
что уравнения отражают только количественные соотношения
реагирующих и получаемых продуктов, но не существо процессов,
которое много сложнее и может не соответствовать записанной схеме
реакции. Расчет материального баланса операции, основным
содержанием которой является протекание химических-реакций,
разделяется на несколько стадий.
На первой стадии в соответствии с коэффициентом
использования (или участия в реакции) определяют часть сырья, не
вступающую в реакцию, а переходящую в конечный продукт в непрореаги-
ровавшем виде.
На второй стадии определяют, сколько и каких веществ, кроме
основного соединения извлекаемого компонента, будет
израсходовано и получено в ходе химических реакций. Первоначально
рассчитывают баланс основной реакции, определяющей технологию
извлечения полезного компонента. Затем просчитывают побочные
реакции соединений, сопутствующих полезному компоненту в сырье.
Эти расчеты выявляют потребность в химических соединениях на
проведение реакций. На основе данных о составе материалов,
используемых в процессе, определяют общее количество материалов
для проведения реакций с компонентами сырья и количество
примесей, вносимых с материалами в процесс. Если эти примеси
вступают в ходе операции в химические реакции, рассчитывают
химические реакции и определяют затраты материалов на
соответствующие химические операции.
На третьей стадии на основе коэффициента использования
материалов в ходе реакции определяют полное количество
материалов, участвующих в процессе, и выявляют количество материалов,
не прореагировавших в ходе операции.
На четвертой стадии компоненты конечных продуктов
распределяют по конкретным продуктам. Устанавливают количество и
состав этих продуктов.
Если исходные данные содержат не выхода, а состав конечных
продуктов, изменяют вторую стадию расчета. Для материалов,
потребность в которых зависит от состава конечных продуктов,
расчет ведут через соотношение их содержания и содержания
извлекаемого компонента в конечном продукте.
Пример расчета материального баланса сложной операции —
расчет операции хлорирования лопаритового концентрата. Опера-
142
ция заключается в хлорировании лопаритового концентрата
газообразным хлором в присутствии восстановителя, с получением
плава хлоридов и иаро-газовой смеси.
Исходные данные для расчета задаются в виде составов
исходных продуктов, степени участия их компонентов в химических
реакциях, показателей распределения веществ, получаемых в
результате реакций по продуктам, выходящим с операции
хлорирования, и потерь продуктов. Для рассматриваемой операции
принимаются следующие данные:
1. Состав исходного лопаритового концентрата и степень
хлорирования его компонентов (табл. 1).
Таблица 1
Исходный концентрат и степень хлорирования его компонентов, °/о
Компонент
Ti02
(РЗЭ)203
Nb205
Та205
Th02
SrO
Содержание
36,00
30,00
9,30
0,70
0,50
1,50
Степень
хлорирования
1
97,00 !
100,00
95,00
95,00
100,00
100,00
Компонент
СаО
Na20
к2о
Si02
Fe203
А1203
Содержание
1,50
8,00
0,50
3,00
4,00
1,50
рирозания
100,00
100,00
100,00
50,00
90,00*
70,00
* В том числе 45°с до РеСЬ и 45% до FeCI2.
2. Состав газообразного хлора, полученного испарением
жидкого хлора, принимается без примесей, т. е. содержание СЬ
100,00%. Использование хлора в процессе 100,00%.
3. Состав восстановителя — кокса принят условно на основе пе-
кового кокса; состав показан ниже:
С 97,00 Fe203 0,26
Si02 0,30 CaO 0,09
А!203 0,22 Летучие 2,13
Степень хлорирования зольных примесей принимается равной
степени хлорирования аналогичных компонентов концентрата.
Условно принимается, что летучие в процессе хлорирования в
химические реакции не вступают.
При задании состава восстановителя в рассматриваемом
примере возникают трудности, определяющиеся тем, что
соответствующий материал имеет состав, регламентируемый техническими
условиями, где показаны не точные содержания отдельных компонентов,
а допустимые пределы их извлечения. Точное значение содержания
того или иного компонента выбирает исполнитель при
проектировании. Другим осложняющим моментом является то, что для
продуктов массового производства с широким кругом областей
потребления некоторые важные для технологии проектируемого
143
производства редких металлов примеси вообще в соответствующих
ГОСТах или технических условиях не регламентируются. Так, по
восстановителю в рассматриваемом примере регламентируется
общее содержание золы, но не регламентируется ее состав, хотя
для технологии хлорирования небезразлично, какие окислы
(железа или кальция) преобладают в золе. Для уточнения таких
сведений о соответствующем материале необходимо проводить
дополнительные исследования и устанавливать непосредственные
контакты с его поставщиками.
4. В процесс задается избыток восстановителя, который
определяется содержанием кокса в конечном плаве хлоридов РЗЭ,
равном 2,0%- Принимается, что все содержащиеся в нем
компоненты полностью переходят в непрохлорированный остаток.
5. Распределение продуктов хлорирования между плавом
хлоридов и паро-газовой смесью показано в табл. 2.
Таблица 2
Распределение хлоридов, получаемых при хлорировании, между расплавом
и паро-газовой смесью, %
Компонент
TiCl4
(РЗЭ)С13
КЬОС13
ТаС15
ThCl4
SrCl2
CaCl2
Выход
в расплав
100,00
—
—
60,00
100,00
100,00
Выход в
парогазовую смесь '■
1
100,00
100,00
100,00
40,00
—
Компонент
Na20
К20
SiCl4
FeCI3
FeCi2
АЬС16
Выход
в расплав
100,00
100,00
—
—
100,00
—
Выход в
парогазовую смесь
—
100,00
100,00
—
100,00
Весь непрохлорированный остаток и избыточный непрореагиро-
вавший кокс переходят в расплав хлоридов. Окись углерода и
углекислый газ, получающиеся при хлорировании, а также летучие
из состава прореагировавшего кокса переходят в паро-газовую
смесь.
6. Для упрощения расчета принимаем среднюю атомную массу
суммы РЗЭ равной 144,50.
7. Объемное (молекулярное) отношение окиси углерода к
углекислому газу в паро-газовой смеси, получаемой при хлорировании,
на основе опыта принимается 1 : 9.
8. Неучтенные потери принимаются для плава хлоридов 1,00%,
а для паро-газовой смеси 0,50%• Принимается, что для исходного
концентрата, кокса и хлора неучтенных потерь нет. Это допущение
оправдано при условии, что действительные потери исходных
продуктов незначительны и учитываются принятыми потерями
конечных продуктов реакции.
Расчет выполняется на 1000 кг исходного концентрата.
На первой стадии расчета определяется количество сырья,
вступающее в химические реакции.
144
На хлорирование поступает, кг:
ТЮ2 360,00 СаО 50,00
(РЗЭ)203 .... 300,00 Na20 80,00
Nb205 93,00 K20 5,00
Ta2Og 7,00 Si02 30,00
Th02 5,00 Fc203 40,00
SrO • 15,0 A1203 15,00
Будет прохлорировано, кг:
ТЮ2 360,00X0,97=349,20
(РЗЭ)203 300,00
Nb205 93,00X0,95= 88,35
Ta205 7,00X0,95= 6,65
Th02 5,00
SrO 15,00
CaO 50,00
Na20 80,00
K20 5,00
Si02 30,00X0,50= 15,00
Fe203 40,00X0,90= 36,00 (втом числе
18,00 до FeCl3 и
18,00 до FeCl2)
А1203 15,00X0,70= 10,50
Всего: 960,70
Перейдет в непрохлорированный остаток, кг:
ТЮ2 360,00 — 349,20=10,80
Nb205 93,00 — 88,35= 4,65
Та205 7,00 — 6,65= 0,35
Si02 30,00—15,00 = 15,00
Fe203 40,00 — 36,00= 4,00
А1203 15,00—10,50= 4,50
Всего: 39,30
На второй стадии расчета определяется потребность в хлоре
и углероде для осуществления процесса хлорирования
компонентов вступающей в реакции части сырья. Первоначально
рассчитывают случай хлорирования всего количества сырья с образованием
двуокиси углерода.
При этом протекают реакции:
Т102+С4-2С12==Т1С14+СО,; (I)
2(РЗЭ)203+ЗС+6С1,=4(РЗЭ)С1з-т-ЗСО,; (II)
2Nb205+3C-f-6Clo==4NbOCl3H-3C0.2; (Ill)
2Та2О5+5С + 10С12==4ТаС15+5СО2; (IV)
Th02-bC-T-2Cl2=ThCl4-r-C02; (V)
2SrO + C-f-2Cl2=2SrCl2+C02; (VI)
К) Зглс. № 161
145
2CaO + C+2CI2=2CaCl2+CO,; (VII)
2Na20+C—2Cl2=4NaCl+C02; (VIII)
2K20-LC + 2C12=4KC1 + C02; (IX)
Si02+C + 2Cl2-=SiCI4+C02; (X)
2Fe203+3C+6Cl2=4FeCl3+3C02; (XI)
2Fe203+3C+4Cl2--4FeCl2 + 3C02; (XII)
2A1,03+3C+6C12=2A1,C16+3C02. (XIII)
Что же касается реакций с образованием СО типа
Ti02+2C+2Cl2=TiCl4+2CO, (XIV)
то расчет их не производим, а заменяем его последующим
расчетом превращения части полученного С02 в СО по реакции:
СО,+С=2СО. (XV)
Такая замена вполне правомерна, так как сумма реакций (I)
и (XV) совершенно равноценна реакции (XIV):
ТЮ2+С+2С12—TiCl4+C02 (I)
С02+С^2СО (XV)
Ti02+2C+2Cl2=TiCl4+2CO. (XIV)
В общем виде расчет материального баланса группы параллельно
протекающих многоступенчатых реакций, имеющих общую,
одинаковую для всех завершающую ступень, можно упростить.
Материальный баланс по каждой из реакций рассчитывается до общей
ступени. Полученные по каждой из параллельных реакций
количества исходного для заключительной ступени продукта суммируются
и материальный баланс заключительной ступени рассчитывается
для этого общего количества, а не по каждой сложной реакции
отдельно.
Проводим расчет приведенной выше реакции хлорирования
двуокиси титана с образованием С02:
Ti02+C + 2Cl2=-TiCl4 + C02. (I)
Определяем соотношения (по массе) между участниками
реакции на основе их молекулярных масс:
79,90+12,01+ 141,91--=-189,81+44,01.
На основе известных количественных соотношений между
участниками реакции и количества Ti02, вступающего в реакцию
(349,20 кг), определяем количество реагентов и продуктов реакции:
С 349,20 • -^Щ-^52,49 кг;
TiCl4 349,20 • -^^-=829,56 кг;
146
2С12 349,20 • -^^=620,21 кг;
С02 349,20 • 4S-= 192,34 кг.
79,90
Суммы количеств продуктов левой и правой части уравнения
реакции уравниваются:
349,20+52,49+620,21=829,56+192,34.
Сокращенно расчеты по реакции хлорирования ТЮг можно
записать следующим образом:
Ti02+C+2Cl2=TiCl4+CO_, (I)
79,90 12,01 141,81 189,71 44,01
349,20* 52,49 620,17 829,52 192,34
Приводится аналогичный расчет для остальных реакций
хлорирования:
2 (РЗЭ>2 03+ЗС+6С12=4 (РЗЭ) С13+ЗС02 (II)
674,00 36,03 425,44 1003,44 132,03
300,00 16,04 189,37 446,64 58,77
2Nb205+3C+6Cl2=4NbOCl3+3C02 (III)
531,61 36,03 425,44 861,05 132,03
88,35 5,99 70,70 143,10 21,94
2Та2О5+5С+10С12-=4ТаС15+5СО2 (IV)
883,78 60,06 709,06 1432,85 220,05
6,65 0,45 5,34 10,78 1,66
Th02+C+2Cl,=ThCl4+C02 (V)
264,04 12,01 141,81 373,85 44,01
5,00 0,23 2,69 7,09 0,83
2SrO+C+2Cl2=2SrCl2+C02 (VI)
207,24 12,01 141,81 317,05 44,01
15,00 0,87 10,26 22,94 3,19
2СаО + С+2С12=2СаС12+С02 (VII)
112,16 12,01 141,81 221,97 44,01
50,00 5,35 63,22 98,95 19,62
* Подчеркнута величина, являющаяся исходной для расчета количества
остальных веществ.
10*
147
2Na,0 + C-f2Cl2—4NaCl + C0L, (VIII)
123,96 12,01 141,81 223,77 44,01
80,00 7,75 91,82 150,87 28,40
2K20 + C+2C12=4KC1+C02 (IX)
188,41 12,01 141,81 298,22 44,01
5,00 0,32 3,77 7,92 1,17
Si02+C+2Cl2-=SiCl4+C02 (X)
60,09 12,01 141,81 169,90 44,01
15,00 3,00 35,40 42,41 10,99
2Fe203+3C+6Cl2=4FeCl3+3C02 (XI)
319,39 36,03 425,44 648,83 132,03
18,00 2,03 23,97 36,56 7,44
2Fe203+3C+4Cl2=4FeCl2+3C02 (XII)
319,39 36,03 283,62 507,01 132,03
18,00 2,03 15,98 28,57 7,44
2A1203+3C^6C12=2A12C16+3C02 (XIII)
203,93 36,03 425,44 533,37 132,03
10,50 1,86 21,90 27,46 6,80
Количество С02, получающееся в случае, если весь углерод
связывается в С02, суммируется. Это составляет 192,34 + 58,77 +
+ 21,94+ 1,66 + 0,83 + 3,19+ 19,62 + 28,40+ 1,17+ 10,99 + 7,44 + 7,44 +
+ 6,80 = 360,59 кг.
По условию отношение СО : С02 равно 1 :9 по объему.
Переход углекислого газа в окись углерода осуществляется по
реакции:
С02+С=2СО. (XV)
Из одного моля С02 получаются два моля СО. Количество С02,
которое по реакции (XV) превращается в СО, обозначим через
х. Тогда из заданного по условиям расчета объемного и,
следовательно, молярного отношения С02 к СО следует:
360,59 — х „ 360,59 .„ лс
Тх =9; -*=^сГ-=18,45 кг.
Всего будет получено при реакции хлорирования двуокиси
углерода 360,59—18,45 = 342,14 кг.
148
Рассчитываем количество полученной окиси углерода и
дополнительный расход углерода:
С02+С=2СО (XV)
44,01 12,01 56,02
18,45 5,03 23,48
Определяем общее количество углерода необходимое для
связывания кислорода:
52,49+16,04+5,99+0,45+0,23+0,87+5,35+7,75+0,32+
+ 3,00 + 2,03+2,03+1,864-5,03=103,44 кг.
Определяем необходимые для дальнейшего расчета
количественные соотношения в расходе углерода и соотношения (по массе)
между СО и СОг, получаемые в процессе хлорирования, по
отношению к результатам условного расчета на образование 100% СОг.
Количество углерода, которое необходимо при образовании 100%
СОг, составляет от полного необходимого количества углерода
(103,44 — 5,03) : 103,44 = 0,9514 = 95,14%.
Количество СОг, которое действительно образуется при
заданном соотношении СО : СОг, составляет от полученного при
образовании 100% С02 342,14: 360,59 = 0,9488 = 94,88%.
Количество СО, которое образуется при заданном соотношении
СО: С02, составляет от образовавшегося СОг по массе:
23,48:342,14 = 0,0678 = 6,78%.
Для расчета необходимого количества восстановителя сначала
определяют, какую часть входящего в его состав углерода можно
использовать для реакции хлорирования сырья. Весь углерод,
входящий в состав восстановителя, не будет участвовать в процессе
хлорирования сырья, так как часть его будет израсходована в
процессе хлорирования золы восстановителя [43]. Вычитая эту часть
из общего содержания углерода в восстановителе, получают
содержание углерода в восстановителе, т. е. получают содержание
углерода, используемое на хлорирование сырья. Такой расчет
является частным случаем общего решения, когда в каком-либо
реагенте определяется полезное содержание основного компонента,
за вычетом количества, расходуемого на вторичные реакции с
примесями, входящими в состав реагента. Расчет ведут в процентах
к общему количеству реагента. Всего от массы кокса из его
состава будет прохлорировано, %:
Si02 0,30X0,5 = 0,15
А12Оч 0,22X0,7 = 0,15
Не203 0,26X0,9 = 0,23
СаО =0,09
Рассчитываем потребность в хлоре, расход углерода и
количество продуктов хлорирования, используя реакции (X), (XIII), (XI)
149'
и (VII). Расчет ведем в процентах (по массе) к общему количеству
кокса:
Si02-;-C-J-2Cl2-=SiCl4+C02 (X')
60,09 12,01 141,81 169,90 44,01
0,15 0,03 0,36 0,43 0,11
2Al203-;-3C-f6Cl2=2Al2Cl6+3C02
203,93 36,03 425,44 533,37 132,03
0,15 0,03 0,31 0,39 0,10
2Fe203—3C+6Cl2=4FeCl3+3C02
319,39 36,03 425,44 648,83 132,03
0,23 0,03 0,31 0,47 0,10
2CaOf-C-f2Cl2=2CaCl2+C02
112,16 12,01 141,81 221,97 44,01
0,09 0,01 0,11 0,17 0,04
(ХНГ)
(ХГ)*
(vir)
Суммируя результат расчетов, получаем общее количество
углерода кокса, расходуемое на побочные реакции хлорирования
золы: 0,03 + 0,03 + 0,03 + 0,01 =0,10%.
С учетом увеличения расхода углерода на образование СО его
потребуется 0,10 : 0,9514 = 0,11 %.
Соответственно уменьшается количество углерода, которое
используется в процессе хлорирования концентрата: 97,00 — 0,11 =
= 96,89%.
В данном случае уменьшение количества углерода из-за
расходования во вторичных реакциях незначительно. Использование
этого приема расчета баланса вызывается требованиями
обеспечения точности расчета, а в ряде
случаев удельный расход
реагентов на побочные реакции
может быть значительно выше.
Определяем общее
количество кокса, необходимое
для проведения процесса
хлорирования, при его
полном 100%-ном использовании:
103,44:0,9689=106,76 кг.
Количество отдельных
компонентов, вводимых с коксом и
вступивших в химические
реакции, показано в табл. 3.
Таблица 3
Количество компонентов кокса,
вводимых в процесс и вступающих
в химические реакции, кг
Компонент
с
Si02
А1203
Fe203
СаО
Летучие
Вводится
103,55
0,32
0,23
0,28
0,10
2.2S
Вступает
в реакции
103,55
0,16
0,16
0,25
0,10
•—■
* Для упрощения расчет ведем только на FeCl3, а возможностью
образования FeCI2 пренебрегаем.
150
При этом будет получено продуктов реакции:
Si02+C-^2Cl2=SiCl4+C02 (X")
60,09 12,01 141,81 179,90 44,01
0,16 0,03 0,37 0,45 0,11
2Al203+3C+6Cl2=-2Al2Cl6-f3C02 (XIII")
203,93 36,03 425,44 533,37 132,03
0,16 0,03 0,33 0,42 0,10
2Fe205+3C+6Cl2=4FcCl3+3C02 (XI")
319,39 36,03 425,44 648,83 132,03
0,25 0,03 0,33 0,51 0,10
2CaO + C-r-2Cl2=2CaCl2+C02 (VII")
112,16 12,01 141,81 221,97 44,01
0,10 0,01 0,12 0,19 0,04
В соответствии с пересчетом на образование СО и С02 в
заданном соотношении количество углерода, израсходованное в этих
реакциях будет: (0,03 + 0,03 + 0,03 + 0,01) : 0,9514 = 0,11 кг.
Количество С02 (0,11+0,10 + 0,10 + 0,04) Х0,9488 = 0,33 кг. Количество СО
0,33X0,0678 = 0,03 кг.
Определяем общее количество хлора, необходимое для
хлорирования: 620,17+ 189,37 + 70,70 + 5,34+2,69+ 10,26 + 63,22 + 91,52 +
+ 3,77+35,40 + 23,97+15,98 + 21,90 + 0,37 + 0,33 + 0,33 + 0,12 =
= 1155,44 кг.
На третьей стадии расчета определяем количество избыточного
кокса, вводимого на операцию.
Так как количество избыточного кокса задано через
концентрацию его в плане хлоридов, необходимо установить количество
плава хлоридов, получающееся в процессе хлорирования. Таким
образом, одновременно начинается четвертая стадия расчета.
В плав перейдут, кг:
Хлориды
(РЗЭ)С13 446,64
ThCI4 7,09X0,60= 4,25
SrCl2 22,94
СаС12 98,95-г 0,19= 99,14
NaCl . . .г 150,87
КС1 7,92
FeCl2 •.. 28,57
Н е п р о х л о р и р о в а и и ы й остаток
Т102 10,80
Nb205 4,65
Та205 • 0,35
Si02 15,00 + 0,16= 15,16
Fe203 4,00+0,03= 4,03
А1203 4,50 + 0,07= 4,57
Итого 799,89
151
По условию содержание избыточного кокса в расплаве 2,00%.
Следовательно, сумма хлоридов и окислов, без учета избыточного
кокса, составит: 100,00—2,00 = 98,00% от общего-количества плава
хлоридов. Тогда общее количество плава хлоридов 7,99,89:0,98 =
= 816,21 кг, в том числе избыточный кокс 816,21 —799,89 = 16,32 кг.
Таким образом, всего необходимо ввести кокса на операцию
106,76+16,32^123,08 кг.
Определяем количество паро-газовой смеси, получаемой в ходе
хлорирования; кг:
TiCI4 829,52
NbOCI3 143,10
ТаСц 10,78
ThC|4 7,09-1-0.40= 2,84
SrQ4 42,414 0,45= 42,86
FeCi3 36,56-0,51= 37,07
Al2Cl6 27,46 + 0,42= 27,88
C02 342,14 + 0,33= 342,47
CO 23,48 4-0,03= 23,51
Летучие кокса 2,28
Всего 1462,31
Рассчитываем неучтенные потери различных продуктов. Потери
плава хлоридов и паро-газовой смеси показаны в табл. 4 и 5.
Таблица 4
Потери плава хлоридов
по компонентам, кг
Таблица 5
Потери паро-газовой смеси
по компонентам, кг
Компонент
(РЗЭ)С13
ThCi4
SrCl2
СаС12
NaCl
KCI
FeCl2
T102
Nb205
Ta205
Si02
¥Л2^
A1203
Избыток-
кокса
Итого
Всего
446,64
4,25
^•94
99,14
150,87
7,92
28,57
10,80
4,65
0,35
15,16
4,03
4,57
IS,32
816,21
Потери
4,47
0,04
0,23
0,99
1,51
0,08
0,28
0,11
0,05
0,01
0,15
0,04
0,04
0,16
8,16
В
полезный
продукт
442,17
4,21
22,71
98,15
149,36
7,84
28,29
10,69
4,60
0,34
15,01
3,99
4,53
16,16
808,05
Компонент
TiCl4
NbOCI3
TaCI5
ThCl4
SiCI4
FcCIa
AloCI6
co2
CO
Летучие
кокса
Всего
829,52
143,10
10,78
2,84
42,86
37,07
27,88
342,47
23,51
2,28
Потери
4,15
0,72
0,05
0,01
0,21
0,19
0,14
1,71
0,12
0,01
В
полезный
продукт
825,37
142,38
10,73
2,83
42,65
36,88
27,74
340,76
23,39
2,27
Итого ! 1462,31 i 7,31
155,00
На основе полученных данных о количествах исходных и
конечных продуктов операции составим итоговую таблицу
материального баланса операции хлорирования (табл. 6).
152
Таблица 6
Итоговая таблица материального баланса операции хлорирования
Статьи прихода
продукта
1. Лопаритовыи
концентрат
В том числе:
Ti02
(РЗЭ)205
Nb205
Та205
Th02
SrO
CaO
Na20
K20
Si02
Fe,03
А1г03
11. Хлор
испаренный
В том числе
С12
III. Кокс
В том числе:
С
Si02
А1203
Fe203
CaO
Летучие
кг
1000,00
360,00
300,00
93,00
7,00
5,00
15,00
50,00
80,00
5,00
30,00
40,00
15,00
1155,44
1155,44
123,08
119,36
0,37
0,27
0,33
0,12
2,63
%
100,00
36,00
30,00
9,30
0,70
0,50
1,50
5,00
8,00
0,50
3,00
4,00
1,50
100,00
100,00
100,00
97,00
0,30
0,22
0,26
0,09
2,13
Статьи выхода
продукта
I. Паро-газовая
смесь
В том числе:
TiCL,
NbOCI3
ТаС15
ThCI4
SiCl4
FeCl3
A1C16
C02
CO
Летучие кокса
11. Плав хлоридов
В том числе:
(РЗЭ)С13
ThCI4
SrCl2
СаС12
NaCl
КС1
FeCl2
тю2
Nb2Os
Ta205
sto2
Fe203
A1203
Избыток
кокса
III. Потери
В том числе:
TiCI4
(РЗЭ)С13
КЬОСЦ
ТаС15 '
ThCl4
SrCl2
СаС12
NaCl
КС1
SlCl4
FeClo
FeCI3
A12CI6
co2
CO
К Г
1455,00
825,37
142,38
10,73
2,83
42,65
36,88
27,74
340,76
23,39
2,27
808,05
442,17
4,21
22,71
98,15
149,36
7,84
28,29
10,69
4,60
0,34
15,01
3,99
4,53
16,16
15,47
4,15
4,47
0,72
0,05
0,05
0,23
0,99
1,51
0,08
0,21
0,28
0,19
0,14
1,71
0,12
г'о
100,00
76,71
9,79
0,74
0,19
2,94
2,54
1,91
23,42
1,61
0,16
100,00
54,71
0,52
2,80
12,14
18,49
0,97
3,53
1,32
0,57
0,04
1,86.
0,49
0,56
2,00
100,00
26,82
28,89
4,65
0,32
0,32
1,49
6,39
9,79
0,52
1,36
1,81
1,23
0,91
11,07
0,77
Продолжение табл. 6
Статьи прихода
продукта
Всего
кг
2278,52
%
Статьи выхода
продукта
Летучие кокса
Избыток
кокса:
ТЮ2
Nb20,
Ta205
Si02
Fe203
А1203
: Всего
1
кг
0,01
0,16
0,11
0,05
0,01
0,15
0,04
0,04
2278,52
%
0,06
1,03
0,71
0,32
0,06
0,97
0,26
0,26
Расчет материального баланса операций, основанных
на распределении продуктов между фазами и массообмене
Расчеты распределения компонентов между фазами и
процессов межфазного массообмена можно разбить на две группы:
1) процессы, основанные на межфазном переходе,
рассчитываемые на основе известной концентрации насыщения в одной из
фаз;
2) процессы, основанные на межфазном переходе,
рассчитываемые на основе известных коэффициентов распределения между
фазами.
Процессы, принадлежащие к обоим группам, могут быть как
одноступенчатыми, так и многоступенчатыми. К процессам первой
группы следует отнести процессы растворения и выделения из
растворов, процессы испарения, возгонки и конденсации.
Количество компонента, перешедшего из одной фазы в другую,
определяется физико-химическими характеристиками процесса
(температурой, давлением, составом исходных фаз и др.), а также
количеством фазы-носителя, которая в условиях проведения
процесса считается по рассматриваемому компоненту насыщенной. При
растворении или кристаллизации из раствора распределение
компонента между жидкой и твердой фазами зависит от
растворимости этого компонента в жидкой фазе и ее объема. В процессах
испарения и конденсации распределение компонентов между фазами
зависит от объема паро-газовой фазы и упругости паров
компонентов в условиях процесса. Следует оговорить условный характер
используемого термина «концентрация насыщения». Он не
совпадает с физико-химическим понятием насыщения. В
производственных условиях концентрация, отвечающая теоретической
растворимости или упругости паров, никогда не достигается. При
выделении в раствор (или паровую фазу) конечная концентрация
154
в растворе (или парах) всегда ниже, а при выделении из раствора
(или паровой фазы) выше, чем концентрация действительного
насыщения. Концентрация насыщения, как равновесная, требует для
достижения бесконечно большого времени, что неосуществимо
в промышленном производстве.
Для расчета балансовой операции у большой группы
процессов, основанных на межфазном переходе, правильнее использовать
понятие остаточной концентрации извлекаемого компонента в
исходной фазе, с которой этот компонент вносится в процесс. Не
имеет значения, является ли эта остаточная концентрация
равновесной или неравновесной. Так как количество исходного продукта
известно, то при заданной конечной концентрации вычисляют
абсолютное количество извлекаемого компонента, остающегося в нем,
и распределение рассматриваемого компонента между фазами.
Для процессов кристаллизации в основу расчета берут
известное количество исходного раствора, обозначаемое через G. При
этом G включает все компоненты раствора, остающиеся в нем
после проведения процесса кристаллизации, за исключением
извлекаемого компонента. Конечная концентрация извлекаемого
компонента С. При выражении С в долях (по массе) единицы
концентрации суммы веществ, выражаемой через G, составит (1 — С).
Если абсолютное количество извлекаемого компонента, остающееся
в растворе, обозначить через А:
А--Т^7ТС. (1)
В случае выражения С в процентах (по массе)
А, как и G, выражается в единицах массы (г, кг или т).
При расчете материального баланса конденсации расчет
несколько отличается, так как определяющая величина не весовая
концентрация извлекаемого компонента, а его парциальное
давление при температуре процесса.
При расчете первоначально из состава паро-газовой смеси
выделяют неконденсирующиеся компоненты, входящие в состав
хвостовых газов. Они составляют фазу-носитель. После определения
состава хвостовых газов рассчитывают их объем. После этого, по
имеющимся справочным материалам, сведенным в таблицы или
выражаемым уравнением кривой зависимости упругости пара от
температуры, определяют парциальное давление извлекаемых
компонентов и, следовательно, долю, занимаемую ими в объеме
хвостовых газов. Далее расчет количества извлекаемых компонентов,
остающихся в составе хвостовых газов, не отличается от расчета
баланса кристаллизации из раствора. За сумму давлений
хвостовых газов принимают абсолютное давление в системе конденсации.
Проведем расчет на примере конденсации TiCU и SiCl/, из
парогазовой смеси, полученной в процессе хлорирования лопаритового
155
концентрата. Исходные данные для расчета возьмем из
приведенного выше расчета материального баланса процесса
хлорирования.
В состав исходной паро-газовой смеси после завершения
конденсации и улавливания высококипящих хлоридов будут входить
TiCU, SiCU, СОз и СО. Летучими кокса из-за их малого объема
пренебрегаем. Проводим перерасчет количеств (по массе)
компонентов на их объем. Результаты расчета приведены в табл. 7.
Температура процесса
конденсации 5° С. Принимаем давление
паров TiCU 1,7 мм рт. ст.
Упругость паров SiCU при температуре
процесса 59 мм рт. ст. Так как
TiCl4 и SiCU обладают полной
взаимной растворимостью, то, в
соответствии с законом Рауля,
пропорционально концентрации
должна понизиться упругость паров
растворенных компонентов. Если
пя TiCl4 этим понижением
можно пренебречь, так как
разбавление TiCU при растворении в нем SiCU крайне незначительно (1 —
5%), то для SiCU такое разбавление весьма велико. При
концентрации SiCU в TiCl4 около 5,0% (мол), разбавление его и,
следовательно, снижение упругости пара будет двадцатикратным.
Принимаем для расчета давление паров SiCU над
сконденсированными хлоридами равным 3,0 мм рт. ст. Абсолютное рабочее
давление в конденсаторе принимаем равным 720 мм рт. ст.
Суммарное давление паров TiCU и SiCU в конденсаторе
составит 1,7+3,0 = 4,7 мм рт. ст.
Суммарный объем неконденсирующихся газов в нормальных
условиях составит 173,32+ 18,71 = 192,03 м3.
Абсолютное количество несконденсированных хлоридов
определяют по формуле, аналогичной приведенной выше формуле (1),
м3 в нормальных условиях:
Состав
Компонент
TiCl4
SiCl4
со2
со
Таблица 7
паро-газовой смеси
Масса, кг
825,37
42,65
340,76
23,39
Объем в
нормальных
условиях, м3
97,46
5,62
173,32
18,71
192,03: (720,0-4,7) .4,7=1,26,
в том числе
TiCl4 192,03 : (720,0-4,7) • 1,7=0,46;
SiCU 192,03 : (720,0-4,7) • 3,0=0,80.
По массе это составит:
TiCU 0,46(189,71 : 22,4)—3,90;
SiCU 0,80(169,90 : 22,4)—4,57 кг.
Таким образом, определяют состав сконденсированной фазы и
хвостовых газов:
156
Конденсат
кг °/„
"-1 /0
TiCL, 825,37-3,90^-821,47 95,58
SiCl4 42,65-4,57 = 38,08 4,42
Всего 859,55 100,00
Таблица 8
Состав хвостовых газов
Проверяем предположение о том, что молекулярная
концентрация SiCU в конденсате составит около 5,0%:
-^1^-: (95,58 : 189,71+4,42 : 169,90) • 100=4,93;)/0.
Предположение, заложенное в расчет, оправдалось. Состав
хвостовых газов приведен в табл. 8.
В расчетах конденсации используются объемы паров при
нормальных условиях, т. е. при температуре 0° С и давлении 1 ат.
Необходимости пересчета объемов
и давлений с учетом реальных
условий процесса нет. Количество
уносимого с хвостовыми газами
компонента связано с
соотношением объемов его пара и
остальной газовой смеси, а эти объемы
при практически используемых
температурах и давлениях
изменяются для всех газов и паров
пропорционально. Соотношение
объемов газов и паров не зависит от
условий проведения процесса.
Для операций конденсации
характерны потери, связанные с тем,
что не весь сконденсированный продукт переходит в конденсат,
а часть его в виде тонкой пыли для твердого конденсата и мелких
капель или тумана при конденсации жидкости выносится с
хвостовыми газами. Расчет в этом случае не меняется, так как в
основу его берут общее количество продукта в единице объема
отходящих газов, т. е. показатель остаточной концентрации.
Расчеты материального баланса на основе показателей
остаточной концентрации применяют не только к процессам межфазного
перехода. Пример — расчет количества избыточного кокса при
хлорировании лопарита. К этому же типу расчетов относятся
расчеты материальных балансов процессов сушки нагретыми газами.
Наиболее характерными процессами разделения, основанными
на межфазном распределении, являются ректификация и
жидкостная экстракция. Для этих процессов закономерности распределения
разделяемых или извлекаемых элементов между фазами
выражаются в различной форме.
Для процесса ректификации распределение между фазами
определяется упругостью паров соответствующего компонента над
Компонент
со2
со
TiCl.i
SiCI4
Итого
Масса, кг
340,76
23,39
3,90
4,57
372,62
Содержание, %
91,44
6,28
1,05
1,23
100,00
157
разделяемой смесью. Упругость паров зависит от температуры и
концентрации рассматриваемого компонента в жидкой фазе. В
процессе экстракции распределение между фазами определяется
коэффициентом распределения, выражающим отношение концентраций
рассматриваемого компонента в этих фазах. Коэффициент
распределения может изменяться с изменением температуры процесса,
а концентрации компонента в фазах взаимозависимы. Таким
образом, характер зависимостей распределения компонентов между
фазами для процессов ректификации и экстракции совпадает.
Соответственно материальный баланс рассматриваемых процессов
описывается подобными уравнениями. Уравнения материального
баланса [36, 44] приводятся применительно к разделению двух
компонентов, так как в двухфазных системах при ректификации и
экстракции получаются два конечных продукта. При двухкомпонент-
ных системах содержание обоих компонентов однозначно зависит
от концентрации одного из них.
В соответствующих уравнениях связываются количества
исходного продукта, конечного полезного продукта, отходов (или
второго полезного продукта) и концентрации одного из разделяемых
компонентов в этих продуктах. Общие уравнения материального
баланса по одному из компонентов при этом имеют вид:
(3)
(4)
где f —общее количество исходного продукта;
Р — общее количество полезного продукта, в котором
концентрируется рассматриваемый компонент;
W — общее количество отходов, обедненных по
рассматриваемому компоненту;
xF, хР, xw — концентрации рассматриваемого компонента в
исходном продукте, конечном полезном продукте и
отходах соответственно.
Величины количеств продуктов (F, Р, W) могут быть даны
в единицах массы или относительных единицах, но обязательно
в единой размерности. Если эти величины даны в процентах, то за
100% принимают количество исходного продукта F. Если они
приняты в долях единицы, то количество исходного продукта равно
единице. Концентрации рассматриваемого компонента в различных
продуктах также должны быть даны в единой размерности.
Для процесса ректификации символы уравнений (3) и (4)
принимают следующие значения:
Р — количество дистиллата;
W — количество кубового остатка;
xF, хР, xw — концентрации легкокипящего компонента в
соответствующих продуктах.
р
F ~
W
F
xF xw
Хр Х^
хр хр
Хр • Xw
158
Для процесса экстракции символы уравнений (3) и (4)
принимают следующие значения:
F — общее количество разделяемых компонентов в
исходном продукте;
Р — общее количество разделяемых компонентов в
экстракте;
W — общее количество разделяемых компонентов в ра-
финате;
xF, хР, xw — отнесенная к сумме разделяемых компонентов
доля содержания лучше экстрагируемого
компонента в соответствующих продуктах.
Зависимости между составами и количествами продуктов,
поступающих в процесс и выходящих из процесса разделения,
выражаются системой двух уравнений, но так как величины Р и W
взаимосвязаны, уравнения (3) и (4) не могут быть независимыми.
Поэтому, для того чтобы они оставались разрешимыми, они не
должны содержать более одной неизвестной величины. Известные
величины в любом случае — количество и состав исходного
продукта. Что касается количества и составов конечных продуктов
разделения, то часть их бывает задана, а часть определяется при
расчете материального баланса. Если заданы составы обоих
конечных продуктов, то количества этих продуктов определяются
однозначно. Если же заданы количества конечных продуктов, то
этого еще недостаточно, чтобы определить состав обоих конечных
продуктов, необходимо дополнительно располагать составом
одного из них.
Рассматривать методику расчета материального баланса
процессов зонной очистки применительно к расчетам на основе
межфазного распределения нецелесообразно. На практике исходят из
двух показателей — концентрации примесей в очищенном
материале и выхода очищенного материала из исходного. Оба показателя
при проектировании принимают на основе экспериментальных
данных. С точки зрения расчетов материального баланса, процесс
этот следует относить к группе операций, баланс которых строится
на основе механического распределения.
При расчетах материального баланса операций, основанных на
уравнениях химических реакций или массообмена между фазами,
необходимо учитывать и чисто механические потери продуктов, как
поступающих на операцию, так и выходящих с нее. Какой именно
продукт и в каких количествах может быть потерян на данной
операции, следует оценивать, исходя из рассмотрения конкретных
условий производства.
Расчеты материальных балансов, основанные на механическом
распределении исходных продуктов и их компонентов по конечным
продуктам операции
Эти расчеты материальных балансов наиболее общие по своей
распространенности. Их применяют в большей или меньшей
степени для расчета практически любой операции.
159
Особенно наглядно это демонстрируется при проектном расчете
материального баланса процесса ионного обмена. По этому
процессу исходные данные для проектирования должны содержать
в законченном виде сведения об относительных количествах и
составах конечных продуктов. Кроме того, механические потери для
любого типа операций подсчитывают на основе механического
распределения компонентов. Это подчеркивает общее положение о том,
что все три вида расчетов материальных балансов могут в какой-то
мере совмещаться в каждой конкретной операции.
Расчеты материальных балансов для процессов, которые не
связаны с распределением по фазам или химическим реакциям,
основаны исключительно на механическом распределении
компонентов. К такого рода операциям относятся прежде всего
операции, связанные с подготовкой шихты (измельчение,
брикетирование), получением компактного металла из порошка или губки
(прессование, спекание, плавка), первичной обработкой металла
(обдирка и т. д.). Исходные данные для расчета в подавляющем
большинстве случаев берут на основании практического опыта
работы на аналогичных операциях. Для некоторых операций
такого рода показатели выхода и извлечения в отдельные продукты
могут быть определены расчетно. Однако такие расчеты в свою
очередь опираются на ряд чисто практических показателей.
Примером может служить распределение металла на операции
обдирки слитка, выплавленного дуговой плавкой. Оборотные
продукты при этом — стружка, снимаемая с боковой поверхности,
«корона», отрезаемая от верхней части слитка, и стружка, получаемая
при отрезании поддона. Сам поддон не претерпевает практически
никаких изменений, постоянно находится в обороте и в балансе
не учитывается.
Примем диаметр слитка равным d, а длину /. На основе
практических плавок будет установлено, что для слитков с такими
размерами общий выход в обороты составит с %■
Для изучения закономерностей изменения с при изменении
размеров слитка с разбиваем на две величины а и b
с=--а-\-Ь. (5)
Через а выражается выход в стружку, получаемую при обдирке
боковой поверхности слитка; через Ъ — выход в «корону» и
стружку, получаемую при отрезании поддона.
Величина а зависит только от соотношения диаметра слитка и
толщины слоя снимаемой стружки. Величина Ъ зависит от
отношения суммы высоты отрезаемой «короны» и ширины реза при
отделении поддона к общей длине слитка /. В результате при
проектировании производства слитков с измененными по сравнению с
полученными на практике габаритами изменится выход металла
в обороты. При диаметре слитка D и длине слитка L он составит:
С-^А^-В--^а^+Ь~. (6)
160
С изменением диаметра изменится выход в обороты при
обдирке боковой поверхности обратно пропорционально изменению
диаметра. Изменение длины приведет к изменению выхода в
обороты при обрезке «короны» и поддона обратно пропорционально
изменению длины.
Приведенная зависимость — частный случай, который
демонстрирует необходимость и возможность эффективного анализа
исходных показателей для расчета баланса механического
распределения с учетом изменения условий проектируемого производства по
сравнению с источником экспериментальных данных. Необходимо
раздельное изучение более простых зависимостей для каждого из
составляющих суммарный показатель элементов.
Механические потери
Особое место в балансе занимают механические потери.
Сравнительно с другими видами потерь потери этой группы могут быть
относительно небольшими. Однако ряд причин заставляет уделять
серьезное внимание при проектировании определению их величины,
анализу возможных причин таких потерь и выявлению узлов схемы,
где они происходят.
Механические потери, особенно на транспортных операциях,
нельзя, как правило, глубоко исследовать до начала
проектирования, так как транспортная схема со всеми точками возможных
потерь оформляется только в ходе проектирования.
Механические потери — главный источник загрязнения
вредными веществами воздушного и водного бассейнов в районе
действующего предприятия. Общая масса вредных веществ, выходящих
из производства в составе технологических потерь, обычно
значительно больше, чем количество аналогичных продуктов в составе
механических потерь, но продукты — носители технологических
потерь выводятся из производства организованно в
концентрированной форме, что позволяет обеспечить их обезвреживание.
Механические потери неконтролируемы, что затрудняет их
обезвреживание.
Механические потери в принципе отличаются по характеру и
происхождению от потерь технологических. Механическими
потерями называются потери, вызванные несовершенством
механического оформления апаратуры, в связи с невозможностью
абсолютной герметизации систем и т. п. Механические потери не связаны
с технологией процесса производства. В отличие от них
технологические потери обусловлены технологией производства и во
многих случаях необходимы для нормального ее осуществления.
Механические потери можно называть неучтенными потерями, если
при снятии материального баланса реального производства они не
поддаются прямому замеру и не могут быть отождествлены с
каким-либо конкретным продуктом. Продукт, с которым
механические потери выводятся из процесса, в ряде случаев нельзя учесть
количественно. На практике при снятии материального баланса
И Зпк. .\'° 461
161
абсолютную величину такого рода потерь для какого-либо
компонента определяют по разности между общим количеством
компонента, поступившим на операцию, и количеством этого компонента
в учтенных продуктах, выходящих с операции. Однако некоторые
виды механических потерь, связанные с периодичностью работы
аппаратуры, можно учесть и оценить.
Механические потери могут быть разбиты на две группы.
Первая — потери через неплотности аппаратуры и при транспортировке.
Эта группа потерь может называться неучтенной. К ней следует
отнести:
1) унос ценных компонентов через систему санитарно-техниче-
ской вентиляции в результате попадания их в атмосферу цеха и
вообще потери в атмосферу цеха;
2) проливы и рассыпание продуктов через неплотности в
аппаратуре и коммуникациях, в основном на транспортных операциях.
Вторая — потери, связанные с необходимостью периодической
чистки и ремонта аппаратуры. Эту группу потерь можно
достаточно точно рассчитать. Особенно грубые ошибки при
определении второй группы потерь могут быть допущены при
проектировании непрерывных процессов, когда исходные данные, как правило,
содержат достаточно полный материал по стационарному режиму
для процесса. Сведения о потерях при пуске и остановке и
периодичности остановок обычно отсутствуют. Ко второй группе
механических потерь следует отнести:
1) неполное опорожнение технологической аппаратуры,
емкостей и коммуникаций перед остановкой производства на ремонт
и чистку;
2) выделение на внутренних поверхностях аппаратуры и
коммуникаций осадков, удаляемых при чистке аппаратуры и в
дальнейшем в процесс не возвращаемых.
При проектировании каждый вид механических потерь следует
анализировать и критически оценивать.
Потери через санитарно-техническую вентиляцию и вообще
через атмосферу цеха. Если потери получаются в результате
испарения продуктов и уноса паров воздухом, объем потерь можно
оценить через концентрацию насыщения теряемого компонента в
воздухе. Реальная концентрация в воздухе будет несколько ниже
концентрации насыщения. При расчете по концентрации насыщения
получаются максимальные принципиально возможные потери.
Для расчета используют практические данные о концентрации
паров в воздухе. Наиболее сложный вопрос — правильное
определение объема воздуха, уносящего пары теряемого компонента. За
такой объем следует принимать объем, находящийся в
действительном контакте с конденсированной фазой теряемого продукта,
т. е. находящийся в рабочем пространстве аппарата. Этот объем
оценивается по скорости поступления воздуха в аппарат через
неплотности или по скорости удаления загрязненного воздуха из
рабочего пространства аппарата. Если санитарно-технический отсос
осуществляется непосредственно из рабочего объема аппарата, ко-
162
личество воздуха определяют по производительности
соответствующих санитарно-технических установок. Однако такой метод
неприменим для тех узлов, где санитарный отсос ведут с помощью
зонтов или других устройств из атмосферы цеха в непосредственной
близости от аппарата. В этом случае фактическое количество
воздуха, которое насыщается парами теряемого компонента,
значительно меньше. Определяют его по скорости воздуха в местах
неплотностей на выходе из рабочего пространства аппарата.
При снятии фактического баланса действующего производства
суммарные потери можно оценить, подсчитывая общее количество
воздуха, удаляемого из цеха, и концентрацию теряемого
компонента в этом воздухе. Для проектируемого производства этот
метод принять нельзя, так как фактическая концентрация
рассматриваемого компонента в атмосфере цеха неизвестна. Известно
только ее максимальное допустимое значение, которое ограничено
санитарными нормами.
При расчете потерь в атмосферу цеха из-за уноса пыли
необходимо оценивать возможную запыленность воздуха с учетом его
скорости в месте контакта с материалом и крупности материала.
Далее, метод анализа аналогичен принятому для случая с
уносом паров.
Потери через санитарно-технические системы и атмосферу цеха
принципиально отличаются от потерь с технологическими газами
и парами. Потери за счет уноса части продукта хвостовыми
газами в печных установках, системах конденсации и т. п. по
существу не механические, а технологические. При расчете баланса
такие потери отличаются от большинства видов механических
потерь постоянством удельных показателей. Абсолютная величина
этих потерь прямо пропорциональна масштабу производства.
Потери из-за пролива и рассыпания продуктов через
неплотности в аппаратуре и коммуникациях, в основном на транспортных
операциях, могут и должны оцениваться на основе практических
данных для каждого технологического и транспортного узла
отдельно. При этом потери за единицу времени (час, смену, сутки
и т. д.) оцениваются для непрерывно действующих производств.
Для периодически действующих производств потери следует
оценивать для каждого узла пооперационно (заполнение реактора,
выгрузка кюбеля, смешение порции продукта и т. д.). Если
выносимый или просыпающийся из аппаратуры продукт можно собрать
и возвратить в процесс, необходимо при расчете оценить такую
возможность. Препятствием для возврата может явиться
принципиальное изменение качества теряемого продукта (разложение,
механическое загрязнение, увлажнение и т. д.).
Потери из-за неполного опорожнения технологической
аппаратуры и коммуникаций перед остановкой производства на ремонт
и чистку. Для большинства аппаратов и транспортных устройств
абсолютно полное опорожнение перед чисткой или ремонтом
практически невозможно. Это связано, помимо механического
налипания на стенку, с тем, что аппараты имеют какие-то, хотя и
11*
163
небольшие, мертвые зоны и неровности, из которых продукт не
может удаляться самотеком. Это делает неизбежным удаление его
и ходе ремонта пли чистки. Но при последних операциях обычно
невозможно сохранить и вернуть в процесс удаляемый полезный
продукт. Для оценки суммарного количества потерь
рассматриваемого вида необходимо также правильно оценить количество
остановок на чистку и ремонт, что позволит определить соотношение
количеств перерабатываемого и теряемого продукта. Особенно
большие потери будут в периодических процессах, когда аппараты
очищают после каждого цикла и соответственно проведение
каждого цикла связано с потерями.
Если потери получаются из-за пропитывания изготовленных
из пористых материалов конструкционных элементов аппарата
(например, футеровки) перерабатываемым продуктом, продукт
может полностью сохранить свои качества, но извлечь его можно
только после того, как соответствующие элементы конструкции
аппарата будут заменены новыми и направлены на переработку.
Целесообразность такой переработки следует рассматривать особо,
на основе изучения экономики конкретного процесса.
Выделение на внутренних поверхностях аппаратуры и
коммуникаций осадков — частный случай предыдущего вида потерь.
Однако здесь имеются свои особенности. Если потери из-за неполноты
опорожнения зависят в основном от конструкции аппаратуры и
транспортных устройств, то потери, связанные с выделением
осадков, определяются свойствами самого продукта. Эти свойства
могут заключаться -в выделении осадка из-за разложения продукта,
взаимодействия продукта со стенками аппарата, оседания взвесей,
кристаллизации растворенных веществ н т. д. Так как осадки
качественно отличаются от основного продукта, то в данном случае
они почти всегда относятся к потерям.
Если осадок образуется за счет взаимодействия материала
аппарата с продуктом, то факторами, определяющими оценку потерь,
будут общая поверхность аппарата, контактирующая с продуктом,
и количество осадка, которое образуется на единице поверхности.
По мере образования осадка поверхность обычно пассивируется и
после образования какого-то максимального слоя осадка далее
с перерабатываемым продуктом не взаимодействует. Поэтому
количество осадка, отнесенное к единице поверхности аппаратуры,
для каждого конкретного процесса величина постоянная.
Аналогичное положение при потерях из-за кристаллизации продукта на
стенках аппарата. В этом случае количество кристаллов,
выделяющихся на стенках, также можно считать постоянной величиной,
определяемой предельной толщиной слоя осадка, после
достижения которой аппарат следует останавливать на чистку.
Потери могут вызываться осаждением имеющихся в
перерабатываемом продукте взвесей. Потери такого рода особенно
характерны для емкостей хранения. Вопрос о том, можно ли осадки
взвесей отнести к потерям, решается для каждого процесса в
зависимости от конкретных условий. К потерям этот осадок относят
164
в том случае, если по каким-либо причинам (приставание к днищу
аппарата и др.) его нельзя возвратить в процесс без необратимого
изменения качества. При этом осадок следует относить к
механическим потерям, если качество изменяется в процессе чистки
аппаратуры или другой обработки осадка, не связанной с основным
технологическим процессом. Если изменение качества связано с
особенностями собственно технологии, образованием отбросных
соединений основного компонента с примесями и т. п., то потери будут
уже не механическими, а технологическими. Величина потерь
такого рода пропорциональна концентрации взвеси в .продукте и
объему продукта. Таким образом, удельная величина потерь из-за
осаждения взвесей может быть величиной постоянной при
постоянной концентрации взвеси в исходном продукте. Наиболее
существенно эту величину изменяет показатель полноты осаждения,
который может меняться для каждого конкретного процесса в
широких пределах в зависимости от многих факторов (времени
нахождения в аппаратуре, конструкции аппаратуры и др.).
Поправочные коэффициенты на полноту осаждения определяются
практикой работы.
При оценке механических потерь следует учитывать, что они
в большинстве случаев зависят не от масштаба производства, а от
числа аппаратов и операций. Некоторые виды потерь не
изменяются по абсолютной величине при изменении объема
производства. Поэтому при увеличении объема производства удельный вес
механических потерь уменьшается. Если даже абсолютное
количество потерь с ростом объема производства также повышается,
увеличение это всегда отстает от роста производства.
Правильная оценка механических потерь имеет особое
значение для решения вопросов санитарной техники. Определение
причин потерь перерабатываемых продуктов позволяет установить
точки и характер выделения вредностей из технологического
процесса. В атмосферу попадают все вредности, которые в виде
потерь продуктов выводятся из процесса через местную и
общеобменную санитарио-техническую вентиляцию. В стоки предприятия
могут попадать все продукты, теряемые в виде проливов из
аппаратуры и коммуникаций в помещении. Загрязнять стоки
производства может также продукт, рассыпанный в производственном
помещении, если применяется мокрая уборка, а в продукте
имеются растворимые компоненты.
3. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПОЛНОЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Особенности расчета полной технологической схемы
Расчет материальных балансов отдельных операций — только
первая ступень в разработке материального баланса
проектируемого производства. Вторая ступень, которая позволяет получить
суммарные итоговые показатели материального баланса, это
расчет материального баланса технологической схемы в целом.
165
Особенностью такого расчета является то обстоятельство, что такой
расчет выполняется только на стадии проектирования.
Материальные балансы отдельных операций изучаются в ходе
научно-исследовательской разработки; это обязательный элемент такой
разработки. В целом проектируемое производство на стадии
научно-исследовательской разработки, как правило, не рассматривают.
Типы технологических схем и порядок их расчета
Можно выделить пять типов технологических схем. Каждый из
них имеет определенные особенности в технике расчета
материального баланса.
Для иллюстрации как самих схем различных типов, так и
методов их расчета целесообразно воспользоваться блок-схемами. В от-
Рис. 83. Блок-схема
производства без разветвления
технологического потока и
оборотов
Рис. 84. Блок-схема производства без
разветвления технологического потока с оборотами
личие от обычных схем блок-схемы характеризуются тем, что на
них группы последовательных операций, соединяющие любые две
ближайшие точки разветвления, а также начала и окончания
технологического процесса, объединяются в единые блоки. Операции,
объединенные в блок, связаны единым материальным потоком.
В точках разделения и соединения потоков на схеме показаны
узлы, что позволяет более четко выявить связи между отдельными
группами операций и узловые элементы расчета баланса.
Порядок расчета для каждого типа схемы имеет свои особенности.
К первому типу относятся схемы, не предусматривающие
разветвления технологического потока и использование оборотных
продуктов (рис. 83). Ко второму типу относятся схемы,
предусматривающие использование оборотных продуктов (рис. 84). При
этом в схеме появляется поток циркуляции между операцией, на
166
которой оборотные продукты выводятся из основной
технологической цепи, и операцией, на которой они возвращаются в основную
цепь.
К оставшимся трем типам схем относятся схемы с
разветвлением технологического потока. Наибольшее распространение
имеют схемы с разветвлением технологического потока в конце,
характерные для переработки комплексного сырья с разделением
извлекаемых компонентов и выпуском каждого из них в виде
самостоятельного продукта (рис. 85). При переработке однокомпо-
нентного сырья схемы такого типа возможны при необходимости
получения продукции одновременно в двух или нескольких раз-
1
Рис. 85. Блок-схема Рис. I
производства с раз- произЕ
ветвлением техноло- ветвле
гического потока в гическ
конце гол
личных формах (металл, окисел, соль). Иногда разветвление
технологического потока в конце схемы вызывается тем, что па одной
из операций значительная часть извлекаемого компонента
оказывается связанной в продукт, переработать который по основной
технологии невозможно. Такой продукт перерабатывается на
вспомогательной технологической ветви с получением той же
продукции, что и в основной ветви.
Четвертый тип технологической схемы — схема с разветвлением
технологического потока в голове процесса (рис. 86). Этот тип
схемы характерен для производств, производящих один вид
продукции из нескольких видов сырья. В голове процесса каждый из
видов сырья перерабатывается по особой технологии. На
определенной стадии, когда в каждой из самостоятельных ветвей
получаются близкие по свойствам промежуточные продукты, их
объединяют и далее обрабатывают совместно.
36. Блок-схема
юдства с
разинем техноло-
ого потока в
ове процесса
Рис. 87. Блок-схема
процесса,
разветвленного в середине
167
Пятым, относительно редко встречающимся, типом
технологической схемы является схема с разветвлением технологического
потока в средней части (рис. 87). Такая схема характеризуется
тем, что из-за получения на одной из операций извлекаемого
компонента в двух продуктах, требующих переработки по различным
технологиям, на этой операции технологический поток разделяется
на две ветви. Однако после того как в обеих ветвях
технологического потока будут получены продукты, допускающие дальнейшую
совместную обработку, ветви технологического потока вновь
объединяются. В принципе технологический поток можно разделить
U
I J
О Ф
Условные обозначения
Cz^y^o Материальный поток
^ .»-•*•- Расчет полного материального баланса на заданный поток
т - -»- Расчет полного нотариального баланса на условный поток
», Расчет баланса по компонент!/ на заданный поток
■». Расчет баланса ао компонент:/ на условный поток
__0_н»- Пересчет с условного потока на заданный
ф Начало расчета О /Гонец расчета
Рис. 88. Схема расчета баланса при нераззетвленном технологическом
потоке:
/ — задано потребление сырья; 2 задан выпуск продукции; 3 — задано
потребление материалов
не только на две, но и на большее число самостоятельных ветвей.
Порядок расчета для схем первого типа показан на блок-
схеме (рис. 88). В данном случае расчет близок к расчету
отдельной балансовой операции. Если задано количество исходного
сырья последовательно, рассчитывают по операциям полный
материальный баланс. При расчете на заданное количество
продукции по содержанию в ней извлекаемого компонента при известном
суммарном извлечении определяют количество извлекаемого
элемента, поступающее и процесс с сырьем. Для схемы этого типа
суммарное извлечение равно произведению извлечений на
отдельных операциях. Таким образом, сначала ведут расчет по элементу
от продукции к сырью. Затем определяют необходимое количество
сырья и выполняют расчет полного материального баланса
последовательно по операциям от сырья к продукции.
10S
При заданном объеме потребления материала первоначально
ведут расчет полного материального баланса на условный поток
от начала схемы до операции, где этот материал потребляется.
После этого устанавливают отношение между заданным объемом
производства и принятым условным потоком и рассчитывают
требуемое количество сырья. Затем рассчитывают полный
материальный баланс от сырья до конечной продукции.
Схема процесса второго типа (см. рис. 84) включает основную
технологическую линию и линию циркуляции оборотных продуктом.
Линия циркуляции может включать, если это необходимо, операции
по обработке оборотов или только чисто транспортные операции.
На блок-схемах (рис. 89)
показаны различные варианты расчета
материального баланса в
зависимости от метода задания объема
производства.
Если материальный поток
проектируемого производства задан
выпуском конечной продукции,
первоначально ведут расчет по
элементу от конечной продукции
до операции, на которой
получается оборотный продукт. Расчет
по элементу этой операции
позволяет определить, какое количество
извлекаемого элемента переходит
в обороты. После этого от
операции, на которой получаются
оборотные продукты, до операции,па
которой они возвращаются в
основной производственный поток,
ведут параллельный расчет по
элементу по основной технологической линии и по линии
циркуляции оборотов. Расчет по основной линии позволяет определить,
какое общее количество элемента должно быть введено на операцию.
Расчет по линии циркуляции оборотов позволяет установить,
какое количество извлекаемого элемента будет введено на операцию
с оборотами. По разности этих величин определяют, какое
количество элемента должно поступить на операцию из основной линии
переработки сырья.
После определения этого количества производят расчет по
элементу для части схемы от операции, на которой обороты
возвращаются в основной технологический поток, до операции ввода
сырья. Устанавливают количество исходного сырья и рассчитывают
полный материальный баланс. Этот расчет выполняют в порядке,
противоположном порядку расчета по элементу. Первоначально
от начала процесса до готовой продукции просчитывают основной
технологический поток. При этом на операции возврата оборотов
в производство составом оборотов задаются, а количество
Рис. 89.
Схема расчета баланса с
оборотами:
задан выпуск продукции; 2 — задано
потребление сырья
169
определяют на основе баланса по элементу. После расчета баланса
основного производственного потока рассчитывают полный
материальный баланс линии циркуляции оборотов. Если объем
производства зависит от количества потребляемого сырья, расчет
отличается от предыдущего тем, что первоначальный расчет по
элементу проводят на условное количество. Затем этот расчет
корректируют в соответствии с заданным количеством извлекаемого
элемента в исходном сырье.
В отличие от простой схемы, не имеющей разветвления
технологического потока, суммарное извлечение для схемы,
предусматривающей использование оборотных продуктов, может быть вы-
0 ГА
£
~.л~
■>
I
Ft
О г\
7 J
Hi
{
♦
(J A
114
I
©о
Рис. 90. Схема расчета баланса с разветвлением технологического
потока в конце:
/ — задано потребление сырья; 2 — задан выпуск одного из видов
продукции; 3 — задан выпуск двух видов продукции
ражено только через отношение количества извлекаемого
компонента в конечной продукции к количеству его в исходном сырье
Блок-схему производства третьего типа можно рассматривать
как сочетание трех схем первого типа. Соответственно строится
порядок расчета (рис. 90). Если задано количество
перерабатываемого сырья, последовательно рассчитывают, начиная с операции
ввода сырья, полный материальный баланс. Если задано
количество конечной продукции, по одному из ее видов предварительно
рассчитывают баланс по элементу. Определяют исходное
количество сырья и затем опять рассчитывают полный баланс. При этом
объем производства продукции, получаемой по другой ветви схемы,
зависит от исходного соотношения содержания полезных
компонентов в сырье и технологических возможностей по их извлечению.
Один из вариантов схемы с разветвлением потока в конце —
производство, в котором однокомпонентное сырье
перерабатывается на два различных вида конечной продукции. При этом
должно быть задано количественное соотношение этих видов продук-
170
ции. Если заданы абсолютные количества всех видов продукции,
то идет обыкновенный расчет по элементу от конечной продукции
до сырья, а затем полный расчет материального баланса от сырья
до конечной продукции. При прямом задании распределения
извлекаемого компонента между ветвями схемы, выпускающими
различные виды продукции, и известном количестве сырья сразу
рассчитывают полный материальный баланс от головных операций до
конечной продукции. Следует учитывать, что для технологической
схемы в целом в отличие от отдельной операции материальный
поток может быть задан не только количеством исходного сырья или
конечной продукции. Возможен случай, когда матеральный поток
о»
\7*
I!
\
о
♦!
-V
t
i I
ее] о
7
!!
—т--
II,
v
о
7
♦
1!
о
Рис. 91. Схема расчета баланса с разветвлением технологического
потока в голове:
1 — задано потребление двух видов сырья; 2 * - заданы потребление
одного вида сырья и соотношение между видами сырья; 3 — заданы
выпуск продукции и соотношение видов сырья
производства задается количеством одного из промежуточных
продуктов. Применительно к рассматриваемой схеме таким
продуктом может быть продукт, производимый на операции, после
которой технологический поток делится на две ветви. Для этого случая
первоначально ведут расчет по элементу от операции, на которой
производится заданный промежуточный продукт, до головы
процесса. И затем от сырья до конечной продукции рассчитывают
полный материальный баланс.
Расчет схем четвертого типа (рис. 91) имеет ту особенность,
что в качестве обязательной заданной величины исходные данные
должны содержать соотношение материальных потоков двух
сырьевых ветвей.
Если материальный поток задан через количество исходного
сырья, то это предопределяет соотношение материальных потоков
для отдельных ветвей. Расчет полного материального баланса
ведут от головных операций до операции объединения потоков.
171
Затем полный материальный баланс для общего технологического
потока рассчитывают от операции объединения потоков до
конечной продукции. При задании количества конечной продукции
расчет, как и в ранее разобранных случаях, первоначально проводят
по элементу от конечной продукции до операции, на которой
объединяются сырьевые потоки. Распределение потока по сырьевым
ветвям производится различными методами в зависимости от
способа задания соотношения материальных потоков в этих ветвях.
При задании масштаба потребления одного из видов сырья
вторая ветвь материального потока считается по разности между
количеством извлекаемого элемента, необходимого для
заключительных операций объединенного
потока, и количеством этого
элемента, поступающим из ветви,
объем производства для которой
задан. После расчета баланса
по элементу объединенной части
схемы рассчитывают полный ма-
|~*"^ термальный баланс ветви с задан-
i г"?| ным потреблением сырья. По
• \'| разности определяют количество
• элемента, которое должно посту-
~XJ
пать с другой ветви. Затем прово-
Рис. 92. Схема расчета баланса с
разветвлением технологического потока в
середине:
/ — задано потребление сырья;
выпуск продукции
■ задан
дят просчет по элементу второй
ветви от операции объединения
потоков до сырья. После того
как количество сырья для второй
ветви определено, рассчитывают
полный материальный баланс для
всей схемы от сырья до конечной
продукции, за исключением
первой сырьевой ветви, для которой
этот расчет был проведен ранее.
Если соотношение материальных потоков сырьевых ветвей
схемы задано количеством полезного компонента, поступающего
из каждой ветви, расчет несколько упрощается. В этом случае
первоначально ведут расчет по элементу от конечной продукции
до операции объединения сырьевых ветвей. На этой операции
общее количество элемента, которое должно быть введено, делят
в соответствии с заданным соотношением. Полученные в
результате деления количества являются отправной точкой для расчета
по элементу каждой из ветвей. Расчет ведут от операции
объединения потоков к началу процесса. В результате расчетов по
элементу определяют необходимое количество сырья для каждой из
ветвей схемы. После этого рассчитывают полный материальный
баланс от сырья до конечной продукции.
Схему пятого типа (рис. 92) можно рассматривать как сумму
четырех простых схем, не имеющих разветвления потока.
Если материальный поток задан через количество потребляе-
172
мого сырья, расчет не отличается от расчета простой неразветв-
ленной схемы. От головы процесса рассчитывают полный
материальный баланс. На участке разветвления схемы расчет по
параллельным ветвям ведут параллельно. На операцию объединения
ветвей исходный продукт поступает из обеих ветвей. При задании
объема производства количеством готовой продукции сначала
ведут расчет полного материального баланса от сырья до готовой
продукции на условный объем производства. Выявив соотношение
условного потока и заданного объема производства, пересчитывают
полный материальный баланс от сырья до готовой продукции на
заданный объем.
Рассмотренные методы расчета различных типов схем
относятся к случаям, когда материальный поток задается объемом
потребления исходного сырья или объемом производства конечной
продукции. В принципе возможны еще две формы задания
материального потока: через объем потребления какого-либо
материала или через объем переработки одного из промежуточных
продуктов. Первый случай рассмотрен применительно к схеме первого
типа. Второй случай рассмотрен применительно к схеме третьего
типа. В общей форме схема расчета сводится к тому, что по
рассмотренным методикам рассчитывают на условный поток
производства полный материальный баланс до операции, применительно
к которой задано потребление соответствующего материала или
производство промежуточного продукта. Выявляют соотношение
между заданным и принятым условным материальными потоками,
что позволяет пересчитать материальный баланс на заданный поток.
Определение суммарного извлечения но схеме несколько
отличается для различных типов разветвленной схемы. Для схем с
разветвлением потока в конце или в начале процесса, извлечение из
сырья в любой из конечных продуктов и из любого вида сырья
в конечный продукт может определяться, при отсутствии
оборотных продуктов, как произведение извлечений последовательного
ряда операций, соединяющих по схеме точки потребления сырья и
выдачи соответствующей продукции. Для схемы с разветвлением
потока в средней части суммарное извлечение по схеме может быть
определено только как прямое отношение количеств извлекаемого
компонента в конечной продукции и исходном сырье.
Приведенные выше примеры схем с разветвлением потока
рассматривали, исходя из наличия двух ветвей. Однако следует иметь
в виду, что предложенный порядок расчета в принципе не меняется
от разветвления на большее число ветвей.
При расчетах материальных балансов более сложных схем
любую такую схему всегда можно разбить на несколько более
простых схем, к которым прямо применимы рассмотренные методы
расчета. При этом расчет начинают от той части схемы, для
которой задан материальный поток. После завершения расчета для
этого участка появляется возможность провести расчеты для
смежных участков схемы. Таким образом, последовательно
рассчитывают баланс для всей схемы.
173
Наиболее сложна для расчета схема, в которой несколько
разветвлений технологического потока или циклов циркуляции
накладываются друг на друга. Сложность расчета такой схемы
заключается в возможности образования на схеме специфических
узловых точек, в которых соотношение между количествами
поступающих на какую-то отдельную операцию различных продуктов
не может быть непосредственно задано, например представленная
в общем виде блок-схема производства чистого соединения одного
из тугоплавких металлов (рис. 93). Схема характеризуется тем,
что поступающее сырье С, содержащее основной извлекаемый
элемент и элемент-спутник, после ряда операций делится в узловой
точке на два промежуточных продукта: основной, направляемый
в ветвь, связывающую узлы 1 и 2, и побочный, направляемый
Рис. 93. Блок-схе- Рис. 94. Блок-схема
ма процесса с пе- процесса с перекре-
рекрещиванием щиванием потока
потока упрощенная
в ветвь, связывающую узлы 1 и 3. Основной промежуточный
продукт перерабатывается по линии 2—4—П\, с получением основного
конечного продукта П\. При этом в узловой точке 4 выделяется
оборотный продукт, направляемый по линии, связывающей узлы
4 и 3. В узловой точке 3 продукты, поступающие из точек I и 4,
в результате переработки делятся на оборотный продукт,
возвращаемый в узловую точку /, и продукт, направляемый для
дальнейшей переработки по линии, соединяющей узлы 3 и 5. В узловой
точке 5 продукт делится на возврат, направляемый в узел 2
основной технологической линии, и концентрат элемента-спутника,
выдаваемый для дальнейшей переработки в виде побочного
продукта П2. В рассматриваемой схеме совмещаются несколько
элементарных схем рассмотренных выше типов:
1) схема с разветвлением потока в середине с потоками
С—1—2—4—Я, и С—1—3—5—2 -4—Пи
2) схема с циклом циркуляции по направлению /—3—/;
3) схема с циклом циркуляции 2—4—3—5—2;
174
4) схема с циклом циркуляции /—2—4—3—/;
5) схема с разветвлением потока в конце с потоками
C—l—2—4—TJi и С- -1—3—5—Пг.
Так как баланс по элементу-спутнику является подчиненным,
то для расчета по основному элементу принципиальная схема
потоков может быть упрощена. Участок схемы 3—5—2 можно
сократить за счет исключения узла 5, так как в нем никакого
принципиального преобразования потока основного элемента не
происходит. В преобразованном виде схема несколько удобнее для
расчета (рис. 94). В рассматриваемой схеме специфическими
узловыми точками, для которых расчет затруднен, являются точки 1,
2 и 3. Точка / — обычная точка получения возврата для схемы
с циркуляцией оборотов. Соответственно при расчете от сырья
операцию объединения потоков непосредственно рассчитать нельзя,
так как неизвестно соотношение между количеством продукта,
поступающего по линии С—1, и количеством продукта, поступающего
по линии возврата оборотов 3—/. Так как расчет баланса в точке
1 непосредственно невозможен, то баланс для точек 2 и 3 следует
рассчитывать от конечной продукции. Однако и здесь возникают
существенные трудности. При расчете от конечной продукции (П[
на рис. 93 или /7 на рис. 94) для точки 2 первоначально
определяют поток в линии 2—4. Однако дальнейший расчет нельзя
выполнить простейшими методами, так как неизвестно соотношение
между потоками, поступающими на узел 2 по линиям /—2 и 5—2
(или 3—2). При попытке расчета баланса по точке 3 препятствием
явится невозможность определения соотношения потоков 4—3 и
1—3. Характерной особенностью расположения названных
специфических точек на схеме потоков является то, что они образуют
замкнутый контур /—2—3—1, что особенно наглядно видно на
упрощенной схеме (см. рис. 94). Таким образом, эти точки
взаимно затрудняют расчет баланса для каждой из них. Необходимо
найти решение для расчета баланса одной из них. Это создаст
условия для расчета остальных точек контура.
Для того чтобы преодолеть затруднения, возникающие при
расчете рассматриваемой схемы, необходимо принять какое-либо
дополнительное условие. Таким условием служит принятая величина
материального потока в одной из рассматриваемых точек. Для
расчета материального баланса схемы принимаем в качестве
дополнительного условия величину потока основного извлекаемого
компонента в промежуточных продуктах, проходящих через узел /.
Учитывается полное количество таких продуктов, поступающих как
из ветви С—/, так и из ветви 3—/. Составляем баланс
прохождения основного компонента в промежуточных продуктах,
поступающих в узел 2. Для составления уравнения материального
баланса примем следующие условные обозначения по схемам и
уравнениям:
1. Точки С, 1, 2 и т. д. являются условными транспортными
точками, в которых объединяются или разъединяются потоки, но не
175
происходит никаких других процессов, связанных с превращениями
или потерями продуктов.
2. Символ цт-п определяет извлечение полезного компонента
в линии последовательных операций от узла т до узла п.
В рассматриваемой схеме t]c_i — извлечение на операциях от
сырья до узла /, а цг-л— извлечение на операциях от узла 2 до
узла 4. При этом извлечение на операции объединяющей потоки,
входящие в узел, может учитываться как в суммарном извлечении
линий, входящих в узел, так и в суммарном извлечении линий,
выходящих из узла. Так, в узел 1 входят линии С—1 и 3--1 и
выходят линии 1—2 и /—3. После объединения основного (из
линии С—1) и оборотного (из линии 3—1) продуктов они совместно
проходят через технологическую операцию, имеющую
определенные потери. После проведения этой операции потоки разделяются
на линии 1—2 и 1—3. Потери, или извлечение, на операции с
объединенным потоком могут с равным основанием учитываться как
в извлечениях на линиях С—1 и 3—1, так и в извлечениях на
линиях /—2 и 1—3. Все зависит от того, как это условно принято,
и на конечные результаты расчета влиять не может.
3. Символ km-n определяет часть, выходящую по линии т—п
из общего количества рассматриваемого компонента,
поступающего в узел т. Величину km-n удобно выражать в долях единицы.
В рассматриваемой схеме &4-л означает часть, выходящую но
линии 4—/7, из общего количества компонента, поступающего в узел
4 по линии 2—4. Очевидно, что &4-п + &4-з=1. В некоторых случаях,
когда в узловую точку входит несколько потоков с различными
продуктами, распределение компонентов из каждого такого
продукта по выходящим потокам может быть различным. Так, для
узла 3 й13_1 и k\_t могут по величине не совпадать. Приведенные
символы выражают, какая часть извлекаемого компонента
поступает в поток 3—/ из потока /—3 и потока 4—3 соответственно.
4. Символы С и // являются индексами узлов схемы, а в
уравнениях материального баланса выражают количество
соответствующих продуктов (при расчете полного материального баланса)
или количество извлекаемого элемента в соответствующих
продуктах (при расчете по элементу). Дополнительно вводим символ ПП\,
означающий количество промежуточного продукта (или элемента
в промежуточном продукте), проходящего через узел 1. Расчет
ведем по упрощенной схеме (см. рис. 94). Уравнение материального
баланса по элементу сводим для точки 2. Для того чтобы свести
баланс в точке 2, необходимо просчитать материальные потоки по
линиям поступления продуктов в точку 2 и вывода из нее. Такими
линиями расчетных потоков будут линии: П—4—2; /7—4—3—2;
1—3—2; 1—2. В двух последних линиях символ / можно заменить
символом ППи Количество элемента, выводимое из узла 2 по
линии 2—4, составит:
ТЧ /A /7Ti-J-4
176
Количество элемента, вводимое по линии 4—3—2, составит:
П?, _/7 ^ — З1"!—3^3 —2^3-2
ТМ —Я*4-Я
Количество элемента, вводимое по линии 1—3—2, составит:
Qz-2=-nnxk\_:{rix_zk-i^nri3_2.
Количество элемента, вводимое по линии 1—2, составит:
Qi--2-—fin]kl._2rt]_2.
Общее уравнение материального баланса относительно узла 2
можно написать следующим образом:
Q2_4-Q3-2--Q3-2-Ql-2-0.
Подставляем в последнее уравнение полные значения его
членов:
,-т 1 Г7 ^4-3^4 —3^3-2^3-2
r'4-nk4-/l'i2-4 г<4 — П^А-П
Все показатели k и ц входят в состав исходных данных.
Величина П, т. е. количество конечного продукта, также должна быть
задана. В уравнении единственным неизвестным остается
значение IJIJi, которое и определяют, после чего расчет полного
материального баланса не представляет затруднений. Если объем
производства задан не количеством конечной продукции, а объемом
потребления сырья, то первоначальный расчет по элементу ведут
на условное количество конечной продукции, а затем, после
выявления соотношения всех потоков, по схеме пересчитывают
полный материальный баланс на заданное количество сырья.
Не только отсутствие данных по соотношению входящих
потоков может делать тот или иной узел схемы недоступным для
расчета простейшими методами. Так, в рассматриваемом примере (см.
рис. 94), если исключить ветвь циркуляции оборотов 3—1,
положение не изменится. И это положение будет определяться тем, что до
тех пор, пока схема не рассчитана, неизвестно извлечение из сырья
в конечный продукт, а следовательно, и соотношение между
количеством сырья и конечного продукта. Поэтому поток в узловой
точке / будет оставаться неизвестным. Изменение в порядке
расчета будет заключаться в том, что вместо величины ПП\ можно
будет использовать произведение С ■ г|с—ь что позволит ввести
в уравнение материального баланса непосредственно количество
потребляемого сырья.
Если объем производства задан по сырью, то неизвестным,
определяемым из уравнения баланса, будет количество конечной
продукции (или извлекаемого компонента в конечной продукции).
12 Зак. Л° 461
177
Если объем производства задан по конечной продукции, то
определяют количество сырья (или извлекаемого компонента в сырье).
При проведении расчетов следует учитывать особенности расчетов
полного материального баланса и баланса но элементу. Полный
материальный баланс всегда рассчитывают по направлению
технологического потока — от сырья к конечной продукции, так как для
выполнения его необходимо до начала расчета любой балансовой
операции знать полные составы всех исходных для данной
операции продуктов. Чтобы расчет полного материального баланса был
возможен, необходимо до начала расчета располагать данными
о количестве сырья, потребляемого в проектируемом производстве.
Расчет полного материального баланса на условный поток
выполняется в случае, если необходимо установить относительные
количества продуктов и материалов, перерабатываемых в процессе
производства, а абсолютная величина потока производства до
проведения такого расчета не может быть определена. Расчет
материального баланса по элементу или соединению может
выполняться как по направлению технологического потока — от сырья
к конечной продукции, так и в противоположном направлении — от
конечной продукции к сырью. Расчет по элементу выполняется
в случаях, когда отсутствуют прямые данные о количестве сырья,
потребляемого в процессе, или схема предусматривает получение
и использование оборотных материалов.
Расчет накопления примесей при циркуляции продукта
Таким расчетом в схеме, предусматривающей использование
оборотных материалов, решают две основные задачи. Во-первых
определяют скорость накопления примесей в цикле циркуляции.
Во-вторых, определяют предельную концентрацию примесей,
достигаемую при бесконечно большом числе циклов циркуляции
в циркулирующем продукте и в продукте, выводимом из цикла
циркуляции.
Для анализа материального баланса в системе циркуляции
необходимо задаться исходными понятиями, характеризующими
такую систему. Таких понятий два: объем системы циркуляции
и длительность цикла циркуляции.
Объем системы циркуляции складывается из объема
аппаратуры линии обработки или переработки оборотов (если такая
обработка или переработка имеет место), объема
транспортирующей аппаратуры и коммуникаций, объема емкостей для
промежуточного хранения циркулирующего продукта и части объема
аппаратуры и коммуникаций основной технологической линии (между
точкой возврата циркулирующего продукта в основную
технологическую линию и точкой вывода оборотного продукта из основной
технологической линии). Последняя составляющая общего объема
системы циркуляции, показанная на рис. 95 как участок 3—4—/,
определяется расчетно. Условно принимается, что проходящие
через точку 3 основной и циркуляционный продукты занимают на
178
участке системы 3—4—/ объемы, пропорциональные объемным
скоростям соответствующих продуктов на вводе в точку 3. Точкой
начала циркуляции целесообразно принять точку /. Под объемом
аппаратуры и коммуникаций подразумевается объем, заполненный
перерабатываемыми продуктами.
Длительность, или продолжительность, цикла циркуляции равна
времени, которое необходимо для того, чтобы через точку ввода
продукта в систему циркуляции прошло количество продукта,
полностью заполняющее систему циркуляции, с учетом потерь продукта
в системе. Если предположить, что при движении
продукта по системе отсутствует продольное
перемешивание, длительность цикла циркуляции
равна времени прохождения минимальной
порцией продукта, поступившего в систему, всего
цикла циркуляции с возвратом к точке ввода.
Длительность цикла определяется по
формуле:
vt
(7)
где т„ — длительность цикла циркуляции, ч;
Кцр — рабочий объем системы циркуляции,
м3;
vt — объемная скорость поступления
оборотного продукта в систему
циркуляции, м3/ч;
kv — коэффициент, зависящий от наличия
потерь продукта в системе
циркуляции и распределения точек потерь по
системе (безразмерный).
Размерности величин т„, Vnv, vt могут быть
иными, но должны корреспондироваться между
собой. Под рабочим объемом системы Vnp
подразумевается средний объем системы циркуляции,
одновременно заполненный продуктом.
Коэффициент ky вводится в связи с тем, что если в системе имеются
потери продукта, то объем продукта, необходимый для
заполнения системы, должен превосходить объем системы. Чем ближе
точки, в которых имеют место потери продукта, к началу системы
циркуляции, тем больше надо ввести продукта для заполнения
системы, и наоборот. Коэффициент ky определяется по формуле:
Рис. 95. Схема для
расчета баланса при
циркуляции
V
£,-=
V,
■(1-1
ГЛТ,2'Ъ
V,
up
(8)
где Уг(г+1) — часть рабочего объема системы циркуляции,
находящаяся между двумя смежными точками цикла
12*
179
циркуляции, характеризующимися наличием потерь
продукта (доли единицы);
Л, — извлечение продукта на операции в точке i (доли
единицы);
т — общее число точек (операций) в цикле циркуляции,
имеющих потери продукта;
УПр — аналогично формуле (7).
По участку циркуляционной линии, расположенному
непосредственно после начальной точки цикла (см. рис. 95, участок /—2),
пройдет все количество продукта, поступившее через точку /.
Подразумевается, что на участке 1—2 потерь продукта нет. Так как
в точке 2 потери будут, то для заполнения участка системы 2—3
потребуется больший исходный объем, чем объем Уг-з, что и
отражается в формуле (8) введением частного от деления объема
соответствующего участка системы на суммарное извлечение
продукта в предшествующих операциях системы. В предельном случае,
когда потери продукта в системе циркуляции отсутствуют,
коэффициент kv становится равным единице.
После установления длительности цикла циркуляции
определяют число циклов, необходимое для использования в дальнейших
расчетах. Расчет наиболее прост при определении числа циклов
циркуляции за заданный период времени. Число циклов
определяют как частное от деления величины заданного периода на
продолжительность цикла. Если необходимо вычислить число циклов
циркуляции при переработке заданного количества продукта,
можно использовать формулу
где п — число циклов циркуляции;
V,, — объем партии продукта, подлежащей переработке,
м3;
Vnp и kv — аналогично формуле (7).
Концентрацию примеси или вообще компонента в
циркулирующем продукте можно определить по формуле:
ся-сус(1 J-vb^-L ... а^г2--^-1), (Ю)
где С„ --концентрация рассматриваемого компонента после п
циклов циркуляции в продукте перед точкой 1 (см.
рис. 95);
Сус — условное увеличение концентрации рассматриваемого
компонента в продукте перед точкой / за счет вновь
введенного из основной линии количества компонента,
отнесенное ко всему количеству продукта на участке
системы 4—/ (как основного потока, так и
циркулирующего) ;
г|1( — извлечение рассматриваемого компонента по всему циклу
циркуляции в циркулирующий продукт (доли единицы);
п — аналогично формуле (9).
180
Размерность величин С„ и Сус может быть любой, но должна
быть для обеих величин одинаковой. Величина показателя
извлечения в формуле (10) отличается от соответствующего показателя
в формуле (8). В формуле (8) фигурируют извлечения по
отдельным операциям для всего циркулирующего продукта без деления
на компоненты, отражающие изменение его объема. В формуле
(10) извлечение дано по всему циклу циркуляции и равно
соответственно произведению извлечений на всех операциях цикла.
В формуле (10) извлечение дано только для рассматриваемого
компонента без связи с изменением количества всего продукта или
других его компонентов и выражает изменение количества (по
массе) этого компонента. Показатель извлечения соответствующего
компонента на операции ввода оборотного продукта в цикл
циркуляции (точка /) при отсутствии на этой операции механических
потерь равен разности между единицей и величиной извлечения
в основной технологический продукт, выводимый из цикла
циркуляции. Если оборотный продукт выделяется механическим делением
потока по объему или массе, то извлечение компонента в
циркулирующий продукт определяют по формуле
где т)оц — извлечение соответствующего компонента в
циркулирующий продукт на операции механического деления потока
(доли единицы);
Ун--объемная скорость потока продукта, выводимого с
операции деления потока в линию циркуляции;
г<>— объемная скорость потока продукта, выводимого с
операции деления потока в основную технологическую
линию.
Размерность величин vn и г„ может быть любой (л/с м3/ч
и т. д.), но должна быть для обеих величии одинаковой. Значения
объемной скорости вообще могут быть заменены значениями
соответствующей скорости по массе.
Предельная концентрация компонента, накапливающегося
в системе циркуляции, выражается общей формулой [45]:
Сппех—у^-, (12)
где все обозначения аналогичны формуле (10). В формуле
предельной концентрации отсутствуют показатели объема
циркуляционной системы и длительности цикла циркуляции, так как эти
показатели на предельную концентрацию соответствующего
компонента в системе не влияют. Они могут только изменить скорость
накопления компонента. При проектировании следует учитывать,
что невозможно снизить предельную концентрацию, увеличивая
объем системы циркуляции, но можно увеличить периоды работы
системы без очистки циркулирующего продукта от
накапливающейся нежелательной примеси.
181
Частным случаем является расчет предельной концентрации
при выводе из системы циркуляции части рассматриваемого
компонента в результате механического отделения части
циркулирующего продукта. Примером такой системы может служить система
оборотного водоснабжения, имеющая водохранилище
значительной емкости. Возможны потери из водохранилища в результате
фильтрации определенного объема стоков через грунт или
организованного сброса через отводной канал или систему канализации.
В этом случае предельная концентрация компонента в
циркуляционной системе и продукте, возвращаемом в основную
технологическую линию, определяется по формуле
Cnpe.T~~W^— , О")
где С„ — концентрация рассматриваемого компонента в потоке,
поступающем в систему циркуляции из основной
технологической линии (в точку 3 на рис. 95);
v„ — объемная скорость потока, вводимого из основной
технологической линии в точку 3, м3/ч;
vB — объемная скорость потока оборотного продукта,
выходящего из цикла циркуляции в виде потерь или
организованных сбросов, м3/ч;
Спред — аналогично формуле (12).
При расчете по формуле (13) предполагается потеря в системе
циркуляции определенного количества циркулирующего продукта;
для изолированных систем это означает, что количество продукта,
вводимое в систему циркуляции из основной линии, равно сумме
количества продукта, выводимого из системы циркуляции в
основную технологическую линию, и количества продукта, теряемого или
сбрасываемого из системы циркуляции. Следовательно, в
изолированной системе vn всегда больше, чем i/B, а концентрация Спгед
соответственно больше Си. Однако такая закономерность может
быть нарушена, если система циркуляции не изолирована. В
неизолированной системе циркуляции в нее принимаются оборотные
или сбросные продукты не только из рассматриваемой
технологической линии, но и из других источников. За счет этого
дополнительного поступления соотношения в материальном балансе
системы циркуляции могут существенно измениться и, в частности,
величина i>B может значительно превзойти величину i'„.
Соответственно С„Р(.д будет значительно меньше С„.
4. ФОРМЫ ЗАПИСИ МАТЕРИАЛЬНЫХ БАЛАНСОВ [46]
Для материальных балансов применяются различные формы
записи. Формы записи определяются типом и назначением баланса.
Наиболее подробная форма записи представлена в табл. 7 для
полного материального баланса. По аналогичной форме может
быть составлена запись материального баланса по элементу. Так,
182
Таблица 9
Баланс по титану операции хлорирования лопаритового концентрата
Статьи прихода
продукта
С лопаритовым
концентратом
С хлором
испаренным
С коксом
Всего титана
кг
216,00
216,00
0'
100,00
100,00
Статьи выхода
продукта
В паро-газовую
смесь
В плав хлоридов
Потери
Всего титана
кг
205,51
6,38
4,11
216,00
%
95,25
2,85
1,90
100,00
баланс по титану для
операции хлорирования,
рассмотренный в табл. 7, будет в этом
случае иметь вид,
представленный в табл. 9.
Па основе полного
материального баланса составляется
баланс материального потока
или иначе просто
материальный поток. В отличие от
таблиц полного материального
баланса и баланса по элементу
таблица материального потока
составляется на . несколько
Рис. 96. Схема материального потока
в масштабе
Таблиц а 10
Таблица часового материального потока
Номера
операции
5
6
Операция
Хлорирование
Конденсация
Поступление продукта
Лопаритовый
концентрат
Хлор испаренный
Кокс
Всего
Масса, кг
500,00
577,72
61,54
1139,26
Выход продукта
Паро-газовая
смесь
Плав хлоридов
Потери
Всего
Масса, кг
727,50
404,02
7,74
1139,26
183
операций или на весь проектируемый объект в целом. Образец
записи материального потока применительно к уже рассмотренной
операции хлорирования показан в табл. 10.
Особо следует отметить часто применяемую графическую форму
изображения баланса по элементу или соединению. При
использовании этой формы количество элемента показывается в масштабе
шириной линии материального потока, что делает схему весьма
наглядной. Примером может служить образец такой схемы,
составленной для упрощения применительно к производству с
небольшим числом укрупненных операций (рис. 96).
Расчет материального баланса является разделом
технологического проектирования и в значительно большей степени, чем другие
разделы формализован, что создает возможности для
использования при его выполнении современной вычислительной техники.
Специфическое значение расчета материального баланса в проекте
связано с тем, что при расчете материального баланса выявляются
полнота использования полезных компонентов минерального сырья,
перерабатываемого на проектируемом предприятии, и
комплексность использования сырья. Выявление при расчете материального
баланса номенклатуры, количества и состава отходов позволяет
количественно определить возможность опасного воздействия
проектируемого предприятия на природу и предусмотреть
необходимые защитные мероприятия.
Глава V
ВЫБОР И РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Разработкой технологической схемы и, частично, расчетом
материального баланса подготавливают материалы для качественной
характеристики проектируемого производства. Расчет
технологического оборудования характеризует проектируемое производство
количественно. Принципиально тип аппарата для каждой
операции определяется на стадии разработки аппаратурно-технологиче-
ской схемы. Ыо для выявления полной характеристики
оборудования необходимо определить масштаб аппаратов, принимаемых
в проекте. Расчет оборудования, выполняемый в рассматриваемом
разделе проекта, состоит из двух основных этапов — определения
производительности одного аппарата и определения общего числа
аппаратов, необходимого для обеспечения заданного объема
производства.
Первый этап расчета оборудования (определение
производительности одного аппарата) непосредственно связан с выбором
масштаба аппарата. Производительность аппарата рассчитывают,
как правило, применительно к рабочему времени, без учета
простоев, связанных с нетехнологическими причинами. Такой расчет
для основного технологического оборудования, как правило,
является предметом конструирования, выполняется на стадии
конструирования, и в проектирование поступает в законченном виде, в
составе исходных данных для проектирования.
Па основе известной производительности одного аппарата и
полученного при расчете материального баланса материального
потока производства определяют среднее количество одновременно
работающего оборудования.
На втором этапе расчета оборудования — установлении
необходимого числа аппаратов для обеспечения заданного объема
проектируемого производства — определяют производительность
аппаратов не за рабочее, а за календарное время. В календарное
время включается продолжительность простоев и вспомогательных
не связанных с технологическим использованием оборудования
операций, таких как профилактический осмотр и уход за
оборудованием, а также его ремонт. К причинам таких простоев можно
185
отнести перебои в снабжении сырьем, материалами и энергией,
недостаток свободных емкостей для приема продукции, отсутствие
обслуживающего персонала. Все непроизводительные затраты
времени, учитываемые при расчете производительности за
календарное время, соответственно разбивают на две группы. К первой
относят затраты времени, связанные с уходом за оборудованием и
его ремонтом. Эти затраты зависят в основном от конструкции
оборудования и могут быть частично установлены на стадии
конструирования, хотя в известной степени они определяются принятой
в проекте организацией обслуживания оборудования п ухода за
ним. Ко второй относят непроизводительные затраты времени,
зависящие в основном от организации работы основного
технологического оборудования и вспомогательного, обслуживающего
транспортного и другого оборудования, организации работы систем
обеспечения технологии, транспорта, труда, управления
производством. Перечисленные вопросы определяются исключительно
проектными решениями. Для выявления объема затрат времени,
относимых к этой группе, необходимо анализировать возможные
колебания производительности на отдельных операциях и переделах,
а также для всего проектируемого производства в целом,
возникающие от случайных причин. На основе такого анализа следует
не только определять производительность аппарата за календарное
время, но и принимать решение об организации производства
в целом,
2. ПРИНЦИП ВЫБОРА И РАСЧЕТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ОДНОГО АППАРАТА
Выбор масштаба оборудования
При выборе масштаба оборудования прежде всего учитывают
соображения о необходимости опробования оборудования до
принятия его в проекте промышленного производства. Так как от
масштаба оборудования зависят условия работы его конструктивных
элементов, а при значительном изменении масштаба может
меняться режим основного процесса, опытную проверку должен
пройти до включения в проект не только принципиальный тип
конструкции аппарата, но и его конкретный типоразмер. Это
относится в основном к процессам плохо моделирующимся, в первую
очередь к пирометаллургическим. Следует, однако, отметить, что
требование проверки конструкции оборудования не всегда можно
выполнить в полном объеме.
Проверка конструкции оборудования, ее работоспособности и
технологической обоснованности затруднительна для аппаратов
вскрытия сырья обжигом, спеканием, хлорированием и т. п.
Большая производительность этого оборудования, его громоздкость и
высокая стоимость приводят к затратам на сооружение даже
одного опытного аппарата промышленного масштаба, сопоставимым
с затратами на строительство промышленного цеха. Тем не менее
в большинстве случаев такие затраты необходимы и оправданы,
186
так как проектирование производства без достаточной проверки
используемого в нем оборудования может привести к значительно
большим затратам и потерям.
В случае, если опытно-промышленная проверка аппарата в
промышленном масштабе по какнм-либо причинам не проводится,
опытные работы ведут на аппарате несколько меньшего масштаба.
Но все основные элементы его конструкции должны пройти
опытную проверку. Предметом проверки является возможность
обеспечения параметров и показателей технологического процесса и
работоспособность конструктивных узлов аппарата. Однако в этом
случае при установке в проектируемом промышленном производстве
несколько однотипных аппаратов или установок целесообразно
предусматривать ввод производства в эксплуатацию очередями.
Первая очередь предусматривает ввод в эксплуатацию одного
аппарата, на котором проводят опытно-промышленные работы. По
результатам этих работ уточняются параметры работы установки,
которые учитывают при проектировании и строительстве
последующих очередей.
Масштаб аппарата, принимаемого в проекте, не может
изменяться произвольно. Основные технологические и технические
причины, препятствующие изменению масштаба аппаратов,
следующие: невозможность обеспечения в аппарате вне определенного
соотношения габаритов условий для получения продукта
требуемого качества (ограничения могут быть как со стороны максимума,
так и со стороны минимума); невозможность конструктивного
выполнения аппарата с габаритами, выходящими за определенные
пределы; невозможность обеспечения аппарата специальным
комплектующим оборудованием (электротехническим, вакуумным
и т. п.).
Оценка результатов опытных работ и изучение других
технологических и технических вопросов позволяет решить вопрос
о технологической и технической обоснованности выбора
определенного типоразмера аппарата. Но для принятия решения о
выборе типоразмера аппарата необходимо провести
технико-экономический анализ изменения показателей проекта в целом, включая
изменения требований к смежным частям проекта, в зависимости
от масштаба аппарата.
Показатели изменяются в зависимости от целого ряда
факторов. Они могут как повышать, так и снижать эффективность
производства. Экономическая эффективность определяется влиянием
масштаба аппаратуры на капитальные затраты при создании
производства и на затраты, связанные с его последующей
эксплуатацией.
Увеличение производительности аппаратуры повышает
производительность труда основных производственных рабочих.
Увеличение производительности аппарата на несколько десятков
процентов обычно не повышает трудозатрат на обслуживание. Более
значительное изменение масштаба оборудования может несколько
увеличить абсолютные трудозатраты на обслуживание аппарата.
187
Но рост трудозатрат, как правило, отстает от повышения
производительности аппаратуры. Таким образом, и в этом случае
производительность труда основных рабочих увеличивается.
Укрупнение аппаратов сокращает объемы и особенно площади
производственных помещений, а также протяженность
коммуникаций, что способствует снижению капитальных затрат.
Укрупнение аппаратов создает более благоприятные условия
для автоматизации производства вследствие повышения
технологической устойчивости крупных аппаратов. Кроме того, снижается
общее количество аппаратов, а следовательно, и необходимое для
автоматизации процесса количество контрольно-измерительной и
регулирующей аппаратуры. Это уменьшает удельные капитальные
затраты на автоматизацию производства. В свою очередь
возможность применения автоматизации создает предпосылки для
дальнейшего повышения производительности труда и роста
качественных и количественных показателей производства.
Однако укрупнение аппаратуры влияет на экономику
производства не только положительно. При определенных условиях
дальнейшее укрупнение аппаратуры может привести к обратной
тенденции и способствовать снижению экономических показателей
производства. При укрупнении аппаратов некоторые операции,
выполняемые ранее на аппаратах малого масштаба с помощью
простейших механизмов, потребуют дополнительного сложного
оборудования. Увеличение капитальных затрат при этом может не дать
какого-либо эффекта, и общая эффективность проектируемого
производства может снизиться. При укрупнении оборудования может
потребоваться более тяжелое и дорогое транспортное оборудование
как для собственно технологических нужд, так и для проведения
монтажных и ремонтных операций. Укрупнение и, как следствие,
повышение массы оборудования требует более дорогих
строительных решений- -больших высот, пролетов и нагрузок на
строительные конструкции от оборудования. После прохождения
определенного предела соотношения параметров дальнейшее укрупнение
оборудования, даже при некотором сокращении производственных
площадей, вызовет такое их удельное удорожание, что общий объем
капитальных затрат возрастет. Применение более крупного
оборудования сокращает общее количество аппаратов. Повышается
удельный вес каждого аппарата в общем объеме производства.
Пуск или остановка каждого аппарата создают значительные
колебания в общей производственной мощности проектируемого
объекта. При этом затрудняется для непрерывных производств
согласование работы оборудования на рассматриваемой операции
и смежных с ней. Нарушение согласования в работе
оборудования на смежных операциях снижает коэффициенты использования
оборудования и эффективность производства в целом.
В результате суммирования двух противоположных тенденций
изменения экономических показателей производства в зависимости
от масштаба аппаратуры общее изменение приведенных затрат
на производство может быть выражено кривой с минимумом. В на-
188
стоящее время для большинства производств редких металлов
положение минимума на оси абсцисс (если величина приведенных
затрат отражается на оси ординат) непрерывно смещается вправо,
в сторону увеличения масштабов оборудования. Это связано с тем,
что оптимальные масштабы оборудования еще не достигнуты.
Такое смещение минимума определяется также ростом объема
производства на отдельных предприятиях.
Для производства редких металлов в настоящее время
оптимальные размеры оборудования, даже в рамках существующих
технологий, еще не достигнуты. Для большинства производств
имеются большие возможности увеличения масштаба основного
технологического оборудования.
Методы определения производительности аппарата
Эти методы можно разделить на три основные группы [11]:
методы аналитического расчета; методы применения эмпирических
формул; методы расчета по удельным показателям.
Эмпирические формулы могут использоваться во всех трех
группах методов расчета. Но в первой и третьей они не являются
определяющим методом, а только вспомогательным средством.
Методы аналитического расчета применяются к аппаратам, для
которых теория осуществляемых в них процессов достаточно
разработана. В этом методе могут сочетаться как чисто
теоретические методы, основанные на общих законах физики, химии,
физической химии и т. п., так и ряд показателей, полученных в ходе
практической эксплуатации аналогичного оборудования или его
элементов. При этом практические показатели должны не
противопоставляться данным, полученным на основе теоретического
расчета, а дополнять их. Практические показатели в этом случае
устраняют несоответствие между действительной картиной
протекающего в аппарате процесса и его теоретическим описанием.
Такое описание — всегда более или менее удачное приближение
к действительной картине, но никогда не может исчерпать все
особенности процесса полностью. Примером, иллюстрирующим
значение экспериментально полученных показателей для
аналитического расчета производительности оборудования, является процесс
электролиза. Закон Фарадея позволяет определить
производительность электролизера в зависимости от электрохимической
характеристики извлекаемого продукта и силы тока. Однако для
определения действительной производительности электролизера
необходимо ввести поправочный, экспериментально устанавливаемый
коэффициент — выход по току. Коэффициент, устанавливаемый
экспериментально, уточняет теоретическую зависимость,
раскрывая ее детали, не поддающиеся из-за неполноты имеющейся
информации определению расчетным путем.
Аналитические методы расчета оборудования применяются ко
многим процессам механического разделения фаз. На основе
законов гидродинамики определяют скорость разделения. Лналитичес-
189
кому расчету поддаются химические реакторы во многих
процессах. В тех случаях, когда производительность аппарата зависит
от скорости химической реакции, для расчета используют законы
химической кинетики. В процессах, скорость протекания которых
определяется энергетическим балансом аппарата, для расчета
используют законы термохимии и теплопередачи. Общие законы
массообмена используются при расчетах производительности
аппаратуры разделения ректификацией и экстракцией.
Метод применения эмпирических формул используется в
случаях, когда теория проектируемого процесса не достигла еще
уровня, позволяющего применить ее для точного прогнозирования
хода процесса в зависимости от заданных условий, но практика
накопила достаточно большой статистический материал.
Обрабатывая статистический материал, устанавливают зависимости
между производительностью, режимами работы и конструктивными
параметрами оборудования. Зависимости эти выражаются
формулами, которые, не вскрывая технологической основы процесса,
с большей или меньшей степенью точности описывают взаимосвязь
между отдельными параметрами. При работе с эмпирическими
формулами необходимо точно определять пределы их
применимости. Отсутствие в них четко выявленной связи с технологическими
закономерностями предопределяет обычно невозможность их
применения в большом интервале значений аргумента.
Иногда эмпирические формулы используют в преобразованном
виде, а именно в виде номограмм. В некоторых случаях на
номограмме указывают не параметры оборудования, а непосредственно
индекс его типоразмера. Номограммы используют также для
упрощения расчетов по оборудованию с помощью аналитических
методов.
Метод расчета по удельным показателям применим для
аппаратуры, в которой производительность связана с одним из
известных параметров линейной зависимости. Удельные показатели,
устанавливающие соотношение в этой зависимости, определяют на
основе опыта эксплуатации аналогичного оборудования.
Расчеты производительности по удельным показателям делятся
на две группы — расчеты по геометрическим параметрам и расчеты
по энергетическим параметрам.
Расчеты по геометрическим параметрам исходят из удельной
производительности на единицу объема, площади или длины
аппарата. Некоторые виды реакторов, печные агрегаты, топочные
устройства, мельницы рассчитывают на основе практических
показателей нагрузки или съема с 1 м3 рабочего объема аппарата.
Аппараты для разделения фаз, ряд аппаратов для процессов плавки и
спекания рассчитывают на основе показателей нагрузки или съема
с 1 м2 рабочего сечения или поверхности аппарата. Некоторые
виды оборудования (магнитные сепараторы, барботеры для
очистки газов) рассчитывают на основе показателей удельной
производительности ширины или длины рабочих элементов аппарата
(например, длины гребенки для барботера).
190
Преобразованной формой расчета по удельным показателям
является расчет по времени пребывания в аппарате. По времени
пребывания в аппарате в ряде случаев вычисляют
производительность химических реакторов для жидкостей, газов, а иногда и
твердых шихт как непрерывного, так и периодического действия.
Удельные производительности, отнесенные к единице объема аппарата,
и времени пребывания продукта в аппарате жестко связаны между
собой. Из них время пребывания в аппарате непосредственно
связано с технологическим содержанием процесса и является
величиной исходной. Вместе с тем удельная производительность,
отнесенная к единице объема аппарата, хотя и производная величина,
нагляднее отражает возможную производительность аппарата и
несколько упрощает соответствующий расчет.
Аналогичные связи между двумя формами показателей
производительности оборудования существуют и при сопоставлении
линейной скорости прохождения продукта и удельной
производительности, отнесенной к единице ширины или длины конструктивного
элемента аппарата, линейной скорости и удельной
производительности, отнесенной к площади поперечного сечения аппарата.
Расчеты производительности оборудования по удельным
показателям, связанным с энергетическими параметрами, широко
используют удельные расходы энергии на производство единицы
продукции. Такие методы часто применяются для расчета
производительности электропечных установок разного назначения.
Характерным примером расчетов рассматриваемого вида являются также
расчеты производительности электролизеров. В этих случаях в
качестве удельного показателя фигурирует удельный расход
количества электрической энергии на единицу продукции. В более
распространенной форме для этого расчета принимается сила тока,
необходимая для обеспечения единичной производительности (кг/ч,
т/сутки и т. д.). По удельному расходу воздуха или воды на
единицу транспортируемой продукции рассчитывают
производительность установок для пневматического и гидравлического
транспорта.
В ряде случаев расчет по удельным энергетическим
показателям совпадает с расчетом по удельной производительности,
отнесенной к единице объема или площади аппарата. Это связано
с тем, что иногда удельная мощность аппарата, отнесенная к
единице его объема или к площади рабочей поверхности, бывает
величиной постоянной. Расчет по удельным показателям может
иметь элементы как аналитического расчета, так и расчета по
эмпирическим формулам. От эмпирических формул расчет по
удельным показателям отличается тем, что почти в любом случае
он несет в себе определенный технологический смысл. От
аналитического расчета расчет по удельным показателям отличается тем,
что функциональная взаимозависимость параметров процесса и
оборудования в нем почти всегда показывается только
приблизительно, так как ограничивается линейной связью. Последнее
обстоятельство требует при применении этого метода расчета
191
тщательного анализа возможных пределов изменения масштаба
оборудования. Как правило, удельные показатели сопоставимы
только для оборудования, сопоставимого по производительности
с проектируемым. Поэтому нельзя переносить в промышленное
проектирование показатели, полученные в ходе лабораторных
работ. Удельные показатели для проектирования оборудования
следует в данном случае принимать на основе опыта аналогичных
промышленных производств или опытно-промышленных установок.
Ограниченность возможностей метода расчета по удельным
показателям при изменении масштаба оборудования особенно наглядно
видна на примере расчета по удельным энергетическим затратам.
Простейший анализ и практика показывают, что удельный расход
энергии с увеличением масштаба оборудования снижается. Это
требует при значительном изменении масштаба оборудования
вводить поправочные коэффициенты, учитывающие соответствующее
изменение удельного расхода энергии.
Выше рассмотрены методы расчета оборудования,
конструируемого специально для проектируемого производства. Однако
значительная часть оборудования, принимаемого в проекте,
типовое, серийно выпускаемое промышленностью. Такое оборудование
имеет зафиксированную в паспорте техническую характеристику,
на основе которой и вычисляют его производительность. Если
в паспортных данных отражена производительность оборудования
в условиях, точно отражающих условия проектируемого
производства, производительность определяют непосредственно по паспорту,
без дополнительных расчетов. Если же условия, для которых в
паспорте определена производительность, отличаются от условий
проектируемого производства, необходим дополнительный расчет.
В зависимости от конкретных условий цель и результаты этого
расчета могут быть различными. Иногда производительность
типового оборудования в условиях проектируемого производства не
может быть определена расчетом. В этом случае ее определяют на
стадии исследования, проводя необходимые опытные работы.
Производительность оборудования рассчитывают по-разному
для аппаратов непрерывного действия и аппаратов периодического
или полунепрерывного действия.
Аппараты непрерывного действия рассчитывают по работе того
узла или по тому осуществляемому в аппарате процессу, который
лимитирует производительность аппарата. Такими узлами или
процессами могут быть осуществление контакта продуктов (время
контакта и объем реактора), процесс массообмена (число
ступеней разделения), процесс теплообмена (поверхность теплообмена),
узел питания или разгрузки аппарата и т. п. Так как аппарат
работает непрерывно, то количество продукта, перерабатываемое
в таком лимитирующем узле, совпадает с количеством продукта,
перерабатываемым аппаратом в целом, и определяет его
производительность. При расчете производительности аппарата
непрерывного действия главная задача — правильно определить узлы
аппарата, лимитирующие его работу. После определения производитель-
192
ности лимитирующих узлов необходимо обеспечить взаимное
соответствие по производительности всех узлов аппарата.
При расчете производительности аппаратов периодического или
полунепрерывного действия в основу расчета берут понятие
цикловой производительности и длительности производственного цикла.
Цикловая производительность равна количеству продукта,
перерабатываемого в аппарате за один цикл его работы. Эту величину
определить относительно просто. Наиболее ответственен расчет
длительности цикла, который складывается из определения
элементов, составляющих цикл, и расчета продолжительности
каждого элемента. Типичные элементы, составляющие цикл: загрузка
аппарата, ввод аппарата в режим, собственно технологический
процесс, вывод аппарата из режима, разгрузка аппарата.
Возможно достаточно широкое варьирование состава элементов цикла.
Для операций, осуществляемых при обычных давлениях и
температурах, такие элементы цикла, как ввод аппарата в режим и
вывод из режима, могут отсутствовать. Операции загрузки и
разгрузки аппарата могут для некоторых процессов заменяться
операциями монтажа и демонтажа аппарата. Продолжительность
каждого из элементов цикла рассчитывают отдельно. Длительность
загрузки, разгрузки, монтажа, демонтажа аппарата и подобных им
операций определяют на основе практического опыта.
Длительность собственно технологического процесса рассчитывают по
заданному режиму или определяют на основе выполненных научно-
исследовательских работ. Длительность ввода и вывода аппарата
из режима, если условия их оговорены требованиями технологии,
можно рассчитать. После определения состава цикла и
длительности каждого из его элементов устанавливают общую
продолжительность цикла. При этом полная продолжительность цикла, если
учтены все его элементы, определяется как время между началом
двух последовательных циклов.
При определении длительности цикла необходимо учитывать,
что длительность цикла для одного и того же процесса может
принимать различные значения. Это связано с тем, что в
технологическом процессе могут участвовать два или большее число
различных аппаратов и устройств, продолжительность занятости которых
в данном цикле различна. Соответственно длительность
рассматриваемого цикла применительно к каждому из этих аппаратов также
различна. Характерным примером может служить магниетермичес-
кое восстановление четырххлористого титана. Даже при
упрощенном рассмотрении можно представить, что в процессе участвуют
два аппарата — собственно аппарат восстановления (реторта) и
печь, в которой этот аппарат на время проведения процесса
восстановления .устанавливается. Длительность цикла для этих двух
аппаратов будет различной. Для собственно аппарата — реторты цикл
может складываться из следующих элементов: сборка, вакуумиро-
вание на стенде и заполнение инертным газом, установка в печь,
загрузка жидкого магния, разогрев, собственно процесс
восстановления, охлаждение в печи, извлечение из печи, транспортировка
1,3 Зак. Si 4i>l
193
в отделение вакуумной дистилляции. Для печи в цикле будут
участвовать только элементы от установки в печь до извлечения из
печи включительно. Таким образом, длительность цикла для
аппарата в процессе восстановления значительно больше длительности
цикла для печи.
При расчете оборудования как непрерывного, так и
циклического действия следует учитывать, что для одного и того же
аппарата величина производительности может принимать различные
численные значения в зависимости от того, по какому продукту
производительность определяется. Производительность можно
устанавливать по конечному продукту, выгружаемому из аппарата, по
исходному продукту — сырью, содержащему извлекаемый
компонент и загружаемому в аппарат, а иногда и по шихте,
загружаемой в аппарат. Отличие расчета по шихте от расчета по сырью
заключается в том, что при расчете по сырью учитывается только
один содержащий полезный компонент продукт. При расчете по
шихте учитывается количество всех загружаемых совместно с
сырьем продуктов — восстановителя, флюсов, связующего (при
брикетировании или грануляции) и т. д.
При оценке эффективности работы оборудования иногда
производительность оборудования, даже при цикличной, а не
непрерывной работе, устанавливают в расчете на единицу времени.
Но в расчете при определении годовой производственной
мощности обычно используют непосредственно цикловую
производительность и число циклов работы аппарата в году.
Основные разделы расчетов оборудования
При проведении расчетов оборудования собственно расчет
разделяется на ряд разделов, как правило, взаимосвязанных:
1) расчет емкости или пропускной способности аппарата;
2) расчет энергетического баланса аппарата и режима
энергопитания;
3) выбор габаритов, целесообразных с точки зрения
обслуживания аппарата;
4) конструктивный расчет аппарата, включающий расчет
механического привода и расчет элементов конструкции аппарата на
механическую прочность.
Не все разделы расчета выполняют для каждого
использованного в проекте аппарата. В том случае, когда их делают, не все
разделы расчета аппарата проводят на стадии проектирования.
В обязательном порядке па стадии проектирования выполняют
два первых раздела: расчет емкости или пропускной способности
и энергетический расчет аппарата. Два последних раздела
расчета производят, как правило, только на стадии
конструирования.
Расчет емкости или пропускной способности аппарата
опирается на использование двух основных величин — объема
материала, одновременно находящегося в аппарате, и коэффициента за-
194
полпенни объема аппарата материалом. Зависимость названных
показателей может быть выражена формулой
Vv-^f-, (14)
где Кац — объем рабочего пространства аппарата, м3; л и т. д.;
Кмат — объем материала, одновременно находящегося в
аппарате, м3, л;
т)у — коэффициент заполнения рабочего объема аппарата
материалом (безразмерный).
Объем материала, находящегося в аппарате, определяют из
расчета материального баланса. Для аппаратов периодического
действия этот объем равен объему единовременной загрузки
аппарата. Для аппаратов непрерывного действия этот объем
рассчитывают как произведение производительности аппарата в
единицу времени на длительность пребывания перерабатываемого
материала в аппарате:
^мат— qt, (15)
где q — производительность аппарата, м3/ч, л/мин и т. д.;
t — время пребывания материала в аппарате, ч, мин и т. д.
Коэффициент заполнения рабочего пространства аппарата
устанавливают на основе результатов опытных работ.
Кроме расчета объема аппарата, при расчете его пропускной
способности необходимо также определить, насколько заданная
производительность аппарата обеспечивается транспортными
устройствами, входящими в состав аппарата — питателями,
разгрузочными устройствами, системами для перемешивания продуктов
внутри аппарата. Производительность транспортных устройств
прямо определяет производительность аппаратов непрерывного
действия. Для аппаратов периодического действия, если в них
имеются транспортные устройства, производительность определяет
продолжительность вспомогательных транспортных элементов
цикла. При увеличении длительности таких вспомогательных
операций возрастает общая длительность цикла, соответственно
снижается удельная доля времени, затрачиваемого на собственно
технологический процесс, и производительность аппарата за
календарное время.
Расчет энергетического баланса аппарата и режима
энергопитания включает определение источников поступления энергии в
аппарат и путей отвода энергии из аппарата. Задачей расчета
энергетического баланса аппарата является установить соотношение
между приходом и расходом энергии в аппарате при заданных
условиях технологического процесса. Выявленная разница между
приходом и расходом энергии определяет количество энергии,
которое подведено или отведено за счет специальных устройств,
введенных в конструкцию аппарата.
Приход тепла может состоять из двух основных статей—тепла,
вносимого в аппарат с исходными продуктами, и тепла, выделяе-
13* 195
мого в результате протекания химических реакций. Расход гепла
может состоять из трех статей — тепла, выносимого из аппарата
конечными продуктами, тепла, затрачиваемого на
физико-химические превращения перерабатываемых продуктов, и тепла, теряемого
аппаратом в окружающую среду. Связь этих величин может быть
выражена алгебраической суммой
QnH+Qx.p+On.K-;-Q!|,x.,.-r-Q,.-i-Q.a-o> (16)
где Qim — тепло, вносимое с исходными материалами;
Qx.p—-тепло, выделяющееся в результате протекания
химических реакций;
Qn.K — тепло, выносимое из аппарата конечными продуктами;
<3фх. п — тепло, затрачиваемое на физико-химические
превращения;
Qn — тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду;
<2д — тепло, которое необходимо дополнительно подвести
к аппарату пли отвести от него для обеспечения
заданных условий протекания процесса.
При расчете целесообразно принимать положительными статьи
баланса, в которых показано тепло, подводимое к аппарату, и
наоборот. Из шести величин, связанных формулой, только две
однозначны. Величина Qnn всегда положительна. Величина Qu. K всегда
отрицательна. Остальные величины в зависимости от условий
осуществления процесса могут быть как положительными, так и
отрицательными.
После определения величины фд решается вопрос о методе
подвода энергии к аппарату или ее отвода. При недостатке тепла для
обеспечения заданных условий осуществления процесса его
подводят с помощью одного из методов, применяемых в промышленной
практике: прямое сжигание топлива, нагрев теплоносителем,
предварительный нагрев перерабатываемого продукта, электрообогрев
в разных формах, различные виды лучевого нагрева. Кроме того,
тепловой баланс можно регулировать простым увеличением
тепловой изоляции аппарата и, следовательно, уменьшением потерь
тепла в окружающую среду. При избытке тепла и необходимости
его отвода для решения задачи используются, как правило, только
два метода -- развитие поверхности теплоотдачи между аппаратом
и окружающей средой и применение низкотемпературных
теплоносителей.
Изложенные выше положения относятся в общей форме к
расчету аппаратов непрерывного действия и аппаратов периодического
действия в период установившегося режима. Однако для
аппаратов периодического действия, а в ряде случаев и для аппаратов
непрерывного действия обязательным элементом общего
энергетического расчета является расчет операции ввода аппарата в
тепловой режим, необходимый для осуществления процесса, и вывода
из этого режима. В расчете стационарного режима, о котором
говорилось выше, фактор времени не влияет на результат, так как
все величины, участвующие в расчете, выражаются через коли-
196
чества энергии, поглощенной или выделенной за единицу времени
(обычно час). При расчете нестационарного режима, режима пуска
или остановки аппарата время является одной из величин,
определяющих результаты расчета. В задачу расчета входит определить
количество тепла, которое должно быть подведено к аппарату или
отведено от него в период ввода в режим. При этом время,
необходимое для ввода в режим, и количество тепла, подводимое к
аппарату в единицу времени или отводимое от него, связаны
зависимостью
VnycK IQ пуск. • \* * )
где Qnyci; — общее количество тепла, которое необходимо для
ввода аппарата в режим подвести к аппарату (или
отвести от него);
/ — время, необходимое для ввода аппарата в режим;
<7пуси — количество тепла, подводимое к аппарату или
отводимое от него в единицу времени *.
Па основе приведенной зависимости можно решать две
обратные задачи — по заданной мощности энергопитания устанавливать
необходимое время разогрева и но заданному времени разогрева
определять необходимую пусковую мощность энергопитания.
Выбор габаритов, целесообразных с точки зрения
обслуживания аппарата, зависит прежде всего от необходимости
обеспечения наблюдения за аппаратом, управления ходом процесса,
а также выполнения немеханизированных операций по
обслуживанию аппарата. Габариты и особенности конструкции аппарата
в последнем случае должны обеспечивать не только саму
возможность выполнения соответствующих ручных операций, но и
хорошие условия труда для обслуживающего персонала.
При выборе габаритов аппарата должны учитываться также
условия его транспортировки от места изготовления и монтажа на
проектируемом объекте.
Конструктивный расчет выполняется при конструировании
аппарата. В процессе проектирования используют законченные
материалы конструкторской разработки. При конструировании следует
учитывать нагрузки от массы конструкции аппарата, от
находящихся в нем материалов (в том числе динамические), от давления
или разрежения, создаваемых по требованиям технологии.
Конструкция должна учитывать условия транспортировки и монтажа и
влияние температурных условий эксплуатации. Кроме того,
конструкция должна учитывать условия энергоснабжения аппарата
в проектируемом производстве.
3. РАСЧЕТЫ АППАРАТОВ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
В настоящем разделе рассмотрены некоторые примеры расчета
оборудования для производства редких металлов. Такие расчеты
следует выполнять при конструировании оборудования, они не
* Если величина дВуск переменная, то принимают ее среднее значение.
197
входят в состав собственно проектных работ. Но в ходе
проектирования необходимо выявлять возможности изменения
характеристик оборудования, иметь представление о факторах,
ограничивающих такие изменения, и на основе этого правильно
формулировать задание на изменение конструкции существующего или
конструирование нового оборудования.
Цель приведенных расчетов выявить основные параметры
оборудования и демонтировать важнейшие зависимости,
определяющие эти параметры. В каждом из примеров, которые в основном
достаточно отличны один от другого, главное внимание уделяется
моментам, влияющим на проектные решения. При этом
рассматриваются для каждого аппарата не все возможные его
модификации, а только одна или две, которые позволяют показать
совокупность факторов, влияющих на его основные параметры. Точно
так же каждый из рассматриваемых примеров расчета не является
исчерпывающей методикой расчета, а только схемой,
позволяющей выявить принципы подхода к расчету аппарата
соответствующего типа.
Аппараты и установки, рассмотренные в качестве примеров
оборудования редкометаллической промышленности, можно
условно отнести к двум группам. К первой группе относятся
специфические технологические аппараты: кипящего слоя,
ректификации, экстракции, фильтрации, металлотермического
восстановления, электролиза, иодидного рафинирования. Ко второй группе
следует отнести аппаратуру, предназначенную для выполнения
вспомогательных, в частности транспортных операций, и
обслуживания основных технологических операций. К этой группе относятся
насосы, вентиляторы, оборудование для создания вакуума, теплооб-
менное оборудование, а также емкостные устройства. Особенность
второй группы заключается в том, что оборудование,
принадлежащее к этой группе, рассчитывают, как правило, только на стадии
проектирования. Оборудование этой группы можно рассчитать как
элемент системы аппаратов и устройств, складывающейся только
в процессе проектирования. Поэтому расчет этого оборудования
возлагает особую ответственность на автора проекта.
Порядок расположения примеров избран, исходя из обычной
последовательности расположения соответствующих аппаратов
в технологической цепи — от вскрытия сырья к получению
металлов. Аппараты общего назначения рассмотрены в конце.
Аппараты для проведения гетерогенных процессов в кипящем слое
Аппараты с использованием кипящего слоя получили достаточно
широкое распространение применительно к процессам обжига,
хлорирования, сушки и некоторым другим. Наиболее детально
процессы в кипящем слое разработаны для обжига
сульфидных концентратов, в том числе в металлургии редких
металлов для обжига молибденовых концентратов, для хлорирования
титанового и циркониевого сырья. Процессы в кипящем слое
198
используются также для сушки материалов и даже для выпарки
растворов.
Кипящий слой твердых частиц в газовом потоке
характеризуется интенсивным контактом между твердой и газовой фазами,
большой однородностью состава и высокой теплопередачей. Эти
качества кипящего слоя обеспечивают возможность проведения
процессов с высокой интенсивностью при достаточно эффективном
регулировании условий протекания процесса.
Одним из наиболее существенных вопросов конструкции
аппаратуры и технологии кипящего слоя является обеспечение
теплового режима в слое и надслоевом пространстве. Повышение тем-
Рнс. 97. Печь для обжига в кипящем слое:
/ — подина; 2 — шахта
пературы в слое в большинстве случаев нарушает ход процесса
из-за спекания или сплавления шихты. Снижение температуры
ниже оптимальной приводит к неполноте протекания процесса. Что
касается температуры газов в надслоевом пространстве, то
поддерживать ее в определенных пределах необходимо для обеспечения
эффективной работы системы улавливания пыли, вынесенной из
слоя газовым потоком. Кроме того, для ряда технологий в
надслоевом пространстве завершается процесс взаимодействия пыли
с газами, для чего также необходим определенный температурный
режим.
Аппарат для осуществления процесса в кипящем слое (рис. 97)
в наиболее распространенном исполнении представляет собой
шахту, разделенную по вертикали подиной [46]. Твердый продукт
в виде порошка или гранул загружается на подину. Газообразный
199
реагент подается под подину и поступает в слой твердого
материала через сопла в подине. При прохождении газов через слой со
скоростью, превышающей критическую, возникает эффект
псевдоожижения слоя, в результате которого твердые частицы
оказываются во взвешенном состоянии и интенсивно перемешиваются.
Газообразные продукты процесса отводятся из надслоевого
объема, а твердые продукты отбираются непосредственно из кипящего
слоя. Аппаратура для проведения процесса в кипящем слое
является аппаратурой непрерывного действия. При расчете аппаратуры
определяют габариты реактора, обеспечивающие заданные
производительность аппарата, качество получаемой продукции и
тепловой режим процесса.
Для определения или обоснования производительности
аппарата кипящего слоя необходимо:
1) по заданной производительности и показателям кинетики
процесса определить минимальный необходимый объем кипящего
слоя (количество одновременно находящегося в аппарате твердого
продукта);
2) по известному показателю удельного расхода газов на
единицу массы твердого продукта и оптимальному количеству дутья
на единицу поверхности подины определить удельную
производительность печи, отнесенную к единице поверхности подины;
3) на основе известных удельной производительности и объема
кипящего слоя, а также условий протекания процесса в надслое-
вом пространстве определить основные габариты печи — площадь
подины, высоту кипящего слоя и габариты надслоевого
пространства;
4) из расчетных и экспериментальных данных определить
характеристику и число сопел в подине печи;
5) на основе расчета определить общее сопротивление печи и
требуемый напор газов, подаваемых в печь;
6) по материальному балансу и выявленным конструктивным
размерам установки составить тепловой баланс и определить
количество тепла, которое следует подвести к аппарату или отвести
от него.
Определение минимального объема кипящего слоя. Химические
реакции или другие процессы, протекающие в кипящем слое,
требуют определенного времени пребывания перерабатываемого
материала в слое. Для обеспечения заданной полноты протекания
процесса необходимо выдерживать определенные соотношения
между производительностью по перерабатываемому материалу,
количеством материала, находящегося в кипящем слое, и показателями
кинетики осуществления процесса. Для печей с малым объемом
кипящего слоя, для которых можно принимать, что вновь
поступающий материал распределяется мгновенно, зависимость
определяется формулой [17]
~-\?№, (18)
и
200
где С — концентрация в конечном выгружаемом из слоя продукте
исходного материала, не претерпевшего изменений
(конечная концентрация), %;
М — количество материала, находящегося в кипящем слое,
в пересчете на исходный продукт, кг;
т — количество материала, загружаемого в кипящий слой
в единицу времени, кг/ч.
Интеграл, отражающий кинетику процесса, может быть
получен экспериментально для любых фактических значений С, М, т.
После установления значения интеграла на основе заданных
значений Сит определяют величину М. В аппаратах большого
масштаба необходимо учитывать, что перемешивание проходит
не мгновенно, а во времени. Для этой цели разработаны методы
[47].
После определения количества материала, находящегося в
кипящем слое, минимальный объем кипящего слоя вычисляют по
формуле
V^-^f-, 09)
где VK. с — объем кипящего слоя, м3;
AV — удельный объем материала в печи в аэросмеси.
Определяется в ходе экспериментальных работ. Обычно
превышает удельный объем для твердого материала
примерно в 4 раза, м3/т;
f— коэффициент нахождения печи под дутьем. Обычно
0,93—0,97.
Определение удельной производительности печи. Удельная
производительность, отнесенная к единице поверхности подины,
зависит в первую очередь от количества газообразного реагента,
проходящего через эту поверхность. Так как скорость подачи
газового реагента или количество дутья определяются
аэродинамикой процесса и не могут произвольно изменяться, то именно она
является величиной, лимитирующей удельную
производительность.
Удельную производительность печи кипящего слоя
рассчитывают по формуле
а- 14У» , (20)
где а — удельная производительность печи по
перерабатываемому продукту", т/м2-сутки;
Л^о — оптимальное количество дутья, определяемое
экспериментально, м3/м2' мин;
1440 — количество минут в сутках;
f — коэффициент нахождения печи под дутьем;
Ууд — удельный расход газа в нормальных условиях на тонну
перерабатываемого материала, определяемый из
материального баланса процесса, м3/т.
201
Определение основных габаритов печи. Площадь подины печи
вычисляют по формуле
/•'-4. <21>
где F — площадь подины, м2;
А—производительность печи по перерабатываемому продукту,
т/сутки;
а —аналогично формуле (20).
Высоту кипящего слоя рассчитывают по формуле
Як.с-^, (22)
где //,;. с — высота кипящего слоя, м.
Следует отметить, что вычисленная по формуле (22) высота
отвечает условиям качественной переработки твердой шихты. Так
как это требование не является единственным и исчерпывающим
для любого из процессов, осуществляемых в кипящем слое, то
определенную таким образом высоту кипящего слоя следует
проверить на аэродинамическую устойчивость слоя и полноту
использования газового реагента. Аэродинамическая устойчивость слоя
требует, чтобы высота слоя не была ниже некоторой минимальной.
При чрезмерном уменьшении высоты слоя процесс псевдоожижения
нарушается и газы образуют в слое отдельные каналы, через
которые проходят, не вступая в контакт с основной массой
материала. Такого рода нарушения возможны при высокой скорости
протекания процесса. Небольшой минимальный объем кипящего
слоя для таких процессов приводит к малым значениям его
высоты. Что касается полноты использования газового реагента, то
этот вопрос важен для технологий, где обязательно полное
использование реагента. Наиболее характерный пример такого рода
технологии— хлорирование. В этом случае высоту слоя следует
определять из условия полного поглощения соответствующего реагента
на основе данных научно-исследовательских работ.
Габариты надслоевого пространства устанавливают на основе
опытных данных о характере выноса пыли из слоя и времени,
необходимого для полного завершения процесса взаимодействия
пыли и газов. В значительной степени принимаемые решения
определяются конструктивными соображениями. Сечение надслоевого
пространства устанавливают на основе задания скорости газового
потока, исключающей или снижающей унос пыли по сравнению
с условиями в кипящем слое:
F„.„- = ^^, (23)
"^г. н. с
где FH. п — сечение надслоевого пространства, м2;
vr. и. с — объем газов, проходящих через надслоевое
пространство в единицу времени, м3/с;
ti'r. и. с — скорость газов в надслоевом пространстве, м/с.
Обьем падслоевого пространства рассчитывают из среднего
времени пребывания газов в надслоевом пространстве по формуле
Vm=--k'Vrma.cl, (24)
где Уне—-объем падслоевого пространства, м3;
t — необходимая продолжительность пребывания
запыленных газов в надслоевом пространстве, с;
k — коэффициент запаса, учитывающий неполное
использование объема надслоевого пространства газами;
vr. п. с — аналогично формуле (23).
Все остальные размеры надслоевого пространства определяются
конструктивно, в зависимости от его конфигурации.
Определение числа дутьевых сопел. Для определения числа
сопел необходимо рассчитать или выбрать скорость истечения газов
из сопел на основании данных практики.
Количество сопел определяют по формуле
п-1'2ЧГ1Т' (25)
""con J
где п — количество сопел на аппарате;
Vp.r — расход газа в нормальных условиях, м3/с;
/ — площадь выходных отверстий одного сопла, м2;
Warn — скорость газа в соплах, м/с;
1,2 — коэффициент запаса.
Определение общего гидравлического сопротивления аппарата.
Общее гидравлическое сопротивление складывается из трех
величин:
^Poбщ-,APcл+^PПOЛ+^P^p, (26)
где ДРобщ — общее сопротивление системы, мм вод. ст.;
ДРСЛ— сопротивление кипящего слоя, мм вод. ст.;
АРпод — сопротивление подины, мм вод. ст.;
АРтр— сопротивление трубопроводов и распределительных
устройств, по которым поступает газ, мм вод. ст.
Гидравлическое сопротивление слоя выражается формулой
A/V-//kc(Ttb -;r)(l-3), (27)
где Ytr — плотность твердого материала, кг/м3;
Yi—плотность газа в слое, кг/м3;
б—доля объема газов в общем объеме слоя; для многих
процессов 0,65—0,85.
Гидравлическое сопротивление подины обычно равно 50—
100 мм вод. ст. В некоторых случаях его можно рассчитать.
Гидравлическое сопротивление системы подводящих газ
трубопроводов и устройств определяют по общепринятой методике. При
расчете гидравлического сопротивления слоя и различных участков
газового тракта до и после аппарата, а также в некоторых
других расчетах необходимо учитывать, что состав газов при
203
прохождении через слой меняется. В процессе хлорирования в
частности, хлор полностью заменяется парами хлоридов.
Расчет теплового баланса аппарата. Расчет Теплового баланса
аппарата кипящего слоя строится на основе общей схемы.
Особенность расчета — необходимость для ряда процессов рассчитывать
материальный баланс раздельно по двум зонам—собственно
кипящему слою и надслоевому пространству. В существующей
промышленной практике процессы, осуществляемые в кипящем слое
являются в ряде случаев экзотермическими и сопровождаются
значительным выделением тепла. Это приводит к необходимости
вводить в аппараты охлаждающие элементы. Одним из наиболее
хорошо себя зарекомендовавших вариантов охлаждения
применительно к обжигу сульфидных минералов являются трубчатые
теплообменники с паро-водяной эмульсией высокого давления
Необходимую поверхность таких теплообменников рассчитывают по
общим методам расчета теплопередачи.
Регулировать тепловой баланс надслоевого пр0странства можно
регулированием термического сопротивления наружных стенок и
свода путем изменения их теплоизоляции или другими методами
Однако для ряда процессов возможно положение, при котором
тепла, генерируемого в кипящем слое, недостаточно Для
Поддержания заданного температурного режима. Дополнительное
количество тепла можно подвести непосредственно в слой, устанавливая
в нем нагревательные элементы, или с соответствующим газом
Газ можно нагревать, пропуская его через соответствующие теито-
обменники, или за счет сжигания в нем топлива. Иногда твердое
топливо можно вводить непосредственно в слой.
При рассмотрении в ходе проектирования Вопроса об увети-
чении. производительности аппарата кипящего сдоя по Сравнению
с ранее разработанным и опробованным типоразмером необходимо
учитывать основные моменты, ограничивающие возможность
такого увеличения. В основном лимитирующим Моментом явтяется
возможность подачи газового агента, создающего собственно"
кипящий слой. Псевдоожижение для каждого конкретного Материала
возможно только в определенном интервале скоростей
прохождения газа через слой. Это соответственно ограничивает удельную
производительность на единицу поверхности под а аппарата В
основном производительность аппаратов в кипящем слое при
заданном технологическом режиме следует повышать увеличением
площади подины аппарата.
При увеличении производительности аппаратов необходимо
учитывать изменения в тепловом балансе. При увеличении
производительности аппарата количество тепла, которое необходимо
дополнительно подвести к аппарату или отвести от него ГО по
формуле (16)], изменяется непропорционально росту
Производительности.
При увеличении размеров подины величины QI1Ib QK p> Qn к и
<2фх.п из формулы (16) изменяются пропорционально
Производительности. Что касается величины Qm„ то она изменяется пропор-
201
ционально площади поверхности ограждающих конструкции
аппарата, которые при изменении размеров подины возрастают
несколько медленнее, чем площадь последней.
Сырье
К
1_Г
Установки для разделения и очистки редких металлов
и их соединений методом ректификации
Установки для разделения методами ректификации [36] в
технологии редких металлов применяются для разделения соединений
редких металлов, в первую очередь хлоридов [20, 21].- Установки
ректификации-—характерный пример оборудования каскадного
разделения, принципы которого являются общими для большой
группы процессов (экстракция,
ионный обмен, ректификация,
перекристаллизация и др.).
Оборудование ректификации — это
оборудование каскадного разделения
колонного типа, методы расчета
которого применимы для многих
колонных аппаратов.
Установка ректификации в
своей наиболее универсальной
форме (рис. 98) состоит из куба-
испарителя, отгонной
(исчерпывающей) колонны, укрепляющей
(концентрирующей) колонны и
конденсатора. При ректификации
из куба-испарителя отбирается
продукт, обогащенный
труднолетучим (высококипящим),
компонентом, а из конденсатора —
легколетучим (низкокипящим)
компонентом. Отгонная колонна
расположена между
кубом-испарителем и точкой ввода исходного сырья. Проходящий через нее продукт
постепенно меняет состав от исходного до конечного высококипя-
щего продукта, отбираемого из куба. Укрепляющая колонна
расположена между точкой ввода сырья и конденсатором. Проходя
через нее, состав продукта изменяется от исходного в точке ввода
сырья до конечного низкокипящего продукта, отбираемого из
конденсатора.
Деление на две секции, аналогичные отгонной и укрепляющей
колоннам, характерно для большинства установок каскадного
разделения. При этом секция, аналогичная отгонной колонне,
называется секцией извлечения. Секция, аналогичная укрепляющей
колонне, называется секцией обогащения.
В аппаратах колонного типа транспорт продуктов внутри
колонны осуществляется самотеком. Жидкие продукты самотеком
проходят от конденсатора к кубу-испарителю, а пары, вытесняемые
Высопокилящий
продукт
L
Рис. 98. Схема установки ректификации:
/ — куб-испаритель; 2 — отгонная колонна;
3 — укрепляющая колонна; 4 —
конденсатор-дефлегматор; 5 — делитель флегмы
205
жидкостью, движутся в противоположном направлении.
Особенностью процесса ректификации является также то, что стекающий
в куб-испаритель жидкий продукт выводится из процесса только
частично. Значительная, как правило, большая его часть
испаряется и возвращается в колонну в виде паров. Точно так же
поступающие в конденсатор пары только частично выводятся как
готовый продукт, а в большей своей части возвращаются после
конденсации в колонну в виде жидкости-флегмы. Отношение
количества жидкости, проходящего через секцию колонны, к
количеству продукта, отбираемого из этой секции, называется флегмо-
вым числом. Флегмовое число — одна из наиболее важных
технологических характеристик колонны.
Конструктивно колонны бывают двух основных видов —
тарельчатые и насадочные. Тарельчатые колонны отличаются
конструктивным делением на секции — тарелки, представляющие собой
реальные ступени контакта фаз. В насадочпых колоннах такого
деления нет и контакт фаз осуществляется непрерывно при
встречном их движении через насадку.
Основное содержание расчета установок ректификации —
определение (или обеспечение) разделительной способности установки,
установление (или обеспечение) производительности установки и
энергетический расчет установки. Расчет разделительной
способности установки выявляет необходимое число ступеней разделения
и соответствующее флегмовое число. Расчет производительности
установки сводится к определению габаритов и пропускной
способности каждой из таких ступеней разделения. Энергетический
расчет выявляет необходимый объем подвода энергии к установке
или отбор избытка тепла.
Полный расчет ректификационной установки осуществляется
в несколько стадий:
1. На основе заданных составов и количеств исходного и
конечного продуктов определяют характеристику идеального каскада
разделения применительно к заданным условиям. По
характеристике идеального каскада выявляют целесообразность
осуществления разделения в нескольких последовательных установках и
устанавливают исходные параметры этих установок.
2. На основе известных параметров установки разделения
определяют оптимальные флегмовые числа колонны и необходимое
число теоретических ступеней разделения.
3. На основе заданной производительности и определенных
флегмовых чисел, необходимого числа ступеней разделения и
принятой на основе опытных данных скорости прохождения продукта
по сечению колонны устанавливают необходимые геометрические
размеры колонны (ее высоту и диаметр).
4. На основе выявленных флегмовых чисел и тепловых нагру
зок в кубе и конденсаторе определяют их характеристики и
затраты энергоресурсов.
Расчет идеального каскада. Идеальным каскадом называется
такая система для разделения продуктов, объем которой теорети-
206
чески минимален, т. е. минимальна сумма потоков на всех
ступенях разделения [48—50]. Объем каскада принимается как
критерий оптимизации в связи с тем, что он достаточно полно отражает
необходимые затраты на сооружение каскада и его эксплуатацию
(последние в основном энергетические). Главное условие,
обеспечивающее такую минимальность объема каскада — изменение
объема переработки продукта от ступени к ступени. Число ступеней,
которое необходимо для получения на идеальном каскаде
требуемого разделения, вычисляют по формуле
xD(\~xs)
^ (1 — хп)х~
N^-■2 у , D' s—1, (28)
lga ^ I
где N— число ступеней разделения, необходимое для
получения заданной чистоты конечных продуктов при
работе идеального каскада;
Xd н Xs — концентрация легколетучего компонента в дистилляте
и в кубовом остатке соответственно (мольная или
массовая в долях единицы);
а — коэффициент относительной летучести разделяемых
компонентов, доли единицы.
В свою очередь а выражается формулой
Х(У-У1 (29)
(1— х)у v '
где х — концентрация компонента в жидкой фазе, доли единицы;
у— концентрация компонента в паровой фазе, равновесной
при данных температуре и давлении с рассматриваемой
жидкой фазой, доли единицы.
Значения концентраций х и у даются относительные, т. е. сумма
концентраций двух разделяемых компонентов в соответствующей
фазе принимается равной единице.
Так, для расчета полного каскада необходимо определить число
ступеней для отгонной и укрепляющей секций колонны. Это можно
вычислить по формулам:
для отгонной
для укрепляющей
lg
xf0-xs)
(I — хр)х„
ig
xd(1-'xf)
(I — xn) xr
пв- ( wD) F , (31)
где ns и nD — число ступеней разделения (тарелок) в секциях
отгонной и укрепляющей соответственно;
xt—концентрация извлекаемого компонента, по которому
идет расчет, в исходном сырье;
207
Р — коэффициент эффективного разделения,
аналогичный а, но в отличие от последнего определяемый
в неравновесных условиях процесса, равный Уа.
Поток жидкой фазы в зависимости от номера ступени на
каждой из ступеней идеальной колонны рассчитывают по формулам:
для отгонной секции
LT^-^j-lXsW-V+Q-XsW-m
(32)
для укрепляющей секции
^Пр.=-з^г[^(1-Г-Л')+(1-^)?(^-;-1)]-1, (зз)
где 5-
Низкокипящий
количество продукта, выводимого из отгонной секции на
1 моль продукта, получаемого в укрепляющей секции;
I — номер ступени разделения при
начале отсчета от выходного
конца секции извлечения.
Остальные обозначения аналогичны
формулам (28), (30) и (31).
Связь величины потока продукта на
каждой ступени и номера этой
ступени выражается графически фигурой,
подобной показанной на диаграмме
(рис. 99), независимо от принятых
исходных данных. Объем идеальной
V; 6
о?
чЧ
*
Ч,
•*
">,
<
■»|
!
ч
*
"о
1
t?
теоре
«г
S
0
/ продукт
а;
5>
*г
<
«о
1
^
\ 1
/ ^
У 1
■^"^
Сырье
\ Величина потока
\ Высококипящий
продукт
Рис. 99. Диаграмма
идеального каскада
Рис. 100. Диаграмма
разделительного потенциала
колонны характеризуется площадью фигуры на диаграмме и
может быть выражен формулой
К,
Р-г-1
(Э-1)1пЗ
D(2xD-l)ln
(1-*d)
+S(2xs-W1pbz-FVx'-1)jy5u
(34)
208
Множитель перед скобкой в формуле определяется свойствами
перерабатываемой системы, а выражение в скобке зависит от
объема потока и глубины разделения и показывает так
называемую разделительную мощность. Разделительная мощность
характеризуется потоком и разделительным потенциалом, зависящим от
концентрации. Общее выражение для разделительного потенциала
представлено формулой
Ф^(2Л/-1)1пт^г. (35)
При изменении относительной концентрации Xi от 0 до 1
разделительный потенциал изменяется по закону, представленному на
диаграмме (рис. 100). При значении хг=0,5
разделительный потенциал становится
равным 0. При предельных значениях X; 0 и 1
разделительный потенциал приобретает
бесконечно большое значение. Для получения ^
продукта бесконечно высокой чистоты не- |
обходимо затратить бесконечно большую |
работу. Из формулы (34) видно, что раздели- ,^
тельная мощность тем выше, чем больше |
разница между концентрацией одного из раз- |,
деляемых компонентов в исходном сырье и ^
его концентрацией в конечных продуктах. |
Затраты работы на разделение будут
минимальными, если концентрация извлекаемого
компонента в сырье будет близка к его
концентрации в одном из продуктов
разделения.
Диаграмма (см. рис. 99) показывает, что
для идеального каскада поток максимален в
точке питания сырьем и затем снижается
по мере приближения к концам каскада до
нуля. Реальные колонны состоят из
прямоугольных секций, поток и сечение в которых постоянны.
Использование объема в таких колоннах менее эффективно, чем в
идеальной. Для повышения эффективности использования объема
прямоугольную колонну разбивают на несколько колонн разного
сечения, контуры которых описывают контур идеальной колонны
(рис. 101). При выборе числа прямоугольных колонн следует
учитывать две противоположные тенденции. Увеличение числа
колонн уменьшает их суммарный объем, приближая его к объему
идеального каскада, но требует усложнения установки в целом,
вызывая необходимость в дополнительном оборудовании (кубы-
испарители, конденсаторы, системы управления). Первое ведет
к уменьшению затрат и повышению эффективности установки,
а второе — к обратным результатам. При выборе числа колонн
следует учитывать обе тенденции.
Потоп
Рис. 101 Разбивание
идеального каскада
на ряд колонн:
'1—4 — контуры
отдельных колонн
14 Зак. -V» 461
209
Определение необходимых флегмового числа колонны
и числа ступеней разделения в ней или для высоты колонны
Число необходимых ступеней разделения и флегмовое число
при заданных показателях разделения исходных продуктов —
величины взаимосвязанные и определяются совместно. Пути
определения разнообразны. Для тарельчатых аппаратов со ступенчатым
контактом фаз обычно применяют методы, основанные на
использовании понятий ступеней разделения — теоретических и
практических тарелок. Для насадочных аппаратов с непрерывным контактом
фаз преимущественно применяют методы, основанные на
использовании понятий высоты единицы переноса. В принципе каждый
из названных методов применим как к насадочным, так и к
тарельчатым колоннам, но практически использовать каждый из них
целесообразно только для одного вида колонн.
Для расчетов тарельчатых колонн существуют методы
аналитические и графические. Каждый из этих методов может
основываться на использовании данных как материального, так и
теплового балансов процесса.
При расчете флегмовое число можно выбирать от минимального
его значения до бесконечно большого. Минимальное значение
флегмового числа соответствует бесконечно большому числу ступеней
разделения и определяется по формулам:
для укрепляющей колонны
«-^^LZjl, (36)
>F F
для отгонной колонны
«=-£=?- • (37)
Максимальное бесконечно большое флегмовое число отвечает
работе колонны без отбора продуктов при минимальном числе
ступеней разделения, определяемом по формуле Фенске—Андервуда
[51]:
^m.n- ( ,еГ S , (38)
где все обозначения аналогичны формуле (28).
Таким образом, первая задача расчета заключается в
определении оптимального значения флегмового числа. Критерий
оптимизации— уменьшение объема колонны. Для нахождения
оптимума исследуется функция
/^)--(/?-1)ЛЛ (39)
В этой функции член (R+\) отражает поперечное сечение
колонны, a N--cc высоту. Если функция принимает минимальное
210
значение, R оптимально. Для исследования функции (39)
определяется изменение числа ступеней разделения в зависимости от
изменения R. Для отгонной колонны эта зависимость выражается
формулой
. (xF-d)(c~xs)
^ (с — хЛ (х„ — d)
Nmr-—± ^М '- , (40)
'g£o
где
с-
1
2
— а
-а
('■
h -
+ ^«2-
-\ а1-
■х
Яотг0
-ft
-*,
'
xF '
*\отг /
=о-1-з, (41)
а=а-1, (43)
(44)
(45)
(46)
— о ... (47)
«он-1
^?отг — флегмовое число отгонной части колонны;
х*- и a's— аналогично формулам (30 и 31).
Вычисления по формуле (40) можно заменить построением по
номограмме (рис. 102).
Для укрепляющей части колонны расчет можно вести по
аналогичным формулам с заменой xF, xs, Rorr на yD, yF, RyKp
соответственно.
График функции (39) представляет собой характерную кривую
с минимумом (рис. 103). Оптимальное значение флегмового числа
обычно составляет (1,3—l,5)Rm-m- По оптимальному флегмовому
числу определяют число теоретических ступеней разделения.
Наиболее распространенный графический метод расчета на
основе соотношений материального баланса использует диаграмму
X—Y Мак-Кеба и Тиле (рис. 104) [36, 42]. По этой диаграмме на
оси абсцисс показана относительная концентрация легкокипящего
компонента в жидкости, а по оси ординат — его относительная
концентрация в паровой фазе. Для проведения расчета на
диаграмме строят диагональ, связывающую точки (0, 0) и (1, 1), и
наносят кривую, связывающую состав жидкости и равновесных ей
паров, так называемую равновесную кривую. Затем проводят
линии рабочих концентраций, определяющие связь между
содержанием легкокипящего компонента в жидкости и паровой фазе для
реальных условий колонны.
14*
211
Положение линий рабочих концентраций на диаграмме
определяется их уравнениями:
для укрепляющей колонны
Уд , Л\кр
У-
для отгонной колонны
^укр f- 1 ' ^vicp :~ 1
У
/?о
1 Котг ^отг 1
X,
(48)
(49)
где все обозначения аналогичны использованным в формулах (47),
(48).
Рис. 102. Номограмма для определения минимального числа тарелок
Практически каждая из этих двух линий определяется двумя
точками. Одной из этих точек для отгонной колонны будет состав
жидкости в кубе, а для укрепляющей колонны — состав в
конденсаторе. Так как в этих точках состав паров можно принимать
соответствующим составу жидкости, то они отвечают принятым
значениям Xs и а'п и лежат на диагонали диаграммы. Другие легко
определяемые точки для рассматриваемых прямых будут точки
пересечения с осью ординат, т. е. при значении Х = 0. Ордината
определяется при этом для каждой из прямых первым членом
соответствующего уравнения. Точка пересечения прямых опреде-
212
ляет точку ввода питания в колонну и соответствует но составу
исходному сырью. Начиная от точки пересечения линий рабочих
концентрации строят, как это показано
на диаграмме, ломаные
последовательным переходом от линий рабочих
концентраций к равновесной кривой и
обратно. Число ступеней такой ломаной
линии, полученной на участке от точки
ввода исходного продукта до точки
соответствующей конечной заданной
концентрации, определяет число теоретических
ступеней разделения, которые должны
иметь отгонная и укрепляющая колонны,
соответственно. Оптимальное флегмовое
Рис. 103. Диаграмма нахождения оптимального флегмо-
вого числа
N(R+1)
30
1
J_i-.
"Г
■"1
!
_•.
'/
/1
7Т—
A. i
./ "J
П ! !
...
i У
*т/п "лг,
,1,0
число находят последовательным проведением описанного
построения для ряда значений R.
Y
1
_>_
Яукр +1
-&0ТГ-
0,0
/ /
у /
у /
/ /
//
/ >
0,0
- —,
и
/у*
^7
/ /
*-—?
\/S \
/ 1
/ 1
1 / 1
V / 1 |
/ 1
1
1 1
1
| 1
1 1
! 1
А
V X
1,0
Рис. 104. Диаграмма расчета теоретического числа тарелок по
Мак Кебу и Тиле
Разработаны и описаны методы, при которых характеристики
потоков (по массе) выражаются через тепловые величины, исиоль-
213
зуя которые аналитически или графически определяют число
ступеней разделения [44].
После установления необходимого числа теоретических тарелок
определяют необходимое число реальных тарелок. Расчет ведут
по формуле
^р=^. (50)
где Np— число реальных тарелок, необходимое для обеспечения
заданных показателей процесса;
jVt — число теоретических тарелок;
г] — коэффициент полезного действия реальной тарелки,
определяемый экспериментально (доли единицы, обычно
в пределах 0,2—0,8).
Иногда в расчетах можно использовать величину, обратную
коэффициенту полезного действия тарелки — количество реальных
тарелок, эквивалентное одной теоретической тарелке или одной
теоретической ступени разделения.
Если понятие о теоретической тарелке используется для расчета
насадочных колонн, то следующей операцией расчета будет
определение необходимой рабочей высоты насадки. Для этого
используют понятие высоты эквивалентной теоретической ступени
разделения (тарелки) (ВЭТС). Высотой эквивалентной теоретической
ступени называется высота насадки колонны, при прохождении
которой обеспечивается массообмен между фазами, эквивалентный
изменению концентрации на одной теоретической ступени
разделения. Высоту, эквивалентную теоретической ступени, определяют
экспериментально. Полную рабочую высоту насадки рассчитывают
по формуле
//--(B3TC)vVT, (51)
где Н — рабочая высота насадки, м;
(ВЭТС)—высота, эквивалентная теоретической ступени, м;
jVt — необходимое число теоретических ступеней.
В настоящее время в расчете колонных аппаратов разделения
в большинстве случаев используют метод, основанный на
применении понятий единицы переноса и высоты единицы переноса (ВЕП)
[36]. Под единицей переноса понимается изменение концентрации
в данной фазе компонента, переходящего из одной фазы в другую,
отнесенное к единице движущей силы. Общее число единиц
переноса для паровой фазы можно получить графическим
интегрированием из формулы:
оу .; Ур->' ■ 1 '
где Noy — общее число единиц переноса но паровой фазе;
f/p — равновесная концентрация легколетучего
компонента в паровой фазе, доли единицы;
214
Уп и ук — соответственно начальные и конечные концентрации
легколетучего компонента в той же фазе, доли
единицы.
Аналогичную формулу используют для определения числа единиц
переноса в жидкой фазе.
Для проведения графического интегрирования строят кривую
в координатах и или х (рис. 105) и подсчи-
Ур — У х — Хр
тывают площадь, ограниченную осью абсцисс, кривой, начальным
и конечным значениями принятой переменной. Для определения
необходимой общей рабочей высоты аппарата необходимо на
основе экспериментальных данных установить величину высоты
аппарата, соответствующую одной единице переноса.
При проектировании используются
результаты определенных
экспериментально величин высоты единицы
переноса (ВЕП). При этом общую
высоту единицы переноса вычисляют по
формуле, в которую входят частные
значения единиц переноса в отдельных
фазах. Общая высота единицы
переноса, выраженная в величинах
концентрации паровой фазы, составит
(ВЕП)оу--=(ВЕП)у4-/я -£- (ВЕП)Х, (53)
Ун У
Рис. 105. Диаграмма для
графического определения числа
единиц переноса
где (ВЕП)оу — общая высота единицы переноса, выраженная
в единицах концентраций паровой фазы, м;
(ВЕП) у — частная высота единицы переноса в паровой
фазе, м;
(ВЕП)ж — частная высота единицы переноса в жидкой фазе,
м;
-у- —отношение масс потоков фаз (паровой и жидкой);
т — тангенс утла наклона линии равновесия в данной
точке равен на прямолинейных участках линии
равновесия.
Рабочую высоту насадки вычисляют по формуле
/У—ЛГоу(ВЕП),
оу
(54)
Аналогичные формулы могут быть составлены для выражения
концентрации жидкой фазы.
При необходимости перехода от высоты, эквивалентной
теоретической ступени, к высоте единицы переноса и обратно можно
пользоваться формулой
(ВЭТС)--(ВЕП)
In т.
ln(l—as.vr) ,
(55)
215
где а — равновесный коэффициент разделения для элементарного
акта, доли единицы;
е — коэффициент обогащения, равный .
ос
Метод расчета числа ступеней разделения колонны выбирают
в зависимости от конкретных условий. Аналитические методы
обеспечивают высокую точность расчетов, однако применение их
связано с ограничивающими условиями, такими как постоянство
коэффициента летучести и соответственно линейный характер
изменения рабочих концентраций. Графические методы можно применять
при любом характере закономерностей изменения свойств в
системе, однако точность определения характеристик оборудования
ограничена техникой выполнения графических работ.
Графический метод, использующий диаграмму Мак-Кеба и
Тиле, в том виде, как он был изложен, также исходит из
предположения о постоянстве коэффициентов относительной летучести
компонентов смеси. Когда это положение не соблюдается, линии
рабочих концентраций не являются прямыми и описываются более
сложными уравнениями. Выбор методов, основанных на
использовании материального или теплового баланса, а также методов,
связанных с использованием представлений о теоретической
тарелке или числе единиц переноса, зависит в основном от того,
какие конкретные данные о перерабатываемых продуктах и
оборудовании имеются в момент расчета. Следует отметить, что
наиболее технологически обоснован рассмотренный в литературе
графоаналитический метод, основанный на понятиях единиц переноса
и использующий прием построения кинетической кривой [52].
Главное преимущество этого метода заключается в том, что
эффективность протекания процесса и степень приближения его к
равновесным условиям оцениваются дифференцированно для каждой
ступени разделения, для каждой тарелки. Это существенно
повышает надежность результатов расчета. Однако применять этот
метод можно только в том случае, если имеются достаточно
надежные данные по частным коэффициентам массопередачи.
Определение геометрических размеров (высоты и диаметра)
колонны. При определении высоты насадочной колонны следует
учитывать, что насадка не может заполнять колонну сплошным
столбом. Насадка должна загружаться отдельными секциями,
разделенными по высоте колонны свободными объемами,
необходимыми для организации загрузки насадки в колонну и выгрузки
ее из колонны. Полная высота насадочной колонны включает
также высоту, необходимую для размещения куба в нижней части
колонны и конденсатора в верхней. Высота насадочной колонны
составляет
Лг--=/гниз+/?нас-т-яЛз.о+/гвеРх. (56)
где Я — полная высота колонны;
hma — высота куба и свободного объема низа колонны;
Лнас — полная высота насадки;
216
изо — высота свободного объема, через который ведется
загрузка и выгрузка насадки;
п — число мест загрузки в колонну насадки;
Л верх — высота конденсатора и свободного объема верха
колонны.
Все обозначения в единой размерности, обычно метрах.
Для тарельчатых колонн высота определяется расстоянием
между тарелками (высотой тарелки). Как показывает опыт,
расстояние между тарелками может быть уменьшено примерно до 300 мм,
после чего снижается коэффициент массопередачи в паровой фазе.
Полную высоту тарельчатой колонны вычисляют по формуле
//--^HH3 + M?H-^ep*. (57)
где N — общее число тарелок;
hr — расстояние между тарелками, м;
Н, him3, /гВСрх — аналогично формуле (56).
Диаметр или площадь поперечного сечения колонны
определяют на основе экспериментально установленной скорости
прохождения паров по сечению колонны. Возможны две формы задания
исходных данных. Может быть задана скорость, условно
отнесенная к полному сечению колонны, и может быть задана скорость,
отнесенная к живому сечению отверстий в тарелках. В первом
случае площадь поперечного сечения и диаметр колонны вычисляют
по формулам
F=^- (58)
W
d^\A2
V± ■ (»>
где F— площадь поперечного сечения колонны, м2;
d — диаметр колонны, м;
v — секундный объем паров, проходящий через
рассчитываемое сечение колонны, м3/с;
w — скорость движения паров, отнесенная к полному сечению
колонны, м/с.
Во втором случае, когда скорость паров относится к живому
сечению отверстий в тарелках, расчет ведут по формулам
да/.
yi
d^u'2Vl^ • (61)
где [Уд — площадь отверстий, отнесенная к общей площади
тарелки, %.
Остальные обозначения аналогичны принятым в формулах (58),
(59).
При расчете полной колонны диаметры отгонной и
укрепляющей колонн не совпадают. Однако при больших флегмовых числах
они близки и могут быть приняты равными.
217
Определение параметров конденсатора и куба-испарителя
Определение параметров конденсатора основывается на
принятом значении флегмового числа в укрепляющей колонне тепло-
физических свойствах дистиллята и заданной производительности
установки. Общее количество тепла, которое необходимо отвести
в конденсаторе, определяют по формуле
rf--£o(Qi-<7,/)-!-£>(Qi--Qo). (62)
где d — количество тепла, отбираемое в
конденсаторе-дефлегматоре, Дж/ч;
go — количество флегмы, поступающей в колонну, кг/ч;
D — количество дистиллята, отбираемого с установки, кг/ч;
Qi — теплосодержание паров, поступающих из колонны в
конденсатор, Дж/кг;
qa — теплосодержание флегмы, стекающей в колонну из
конденсатора, Дж/кг;
Qd — теплосодержание дистиллята, отбираемого с установки,
кг/ч.
Поверхность охлаждения конденсатора-дефлегматора
рассчитывают обычными методами расчетов теплопередачи через стенку.
Параметры куба-испарителя определяют, основываясь на
полном тепловом балансе установки ректификации. В этом балансе
должны учитываться отвод тепла в конденсаторе-дефлегматоре,
отвод тепла с выводимыми из установки ректификации
продуктами, потери тепла в окружающую среду. Приход тепла
складывается из двух статей — тепла, вносимого с исходным сырьем, и
тепла, вводимого через куб-испаритель. Количество тепла,
вводимого через куб-испаритель, определится по формуле
B--=d+Sqs+DQD-rQ0.c-FqP, (63)
где В — количество тепла, вводимое через куб в колонну,
Дж/ч;
S — количество высококипящего продукта, выводимого
из колонны, кг/ч;
qs — теплосодержание высококипящего продукта,
выводимого из колонны, Дж/кг;
Q0. с- -потери тепла установкой в окружающую среду
через поверхность аппаратов и коммуникаций, кг/ч;
F - теплосодержание сырья, поступающего в колонну,
Дж/кг;
q, D, QD — аналогично обозначениям в формуле (62);
F -- количество сырья, поступающего в колонну, кг/ч.
Конструкцию и параметры системы подвода тепла
рассчитывают обычными методами.
При проектировании производств, включающих установки
ректификации, могут возникать задачи изменения параметров ранее
сконструированных установок производительности пли степени раз-
218
деления. Для большинства типов установок ректификации
определяющим фактором, который нельзя изменить без нарушения
нормальной эксплуатации, является скорость прохождения продукта
через поперечное сечение колонны. Поэтому возможности
изменения других параметров колонны достаточно ограничены и между
ними существует четкая взаимозависимость.
Изменить производительность колонны при неизменности
прочих параметров можно только за счет изменения площади ее
поперечного сечения. Во всех остальных случаях производительность
колонны зависит от степени разделения и степени чистоты
получаемых продуктов. Простое увеличение отбора из куба или
конденсатора при увеличении питания повышает выход высококипя-
щего или низкокипящего продукта соответственно при снижении
чистоты такого продукта. Наоборот, уменьшение отбора снижает
производительность и повышает качество получаемого продукта.
Однако такое изменение отбора не может приводить к
бесконечному повышению чистоты продукта. Приведенное выше уравнение
Фенске—Лндервуда (38) показывает, что даже при полном
отсутствии отбора, когда флегмовое число становится бесконечно
большим при заданном числе ступеней разделения — тарелок, степень
разделения, чистота получаемых продуктов является ограниченной
и не может быть бесконечно высокой.
Максимальная степень разделения на колонне с ограниченной
высотой соответствует степени разделения но уравнению Фенске—•
Лндервуда, при которой фактическое число ступеней разделения
в колонне минимально. Если необходимо дополнительно повысить
степень разделения производимых продуктов, то этого можно
достигнуть, только увеличив число ступеней разделения или повысив
высоту колонны. Для тарельчатых аппаратов увеличение
высоты колонны не всегда должно быть пропорциональным
увеличению числа ступеней разделения — тарелок. В ряде случаев
уменьшение расстояния между тарелками по сравнению с
оптимальным размером (300 мм) на 40—50% только на 10—15%
уменьшает коэффициент массоотдачи в паровой фазе. Таким
образом, если габариты колонны ограничиваются условиями ее
размещения, степень разделения в ней можно иногда повысить,
уменьшая расстояние между тарелками и увеличивая общее число
тарелок.
Иногда необходимо значительно повысить степень разделения
за счет изменения принципиальной схемы процесса. Такого
результата можно достигнуть дополнительным каскадированием
процесса по двум схемам.
По первой схеме две или большее число колонн, установленные
для параллельной работы, переводят на последовательную работу.
Разделение в каждой из колонн может несколько снизиться, но
суммарное разделение по каскаду в целом значительно повысится.
Производительность отдельной колонны за счет снижения степени
разделения в ней также повысится, но может не достигнуть
суммарной производительности нескольких колонн, работающих
219
параллельно. При второй схеме каскадирования на одной колонне
последовательно проводят две операции. Во время первой
получается один чистый товарный продукт (высококипящнй или низ-
кокипящип) и один промежуточный продукт. В .ходе второй
операции промежуточный продукт перерабатывается на второй чистый
продукт (низкокипящий или высококипящнй) и возвратный
продукт, присоединяемый к исходному сырью. Во время
осуществления одной из операций продукты, которые должны
перерабатываться на другой операции, накапливаются в резервных емкостях.
В зависимости от требуемой степени разделения организуется
каскад, состоящий из большего числа операций.
При проектировании может изменяться схема отбора низкоки-
пящего продукта из колонны. Если дистиллят отбирается в виде
жидкости и полностью конденсируется в конденсаторе колонны,
состав его отвечает составу флегмы. Если дистиллят отбирается
от колонны в виде пара, то состав его отличен от флегмы. В этом
случае эффект от разделения в конденсаторе аналогичен эффекту
от появления в колонне дополнительной тарелки. Наоборот,
переход от работы с отбором дистиллята в виде пара к полной
конденсации снижает разделительную способность колонны,
аналогично исключению из колонны одной тарелки.
При проектировании необходимо уделять внимание вопросу
о правильном определении точки ввода сырья. Состав сырья
должен точно соответствовать составу продуктов, поступающих на
тарелку питания с выше- и нижерасположенных тарелок. При
изменении состава сырья и сохранении неизменными составов конечных
продуктов следует учитывать, что в случае, если состав сырья
будет более значительно отличаться от состава любого из конечных
продуктов, чем это предусматривалось в варианте, на который
колонна была рассчитана предварительно, общая разделительная
мощность может быть недостаточной. Для обеспечения заданной
степени разделения в этом случае будет целесообразнее
каскадирование процесса, как это было описано выше в двух
последовательных колоннах или даже при последовательной работе в
разных режимах на одной колонне. При таком каскадировании
создаются условия, когда состав сырья на каждой из ступеней
каскада близок к составу одного из продуктов, получаемого в
соответствующем режиме.
Любое изменение в режиме колонны связано с изменением
теплового баланса, поэтому при внесении любых изменений
необходима тщательная проверка нагрузки на конденсатор и куб в
изменившихся условиях.
Установки для разделения и очистки редких металлов
методами жидкостной экстракции
Методы жидкостной экстракции широко используются в техно-
югии редких металлов при получении чистых соединений и разде-
тении близких по свойствам элементов.
?20
Аппаратура экстракции может иметь разное конструктивное
исполнение. Широко известны и распространены аппараты типа
смеситель -- отстойник и колонного типа [26, 53]. Экстракторы этих
двух типов требуют несколько отличных схем расчета, которые
охватывают многие возможные практические варианты.
Существует и в промышленной практике используется экстракционная
аппаратура и других типов конструкций, в частности
центробежные экстракторы и др. Однако в принципе методы их расчета не
отличаются от методов расчета, используемых для экстракторов
типа смеситель — отстойник и экстракционных колонн.
Основные виды экстракционного оборудования рассматриваются
здесь применительно к противоточному непрерывному процессу,
за исключением экстракции при перекрестном токе.
Экстрактор колонного типа состоит из собственно колонны,
в которую поступают исходный продукт и экстрагент или при
экстракции с двумя растворителями экстрагент и промывной
растворитель. Продукты в колонне перемещаются за счет разницы их
плотностей. Тяжелый продукт вводят в колонну сверху, а легкий —
в ее нижнюю часть. Конечные продукты процесса разгружаются
наоборот — легкий из верхней части, а тяжелый из нижней части
колонны. Подобно колонне для ректификации, колонна может быть
тарельчатой и насадочной, а кроме того, с подвижными
механическими устройствами для смешения фаз.
Экстракторы типа смеситель — отстойник могут быть ящичного
типа (рис. 106), где отдельные ступени объединены в единый блок
и какие-либо выносные транспортные устройства отсутствуют или
состоят из изолированных друг от друга ступеней (см. рис. 32),
соединенных транспортными трубопроводами. В последнем случае
транспортные устройства для передачи продукта со ступени на
ступень — насосы обычно вынесены из аппаратов и связаны с ними
только трубопроводами.
Экстракционные установки, как и установки ректификации, —
типичный пример оборудования каскадного процесса. Многие
особенности расчета процессов ректификации полностью применимы
и к экстракционным процессам. К таким особенностям относятся
прежде всего выводы, получаемые из представления об идеальном
каскаде. В установках экстракции также можно выделить две
секции. Секции извлечения (отгонной в установках ректификации)
соответствует секция экстракции. Секции обогащения
(укрепляющей в установках ректификации) соответствует промывная секция.
Так же как и для аппаратуры ректификации, при расчете
аппаратов экстракции используются зависимости, вытекающие из
материального баланса установки. Однако так как экстракция, как
ппавило, не сопровождается подводом или отводом технологиче-
> кого тепла, то в отличие от ректификации методы, основанные на
анализе теплового баланса, при расчете аппаратов экстракции не
используются. Другой особенностью экстракции является то, что
даже при разделении простейшей бинарной смеси в аппаратуре
существует не двойная, а тройная или даже четверная система.
001
Кроме собственно разделяемых веществ, в системе присутствуют
растворители, между которыми эти вещества распределяются.
Особенность экстракции, отличающая ее от ректификации,
заключаются в том, что в настоящее время универсальные методы
расчета такого оборудования отсутствуют. Существует большое
число частных методов решения, основанных на использовании
многочисленных допущений и ограничений. В большом числе слу-
Рис. 106. Экстрактор типа смеситель—отстойник:
/ — камера смешения; ^--отстаивания
чаев аналитические методы решения основываются па подборе
возможных значений определяемых величин. Только аппараты
экстракции колонного типа сходны с аппаратами ректификации по
методам определения производительности. При расчете
производительности аппаратов экстракции типа смеситель — отстойник в
основу расчета принимаются другие зависимости.
Для расчета установки экстракции на основе расчета
материального баланса определяют необходимое число теоретических и
практических ступеней разделения для аппаратов со ступенчатым
контактом фаз или высоту колонны для насадочных колонн. На
основе заданной производительности, установленного числа
ступеней, относительного количества растворителя и экспериментальных
данных о необходимом времени контакта фаз определяют
габариты н объем аппаратуры. На основе тех же данных рассчитывают
пропускную способность транспортных устройств.
Определение необходимого числа ступеней разделения или
высоты насадки насадочной колонны. Для экстракции значительно
чаще, чем для ректификации, число необходимых ступеней
разделения задается непосредственно в составе исходных данных для
проектирования. Методы определения необходимого чигла
ступеней так же, как и в случае ректификации, можно разбить на две
основные группы — аналитические и графические. Преимущества
Рис. 107. Треугольная диаграмма для расчета процесса экстракции (а) и схема
материальных потоков (и)
и недостатки методов каждой из этих групп уже были рассмотрены.
Следует отметить, что для экстракции ряд ограничений затрудняет
применение аналитических методов.
Графические методы для расчета оборудования экстракционных
процессов основаны на использовании тройных и двойных
диаграмм. При использовании тройных диаграмм в результате
графического построения по заданному составу фаз определяют
распределение компонентов по фазам, относительное количество экстра-
гента, необходимое для осуществления процесса, и число ступеней
разделения. При использовании двойных диаграмм необходимое
число ступеней разделения также определяется, а необходимое
количество экстрагента следует находить другими методами.
Простая треугольная диаграмма (рис. 107) составлена
применительно к трехко.мпонентной системе, состоящей из фазы сырья —
смеси компонентов i и / и фазы растворителя 5. Так как при
экстракции обязательна система, состоящая из двух фаз, то на
диаграмме выделяется двухфазная область, ограниченная прямой н
22!
кривой, пересекающимися в точках D и С. Любой состав,
отвечающий какой-либо точке внутри области, не может существовать, как
гомогенная система, и распадается на две фазы. Составы этих фаз
отвечают точкам на кривой, ограничивающей двухфазную область.
Все три точки —точкц исходного состава (на рис. 107 точка М)
и составов фаз (Р и Q) лежат на одной прямой. Такие две фазы
сосуществуют. Прямая линия на диаграмме, соединяющая точки,
отвечающие составам двух сосуществующих фаз, называется
линией сопряжения. Через каждую точку внутри двухфазной
области можно провести только одну линию сопряжения. Иными
словами каждому значению одной из фаз соответствует только одно
строго фиксированное значение другой фазы.
Рассматриваемая схема может быть псевдотройной, каждый из
составляющих систему элементов {А, В, S) может являться не
простым веществом, а смесью нескольких компонентов. Можно
предположить, что разделяемые компоненты — не смесь чистых
компонентов Л и В, а раствор смеси этих компонентов и каком-то
другом растворителе, но концентрация этого растворителя или,
точнее, концентрация в цСм суммы разделяемых элементов —
величина постоянная и поэтому на диаграмме не отражается. Если угол
диаграммы соединить с одной из точек на противоположной
стороне диаграммы, то ца этой прямой отношение концентраций
компонентов, отождествляемых с двумя другими углами диаграммы,
будет постоянным.
Определение числа ступеней разделения для случая простой
противоточной экстракции сводится к построению на тройной
диаграмме линий сопряжения для экстракта и рафината каждой из
ступеней процесса разделения (см. рис. 107). Исходным
материалом для проведения Построения служит тройная диаграмма с
обозначенной на ней двухфазной областью, а также точками
исходного относительного состава разделяемой смеси F, состава
рафината R и состава экстракта Е. Так как в двухфазной системе
истинные составы фаз определяются точками, лежащими на кривой,
ограничивающей двухфазную область, то, соединяя точки Е и R
с точкой S прямыми линиями, находим на пересечении прямых
с границей двухфазной области точки, отвечающие истинным
составам фаз (Pr и Qt); выводимых из аппарата. Для дальнейшего
построения проводим прямые линии через две пары точек: через
точки F и Qi и точки Рп и S. На пересечении этих прямых
находим рабочую точку //_ Затем находим линию сопряжения и
определяем точку Pi, соответствующую составу рафината на первой
ступени. Найти линии сопряжения можно проще, если их
предварительно нанести для ряда составов в двухфазной области с
равномерными интервалами. Иначе для построения линий сопряжения
необходимо использовать один из методов, описанных в
специальной литературе. Пос^е нахождения точки Pi, соединяя ее с
точкой Я прямой, находим на пересечении этой прямой с границей
двухфазной области точку Q2. т. е. состав экстракта на второй
ступени экстракции. Строя линию сопряжения, находят точку Рц и т. д.
224
После того как очередная точка, отвечающая составу рафината,
будет соответствовать заданному составу, определяем общее
необходимое число ступеней разделения, отвечающее числу циклов
последовательного построения, проведенных при переходе от состава
Qi и соответственно Р\ до состава Pr. В рассматриваемом случае
(см. рис. 107) это число равно 4.
Особенностью тройной диаграммы, как уже было отмечено,
является возможность количественного определения фаз,
участвующих в процессе разделения, т. е. решения задач, смежных с
задачами составления материального баланса. Соединив попарно
прямыми линиями точки F и 5 и
точки Qi и PR, находят точку М.
Отсюда количество экстрагента,
используемого в процессе, может
быть определено из отношения
отрезков FM и MS. Аналогично
Хп1.0
Рис. 108. Диаграмма Мак-Кеба и Тиле для
расчета числа ступеней экстракции по
лучше экстрагируемому компоненту
х,1,0
Рис. 109. Диаграмма Мак-
Кеба и Тиле для расчета
ступеней экстракции по хуже
экстрагируемому компо
центу
из отношения отрезков QiM и MPR находят отношение количества
рафината и экстракта, получаемых в процессе.
Двойные диаграммы Мак-Кеба и Тиле используют аналогично
показанному для ректификации. В этом случае на оси абсцисс
показывают относительную концентрацию в рафинате, а на оси
ординат— равновесную ей относительную концентрацию
рассматриваемого компонента в экстракте. Зависимость между ними
отражается на диаграмме кривой равновесия (рис. 108). Кривую
можно построить как по лучше экстрагируемому, так и по хуже
экстрагируемому компоненту. В первом случае расположение
кривой аналогично диаграмме, используемой при расчете
ректификации и построенной по легколетучему компоненту. При построении
по хуже экстрагируемому компоненту равновесная кривая
принимает на диаграмме положение, симметричное положению кривой,
15 Зак. № 461
225
построенной по лучше экстрагируемому компоненту, относительно
-^Цгонали, соединяющей точки X^-=Y-^0 и X--^Y=^l (рис. 109).
Д'Тя определения необходимого числа теоретических ступеней
разделения на диаграмму необходимо нанести рабочие линии. Урав-
"е*шя рабочих линий при этом примут вид:
для экстракционной частя
для промывной части
У=Х*+~Ё~-*»' (6э)
гДе у — относительная концентрация лучше извлекаемого
экстрагируемого компонента в экстракте, доли
единицы;
х — его же концентрация в рафинате или промывной
фазе, доли единицы;
Е — общее количество разделяемых компонентов в
экстракте, кг;
R — то же, в рафинате, кг;
П — то же, в отбираемой части экстракта, кг;
L' —то же, в промывном растворе, кг;
L — то же, в водной фазе секции экстракции, кг;
Xi и хп — содержание легко экстрагируемого компонента
вводной фазе на первой и последней ступенях каскада
(отсчет со стороны ввода экстрагента), доли
единицы.
Аналитические методы для определения необходимого числа
стУпеней разделения в общей форме применительно к
экстракционном процессам не разработаны. Имеются отдельные методики для
часгтных случаев расчета, определяемые схемой процесса и зада-
чагми, стоящими перед установкой — переводом извлекаемого ком-
п°1чента в другую фазу или разделением двух компонентов. Если
це„1-[Ь — перевод в другую фазу, за основу расчета берут показатель
извлечения в соответствующую фазу. Если цель проведения про-
neQca — разделение, как правило, близких но свойствам компонен-
то^, основным показателем, определяющим расчет, будет задан-
Ma*i степень разделения компонентов.
Для экстракции при перекрестном токе необходимое число сту-
ПеНей при расчете по заданному извлечению в экстракт составит
15*]:
lg(l-H-)
ig(« + i)
(66)
ГД^ п — необходимое число теоретических ступеней разделения;
гК — заданное извлечение в экстракт, доли единицы;
22G
е — коэффициент экстракции, доли единицы, принимаемый
для рассматриваемого процесса постоянным и равный
где D — коэффициент распределения, выражающий
отношение концентрации распределяемого компонента
в экстракте к его концентрации в рафинате
(безразмерная величина);
V0 и Vv-—объемы экстракта и рафината соответственно
(любая, но одинаковая для обоих размерность).
Коэффициент экстракции выражает отношение количества
экстрагируемого компонента в экстракте к его количеству в
рафинате.
Расчет по заданному разделению применительно к экстракции
при перекрестном токе можно вести применительно к рафинату,
так как только в рафинате по рассматриваемой схеме можно
получить чистый продукт, содержащий преимущественно хуже
экстрагируемый компонент. Число необходимых ступеней разделения
вычисляют по формуле
"=—йттг- <68>
Ig
(«2+1)
где п — число ступеней разделения;
pV—степень разделения в рафинате или степень очистки хуже
экстрагируемого компонента от примеси лучше
экстрагируемого компонента;
е — аналогично формуле (66).
Все величины безразмерные. Цифровые индексы 1 и 2
соответственно обозначают лучше и хуже экстрагируемые
компоненты.
Использованный выше показатель степени разделения равен
изменению отношения концентраций разделяемых элементов и
может быть вычислен как отношение извлечений разделяемых
компонентов в рассматриваемый продукт. Степень очистки или степень
разделения в экстракте лучше экстрагируемого компонента
определяют но формуле
?.-4*i/4-,. (69)
Степень очистки или степень разделения в рафинате хуже
экстрагируемого компонента определяют по формуле
h~\^, (70)
где все обозначения аналогичны формулам (66) и (67).
15* 227
Другим выражением для значений |3i и Рг могут служить
непосредственно отношения концентраций разделяемых компонентов
в исходных и конечных продуктах. Расчет ведут по формулам
?.=
h-
С\
с'х
С2
■ С)
• С2
■С'\
(71)
(72)
где сие —концентрации разделяемых компонентов в конечных
и исходных продуктах соответственно.
Число ступеней для противоточного процесса экстракции можно
рассчитать для двух несколько отличных случаев: первый —
исходное сырье вводится в процесс в фазе рафината, второй—-исходное
сырье вводится в процесс в фазе экстракта. Число ступеней при
этом для экстракционной и промывной частей установок
определяют раздельно.
При вводе сырья с фазой рафината используют формулы
Ш
1
'(01*2)
1н
1 г-
1К *>iii
1
1
D;1
1.
1l'
(73)
(74)
" »>ч
1»ц+ ^'-^ 1
Ч1+ i(Di4-\)\
При вводе сырья с фазой экстракта используют формулы
i ■
(75)
(76)
lg И +
ig*Vi
l_D2a,
'пр-
lg
D;lo
1,
где
'Up "
-число ступеней разделения в экстракционной части
установки от первой, с которой выходит рафинат и
на которую поступает растворитель, до ступени, на
которую вводится исходная смесь разделяемых
компонентов, включительно;
число ступеней разделения в промывной части
установки от следующей за той, на которую вводится
228
сырье, до последней, на которую вводится
промывной раствор и с которой выводится экстракт,
включительно;
cxi — отношение объемной скорости прохождения фазы
экстракта к объемной скорости прохождения фазы
рафината в экстракционной части установки;
сс2 — отношение объемной скорости прохождения фазы
экстракта к объемной скорости прохождения
промывного раствора в промывной части
установки;
ф] и фг — величины, являющиеся функцией извлечения в
экстракт, соответственно для лучше и хуже
экстрагируемых компонентов;
Di и Do — аналогично формуле (67) для лучше и хуже
экстрагируемых компонентов соответственно.
Все величины безразмерные.
Для того чтобы иметь возможность вычислить число ступеней
разделения, необходимо предварительно определить значения
показателей а и ср.
Оптимальное значение показателей а, обеспечивающее
минимальное необходимое число ступеней разделения, рассчитывают
по формуле
О,
Ig<*(T
•SiA,
1+ У lg (1 + 1/7,)
lg£>i, (77)
где все обозначения аналогичны приведенным в формулах (73) —
(76).
После определения оптимального значения а(> выбирают
значения czi и a-i. Если объем исходного раствора мал по сравнению
с объемом фазы, проходящим через установку за соответствующее
время, то в первом приближении можно принимать, что ao = ai = K:\
Кроме того, из условий более эффективного протекания процесса
разделения целесообразно придерживаться следующего
ограничения значений oci и а*:
1 \ ^ 1
При этом ос2 всегда будет больше, чем at. Это неравенство
определяется тем, что при вводе сырья в фазу рафината объем
экстракта постоянный, а объем рафината увеличивается по сравнению
с объемом промывного раствора. При вводе сырья в фазу
экстракта объем рафината будет равен объему промывного раствора,
т. е. объем фазы промывной раствор — рафинат будет постоянным.
Объем экстракта в отличие от первого случая будет изменяться и
в промывной фазе увеличится на величину объема,
использованного для ввода сырья. В результате в обоих случаях отношение
229
объема экстрагента к объему второй фазы выше в промывной
части установки.
Значение коэффициента ср определяется для любого из
разделяемых компонентов формулой
1 — V
?=-V-, (78)
где х¥ — аналогично формуле (66).
При расчете величин <р в качестве исходных используют
заданную степень разделения и выход извлекаемого компонента в
чистый продукт. По заданному разделению и извлечению в полезный
продукт одного из компонентов определяют, используя формулу
(69) или (70), извлечение другого компонента. Зная извлечения
для обоих разделяемых компонентов, вычисляют по формуле (78)
значения cp( и q>. Зная значения cpi, <рг, а4 и а2, по формулам (73) —
(76) находят необходимые значения количеств ступеней
разделения. Так как выбор коэффициентов ai и az в известных пределах
произволен, целесообразно произвести расчет на несколько
значений ai и «а и выбрать оптимальные.
В случае, если в качестве ограничивающего условия проведения
процесса принимается не постоянство коэффициентов
распределения, а постоянство коэффициента разделения (отношения
коэффициентов распределения разделяемых веществ) и суммарной
концентрации разделяемых веществ в каждой из фаз, для расчетов
могут быть использованы другие формулы [55].
Для экстракционной (см. рис. 33) или промывной (см. рис. 34)
части каскада необходимое число теоретических ступеней можно
рассчитать по формуле
, г V (1 х0Г) — 1
lg[B'(l-*0r)
»'0-УоГ)--
lg \Яу
В'(1-Г).
lg(»'0—УоП
(79)
(80)
где qx — степень обогащения рафината по хуже экстрагируемому
компоненту, равная отношению относительных
концентраций компонента на выходе из последней и входе
в первую ступень секции экстракции;
б' — эффективный коэффициент разделения;
Г — отбор продукта в конце каскада, определяющий, какая
доля потока, поступающего в последнюю ступень,
выводится из каскада.
Все величины безразмерные.
230
В свою очередь каждая из названных величин может быть
выражена через формулы
-■*о
Ях—Т^ГТ---^^. (81)
*0
(82)
где б — коэффициент разделения, равный отношению
коэффициента распределения лучше экстрагируемого продукта
к коэффициенту распределения хуже экстрагируемого
продукта.
Если получаемый продукт достаточно чист, формулы (79) и
(80) упрощаются. При этом для экстракционной части *п->-1,
а для промывной части г/п->-1, а б' = б. Таким образом, в
формулах (79) и (80) вместо б' следует использовать величину б, и
необходимость в использовании формулы (82) отпадает. Формулы
относятся к экстракционной части каскада. Аналогичные формулы
могут быть написаны для промывной части каскада.
При расчете по формулам (79) и (80) необходимо также
располагать величиной теоретически максимального отбора,
определяемого по формуле
1\пах=—— • (83)
Так же как и при ректификации, важно определить
минимальное число ступеней разделения каскада. Оно соответствует
минимальному отбору, что аналогично бесконечно большему флегмо-
вому числу в процессе ректификации. Минимальное число
ступеней разделения выражается формулой
"mm— ]„§ • Vun7
При определении общего числа ступеней разделения в
непрерывных каскадах необходимо учитывать не только число ступеней
разделения в собственно экстракционной и промывной частях
каскада, но и дополнительные ступени, необходимые для возврата
части продукта, идущей на насыщение свежего растворителя (экс-
трагента) в конце экстракционной части каскада и на насыщение
промывного раствора в конце промывной части каскада.
Переход от теоретических ступеней разделения к реальным для
экстракции практически не отличается от схемы, рассмотренной
применительно к ректификации. Для аппаратов со ступенчатым
контактом фаз используется в соответствии с формулой (50)
понятие о коэффициенте полезного действия или эффективности
ступени. Величина такого коэффициента полезного действия или
показателя эффективности ступени колеблется в широких пределах: для
231
установок колонного типа с перфорированными тарелками 0,20—
0,45, для установок типа смеситель- -отстойник 0,75—0,95. Для
аппаратов с непрерывным контактом фаз типа насадочных колонн
используются рассмотренные применительно к оборудованию
ректификации общие методы, основанные на понятиях высоты
эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС) и высоты единицы
переноса (ВЕП). На практике величина ВЭТС для многих систем
составляет в насадочных колоннах около 3 м.
При расчете с использованием понятия о единицах переноса на
основе методов, изложенных применительно к ректификации,
вычисляют общее число единиц переноса и экспериментально
определяют высоты единиц переноса в отдельных фазах.
Определение габаритов и объемов аппаратуры. Определяющим
параметром для расчета объемов и габаритов аппаратуры
являются объемы перерабатываемых продуктов, их объемная скорость
прохождения через сечение аппарата. Установить эту скорость
можно двумя основными методами, зависящими от метода расчета
процесса. При любом методе определение объема соответствующей
фазы сводится к установлению относительного расхода фазы на
единицу массы перерабатываемых компонентов и абсолютного
объема переработки этих компонентов.
Для экстракторов колонного типа производительность зависит
от диаметра. Для вычисления диаметра необходимо знать
скорость прохождения продуктов через колонну. При известной
скорости диаметр рассчитывают по формуле (59), а площадь
поперечного сечения — по формуле (58). Для уменьшения диаметра
колонны, очевидно, необходимо максимально возможно увеличить
скорость. Но скорость не может превосходить некоторой
предельной величины. Предельным значением скорости является такое, при
котором нарушается гидродинамический режим, происходит так
называемое «захлебывание» экстрактора. Величины предельных
скоростей фаз в колонне определяют экспериментально. При этом
скорости каждой из фаз условно относят к полному сечению
колонны, без учета движения второй фазы и объема, занимаемого
насадкой. Поперечное сечение колонны вычисляют, деля заданный
на основе материального расчета расход фазы на принимаемую
скорость ее движения.
Для экстракторов типа смеситель ••-отстойник определяющими
габаритами являются объем смесительной камеры и поверхность
в камере отстаивания [56]. Объем смесительной камеры
вычисляют по необходимому времени пребывания в камере,
определенному экспериментально. Объем смесительной камеры вычисляют
по формуле
^CK-SK,^, (85)
где VC.K— необходимый рабочий объем смесительной камеры, м3;
2]V(j, — сумма объемных скоростей (или расходов) фаз,
проходящих через смесительную камеру, м3/ч;
тс — необходимое минимальное время смешения, ч.
232
Площадь и высоту смесительной камеры выбирают по
конструктивным соображениям.
Определяющим параметром для отстойной камеры является ее
площадь, которая при прочих равных параметрах лимитирует
производительность. В свою очередь площадь зависит при прочих
равных условиях от удельной скорости отстаивания или иначе
скорости расслаивания эмульсии, выходящей из смесильной камеры.
Площадь отстойной камеры вычисляют по формуле
где F0. к — поверхность камеры отстаивания, м2;
2]Кф — аналогично формуле (85), но в данном случае может
также соответствовать производительности камеры по
эмульсии, м3/ч;
Wm — удельная скорость отстаивания, м3/ч • м2.
Объем отстойной камеры далее рассчитывают по площади
отстаивания и высоте камеры, которая равна высоте смесильной
камеры.
При использовании существующей конструкции
экстракционного оборудования в условиях, отличных от заданных, при
первоначальной разработке решаются три задачи — изменение
производительности, разделяющей способности и распределение мощности
установки по секциям. Эти задачи взаимосвязаны. Если
изменившиеся требования касаются производительности установки, ее
можно повысить за счет увеличения отбора. Однако при этом будет
снижаться степень разделения. Наоборот, при уменьшении отбора
снижается производительность и повышается степень разделения
в установке. Изменять отбор можно двумя методами. Для
процессов с орошением, т. е. возвратом на последнюю (или первую)
ступень части полученного продукта, величина отбора регулируется
изменением соотношения между частью продукта, возвращаемой
на промывку, и частью продукта, выводимой из цикла. Для
процессов без орошения отбор регулируется изменением соотношения
потоков фаз.
Установки для ионообменного выделения и разделения
компонентов растворов
Ионообменное разделение растворенных веществ, выделение из
растворов ценных компонентов или соответственно очистка
растворов от примесей применяются в основном для получения
высокоочистных продуктов и извлечения ценных компонентов из
разбавленных растворов. Особенно широкое применение эти методы
получили для разделения металлов-спутников, таких как ниобий и
тантал, редкоземельные элементы и др. [13, 24].
Для осуществления процесса используют ионообменную
колонну. По своей конструкции ионообменная колонна не отличается
от других аппаратов колонного типа с насадкой. В качестве
233
насадки служит ионит. В колонне, аналогично насадочной
ректификационной колонне, имеются зоны, свободные от ионита, и люки,
обеспечивающие его свободную загрузку и выгрузку. Ионный
обмен, как правило, процесс периодический.
В такой колонне или в группе колонн осуществляется
динамический процесс сорбции и последующего элюировапия. При этом
ионообменная установка только при простом выделении одного
из компонентов из раствора или очистке раствора от примесей
может состоять из одной колонны. В случае, если ионный обмен
используется для разделения близких по свойствам компонентов,
установка состоит, как правило, из нескольких последовательно
соединенных колонн, минимум двух. В первой по ходу движения
раствора колонне или группе колонн осуществляется, как правило,
фронтальная сорбция, при которой разделяемые компоненты
выделяются из исходного раствора. После выделения производится
хроматографическое разделение выделенных элементов
вымыванием их из сорбционной колонны элюнрующим раствором.
Расчет ионообменной установки ведут следующим образом:
1) на основе заданной общей производительности за
календарное время и практических соображений о возможных габаритах
колонн принимают цикловую производительность установки, ее
емкость по извлекаемому компоненту;
2) на основе принятой цикловой производительности колонны
определяют ее объем и габариты; устанавливают число колонн
и схему их соединения;
3) на основе определенных габаритов колонн и принятых по
результатам научно-исследовательских работ режимов процесса
определяют длительность цикла работы установки;
4) на основе принятой цикловой производительности и
определенной длительности цикла устанавливают производительность
за календарное время и проверяют ее соответствие заданной. При
выявлении расхождения между первоначально заданной и
фактической производителыюстями установки корректируют параметры
установки.
Расчет ионообменной установки является итеративным. В ряде
случаев расчет сводится не к установлению параметров аппарата,
а к определению необходимого числа аппаратов существующей
конструкции и схемы их соединения.
Выбор цикловой производительности установки. Цикловую
производительность установки определяют по количеству элемента пли
группы элементов, извлекаемых из раствора и затем разделяемых
за один цикл. Величину цикловой производительности выбирают
на основе опыта эксплуатации аналогичных установок, исходя из
необходимости получения рациональных размеров установки,
ограниченного числа параллельно работающих однотипных установок
и достаточно высоких показателей использования
производственной мощности установок.
Определение объема и габаритов колонн. Если конструкция
колонны разрабатывается заново, то сначала определяют необхо-
234
димый объем ионита в колонне. Расчет ведут на основе известной
характеристики ионита, заданной степени его использования и
принятой суммарной емкости колонны по извлекаемому компоненту
по формуле
joom^
к rtli.f»l v
где VK — объем колонны, заполняемый ионитом, м3;
WK— количество извлекаемого компонента, сорбируемое в
колонне за один цикл, кг;
п — полная обменная емкость ионита, мг-экв/г;
ц — эквивалентная масса извлекаемого компонента, мг;
Y — объемная масса ионита в колонне, г/л;
■ц— коэффициент использования полной обменной емкости
ионита, доли единицы.
Если принимается существующая конструкция колонны, то при
расчете вычисляют фактическую емкость колонны по извлекаемому
компоненту по формуле
где все обозначения аналогичны формуле (87).
В некоторых случаях используется суммарный коэффициент
удельной объемной емкости ионита (кг/м3), который заменяет вы-
TllXV
ражение . Коэффициент использования емкости,
выражающий отношение емкости до проскока к полной динамической
емкости, может изменяться в значительных пределах (главным
образом 0,7—0,9). На величину этого коэффициента сильно влияет
отношение высоты колонны к ее диаметру.
Таким образом, определяется необходимый объем ионита для
сорбционной колонны. Объем ионита следующих за сорбционной
колонной делительных колонн может быть задан в составе
исходных данных для проектирования через отношение их объема
к объему сорбционной колонны. Это отношение для некоторых
процессов разделения редкоземельных элементов составляет
1,7-2,3.
По объему ионита определяют габариты колонны. Решающим
параметром при этом является соотношение между высотой слоя
ионита и диаметром колонны. Для сорбционных колонн это
соотношение отражается на степени использования ионита. Чем больше
относительная высота слоя ионита, тем полнее используется
обменная емкость ионита без проскока сорбируемого компонента
через колонну. Для делительных колонн отношение высоты к
диаметру определяет возможную степень разделения компонентов при
заданном выходе годных продуктов. Выход годного продукта
зависит от соотношения между объемом зоны смешения компонентов
и общим объемом ионита, в котором сорбируется соответствующий
235
компонент. При постоянстве диаметра и поперечного сечения
колонны, заполненного ионитом, соотношение объемов можно
заменить соотношением высот слоев ионита. Но так как высота зоны
смешения зависит от диаметра колонны, то, в конечном итоге,
необходимое соотношение объемов может быть задано через
соотношение общей высоты слоя ионита и диаметра колонны. Величина
зоны смешения зависит не только от технологического режима и
геометрических параметров колонны, но и требований к степени
разделения— чистоте извлекаемого продукта. Чем выше требования
к чистоте соответствующего продукта, тем большую часть от
общего объема ионита следует относить к зоне смешения. Это
наглядно видно на схеме (рис. ПО). Концентрация отделяемой
примеси изменяется по высоте колонны непрерывно. В слое ионита,
примыкающем к зоне смешения, она приближается к предельно
Bu/cJrna пслэ.чш
Рис. ПО. Диаграмма изменения концентрации примеси по высоте колонны
и величины зоны смешения, в зависимости от требований к чистоте
продукта
допустимой. Но эта предельная концентрация зависит от
требований к чистоте продукта. Если требования к чистоте продукта
изменяются в сторону их ужесточения, то предельно допустимая
концентрация примеси понижается и соответственно объем зоны
смешения возрастает. Увеличение относительного объема зоны
смешения приводит в свою очередь к снижению выхода чистого
продукта. Соотношение между высотой и диаметром слоя ионита
определяет возможность получения продукта заданной чистоты
с необходимым выходом. При сохранении геометрических
параметров колонны получить продукты более высокого качества можно
только за счет снижения их выхода. И наоборот, повысить выход
можно только за счет снижения качества продукта.
Улучшать технологические параметры, увеличивая соотношение
между высотой слоя насадки ионита и диаметром колонны,нельзя
неограниченно. Увеличение высоты колонны даже при сохранении
постоянного объема затрудняет размещение и обслуживание
колонны. Возрастает гидравлическое сопротивление колонны
прохождению растворов и увеличивается расход энергии на их
транспортировку. Соотношение между высотой слоя ионита и диаметром
колонн следует принимать с учетом необходимости обеспечения
236
определенных технологических показателей и ограничения затрат
на сооружение и эксплуатацию установки. В сорбционных
колоннах, где снижение этого соотношения уменьшает коэффициент
использования объемной емкости ионита, оно может ограничиваться
значениями порядка 3—6. Для делитетельных колонн, где
снижение этого соотношения может привести к значительному
уменьшению выхода годного в процессе и даже практически, исключить
возможность получения продукта заданной чистоты, это
соотношение принимают значительно более высоким. В практике
разделения редкоземельных элементов оно достигает 50—60 и даже 100.
При использовании соотношения между высотой слоя ионита и
диаметром колонны следует учитывать, что этот расчет
обеспечивает точное достижение заданных технологических показателей
только в том случае, когда технологические исследования
подтверждают линейную зависимость высоты зоны смешения от дна-
метра колонны в достаточно широких пределах изменения
диаметра. В этом случае определить диаметр колонны и высоту слоя
ионита можно по формулам
tf-0,923]/^ , (89)
И-^Md, (90)
где d — диаметр колонны, м;
М — отношение высоты слоя ионита к диаметру колонны;
Я — высота слоя ионита, м;
VK — аналогично формуле (88).
При расчете по формулам (89) и (90) следует иметь в виду,
что заданная величина М только для сорбционных колонн
относится к полной высоте слоя ионита. Для делительных колонн
величина М, как правило, задается не для всего объема ионита,
а только для зоны элемента, т. е. той части объема, в которой
сорбируется тот или иной выделяемый в чистом виде компонент
раствора. Соответственно в формуле (89) в качестве VK должен
использоваться объем не всего ионита, а только той его части, в
которой осуществляется сорбция рассматриваемого компонента. По
формуле (90) при этом определяют только высоту зоны элемента,
а не всего слоя ионита. Общая высота слоя ионита в колонне
должна быть больше высоты зоны элемента пропорционально тому,
насколько общий объем ионита в колонне больше объема зоны
элемента.
После определения полной высоты слоя ионита полную высоту
колонны определяют с учетом высоты узлов ввода и вывода
растворов и загрузки и выгрузки ионита. В некоторых установках
целесообразно использовать сочетание колонн с различными
диаметрами, последовательно соединенными в одной установке. Такое
решение можно применять в системе, осуществляющей сначала
сорбцию, затем деление, а также в группе колонн, осуществляющей
237
деление бинарной смеси. В первом случае разница в диаметрах
зависит от требований к отношению между высотой и диаметром
у сорбционных и делительных колонн. Во втором случае зависит
от технологического существа значения отношения высоты колонны
к ее диаметру. Такое отношение основывается на требовании
уменьшить абсолютный и относительный объемы зоны смешения
компонентов в колонне. Соответственно определенный на основе
заданного отношения диаметр технологически необходимо иметь
только в той части колонны или той из последовательно
соединенных колонн установки, в которой располагается зона смешения
компонентов. В промышленной практике колонны переменного
диаметра не используют. Но, когда разделение осуществляется
в нескольких последовательно соединенных колоннах, диаметр их
может быть различным.
Головные колонны, в которых сорбируется чистый лучше
сорбируемый компонент, могут иметь больший диаметр, а колонны,
в которых располагается зона смешения и сорбируется хуже
сорбируемый компонент, должны иметь меньший диаметр, зависящий
от соотношения высоты и диаметра.
Увеличение диаметра большей части колонн установки, помимо
того, что сокращает капитальные и эксплуатационные затраты,
создает возможность для повышения ее производительности. В ходе
сорбции смеси компонентов колонны малого диаметра можно
отключать. При отключении колонн малого диаметра объемная
скорость пропускания растворов через установку возрастает и будет
ограничиваться только допустимой линейной скоростью в колоннах
большего сечения. Только на этапе разделения подключают
колонну малого диаметра, и общая объемная скорость пропускания
растворов должна будет понизиться до значения, ограниченного
при постоянной максимальной линейной скорости площадью
меньшего поперечного сечения. Таким образом, часть времени работы
установки объемная скорость пропускания растворов может быть
более высокой, чем допускается для установки с колоннами
равного сечения, определяемого на основе заданного соотношения
высоты к диаметру.
Определение длительности цикла. Рассчитывается объем
технологических растворов, поступающих в колонну в единицу
времени:
и>об- 6*гЦ1Ш!, (91)
где (о0б — расход (объемная скорость) технологических
растворов, проходящих через колонну, л/ч;
г — радиус внутреннего сечения колонны, дм;
«.щи — условная линейная скорость прохождения растворов
через колонну, отнесенная к полному сечению колонны
без учета заполнения ее попитом (для ряда процессов
разделения РЗЭ лежит в пределах 0,5—1,0 см/мин),
см/мин.
238
При определенной объемной скорости длительность любой из
операций, связанной с прохождением через колонну
соответствующих растворов, вычисляют но формуле
где /--длительность операции, ч;
W — количество раствора, которое необходимо пропускать за
операцию, л;
(ооГ) — аналогично формуле (91).
Количество раствора, которое необходимо пропустить через
колонну при сорбции, зарядке ионита и десорбции, рассчитывают на
основе заданной цикловой производительности и установленной по
результатам научно-исследовательских работ или опыту
действующего производства концентрации извлекаемого компонента в
соответствующем растворе. Для сорбции и десорбции количество
компонента задается в единицах по массе, а для раствора,
используемого для регенерации (зарядки ионита), — в грамм-эквивалентах.
Для промывки ионита объем растворов определяется через
отношение объема промывного раствора к объему ионита. Такое
отношение может быть равно в ряде случаев 1,0—1,5.
Полное время цикла равно сумме продолжительностей всех
операций. К таким операциям относятся сорбция и десорбция,
промывка и зарядка ионита. В ряде случаев при промывке
перекрывают колонну, когда колонну, заполненную промывной водой,
отключают и выдерживают некоторое время заполненной водой.
Время такого перекрытия следует также включать в общую
продолжительность цикла.
Для установки, состоящей из нескольких последовательно
соединенных колонн, в расчете появляются дополнительные элементы,
которые необходимо учитывать. Последовательно соединенные
колонны могут иметь разные диаметры и соответственно различные
допустимые объемные скорости пропускания технологических
растворов и промывных вод. В этом случае, из соображений
обеспечения неразрывности потока для двух смежных колонн объемную
скорость принимают одинаковой, равной допустимой скорости для
колонны с меньшей пропускной способностью по жидкости. Циклы
работы колонн могут быть весьма продолжительными и для ряда
последовательно соединенных колонн не совпадать между собой
по времени. Положение это иллюстрируется примером графика
занятости колонн ионообменной установки для деления смеси
элементов на четыре чистых продукта. Как видно из табл. 11,
каждая колонна или группа колонн участвует только в пяти из общего
числа" девяти операций цикла. Часть времени цикла, когда
проводятся заключительные операции деления на чистые компоненты,
колонны сорбции и колонны деления на первоначальные
концентраты цезагружены операциями данного цикла. Эта часть времени
может быть относительно большой, так как операции, проводимые
на колоннах сорбции или колоннах первоначального деления на
239
Таблица 11
Занятость ионообменных колонн по операциям деления смеси
на четыре чистых продукта
Колонии
Сорбции
Деления на
концентраты
Деления
концентрата 1
Деления
концентрата II
Сорбция
4-
Промьшка
-J-
- - -
*ё5
-г
+
1
1
_.
"Г
Деление
концентратов на
элементы
+
-г
-t-
Промывка
4-
-{-
4"
Десорбция
чистых
элементов
+
Т"
Промывка
-4-
-t-
Зарядка
т
+
-р
4-
грубые концентраты, в связи с большим диаметром колонн
проводятся с большими объемными скоростями и соответственно
требуют меньшего времени для своего проведения. В целях
рационального использования установки операции следующего цикла на
головных колоннах установки разделения начинаются до окончания
операций предыдущего цикла на колоннах тонкого разделения.
В результате время, протекающее между началами двух
последовательных циклов на любой отдельной взятой колонне установки,
может быть значительно меньше общей продолжительности
технологического цикла установки, определяемой временем,
протекающим с момента начала поступления сырья в первую колонну
установки до момента завершения вымывания чистых продуктов из
последней колонны установки и подготовки ее для повторного
использования. В отличие от продолжительности технологического
цикла время между началами или соответственно окончаниями
двух последовательных циклов на любой из колонн установки
можно определить как продолжительность аппаратурного цикла. При
этом средняя продолжительность аппаратурного цикла для
установки в целом будет равна продолжительности такого цикла для
той из колонн (или групп совместно работающих колонн),
продолжительность цикла работы которой наибольшая по сравнению
со всеми другими колоннами установки. Это иллюстрируется
примером графика (рис. 111), созданного на основе схемы,
показанной в табл. 11. Занятость колонн по времени показана на графике
количественно в масштабе. Первоначально колонны сорбции
работают изолированно от других колонн, имеют высокую
производительность и затраты времени на первоначальную сорбцию
относительно малы. Операция деления исходного сырья на концентраты
проводится при совместной работе колонн сорбции и колонн
деления на концентраты, имеющих меньший диаметр. Объемные
скорости процесса уменьшаются и увеличивается его продолжительность.
При дальнейшем делении концентратов на чистые компоненты
необходимое время совместной работы колонн деления на концен-
240
траты и колонн деления концентратов еще более возрастает. В
рассматриваемом примере перемыв концентратов на колонны
окончательного деления осуществляется параллельно и одновременно
с различных колонн из группы предварительного деления.
Соответственно осуществляется совместная работа не колонн
предварительного деления на концентраты, колонн деления концентрата I
и колонн деления концентрата II, а попарно: части колонн
предварительного деления на концентраты и колонн деления концентрата
I, с одной стороны, и другой части колонн предварительного
деления на концентраты и колонн деления концентрата II, с другой.
После перемыва продуктов на колонны деления концентратов I
Колоннш сорбции
Колонны деления
на понцентрать/
-Ь
Колонны деления
концентрата /
Колонны деления
концентрата Д
~Т~
10 15 20 25
Врепя ( ч, сутки и т.п.)
Изолированная работа отдельны/ колонн
Совместная работа спе/кных колонн
Рис. 111. График занятости колонн установки ионообменного разделения
и очистки
и II далее все группы колонн работают изолированно до момента
начала следующего цикла. В расматриваемом примере
наибольшая длительность аппаратурного цикла у колонн деления
концентрата I, которая и определяет длительность аппаратурного цикла
установки в целом.
Определение производительности установки за календарное
время. Для этого расчета возможны два случая. В первом
определяют среднюю производительность установки, работающей
длительное время непрерывно, при постоянном составе сырья. Тогда
среднюю производительность установки вычисляют по формуле
<7ср=-^, (93)
* ап
где <7ср —средняя производительность установки, кг/сутки;
0_ц — цикловая производительность установки, кг;
^ап — продолжительность аппаратурного цикла установки,
сутки.
16 Зак. -N» 461 241
Во втором случае рассчитывают время, необходимое для
переработки ограниченной по объему партии сырья. Близок к нему
случай, когда требуется рассчитать не среднюю
производительность установки, а фактический выпуск продукции за какой-либо
отрезок времени. Для этого необходимо установить в явной или
неявной форме число законченных технологических циклов,
обеспечивающих переработку определенной партии сырья или
проводящихся за определенный отрезок времени.
Время, необходимое для переработки определенной партии
сырья или выпуска определенного количества продукта, вычисляют
по формуле
' ^~ 'an I q * 1~^техн> \^v
где Т — время, необходимое для переработки партии
сырья или выпуска продукции объемом G, сутки;
G — количество сырья, которое необходимо
переработать, или продукции, которую необходимо
выпустить, кг;
Qn — цикловая производительность установки по сырью
или продукции соответственно, кг;
^ап и /Техн — продолжительности аппаратурного и
технологического циклов установки соответственно, сутки.
Фактический выпуск продукции установкой за определенный
отрезок времени может быть рассчитан по формуле
От- Ц^"Н--г1). (95)
где GT — фактический выпуск продукции установкой, кг;
Т — заданный отрезок времени, су_тки;
<2ц. tiexu, tail—аналогично формуле (94).
В формулах (94) и (95) предполагается, что в начале
переработки заданной партии сырья в установке отсутствуют продукты
незавершенного производства от предыдущего периода.
Если рассчитанная производительность установки за календарное
время не соответствует заданной, принимают решения об
изменении цикловой производительности, продолжительности цикла или
каких-либо других характеристик.
Следует учитывать, что изменение любого параметра установки
неизбежно изменит многие показатели работы. Увеличение линей-
нон скорости движения растворов в колоннах установки с целью
сокращения длительности цикла или уменьшения габаритов
колонн нельзя рассматривать как приемлемое решение прежде всего
с точки зрения технологии. Повышение линейной скорости
приводит к потери части продукта из-за проскока или требует
увеличения объема ионнта. В процессе деления это приводит к
увеличению высоты зоны смешения и ее относительного объема в общем
объеме ионита, что снижает выход разделяемых компонентов в виде
чистых продуктов. Помимо того, повышение линейной скорости
242
приводит к увеличению гидравлического сопротивления колонн и
расхода энергии на транспортировку растворов.
Повышение объемной скорости прохождения растворов через
колонны установки при сохранении величины линейной скорости
означает, что должна быть пропорционально увеличена площадь
поперечного сечения колонн. При сохранении неизменной высоты
колонн пропорционально возрастает цикловая емкость колонн,
а продолжительность цикла практически не изменяется. Изменение
других показателей работы установки зависит от выбранного
способа увеличения площади поперечного сечения колони установки.
Если увеличение площади достигается путем увеличения числа
параллельно работающих колонн, без изменения параметров каждой
из них, то показатели по выходу чистых продуктов не изменяются.
Если же увеличение площади достигается путем увеличения
диаметра и площади поперечного сечения отдельной колонны, то это,
как правило, приводит к росту абсолютной и относительной высоты
зоны смешения и соответственно отражается на всех показателях
процесса, снижая его эффективность.
В ходе проектирования может возникать задача изменения
отношения высоты к диаметру при сохранении объема ионита в
колонне. Высота и диаметр части колонны, загружаемой ионитом,
изменяются в соответствии с формулами
1
4^4 (ж)'' (96)
_2_
где ё.г и di — диаметры колонны при новом и ранее
существующем отношении высоты к диаметру соответственно,
м или дм;
Hz и Hi — высоты колонны при новом и ранее существующем
отношении высоты к диаметру соответственно, м
или дм;
Мг и Mi — отношение высоты к диаметру, заданное для новой
колонны и в существующей колонне равного
объема соответственно (безразмерная величина).
При увеличении высоты колонны до размеров, затрудняющих
размещение и последующее обслуживание ее, она может быть
разделена на несколько последовательно соединенных колонн того же
диаметра, суммарная высота насадки ионита в которых равна
высоте насадки ионита в одной первоначально принятой колонне.
Аппараты для электрохимического восстановления металлов
Электрохимическое восстановление с выделением
восстановленных металлов в элементарном состоянии широко применяется в
технологии редких металлов [31]. Электрохимическое восстановление
16*
243
описано в литературе применительно к бериллию, цирконию,
танталу, ниобию, редкоземельным элементам, ванадию и ряду других
металлов. Электрохимические процессы используются также "для
рафинирования металлов. Расчет электролизера включает
определение производительности, геометрических размеров основных
элементов, электрических параметров и теплового баланса.
Аппарат для электрохимического восстановления —
электролизер состоит из трех основных конструктивных элементов —
собственно ванны и катодного и анодного устройств (рис. 112, 113).
Ванна — это емкость, в которой находится подвергаемый
электролизу электролит. Ванну в случае
необходимости снабжают устройствами для
поддержания необходимой температуры. Эти
устройства могут обеспечивать подвод
тепла к аппарату или охлаждение
Рис. 112. Схема электроли
зера с катодсш-штангой:
/ — катод; 2 — анод;
3 — электролит
Рис. 113. Электролизер с получением
жидкого продукта:
I — катод; 2 — анод; 3 — электролит;
4 — продукт; 5 — диафрагма
его. Катодное и анодное устройство предназначаются для подвода
постоянного электрического тока, выделения, а во многих случаях
сбора и вывода из ванны продуктов электролиза.
На катодном устройстве выделяется восстановленный металл.
Конструкция катодного устройства зависит от особенностей
металла и принятой технологии. Металл может выделяться как в
твердом (см. рис. 112), так и в расплавленном состоянии (см. рис. 113).
Катодом могут служить как специальные, погруженные в
электролит стержни (см. рис. 112) или пластины, так и подина ванны
(см. рис. 113) или ее кожух, если футеровка отсутствует. Иногда
катодом служит жидкий металл (рис. 114), расположенный под
слоем электролита.
Анодное устройство служит для выделения и в ряде случаев
химического связывания побочных продуктов электролиза. Так как
эти продукты, как правило, газообразны (в большинстве случаев
244
это или хлор, или окислы углерода), то в состав анодного
устройства входит конструкция для сбора и вывода газов. При
рафинировании анодное устройство служит для растворения чернового
металла из компактных анодов или из помещаемых в корзину
стружки, кусков и т. п.
Электролизеры могут быть как непрерывного, так и
периодического действия. Это определяется способом вывода катодного
продукта из электролизера.
Для расчета электролизера следует:
1) на основе заданных производительности и выхода по току
рассчитать силу тока;
2) на основе вычисленной
величины силы тока и
заданных по результатам
научно-исследовательских работ
оптимальных плотностей тока на
аноде и катоде и
межполюсного расстояния определить
внутренние геометрические размеры
ванны;
3) на основе ранее
определенных геометрических
параметров ванны и силы тока
рассчитать электрическое
напряжение на электролизере;
4) на основе ранее
определенных величин составить
полный энергетический баланс
электролизера и принять решение, необходимое для обеспечения
его теплового баланса.
Определение необходимой силы тока. Необходимую силу тока
рассчитывают но формуле
I=-S-. (98)
ZFP
Рис. 114. Электролизер с жидким катодом:
/ - - катодный токоподвод; 2 — анод;
3 — электролит; 4 — жидкий катод
36с;
где /
G
с
сила тока, А;
заданная производительность по металлу, кг/ч;
электрохимический эквивалент, зависящий от природы
выделяемого вещества, кг/К;
т| — выход по току, %•
Определение геометрических размеров электродов и ванны.
Геометрические размеры электролизера зависят от поверхности
электродов и межполюсного расстояния. Поверхности электродов
рассчитывают по плотности тока катодной и анодной. Соответст
венно поверхности катода и анода определяют по формулам
Л—£-. (99)
/"а —
dK
(100)
245-
где fK и /а — площади катода и анода соответственно, см2;
dK и da— катодная и анодная плотности тока, А/см2;
/ — аналогично формуле (98).
По известной поверхности электродов определяют из
конструктивных соображений их число и габариты. Межполюсное
расстояние принимают на основе экспериментальных данных минимально
допускаемое технологией. Увеличение межполюсного расстояния
приводит к увеличению габаритов электролизера, а также к
повышению его электрического сопротивления, что вызывает рост
расхода электроэнергии. Однако в отдельных случаях, когда
тепловой баланс характеризуется некоторым дефицитом тепла, а
увеличение тепловой изоляции или введение специальной системы
обогрева по каким-либо соображениям нежелательно, может
оказаться целесообразным некоторое повышение межполюсного
расстояния. Располагая электроды в соответствии с заданным
межполюсным расстоянием, определяют внутренние габариты ванны.
При этом для электролиза в расплаве солей учитывают
образование на стенках ванны гарниссажа из замерзшего электролита.
Толщину гарниссажа принимают по данным практики, она зависит
в основном от теплового баланса электролизера.
Определение полного напряжения на электролизере. Полное
напряжение на электролизере определяется как сумма падения
напряжения на отдельных участках и выражается формулой [57]
Е=Е^-{-й?1+ЕЛ+Ек, (101)
где Е — общее напряжение на контактах электролизера, В;
£раз — напряжение разложения, В;
d — средняя плотность тока в электролите, А/м2;
р—-электрическое сопротивление электролита при
температуре процесса, Ом • м;
/ — межполюсное расстояние, м;
£а и Ек — потери напряжения в анодном и катодном
устройствах соответственно, В.
Потери напряжения в катодном и анодном устройствах зависят
от их электрического сопротивления. Особо следует учитывать
потери напряжения в прижимных контактах. Потери эти
пропорциональны удельной плотности тока в местах контактов.
Для ряда технологий, связанных с возникновением анодного
эффекта, учитывают повышение общего напряжения во время
анодного эффекта. Если электролизеры соединены последовател! по
при большом числе аппаратов, возможен постоянный анодный
эффект на одном из электролизеров. Такое повышение напряжен л
на серии электролизеров необходимо учитывать в балансе. Д л
удобства расчетов повышение напряжения в связи с анодным - '•-
фектом можно отнести к одному электролизеру и среднюю его г-%-
личину рассчитать но формуле
210
где £ср —среднее повышение напряжения на электролизере за
счет возникновения анодных эффектов, В;
£* —фактическое повышение напряжения на электролизере
в момент анодного эффекта, В;
t — длительность анодного эффекта, ч;
Г —длительность периода между началами двух
последовательных анодных эффектов, ч.
Составление энергетического (теплового) баланса
электролизера. На основе известных силы тока и напряжения определяют
общую мощность и подведенное с ней тепло. При этом берут не
полное напряжение на электролизере, а так называемое греющее
напряжение
/V -Е- /:;.„, (103)
где /:гр — греющее напряжение, В;
Е и £раз — аналогично формуле (101).
Кроме того, в балансе не учитывается падение напряжения и
соответственно выделяемое тепло в токоподводящих элементах,
фактически вынесенных из объема ванны.
Кроме тепла, выделяемого при прохождении через
электролизер электрического тока, необходимо учитывать также тепловые
эффекты процессов, протекающих на электродах. При расчете
потерь тепла в окружающую среду следует четко разделять
различные статьи такого рода потерь. В частности, целесообразно
выделить потери с открытой поверхности электролита (при этом
возможны дополнительные потери тепла за счет испарения части
электролита), потери через боковые ограждения ванны и потери
через подину и фундамент.
При расчете потерь тепла для ванн с гарниссажем следует
учитывать, с одной стороны, возможность принудительного
охлаждения, необходимого для сохранения плотного гарниссажа, и
изолирующее действие гарниссажа с другой.
Главными элементами, ограничивающими изменение
производительности аппарата, являются площадь электродов и допустимая
сила тока.
Простое уменьшение силы тока и соответственно катодной
плотности тока неизбежно ведет к снижению выхода по току и
ухудшению всех технико-экономических показателей производства.
Механическое увеличение площади катода и анода для повышения
производительности электролизера требует проверки теплового
баланса ванны и возможности обеспечения электропитания. При
сохранении системы подвода тока неизменной увеличение силы тока
может привести к такому перегреву элементов токоподвода,
который исключит возможность нормальной эксплуатации. У
металлических элементов токоподвода и контактов при повышении
температуры возрастает электрическое сопротивление, что в свою
очередь увеличивает тепловыделения на этих элементах.
247
Аппарат для получения металла химическим восстановлением
его соединения на примере титанового производства
Металлотермическое, карботермическое или водородное
восстановление являются операциями, характерными для производства
многих редких металлов. Металлотермические и карботермическне
процессы, а также процессы водородного восстановления
используются для получения титана, циркония, тантала, ниобия, урана,
бериллия, ряда редко-
fe&^jTp^ ; земельных элементов и
"" других редких
металлов.
Аппаратура для
осуществления
восстановления практически во всех
известных производствах
является аппаратурой
периодического
циклического действия. Процесс
магниетермического
восстановления четыреххло-
рпстого татана с
последующей вакуумной
сепарацией продуктов
восстановления отличается
наиболее сложным по своей
структуре циклом [22,
58]. Примерный расчет
такого аппарата наглядно
демонстрирует
характерные черты расчетов
большинства аппаратов этой
группы.
Для расчета
аппаратов, принадлежащих к
рассматриваемой группе,
необходимо:
1) на основе заданных геометрических размеров аппарата
определить его цикловую производительность или на основе заданной
цикловой производительностн установить геометрические размеры
аппарата;
2) на основе известного состава цикла и данных для
определения продолжительности его отдельных элементов вычислить общую
продолжительность технологического цикла;
3) на основе известных геометрических размеров
аппарата,сведений о фактической скорости протекания технологического
процесса и его термохимической характеристики рассчитать тепловой
баланс аппарата и устройства для его регулирования.
Собственно аппарат для восстановления четыреххлорпстого
Рис.
115. Аппарат для магниетермического получения
губчатого титана:
1 — аппарат восстановления; 2—печь
248
титана магнием и последующей вакуумной дистилляции (рис. 115)
состоит из вертикальной реторты, имеющей устройство для слива
образовавшегося хлористого магния и крышки, через которую
осуществляется загрузка магния и четыреххлористого титана.
При переходе к процессу вакуумной сепарации продуктов
восстановления крышку заменяют конденсатором с коммуникациями
для подключения к системе вакуумной откачки.
Кроме собственно аппарата, в состав установки входит печь
или даже две печи, в которых последовательно проводятся
процессы восстановления и вакуумной дистилляции.
Цикловая производительность аппарата для периодических
процессов зависит в основном от объема аппарата. На основе
известного объема аппарата и экспериментальных данных о съеме
титановой губки с единицы объема определяют возможную цикловую
производительность аппарата. Иногда решают обратную задачу —
по заданной цикловой производительности рассчитывают
необходимый объем реторты:
G= gVpko6, (104).
где G—-цикловая производительность реактора, кг;
q — удельное заполнение единицы объема реактора
восстановленным металлом, кг/л;
Кр — объем реактора, л;
£0б — коэффициент использования объема реактора (для
различных аппаратов 0,80—0,95).
По цикловой производительности аппарата непосредственно
рассчитывают конденсатор для процесса вакуумной дистилляции.
Размеры конденсатора зависят от допустимой удельной нагрузки на
единицу его поверхности по конденсату, состоящему из
дистиллированных в процессе вакуумной обработки продуктов
восстановления. Такими являются обычно избыточный восстановитель и его
соединение (в случае титана — хлорид магния). Поверхность
конденсатора вычисляют по формуле
где FK — поверхность конденсатора, м2;
kB — коэффициент, показывающий выход конденсата на
единицу массы получаемого восстановленного металла, кг/кг;
qK — допустимая удельная нагрузка на 1 м2 конденсатора по
конденсату, кг/м2;
G — аналогично формуле (104).
Продолжительность цикла равна сумме продолжительностей
отдельных элементов цикла. В рассматриваемом примере такими
элементами являются:
1) сборка аппарата;
2) откачка аппарата и заполнение инертным газом;
3) установка аппарата в печь восстановления;
4) разогрев аппарата;
249
5) загрузка жидкого магния;
6) процесс восстановления (подача четыреххлористого титана);
7) охлаждение в печи;
8) извлечение аппарата из печи восстановления;
9) установка аппарата в печь вакуумной дистилляции;
10) монтаж вакуумной системы и откачка;
11) разогрев аппарата до температуры процесса дистилляции;
12) процесс вакуумной дистилляции;
13) охлаждение в печи и заполнение инертным газом;
14) извлечение из печи;
15) охлаждение в холодильнике;
16) разборка аппарата;
17) извлечение губки и чистка аппарата.
Для различных аппаратов, входящих в состав установки,
продолжительность цикла будет различной. Реторта аппарата
восстановления участвует во всех 17 элементах цикла. Печь для
проведения процесса восстановления участвует в процессе с момента
установки аппарата в печь до момента извлечения аппарата из печи,
т. е. в 6 элементах цикла. Печь для проведения процесса
вакуумной дистилляции занята в 6 других элементах цикла.
Чтобы принять правильное решение при проектировании,
необходимы данные но продолжительности каждого элемента цикла,
а не только всего цикла в целом. Поэлементное рассмотрение
позволяет выделить в каждом технологическом процессе элементы,
в которых заняты отдельные аппараты, входящие в состав
установки, и задолженность смежного оборудования (например,
транспортного). Продолжительность отдельных элементов цикла
устанавливают, за небольшим исключением, по данным практики
эксплуатации аналогичного оборудования в существующих
производствах.
Продолжительность процесса восстановления рассчитывают на
основе показателей эксплуатации аналогичных аппаратов,
промышленных или опытных. За исходную величину принимают скорость
подачи четыреххлористого титана в аппарат восстановления. По
удельному расходу четыреххлористого титана на образование
титановой губки определяют продолжительность собственно процесса
восстановления:
w HOCCT гг 9 (106)
где Твосст — длительность собственно процесса восстановления
(время подачи четыреххлористого титана в аппарат),
ч;
G — заданная производительность аппарата по титановой
губке, кг;
kc— удельный расход четыреххлористого титана на
производство титановой губки, кг/кг;
gc — скорость подачи четыреххлористого титана в аппарат,
кг/ч.
250
Скорость подачи четыреххлористого титана gc определяют как
средневзвешенную величину за все время подачи.
Продолжительность разогрева аппарата при установке в печи восстановления и
вакуумной сепарации также можно рассчитать на основе известной
массовой теплоемкости аппарата и печи и принятой мощности
нагревающего устройства.
При расчетах времени подогрева следует учитывать, что
аппарат можно устанавливать в печь, уже разогретую до температуры
процесса.
По цикловой производительности и длительности цикла
вычисляют среднюю часовую производительность аппарата, которая
более полно характеризует эффективность его работы. Средняя
часовая производительность равна
£сР=-^, (Ю7)
-ц
где g€p— средняя часовая производительность аппарата по
титановой губке, кг/ч;
G—цикловая производительность аппарата по титановой
губке, кг;
Тц — полная продолжительность цикла, ч.
Тепловой расчет установки восстановления и вакуумной
сепарации не ограничивается расчетом мощности нагревателей. В ходе
собственно процесса восстановления необходимо в целях
ограничения верхнего значения температуры процесса интенсивно
отводить тепло от аппарата. Такой отвод тепла обеспечивается
обдувкой аппарата воздухом. Па практике такую систему обдувки
рассчитывают только ориентировочно, а точные параметры ее
определяют экспериментально. Это обусловлено сложной формой
рабочего пространства печи и крышки аппарата, через которые
продувается охлаждающий воздух, затрудняющими расчет
теплообмена. Вакуумную систему рассчитывают на основе общих
принципов, рассмотренных ниже.
При проектировании в случае необходимости изменения
параметров установок восстановления и вакуумной сепарации по
сравнению с разработанными и опробованными конструкциями
следует дифференцированно подходить к возможности изменения
различных параметров установки. Изменение цикловой
производительности аппарата само по себе еще не обеспечивает повышения
эффективности работы установки. В каждом конкретном случае
необходимо учитывать изменение средней часовой
производительности аппарата. Повысить цикловую производительность аппарата
можно за счет увеличения диаметра и высоты реторты.
При увеличении диаметра может повыситься скорость
протекания процесса восстановления, так как при этом за счет
расширения зоны реакции возрастет поверхность охлаждения и,
следовательно, отбор тепла от аппарата. В общей продолжительности
цикла время восстановления увеличится в меньшей степени, чем
цикловая производительность аппарата, или вообще не возрастет.
251
В отличие от процесса восстановления время протекания процесса
дистилляции, время операций по разогреву и охлаждению аппарата
при увеличении диаметра аппарата возрастет, так как повысится
общая массовая теплоемкость аппарата и толщина слоя материала,
через который тепло подводится в аппарат или отводится из него.
При увеличении высоты реторты и сохранении неизменным
диаметра скорость процесса восстановления практически не
возрастает. Соответственно увеличивается время собственно
восстановления. Однако время, необходимое на осуществление процесса
вакуумной сепарации (при пропорциональном увеличении поверхности
конденсатора), по абсолютной продолжительности в этом случае
не возрастает, как и время на разогрев и охлаждение аппарата.
Это может позволить серьезно сократить время первичного
разогрева аппарата, пока в нем еще отсутствует металлический титан.
После того как в аппарате уже образовался титан, возможности
увеличения скорости подвода тепла к аппарату лимитируются
максимально допустимой температурой его стенки. Превышение этой
температуры приведет к образованию легкоплавкой эвтектики
титан— железо и разрушению аппарата. Таким образом, при
увеличении диаметра реторты повышение мощности нагревателей не
может компенсировать эффект от увеличения массы продукта в
аппарате и толщины прогреваемого слоя продукта. При возрастании
емкости реторты за счет увеличения ее высоты пропорциональное
повышение мощности нагревателей печи при сохранении удельной
тепловой нагрузки на единицу боковой поверхности реторты не
потребует удлинения времени на разогрев и вакуумную сепарацию.
При повышении цикловой производительности аппарата время
операций установки и извлечения из печи, а также монтажа в печи
и сборки аппарата при подготовке к процессу практически
остается неизменным по абсолютной величине, если увеличение
масштаба аппарата не слишком велико и не приводит к изменению
конструктивной схемы аппарата. При повышении цикловой
производительности аппарата средняя часовая производительность
аппарата всегда также возрастает. Относительный масштаб такого
увеличения тем больше, чем большая доля элементов общей
продолжительности цикла остается неизменной. Реальный цикл занятости
реторты имеет следующее примерное распределение по занятости
на группах опраций, %:
Монтаж и транспортировка 10—15
Разогрев и охлаждение 20—25
Восстановление 20—25
Вакуумная сепарация 40—45
Наибольшее повышение средней часовой производительности
аппарата будет достигаться, если при увеличении его цикловой
производительности сохранится неизменной длительность вакуумной
сепарации.
Сохранить абсолютную длительность вакуумной сепарации
можно только в условиях, обеспечивающих сохранение абсолютной
252
продолжительности операции по разогреву и охлаждению реторты.
Операции по монтажу и траспортировке практически не требуют
увеличения продолжительности. В этом случае при увеличении
цикловой производительности возрастет только длительность процесса
восстановления. Можно принять, что она возрастет
пропорционально повышению цикловой производительности аппарата.
Соответственно увеличение средней часовой производительности
аппаратов в зависимости от масштаба повышения цикловой
производительности выразится формулой
к=г--ъ,тэ + 1ткх ' (108)
где К — коэффициент увеличения средней часовой
производительности аппарата;
Ki— коэффициент увеличения цикловой производительности
аппарата;
0,75 — доля продолжительности элементов цикла, абсолютная
величина которых не возрастает при увеличении
цикловой производительности;
0,25 — доля продолжительности элементов цикла, абсолютная
величина которых возрастает пропорционально
цикловой производительности.
Зависимость между коэффициентами увеличения цикловой и
средней часовой производительности аппаратов магпиетермического
восстановления титана приведена ниже:
Кх 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50
К 1,17 1,33 1,47 1,60 1,71 1,82
Приведенные результаты расчетов относятся к собственно
аппарату восстановления. Соответствующие расчеты можно привести
также для печей восстановления и вакуумной сепарации. При
изменении цикловой и удельной производительности аппарата
следует проверить необходимое время откачки системы при создании
вакуума. Эта величина может отразиться на продолжительности
цикла и средней часовой производительности аппарата.
Аппараты для иодидного рафинирования редких металлов
Процесс иодидного рафинирования можно применять для
получения высокочистых циркония, гафния, титана, тория, бериллия
и др. [33]. Наиболее широко этот процесс применяется в
металлургии циркония [59]. Для циркония создана аппаратура,
позволившая организовать промышленное производство с годовым
выпуском нескольких сот тонн очищенного металла.
Аппаратура для иодидного рафинирования является
аппаратурой периодического действия. В ходе расчета аппаратуры решаются
задачи определения цикловой производительности аппарата и
длительности технологического цикла. Другая не менее важная и
253
сложная задача расчета аппарата — обеспечение энергетического
баланса аппарата в ходе процесса.
Аппарат для иодидного рафинирования (рис. 116) простейшей
конструкции представляет собой реактор цилиндрической формы
[60]. По периферии реактора в кольцевом зазоре между его
боковой стенкой и перфорированным внутренним экраном или сеткой
помешают исходный черновой металл в виде губки, стружки или
в другой форме, обеспечивающей достаточно развитую
поверхность. В центральной части
аппарата размещена нить
для осаждения
рафинированного металла. Нить
нагревается проходящим через
нее электрическим током.
В ходе процесса пары
иода взаимодействуют с
черновым металлом,образуя
пары его иодида. Со многими
примесями иод не
реагирует. Пары иодида поступают
к нагретой нити в
центральной части аппарата и
разлагаются на ее поверхности
с выделением очищенного
металла, образующего по мере
осаждения на нити
стержень, и паров иода,
возвращающихся на иодирование
новых партий чернового
металла. Для успешного
протекания процесса
необходимо поддерживать
постоянную температуру
поверхности нити и стенки реактора.
Температура поверхности
стержней для большинства
металлов должна равняться
1100—1400° С. Для каждого конкретного металла устанавливается
соответственно более точное ее значение. Температура стенки
реактора практически не превышает для технологий большинства
рафинируемых металлов 400—500е С.
Для соблюдения заданного теплового режима используются два
средства — обогрев нити пропусканием электрического тока и тер-
мостатирование наружных стенок реактора с помощью
теплоносителя. Температура поверхности нити обеспечивается пропусканием
через нее тока. Температура стенок реактора определяется в
результате суммирования тепловых потоков от стержней и
теплоносителя. В первый период цикла, когда сечение нити невелико и
мощность, выделяемая при ее нагреве, мала, теплоноситель исполь-
Рис. 116. Аппарат иодидного рафинирования:
/ — исходный металл; 2 — прутки
рафинированного металла
254
зуется для обогрева стенок, что позволяет поднять температуру
стенки реактора до требуемой по технологии предела. По мере
роста стержней и увеличения мощности, расходумой на их нагрев и
выделяемой с их поверхности, появляется необходимость в
интенсивном отводе тепла от наружной поверхности аппарата.
Теплоноситель, термостатирующий стенки аппарата, используется уже для
охлаждения, а не обогрева, как это делается в начале цикла.
Рассматривая весь комплекс, можно определить основные
элементы, требующие расчета.
Для определения или обоснования цикловой
производительности аппарата необходимо:
1)на основе заданного диаметра и, следовательно, массы
единицы длины стержня очищенного металла и заданной цикловой
производительности определить необходимую суммарную длину
нити. Это позволит выявить исходные данные для определения
основных габаритов аппарата;
2) на основе известных диаметра и длины стержней рассчитать
максимальную мощность, выделяемую ими в конце цикла, что
позволит рассчитать систему теплоотвода от стенок реактора на
максимальную нагрузку;
3) по определенной мощности и электрическому сопротивлению
исходной нити и стержней очищенного металла можно задаться
параметрами электропитания для нагрева стержней с изменением
их во времени по мере наращивания очищенного металла.
Для определения длительности цикла необходимо:
1) на основе определенной в ходе научно-исследовательских
работ скорости наращивания стержней установить длительность
собственно процесса рафинирования;
2) на основе результатов опытных работ определить количество
и состав вспомогательных операций, а также их
продолжительность.
Определение длины нити. Длину нити вычисляют по формуле
где L — суммарная длина нити, см;
G — заданная цикловая производительность аппарата, г;
dK — конечный (максимальный) диаметр стержней после
завершения процесса, см;
Y — плотность металла, г/см3.
В формуле (109) в цикловую производительность аппарата
вошла масса исходной нити. Чистый прирост рафинированного ме-
/ dnV
талла меньше ее на величину \—г~) ■
Определив суммарную длину стержней, можно на основе
конструктивных соображений принять расположение нити. Так как
расстояние между соседними стержнями и стержнями и экраном
255
или сеткой, за которыми помещается исходный черновой металл,
можно также принять на основе результатов опытных работ,
определяют основные габариты аппарата. При расчете емкости
отделения для загрузки чернового металла следует учитывать цикловой
выход в очищенный металл, равный 50—60%•
Определение максимальной мощности, выделяющейся с
поверхности стержней в ходе технологического процесса, рассчитывают,
используя величину удельного излучения, определяемую
свойствами металла и температурой процесса. Для большинства
металлов, применительно к которым разрабатывалась технология иодид-
ного рафинирования, этот коэффициент лежит в пределах 10—
25 Вт/см2. Максимальная выделяемая мощность определяется по
формуле
W=mr.d,L, (ПО)
где W — суммарная мощность, Вт;
CD — удельное излучение, Вт/см2;
du — конечный диаметр стержней, см;
L — общая длина нити, см.
После определения суммарной максимальной мощности
рассчитывают систему отвода тепла от реактора, которая в данном
случае будет лимитирующим элементом системы. Расчет
производят на основе общих принципов расчета теплопередачи. При этом
исходная заданная величина — температура стенки реактора.
Температуру теплоносителя и коэффициенты теплопередачи
устанавливают в зависимости от выбранного теплоносителя и системы его
циркуляции. Следует, однако, отметить, что для каждого
определенного теплоносителя коэффициент теплопередачи не может
меняться в широких пределах. Так, при испарительном охлаждении
реактора водой величина коэффициента составит 2,0—2,5 Вт/см2.
Поэтому увеличить теплоотбор от реактора можно только за счет
развития поверхности охлаждения.
Определение параметров системы электропитания. Изменения
силы тока и напряжения, обеспечивающие в ходе процесса
поддержание на поверхности стержней заданной температуры,
описываются двумя общими формулами:
/---^уж, (по
^тг/f* (112)
где / — сила тока, А;
р — удельное электрическое сопротивление при заданной
температуре, Ом • см;
d — диаметр стержня, см;
w — аналогично формуле (110).
Efu----k,, (113)
кг--=Ц4т.?»?)ч\ (114)
256
где Е — напряжение на стержнях, В, а все остальные обозначения
аналогичны формулам (111), (112).
Так как известен начальный и конечный диаметры стержней,
то можно определить начальные и конечные значения силы тока
и напряжения. Промежуточные значения легко вычисляются из
формул (111), (ИЗ). Общее представление о характере
зависимости силы тока от напряжения дает вольт-амперная характеристика
для процесса осаждения титана (рис. 117).
Определение длительности наращивания стержней. Увеличение
площади сечения стержней и, следовательно, количества
рафинированного металла имеет при постоянной температуре линейную
зависимость. На единицу длины стержня за равные отрезки времени
осаждаются равные количества рафинированного металла. В
расчете используют удельную скорость
осаждения металла, отнесенную к
единице длины стержня. Величину эту
принимают на основе результатов
опытных работ. Зная заданную
производительность аппарата, общую длину
стержней и удельную скорость
осаждения можно рассчитать время
осаждения:
где t — время осаждения, ч;
g — удельная скорость осаждения, г/(ч-см);
G и L — аналогично формуле (109).
Определение состава цикла и длительности подготовительных
операций. Применительно к процессу иодидного рафинирования
циркония описана технология со следующим порядком выполнения
элементов цикла: загрузка и сборка реактора; монтаж реактора на
стенде сушки и вакуумирования; сушка и дегазация реактора;
испарение иода; перенос реактора в термостат; процесс
наращивания стержней; охлаждение реактора; перенос реактора на стенд
разборки; вскрытие реактора; разборка и мойка реактора.
Порядок расчета длительности собственно процесса
наращивания приведен выше. Длительность остальных элементов цикла
устанавливают на основе результатов опытных работ. Для
сравнения удельного веса различных элементов в общей длительности
цикла можно привести пример, когда длительность всех элементов
цикла, предшествующих процессу наращивания, составляла 12—
15 ч, процесс наращивания длился около 130 ч и последующие
операции составляли 6—10 ч. Приведенный перечень элементов цикла
относится к собственно реактору. При расчете необходимого
количества термостатов, в которых ведут процесс наращивания
стержней, цикл ограничивается элементами от переноса реактора в
термостат до переноса реактора на стенд разборки.
"^
2,0
Ь5
\1,0
12 3 1*
Сила тока, А
Рис. 117. Вольтамперная
характеристика процесса осаждения
17 Зак. .\° 461
257
Если в ходе проектирования возникает необходимость в
изменении конструкции аппарата с целью повышения его цикловой
производительности, для правильного решения возникающих при
этом проблем следует четко определить причины, ограничивающие
возможность такого увеличения.
Нельзя повышать цикловую производительность аппарата по
сравнению с определенной в ходе опытных работ механическим
увеличением общей длины стержней или их диаметра. Такое
повышение цикловой производительности ограничивается прежде
всего возможностями отвода тепла от аппарата в конце процесса.
Если повышение цикловой производительности аппарата
намечается достигнуть за счет увеличения общей длины стержней, то это
потребует в первую очередь пропорционального повышения
напряжении в системе питания стержней электроэнергией. Если
намечается увеличить конечный диаметр стержней, то это требует
повышения токовых нагрузок при снижении напряжения (см. рис. 117).
Однако для такого рода увеличений необходима серьезная
опытная проверка, так как изменение конечного диаметра стержней
может серьезно изменить картину теплопередачи в реакторе и,
таким образом, качественно повлиять на протекание процесса
рафинирования.
Вакуумные системы
Вакуумные системы в самых разнообразных формах
исполнения широко используются в металлургии редких металлов [39].
По характеристике эти системы можно разбить на две большие
группы: системы низкого вакуума, при которых остаточное
давление составляет несколько процентов и даже десятков процентов
от атмосферного давления, и системы высокого вакуума,
рассматриваемые в настоящем разделе. К этой группе относятся системы,
обеспечивающие остаточное давление на много порядков меньше,
чем атмосферное, для большинства процессов находящееся в
интервале 1 • Ю-4—1 • 10~2 мм рт. ст. В основном такие системы
применяются на заключительных переделах производства, связанных
с высокотемпературным восстановлением металлов до
элементарного состояния, их рафинированием и первичной обработкой
[61,62].
Вакуумные системы могут составлять сложную
многоэлементную схему, включающую несколько ступеней откачки,
коммуникации, ловушки для защиты вакуум-насосов от загрязнения,
запорную аппаратуру. В некоторых случаях вакуумная система
независима от обслуживаемого оборудования и может использоваться
одновременно или последовательно для нескольких
технологических установок. В других случаях, например в установках
электроннолучевого нагрева, вакуумная система неотъемлемая часть
технологического аппарата и расчет ее входит в общий расчет этого
аппарата. В первом случае он выполняется только на стадии
проектирования и является частью проекта.
253
Расчет вакуумных систем имеет целью определить необходимые
параметры оборудования и системы коммуникаций для создания
вакуума. При этом главная задача расчета — обеспечить взаимное
соответствие параметров различных элементов системы.
При расчете вакуумной системы могут решаться две задачи:
установление времени откачки для достижения в системе нужного
разрежения или на основе заданного времени откачки
определение требований к оборудованию и системе, обеспечивающим это
разрежение, и вычисление параметров оборудования и других
элементов системы, обеспечивающих поддержание заданного
разрежения в системе.
Для проведения расчета вакуумной системы необходимо:
1) на основе заданного режима работы и выбранных
геометрических параметров системы определить пропускную способность
каждого из элементов системы;
2) на основе установленной пропускной способности каждого
из элементов системы и схемы их соединения определить
суммарную пропускную способность системы;
3) на основе определенной общей пропускной способности
системы установить рациональные пределы быстроты действия
насоса и выбрать соответствующий вакуумный насос;
4) на основе известных пропускной способности системы и
быстроты действия насоса определить скорость откачки системы.
Расчет пропускной способности отдельных элементов вакуумной
системы [63, 64]. Пропускная способность элементов вакуумной
системы — величина, обратная сопротивлению, зависит от
характера движения газа. Характер движения газа определяется
безразмерной величиной — числом Кнудсена, выражающим отношение
длины свободного пробега молекул газа при данном давлении к
характерному геометрическому размеру элемента системы
(например, у трубы к диаметру). В зависимости от числа Кнудсена
характер движения газа может соответствовать молекулярному,
вязкостному или молекулярно-вязкостному режиму.
Число Кнудсена выражается формулой
К=-%-, (116)
где К — число Кнудсена;
L„ — длина свободного пробега молекул газа, см;
а — характерный размер рассчитываемого элемента,
эквивалентный радиусу для круглых сечений, см.
Значения чисел Кнудсена, характерные для различных режимов
течения газа, приведены ниже:
Вязкостный
Молекулярный
Промежуточный (молекул ярпо-вяз
костный)
К<0,01
К > 1,00
1,00/ К>0,01
17*
259
Пропускную способность для молекулярного и вязкостного
режима рассчитывают по специальным формулам. Для
промежуточного (молекулярно—вязкостного) режима расчет целесообразно
вести, используя значение пропускной способности для
молекулярного режима. Для такого расчета можно принять формулу
Fm-F»(-^+z), (117)
где /\мВ-- пропускная способность элемента при промежуточном
(молекулярно—вязкостном) режиме, л/с;
/■'м — пропускная способность элемента при молекулярном
режиме, л/с;
/( — аналогично формуле (116);
Z — безразмерный коэффициент, зависящий от К, приведен
ниже:
К 10-4 10-2 ю-1 0,2 1 2,0
Z 0,810 0,810 0,816 0,822 0,857 0,885
Д' 3,1 5 10 20 102
Z 0,905 0,933 0,955 0,974 0,955 1,000
Размерность пропускной способности может быть и другой, но
для /-'ыв и Fyi она должна быть одинаковой.
Для расчета пропускной способности элементов вакуумных
систем в литературе имеются формулы для некоторых частных
случаев. Наиболее часто встречаются формулы, рассчитанные на
воздух при температуре 20 или 25° С. Любую формулу расчета
пропускной способности можно привести к виду:
где /-' — пропускная способность (любая размерность);
R — коэффициент, независящий от специфических свойств
газа, заполняющего систему;
Т — температура газа, °К;
М — молекулярная масса газа.
Это позволяет использовать формулу, принятую для любого
газа при любой температуре для любых конкретных условий.
Общая формула пересчета будет:
f>-f-VW- (119)
где F3 и FK— пропускные способности соответственно для
заданного и известного случаев (в идентичной
размерности);
М3 и Ми — молекулярные массы газов аналогично для
заданного и известного случаев;
Т3 и Т„ — температура газов для заданного и известного
случаев, СК.
260
Приведенная формула основана на том, что при низких
давлениях свойства реальных газов приближаются к идеальным:
1. Пропускную способность прямой трубы круглого сечения
определяют по формулам:
для вязкостного режима
/=■„-0,281 -j^-pc? Y~ ; (120)
для молекулярного режима
/=■^3,81 ^-j/-^ , (121)
где FB и Fu — пропускные способности трубы при вязкостном и
молекулярном режимах соответственно, л/с;
d — диаметр трубы, см;
/ — длина трубы, см;
рСр — среднее давление в трубе, мкм рт. ст.;
L\ — средний свободный пробег молекулы газа,
отнесенный к единице давления (в данном случае к мкм
рт. ст.). Фактически — это произведение давления
на величину свободного пробега при этом давлении,
т. е. для данного газа величина постоянная, см;
Т и М — аналогично формуле (118).
Особенностью размерности величины пропускной способности
является то, что она отражает объемы газов и паров при реальном
давлении в системе. Количество по массе газов и паров,
соответствующее данной пропускной способности, будет разным для
различных давлений. .
Формула (120) и последующие (121) — (124) относятся к
трубам относительно большой длины, для которых соблюдается ряд
условий.
Во-первых, условия прохождения газа должны позволять
пренебрегать эффектом от его сжимаемости. Это бывает в случае, если
число Маха — отношение скорости газа к скорости звука в нем —
не превышает 1/3.
Во-вторых, течение должно быть полностью сформированным,
т. е. распределение скоростей потока по сечению трубы постоянно
по всей длине трубы. Так как реально на входе в любую трубу
из объема с большим поперечным сечением это требование не
выполняется, то пренебрегать, им можно только для труб с большим
отношением длины к диаметру.
В третьих, режим течения газа в трубе должен оставаться
ламинарным, т. е. коэффициент Раннольдса не должен превосходить
определенной величины, для воздуха равной 1000.
При нарушении перечисленных условий сопротивление
прохождению газов по элементу системы возрастает по сравнению с
величиной, определяемой по формулам для труб большой длины,
а пропускная способность соответственно сокращается.
261
2. Пропускная способность канала прямоугольного сечения
определяется по формулам:
для вязкостного режима, применительно к воздуху при
температуре 25° С
/v-0,26r-^-/>cp; (122)
для молекулярного режима
^-9-70^TtTiVT- (123)
где а и b —стороны прямоугольного сечения, см;
Y — безразмерный коэффициент, зависящий от отношения
сторон, значения которого приведены ниже:
4- .... 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10
о
Y 1,00 0,99 0,98 0,95 0,90 0,82 0,71 0,58 0,42 0,23
-Fb, ^м, Т, М, I, Рср — аналогично формулам (120) и (121).
3. Все рассмотренные выше случаи расчета отдельных видов
труб относились к элементам с относительно большой длиной
и постоянным сечением. Применительно к молекулярному режиму
для таких элементов с сечением любой формы пропускную
способность можно вычислять но формуле
/V-19,40 -щ-Vi , (124)
где А — площадь поперечного сечения, см2;
Я — периметр сечения, см;
Fv, I, Т, М — аналогично формулам (120) и (121).
В специальной литературе приведены формулы расчета
пропускной способности для трубопроводов более сложной формы
(эллиптической, кольцевой, конической).
4. Пропускная способность отверстия, значительно меньшего по
площади, чем сечение объема, в ограждении которого это
отверстие расположено, определяется по формулам:
для вязкостного режима
^20ГГ~' <125>
для молекулярного режима
/\,-3,638Л У^- , (126)
где рч и р\—давление газов после отверстия и перед ним
(любая размерность);
/•'в, ^м, Т, М, d — аналогично формулам (120) и (121);
А — аналогично формуле (124).
262
Особым случаем пропускной способности отверстия является
пропускная способность диафрагмы, т. е. отверстия, сопоставимого
по площади с сечением предшествующего ему объема. Для
молекулярного режима пропускная способность диафрагмы
определяется по формуле
' -"о/-"пр
где Fu — пропускная способность диафрагмы, л/с;
.Fo — пропускная способность отверстия равной площади, при
бесконечно большой площади сечения
предшествующего объема, определяемая по формуле (125)
(размерность идентична FM);
А0 — площадь отверстия диафрагмы, см2;
Апр — площадь поперечного сечения предшествующего
элемента системы (размерность идентична Л0).
5. Пропускная способность коротких труб определяется по
методике, отличной от изложенных выше способов расчета длинных
труб.
Отличие заключается в том, что для коротких труб на общую
пропускную способность значительно влияет сопротивление
перехода от объема, предшествующего трубе в вакуумной сети, к трубе.
Расчет в данном случае может быть произведен на основе
табличных данных, показывающих изменение проводимости отверстия
на входе в трубу от длины этой трубы. Кроме того, расчет можно
вести по формулам:
для вязкостного режима
FB-0,2H\ Уж i ; Т/Т- <128)
Lxl 1 +3,83 • 10-4 _hU
для молекулярного режима
где Q — расход газа, мкм рт. ст. • л/с;
,мр в'л ' , ' — аналогично формулам (120) и (121).
Следует учитывать, что для труб с длиной, превышающей
диаметр в 20 и более раз, поправка, связанная с учетом
сопротивления на входе в трубу, составляет 7% и менее. В общем
случае проводимость короткой трубы можно определять как
проводимость системы, состоящей из последовательно соединенных
отверстия и трубы.
6. Особый случай, который нецелесообразно решать путем
вычислений, это определение пропускной способности запорной
арматуры. Для этого следует использовать табличный материал,
обобщающий опытные данные.
263
Пропускная способность некоторых кранов для воздуха при
25° С и молекулярном режиме течения приведена ниже:
,;, см 0,5 0,2 0,4 2,0 5,0 20,0 2,0 2,5
/, см 3,2 2,0 40,0 40,0 20,0 20,0 1,0 20,0
F, л/сек 2,62 0,287 0,150 16,65 329,1 9860,0 117,6 53,09
Расчет суммарной пропускной способности вакуумной системы,
состоящей из ряда элементов, для каждого из которых
пропускная способность известна, рассчитывают аналогично расчету
проводимости или сопротивления сложной электрической цени.
Сопротивление элементов и системы—величина, обратная пропускной
способности. Связь между ними может быть выражена формулой
W-±-, (130)
где W — сопротивление элемента или системы;
F— пропускная способность.
Общую пропускную способность или сопротивление системы,
состоящую из п элементов, последовательно соединенных между
собой, можно определить по формулам:
■т = тг + ^-----ЬтЬ-+77' (131)
Ur-_- W, -+- W2 -f . . . 4~ Wn _! + Wn, (132)
где F и W — суммарные пропускная способность и сопротивление
системы;
Fi и Wi — пропускная способность и сопротивление отдельного
элемента системы.
Для системы из п элементов, параллельно соединенных между
собой, расчет суммарных пропускной способности и сопротивления
проводят по формулам:
F-^t\+Fr\-...-\-Fn_y\-Fa, (133)
Все обозначения аналогичны приведенным в уравнениях (131)
и (132).
Выбор насосов для откачки системы. В зависимости от того,
какая из двух задач ставится перед расчетом, по-разному подходят
к выполнению расчета. Первая задача связана с установившимся
режимом работы и направлена на поддержание в системе
заданного разрежения. Вторая связана с неустановившимся режимом
работы и направлена на создание в системе заданного
разрежения. Первая задача является абсолютной в том смысле, что
необеспечение достаточного разрежения исключает возможность
осуществления заданной технологии вообще. Вторая допускает варианты
в решениях. Изменяемый показатель в этом случае — время. Опти-
264
мальное решение определяется соображениями экономической
эффективности. При более коротком времени откачки выше затраты
на создание и эксплуатацию одной установки. При более
продолжительной откачке может потребоваться большее число установок,
хотя затраты на создание и эксплуатацию каждой из них будет
меньше.
Величины натекания и газовыделения в системе являются
основой расчета при установившемся режиме работы вакуумной
системы, так как они определяют количество газа, которое
необходимо удалять из системы. Натекание — это количество воздуха
или другого газа, поступающего в систему извне через
неплотности или специальные устройства. Газовыделение в системе может
обусловливаться как испарением отдельных компонентов
перерабатываемых продуктов, так и десорбцией газов с внутренней
поверхности аппарата, а также с поверхности и из объема
перерабатываемых продуктов. Количество вещества газа или пара
принято выражать произведением объема, им занимаемого, на
давление в этом объеме (например, мкм рт. ст.-л), соответственно
скорость натекания или десорбции характеризуется той же
величиной, но отнесенной к единице времени (мкм рт. ст. -л/с).
Пропускную способность системы в начале расчета принимают
условно, так как ее в случае необходимости в ходе расчета можно
корректировать внесением соответствующих изменений в габариты
и конструкцию аппаратуры и устройств.
Основным уравнением вакуумной техники является уравнение,
связывающее действительную быстроту откачки с пропускной
способностью системы и быстротой действия насоса:
1 1 , 1 ,,.,,-v
— = ^-+—, (13о)
где S — быстрота откачки системы;
SH — быстрота действия насоса, т. е. быстрота откачки при
отсутствии каких-либо сопротивлений между насосом и
откачиваемым объектом;
F — пропускная способность системы.
Все величины имеют одинаковую размерность (л/с).
В ходе расчета величину пропускной способности системы
можно корректировать. Можно выбирать различные значения для
быстроты действия насоса. Из формулы (135) видны возможные
пределы таких изменений. Обе величины должны быть больше
заданной скорости откачки. Если одна из них становится равной
скорости откачки, то вторая должна принимать бесконечно
большое значение.
Как и пропускная способность, быстрота действия насоса и
быстрота откачки системы отнесены к объему, занимаемому парами
или газами при фактическом давлении в аппаратуре.
Действительное количество газа, находящегося в аппарате, при этом выражают
аналогично тому, как это показано выше, произведением давления
265
на объем. Уменьшение количества газов и паров в аппарате
проявляется в изменении давления.
Приведенная формула позволяет определить необходимую
величину быстроты действия насоса или любую из входящих в нее
величин по известным двум другим.
При выборе насоса для обеспечения необходимого времени
откачки системы для достижения заданного остаточного давления
расчет ведут по формуле, общей для любого режима:
2,3
~1Г
Р>
Pi '■
Р2 +
к
b
k
b
(136)
где т — необходимая продолжительность откачки, с;
k — выражается формулой
к- - v ,
b — выражается формулой
(137)
/^„0,0736-^-; (138)
pi — исходное давление, при котором начинается откачка,
мкм рт. ст.;
рг — конечное давление, достигаемое при откачке, мкм рт. ст.;
V — объем откачиваемой аппаратуры, л;
а — аналогично формуле (116);
F — аналогично формуле (118);
Li — аналогично формуле (120).
Для расчета времени откачки только в одном режиме —
молекулярном или вязкостном формулы упрощаются.
Для вязкостного режима течения газа, когда —<^Lpz'-
k
Для молекулярного режима течения газа, когда — ^>р:
■-^lt- <140>
Все обозначения аналогичны приведенным в формулах (136) и
(137).
По результатам расчетов вносят необходимые изменения в
характеристики откачивающего оборудования и системы
коммуникаций. Пропускную способность системы и быстроту действия
насоса можно уменьшить, увеличивая длительность откачки до
заданного остаточного давления. Однако в этом случае имеется огра-
266
ничение. Минимальная скорость откачки не может принимать
значения, равные или меньшие, чем поступление газов и паров в
систему в результате патекания, десорбции и по причинам,
обусловленным технологией. При равенстве быстроты откачки и скорости
поступления газов в систему дальнейшее понижение давления
прекращается, а если поступление газов преобладает, то давление
растет.
При выборе производительности оборудования в системах
с многоступенчатой откачкой основой определения характеристики
работы последовательно соединенных ступеней откачки является
принцип неразрывности потока. Количество газа, проходящее через
все ступени, постоянно. Предполагается, что подсоса газа из
атмосферы в систему между ступенями откачки нет. Для первого
насоса, соединенного с откачиваемой системой непосредственно,
порядок расчета аналогичен тому, который описан выше для
одноступенчатой системы. Для насоса, ведущего откачку газов и паров,
выбрасываемых первым насосом, исходными данными для расчета
служат давление на выбросе из первого насоса и пересчитанное
количество этих газов с учетом возросшего давления. Необходимая
производительность второго насоса определяется формулой
где So2 — необходимая быстрота откачки второй ступени
откачки;
S0i — быстрота откачки первой ступени откачки;
Рсист — остаточное давление в откачиваемой системе;
Рвыхлош — давление на выхлопе насоса первой ступени откачки.
Единицы, в которых выражаются величины, входящие в
формулу (141), могут быть любыми, но необходимо, чтобы 502 и S0i
выражались в одних и тех же единицах и аналогично рСИст и
Рвыхлош. После определения необходимой быстроты откачки на
второй ступени устанавливают пропускную способность
коммуникаций и запорных устройств, связывающих насосы первой и второй
ступени, и ведут расчет необходимой быстроты действия
откачивающих устройств второй ступени, аналогично тому, как это
делалось для первой. Для каждой последующей ступени расчет
выполняется аналогично.
Аппараты для фильтрации пульп
Фильтрующие аппараты широко применяются на
гидрометаллургических переделах производства редких металлов, а также
в системах с органическими растворителями, жидкими хлоридами
и другими продуктами, требующими разделения жидкой фазы и
твердых частиц. Фильтровальная аппаратура может быть как
периодического, так и непрерывного действия [36]. Аппаратура для
фильтрования в значительной части ее видов выпускается
промышленностью как типовое оборудование. В частности практически все
267
оборудование непрерывного действия, а также фильтрпрессы
выпускаются как типовое.
Основное содержание расчета фильтрующей аппаратуры это
определение длительности цикла фильтрации, удельной
производительности фильтра по осадку или фильтрату и полной
производительности фильтра или потребной площади фильтрующей
поверхности аппарата [65]. Прочие стороны расчета фильтрующей
аппаратуры не являются специфическими и не отличаются от общих
методов расчета аппаратов и механизмов.
Расчет аппаратуры для фильтрации имеет несколько различных
вариантов, обусловленных типом фильтра (периодического или
непрерывного действия), свойствами осадка (сжимаемый или
несжимаемый осадок), а также особенностями технологии (осадок или
фильтрат являются полезным продуктом).
Для проведения полного технологического расчета аппарата
фильтрации необходимо:
1) на основе известных характеристик пульпы установить
допустимую толщину осадка и объем пульпы, приходящихся на
единицу фильтрующей поверхности аппарата за один цикл
фильтрации;
2) на основе установленного объема пульпы, приходящегося
на единицу фильтрующей поверхности, определить длительность
цикла фильтрации и удельную (часовую) производительность
фильтра;
3) на основе удельной производительности фильтра определить
полную производительность фильтра или фильтрующую
поверхность аппарата, необходимую для обеспечения заданной
производительности, а также пределы изменения мгновенной
производительности фильтра.
Определение объема пульпы, перерабатываемой на единице
поверхности аппарата за один цикл фильтрации. Исходной
величиной для расчета служит допустимая толщина слоя осадка на
фильтровальной перегородке или ткани. Эта величина зависит от
конструктивных особенностей фильтра. Так, в случае расчета фильтр-
пресса толщина слоя осадка определяется шириной пространства
между двумя плитами, т. е. толщиной рамы, и равна половине
этой величины. При фильтрации на нутч-фильтрах, ленточных
фильтрах и т. д. толщина слоя осадка определяется
экономическими соображениями. С увеличением толщины слоя осадка
истинная и средняя удельная цикловая производительность фильтра
после определенного предела снижается. Толщина слоя осадка не
должна превосходить этой величины, определяемой по методике,
приведенной ниже.
При известных толщине слоя осадка и характеристики
фильтруемой пульпы объем перерабатываемой за один цикл фильтрации
пульпы, отнесенный к единице площади фильтрующей поверхности,
составит
^уд-4-' (142)
268
где Ууд — объем пульпы, перерабатываемой за один цикл
фильтрации на единице площади фильтрующей поверхности,
м3/м2;
б —толщина слоя осадка, м;
и — объем осадка, получаемого при фильтрации из единицы
объема исходной пульпы, м3/м3.
Определение длительности цикла фильтрации. При известном
удельном объеме пульпы, сопротивлении осадка и фильтрующей
перегородки время собственно фильтрации за один цикл
рассчитывают по формуле:
■= = -^№+2l<'„l'\u), (143)
где т — время фильтрации, с;
Vy;( — аналогично формуле (142).
Что касается коэффициентов b и Vn, то это постоянные,
определяемые свойствами фильтруемого продукта и конкретной
характеристикой аппарата фильтрации; они устанавливаются
экспериментально или выражаются через формулы, связывающие их с
расходными величинами, характеризующими рассматриваемый
процесс.
Коэффициент b зависит как от свойств пульпы, так и от
характеристики фильтра и выражается формулой
(144)
1—S
2ДЯ
где г — удельное сопротивление осадка - -сопротивление единицы
объема осадка высотой 1 м на площади 1 м2, кг-с/м4;
АР —перепад давления на фильтре, кг/м2;
и — аналогично формуле (142);
S — постоянный коэффициент, характеризующий
сжимаемость осадка (для несжимаемых осадков .5 = 0, для
осадка Fe(OH)3 в зависимости от условий образования
от 0,18 до 0,41, для СаСОз 0,14).
Коэффициент Кп соответствует объему исходной пульпы,
необходимому для образования при прохождении этого количества
пульпы через 1 м2 поверхности фильтра слоя осадка с
сопротивлением, равным сопротивлению фильтрующей перегородки.
Вычисляется по формуле
V, --§- . (145)
где /?п — собственное сопротивление фильтрующей перегородки,
кг- с/м4;
г и и — аналогично формулам (142) и (144).
Для определения времени промывки осадка, если промывка
существует, в основу расчета берут скорость прохождения
промывного раствора через осадок.
269
Расход промывной жидкости определяют по формуле
У,у -LuV^, (116)
где Упр— расход промывной жидкости на 1 м2 поверхности
фильтра с осадком, м3/м2;
L — расход промывной жидкости на 1 м3 осадка на
фильтре, м3/м3;
и и Ууд— аналогично формуле (142).
Скорость прохождения промывной жидкости через осадок при
промывке определяем по формуле
^пр(Куд+ Vn)
™Щ>~ '>h„tV...+ V-\ • (147)
где wap — скорость промывки осадка, выраженная в объемах
промывной жидкости, проходящей через единицу
поверхности фильтра в единицу времени, м3/(м2- с);
Ууд и У„— аналогично формулам (142) и (145);
ЬПр — коэффициент, аналогичный коэффициенту в
формуле (131), но отражающий свойства не
фильтруемого, а промывного раствора.
Коэффициент Ьцр можно рассчитать на основе известного
коэффициента b по формуле
пр
где ц и цПр — вязкости соответственно фильтрата и промывного
раствора;
АР и ЛРдр — перепад давления на фильтрующем слое
соответственно при фильтрации и промывке;
Ьцр, b, S — аналогично формулам (143), (144) и (147).
На основе определенных таким образом объема промывной
жидкости и скорости промывки выявляется длительность промывки
Ъ=^- <149>
где т„р — время промывки, с;
Упр и шПр — аналогично формулам (146) и (147).
Последняя составляющая полного цикла фильтрации это время
на вспомогательные операции — удаление осадка, промывку ткани
и т. п. Длительность этого элемента цикла для разных
конструкций фильтров определяют различными методами. Для фильтров
периодического действия это время устанавливают на основе
данных практики эксплуатации. Для фильтров непрерывного действия,
типа ленточных или барабанных, это время в общей
продолжительности цикла пропорционально части фильтрующей поверхности,
занятой под вспомогательные операции.
270
После установления продолжительности основных элементов
цикла фильтрации определяют общую продолжительность цикла
X —■•"-Ипр+'шш- (150)
Затем вычисляют удельную проиаводителыюсть фильтра, которую
можно рассчитывать по четырем различным продуктам — исходной
пульпе, влажному осадку, сухому осадку и фильтрату.
Удельная производительность фильтра по исходной пульпе
?„.„• 3600-^-, (151)
где <7и. п — удельная производительность фильтра по исходной
пульпе, ма/м2- ч;
1/уд и 2т — аналогично формулам (142) и (150).
Удельная производительность фильтра по влажному осадку
<7в. о--</... .,"7...о, (152)
где <7в. о — удельная производительность фильтра по влажному
осадку, кг/(м2-ч)^
Yb. о — плотность осадка на фильтре, кг/м3;
<?и.п и и — аналогично формулам (142) и (151).
Удельная производительность фильтра но сухому осадку
100- -к л "ч\
Qq. от Я а. о Tq0 . U ocV
где qc. о — удельная производительность фильтра по сухому осадку,
кг/(м2-ч);
g — абсолютная влажность осадка, %;
qB. о — аналогично формуле (152).
Удельная производительность фильтра по фильтрату
<7ф--=4и.п(1-«), (154
где <7ф — удельная производительность по фильтрату,
м3/(м2-ч);
<7н.п, и — аналогично формулам (142) и (151).
Определение суммарной производительности фильтра и пределов
изменения ее мгновенных значений. После определения удельной
производительности по одному из продуктов вычисляют
суммарную производительность фильтра
W=--qF, (155)
где W — производительность фильтра по соответствующему
продукту (кг/ч или м3/ч для фильтрата);
q — удельная производительность, кг/м2-ч или м3/(м2-ч);
F — поверхность фильтра, м2.
271
Необходимая поверхность фильтра
F-У--, (156)
где все обозначения аналогичны приведенным в формуле (155).
Практически почти все фильтры работают в условиях
постоянного перепада давления на фильтрующем слое, включающем
перегородку (или ткань) и слой осадка. Скорость фильтрации по мере
увеличения толщины слоя осадка уменьшается. Минимальная
скорость составляет
F
Qmin-- 2b(Vyi TVn) ' (1о7)
где Qmm — скорость фильтрации по исходной пульпе,
отнесенная на единицу поверхности фильтра,
м3/с;
b, Уу,(, Vn, F — аналогично формулам (151), (144), (145),
(155).
Максимальная скорость фильтрации при постоянном перепаде
давления на фильтре бывает в начале цикла при отсутствии осадка
(т. е. при Куд^О) и составляет
Р
^xmax~~ 2bV '
(158)
где все обозначения аналогичны приведенным в формуле (157).
Производительность по исходной пульпе в формулах (157) и
(158) можно пересчитать на производительности по фильтрату:
Оф-<?„.„(!-«), (159)
где Qcj) и QH. п — мгновенные производительности по фильтрату и
исходному продукту соответственно, м3(м2-с).
Определенные по такой методике пределы изменения
производительности используют для расчета транспортных коммуникаций
и устройств, обеспечивающих подачу исходной пульпы и отвод
фильтрата.
В ходе проектирования исходные данные для расчета
производительности операции фильтрации могут содержать удельные
показатели часовой производительности фильтров. Однако в ряде
случаев могут при исследовании определяться только константы
фильтрации b, Vu, S [формулы (143) и (144)] или данные для их
расчета.
Когда удельная производительность фильтра прямо не задана,
возникает задача определения оптимальной удельной цикловой
производительности фильтра Ууд. Очевидно, что при прочих равных
обстоятельствах оптимальная удельная цикловая
производительность будет достигнута при .максимальной удельной часовой произ-
272
водительности. При достижении оптимальной удельной цикловой
производительности должно существовать равенство
^-^у:~ууд, z--', обо)
где V —удельное (отнесенное к единице поверхности фильтра)
количество пульпы, перерабатываемой при суммарной
продолжительности цикла фильтрации, равной 2т',
м3/м2;
V". —то же самое, но при продолжительности цикла
фильтрации 2т", большей чем 2т', м3/м2.
Если правая часть равенства больше левой, оптимальная
удельная цикловая производительность еще не достигнута. Если правая
часть равенства меньше левой, увеличение общей
продолжительности цикла от 2т' до 2т" снижает удельную часовую
производительность фильтра. Соблюдение равенства означает, что
продолжительность цикла 2т/ , при которой достигается максимальная
часовая производительность фильтра, лежит в пределах от 2т' до
2т".
Приведенный расчет основан на определении максимальной
производительности по исходной пульпе. Он применим, однако, и
к технологии, где за основу взят любой продукт фильтрации
(фильтрат, влажный или сухой осадок). Производительность по
любому из этих продуктов -прямо пропорциональна
производительности по исходной пульпе.
Аппаратура для процессов теплообмена между жидкими,
газообразными и парообразными продуктами
Аппаратура для осуществления теплообмена широко
используется в технологии редких металлов.
Из всех процессов теплообмена целесообразно выделить
процессы, при которых теплопередача внутри аппарата не является
лимитирующим фактором. К этой группе относятся почти все
печные процессы, из процессов охлаждения — процессы с
испарительным охлаждением, при которых тепло, отбираемое от
перерабатываемого продукта, расходуется на испарение охлаждающего
агента, обычно воды, а также процессы, при которых теплообмен
осуществляется при смешении двух продуктов. Процессы,
относящиеся к этой группе, отличаются высокой интенсивностью
теплообмена. Поэтому расчет аппаратов этой группы здесь не
рассматривается.
В другую группу входят процессы, связанные с теплообменом
между двумя несмешивающимися продуктами. Для этих процессов
характерно осуществление теплообмена между нагреваемым или
охлаждаемым продуктом и теплоносителем. Проходя через
аппарат, теплоноситель охлаждается, отдавая свое тепло нагреваемому
18 Зак. >й 461
273
продукту, или нагревается, отбирая тепло от охлаждаемого
продукта. Перепад температур, обеспечивающий теплообмен в
аппарате, для большинства процессов не может быть слишком высок,
и поэтому правильная организация теплообмена определяет
конструкцию и параметры аппарата. К процессам такого рода относится
большинство процессов охлаждения газов, паров, растворов и
пульп. Из процессов обогрева к этой группе относится нагрев
с использованием пара и высокотемпературных теплоносителей,
когда за счет отказа от высокой интенсивности обогрева
достигается большая его равномерность и точность регулирования
процесса.
Порядок расчета аппаратов этой группы рассмотрен по
отношению к наиболее распространенной группе теплообменных аппара-
Лродукт
—-*-
Конденсат
Рис. 118. Схема теплообменника
с рубашкой:
/ — корпус аппарата; 2 - -
рубашка; 3 -- штуцеры
Продукт
Рис. 119. Схема теплообменника со
змеевиком:
7 - корпус аппарата; 2—змеевик
тов с теплообменом через стенку, разделяющую два потока
жидких, газообразных или парообразных продуктов. По
теплотехнической классификации такого рода аппараты называются
рекуперативными. Конструктивно эти аппараты выполняются в виде двух
смежных объемов, разделенных герметичной теплопроводной
перегородкой. Через один объем проходит поток перерабатываемого
продукта, который необходимо нагреть или охладить. Через
другой объем проходит поток теплоносителя, вносящего тепло,
необходимое при нагреве, или выносящего тепло при охлаждении
перерабатываемого продукта. Перегородка, разделяющая
перерабатываемый продукт и теплоноситель, является поверхностью
теплообмена, площадь которой — один из факторов, определяющих
производительность аппарата. В ряде случаев промышленные схемы
предусматривают теплообмен не между перерабатываемым
продуктом и специальным теплоносителем, а между двумя перераба-
274
тываемыми продуктами, один из которых нуждается по технологии
в обогреве, а другой — в охлаждении. Такое решение наиболее
экономично и должно использоваться во всех случаях, где оно
технологически допустимо и аппаратурно осуществимо. В дальнейшем
независимо от того, описывается процесс охлаждения или нагрева,
будут использоваться два термина. Для продукта, нагреваемого
или охлаждаемого,— перерабатываемый продукт. Для продукта,
с которым осуществляется теплообмен,— теплоноситель. Конструк-
Рис. 120. Схема кожухотруб-
чатого теплообменника:
/ — кожух; 2 — трубная
решетка; 3— трубки; 4 —
сферическое днище; 5 — фланец;
6 — болт; 7 — лапа
Рис. 121. Схема теплообменника типа «труба
в трубе»:
/ — внутренняя труба; 2 — внешняя труба; 3—
колено
тивные схемы аппаратов теплообмена
показаны на рис. 118—121 [36].
Для расчета аппаратуры теплообмена
между жидкими, газообразными и
парообразными продуктами через стенку
основным является уравнение
теплопередачи, связывающее количество
передаваемого тепла, коэффициент
теплопередачи, необходимую поверхность
теплообмена и среднюю разницу
температур или средний температурный напор
между перерабатываемым продуктом и
теплоносителем [66]:
Q=3&У0 kFM,
ср.
(161)
где Q — количество тепла, передаваемое от одного продукта
к другому, Дж/ч;
k — коэффициент теплопередачи, Дж/(м2• град);
F — поверхность теплообмена, м2;
А^ср — средняя разность температур или средний
температурный напор между перерабатываемым продуктом и
теплоносителем, °С.
При расчете оборудования, как правило, определяемой
величиной является необходимая поверхность теплообмена.
Общее количество передаваемого тепла вычисляют по
известным данным о начальной и конечной температурах перерабатывае-
18*
275
мого продукта и его теплоемкости, если продукт в процессе
теплообмена не претерпевает фазовых или химических превращений:
Q-Gccp(iK~-a (162)
где G -- количество перерабатываемого продукта, кг/ч;
сср — средняя теплоемкость перерабатываемого продукта,
Дж/(кг-град);
/к, tn— начальная и конечная температуры перерабатываемого
продукта соответственно, СС.
В формуле (162) значение разности конечной и начальной
температур будет больше нуля для процесса нагрева и меньше нуля
для процесса охлаждения.
В том случае, если в ходе процесса перерабатываемый продукт
претерпевает химические или фазовые превращения, более удобно
использовать другую формулу, основанную на ветчинах
теплосодержания продукта:
Q-G(iK--Q, (163)
где in и г'п — теплосодержание перерабатываемого продукта,
соответственно конечное и начальное, Дж/кг;
Q и G — аналогично формулам (161) я (162).
Средний температурный напор зависит от температур
перерабатываемого продукта и теплоносителя, их изменения в процессе
теплообмена и принятой схемы теплообмена, взаимного
расположения потоков продуктов в аппарате. Температура
перерабатываемого продукта в начале и конце процесса теплообмена
определяется требованиями технологии, температура теплоносителя--
технико-экономическими соображениями. Температура должна быть
приемлемой с точки зрения работоспособности материалов, из
которых выполнен аппарат, и конструктивных узлов,
соприкасающихся с теплоносителем. Для более эффективного протекания
процесса теплообмена и уменьшения необходимого количества
теплоносителя желательно, чтобы начальная температура теплоносителя
максимально отличалась от температуры перерабатываемого
продукта. Количество теплоносителя и изменение его температуры
в процессе теплообмена — величины взаимосвязанные и их
выбирают совместно.
Имеет значение скорость прохождения теплоносителя через
теплообменник. При низкой скорости снижается коэффициент
теплопередачи. При высокой скорости возрастает гидравлическое
сопротивление системы. Соображения о наиболее рациональной
скорости прохождения теплоносителя через аппарат могут
потребовать принимать за исходную величину количество теплоносителя,
а перепад температур в нем определять как величину, зависящую
от расхода.
Зависимость между параметрами теплоносителя выражается
формулой
276
где Gi — количество теплоносителя, необходимое для отбора (или
передачи) заданного количества тепла, кг/ч;
Q — количество тепла, передаваемое (или отбираемое) в
процессе теплообмена, Дж/ч;
ст — средняя теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг- град);
А/т — изменение температуры теплоносителя в процессе
теплообмена, °С.
В процессе теплообмена без учета потерь количество тепла,
отдаваемое одним продуктом, равно количеству тепла,
приобретаемому другим продуктом. Связь между количеством и тепловыми
характеристиками перерабатываемого продукта и теплоносителя
выражается зависимостью
Guc„ Л/., - Отст Д/т, (165)
где значения G, с, А/ аналогичны приведенным в формуле (164),
а индексы «п» и «т» указывают на принадлежность соответственно
к перерабатываемому продукту или теплоносителю. Из этой
зависимости при прочих известных величинах вычисляют величины GT
или Л/т.
Для процессов, связанных с фазовыми превращениями,
зависимость (165) следует заменить зависимостью
0„Д/п=ОтД/т> (166)
где Л г— разность конечного и начального теплосодержания для
соответствующих продуктов.
Приведенные формулы и зависимости, основанные на тепловом
балансе процесса, не учитывают теплообмен продуктов в аппарате
с окружающей аппарат средой. Для уменьшения влияния этого
фактора на точность расчета необходимо, чтобы температуры
продуктов для расчета брали точно па входе в аппарат теплообмена
и выходе из него, а не в удаленных от аппарата точках
коммуникаций (например, на выходе из предыдущего аппарата). Если
теплообмен аппарата с окружающей средой значителен по своей
величине, то его следует учитывать в формулах (164) — (166).
Поправку, равную количеству тепла, теряемому в окружающую среду
для аппаратов нагрева, или поступающего тепла из окружающей
среды для аппаратов охлаждения прибавляют к числителю
формулы (164) или левой части выражений (165) и (166).
После определения начальных и конечных температур
перерабатываемого продукта и теплоносителя фактором,
определяющим величину температурного напора, будет схема прохождения
перерабатываемого продукта и теплоносителя через аппарат
теплообмена. Таких основных схем две — прямоток и противоток. При
прямоточной схеме обрабатываемый продукт и теплоноситель
проходят через аппарат в одном направлении. При противоточной
схеме обрабатываемый продукт и теплоноситель проходят через
аппарат в противоположных направлениях. Разница в характере
изменения температур при прямотоке и противотоке хорошо
иллюстрируются диаграммами.
277
Прямоток (рис. 122) характеризуется прежде всего резким
изменением температурного напора. На входе в аппарат величина
температурного напора максимальна и может в несколько раз
превосходить величину температурного напора на выходе из
аппарата. Конечная температура перерабатываемого продукта при его
нагреве никогда не превосходит конечной температуры
теплоносителя. А конечная температура перерабатываемого продукта при
его охлаждении никогда не может иметь значение, меньшее, чем
конечная температура теплоносителя. Схема изменения температур
в процессе теплообмена аналогична для процессов нагрева и ох-
t
^гг\
■ч. ^N*v\.'-
""~"~~--~^ь
/'
t"
Рис. 122. Диаграмма изменения
температур при параллельном токе
Рис. 123. Диаграмма изменения
температур при противотоке
лаждения. При нагреве изменение температуры
перерабатываемого продукта показано нижней кривой, а теплоносителя —
верхней. При охлаждении, наоборот верхняя кривая показывает
характер изменения температуры перерабатываемого продукта, а
нижняя — теплоносителя (хладоагента).
При противотоке (рис. 123) изменение температурного напора
при прохождении продуктов через аппарат значительно меньше.
В некоторых случаях величина температурного напора вообще
может быть постоянной. Особенностью противотока является также
то, что конечная температура нагретого продукта может быть выше
конечной температуры теплоносителя, а конечная температура
охлаждаемого продукта ниже конечной температуры
теплоносителя.
При заданном изменении температуры перерабатываемого
продукта противоток позволяет более эффективно использовать
теплоноситель за счет большего изменения его температуры в
процессе теплообмена и иметь более высокое значение величины
среднего температурного напора. Это позволяет сократить расход
теплоносителя и необходимую поверхность теплообмена, так как ее
величина при прочих равных показателях обратно
пропорциональна температурному напору. Схема прохождения продуктов
через аппарат не имеет существенного значения для протекания
процесса теплообмена при постоянной температуре одного из
продуктов. К таким процессам относятся процессы с испарением
(испарительное охлаждение в частности), конденсацией и
бесконечно большим отношением потоков продуктов теплообмена.
27S
Величину среднего температурного напора вычисляют по
разным формулам в зависимости от конкретной характеристики
процесса. Для процессов, когда температурный напор на входе и
выходе из аппарата отличается не более чем в два раза, можно
пользоваться формулой определения среднеарифметического
температурного напора
Д/ср-,--1(Л/н-!-Л/к), (167)
где Л/п — разность между начальными температурами
.теплоносителя и перерабатываемого продукта при прямотоке или
разность между конечной температурой теплоносителя
и начальной температурой перерабатываемого продукта
при противотоке,°С;
А/к—разность между конечными температурами
теплоносителя и перерабатываемого продукта при прямотоке или
разность между начальной температурой теплоносителя
и конечной температурой перерабатываемого продукта
при противотоке, °С.
Формула (167}_ составлена для случая нагрева. При
охлаждении разности Л/ц и Д/к будут иметь обратный знак.
Так как изменение температуры перерабатываемого продукта
и теплоносителя в теплообменнике носит сложный криволинейный
характер, при достаточно большом изменении температурного
напора в аппарате теплообмена средний температурный напор
целесообразно определять как среднелогарифмический температурный
напор по формуле
AV" А'"-д/к ■ (168>
2'3,8-яг
где все обозначения аналогичны формуле (167).
Среднеарифметический напор несколько больше среднелогариф-
мического. При оговоренном ранее условии ——-^2 разница
Дгк
между ними не превышает 4%.
Рассчитанная по формуле (168) величина среднелогарифмичес-
кого напора является приближенной, так как никогда не
соблюдаются условия постоянства расхода продуктов, их теплоемкости и
коэффициентов теплопередачи вдоль всей поверхности
теплообмена.
В случае, если аппарат теплообмена выполнен по сложной
схеме с перекрестным или смешанным током продуктов, средний
температурный напор вычисляют по формуле среднелогарифмичес-
кого температурного напора с введением приводящегося в
литературе поправочного коэффициента (от 0,5 до 1,0).
Определение коэффициента теплопередачи — наиболее сложная
задача в расчете аппаратов теплообмена. Общая формула для
вычисления коэффициента теплопередачи:
279
для плоской бесконечной стенки
1 '^-ь1
(169)
3] Л 7.2
для цилиндрической бесконечной стенки
К—т ГТ-55 —> <17°)
где &ц— коэффициент теплопередачи для плоской стенки,
отнесенный к единице поверхности стенки,
Дж/(м2трад);
kn— коэффициент теплопередачи для цилиндрической
стенки, отнесенный к единице длины образующего
цилиндра, Дж/(м-град);
«2 и ос) — коэффициент теплоотдачи от потока продукта
к стенке (или наоборот) с одной стороны (в случае
цилиндрической стенки с внутренней стороны) и
с другой стороны стенки (в случае цилиндрической
стенки с внешней стороны) соответственно, Дж/м2Х
Хград;
/. — коэффициент теплопроводности материала стенки,
Дж/(м2трад);
б —толщина стенки, м;
d\ и di — внутренний и наружный диаметры соответственно
для цилиндрической стенки, м.
Если стенка, через которую осуществляется теплопередача,
многослойна, второй член знаменателя формул (169) и (170)
преобразуются в форму
г- и Л -тг:—1п-
**i Л: -^^ 2Л; d;
1=1 ' (=1 ' '
соответственно,
где п — число слоев стенки.
Величины б и Я, определяются конструкцией аппарата.
Коэффициент теплопроводности для каждого материала — величина, как
правило, известная. Наиболее сложно определить коэффициенты
теплоотдачи между стенкой аппарата и перерабатываемым
продуктом или между стенкой и теплоносителем. В зависимости от
конкретных условий осуществления процесса теплопередачи
решающее значение для величины этих коэффициентов приобретают
разные факторы. Для технологических продуктов и конкретных
условий аппаратов, принимаемых в проектах, если они
используются впервые, данные по коэффициентам теплоотдачи практически
всегда отсутствуют. Принимать их следует только на основе
результатов специально поставленных экспериментов. Использование
данных, выбранных по аналогии, не всегда надежно и нуждается
в обязательной последующей проверке на реальных продуктах.
280
При рассмотрении применительно к существующему теплооб-
менному аппарату и процессу возможностей изменения
характеристики практически говорят о возможности и направлении
изменений коэффициента теплопередачи и температурного
напора.
Коэффициент теплопередачи может изменяться в сторону
повышения в крайне ограниченных пределах. В формуле (169)
величины, обратные входящим в знаменатель правой части,—
коэффициенты теплоотдачи at и а» и тепловая проводимость стенки /./б,
ограничивают возможность изменения суммарного коэффициента
теплопередачи. Суммарный коэффициент теплопередачи всегда
будет меньше любой из этих величин и, следовательно, изменяя
одну или даже две из них, никогда нельзя неограниченно
увеличивать величину k, которая всегда будет оставаться меньше, чем
третье неизменяемое слагаемое в знаменателе.
Тепловую проводимость стенки К/б для существующего в
натуре аппарата нельзя изменить. Для реконструируемого аппарата
ее можно изменить, изменяя толщину стенки и особенно заменяя
материал стенки материалом с другой (большей)
теплопроводностью.
Коэффициенты теплоотдачи а4 и а2 могут изменяться за счет
изменения свойств соответствующей поверхности теплопередачи
(гладкая или шероховатая, ее конфигурации — вертикальная,
горизонтальная и т. д.), характера движения продукта и его
количественной характеристики — величины безразмерных критериев
Рейнольдса, Нуссельта и др. Возможности изменения свойств
поверхности в достаточной степени ограничены. Практически можно
периодически очищать поверхность от разного рода пленок (осадки,
накинь, продукты коррозии), что может единовременно повышать
теплоотдачу. Более широкие, возможности изменения
характеристик движения продуктов за счет изменения скорости прохождения
продуктов через аппарат. Наиболее значительно изменяется
коэффициент теплоотдачи при переходе от ламинарного режима
движения продукта через аппарат к турбулентному, т. е. при
изменении критерия Рейнольдса Re от 2300 до 10 000. При дальнейшем
увеличении скорости прохождения продукта через аппарат
и турбулентности его движения коэффициент теплоотдачи
увеличивается в значительно меньшей степени. Препятствием к
дальнейшему увеличению скорости является повышение
сопротивления аппарата (пропорционально квадрату расхода продукта)
и, как следствие этого, рост давления на входе в аппарат и
затрат мощности на подачу продукта. Примеры реальных
коэффициентов теплоотдачи в промышленной аппаратуре приведены
в табл. 12.
Серьезно на эффективность теплообмена влияет изменение
фактического температурного напора, которое может быть следствием
изменения схемы теплообмена или начальных температур
продуктов, участвующих в теплообмене. Любые возможные изменения
схемы прохождения продуктов через установку теплообмена
281
Т а б л и ц а 12
Коэффициенты теплоотдачи от некоторых продуктов и стенке аппарата
Продукт
Газы (при атмосферном
лении)
Вода
Органические жидкости
дав-
Проиесс
Нагревание или охлаждение
То же
Кипение
Конденсация
Нагревание или охлаждение
Конденсация
Коэффициент
теплоотдачи
Вт. (м--град)
12-60
230—12000
600—12000
4600—17500
60—1750
600—2300
должны тщательно анализироваться с точки зрения их влияния на
изменение температурного напора, прежде чем их принять в
проекте.
Одной из причин изменения начальной температуры
нагреваемого или охлаждаемого продукта может быть работа с
циркуляцией части продукта. Такая циркуляция иногда используется для
регулирования процесса теплообмена в схемах охлаждения с
целью обеспечения постоянства конечной температуры охлаждаемого
технологического продукта. При такой циркуляции эффективность
теплообмена неизбежно снижается. Это обусловлено тем, что
количество тепла, которое следует отобрать от перерабатываемого
продукта, не меняется. Температурный напор при этом снижается,
так как начальная температура перерабатываемого продукта
сближается с конечной.
Особое внимание при расчетах аппаратов теплообмена следует
уделять процессам охлаждения при относительно низких
температурах. Такими температурами следует считать температуры
меньше 100° С, тем более меньше чем 20—30° С. Хотя для первой
группы температур можно применить естественные хладоагенты,
такие как вода или воздух, а для второй группы температур
необходимы искусственные хладоагенты, объединяет их то, что
температурный напор в любом подобном случае остается весьма
незначительным, ограничиваясь в среднем 15—35° С. При этом какие-
либо средства для увеличения температурного напора практически
отсутствуют. Введение низкотемпературного теплоносителя,
такого, как рассол с температурой—40° С или жидкие газы, связано
с затратами, делающими в подавляющем большинстве случаев
подобное решение экономически неэффективным. Поэтому при
проектировании процессов охлаждения до относительно низких
температур следует ориентироваться на создание необходимых
резервов в поверхности теплообмена, учитывая практическую
невозможность существенно влиять на эффективность процесса за счет
изменения температурного напора.
282
Тяго-дутьевые и гидравлические машины (насосы, вентиляторы,
компрессоры)
Машины для транспортирования жидкостей и газов
используются в проекте любого химико-металлургического производства.
Как правило, это машины заводского изготовления с определенной
характеристикой и требуют выполнения в ходе проектирования
ряда расчетов для проверки соответствия паспортной
характеристики машины конкретным условиям выполняемого проекта. Так
как на практике условия проекта никогда не совпадают-с
предельными значениями характеристик машин заводского изготовления,
рассчитывают отклонения фактических характеристик
принимаемого оборудования от номинальных паспортных для условий
работы, принятых в проекте. Рабочие характеристики оборудования
1
1
^
t
&
!
0
■
^
^*?
£
*-*-^"^
Qi
Подача Q
Рис. 124. Совмещенные характеристики
трубопровода и центробежного насоса:
/ — характеристика горизонтального
трубопровода; 2 — характеристика
трубопровода с подъемом на насоту Н ст;
3 — характеристика центробежного
насоса
Рис. 125. Характеристика
центробежного вентилятора
рассматриваемой группы зависят от характеристики сети
коммуникаций, совместно с которой они работают. Так как
характеристика коммуникаций определяется в ходе проектирования, то
соответственно только в ходе проектирования можно рассчитать
показатели работы рассматриваемой категории оборудования.
Наиболее распространенным типом гидравлических и тяго-
дутьевых машин, использующихся в производстве, являются
центробежные насосы, вентиляторы и компрессоры, применительно
к которым и ведется изложение.
При проектировании определяют режим совместной работы
насоса или вентилятора и сети; мощность, потребляемую машиной;
возможность изменения характеристики за счет изменения числа
оборотов машины; изменение характеристики машины при
изменении свойств перекачиваемого продукта; характеристики при
совместной работе нескольких машин [67].
Определение режима совместной работы машины и сети. Режим
работы машины совместно с сетью определяется положением так
называемой рабочей точки на диаграмме (рис. 124), связывающей
283
производительность машины с создаваемым ей напором. При этом
характеристика насоса для данного числа оборотов выражается
кривой величины напора с максимумом, расположенным вблизи
малых значений производительности, или же кривой величины
напора, монотонно убывающей по мере увеличения
производительности.
Характеристика вентилятора или турбокомпрессора несколько
отличается от характеристики насоса (рис. 125) двумя перегибами
и критической точкой к. Левее точки к расположена область
неустойчивой работы машины, так как там одному и тому же
значению напора могут соответствовать два значения
производительности. Машина работает то на одном, то на другом из них,
произвольно меняя режим. Нормальная производительность машины
должна всегда лежать в области, расположенной правее точки к.
Характеристика сети, где величиной, эквивалентной напору,
является сопротивление сети прохождению продукта, выражается
кривой, возрастающей пропорционально квадрату скорости
движения продукта. Характеристика сети может быть выражена
формулой
//c^-/yrJ-(/-4-J-I^.c)^-. (171)
где Нс — сопротивление сети, м столба продукта;
Нт — разность отметок конца и начала сети по направлению
хода продукта, м столба продукта;
л — коэффициент трения продукта о стенки трубопроводов
сети (безразмерный);
/ — длина сети, м;
d — диаметр трубопроводов, м;
&ч с — коэффициент местного сопротивления (безразмерный);
Я —9,81 м/с2;
v — скорость движения продукта, м/с.
Коэффициент, определяющий величину потерь от трения
(л--], может выражаться как сумма таких коэффициентов для
всех участков сети, если значения величин ). и d для этих участков
различны.
Совмещение на одной диаграмме характеристик машины и сети
позволяет найти на их пересечении рабочую точку, при которой
напор, создаваемый машиной, равен сопротивлению сети.
Определение мои{ности, потребляемой машиной в рабочем
режиме. Мощность, потребляемую любой тяго-дутьевой или
гидравлической машиной, вычисляют по формуле
где N — мощность, потребляемая машиной в рабочем режиме, кВт;
Q — производительность машины, м3/с;
284
Н — полный напор, создаваемый машиной, м столба
транспортируемого продукта;
у - плотность транспортируемого продукта, кг/м3;
г] — коэффициент полезного действия машины, доли единицы.
Формулу можно несколько изменить, если произведение Ну
заменить Яв. ст- Последнее обозначение представляет полный напор,
создаваемый машиной (мм вод. ст. или кг/м2).
Величину коэффициента полезного действия машины
устанавливают по диаграмме, прилагаемой к ее паспорту.
Изменение характеристики машины при изменении -числа
оборотов ее рабочего колеса. Основные характеристики машины —
это ее производительность, создаваемый ей напор и потребляемая
мощность. Производительность машины изменяется прямо
пропорционально числу оборотов рабочего колеса. Напор, создаваемый
машиной, пропорционален квадрату числа оборотов. Мощность,
потребляемая машиной, пропорциональна кубу числа оборотов:
Q2-=Qi-£f-; (173)
А^-Ал(-^)3, (175)
где П[ — число оборотов рабочего колеса, при котором
известны величины Qi, Н< и Л'(, об/мин;
п-> — измененное число оборотов рабочего колеса (в
величинах, аналогичных принятым для >п);
Qi и Q2 — производительность машины при числах оборотов tii
и п2, соответственно (в любых одинаковых
величинах);
#[ и #2 — напор, создаваемый машиной при числах оборотов
п\ и пг соответственно (в любых одинаковых
величинах);
/Vi и N-> — мощность, потребляемая машиной при числах
оборотов rti и по соответственно (в любых одинаковых
величинах).
Главное препятствие для изменения характеристик машины
изменением числа ее оборотов — рост мощности. Большое
увеличение мощности может привести к тому, что отдельные
конструктивные элементы машины разрушатся от механических нагрузок.
Изменение характеристик машины при изменении свойств
транспортируемого продукта. В практике проектирования иногда
изменяется плотность транспортируемого продукта. В этом случае для
центробежных машин создаваемый ими напор не изменяется при
выражении его в метрах столба транспортируемого продукта. Если
его выразить в атмосферах, метрах водяного столба или других
универсальных величинах, он изменится пропорционально измене-
2Я5
иию плотности. Производительность машины при прочих
неизмененных условиях работы сохранится, а потребляемая мощность
изменится пропорционально изменению плотности продукта.
Определение общей характеристики при совместной работе
группы машин. Если характеристика машины не соответствует
характеристике сети, появляется необходимость использовать
совместную работу двух или нескольких машин. Если машина
удовлетворяет требованиям работы сети по производительности, но не
может обеспечить необходимого напора, машины соединяют
последовательно. Характеристику при таком соединении машин строят
(рис. 126), суммируя напоры машин,
отвечающие каждой конкретной производительности.
При использовании двух или нескольких
машин, имеющих одну и ту же
характеристику, общий напор определяется умножением
напора, создаваемого при данной
производительности одной машиной, на число
машин.
^
do
an
<
•%.
<:
*•
tN
-~1
F
«1-
H
t*
>1
^
^—S^
г
1
1 ,
3
5
U
О Подача С
Рис. 126.
Характеристика последователь
но соединенных
центробежных насосов:
; — характеристика
одного насоса; 2 -
характеристика двух
последовательно
работающих насосов;
3 -- характеристика
трех последовательно
работающих насосов;
4 и 5 —
характеристика трубопроводов
flodava /2
Рис. 127. Характеристика параллельно работающих
центробежных насосов:
/ - - характеристика одного насоса; 2 — характеристика
двух параллельно работающих насосов; 3 —
характеристика трех параллельно работающих насосов; 4 —
характеристика трубопровода
Если характеристика машины не обеспечивает необходимой
производительности, две или несколько машин соединяют
параллельно (рис. 127). При этом характеристику строят, суммируя
производительности параллельно соединенных машин, аналогично
тому, как это делают при суммировании напоров для
последовательно соединенных машин (см. рис. 126).
При работе в сочетании с конкретной имеющей определенную
характеристику системой две одинаковые машины никогда не
могут удвоить производительность при параллельном или удвоить
напор при последовательном их соединении. Как видно на
диаграмме (см. рис. 127), при увеличении производительности за счет
параллельного соединения машин рабочая точка перемещается не
только в сторону увеличения производительности, но и в сторону
286
увеличения напора. В результате суммарная производительность
двух параллельно соединенных работающих на одну систему
машин несколько меньше, чем сумма их производительностей при
изолированной работе с той же системой. Аналогично при
последовательном соединении машин общий напор, создаваемый при их
совместной работе, будет несколько меньше суммы напоров этих
машин, работающих с той же системой изолированно. При этом
неизбежно некоторое увеличение производительности.
Особым случаем параллельной работы двух или нескольких
центробежных машин является работа вентиляторов или т'рубоком-
прессоров. Для машин этой группы из-за особенностей их
характеристики возможно возникновение положения, когда при сложении
характеристик машин характеристика сети пересечет характери-
Рис. 128. Характеристика параллельно
работающих центробежных вентиляторов:
/ — характеристика одного вентилятора;
2 — характеристика двух параллельно ра
ботающих вентиляторов; 3 —
характеристика воздухопровода
О, мз/ч
стику машин левее критической точки, которая при сложении
характеристик параллельно работающих машин переместится вправо
(рис. 128). Таким образом, при параллельной работе машин
положение с питанием сети продуктом не улучшится, а ухудшится.
Емкостные аппараты и устройства
Емкостная аппаратура, а также емкостные сооружения
используются для хранения жидкостей, твердых сыпучих материалов и
газов. В зависимости от того, для какого вида материала
предназначается емкость, в расчете ее могут быть особенности,
рассматриваемые ниже. Технологический расчет емкостной аппаратуры,
а в ряде случаев и расчет на прочность и конструирование
выполняют только при проектировании.
Баковая аппаратура для жидких продуктов предназначается
главным образом для их хранения, а в некоторых случаях для
проведения технологических операций, таких как выдержка при
постоянной температуре, кристаллизация, отстаивание. Характер
таких операций не отличается, с точки зрения расчета, от операций
хранения жидкостей. Основное содержание расчета — определение
объема аппарата, необходимого для обеспечения заданного
времени пребывания продукта в аппарате. В некоторых случаях но
287
заданному объему аппарата вычисляют возможное время
пребывания в нем продуктов. Расчет ведут по формуле
где т — среднее время пребывания продукта в аппарате, ч;
VPa6 — рабочий объем аппарата, м3;
w4 — часовой поток продукта, полученный из материального
баланса производства, м3/ч.
Под рабочим объемом аппарата понимается объем аппарата,
заполняемый продуктом и опорожняемый от продукта при
нормальной эксплуатации. Смысл этого определения заключается
в том, что при обычной эксплуатации емкостной аппаратуры
никогда не бывает положения, при котором емкость заполняется
полностью. Всегда имеется какой-то небольшой объем, составляющий
в разных емкостях от 2 до 15%, оставляемый незаполненным для
предупреждения переполнения емкости. Кроме того, при
нормальной работе не всегда возможно полное опорожнение емкостей.
Некоторый объем емкости будет постоянно заполнен и, следовательно,
его нельзя использовать ни для приемки свежих порций продукта,
ни для передачи из него продукта на последующие операции.
Рабочий объем аппарата связан с его геометрическим или полным
внутренним объемом формулой
Vp,6-VreOM-(^„3-l-VHO), (177)
где Крао — аналогично формуле (176);
V'reoH — полный или геометрический объем аппарата, м3;
Vm — незаполняемый объем аппарата, м3;
У,ю — неопоражннваемый объем аппарата, м3.
В отличие от верхнего незаполняемого объема нижнего неопо-
ражниваемого объема может не быть. Неопоражннваемый объем
появляется из-за особенностей конструкции аппарата. Если
патрубок, через который жидкий продукт выводится из аппарата,
расположен на боковой стенке (рис. 129), то весь объем,
расположенный ниже патрубка, не опоражнивается при нормальной работе и
в рабочий объем не входит. Практически такое положение имеет
место для всех емкостей с плоскими днищами. Емкости с
коническими и сферическими нижними днищами, со сливными
патрубками в нижней точке днища (рис. 130) могут опоражниваться
полностью, если нет к тому технологических препятствий. Емкостные
аппараты, предусматривающие выпадение в них всякого рода
осадков с периодической выгрузкой таких осадков, должны иметь
неопоражннваемый объем, в котором осадок накапливается. Для
таких аппаратов сливной патрубок располагается на определенной
высоте от нижней точки днища, а патрубок в нижней точке днища
используется только во время разгрузки осадка.
Существование неопоражниваемого объема может
обусловливаться также требованиями по управлению технологическим про-
288
цессом. Если продукт из емкости поступает на аппараты,
работающие непрерывно, полное опорожнение питающей емкости может
привести к перебою в питании и, следовательно, к нарушению
технологического процесса. В этом случае при нормальном ходе
производственного процесса система регулирования исключает
возможность полного опорожнения емкости. Если параллельно
установлено несколько емкостей для питания последующих операций,
то неопоражниваемый объем должен обязательно сохраняться
только в одной из них, а остальные могут опорожняться полностью.
В этом случае расчетный неопоражниваемый объем определяется
как частное от деления фактического неопоражниваемого объема
в одном аппарате на число установленных емкостей.
Емкостные аппаратура и сооружения для твердых сыпучих
материалов предназначаются для их хранения и иногда усреднения.
Заполнение
•^Xs
/'голоражнцдаеггь/й „
обье* Опорожнение
Рис. 129. Схема бака, имеющего
неопоражниваемый объем
Заполнение
Опоротнение
Рис. 130. Схема бака, не
имеющего неопоражниваемого объема
Главной особенностью, отличающей расчеты этой группы
аппаратов и сооружений от расчета емкостей для жидких продуктов,
является ограниченная по сравнению с жидкостями способность
твердых сыпучих материалов к транспортировке иод действием
собственной массы. Эта способность для сыпучих твердых
продуктов определяется углом естественного откоса этих продуктов.
Основной вид емкостных устройств для сыпучих продуктов,
используемых в аппаратурно-технологических схемах производства,—•
бункера. Общие принципы их расчета совпадают с рассмотренными
применительно к емкостной аппаратуре для жидких продуктов.
Следует оговорить только два специфических момента.
Бункера для обеспечения их полного опорожнения должны
иметь в нижней части форму опрокинутой пирамиды или конуса.
Угол наклона стенок к горизонтали в этой части должен быть
несколько больше угла естественного откоса для материала, чтобы
обеспечить его беспрепятственное движение вниз под действием
силы тяжести. Для бункеров прямоугольного и вообще
многогранного сечения угол наклона ограждающих конструкций нижней
конической точнее пирамидальной части бункера меньше всего в
19 Зак. .V> 461
289
местах пересечения двух наклонных граней. По этим линиям —
ребрам нижней части бункера следует проверять достаточность
угла стенок бункера для беспрепятственного схода материала.
При известных углах наклона боковых сторон прямоугольного
бункера угол наклона ребра, образованного их пересечением,
выражается формулой
S^arctgj/ctg'^+ctg-'a, , (178)
где р — угол наклона ребра, град;
ai и ос2— углы наклона пересекающихся граней, град.
Для квадратных бункеров, где ai равно ос2, формула
упрощается: '
р—arctg(l,41ctga), (179)
где Р и а — аналогичны формуле (178).
Незаполняемый объем для бункеров можно рассчитать по
известному углу естественного откоса. Загружаемый материал
образует в верхней части бункера конус, вершина которого при
максимальном заполнении доходит до точки загрузки материала. Для
бункеров круглого сечения с центральной загрузкой
незаполняемый объем может быть вычислен по формуле
Vm=--YT.r4g<i, (180)
где г—-радиус горизонтального сечения бункера, м;
а — угол естественного откоса загружаемого материала;
Уш—аналогично формуле (177).
Для бункеров прямоугольного сечения незаполняемый объем
может быть вычислен по формуле
V^-rtgnFk, (181)
где г — половина диагонали горизонтального сечения
бункера, м;
F — площадь поперечного сечения бункера, м2;
k — коэффициент, зависящий от отношения длины сторон
горизонтального сечения бункера;
Vm, a — аналогично формуле (180).
Значения коэффициента k для различных соотношений длин
сторон, вычисленные по методике, предложенной А. И. Киселевым,
приведены ниже:
Отношение длин
сторон .... 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,50 со
К 0,53 0,54 0,54 0,53 0,53 0,515 0,50
При конструировании бункеров и расчетах их незаполняемого
объема необходимо учитывать реальные условия и свойства
материала при хранении в бункере. Так, например, молибденит из-за
слеживания при нахождении в бункере может под действием соб-
290
ственной массы перемещаться только в емкостях с вертикальными
стенками. Такого рода вопросы следует изучать на стадии опытных
работ, иначе при освоении запроектированного производства
могут встретиться большие трудности.
Возможность зависания и сложного характера движения
сыпучих материалов в емкостях следует учитывать при оценке
возможного фактического времени нахождения материала в бункере. Так,
в ряде случаев, если бункер не опоражнивается в ходе работы
полностью и колебания уровня заполнения его материалом
незначительны, благодаря равномерному поступлению и расходованию
материала, несмотря на незначительное среднее время нахождения
материала в бункере, часть материала может в нем задерживаться
на неопределенно долгий, практически ограниченный только
возможностью полного опорожнения бункера, срок.
Газы в производстве редких металлов в основном хранятся
в баллонах для хранения газов под давлением, превышающим
атмосферное. Особенность емкостных баллонных устройств — полное
заполнение геометрического объема газом. Незаполняемый и не-
опоражпиваемый объемы в том виде, как это может иметь место
для жидкостей или сыпучих материалов, в емкостях для газов
отсутствуют. Однако полностью баллоны для газов в ходе работы
никогда не опоражниваются, так как газ из баллонов может
выходить только до того момента, пока давление в баллоне превышает
давление в объеме, с которым баллон соединен. По существующим
нормам заводы-наполнители принимают от потребителей
использованные баллоны с остаточным давлением не менее 0,5 кгс/см2
[68].
В промышленной практике используются баллоны с
максимальным давлением 150, а иногда 200 кгс/см2. Полезную емкость
баллона по газу можно определить по формуле
Укол----Угеои(Рт№-Рш,а). (182)
где Укол — количество газа, которое может быть получено из
баллона при однократном заполнении баллона газом
в нормальных условиях, м3;
^геом — геометрический объем внутреннего пространства
баллона, M:i;
-Ртах — абсолютное максимальное давление газа в баллоне
после заполнения, ат;
Pmin—абсолютное минимальное давление газа в баллоне
перед его повторным заполнением, ат.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА РЕЗЕРВНЫХ АППАРАТОВ
И ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВА ОБОРУДОВАНИЯ
Расчет аппарата в том виде, как это рассмотрено в
предыдущих разделах, позволяет определить производительность одного
аппарата за рабочее время, т. е. время, предусмотренное
технологическим процессом.
19*
291
При этом для аппаратов непрерывного действия и аппаратов
периодического (циклического) действия понятие о рабочем
времени неодинаково. Так, для аппаратов непрерывного действия под
рабочим временем подразумевается время нахождения в
технологическом режиме, когда средняя и фактическая в каждый данный
момент производительность аппарата практически совпадают.
Время введения аппарата в режим после ремонта или
профилактического осмотра и время вывода из режима при остановке по
каким-либо причинам в рабочее время не включаются. Для
аппаратов периодического действия в рабочее время включаются все
элементы технологического цикла. В том случае, если в
технологический цикл входит полная остановка аппарата, то в рабочее
время включают и время, затрачиваемое на пуск, остановку
аппарата и даже, если это предусмотрено технологией эксплуатации
аппарата, время на профилактический осмотр между двумя
собственно производственными циклами. Аппараты циклического
действия отличаются тем, что при отсутствии в производственном
цикле элементов, аналогичных положению при простое,
поступление сырья в аппарат и выдача продукции из него осуществляются
периодически, порционно. С точки зрения расчета
производительности такие аппараты аналогичны аппаратам периодического
действия.
Для аппаратов непрерывного действия средняя
производительность совпадает с фактической и приводится в паспортной
характеристике аппарата или в его расчете. Для аппаратов
периодического действия средняя производительность определяется по
формуле
?ср—?*-, (183)
-ц
где <7ср — средняя производительность, кг/ч, т/сутки и т. п.;
<74—■ цикловая производительность, кг, тит. п.;
тц — длительность цикла, ч, сутки и т. д. в зависимости от
выбора размерности для qcp-
После определения средней производительности аппарата за
рабочее время необходимое число аппаратов можно рассчитать по
двум принципиально отличным схемам.
Если процессы на операции, для которой проводится расчет
оборудования, в достаточной мере изолированы от процессов на
смежных операциях и оборудование ряда сопряженных
последовательных операций не связано жестко в единую технологическую
линию, в основу расчета берут производительность отдельного
аппарата за календарное время и общее число устанавливаемых
аппаратов. Среднее число рабочих или резервных аппаратов можно
не определять вообще или вычислять как величины, производные
от основных. По существу эти величины условные.
При рассматриваемом варианте согласования работы
оборудования на смежных операциях предполагается, что между
последовательными смежными операциями организуется промежуточное
292
хранение перерабатываемого продукта. Независимо от числа
параллельно работающих аппаратов на предыдущей или
последующей операции перерабатываемый продукт поступает в одну общую
емкость из любого аппарата предшествующей операции и выдается
из этой емкости по мере необходимости в любой аппарат
последующей операции.
Если аппараты, в которых осуществляются процессы на ряде
последовательных операций, достаточно жестко связаны между
собой и возможность осуществления технологического процесса и
работы оборудования в каждый данный период на одной из
операций непосредственно зависит от хода процесса на смежных
операциях в этот же период, оборудование рассчитывают по иной
схеме.
Промежуточное хранение перерабатываемого продукта
между операциями или отсутствует, или имеется в объеме, не
позволяющем даже временно допускать сколько-нибудь серьезного
несоответствия в производительности смежных операций.
Определяющим положением расчета в этом случае будет постоянство потока
перерабатываемой продукции на всей линии последовательных,
взаимно жестко связанных операций. Для каждой данной
операции выбирают число рабочих аппаратов, необходимое для
обеспечения суммарной средней производительности. После этого
определяют число резервных аппаратов, которое должно ограничить
возможности колебания суммарной производительности
оборудования на операции пределами, при которых не нарушается
нормальное осуществление процесса производства на смежных
операциях.
Работа на какой-либо операции в целом зависит от общего
объема производства в рассматриваемый момент на смежных
операциях. Кроме того, возможны случаи, когда работа отдельного
аппарата на рассматриваемой операции зависит от работы какого-
либо конкретного аппарата на смежной операции. При такой схеме
организации производства процесс производства разбивают на ряд
анпаратурно-технологических линий, работающих изолированно
друг от друга. Расчет общего числа аппаратов при этом
разбивают на две стадии. На первой определяют производительность
такой технологической линии, ее состав в части укомплектования
резервным оборудованием, обеспечивающим повышение надежности
работы всей аппаратурной линии в целом. На второй
устанавливают необходимое число технологических линий, которое
рассчитывают аналогично тому, как определяется общее число аппаратов
для производств, состоящих из аппаратов, изолированных от
работы оборудования на смежных операциях. Расчет общего числа
аппаратов при рассматриваемом варианте не требует применения
какой-то новой методики, а основан на последовательном
применении двух основных указанных выше схем расчета. Соответственно
и схема организации согласования работы аппаратов в этом
случае будет сочетать обе рассмотренные выше схемы — аппаратов,
работающих изолированно и жестких аппаратурных линий.
293
Расчет общего количества оборудования в случае,
если производство состоит из изолированных, независящих
друг от друга аппаратов
В таком расчете используется понятие производительности
аппарата за календарное время. Отрезком календарного времени
может быть выбран год или месяц. Выбор определяется двумя
факторами— исходной формой задания производственной мощности,
которая также относится к какому-либо отрезку календарного
времени, и для аппаратов циклического действия —
продолжительностью цикла. Желательно, чтобы выбранный отрезок календарного
времени значительно превосходил продолжительность цикла. Это
обеспечивает усреднение показателей и большую достоверность
результатов расчета. На практике за расчетный отрезок
календарного времени обычно принимают год.
Годовую производительность оборудования для аппаратов
непрерывного действия и аппаратов периодического действия
определяют по несколько различающимся методикам. Для аппаратов
непрерывного действия годовую производительность вычисляют по
формуле
Яы-^Чср*. (184)
где ^год —годовая производительность аппарата, т/год;
qcp — средняя производительность аппарата, т/ч;
t — годовое число часов работы аппарата, ч/год.
Величины <7<ф и t могут быть отнесены к любому другому
отрезку времени, а не только к часам. Годовое число часов работы
аппарата равно разности продолжительности работы в году
производства в целом и простоя аппарата по причинам, не связанным
с технологией производства, в часах. К таким причинам могут
относиться: простои из-за необходимости проведения ремонтов,
профилактических осмотров, простои из-за необеспеченности сырьем
или энергией (в связи с аварийным выходом из строя смежного
обслуживающего рассматриваемый аппарат оборудования),
простои из-за необходимости перехода на новый режим работы,
вызванный изменениями в требованиях к качеству продукции, и т. д.
Продолжительность работы в году предприятия в целом при
непрерывной схеме производства составляет 365 суток, или 8760 ч,
для односменной работы с 6 рабочими днями в неделю и 7-ч
рабочим днем (или, что одно и то же, для пятидневной рабочей
недели при 41 ч работы в неделю) это составит 305 (соответственно
при пятидневке 254) смен, или 2077 ч.
В большинстве случаев предприятия по производству редких
металлов работают непрерывно. Время простоев определяют на
основе практики эксплуатации аналогичного оборудования.
Рассчитывать в какой-то мере можно простои, зависящие от
производительности оборудования, такие как накопление осадков,
вызывающее необходимость чистки, износ футеровки или
перемешивающих устройств и т. п. В основу такого расчета берут обычно
294
данные опыта работы аналогичного оборудования. В тех случаях,
когда производство не является непрерывным, при определении
времени простоя аппарата не следует включать в него время
ремонтов, чисток и других аналогичных операций, выполняемых в
период полной остановки производства. Так, если при работе 16 ч
в сутки выйдет из строя аппарат, для ремонта которого требуется
72 ч, то при круглосуточной трехсменной работе ремонтной
бригады, аппарат будет отремонтирован за 3 суток. Потери рабочего
времени на этот ремонт составят не 72 ч, во время которых
производился ремонт, а только 48 ч.
Годовую производительность аппаратов циклического действия
вычисляют по формуле
<7год — ЯиРч, (185)
. где <7п>:< — годовая производительность аппарата, т/год;
ql{ — цикловая производительность аппарата, т/цикл;
пц— число циклов работы аппарата в год, цикл/год.
Число циклов работы аппарата в год принимают на основе опыта
эксплуатации аналогичного оборудования.
По годовой производительности одного аппарата рассчитывают
необходимое число аппаратов для обеспечения заданного проектом
объема производства:
N=-£—, (186)
где N — общее число аппаратов, необходимое для обеспечения
заданного объема производства, шт.;
Q — годовой объем проектируемого производства по
продукту, перерабатываемому на данной операции, т/год;
<7год — годовая производительность одного аппарата, т/год.
В практике проектной работы при расчетах количества
оборудования в формулу (186) вводят повышающие коэффициенты с
целью создания резерва производительности оборудования при
возникновении непредвиденных осложнений производственного
процесса. Методологически такое введение коэффициентов запаса
неправильно. Любые причины снижения производительности
оборудования могут и должны учитываться при определении годовой
производительности аппарата по формулам (184), (185). Они
могут отражаться в средней часовой и цикловой производительности
аппарата или в числе часов или циклов работы аппарата в году.
Если какая-либо из этих величин не достоверна, то именно для
нее должен быть введен коэффициент резерва. Коэффициент
резерва может быть введен не в формулы определения годовой
производительности аппарата (184) или (185), а использоваться при
предварительном установлении величин, используемых в этих
формулах (средней и цикловой производительности, числа часов
работы или циклов в году). Это приведет к снижению расчетной
годовой производительности аппарата и соответственному увеличе-
295
нию числа аппаратов, необходимых по расчету для обеспечения
производства.
Введением коэффициента не в исходные формулы (184) и
(185), а в конечную формулу (186) ставится общий «коэффициент
незнания», относящийся к расчету в целом. Это не позволяет
серьезно анализировать причины снижения и возможности повышения
производительности оборудования и может сделать фактически
бесполезным расчет, так как число аппаратов будет определяться уже
не расчетом, а в достаточной мере произвольно выбранным
коэффициентом. При использовании коэффициента резерва в формуле
годовой производительности одного аппарата (184) или (185)
с указанием, к какой из величин он относится, или на стадии
предварительного определения этих величин появляется возможность
анализа факторов, обусловливающих изменение
производительности аппаратов и возможные пределы таких изменений. Появляется
возможность разработки конкретных мероприятий по обеспечению
принятых в проекте показателей и обращается внимание как при
проектировании, так и в дальнейшем при освоении производства
на те элементы в технологии и оборудовании, которые
действительно могут быть источником осложнений при эксплуатации
проектируемого производства.
Применительно к рассматриваемой категории оборудования
понятия рабочего и резервного оборудования условны, но иногда
ими можно пользоваться. Числом рабочих аппаратов в этом
случае называется среднее число аппаратов, которое при
непрерывной работе обеспечивает заданный годовой объем производства.
Под непрерывной работой подразумевается положение, когда
общая продолжительность числа часов или суток работы аппарата
совпадает с общей продолжительностью работы производства в
целом. Например, для непрерывных производств число часов работы
аппарата должно составлять 8760 в год. В число часов работы
аппарата при этом включают для аппаратов циклического
действия продолжительность всех элементов технологического цикла и
не включают затраты времени на нетехнологические работы
(ремонт и т. д.). Среднее число рабочих аппаратов вычисляют по
формуле
где Nc-p — среднее число рабочих аппаратов, шт.;
Q — заданная мощность производства на рассматриваемой
операции, т/год;
<7сР — средняя производительность аппарата [для аппаратов
периодического действия определяется по формуле
(183)], т/ч;
т — число часов работы проектируемого производства в год,
ч/год.
Число резервных аппаратов определяют по разности
N^-N--^, (188)
296
где Л'роз — число резервных аппаратов;
N — общее число аппаратов, определенное по формуле (186);
iVcp — среднее число рабочих аппаратов.
Формальность понятий «рабочее» и «резервное» оборудование
определяется тем, что оборудование, не находящееся по каким-
либо причинам в технологической эксплуатации, в данном случае
не является резервным. Это оборудование находится в ремонте,
чистке, переналадке, но не в резерве. Оно вводится в эксплуатацию
не для замены вышедшего из строя основного рабочего
оборудования, а по мере своей готовности, по окончании ремонта и т. п.
Расчет общего количества оборудования в случае,
если аппараты, выполняющие ряд последовательных операций,
объединены жесткими технологическими или транспортными
связями в единую аппаратурную линию
Такой расчет отличается от расчета количества оборудования
для производства, состоящего из изолированных аппаратов, в
основном методами определения производительности одной
аппаратурной линии за рабочее время, которую рассчитывают по
производительности наименее производительной группы аппаратов,
входящей в ее состав. Группы, а не аппарата, так как наименее
производительные аппараты могут входить в линию в числе двух и
более единиц, работающих параллельно. Их суммарная
производительность будет выше, чем на операциях, укомплектованных более
производительным оборудованием, но в меньшем количестве.
Сложнее задача определения календарного времени работы такой
линии. Календарное время работы линии, число часов ее работы
в год могут быть определены как произведение общего числа
рабочих часов в году на вероятность нахождения ее в рабочем
состоянии. Так как выход из строя или остановку по любой другой
возможной причине каждого из аппаратов такой линии можно
рассматривать как событие, независящее от работы смежных
аппаратов и совместимое с их остановками, то вероятность работы
линии в целом равна произведению вероятностей работы
отдельных аппаратов [69]. Число часов работы в году аппаратурной линии,
состоящей из п последовательных операций, можно вычислить по
формуле
/л-^^...-^ ...-£-. 089)
1
где
Гл— число часов работы в году аппаратурной линии;
^пр — число часов работы в год проектируемого производства
в целом (для непрерывных производств 8760 ч);
/к — число часов действительной работы одного из аппаратов
линии за время одного технологического цикла или
любой другой представительный отрезок времени, месяц,
год;
297
Тк — полная продолжительность в часах технологического
цикла или соответствующего представительного отрезка
времени для данного аппарата.
При этом длительность tK и 7"к для каждого из аппаратов
линии принимается, исходя из того, что аппарат работает в условиях,
исключающих простои по причинам, связанным с работой других
аппаратов, входящих в состав линии.
На практике аппаратурно-технологические линии часто состоят
из неравноценного оборудования. Часть оборудования, входящего
в линию, является наиболее сложным, дорогим и ответственным.
В этом случае состав линии и расчет оборудования линии
подчиняются задаче обеспечения наилучших условий эксплуатации этого
основного оборудования. К таким линиям обычно относятся
системы, включающие крупные печные агрегаты. Характерный
пример— системы хлорирования и конденсации. Вся система в этом
случае обычно строится с целью обеспечения максимальной
работоспособности аппарата для хлорирования, а решение вопросов
о количестве и производительности остальных элементов системы
подчиняется этой основной задаче. Задачей является максимальное
приближение рабочего времени линии в целом к возможному
рабочему времени основного оборудования для случая при
независимой его работе. Достигается это введением в состав линии
дополнительного резервного оборудования для второстепенных операций.
Это снижает коэффициент использования оборудования на
вспомогательных операциях, но обеспечивает значительно лучшее
использование основного наиболее сложного и дорогого
оборудования. Критерии целесообразности решений по изменению состава
аппаратурной линии являются чисто экономическими. При
увеличении количества второстепенного оборудования необходимо,
чтобы относительное возрастание затрат на его установку и
эксплуатацию было ниже, чем повышение производительности линии
в целом.
При расчете производительности группы аппаратов необходимо
учитывать возможность различных форм резервирования
оборудования. Резервирование оборудования при построении производства
из ряда изолированных аппаратов рассмотрено выше. Фактически
при этом резервного оборудования не имеется. Все аппараты
в равной степени участвуют в производственном процессе. Если
резервное оборудование выделяется из общего числа аппаратов и
полностью используется только в случае выхода из строя рабочего
аппарата, резервирование может быть двух видов — горячее и
холодное.
При горячем резервировании резервный аппарат
поддерживается в рабочем состоянии (при рабочей температуре, давлении,
полностью соединенным с транспортными и энергетическими
коммуникациями), но или не производит продукции или в случае
невозможности поддержания рабочего режима при полной остановке
производит минимальное количество продукции. При выходе из
строя рабочего аппарата аппарат, находящийся в горячем резерве,
298
переводится в режим номинальной или максимальной
производительности, компенсируя общее снижение производительности на
операции. Такая форма резервирования обычно применяется только
в случаях, когда выход из строя рабочего оборудования и
снижение производительности оборудования на операции могут привести
к тяжелым последствиям.
При холодном резервировании резервное оборудование не
вводится в эксплуатацию до момента выхода из строя основного
рабочего оборудования. При этом может быть разная степень
готовности этого оборудования к работе. Оно может быть полностью
подготовлено к работе и для ввода его в эксплуатацию достаточно
включить энергопитание и транспортные устройства. В других
случаях оно смонтировано в рабочем положении, но не
подсоединено к коммуникациям. В последнем случае оборудование, нахо^
дящееся в холодном резерве, помещают на складе н после выхода
из строя п демонтажа основного рабочего аппарата монтируют на
его место.
Решение о выборе типа резервирования принимается в
зависимости от целей и задач, которые ставятся перед резервным
оборудованием, в зависимости от последствий, которые возможны в
результате выхода из строя рабочего оборудования. Такими
последствиями могут быть:
1) возникновение обстановки, несущей в себе опасность травм
для обслуживающего персонала;
2) нарушение санитарного режима в производственных
помещениях и в районе расположения производства;
3) аварийное разрушение оборудования, связанного с
вышедшим из строя;
4) безвозвратные потери качества продукта, находящегося
в аппарате;
5) нарушение режима работы оборудования на смежных
операциях, требующее впоследствии значительных затрат
рабочего времени и средств для восстановления технологического
режима.
6) общее снижение производительности оборудования.
Если при выходе из строя рабочего оборудования вероятные
последствия можно отнести к одной из трех первых групп, то
резервирование должно обеспечивать немедленную замену вышедшего
из строя аппарата резервным. Если возможные последствия
относятся к одной из трех последних групп, то выбор формы
резервирования определяется экономическими факторами. Дополнительные
затраты, связанные с установкой и эксплуатацией резервного
оборудования, не должны превосходить по объему возможных потерь,
связанных с выходом из строя основного рабочего оборудования
при отсутствии резерва.
При необходимости резервирования с целью обеспечения
заданной степени надежности или определенного объема производства
выбор формы резервирования прямо определяется конкретными
условиями процесса и характеристикой оборудования. Решающим
299
показателем является время, необходимое для ввода в
эксплуатацию резервного оборудования. В некоторых случаях наиболее
оперативно может быть введено в эксплуатацию оборудование,
находящееся в холодном резерве на цеховом складе. В других случаях
более эффективен горячий резерв. Одна из причин, заставляющая
предпочитать в ряде случаев резервирование оборудования на
складе, это то, что, если оборудование не работает, возможно
забивание коммуникаций, потеря работоспособности отдельными уз-
ламп под действием агрессивной атмосферы г. производственных
помещениях и т. д.
Для выявления в каждой аппаратурной линии лимитирующего
звена важно правильно определить возможную производительность
на каждой операции линии с учетом реального времени работы
оборудования. Для ряда новых производств именно в этом вопросе
возможны ошибочные проектные решения. Если менее сложное
оборудование, требующее меньших затрат при сооружении и
эксплуатации, лимитирует производительность из-за низкой
надежности, форму резервирования этого оборудования следует выбирать
на основе тщательного анализа. В частности, в условиях работы
с коррозионными средами, как правило, установке холодного
резерва следует предпочитать горячий резерв или резерв на складе.
При этом горячий резерв позволяет повысить производительность
за рабочее время, а резерв на складе уменьшить потерн рабочего
времени. В обоих случаях производительность -за календарное
время возрастает.
Характерный пример — проектирование систем хлорирования
и конденсации. В период освоения технологии хлорирования все
проекты предусматривали установку резервных конденсационных
систем. Однако в условиях промышленного производства
оказалось весьма сложно оперативно вводить в эксплуатацию резервные
системы конденсации. В большинстве случаев в значительно более
короткий срок можно устранить неполадки, возникающие в
рабочей системе конденсации. Так как конденсационная система была
лимитирующим аппаратурным звеном, предусмотренное проектами
резервное оборудование конденсации вводили в эксплуатацию
одновременно с основным рабочим. За счет этого фактически без
дополнительных капитальных затрат общая производительность
системы хлорирования и конденсации увеличивалась. В настоящее
время такое решение принято и в проектировании.
В общем случае необходимо стремиться к тому, чтобы, если
в составе линии имеется четко выявленный основной наиболее
сложный и ответственный, связанный с наибольшими затратами
(капитальными и эксплуатационными) агрегат, то именно он
должен быть звеном, лимитирующим производительность линии. Все
остальные аппаратурные звенья должны превосходить этот
основной агрегат но производительности.
При выполнении этого условия обеспечивается наиболее
эффективное использование этого основного аппарата и всей
аппаратурной линии в целом.
300
5. ОПТИМИЗАЦИЯ СООТНОШЕНИЙ В РЕЖИМЕ РАБОТЫ
ОБОРУДОВАНИЯ НА СМЕЖНЫХ ОПЕРАЦИЯХ
Для осуществления той или иной технологической или
транспортной операции во многих случаях используется не один, а
несколько однотипных аппаратов. Поэтому при определении
производственной мощности или любых других показателей,
характеризующих рассматриваемую операцию, необходимо учитывать
суммарные показатели всех аппаратов, эксплуатирующихся
параллельно. Эти суммарные показатели в ходе эксплуатации принимают
ряд значений, отличных от номинальной величины. Такие
изменения связаны с тем, что отдельные аппараты могут вводиться в
эксплуатацию или выводиться из эксплуатации по различным
технологическим пли нетехнологическим причинам, не зависящим от
работы других аналогичных аппаратов. В производственной практике
такие периодические остановки отдельных аппаратов не могут
определенно планироваться, а подчиняются статистическим
закономерностям. Соответственно статистическим закономерностям
подчиняются и колебания суммарных показателей всех параллельно
установленных аппаратов. В настоящем разделе такие колебания
суммарных показателей аппаратов рассматриваются
применительно к схемам, когда аппараты на смежных операциях не связаны
в единые аппаратурные линии какой-либо жесткой транспортной
связью. Продукт из любого аппарата предыдущей операции может
поступать в любой аппарат последующей операции. В случае, если
смежное оборудование связано не транспортным потоком, а каким-
либо специфическим видом обслуживания, то любой
обслуживающий аппарат должен иметь возможность обслуживать любой из
обслуживающих аппаратов. При этом аппараты, установленные для
параллельной работы на одной операции, работают изолированно,
независимо друг от друга.
Суммарные показатели работы оборудования на
соответствующей операции могут анализироваться не только с точки зрения их
пуска и остановки, но и вообще нахождения аппаратов в каком-
либо определенном режиме — работа с технологической нагрузкой,
выполнение той или иной вспомогательной операции, максимальное
потребление мощности и т. д.
Колебания суммарных показателей работы аппаратов
периодически вызывают возникновение несоответствий показателей работы
оборудования на смежных последовательных операциях или в
работе смежных групп оборудования, обслуживающих одну
операцию и, следовательно, к снижению производственной мощности как
отдельных групп аппаратов, так и проектируемого производства
в целом.
Возможны два случая согласования работы смежных групп
оборудования и два метода анализа вероятных несоответствий их
показателей.
В первом случае согласуется работа аппаратов, входящих в
состав аппаратурно-технологической схемы в качестве элементов,
301
через которые проходит материальный поток производства, и
аппаратов, связанных не с материальным потоком производства, а с
обеспечением работы первой группы аппаратов. Обеспечение
заключается в питании энергетическими или материальными ресурсами.
При этом каждый отдельный аппарат, обеспечивающий питание,
как правило, не вступает в непосредственный контакт с аппаратом,
нуждающимся в таком питании. Все питание поступает
обезличенно, через объединенную линию. Характерно для такой системы
питания — относительно постоянный уровень обеспечения за счет
использования резервного оборудования. Система обеспечения
может служить не только для питания соответствующей операции, но
и для отвода отбросной энергии или материальных отходов
производства. Примерами такого рода связи между группами аппаратов
являются связи в работе технологического и обеспечивающего его
работу энергетического или санитарно-технического оборудования.
Несоответствие, отражающееся на производственной мощности
объекта, возникает в случае, если производственные возможности
основного технологического оборудования, через которое проходит
материальный поток производства, превосходят производственные
возможности обслуживающего оборудования. Обратное
несоответствие, когда производственные возможности обслуживающего
оборудования превосходят возможности основного технологического
оборудования, не влияет на производственные возможности
проектируемой операции и объекта в целом.
Анализ возможных несоответствий в работе оборудования
заключается в определении вероятности превышения потребностями
основного технологического оборудования уровня обеспечения,
создаваемого обслуживающим оборудованием. По результатам
анализа принимают решения о необходимом уровне обеспечения, при
котором потери от уменьшения производственной мощности
основного технологического оборудования и увеличения затрат на
обслуживающее оборудование будут минимальны. Характерным для
производства редких металлов сложным примером является
кооперация электролизного производства магния, производящего
газообразный хлор, и хлорпотребляющего производства редких металлов.
Обслуживающей системой для производства редких металлов
является магниевое производство, обеспечивающее постоянный объем
выдачи хлора. Изменение производительности магниевого
производства по хлору — задача, которую нельзя решить достаточно
оперативно. Поэтому необходимо не обеспечить снабжение хлором
передела хлорирования, а возможно полнее потреблять его на
данной операции в каждый момент. Соответственно при проведении
расчетов определяют вероятность снижения потребления хлора
ниже заданного уровня. При проведении анализа для
рассматриваемой группы задач, связанной с нахождением переделов и
характера колебаний мгновенных показателей работы системы
параллельно работающих аппаратов, может быть использована формула
Бернулли, основанная на простейшей, так называемой урновой
схеме распределения случайных событий. Формула Бернулли при-
302
менима при обязательном соблюдении одного условия —
возникновение случайных событий на разных объектах или в нашем
случае— попадание любого аппарата в рассматриваемый режим и
выведение его из этого режима совершенно независимо от протекания
процесса и нахождения в соответствующем режиме любого другого
параллельно работающего аппарата.
Во втором случае согласуется работа двух смежных
последовательных а аппаратурно-технологической цепи групп аппаратов.
Материальный поток производства при этом, как правило,
проходит последовательно через обе группы аппаратов. Примером
являются любые две группы технологического оборудования па
последовательных смежных операциях. В этом случае любое
несоответствие в показателях двух рассматриваемых групп оборудования
отражается на показателях производства в целом. Если бы две
такие группы аппаратов не были связаны проходящим через них
материальным потоком производства, то каждая из них обеспечивала
бы в среднем какой-то определенный объем производства с
временными отклонениями в большую или меньшую сторону. Но так как
обе группы аппаратов связаны, любое несоответствие в их
производительности приводит к тому, что у группы аппаратов, имеющей
в рассматриваемый период большую производительность, она
искусственно понижается до уровня, лимитируемого
производительностью смежной операции. В результате, средняя фактическая
производительность оборудования на каждой из операций и по
объекту в целом понижается. К задачам рассматриваемого вида
относятся также задачи по анализу согласованности работы
основного технологического оборудования и некоторых видов
обслуживающего и вспомогательного оборудования. От задач,
рассмотренных в первом случае, они отличаются двумя особенностями.
Первая — обеспечение основных технологических аппаратов —
осуществляется не из объединенной линии питания, а в результате
взаимодействия отдельных обслуживаемых аппаратов с
отдельными обслуживающими аппаратами. Вторая—-уровень
обеспечения обслуживанием — не перекрывает возможную максимальную
потребность в обслуживании. Примером связи этого типа может
служить связь между технологическими аппаратами,
нуждающимися в подводе энергии в относительно небольшой по сравнению
с общей продолжительностью их работы период времени, и
трансформаторами для подвода энергии. Число трансформаторов может
быть меньше числа обслуживаемых аппаратов. Предполагается, что
обслуживающее оборудование стоит дорого и не может излишне
резервироваться.
Возможные несоответствия показателей работы оборудования
на смежных операциях для данного случая можно анализировать
методами теории массового обслуживания [70—73]. Основные
понятия, используемые теорией массового обслуживания, — требование,
обслуживание, поток требований.
Требованием называется запрос на удовлетворение какой-либо
потребности. Подразумевается, что такое удовлетворение потребно-
303
, ^ /быть осуществлено только с помощью объекта (машины,
СТИ МО/КСТ " у
емп п^РсоналаЬ не совпадающего с источником требования,
^..„^n,'.^ttiero отдельно от источника требований. Требованием
може б'ытР необходимость проведения операции по пуску или
остановке загР-'зке или выгрузке, пробоотбору, чистке или ремонту
,„„„„„' Как требование можно рассматривать необходимость
аппарата. л ^ ^
ипоизвотст^3 пРОДУкта, потребляемого аппаратом при его работе,
,.,,„ ™™па0отки продукта, производимого данным аппаратом,
или перера" l^i
ОбсчуЖ11Ваннем называется удовлетворение запроса,
выражаемого тоебо1'аиием- Обслуживание может быть двух видов. Первый
связан с обсл^живаинсм аппарата в обычном значении этого слова
(пуск загрч3ка' чистка н т- п-) н сопровождается задалживанием
обс1\'жива^мого аппарата на операции обслуживания. Второй не
связан с о^слУживанием аппарата в обычном значении этого
С10ва пр0изводство исходного продукта или переработка
продукта ВЬ|п\'скасм0Г0 аппаратом, и не сопровождается
задалживанием обс1Уживасмого аппаРата в процессе обслуживания. Разли-
чие'между иимн в том> чт0 ПРИ первом виде обслуживания обслу-
-^„r,.">^..4ft аппарат в момент обслуживания новых требований не
живаемыи r ,J *
производит, а ПРИ Вт0Р°-м виде оослуживания производство новых
TpgBajHilj'осуществляется непрерывно, без приостановки в период
обслужива1>ии-
Потоком требовании называется последовательность
возникновения тпебС15311™- При рассмотрении работы нескольких
однотипных аппарятОВ под потоком требований обычно понимается после-
1оватетьно^ть поступления требований от всех аппаратов —
источников требований, а не от отдельного аппарата.
Двум в!,лам обслуживания соответствуют и два типа задач по
анатизу ра^оты оборудования, решаемых методами теории
массового обслу^ивапия-
Первый тип задач относится к обслуживанию с задалживанием
аппарата —' источника требований в процессе обслуживания. При
анатизе определяют степень загрузки обслуживающего
оборудованиями потери Рабочего времени из-за задержки обслуживания для
0gc живаемых аппаратов. Потери рабочего времени как для об-
служиваюпт010' так и для обслуживаемого оборудования зависят
от cooTiiouJeIinH номинальных суммарных производительностеи
этих групп аппаратов и производительности единичных аппаратов,
входящих Р состав этих групп. Изменяя соотношения в суммарной
номинально11 производительности обслуживающего и
обслуживаемого обор\'Доваиия и единичные производительности отдельных
аппаратов' можно оптимизировать показатели использования
оборудования' Для Реше1Шя таких задач используется схема теории
массового обслуживания, предусматривающая конечное число об-
„ JO0J.HX аппаратов, ограниченный поток требований (число
требований, одновременно находящихся в системе, не превышает
затаиного 1>'онечпого числа) и образование очереди на
обслуживание" е'-ш в ыомеит поступления требования все обслуживающие
аппараты з*»1ЯТЫ-
304
Второй тип задач относится к обслуживанию требований, не
связанному с задалживанием аппарата — источника требований
в процессе обслуживания. К задачам этого типа относится
определение необходимого объема межоперанионного хранения или при
заданном объеме межоперационного хранения определение потерь
рабочего времени обслуживаемым и обслуживающим
оборудованием из-за ограниченности объема межоперационного хранения.
Использование при проектировании решения рассматриваемой
задачи связано с изменением объема межоперационного хранения,
а также с изменением характеристик оборудования,■ аналогично
тому, как это делается для ранее рассмотренной задачи первого
типа. Для решения таких задач используется схема теории
массового обслуживания для систем с ограниченной длиной очереди
требований, ожидающих обслуживания, с безвозвратной потерей
требований, поступающих в систему обслуживания, при достижении
очередью требований максимальной допустимой длины.
Предлагаемые методы анализа и решения задач можно
использовать только в случае, если характер распределения вероятности
изменения производительности на рассматриваемой группе
аппаратов подчиняется некоторым ограничивающим условиям.
Для использования формулы Бернулли необходимо требование
полной независимости явлений на параллельно работающих
аппаратах рассматриваемой группы. Использование для анализа
работы оборудования предлагаемых методов теории массового
обслуживания требует соблюдения как основного условия, чтобы поток
требований был простейшим.
Чтобы поток был простейшим и рекомендуемую ниже методику
анализа можно было применить, необходимо соблюдение трех
условий— стационарности потока, ординарности потока и отсутствия
последействия. Под стационарностью потока подразумевается, что
равное число требований с равной вероятностью может поступить
в любой из равных отрезков времени независимо от расположения
этого отрезка на оси времени. Под ординарностью потока
подразумевается практическая невозможность появления двух или
нескольких требований за отрезок времени, величина которого
стремится к нулю. Под отсутствием последействия подразумевается
независимость вероятности появления требований в любой заданный
момент от характера фактического поступления требований в
предшествующий период.
Несмотря на перечисленные ограничения, использовать
статистические методы весьма полезно и плодотворно. В практике
эксплуатации производственного оборудования главная причина,
нарушающая перечисленные выше ограничения, — влияние
обслуживающего персонала. Персонал стремится уменьшить
неравномерность в работе оборудования, исключить экстремальные совпадения
одинаковых стадий в работе отдельных аппаратов, максимально
приблизить в каждый данный момент мгновенные характеристики
работы группы аппаратов к их средним номинальным значениям.
Однако влияние персонала на характер распределения состояний
20 Зак. Л» 461 " 305
в группе аппаратов в ряде случаев может быть достаточно малым.
Главными условиями, которые позволяют предполагать при анализе
проектируемого производства, что предположение о простейшем
характере потока требований достаточно точно соответствует
реальным условиям производственного процесса, являются два.
Первое— достаточно большое, обычно несколько десятков, число
аппаратов. При большом числе параллельно работающих аппаргтов
персонал уже практически не может влиять на распределение
состояний аппаратов в группе. Вторым условием, обсспечиваюцим
хорошее соответствие реальной картины простейшему потоку,
является строгое соблюдение условий осуществления
технологического процесса. При высокой технологической дисциплине
производства произвольное вмешательство персонала в работу отдельных
аппаратов исключается, особенно в работу аппаратуры с
автоматизированным управлением.
Допущение, что поток требований простейший,
оправдывается также и тем, что для системы обслуживания, как правило,
простейший поток требований более сложен, чем поток с другим
случайным распределением поступления требований.
Следовательно, расчет на простейший поток требований создает
дополнительную надежность.
Определение вероятных отклонений суммарной производительности
или других показателей работы группы аппаратов
от номинальной средней величины
Этот расчет можно производить по формуле Бернулли [57, 59]:
Р»М- k\{n-k)\ Pk{~x-рУ~*' <190>
где Pn(k) — вероятность одновременного нахождения в
рассматриваемом режиме k аппаратов при общем числе
аппаратов, равном п, доли единицы;
п — общее число аппаратов в группе;
k — число аппаратов, одновременно находящихся в
рассматриваемом режиме;
р — вероятность нахождения в заданном режиме для
отдельного аппарата.
Величина вероятности для одного отдельно взятого аппарата
периодического действия определяется отношением
Р-^ТТ' 091)
где а — время нахождения в заданном режиме аппарата на
протяжении одного цикла;
Ь — время ненахождения аппарата в заданном режиме на
протяжении одного цикла.
306
Выражение (1
мулы (191):
■ р) может быть также записано индексами фор-
(1-/0 =
а -+ b
(192)
При расчете особенно важно правильно определить величину р.
Ошибки при определении р возникают, если не учитываются
нетехнологические простои аппарата.
Рассмотрим пример. Аппарат периодического действия на
протяжении цикла 30 ч работает под нагрузкой, 3 ч занят загрузкой
и выгрузкой, а сверх того через каждые 10 циклов останавливается
на 20-ч ремонт. Требуется определить вероятность нахождения
аппарата под нагрузкой. За исходную базу для расчета принимают
период, состоящий из десяти циклов и ремонта. Тогда
а=30 • 10=300 ч;
6=_-_3 • 10+20=^50 ч;
300
300 + 50
-0,857.
При анализе возможных совпадений режимов для группы,
состоящей из п аппаратов, целесообразно расчет производить
последовательно, определяя вероятность одновременного нахождения
в рассматриваемом режиме разного количества аппаратов от 0 до п
или до какого-то числа k, если вероятность совпадения режимов
для числа аппаратов, большего, чем k, становится ничтожной.
Результаты расчета оформляются в таблицу.
Пример. Операция выполняется группой из 15 параллельно
работающих аппаратов непрерывного действия. По опыту
эксплуатации, 5% календарного времени аппараты находятся в ремонте.
Вероятность нахождения в ремонте для отдельного аппарата равна
0,05. Требуется определить, какое количество аппаратов,
находящихся в ремонте
одновременно, следует учитывать при
проектировании. Расчет ведут по
формуле (190), где « = 15,
р (А) = 0,05. Результаты
расчета сводим в табл. 13.
Расчет показывает, что
вероятность одновременного
выхода в ремонте более чем
пяти аппаратов исчезающе мала.
Так как суммарная
вероятность выхода в ремонт от 0 до
5 аппаратов одновременно
равна 99,98%, то суммарная
вероятность выхода из строя
одновременно более чем 5
аппаратов равна 0,02%.
Таблица 13
Вероятность одновременного нахождения
в ремонте k аппаратов из 15
при вероятности нахождения в ремонте
одного аппарата, равной 0,05
к
0
1
2
3
4
5
PW
доли
единицы
0,4632
0,3657
0,1347
0,0307
0,0049
0,0006
°'о
46,32
36.57
13,47
3,07
0,49
0,06
Sp(ft), %
46,32
82,89
96,36
99,43
99,92
99,98
20*
307
Использование формулы Бернулли (190) позволяет сделать
выводы о предельных случаях отклонения производительности группы
аппаратов от среднего значения и проверить возможность
обеспечения работы этой группы аппаратов в подобных предельных
случаях. Если производительность аппаратов на операции не должна
опускаться ниже определенной величины, формула Бернулли
позволяет оценить, насколько вероятно, что суммарная
производительность аппаратов на рассматриваемой операции будет ниже
заданной величины. Точно так же можно оценить вероятные пределы
колебаний в потреблении эцергоресурсов или непрерывно
поступающих в процесс продуктов или материалов, для которых по каким-
либо причинам исключается промежуточное хранение между
операциями.
Определение потерь рабочего времени при процессах
обслуживания с задалживанием обслуживаемых аппаратов
Для этой группы используют схему решения типовой задачи
теории массового обслуживания с системой из конечного числа как
обслуживающих, так и обслуживаемых аппаратов. Пи одно
требование не может покинуть систему обслуживания пока такое
обслуживание не будет произведено. Под системой обслуживания
понимается совокупность всех обслуживающих аппаратов и требований
(или аппаратов), ожидающих обслуживания. Если в момент
поступления нового требования все обслуживающие аппараты заняты,
вновь поступившие требования образуют очередь ожидания
обслуживания. Примеры такой системы — группа реакторов
периодического действия и насосы для их опорожнения, группа
электропечных установок и трансформаторы для их разогрева и т. п.
При решении задач этой группы определяются вероятность
нахождения в системе обслуживания определенного числа требований
и среднее число требований, находящихся в системе обслуживания,
коэффициент простоя обслуживаемого оборудования, среднее
число свободных (или занятых) обслуживающих аппаратов и
коэффициент простоя их.
Вероятность нахождения в системе обслуживания
определенного числа требований, если число требований в системе не
превосходит числа обслуживающих аппаратов, равна
при условии l^k^n;
если число требований в системе превосходит число
обслуживающих аппаратов:
Р*-п^Лп-^Р° (194)
при условии n<k^m,
где Рк — вероятность, что в системе обслуживания находится
k требований;
308
k- -число требований, находящихся в системе обслужцв.
т — максимальное число требований, которое может- %ц#'
литься в системе обслуживания, равное числу oGcv^t/
ваемых аппаратов; "^il7
п — число обслуживающих аппаратов;
/. - частота возврата требований в систему для одного
обживаемого аппарата, отнесенная к единице BpcMen,V,v/
боты без обслуживания, число требований в час; ' р"а/
v — параметр, определяющий продолжительность времен,
служивания и обратный ему, 1/ч; 'об7
Ро — вероятность того, что все обслуживающие аппарату
бодни (k — Q), равная ^0/
~ п т "1-1
Р — V . >»'■ I >• у ■_ у "Ц (2_У
" _—„ *!(«--A)! I v ) ■^_inb-nnl{m__ky\,)\ • (.
Среднее число требований, ожидающее начала обслужцва
равно ;||1я
т
Отсюда средний простой обслуживаемого оборудования р.
Mi/т. Величина Mt относится к времени работы обслуживании
аппарата в состоянии, не требующем обслуживания. Среднее ihV0
требований, находящихся в обслуживающей системе, равно ',i0
т
* = i -Щ
Среднее число свободных обслуживающих аппаратов
M3^(n-k)Pk. (,
*-о ■■■)$)
Соответственно коэффициент простоя обслуживающего обору,,
ния составит М-з/п. \
Вероятность того, что число требований, ожидающих начаЛа
служивания, больше некоторого числа N, составит V].
т Л'
рк>х- 2 ^/,-i-2/J* »ри N<n- (.
* = Л' • ! А--0 - 'Щ
т
Ьсли /V<- , целесоооразпо использовать второе выражение. *>
2 '''-а
Л>-— целесообразнее использовать первое выражение. ^с,Юш
обозначения во всех приведенных формулах (195) —(199) а„."е
гичны принятым в формулах (193) и (194). "'V
При проведении вычислений результаты целесообразно сзо*.
в таблицу, что позволяет относительно просто получать на 0С3
'И
табличного материала любые показатели, характеризующие работу
системы.
Пример. Принимаются следующие условия для расчета.
Имеются 20 реакторов, в которых проводится процесс с длительностью
цикла 1 ч. После проведения процесса аппарат опоражнивается
с помощью одного из пяти насосов и затем с помощью этого же
насоса заполняется новой партией перерабатываемого продукта.
Время обслуживания реактора насосом 0,25 ч. Выражаем условия
задачи в принятой терминологии и индексации.
Число обслуживаемых аппаратов и максимальное число
требований на обслуживание т = 20. Число обслуживающих аппаратов
п = 5. Частота возврата требований /. = 1. Продолжительность
обслуживания — =0,25. Результаты вычисления величин для
различных значений приведены в табл. 14.
Таблица 14
Результаты расчетов использования рабочего времени 20 реакторами
при обслуживании их 5 насосами
к
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
к-п
—
—
—
—
—
—
—
3
4
5
G
7
8
9
10
11
12
13
14
15
п-к
5
4
3
2
1
—
—.
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
V»
1,0000
5,0000
11,8750
17,8125
18,9258
15,1408
11,3320
7,9324
5,1561
3,0936
1,7015
0,8508
0,3829
0,1531
0,0536
0,0161
0,0040
0,0008
0,0001
—
—
''к
0,00996
0,04978
0,11823
0,17734
0,18841
0,15074
0,11282
0,07897
0,05133
0,03080
0,01694
0,00847
0,00381
0,00152
0,00053
0,00016
0,00004
0,00001
—
—
—
к.Рк
0,04978
0,23646
0,53202
0,75364
0,75370
0,67692
0,55279
0,41064
0,27720
0,16940
0,09317
0,04572
0,01976
0,00742
0,00240
0,00064
0,00017
0,00002
—
—
(* - n)Pk
—
—
—
—
—
0,11282
0,15794
0,15399
0,12320
0,08470
0,05082
0,02667
0,01216
0,00477
0,00160
0,00044
0,00012
0,00002
—.
—
(я - k)Pk
0,04980
0,19912
0,35469
0,35468
0,18841
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Основой для вычисления всех величин является отношение
Рк/Ро, которое определяют по формулам (193) и (194),
преобразованным к виду
Рк_. т\ М\*. (900)
(201)
Л>
Рк
Ро
к
пк~
(т —
т\
к)
пп\(т —
\
*)1
(4
310
Значения Рп/Ро, вычисленные для значений k от 0 до 18,
приведены в четвертом столбце табл. 14. Для k, равного 19 и 20,
значения не приведены из-за их ничтожности. Затем определяют полную
к 20
сумму J^PulPo- Она в рассматриваемом примере равна 100, 441,
й-0
но
* -20 ft-20
2 /W-2 /УП-1/Л,. (202)
к = 0 * = 0
Числитель равен единице как сумма вероятностей всех возможных
состояний системы. Следовательно
ft-2(1
л.-1/2 p*ip» (203>
' ft ..О
в нашем примере Р0= 1/100, 441=0,00996. На основе известных
значений Ph/Po и Я0 определяют Рк для всех значений & и заполняют
пятый столбец табл. 14.
Затем определяют величины, внесенные в столбцы шестой,
седьмой и восьмой. По формуле (196) на основе данных седьмого
столбца вычисляют величину вероятности среднего числа
требований, ожидающих начала обслуживания, т. е. длину очереди. Для
рассматриваемого примера она равна Mi = 0,72925. Отсюда средний
простой обслуживаемого аппарата-реактора равен М\\т =
= 0,72925/20 = 0,03646 = 3,65% от общей продолжительности работы
реактора.
По формуле (197) на основании результатов расчетов,
приведенных в шестом столбце табл. 14, определяют среднее число
требований, находящихся в обслуживающей системе, т. е. число
реакторов, ожидающих разгрузки или находящихся в процессе
разгрузки и новой загрузки: М2 = 4,58185. Отсюда занятость одного реактора
на нетехнологических операциях определится: Мо/т = 4,58185/20 =
= 0,2291=22,91%.
Среднее число свободных обслуживающих аппаратов-насосов
определяют по формуле (198) на основе данных восьмого столбца
табл. 14: М3= 1,14670.
Средний простой каждого насоса М3/п=—— =0,2293 =
= 22,93%.
Процент потерянного времени для реакторов может быть
снижен за счет увеличения числа насосов, но тогда коэффициент
простоя насоса, равный при заданных условиях 22,93%, возрастет,
вероятно, не менее чем на 15—20%). Принимать решение следует,
исходя из требования оптимизации экономических показателей.
Результаты вычислений, представленные в пятом столбце
табл. 14, позволяют сделать вывод о вероятности одновременного
выхода на обслуживание различного числа аппаратов.
311
Данные из пятого столбца табл. 14 будут аналогичны данным,
приведенным во втором столбце табл. 13, и могут быть таким же
образом использованы. Так, из табл. 14 можно сделать
заключение, что вероятность одновременной работы в технологическом
режиме всех двадцати реакторов меньше 1,0%. Точно так же меньше
1,0% вероятность одновременного выхода на обслуживание более
чем 11 реакторов.
Помимо того, что проведенные расчеты позволяют оценить
степень согласованности работы обслуживающих и обслуживаемых
аппаратов (в данном случае реакторов и насосов), они могут
также служить основанием для принятия решения об
обеспеченности аппаратов энергопитанием и т. п.
Определение потерь рабочего времени при процессах
обслуживания без задалживания обслуживаемых аппаратов
(расчет объема межоперационного хранения)
Задачи этой группы решаются по схеме типовой задачи теории
массового обслуживания для систем с ограничением длины
очереди. Допустимая длина очереди в данном случае соответствует
емкости межоперационпого хранения. Если требование будет
произведено в момент, когда длина очереди достигла предельной
величины, оно будет потеряно. Па практике это будет означать, что
аппараты—источники требований, производящие складируемую
промежуточную продукцию, после заполнения всего объема
межоперационного хранения прекратят дальнейшее производство
требований, т. е. продукции.
При решении задач этой группы определяют не только
вероятностные простои обслуживаемого оборудования из-за переполнения
емкости межоперационного хранения, но и ряд параметров,
аналогичных тем, которые определяются при решении задач первой
группы — вероятность нахождения в системе обслуживания
определенного числа требований (количества продукта па межонераци-
онном хранении и в переработке на аппаратах операции
обслуживания), среднее число требований, находящихся в системе
обслуживания, коэффициенты простоя обслуживаемого и
обслуживающего оборудования.
Это позволяет установить, в какой мере принятый в проекте
объем межоперационного храпения компенсирует возникающую
из-за случайных причин несогласованность в работе оборудования
на смежных операциях и предупреждает простои оборудования,
которые могли бы возникнуть из-за такой несогласованности. При
несоответствиях в-производительности оборудования на смежных
операциях изменяется межоиерацнонный запас продукта.
Крайними случаями будут полное заполнение или опорожнение
емкости для межоперационного хранения. В первом случае приходится
приостанавливать работу оборудования на предшествующей
операции, во втором — на последующей. Цель анализа — найти объем
312
межоперационного хранения, исключающий чрезмерные потери
рабочего времени основного оборудования.
Требованием для рассматриваемой группы задач является
необходимость в переработке (удалении) произведенного аппаратом
продукта или в производстве (доставке) перерабатываемого
аппаратом продукта. За единичное требование принимают для
аппаратов циклического действия порцию или партию продукта,
перерабатываемого за один цикл работы обслуживающего аппарата. Для
аппаратов непрерывного действия — единицу массы или объема
перерабатываемого продукта или количество продукта,
перерабатываемое обслуживаемым или обслуживающим аппаратом в единицу
времени. Обслуживающие аппараты могут быть расположены
по технологической цепи как раньше обслуживаемых аппаратов,
так и после них. Пример первого случая — совместная работа
печных установок (плавки, спекания, хлорирования и т. п.) и
аппаратов по подготовке шихты (сушки, прокалки, брикетирования,
грануляции и т. п.). Пример второго случая —совместная работа тех
же печных установок и вспомогательных аппаратов,
предназначенных для обработки выходящих из печей продуктов
(охлаждение, репульпация, классификация и т. д.). В обоих случаях печные
установки — обслуживаемые аппараты.
Решение задач этой группы, как и предыдущей, основано на
первичном определении вероятности нахождения в системе
обслуживания определенного числа требований. Если число требований
в системе не превосходит числа обслуживающих аппаратов,
используют формулу
р*=М±)кро (204>
при условии l^k^n.
Если число требований в системе не меньше числа
обслуживающих аппаратов, используют формулу
".-ТпЫ-г)'". <ж>
при условии n^k^l.
Если число требований в системе равно нулю и все
обслуживающие аппараты свободны, используют формулу
/>0^_ * . (206)
и —1
V 1
л! 1
4П<-ЬН"+']
Условные обозначения в формулах (204) —(206) аналогичны
условным обозначениям в формулах (193), (194), за исключением
параметра )., который в формулах (204) —(206) обозначает общую
суммарную частоту поступления требований на обслуживание, а не
частоту возврата требований от одного обслуживаемого аппарата.
313
и символа т, который в формуле (206) обозначаег число
обслуживаемых аппаратов, но не максимальное число требований в
системе обслуживания. Использованный в условии применения
формулы (205) символ / обозначает наибольшее число требований,
которое может находиться в системе обслуживания одновременно.
Таким образом, оно соответствует сумме числа обслуживающих
аппаратов и предельного числа требований, ожидающих
обслуживания. Наибольшая длина очереди равна / — п, что количественно
определяет принятую емкость хранения. В соответствии с
формулой (205), вероятность полного заполнения емкости
межоперационного хранения перерабатываемых продуктов и, следовательно,
простоя обслуживаемых аппаратов составит
/V
-^r(v)V (207)
Вероятность того, что все обслуживающие аппараты заняты и,
следовательно, межоперационная емкость используется, равна
П = 2 Р*=р» ТТ-Г- ■ (208)
Среднюю длину очереди и, следовательно, среднее заполнение
емкости для межоперационного хранения — коэффициент
использования этой емкости — вычисляют по формуле
m
А [п" ' 1—£-) [№>
, „ч / X \m-i 1 , / I \m \-2-\
-(^-И)(—) Ц-^) }. (209)
Среднее число требований, находящееся в обслуживающей
системе, т. е. в аппаратах обслуживания и в ожидании
обслуживания, определяют по формуле
М*=М,+ Ц1* пР„+Р02 -^туг(тГ- (2Ю)
Среднее число свободных обслуживающих аппаратов, или
коэффициент простоя этих аппаратов, рассчитывают по формуле
В формулах (207) — (211) все обозначения аналогичны
обозначениям в формулах (204) —(206) или объяснены б тексте, сопро-
314
вождающем формулы. Для формул (208), (209) и (211) дано по
два варианта вычисления соответствующей величины.
Порядок расчета и его оформление для задач второй группы
может несколько отличаться от порядка, показанного применительно
к задачам первой группы. В начале расчета по формуле (206)
определяют Ро, затем на основе принятой емкости хранения по
формуле (207) вычисляют вероятность переполнения емкости меж-
операциопного хранения Pi и на основе ее делаются выводы о
правильности выбора величины /. После уточнения величин / и Pi
рассчитывают все остальные показатели работы системы
обслуживания. Обычно наиболее интересны расчеты величин коэффициентов
простоя обслуживаемых аппаратов Pi, среднего использования
емкости для межоперационного хранения Mt и величины
коэффициентов простоя обслуживающих аппаратов Ms, определяемых по
формулам (207), (209) и (211) соответственно. При расчетах
можно использовать табличную форму записи. Однако такая
форма не обязательна, так как наиболее существенные показатели,
а именно Р0 и Pi, достаточно просто вычисляются без
использования таблиц. В задачах первой группы табличная форма диктуется
в основном необходимостью определения величины Ро, которую
по формуле (206) в отличие от формулы (195) удобнее вычислять
без использования табличной записи.
При расчетах необходимых размеров емкости для
межоперационного хранения перерабатываемых продуктов безразлично, какая
группа аппаратов является обслуживающей, а какая
обслуживаемой— предшествующая или последующая по технологической
схеме. Все условности изменяются только в понимании
физического смысла терминов теории массового обслуживания. Если
обслуживающие аппараты предшествуют обслуживаемым, под
очередью требований будет пониматься существование определенной
свободной емкости в межоперационном хранении. Величина Р0
характеризует вероятность полного заполнения емкости для
хранения, а величина Pi — вероятность полного опорожнения этой
емкости. Вероятность Ри соответственно выражает вероятность
свободного объема межоперационной емкости, количественно равного
й-требованиям.
Некоторые общие выводы
Рассмотренные методы теории массового обслуживания
позволяют сделать некоторые общие выводы и заключения, которые
необходимо учитывать при проектировании организации работы
аппаратов, подчиняющихся законам статистического распределения.
Главный вывод — производственная мощность обслуживающего
оборудования должна заметно превосходить производственную
мощность основного оборудования. Даже самое выгодное
соотношение между производственной мощностью обслуживаемого и
обслуживающего оборудования не может полностью устранить
простоев первого. Особенно наглядно это видно из рассмотрения
315
функции изменения потерь времени на ожидание обслуживания
в зависимости от изменения отношения (£]/./y). Технологический
смысл этого соотношения заключается в отношении
производительности всех обслуживаемых аппаратов в производстве требований
к производительности одного обслуживающего аппарата по
переработке этих требований. Функция может быть выражена
формулой
2 я*
1
Г..*- Tv.J4M. (212)
где Гдот — суммарная потеря времени на ожидание обслуживания
всеми требованиями, поступившими в систему
обслуживания за единицу времени (аппарато-часы при
принятой единице времени — час);
2±Х — суммарная частота возврата требований всеми
обслуживаемыми аппаратами аналогично л в формулах
(193) — (195) (число требований/час).
Все остальные обозначения аналогичны формулам (193) —(195).
При рассмотрении знаменателя формулы (212) видно, что он
равен нулю при одинаковой производительности обслуживающих
и обслуживаемых аппаратов, т. е. при этих условиях очередь на
обслуживание и время ожидания обслуживания неограниченно воз-
растают. Пример зависимости потерь времени на ожидание I —— I
для систем с одним обслуживающим аппаратом (я = 1) и двумя
обслуживаемыми аппаратами (п — 2) приведен ниже:
——. . . .0,1 0,2 0,3 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
_-L. . . .0,1 0,2 0,3 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Q2
Тппт . . . .0,0111 0,2000 0,2667 0,5000 0,9000 1,6333 3,2000 9,1000
* Отношение суммарной производительности обслуживаемого оборудовании к
суммарной производительности обслуживающего оборудования.
Изменение среднего времени ожидания при п = 2 приведено
ниже:
Y.I
. .0,1 0,2 1,0 1,2 1,5 1,6 1,8 1,9
~гг ■ ■ ■ -0,05 0,10 0,50 0,60 0,75 0,80 0,90 0,95
V2
Гпот . . . .0,0003 0,0020 0,3333 0,6750 1,3500 2,8444 7,6737 17,5872
Это подтверждает, что при приближении суммарной
производительности обслуживаемого оборудования к суммарной
производительности обслуживающего оборудования длительность ожида-
316
ния обслуживания неограниченно возрастает. Сравнение данных
для п'=1 и п--2 показывает, что рост числа обслуживающих
аппаратов при неизменной их суммарной производительности
уменьшает потери на ожидание обслуживания. Анализ формулы (212)
показывает, что полное устранение простоев обслуживаемого
оборудования возможно только при бесконечно большом увеличении
производительности обслуживающего оборудования, что не может
быть экономически оправдано и практически осуществлено.
Эти выводы в равной степени применимы к случаям
определения необходимых объемов межоперационного хранения. В
частности, главный вывод, который необходимо сделать, это
невозможность с помощью конечного объема межоперационного хранения
обеспечить абсолютную надежность работы системы.
Как отмечалось, во многих случаях отнесение той или иной
группы аппаратов к обслуживаемым или обслуживающим может
решаться произвольно. Такая произвольность не всегда допустима
по технологическим соображениям. Однако практически в любом
случае определяющим фактором при распределении функции
обслуживающего и обслужизаемого оборудования является
экономическая целесообразность. Так как отрицательный экономический
эффект от простоя различных групп оборудования, как правило,
неравноценен, то одну из них, простой которой особенно
нежелателен, рассматривают как обслуживаемую, а другую как
обслуживающую. Увеличивая суммарную производительность аппаратов
обслуживающей группы, снижают коэффициент их использования
во времени. Но при этом снижается простой и повышается
эффективность использования обслуживаемых аппаратов. Исследуя
характер изменения эффективности работы обслуживающих и
обслуживаемых аппаратов, можно найти критический предел таких
изменений, после которого увеличение затрат на наращивание
производительности обслуживающего оборудования уже не
компенсируется повышением эффективности использования
обслуживаемого оборудования.
Рассмотренные в этом разделе примеры использования методов
теории вероятностей и теории массового обслуживания
элементарны и касаются наиболее простых случаев организации
производственного процесса. Они не охватывают всех проблем,
возникающих при определении необходимого числа аппаратов и их
характеристик в ходе проектирования, и не исчерпывают даже малой доли
разработанных в настоящее время аналитических методов,
основанных на математической статистике. Имеются методы,
позволяющие оценивать показатели системы обслуживания, составленной
из аппаратов с разными характеристиками. Существуют методы,
учитывающие степень надежности в работе отдельных элементов
системы обслуживания. В специальной литературе приводится
табличный материал по характеристикам систем массового
обслуживания с определенными параметрами, который позволяет
избежать громоздких вычислений. Однако и рассмотренные методы
имеют достаточно широкое поле для своего применения и демон-
317
стрируют высокую эффективность использования в проектировании
аналитического подхода.
Как видно из рассмотренного материала, возможности
обеспечения высокоэффективного использования оборудования при
принятой схеме согласования работы оборудования на смежных
операциях ограничены. Это не означает, что вообще невозможно
повысить коэффициент использования во времени особо ценного
оборудования. Для этой цели необходимо изменить схему
согласования работы оборудования на смежных операциях. Следует
отказаться от изолированной работы отдельных аппаратов, при
которой связи аппаратов на смежных операциях носят статистический,
вероятностный характер. Более высокую степень использования
основных аппаратов обеспечивает соединение группы аппаратов,
обслуживающих последовательные операции, в единую
технологическую линию, изолированную от работы параллельных линий.
При этом каждый аппарат жестко связан системой управления
со всеми другими аппаратами линии. При такой схеме соединения
аппаратов исключается действие статистических закономерностей.
При этом для периодических процессов, как правило, снижается
степень использования обслуживающих аппаратов, но степень
использования основного аппарата возрастает до предела,
определяемого необходимостью периодического вывода оборудования
в ремонт. Простои линии из-за простоев обслуживающего
оборудования можно практически полностью устранить, дублируя
обслуживающее оборудование резервным, которое будет простаивать
почти все рабочее время, за исключением времени ремонта
резервируемого оборудования.
Вопрос о целесообразности соединения обслуживаемого и
обслуживающего аппарата в единую аппаратурную линию
(включающую, как правило, не два, а значительно большее количество
аппаратов) определяется степенью надежности работы такой
сложной аппаратурной линии. Если надежность достаточно высока и
простои линии, как единого целого, ниже простоев обслуживаемого
оборудования при изолированной работе аппаратов на смежных
операциях, то организация такого рода линий целесообразна. Если
надежность линий невысока, то ее работа будет менее эффективна,
чем работа изолированных аппаратов. По мере развития техники
надежность технологического оборудования возрастает.
Изменение схемы согласования работы аппаратов путем
создания аппаратурных линий из нескольких аппаратов, имеющих между
собой жесткую производственную связь, меняет соотношения и
характер взаимозависимости в работе оборудования двух смежных
операций. Связи по схеме источник требования — система
обслуживания с ожиданием переносятся на совместную работу
созданных аппаратурных линий и оборудования операций,
предшествующих и последующих в технологической схеме по отношению к
таким аппаратурным линиям. Таким образом, задача согласования
работы аппаратов и блоков-линий аппаратов, не имеющих между
собой жесткой технологической связи, не снимается, а становится
318
более ответственной. В этом случае от уровня согласования
зависит эффективность использования не отдельных аппаратов, а более
сложных систем — аппаратурных линий, эффект от эксплуатации и
потери от простоев которых несоизмеримо значительнее.
Статистические связи типа источник требования —
обслуживающая система, подчиняющиеся закономерностям теории
массового обслуживания, не имеют места, если не соблюдаются
исходные условия применимости этих методов, сформулированные в
начале раздела. Из них необходимо выделить одно заключающееся
в относительно большом числе параллельно работающих
аппаратов, не менее 4—5 единиц. Другая формулировка этого условия —
важность относительного масштаба аппарата в сопоставлении
с масштабом другого оборудования, входящего в состав
технологической схемы, и масштабом самой схемы. Если оборудование,
работа которого изучается, по своим масштабам значительно
превосходит оборудование смежных операций и особенно если оно по
масштабам сопоставимо с масштабами всей технологической
схемы, то на практике организация производства всегда строится
таким образом, что действие статистических закономерностей
ограничивается направленным воздействием системы управления.
За счет этого повышается коэффициент использования наиболее
крупного оборудования. Последнее положение особенно важно для
рассмотрения вопроса о единых аппаратурных линиях. Если
аппаратурная линия невелика в сопоставлении со всей технологической
цепью, занимая в ее объеме несколько процентов, и число
параллельно работающих линий значительно, то рассмотренные
статистические закономерности сохраняют свое значение для
согласования работы таких линий с оборудованием на смежных операциях.
Если же такая технологическая линия включает значительную
часть технологической схемы или даже всю технологическую схему
какого-либо производства или цеха, то действие рассмотренных
закономерностей исключается. В этом случае согласование работы
линии со смежными операциями и переделами обеспечивается не
статистическими закономерностями, а сознательным оперативным
планированием работы линии и смежных операций.
Последнее исключает и статистический характер согласования
совместной работы крупных производств, цехов и, тем более,
предприятий.
Практика промышленности показывает, что использовать
аппаратурные линии, как правило, целесообразно. При работе
автоматизированной линии полное использование мощности любого из
аппаратов, входящих в ее состав, для непрерывных процессов
обеспечивается при равенстве производительности оборудования на всех
операциях в составе линии. Без организации такой линии столь
высокая степень использования оборудования недостижима. Точно
так же использование линии, состоящей из жестко связанных
между собой аппаратов, работа которых строго синхронизирована,
исключает необходимость организации межоперационного
хранения материалов внутри линии. Создание аппаратурных линий
319
позволяет значительно уменьшить затраты на производство за счет
повышения коэффициентов использования оборудования и за счет
исключения или значительного сокращения емкостей для
межоперационного хранения и транспортных устройств к ним.
Преимущества таких линий создали предпосылки для успешного их
применения в большинстве областей техники. Достаточно сказать, что
диапазон их распространения охватывает машиностроение, химические
и металлургические производства и энергетические объекты. В
производстве редких металлов, особенно па его химических переделах
при непрерывных технологических процессах, использование этого
принципа организации совместной работы оборудования на
смежных операциях также экономически почти всегда
высокоэффективно. Общий вывод— использование поточных аппаратурных
линий упрощает согласование работы аппаратов внутри линии и
создает возможность повышения коэффициента использования
оборудования, входящего в состав линии. Однако следует
учитывать, что жесткая синхронизация работы аппаратов, входящих
в состав линии, требует весьма высокого технического
совершенства аппаратуры управления процессом и контроля за его ходом.
В работе аппаратурных линий сочетается, таким образом, простота
принципиальной транспортной схемы и сложность системы
управления.
Необходимо оцепить роль каждого из элементов расчета
необходимого количества оборудования и взаимосвязь между ними.
В разделе 4 настоящей главы рассматривался вопрос об
определении необходимого количества рабочего оборудования и общего
количества устанавливаемого оборудования, а также о резервном
оборудовании. Следует подчеркнуть, что рассмотренные в разделе 5
методы расчета и оценка количества оборудования не заменяют,
а дополняют расчеты количества оборудования, изложенные в
разделе 4. Особенности сочетания методов, рассмотренных выше,
можно определить следующим образом.
1. Методы теории массового обслуживания определяют
необходимое количество рабочего оборудования.
2. Полное количество оборудования, определенное методами
теории массового обслуживания, можно использовать в
рассмотренных случаях только в формулах (204) —(211) для обслуживаемого
оборудования. В явном виде количество обслуживаемого
оборудования в этих формулах не фигурирует, но суммарный поток
требований X можно рассматривать как произведение среднего числа
требований, поступающих с одного аппарата, отнесенное к
календарному времени, на общее число устанавливаемых аппаратов.
3. Количество резервного оборудования определяется по
методам, изложенным в разделе 4. При этом за исходное число рабочих
аппаратов принимается их количество, выбранное на основе
методов теории массового обслуживания, изложенных в разделе 5.
После завершения расчета получается величина необходимого
общего числа устанавливаемых аппаратов. Если число аппаратов
велико, определить фактически принимаемое к установке число
320
аппаратов на основе выполненного расчета не представляет
трудностей. Когда производительность аппарата велика и сопоставима
с заданной производственной мощностью проектируемого объекта,
эта задача становится сложнее. При малом числе устанавливаемых
аппаратов, от одного до трех, эти трудности выступают особенно
наглядно. Например, если по расчету необходимо установить
1,2 аппарата, возникает вопрос — ограничиться установкой одного
или принять к установке два аппарата. Решение по этому вопросу
нельзя принять без учета ряда обстоятельств. Так, если
рассчитываемый аппарат устанавливается в непрерывном производстве и
предназначается для постоянной совместной работы с другими
аппаратами, то принять для фактической установки меньшее число
аппаратов, чем это следует из расчета, недопустимо. В этом случае
следует устанавливать два аппарата. Если аппарат не
предназначается для непрерывной работы и используется только одну смену
в сутки и если с другими операциями аппарат связан через емкости
для промежуточного хранения перерабатываемых продуктов, то
можно принять к установке один аппарат. При этом недостаток
производственной мощности может компенсироваться частичным
переводом на двухсменную работу или другими мероприятиями.
Такие мероприятия могут повысить коэффициент использования
его во времени. В результате производительность аппарата за
календарное время возрастает, что соответственно снизит
необходимое число устанавливаемых аппаратов.
Принципиально другим, нетехнологнческим путем решения
вопроса является организация кооперации однотипных предприятий
с тем, чтобы недостаток промежуточного продукта на одном из
переделов мог компенсироваться поставкой с другого предприятия,
располагающего необходимыми производственными
возможностями.
21 Зак. .V» 4CI
Глава VI
РАЗМЕЩЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
И ПЛАНИРОВКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ПОМЕЩЕНИЙ
1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ
Цель рассматриваемого раздела проекта — найти оптимальные
объемно-планировочные решения, обеспечивающие наилучшее
взаимное расположение в производственных помещениях
технологического и нетехнологического оборудования, транспортных устройств
и элементов строительных конструкций. Такое расположение
должно обеспечивать:
1) условия для осуществления всех технологических операций;
2) рациональный транспортный поток, при котором
максимально сокращаются все виды затрат на транспортные
операции;
3) оптимальные условия труда для производственного
персонала;
4) условия для проведения любых вспомогательных операций,
включая ремонтные;
5) условия для осуществления строительства проектируемого
объекта и монтажа оборудования.
Отдельно следует подчеркнуть задачу обеспечения
максимальной экономической эффективности проектируемого производства.
Высокая экономическая эффективность достигается уменьшением
капиталовложений при оптимальном соотношении капитальных и
эксплуатационных затрат.
Решения по размещению оборудования в проектируемом
производстве влияют на производительность труда и в значительной мере
предопределяют объемы затрат по смежным частям проекта —
архитектурно-строительной, санитарно-технической,
электротехнической и т. п.
Особое значение разработки объемно-планировочных решений
заключается в том, что в этом разделе проекта происходит рабочее
согласование технологической и всех смежных частей проекта.
Размещение оборудования и планировка производственных
помещений— неотъемлемый элемент технологической части проекта.
Однако в этом разделе технологической части значительный
удельный вес в общем объеме разработки занимают вопросы не собст-
322
венно технологические, а механико-транспортные и архитектурно-
строительные.
В случае если архитектурно-строительные вопросы решаются
в самостоятельной части проекта, разрабатываемой специалистами
соответствующего профиля, то механико-транспортные вопросы,
также требующие разработки специалистами нетехнологического
профиля, решаются в составе технологической части проекта, так
как они имеют своим основным содержанием решение
технологических задач и не могут рассматриваться отдельно.
В настоящей главе рассмотрены в основном не специальные
механико-транспортные и архитектурно-строительные вопросы,
а только те основные положения проектирования размещения
оборудования, которые определяются технологией производства.
Особое внимание уделено вопросам размещения оборудования,
связанным со спецификой производства редких металлов.
2. УСТАНОВКА АППАРАТА
Первичным элементом компоновочного решения является
проект установки аппарата, который решает задачи компоновки
применительно к одному аппарату. В зависимости от характера
проектируемого производства значение в процессе
проектирования установки одного аппарата может значительно
изменяться.
Для производств с большим числом однотипных, параллельно
работающих аппаратов проект установки одного аппарата
практически предопределяет общее компоновочное решение. Для
производств с разнохарактерным оборудованием, не имеющим
достаточно жесткой технологической и транспортной связи между
отдельными аппаратами, значение проекта отдельной установки
несколько меньше. Проект установки выполняется в несколько стадий.
Сначала делается прикндочная компоновка установки отдельного
аппарата. Затем взаимно согласуются компоновочные решения для
смежных аппаратов. На основе согласованных решений
окончательно разрабатывается проект установки. При согласовании
взаимного расположения аппаратов следует учитывать не только
технологические аппараты, но и аппараты, предусматриваемые
другими частями проекта. В первую очередь это относится к
электрооборудованию и санитарно-техническим аппаратам и устройствам.
Производства третьего типа характеризуются использованием
объединенных аппаратурных линий. Между отдельными аппаратами
линии существуют жесткие технологические и транспортные связи.
В этом случае проект установки одного аппарата вообще не
разрабатывают, а проектируют установку всей линии как единой
системы.
Исходным материалом для выполнения установки аппарата
являются габариты аппарата, сведения о характере транспортных
связей аппарата со смежными операциями и характер обслуживания
аппарата персоналом.
21* 323
Габариты аппаратов
Используемые в процессе проектирования габариты аппаратов
можно разбить на три условные группы.
Первая группа — монтажные габариты, т. е. габариты аппарата
в момент производства монтажа. Эти габариты отличаются тем, что
с аппарата демонтируются отдельные узлы и детали. Это уменьшает
габариты аппарата, или его частей при транспортировке через цех
к месту установки. На этот габарит следует рассчитывать с
необходимыми допусками монтажные проемы в строительных
конструкциях на пути доставки аппарата к месту установки. Монтажные
проемы могут быть закрытыми в ходе нормальной работы
производства и раскрываться только в период монтажа или демонтажа
при остановке производства. Особо следует учитывать монтажные
габариты аппарата на месте его установки, если аппарат
собирается из отдельных крупных узлов или частей на месте дальнейшей
эксплуатации. При соединении отдельно транспортируемых узлов
на месте установки аппарата между собой их суммарный габарит
в момент монтажа может превосходить не только габарит в момент
транспортировки, но и габарит аппарата после завершения
монтажа.
Вторая группа — рабочие габариты аппарата. Эти габариты
определяют объем, занимаемый аппаратом в рабочем состоянии.
Если у аппарата имеются подвижные узлы или детали,
увеличивающие общий габарит во время работы, это увеличение
входит в состав рабочих габаритов аппарата. Рабочие габариты
аппарата используются при определении места, необходимого для
его установки в цехе, и проходов, необходимых для его
обслуживания.
Третья группа — габариты установленного, полностью
смонтированного, но неработающего оборудования. Иногда такие
габариты несколько меньше габаритов в рабочем состоянии, так как
в рабочем состоянии, особенно для аппаратов периодического
действия, габариты могут временно увеличиваться (при открывании
откидных крышек, извлечении сменной реторты и т. п.). Габариты
смонтированного аппарата в нерабочем состоянии используются
для определения необходимых проходов с целью
профилактического осмотра аппарата, периодических транспортных операций,
связанных с ремонтными работами и т. д. Если оборудование
переносное, циклического действия (реакторы иодидного
рафинирования, реакторы металлотермического восстановления и т. п.),
необходимо учитывать, что габариты соответствующего оборудования
во время осуществления входящих в технологический цикл
транспортных операций следует рассматривать не как монтажные, а как
рабочие. Это определяется тем, что такие габариты требуются для
нормального хода производства, тогда как монтажные габариты
используются при прекращении производства на монтируемом
участке или переделе.
324
Характер транспортных связей аппарата
Характер транспортных связей аппарата со смежным
оборудованием определяется свойствами продуктов, поступающих в
аппарат и выходящих из него, режимом работы аппарата
(периодически или непрерывно), конструктивным расположением точек ввода
в аппарат исходных и вывода из него конечных продуктов.
Свойства перерабатываемых продуктов--главный фактор,
определяющий основные решения по установке аппарата. Все
продукты по транспортным свойствам можно разбить на три группы.
К первой группе относятся чистые жидкости,
неконденсирующиеся пары и иезапыленные газы. В этом случае место установки
аппарата практически не связано транспортной схемой.
Единственное ограничение накладывается в случае, если жидкий продукт,
выводимый из аппарата, выходит, не имея избыточного давления. При
безнапорном выводе жидкого продукта необходимо ниже точки его
вывода размещать приемное устройство, что следует учитывать
проектом установки.
Ко второй группе продуктов относятся запыленные газы,
кристаллизующиеся растворы и конденсирующиеся пары. Особенность
таких продуктов — ограниченные возможности транспортировки
по герметичным коммуникациям на большие расстояния. При
переработке продуктов этой группы необходимо максимально
приближать друг к другу смежные аппараты для предупреждения
забивания коммуникаций при неорганизованном выделении осадков.
Третья группа—твердые кусковые, порошкообразные и
пастообразные материалы. Транспортировка этих материалов может
осуществляться только с помощью механических транспортных
устройств, а под действием силы тяжести — сверху вниз вертикально
или по наклонным поверхностям. Для установки аппаратов,
перерабатывающих продукты этой группы, существенное значение
имеет характер работы — периодический или непрерывный. При
периодической работе загрузка и разгрузка могут осуществляться
с помощью контейнеров и подъемно-транспортных механизмов
общего назначения (мостовые краны, тали, тельфера и т. п.).
Требование, которое при этом предъявляется к компоновке, —
обеспечение свободного доступа транспортных утсройств к загрузочному и
разгрузочному узлам аппарата. При непрерывной работе аппарата
обязательными элементами узла загрузки являются питатель
аппарата, обеспечивающий непрерывную и равномерную подачу
исходного продукта, и емкость для промежуточного хранения,
компенсирующая случайные перебои в питании аппарата исходным
продуктом. Кроме того, в зависимости от выбранной транспортной
схемы промежуточная емкость может заполняться периодически
посредством контейнерной доставки или с помощью системы
непрерывного транспорта. В последнем случае узел загрузки
представляет собой комбинацию четырех аппаратов и устройств,
расположенных по вертикали. Узел выгрузки решается проще. Через
приемную разгрузочную воронку или бункер выгружаемый продукт
325
попадает в транспортное устройство, которое передает его на
следующую операцию.
Вместе с узлами загрузки и выгрузки установка аппарата
может включать шесть элементов, согласованных между собой
(транспортер, промежуточная емкость исходного продукта, питатель,
собственно аппарат, приемная емкость выдаваемого продукта,
транспортер). Возможны некоторые усложнения и упрощения
установки аппарата. При раздельной загрузке в аппарат двух и более
продуктов для каждого из них может иметься самостоятельный
узел питания. При поступлении
исходного продукта по системе
пневмотранспорта в состав узла
загрузки должна входить система по
выделению твердой фазы из воздуха
(циклоны, фильтры). Особую
сложность представляют транспортные
перегрузочные узлы для полусухих
продуктов —паст и т. п. Под
действием силы тяжести они могут
перемещаться только по достаточно
широким течкам с вертикальными
стенками. На всех наклонных
плоскостях они налипают, забивая
коммуникации. Иногда даже подача в
аппарат чистых жидкостей требует
создания относительно сложных
питающих систем. При
необходимости подачи жидкости в аппарат при
постоянном давлении она подается
из бака, установленного над этим
аппаратом и снабженного системой
стабилизации уровня.
При разработке трубопроводного
транспорта следует учитывать
условия монтажа и демонтажа
аппаратов [40, 74]. Аппараты должны соединяться с трубопроводами
относительно короткими вставками (рис. 131). Демонтаж таких
вставок должен полностью освобождать аппарат для проведения
монтажных или ремонтных операций. Недемонтируемая часть
трубопровода должна располагаться так,
тажным и ремонтным работам.
Рис. 131. Обвязка аппарата с
использованием вставки для
облегчения монтажа и демонтажа:
/--аппарат; 2 — трубопровод; 3 —
съемная вставка
чтобы не мешать мон-
Обслуживание аппаратов персоналом
Обслуживание заключается как в собственно обслуживании,
так и в операциях по наблюдению и управлению. Операции по
собственно обслуживанию состоят в выполнении персоналом работ по
перегрузке перерабатываемых продуктов, очистке аппарата и
коммуникаций, монтажу и демонтажу устройств, узлов и механизмов
326
в аппаратах циклическою действия. Наблюдение за аппаратом
заключается в контроле за ходом осуществляемого в нем процесса
непосредственно или по приборам. Управление аппаратом
заключается в воздействии на процесс через систему управления путем
изменения режимов работы различных систем аппарата.
По условиям обслуживания аппараты можно разбить на три
группы.
Первая группа — аппараты, не требующие постоянного
обслуживания, управляемые дистанционно, нуждающиеся только в
периодическом осмотре. Установка должна обеспечивать возможность
такого осмотра. Периодический осмотр не требует при
относительно редком его проведении больших площадей для работы
персонала. При проведении раз в несколько недель и реже осмотр
можно проводить с помощью переносных площадок, лестниц,
мостков. Постоянных проходов и площадок для такого рода осмотров
проект может не предусматривать.
Вторая группа — аппараты, требующие периодического
обслуживания отдельных узлов или управления с помощью устройств,
установленных непосредственно на аппарате. Предполагается, что
рабочие места для обслуживания и управления занимают
относительно малую часть общего периметра или поверхности аппарата.
В этом случае проект должен предусматривать рабочие площадки
только в точках обслуживания и управления. К остальной части
периметра аппарата доступ персонала может проектом не
предусматриваться. Следует учитывать, что даже, если доступ к
аппарату по всему периметру не обязателен по соображениям
упрощения строительных конструкций, возможно объединение всех
площадок обслуживания в одну, обеспечивающую доступ к любой точке
аппарата. Это может также быть необходимым для свободного
передвижения персонала от одной точки обслуживания или
управления к другой в случае, если одно и то же лицо осуществляет
несколько операций по обслуживанию и управлению.
Третья группа — аппараты, требующие обслуживания по всему
периметру, и поэтому проект установки их должен обеспечивать
свободный доступ к аппарату со всех сторон. При определении
площадей, необходимых для обслуживания аппарата, следует
учитывать как условия работы персонала, так и условия работы
используемых при обслуживании механизмов и устройств, в частности
подъемно-транспортного оборудования.
Рассматривая вопрос об операциях по обслуживанию, следует
учитывать для оборудования, относительно быстро выходящего
из строя, операции по текущему, среднему, а иногда и
капитальному ремонту. Частая повторяемость такого рода операций делает
необходимым выполнение их без приостановки производственного
процесса на соседних аппаратах. Следует отметить, что режим
работы аппарата— периодический (циклический) или непрерывный —
в значительной мере предопределяет принадлежность аппарата
к той или иной группе обслуживания. Аппараты непрерывного
действия, как правило, относятся к первой или второй группам. Чем
327
выше совершенство, надежность в работе аппарата и системы
управления им, тем в большем числе случаев аппарат относится
к первой группе. В перспективе, при переходе на
автоматизированное управление производственными процессами,
осуществляемыми в непрерывно действующих аппаратурных линиях,
обслуживание таких линий будет производиться персоналом только в период
ремонта, вероятно, в условиях полной остановки производства.
Аппараты периодического циклического действия, в большинстве
случаев, можно отнести ко второй и третьей группам. Непрерывное
обслуживание аппаратов этой группы персоналом в большинстве
случаев обязательно.
Схемы установки аппаратов
Многообразие требований к установке аппаратов приводит
к необходимости использования на практике большого числа
разнообразных схем. Для удобства рассмотрения целесообразно
принять классификацию, использующую как основной
характеристический признак положение аппарата относительно рабочей площадки.
По этой классификации можно выделить шесть основных схем.
1. Напольная установка аппаратов, примером которой могут
служить рассматриваемые ниже установки аппаратов в
одноэтажной части отделения иодидного рафинирования (см. рис. 144) и
вакуум-насосов в отделении вакуумной дистилляции (см. рис. 143).
При напольной установке аппарат монтируют и крепят
непосредственно на той же площадке, на которой находится обслуживающий
персонал. Весь аппарат располагается выше площадки, на которой
он установлен. Предполагается, что точки обслуживания аппарата
должны находиться в зоне, не вызывающей при обслуживании
затруднений у персонала. Если точки обслуживания расположены
выше чем на 1200—1400 мм над уровнем пола, у аппарата следует
организовать обслуживающие площадки на высоте 300—600 мм
от пола. Такое решение не оптимально и его можно принять только
в случае, если операции, выполняемые на таких площадках,
достаточно просты и не требуют частого перемещения персонала. Если
обслуживание связано с использованием громоздких механизмов
и инструментов или сопровождается извлечением из аппарата
каких-либо узлов или установкой их в аппарате, работа на
площадках ограниченных размеров недопустима и схема установки
аппарата должна стать иной.
Установка аппаратов на площадке является разновидностью
напольной установки. Такая установка отличается тем, что аппарат
имеет жесткие транспортные связи с ниже установленными
аппаратами и поэтому должен монтироваться на одной из расположенных
над ними площадок. По условиям обслуживания аппарата такая
установка не отличается от напольной. Примером установок на
площадках могут служить установки смесителя шихты и пресса
в рассмотренном ниже отделении приготовления брикетов (см.
рис. 135). Эти аппараты связаны по вертикали между собой и
328
с расположенными выше дозирующими аппаратами. Установка
аппарата на площадке — типичный случаи совместной компоновки
группы аппаратов, связанных транспортным потоком твердого
продукта. В этом случае установка аппаратов с использованием
ряда расположенных друг над другом площадок, так называемой
«этажерки», определяется технологической необходимостью. В
других случаях многоэтажное расположение оборудования
определяется необходимостью сокращения площади застройки. В этих
случаях независимо от того, на какой площадке оборудование
размещено, схему его установки следует характеризовать как простую
«напольную».
Утопленная установка аппарата. В случае, если зона,
требующая обслуживания, расположена на аппарате достаточно высоко
или если обслуживание ее с площадки, на которую установлен ап-
±0,00
И5
"f *_
^
-тЛг-
■с;з—i—сп>
~7
л 1
Рис. 132. Схема утопленной установки электролизера
парат, неудобно по каким-либо причинам, аппарат монтируют
в специально выполненном углублении. Степень углубления
выбирают так. чтобы зона обслуживания была расположена на высоте,
наиболее удобной для работы персонала. Углублением может
служить отдельный приямок или траншея, в которой устанавливается
группа аналогичных аппаратов. Примером утопленной установки
является установка электролизера для получения металла
(рис.132).
При такой установке нижняя часть аппарата, находящаяся в
углублении, не может находиться под постоянным наблюдением
персонала. Относительно редкое обслуживание заглубленной части
аппарата бывает возможным. Для этой цели углубление в
строительной конструкции делают в плане несколько больше, чем это
требуется по габаритам аппарата. Образовавшийся по периметру
аппарата (пли по части периметра аппарата) канал перекрывают
плитами, составляющими общую плоскость с поверхностью
окружающей площадки. Если необходимо провести ревизию или какие-
либо другие операции по обслуживанию части аппарата,
расположенной ниже поверхности иола, перекрывающие канал плиты
временно снимаются.
329
Прорезная установка аппарата, примером которой могут
служить установки аппаратов восстановления и вакуумной
дистилляции в отделениях магниетермпческого производства титановой
губки (см. рис. 142 и 143) или ректификационных колонн в
отделении очистки хлорида (см. рис. 140). Прорезную установку аппарата
используют в случае, если аппарат требует многоярусного
обслуживания или наблюдения на двух или нескольких уровнях,
значительно разнящихся друг от друга по высоте. Аппарат может
крепиться на собственном фундаменте или опираться на площадки,
которые ои прорезает. Большое значение имеет решение вопроса
о связи между различными ярусами обслуживания, связанное
с организацией труда на проектируемом переделе. Если каждый
из аппаратов во всех ярусах обслуживается одним рабочим или
одной группой рабочих, то связь между ярусами должна решаться
применительно к каждому аппарату в проекте его установки. Если
разные ярусы обслуживают различные специализированные
рабочие пли группы рабочих, в особенности если эти группы рабочих
обслуживают несколько аппаратов в соответствующем ярусе,
вопрос о связи между ярусами решается только для передела в целом.
Подвесная установка аппаратов используется в случаях, когда
аппараты по характеру работы не требуют какого-либо
обслуживания п наблюдения и могут быть по каким-либо соображениям
удалены от площадок, на которых находится обслуживающий
персонал. Примерами служат установки барометрического конденсатора
в системе вакуум-фильтрации, подвесных вибрационных грохотов
и показанная в рассмотренной ниже компоновке
гидрометаллургического передела (рис. 137) установка теплообменника. Аппарат
при этом укреплен с помощью кронштейнов или подвесок на
строительных конструкциях, что позволяет освободить
производственные площади и лучше использовать объем помещений.
Изолированная установка аппаратов применяется в основном
к крупным аппаратам, монтируемым без связи со строительными
конструкциями здания, в котором они размещаются. Аппараты
этого типа часто устанавливают вне зданий на открытых
площадках. Все площадки и переходы, которые нужны для обслуживания
аппаратов, обычно крепят на самом аппарате, который специально
па это рассчитывается. Примером установки такого рода
аппаратов могут служить рассмотренные ниже абсорбционные скруббер-
ные установки (см. рис. 146) или установки электроннолучевых
печей (см. рис. 145), а также установки крупных емкостей для
жидкостей и газов. Целесообразность изолированной установки
аппарата определяется чисто экономическими соображениями.
Отказ от создания специальных строительных конструкций
удешевляет установку аппарата в комплексе. Кроме того, использование
для организации обслуживающих площадок, примыкающих к
аппарату строительных конструкций, не всегда возможно. Высота
площадок в составе строительных конструкций регламентирована
нормами н может быть неудобной для обслуживания той или иной
точки на аппарате. Площадки, которые крепятся непосредственно
330
необходимая для про-
что верхняя площадка
на аппарате, не связаны такими ограничениями и расположение их
оптимально для работы персонала и организации собственно
технологического процесса.
Рассмотренные схемы не исчерпывают всего многообразия
возможных проектных решений. На практике возможны схемы
установки более сложные. Пример — установка реактора, требующего
обслуживания в трех зонах (рис. 133). Особенность этой
установки— то, что между верхней зоной обслуживания, в которой
размещен привод, и средней зоной обслуживания в точках загрузки и
наблюдения за местами герметизации реактора расстояние
составляет всего около 1500 мм, что не позволяет дать сплошные
площадки, так как не обеспечивается высота,
хода персонала. Решение заключается в том
па отметке -1-7,0 м дается
относительно небольшой ширины и, таким
образом, нормальные условия для работы
персонала на площадке +5,4 м
сохраняются.
При проектировании энергоемких
установок следует особо учитывать
размещение источников энергопитания.
В ряде случаев такие источники —
печные трансформаторы, генераторы
постоянного тока и т. п. должны
располагаться в непосредственной близости
от питаемых ими установок, чтобы
максимально сократить длину линий
питания, снизить затраты на их
сооружение и потери энергии при
эксплуатации.
При разработке проектов установок аппаратов важный
критерий качества проекта — условия труда персонала и возможность
осуществления ремонта отдельных позиций оборудования без
серьезного осложнения процесса производства па соседних
аппаратах.
Условия труда персонала должны обеспечивать его
максимальную безопасность и минимальную утомляемость. Организация
рабочего места производственного персонала должна обеспечивать
возможность выполнять все операции по обслуживанию аппарата
и управлению его работой в удобной неутомляющей позе.
Организация рабочего места должна способствовать применению
рациональных приемов труда. Частично эти требования обеспечиваются
конструкцией аппарата и должны учитываться на стадии
конструирования. Однако часть требований может быть выполнена только
в" ходе проектирования. Так, малогабаритное оборудование, насосы
и т. п. следует располагать на такой высоте от поверхности
площадки, на которой они размещены, чтобы рабочий мог наиболее
массовые операции по их обслуживанию выполнять, не нагибаясь
и не приседая. Необходимость такого рода решений определяется
юяшжжжв
Рис. 133. Установка аппарата,
имеющего три зоны
обслуживания
331
прежде всего характепь. тч
'.„„„„ ' 1L1,(JM оослужнвапия. Если операции но оослу-
живанщо выполняются ,
„.,_ _.„, ки часто — ежесменно и чаще, то
размещение аппарата с вынесен,, -
,,„.,_ ., ' ., ."^"-'шем точки оослуживанпя па высоту, удоо-
н}ю для действии и0и„ - - V
„„„„„,,, ,- 1Крсонала, становится осязательным. Если
ОПераННи ПО ООСЛУЖппи,.
„,',,,, ■ Ч1Шйиию выполняются значительно реже, то
специальные меры, уппж, г-
,,,,г,.^. « 1 -,иш^Няющие и удорожающие общее решение,
мог\ г быть нецелесообгь..
Из • ■ -А • PciJHbIMH-
П.1Т„ ')* ' ^с чТоРов, влияющих на решения по установке
аппарата, сетует отметип
'„.„„., - 'иь размещение по высоте аппаратов, персра-
оатывающп.х жидкие п^ и - '
ПЯЧЛ1.-.ПГ, „ „ 'фодукты. Неооходимость пелесоооразного
размещения системы ггп-Г " ■•
„„„„„.„„■. ,- ' 1ШДсоединения к аппарату коммуникации, так
называемой оовязки Tnv« - ■•
,,,,Ж1,- т„„г.п„„ г " трубопроводами, треоует, чтооы для этой цели
.vn_/tv,i\ точками no'icnoi., /-
торой аппарат paci 01о?'Нения тРУ°опроводов » площадкой, на ко-
1,5 м. Такое распоЮ'же?11, ™"°Cb расстояи"с "Р"м<Ф»о 1.0-
жнлкость выхотит ",е труоопроводов необходимо даже, если
в ходе норма тыюи \1 ПпаРата под давлением. В последнем случае
из аппарата вверх нЭ'<с'1лУатаИ"» жидкость может выводиться
чип осмотр или для пп,Р" остаиовке а"парата на ремонт внутрен-
пый еллв жпткостн ,,Л едеиИЯ ЛРУГИХ опеРации такого Р°Да пол-
положенип систем., „,, Ппарата ВОЗМОЖСн только ПР» ""ж»ем
распорной арматуры .la h?v°^"U,x из аппаРата трубопроводов и за-
обеспечивать запас »?' По а|1алогичпи>1 причинам необходимо
ботанный продукт „ п„ Ты для аппаРатов- выпускающих перера-
случае, высоту" с чел ЛтДе Расплава> П0Р°шка "ли кусков. В этом
устройства — ковша ' „п 0пределять' "сходя из высоты приемного
под точкой выгрузки пг?°ба " Т- ы" К0Т0Р°е Л0ЛЖН° помещаться
когда аппарат VeraL2°ДуКта- Исключсние составляет случаи,
проем в устройство пяг^Н Па площадкс' а Разгрузка идет через
Для обеспечения бо?°ЛОЖСШ10е П°Л ГТЛ0ЩадкЗ)й-
тановку необходим,, пьПаСН0СТИ псРсонала- обслуживающего ус-
ния [411 Ограж тения ?раЖДСННЯ Рабочих площадок и оборудова-
11Л1лй ,1 „_„_.._!_. ' д°лжны предупреждать возможность падения
мы и соприкосновения с движущимися
вило, ппмусматпипп'^' ° "°следнем случае ограждения, как пра-
ЛЮДСЙ В СТрОИТеТЬНИр ""mnu "Р^учр^лат пшми/MiULib ИИДИШЯ
частями оборудован™ Проемы и соприкосновения с движущимися
вило, предусматриваю-то последпем случае ограждения, как пра-
бования охраны тпуття В комплекте поставки оборудования. Тре-
ную высоту пат отметК°'раНПЧИВаЮТ также МИ1Шмаль»Ую габарпт-
ния. Если эта высота Т площадк" >'"ана^"васмого оборудова-
паденпя тютей по Д,- Удет менес 70°-800 мм. то возможны
samu
пня людей, по как,,» V -
я, и связанные а^'м--™бо причинам не заметивших оборудо
навливать оборутов-ти М тРавмы- Поэтому требуется пли уста-
меткой площадки соетап ТЯКИМ °бра3° а™4™,?™ ВЫСОта СГ° "аД °Т"
рпвать вокруг обопу-т,, ЛЯЛа Не ыепее 80°-900 мм или иредусмат-
Если обор^-адвание тпо>аШ1Я 0ГРажлеш1И соответствующей высоты,
рода ограждения мСша5'СТ П0СТ0ЯШ!0Г0 обслуживания то такого
обеспечить соответст v^T ему" В послсднем случае ооязательно
щадкон д1я обесп«иг>,1 Цую ВЬ1С0ТУ установки аппарата над пло-
также, чтобы повеп7тт Я 1ЮРмальн0Й работы персонала требуется
не имела порогов ,', 'т,Ть рабочих площадок не была скользкой и
' ""-'.uioB, углублении. Как правило, она должна
332
быть горизонтальной. Небольшие уклоны (0,01—0,03) допустимы
при необходимости организации стока жидкостей (в частности, для
мойки).
Для осуществления ремонта должны предусматриваться
площади, габариты, объемы, позволяющие извлекать из аппаратов
ремонтируемые узлы и детали и располагать площади и тяжелое
ремонтируемое оборудование в зоне действия
подъемно-транспортных устройств [40].
3. ГРУППИРОВКА ОПЕРАЦИЙ И ПЕРЕДЕЛОВ
И НЕКОТОРЫЕ НОРМЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Отдельные аппараты и операции в ходе проектирования
группируются в переделы, отделения и цехи. Группировка операций
осуществляется по технологическим, транспортным и связанным с
охраной труда признакам [40, 75].
Технологические принципы
Технологические принципы группировки операций
определяются в основном территориальным разделением продуктов, ко-
которые могут взаимно загрязняться, и расчленением
технологического потока операциями длительного хранения промежуточных
продуктов.
Территориальное разобщение перерабатываемых продуктов
может требоваться в двух случаях. Первый — разделение
очищенного и неочищенного продукта. Второй — разделение двух
высокоочистных взаимозагрязняющих продуктов, полученных из
комплексного сырья.
Расчленение технологического потока на операциях длительного
хранения обеспечивает определенную взаимную независимость
в работе отдельных частей технологического потока. Это повышает
устойчивость в работе производства в целом.
Транспортные принципы
Транспортные принципы группировки операций основаны на
необходимости соблюдения последовательности технологического
потока и объединения операции, требующих обслуживания
однотипным транспортным оборудованием. Соблюдение
последовательности технологических операций при размещении оборудования имеет
целью максимальное сокращение транспортных коммуникаций и
затрат на транспортные операции в процессе производства.
Объединение операций, требующих обслуживания однотипным
транспортным оборудованием, повышает эффективность использования
этого оборудования и помещения, так как строительные решения
помещений в значительной мере предопределяются типом
используемого в них транспортного оборудования.
333
Требования охраны труда
Группировка операций на основе принципов охраны труда
направлена на максимальное сосредоточение источников вредностей
и опасностей в изолированных помещениях. Насколько это
позволяет последовательность технологического процесса, операции,
являющиеся источниками опасностей или выделения вредностей,
следует размещать в изолированных помещениях, где не должны
выполняться операции, источниками опасности или вредности не
являющиеся. Таким образом, следует максимально сокращать
количество персонала, работающего в опасных и вредных условиях [40,
41, 75]. Источниками опасности могут быть высокое давление в
аппаратах, возможность возникновения пожара, возможность взрыва
перерабатываемых продуктов, а также возможность облучения
персонала источниками ионизирующих излучений, в том числе
перерабатываемыми радиоактивными продуктами. Факторами
вредности могут быть -- выделение ядовитых, химически активных
веществ и пыли.
При рассмотрении вопроса об опасности следует учитывать, что
опасность может определяться продуктами, процессами и
оборудованием. Соответственно тому, что является причиной
возникновения опасности, должны приниматься и решения о группировке
операций и оборудования. Если источник опасности —
перерабатываемый продукт в связи с его способностью к самовозгоранию или
взрывам (например, некоторые гидридные соединения), то
изолированными в специальных помещениях должны быть все операции,
на которых этот продукт присутствует. В ряде случаев, таких как
работа с взрывоопасными или пожароопасными продуктами,
целесообразно операции, на которых перерабатываются или
используются эти продукты, изолировать не только от других, не
связанных с переработкой опасных продуктов такого рода операций, но и
друг от друга. Это необходимо для того, чтобы в случае
возникновения аварийного положения на одной из операций оно не могло
распространяться на смежные. Таким образом, возможные
последствия несчастного случая сводятся к минимуму. Для некоторых
процессов целесообразно изолировать друг от друга не только
смежные операции, но даже параллельно работающие аппараты.
Иногда источником опасности является процесс, в связи с
использованием высоких давлений или осуществлением химических
реакций, которые могут при нарушениях в технологии выходить из-под
контроля персонала (например, ректификация под давлением 30- -
40 ат). В этом случае изолировать в отдельном помещении
необходимо аппараты, в которых этот процесс осуществляется (все
аппараты, находящиеся под высоким давлением). Если источник
опасности собственно аппарат (например, — аппарат для плавки
металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе), то в изолированное
помещение необходимо выделять аппарат — источник опасности,
и оборудование, которое по условиям эксплуатации не может быть
удалено на значительное расстояние от этого аппарата.
334
При рассмотрении вопроса о выделении вредных химически
активных веществ следует учитывать воздействие этих веществ на
оборудование и строительные конструкции, которые могут в
результате этого корродировать, разрушаться. Поэтому ограничение
распространения вредностей в процессе производства имеет целью
не только улучшение условий труда для персонала, но и
уменьшение затрат на оборудование и защиту строительных конструкций.
Помимо перечисленных принципов группировки операций,
имеется ряд других, которые необходимо учитывать при
проектировании планировки производственных помещений. К ним следует
отнести в первую очередь факторы, определяющие решения о
размещении аппаратов па высоте. Экономические соображения требуют,
чтобы наиболее тяжелое оборудование, создающее большие
динамические нагрузки, всегда размещалось на отметке ±0,0 на
собственных фундаментах [40]. Такое решение позволяет избежать
значительного удорожания строительных конструкций, неизбежного
в любом другом варианте. Расположение на площадках выше
отметки ±0,0 обязательно, если транспорт продуктов осуществляется
без помощи механических устройств, путем движения по наклонным
и вертикальным трубам и течкам под действием силы тяжести. Это
относится к жидким и твердым, порошкообразным или кусковым
продуктам. Транспорт перерабатываемого материала без помощи
специальных механических устройств — транспортеров, насосов
и т. п. упрощает схему, при определенных условиях сокращает
необходимые объемы производственных помещений и
эксплуатационные затраты. Однако целесообразность использования
самотечного или механического транспорта определяется в каждом
конкретном случае фактической обстановкой. Значительное увеличение
высоты также может привести к усложнению и удорожанию
принимаемых решений.
Особое значение самотечный транспорт имеет для
пожароопасных, химически активных и ядовитых жидкостей. При размещении
емкостей для этих продуктов в производственных помещениях
всегда должна обеспечиваться возможность аварийного
опорожнения этих емкостей с удалением опасного продукта из помещения.
Такого рода удаление может быть в аварийных условиях
обеспечено только самотеком по специальной сливной линии,
соединяющей рабочую емкость в производственном помещении и аварийную
емкость вне его. Так как аварийная емкость должна находиться на
некотором расстоянии от здания (8 м от глухой стены или 12 м от
проема), необходимо, чтобы между верхней точкой аварийной
емкости и нижней точкой рабочей емкости имелся перепад,
обеспечивающий достаточную скорость движения жидкости по сливным
трубопроводам.
Планировка производственных помещений должна также
учитывать требования организации ремонтных работ. Планировка
помещения должна предусматривать габариты проходов,
обеспечивающие беспрепятственную транспортировку наиболее крупных
узлов и деталей, демонтируемых в ходе ремонта. Кроме того, должны
335
быть предусмотрены площади для размещения в ходе ремонта
необходимых для его проведения материалов (например,
огнеупоры для печных агрегатов).
Нежелательно в планировке помещений предусматривать какие-
либо местные приямки и углубления ниже отметки ±0,0. Это
требует дополнительных мер по охране труда, создания ограждений
31 т. п. Кроме того, такое решение может внести осложнения,
связанные с дополнительными затратами при строительстве и
эксплуатации помещения, если уровень грунтовых вод достаточно высок
и может создавать угрозу затопления приямка.
Строительные нормы и правила
Строительные нормы и правила (СНи11) в значительной мере
определяют решения по размещению оборудования [76]. Па их
основе определяются допустимые расстояния между различными
аппаратами и устройствами, оборудованием и строительными
конструкциями и отдельными элементами строительных конструкций.
Эти нормы определяются характером оборудования, характером
и масштабом производства.
Обязательны для всех производств нормы высоты одноэтажных
и многоэтажных производственных помещений.
Высоты одноэтажных помещений без мостовых кранов (от пола
до низа несущих конструкций покрытия на опоре) приведены
ниже, м:
Пролет 12 м . . 3,6 4,2 4,8 5,4 6,0 — — — — —
18 м . . — — 4,8 5,4 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 12,6
24 м . . — — — 5,4 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 12,6
Высоту помещений в зданиях, оборудованных мостовыми
кранами, можно принимать 8,4; 9,6; 10,8; 12,6; 14,4; 16,2; 18,0 м.
Высоту этажей многоэтажных зданий (от пола до пола) следует
принимать 3,6; 4,8; 6,0 м. Для первого этажа допускается высота
7,2 м. Высота 4,2 м допускается как исключение. Правилами
определены также допустимые высоты этажа производственного
помещения в чистоте, т. е. от пола до потолка. По санитарным
требованиям [77], эта величина не может быть менее 3,2 м для основных
технологических помещении и 3,0 для помещений транегюртно-
складского и энергетического хозяйства, в которых постоянного
пребывания обслуживающего персонала не требуется. Для
отдельных выступающих конструкций перекрытия расстояние от их низа
до пола должно быть не менее 2,6 м. Особое внимание следует
уделять высотам рабочих мест, ограниченных площадками и
расположенными выше их конструктивными элементами строительных
конструкций, выступающих частей оборудования пли коммуникаций.
Высота в таком месте при регулярном проходе работающих должна
составлять не менее 2,0 м, а при нерегулярном проходе 1,9 м.
Особое значение этих габаритов вызвано тем, что как расположение
336
конструктивных элементов оборудования, так и коммуникаций
непосредственно определяется технологической частью проекта, а не
строительной, определяющей высоту этажей и ряд других
габаритов.
При расположении оборудования в плане регламентируется
ширина проходов. Общие нормы ширины проходов между
оборудованием не менее 1,0 м, сокращаемой для проходов к одиночным
рабочим местам до 0,7 м. Во многих случаях при проектировании
производства редких металлов следует руководствоваться
нормами, принятыми для пожаро- и взрывоопасных производств
химической и нефтехимической промышленности [75]. Эти нормы
требуют, чтобы минимальная ширина проходов по местам постоянного
обслуживания и перед фронтом щитов управления была не менее
2,0 м. Проходы по фронту обслуживания машин (насосы,
компрессоры п т. п.), а также между машинами 1,5 м. Для малых машин
(ширина и высота не более 0,8 м) проход может быть сокращен до
1,0 м. Проходы между аппаратами, а также между аппаратами и
стенками зданий — не менее 1,0 м. Проходы для осмотров,
периодических проверок и регулирования 0,8 м. При расположении
прямоугольного аппарата вдоль степы, допустимое минимальное
расстояние до стены — 0,8 м. При расположении аппарата перед
оконными проемами, расстояние между аппаратом и проемом должно
быть не менее 1,0 м.
При планировке площадок второго и следующего этажей нужно
стремиться к тому, чтобы площадки, расположенные на одной
отметке, были как можно меньше расчленены. Персонал должен
иметь возможность свободно перемещаться из одной точки
площадки в другую, расположенную на этой же отметке, не прибегая
к переходам через площадки, расположенные на другой высоте.
При соединении площадок, расположенных на разных отметках,
лестничными переходами необходимо обеспечивать уклон лестниц
не более чем 1 : 1 (45°) с шириной не менее 1,15 м. Если лестница,
предназначенная для обслуживания менее 50 человек, ведет на
чердак или в подвал, ширина ее может быть уменьшена до 0,9 м.
Если обслуживание оборудования на площадках требует лишь
периодического присутствия людей, уклон лестницы может быть
увеличен до 2 : 1 (63°). Если же при этом расстояние между
площадками не более 3 м, то допускается устройство вертикальных
стремянок. Ширина лестниц и стремянок в этих случаях должна быть не
менее 0,6 м.
При планировке площадок следует учитывать, что с каждой
площадки, на которой требуется постоянное пребывание персонала,
необходимо по условиям пожарной безопасности предусматривать
выход на улицу или в смежное помещение, отделенное капитальной
стеной. Для этой цели должны быть предусмотрены
соответствующие проходы в количестве, определяемом нормами в зависимости
от категории пожарной опасности помещения, числа одновременно
в нем работающих, площади и габаритов площадок, подлежащих
эвакуации.
22 зак. ,\» 161 337
Правилами установлены также минимальные расстояния,
допустимые между грузоподъемными машинами и переносимыми ими
грузами, с одной стороны, и габаритами окружающего
оборудования, с другой [78]. Каждая грузоподъемная машина имеет паспорт
с обозначенными габаритами приближения, т. е. габаритами, в
которые не должны попадать никакие элементы строительных
конструкций или оборудования. При проектировании соблюдение этих
габаритов обязательно. Установка грузоподъемных машин должна
быть рассчитана на подъем любого груза только строго
вертикально. Всякое подтаскивание груза при наклонном расположении
грузовых канатов категорически запрещено. При горизонтальном
перемещении груза с помощью крана (например, мостового)
установка крана должна обеспечивать возможность перемещения груза
с соблюдением зазора между нижней точкой подвешенного груза
и располагающимися иод ним аппаратами, транспортными
средствами и штабелями материалов не менее чем 0,5 м. При установке
кранов или кран-балок, управляемых с пола, расположение
оборудования на площадке должно обеспечивать свободный проход
для лиц, управляющих машиной.
Использование напольного транспорта также вызывает ряд
требований к планировке производственных помещений. Прежде всего
должны быть предусмотрены проезды, обеспечивающие свободное
движение транспорта и независимый проход персонала. При этом
планировка должна обеспечить для транспортных средств
возможность разворота и изменение направления движения. Для
напольного транспорта ширина внутрицеховых проездов зависит от
габаритов транспортных средств. Высота внутрицеховых
производственных проездов от уровня поля до выступающих элементов
строительных конструкций, подвесных трубопроводов или наинизшей
точки груза транспортируемого подъемно-транспортными
устройствами должна составлять не менее 3,6 м при проезде
автотранспорта и не менее 2,4 м, если автотранспорт не используется. В тех
случаях, когда транспортируются расплавленные материалы (что
следует распространить и на химически активные жидкости в
негерметичной таре), используемый для этой цели напольный
транспорт должен перемещаться только по горизонтальной поверхности.
Пандусы и другие участки пути с уклоном не допускаются.
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВНУТРИЦЕХОВОГО ТРАНСПОРТА
Проектирование транспорта связано с решением двух
ответственных задач. Во-первых, проектирование транспорта всегда
связано с решением вопросов безопасности персонала. Во-вторых,
проектирование транспорта в значительной мере определяет уровень
механизации и производительности труда на производстве в целом.
Сложность решения транспортных вопросов при проектировании
производства редких металлов определяется рядом положений.
Главное из них- -чрезвычайное разнообразие производств с точки
зрения свойств транспортируемых материалов и объемов транс-
33S
портных потоков, что исключает возможность унифицированных
решений.
Имеется ряд дополнительных моментов, осложняющих решение
транспорта в производстве редких металлов. Малый масштаб
производства не позволяет во многих случаях использовать
транспортное оборудование, серийно изготавливаемое для цветной
металлургии или химической промышленности. В то же время механизация
транспорта бывает совершенно необходима, чтобы исключить
контакт персонала с вредными веществами. Это делает необходимым
разработку нетипового транспортного оборудования малой
производительности. Продукты, перерабатываемые в производстве
редких металлов, часто весьма агрессивны. Это приводит к
необходимости разработки транспортных устройств в специальном коррози-
онностойком исполнении. Продукты, перерабатываемые в
производстве редких металлов, требуют в ряде случаев герметизации, так
как они могут изменять качество в результате контакта с воздухом.
Такая герметизация также осложняет транспортные решения,
особенно для непрерывного транспорта. Так, если твердый кусковой
или порошкообразный продукт следует транспортировать и
хранить при отсутствии контакта с воздухом, в ряде случаев
принимается транспорт в герметических, заполняемых инертным газом
контейнерах, который не может быть непрерывным.
Транспорт в производстве служит для решения двух основных
задач —перемещения по технологическому потоку
перерабатываемых продуктов и перемещения по точкам выполнения
технологических, монтажных и ремонтных операций, отдельных аппаратов
периодического действия или их узлов. Вторая задача может быть
иллюстрирована операциями по смене и обработке катода для
процессов электролиза тугоплавких металлов, операциями но
перемещению реактора металлотермического восстановления титана
из печи в холодильник и т. д. Первая задача может решаться
во многих случаях средствами непрерывного транспорта. При
решении второй задачи непрерывный транспорт практически
исключен.
Транспортные средства, используемые в производстве, могут
быть разбиты на следующие группы:
1) железнодорожный транспорт;
2) напольный рельсовый транспорт;
3) напольный безрельсовый транспорт;
4) мостовые краны, кранбалки, монорельсовые подъемные
устройства;
5) конвейеры (ленточные, пластинчатые, вибрационные, шнеко-
вые) и элеваторы;
6) трубопроводный транспорт.
Железнодорожный транспорт
Железнодорожный транспорт применяется только для перевозки
тяжеловесных и крупногабаритных грузов. На предприятиях по
22* 339
производству редких металлов в основных технологических цехах он
применяется только для доставки исходного сырья и материалов.
Для внутрицехового и межцехового транспорта его не используют.
Напольный рельсовый транспорт
Этот вид транспорта применяется для перевозки тяжелых
крупногабаритных грузов, а также горячих продуктов, в особенности
расплавленных. Напольным рельсовым транспортом может быть
автокар или электрокар с грузовой платформой на рельсах пли
такая же кара с грузовой тележкой-прицепом. Иногда для коротких
прямолинейных отрезков пути грузовая тележка приводится в
движение стационарной лебедкой через связывающий их тросе.
Используется обычно в печных отделениях (электроплавильных,
хлорирования и т. д.) для приемки из печей расплавленных
материалов. Достоинство этого вида транспорта — жесткое ограничение
маршрута движения транспортного устройства с опасным
материалом, что сокращает возможность несчастных случаев. К
недостаткам следует отнести ограниченную маневренность и необходимость
устройства в помещении рельсового пути, что создает неудобства
для работы персонала. Поэтому напольный рельсовый транспорт
используется обычно на коротких участках (например, от печи до
площадки остывания выгружаемого материала).
Напольный безрельсовый транспорт
Этот вид транспорта для различного рода штучных материалов
наиболее удобен. К нему относятся: автомашины (обычно как
средство межцехового транспорта или для вывоза готовой продукции
и отходов производства), авто- и электрокары, авто- и
электропогрузчики, тягачи и т. п. Безрельсовый транспорт обладает
маневренностью, универсальностью и высокой степенью механизации.
Автопогрузчики или кары с подъемной платформой для своего
обслуживания, включая погрузку и разгрузку, требуют привлечения
только одного человека — водителя. Ограничением для
использования напольного транспорта, если в помещении несколько рабочих
площадок на разной высоте, является возможность работы только
на одной из площадок. Своим ходом на другую площадку машина
может пройти только по пандусу. Однако возможности
организации пандусов в производственных помещениях ограничены. В
случае эпизодически возникающей необходимости перевода
напольных транспортных средств с одной площадки на другую используют
мостовой кран или грузовой лифт в зависимости от того, что
предусматривается в проектируемом помещении. Важное
экономическое преимущество напольного транспорта — уменьшение нагрузок
на степы и колонны производственных помещений, что снижает
затраты на их сооружение. Высокая маневренность напольного
транспорта позволяет использовать его в помещениях с большим числом
пролетов и сложней планировкой.
340
Мостовые краны, кран-балки, монорельсовые подъемные
устройства
Эти устройства применяются для транспортировки тяжелых
штучных грузов массой до нескольких тонн. При этом краны и
кран-балки могут обслуживать всю площадь, расположенную
между линиями, ограничивающими крайние положения,
занимаемые крюком при перемещениях моста и тележки (или тали).
Соответственно тельфер обслуживает только линию, расположенную
непосредственно под монорельсом, по которому он перемещается.
В многоэтажных зданиях или на этажерках, расположенных
внутри одноэтажных помещений, краны и тельферы могут
обслуживать только площадку, непосредственно под ними расположенную.
Площадки, расположенные под первой, не могут быть обслужены.
Если обслуживание этих площадок необходимо, для подачи туда
и забора оттуда грузов в вышерасположенных площадках делают
проемы, постоянные или закрываемые съемными плитами
(крышками).
Преимущество транспортных устройств рассматриваемой
группы — возможность обслуживания, транспортного объединения
всех площадок, расположенных непосредственно под ними,
независимо от того, находятся эти площадки на одной высоте или нет.
Мостовые краны и крап-балки наиболее тяжелое и дорогое
транспортное оборудование. Использование мостовых кранов удорожает
конструкцию здания, так как колонны приходится рассчитывать на
дополнительные нагрузки и сооружать специальные пути —
подкрановые балки. Это делает нежелательным использование
мостовых кранов, когда их можно заменить другими транспортными
средствами.
Конвейеры и элеваторы
Конвейеры (ленточные, пластинчатые, вибрационные, шнеко-
вые) и элеваторы применяются для транспорта кусковых, молотых
и иногда пастообразных продуктов. Аппараты этой группы
относятся к аппаратам непрерывного действия. В этом их основное
преимущество. К недостаткам аппаратов этой группы относится
жесткая фиксация точек загрузки и в большинстве случаев
выгрузки транспортируемого продукта. Некоторые виды
транспортеров рассматриваемой группы, такие как пластинчатые
транспортеры и элеваторы, позволяют иметь только одну точку разгрузки.
Исключение составляют ленточные транспортеры, которые
обеспечивают возможность изменения расположения точек разгрузки
в ходе эксплуатации.
Эксплуатация большинства аппаратов этой группы связана
с интенсивным пылеиием в точках загрузки и выгрузки. Поэтому
приходится принимать специальные меры для предотвращения
попадания пыли в атмосфер)- помещения. Недостатком транспортных
устройств этой группы является то, что они могут транспортировать
341
продукт только по прямой, соединяющей точки загрузки и
выгрузки, и занимают значительный объем помещения при своем
размещении. Транспорт с помощью устройств этой группы может
быть осуществлен и по ломаной линии. Однако для этой цели
необходимо использовать несколько последовательно
расположенных транспортных устройств с изменением направления движения
при перегрузке из одного транспортера в другой.
Трубопроводный транспорт
Трубопроводный транспорт охватывает большую группу
разнообразных систем транспортирования твердых (мелкокусковых
и порошкообразных), жидких и газообразных продуктов.
Трубопроводный транспорт — наиболее широко распространенный вид
транспорта в химико-металлургических производствах. Основная
особенность трубопроводного транспорта — его герметичность,
возможность широкого регулирования производительности и полной
автоматизации. Точки загрузки и выгрузки транспортируемого
продукта при использовании трубопроводного транспорта
достаточно жестко фиксированы, однако их может быть большое число,
а направление движения продукта по трубопроводам в случае
необходимости может изменяться. Трубопроводы в большинстве
случаев занимают относительно малый объем помещения и трассы
их могут быть намечены так, чтобы обеспечить наиболее
рациональное размещение оборудования.
Установка трубопроводного транспорта включает следующие
основные элементы:
1) узел подвода мощности, обеспечивающий направленное
движение продукта;
2) трубопроводы, по которым продукт перемещается;
3) приемные устройства, в которые продукт поступает из
трубопроводов;
4) систему регулирования движения продукта, включающую
запорно-регулирующую арматуру и приборы контроля за
движением продукта по трубопроводам.
Узлом подвода мощности при транспортировании жидкости или
пульп является насос, при транспортировании газов и паров —
вентилятор, компрессор или дымосос, при транспортировании
твердых сыпучих продуктов (пневмотранспорт)—камерный питатель
или другой вид насоса. Для самотечных систем трубопроводного
транспорта узел подвода мощности может отсутствовать. Такими
системами являются линии для жидкости, соединяющие сосуды,
расположенные на разной высоте; газоходы и воздуховоды,
соединенные с трубой, обеспечивающей естественную тягу; линии
распределения газа, соединяющие потребителей, и баллоны со сжатым
газом.
Трубопроводы могут выполняться на фланцах, цельносварными,
а в некоторых случаях снабжаться гибкими участками для того,
чтобы изменять направление потока транспортируемого продукта
342
без помощи запорной арматуры. Приемными устройствами могут
быть или непосредственно потребители продукта, или емкости для
его промежуточного хранения. При использовании
пневмотранспорта или гидротранспорта твердых продуктов приемными
устройствами могут быть установки по разделению фаз (циклоны,
фильтры). Система регулирования включает запорную арматуру
(задвижки, вентили, клапаны, переключатели разного рода), а также
устройства для контроля расхода транспортируемого продукта и
его давления на отдельных участках трубопровода.
Частным случаем трубопроводного транспорта газов- и воздуха
является использование для этой цели боровов, а для твердых
сыпучих материалов — наклонных и вертикальных течек.
В каждом отдельном случае выбор системы трубопроводного
транспорта определяется конкретными условиями. Если
необходимо предупредить потери и загрязнение транспортируемыми
продуктами атмосферы цеха, принимается вакуумный
пневмотранспорт. Если необходимо предупредить попадание воздуха в систему
или расстояние транспортировки достаточно велико, принимается
напорный транспорт. Для трубопроводного транспорта твердых
продуктов пневматический транспорт используется в случае, если
транспортируемый продукт не допускает увлажнения, крупность
частиц продукта не слишком велика и продукт не имеет склонности
к залипанию. Гидротранспорт твердых продуктов применяют, если
по технологической схеме на последующих операциях
предполагается приготовление пульпы (например, приготовление пульпы для
подачи в печи спекания). Гидротранспорт можно использовать
также для удаления отходов производства в отвал. Общим для
обоих случаев будет то, что после использования гидротранспорта
не требуется обезвоживание продуктов. В некоторых
производственных процессах такое усложнение схемы может быть
оправданным, но в технологиях производства редких металлов оно, как
правило, нецелесообразно. Если гидротранспорт предполагается
использовать только для транспортных операций, необходимо
учитывать растворимость транспортируемых продуктов или возможность
их взаимодействия с водой.
При проектировании транспортной схемы и выборе
транспортных средств одна из главных задач -сокращение до минимума
элементов транспортной цепи. Транспортируемый продукт должен
подаваться непосредственно в технологические аппараты
преимущественно с помощью тех же транспортных средств, с помощью
которых он подается в цех без промежуточной перегрузки. В
дальнейшем по технологической цепи он должен также перемещаться с
использованием минимальной номенклатуры транспортных средств.
Как правило, добиться полного единообразия транспортной схемы
можно только при использовании трубопроводного транспорта.
В большинстве остальных случаев перегрузки и использование
нескольких различных видов транспортных средств неизбежны.
Наиболее характерным примером схемы, включающей
обязательную перегрузку, является случай, когда штучный груз доставляется
3(3
в помещение напольным транспортом, а затем должен
поступить на одну из площадок, расположенных на отметке,
отличной от нуля, или на отметке, по которой перемещается напольный
транспорт. В тех случаях, когда проектом предусматриваются
перегрузки в любой форме (на другой вид транспортных средств или
на аналогичный транспортный аппарат), необходимо в точках
перегрузки предусматривать емкости промежуточного хранения
транспортируемых продуктов. Такие емкости могут быть в форме
баков для жидкостей, бункеров для сыпучих продуктов,
выставочных площадей для штучных продуктов (в том числе для хранения
в штабелях).
При проектировании напольного или кранового транспорта
в производственных помещениях, решая вопросы размещения
оборудования, всегда надо учитывать вспомогательное оборудование
и инвентарь, используемые при транспортировке продуктов (кю-
беля, контейнеры, поддоны, а также траверсы и подвески при
крановом транспорте). Конструкцию этих элементов следует
определять до начала проектирования размещения оборудования и
использовать при определении характеристики транспортных
устройств. При этом кюбеля, контейнеры и поддоны определяют
возможную массу порции материала, транспортируемой
единовременно, и габариты транспортного устройства с нагрузкой. Траверсы
и подвески определяют возможные габариты груза. Некоторые
сложные узлы (реторты циклических аппаратов, контейнеры)
транспортировать кранами без использования подвесок или
траверс невозможно. Использование траверс или подвесок увеличивает
общую высоту, занимаемую транспортируемым грузом от нижней
точки груза до крюка крана. Это обстоятельство необходимо
учитывать, определяя высоту установки крана.
При проектировании внутрицехового трубопроводного
транспорта следует предусматривать специальные меры,
обеспечивающие полное заполнение и полное опорожнение трубопроводов [40,
74]. Если у трубопровода или отдельного участка трубопровода
имеется наиболее высокая точка (не являющаяся открытым
концом этого трубопровода или его участка), необходимо иметь в этой
точке воздушник, патрубок с запорным устройством, соединяющий
внутреннее пространство трубы с атмосферой. При заполнении
трубопровода жидкостью в наивысшей его точке может образоваться
воздушный мешок. Для удаления этого воздуха в атмосферу (или
систему вентиляции) и служит воздушник. Если контакт жидкости,
заполняющей трубопровод, и атмосферного воздуха нежелателен
по каким-либо причинам, то воздушник должен соединяться с
атмосферой или системой газоочистки через дыхательную систему.
В наинпзшей точке трубопровода или сто участка необходимо
иметь спускник для опорожнения трубопровода. Во всех случаях,
когда это возможно, желательно, чтобы трасса трубопровода
обеспечивала возможность заполнения или опорожнения его без
использования воздушника пли снускнпка, т. е. не имела
экстремальных— наивысших или наинизшпх точек где-либо, кроме концов
■314
трубопровода. Такие экстремальные точки- могут образовываться
не только в результате сознательного придания трубопроводу
определенной конфигурации. Места, в которых остается жидкость при
опорожнении трубопровода, всегда могут образоваться в
трубопроводах, трасса которых намечалась строго горизонтальной, из-за
неточностей, допущенных как при изготовлении самого
трубопровода, так и при его монтаже. Поэтому все трубопроводы для
жидкостей и конденсирующихся паров следует располагать с
некоторым уклоном, обеспечивающим в случае необходимости полное
опорожнение трубопроводов. Величина уклона для разных
жидкостей может составлять примерно 0,2—0,5%. При выборе ее следует
учитывать и предполагаемое качество монтажа. Размещение
проходящих по помещению трубопроводов всегда должно учитывать
требования монтажа и демонтажа установленных в помещении
аппаратов. Горизонтальные трубопроводы не должны проходить
над аппаратами или на одной высоте с аппаратами со стороны
производства монтажных или ремонтных работ. Для аппаратов с
роторами нежелательно занимать зону перед аппаратом по оси ротора,
так как именно в этом направлении иногда извлекается ротор при
демонтаже. Расположение трубопроводов должно учитывать
требования охраны труда. Трубопроводы с агрессивными химически
активными жидкостями не должны проходить над местами
постоянного нахождения персонала. При проектировании
трубопроводов, если на них предполагается установка диафрагм для замера
расходов жидкости или газа, необходимо учитывать требование
устанавливать диафрагмы на прямых отрезках труб, в соответствии
с существующими нормами.
Важное значение для обслуживания трубопроводов имеет
расположение запорной и регулирующей арматуры. Если задвижки
обслуживаются вручную и персонал пользуется ими часто, то
максимальная рекомендуемая высота расположения штурвала под
полом должна быть не более 1,8—2,0 м. Отключающие задвижки,
которыми пользуются редко, могут располагаться на большей высоте,
но обслуживаться должны с помощью удлиненных штоков, цепей
или специальных площадок. Запорную арматуру следует
устанавливать так, чтобы в трубопроводах не возникали тупиковые
застойные зоны. Если имеется запорная арматура на отводах от
магистрального трубопровода, то ее следует устанавливать с
максимальным приближением к магистральному трубопроводу. Не
рекомендуется монтировать запорную арматуру на вертикальных
участках трубопровода, так как в закрытом состоянии они
образуют застойную неопоражниваемую зону на участке трубопровода
над местом установки арматуры.
Важный вопрос, который приходится решать при
проектировании некоторых производств редких металлов, это организация
чистки трубопроводов от осадков, которые могут полностью
перекрыть сечение трубы и нарушить нормальную работу. Трубопровод
снабжают системой прочисток, для чего ему придают ломаную
форму. Места прочисток должны располагаться так, чтобы чистка
345
с предусмотренных проектом рабочих площадок не представляла
затруднений для рабочего. Если предусматривается прочистка
вертикального или наклонного трубопровода для жидкости,
необходимо так располагать запорную арматуру, чтобы при прочистке
какого-либо участка исключалось поступление на этот участок
жидкости из аппаратов и участков трубопровода, расположенных выше
очищаемого. В некоторых случаях для обеспечения бесперебойной
работы передела прокладываются резервные коммуникации,
обеспечивающие транспортировку продукта во время отключения
основной линии на прочистку. Но такое решение может быть
неэффективным. Если выделение твердых продуктов, забивающих
трубопровод, происходит в результате взаимодействия
транспортируемых продуктов с воздухом (например, гидролиз парами воды)
создание резервной линии может оказаться вредным. В этом
случае основное требование обеспечения работоспособности —
максимальная герметизация системы. Резервная линия требует создания
системы присоединения ее к основной схеме с появлением
дополнительных точек нарушения герметичности системы, что может
ускорить забивание и рабочей, и резервной систем. Поэтому,
несмотря на опасность забивания трубопроводов, создание резервной
линии нецелесообразно.
При разработке установок насосов и системы подсоединения их
к трубопроводам необходимо уделять серьезное внимание решению
линии всасывания. Насосы, забирающие жидкость из емкости,
должны быть минимально удалены от этой емкости. Это
определяется тем, что допустимая величина разрежения всасывания у
насосов всегда ограничена, а стоимость единицы длины всасывающих
трубопроводов по сравнению с напорными выше из-за
необходимости иметь в них более низкую скорость и больший диаметр. При
большом парке емкостей и большом числе насосов,
обслуживающих эти емкости, система трубопроводов должна проектироваться
таким образом, чтобы имелась возможность при необходимости
произвести переключения, позволяющие соединить любой насос
с любой емкостью и любым отходящим напорным трубопроводом.
Если невозможно обеспечить такое переключение непосредственно
с помощью установленной запорной арматуры, необходимо
обеспечивать возможность достижения этой цели с помощью
минимальной реконструкции системы трубопроводов (перестановки
фланцев, заглушек и т. д.). Гибкость в проектных решениях необходима
для системы коммуникаций в связи с тем, что схема соединения
насосов и емкостей в ходе производственной эксплуатации часто
изменяется.
Наиболее удобно трубопроводы в производственных
помещениях располагать вдоль ограждающих конструкций и
междуэтажных перекрытий. При расположении вдоль стен трубопроводы
крепят на кронштейнах, а под перекрытием подвешивают. Такое
расположение трубопроводов минимально загромождает рабочее
помещение и обеспечивает возможность самотечной подачи жидких
продуктов в оборудование, расположенное ниже трубопроводов.
316
Если оборудование, к которому подводятся трубопроводы,
расположено в помещении изолированно на значительном удалении отог-
раждающих конструкций и междуэтажных перекрытий,
трубопроводы можно подвести к нему по каналам в полу цеха, перекрытым
съемными плитами для периодического осмотра. Для жидких
продуктов в каналах можно прокладывать только напорные трубопроводы.
В многопролетных зданиях, когда аппараты, соединенные
с трубопроводами, располагают в одном пролете, обслуживающие
их трубопроводы можно крепить на рядах колонн,
разграничивающих пролеты. Если группа аппаратов расположена внутри
помещения изолированного от основных строительных конструкций и
необходим подвод к ним большого числа трубопроводов, для
размещения их можно создать специальную эстакаду.
В цехе трубопроводы целесообразно размещать совместно
группами. Это облегчает наблюдение за их состоянием и способствует
более компактному размещению. При совместном размещении
трубопроводов расстояние между осями соседних трубопроводов
следует выбирать с расчетом на то, чтобы при совмещении фланцев
трубопроводов в одной плоскости между фланцами оставалось
расстояние не менее 2—3 см. Следует проверять возможность
работы ключом на болтах, соединяющих фланцы. Если трубопроводы
размещают на кронштейне в горизонтальной плоскости, наиболее
тяжелые трубопроводы следует располагать ближе к точке
крепления. При расположении трубопроводов в вертикальной плоскости
наверху следует располагать линии с водой, паром, инертными
газами. Внизу следует располагать технологические трубопроводы.
При таком расположении в случае образования неплотности в
соединении или разрушения собственно трубы технологических
трубопроводов выше расположенные трубопроводы не окажутся под
воздействием агрессивной жидкости. При подвешивании групп
трубопроводов к перекрытию их можно закрыть ложным потолком
с люками для осмотра и ремонта мест соединений.
Борова-каналы большого сечения, предназначенные для
пропуска газов или воздуха и прокладываемые в земле ниже уровня
пола, получили большое распространение в цехах с выделением
значительного объема вредностей для удаления санитарных
выбросов и отходящих технологических газов и паров, направляемых
в систему газоочистки или в дымовую трубу. Основное требование,
которое предъявляется к их расположению, это обеспечение
возможности чистки. Для этой цели борова выполняют независимо
от газовой нагрузки проходными или полупроходными сечением
около 1500X700 мм, что обеспечивает возможность работы
производственного персонала внутри борова. Борова должны снабжаться
достаточным числом люков. В некоторых случаях признано
целесообразным в производственных помещениях ниже отметки ±0,0
прокладывать не отдельные борова, а организовывать сплошные
подвалы, в которых размещать борова. Такое решение создает
большие возможности для организации ремонта боровов, а
также их реконструкции. Борова, в которых возможна конденсация
317
жидких продуктов, а также борова, которые могут потребовать
мойки, проектируют с уклоном иола к одной из точек, где должен
предусматриваться зумпф для сбора жидкости. Собирающуюся в
зумпфе жидкость периодически выкачивают.
5. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПЛАНИРОВКЕ
ПОМЕЩЕНИЙ И РАЗМЕЩЕНИЮ ОБОРУДОВАНИЯ,
ВСТРЕЧАЮЩИЕСЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Особенности производства редких металлов связаны с
переработкой агрессивных и легкоразлагающихся продуктов и
требованиями обеспечения их высокой чистоты.
Требование изоляции
Во многих производствах редких металлов требуется изоляция
производственных помещений от смежных. Это направлено на
решение одной из двух противоположных задач — предупреждение
попадания в атмосферу изолированного помещения нежелательных
веществ из смежных помещений и окружающей атмосферы и
предупреждение попадания вредных веществ из изолированного
помещения в смежные помещения и окружающую атмосферу.
Первая задача решается для помещений, в которых
осуществляются процессы, требующие пониженной влажности воздуха или
атмосферы инертного газа (при использовании атмосферы
инертного газа обслуживающий персонал работает в шланговых или
изолирующих противогазах). Кроме того, задача защиты
атмосферы помещения от агрессивных газов и паров очень часто
должна решаться применительно к помещениям КИП, в которых
размещаются дорогие приборы и установки, требующие для своей
работы особых условий.
Противоположным примером являются помещения мойки
оборудования. При мойке может происходить гидролиз различных
соединений с выделением паров кислот и т. п.
Универсальное средство решения как первой, так и второй
задачи— создание разности давлений в изолируемом помещении и
окружающем пространстве. Если решается задача — защитить
от попадания нежелательных веществ помещение, где
технологический процесс предъявляет особо жесткие требования к
атмосфере, то в помещении создается избыточное давление 5—10 мм
вод. ст. Если решается вторая задача — предупредить
распространение производственных вредностей из помещения, в помещении
создается некоторое разрежение. В первом случае при решении
задачи кондиционирования атмосферы подаваемый в помещение
воздух проходит специальную подготовку, что связано со
значительными затратами. Помещение максимально герметизируется —
ограждающие конструкции выполняются из газонепроницаемых
материалов, вход и выход из помещения производятся через шлюз.
Это сводит к минимуму потери кондиционированной атмосферы.
348
Во втором случае возможна менее тщательная герметизация, так
как воздух, поступающий в помещение из соседних помещений
(или наружный воздух), никакой специальной подготовки не
проходит; расчет ведут на максимальный подсос. Все проемы в
ограждающих конструкциях (окна, ворота и т. п.) принимают
полностью открытыми, а скорость движения воздуха в них не ниже
1 м/с. На этот объем рассчитывают вытяжную вентиляцию.
Такое решение исключает возможность выноса вредностей из
помещения.
Для производственных помещений с интенсивным выделением
вредностей бывает необходимо исключить пребывание персонала
в помещении в период максимального выделения вредностей. В
таких помещениях предусматривается возможность управления
процессами и оборудованием, находящимся в помещении, с рабочих
мест, расположенных вне помещения.
Возможность чистки и мойки
Возможность чистки и мойки производственных помещений и
оборудования от загрязнения перерабатываемыми продуктами
необходимо обеспечивать во многих промышленных производствах
редких металлов. Особенно опасно такое загрязнение, если оно
связано с радиоактивными веществами. Возможность чистки и
мойки обеспечивается типом конструкций, окраской оборудования
и конструкций масляными красками, а также специальной
отделкой. Конструкции должны иметь ровные, без многочисленных
внутренних углов и складок, поверхности, на которых нет условий для
накапливания пыли и которые легко очистить. В этом случае,
например, не показаны к применению решетчатые сложные фермы,
а рекомендуются гладкие листовые. Специальная отделка
заключается в покрытии стен и полов плиткой, которая относительно
просто моется или протирается. Для сбора загрязненных вод после
мойки полы должны быть оборудованы трапами и приямками,
перекрытыми решетками, и снабжены необходимыми уклонами в
сторону трапов. Из трапов воды могут направляться в отстойники,
а затем в канализацию или на станцию очистки сточных вод.
Защита от коррозии
Защита от коррозии оборудования и строительных конструкций
имеет не только строительное или механическое значение для
обеспечения надежности работы конструкций. В ряде производств
редких металлов важно технологическое значение предупреждения
коррозии строительных конструкций и оборудования, так как
продукты коррозии могут загрязнять перерабатываемые материалы.
Особенно важно это в производствах, где перерабатываемые
продукты могут соприкасаться с элементами строительных
конструкций и наружными частями аппаратов. Для предупреждения
загрязнения в этом случае необходимо, как правило, использовать не
ЗШ
защитные покрытия, нанесенные на нестойкие материалы, а
выполнять все строительные конструкции и оборудование из стойких
материалов. Практика показывает, что защитные покрытия, особенно
краски, хотя и значительно замедляют процессы коррозии, но, не
являясь в достаточной мере механически прочными, разрушаются
и дают значительное количество пыли и мелких частиц, которые
могут загрязнять продукты переработки. В тех случаях, когда
применяются высокостойкне материалы для создания самих
конструкций, возможность таких загрязнений почти исключается.
Например, в одном из производств на переделе разделки готовой
продукции для облицовки стен и полов используют нержавеющую
сталь.
Следует учитывать, что загрязняющие примеси могут
образовываться не только как следствие химической коррозии строительных
конструкций и оборудования, но и в результате их механического
истирания. В первую очередь, это относится к покрытиям полов,
которые должны выбираться особенно тщательно.
Предупреждение возможности накопления
в помещениях отравляющих и взрывоопасных газов
Возможность накопления в помещении отравляющих или
взрывоопасных газов — один из наиболее важных вопросов, который
необходимо решать при организации производства редких
металлов. Для основного объема помещения эта задача решается с
помощью общеобменной вентиляции и отчасти местных отсосов.
Однако во многих производственных помещениях имеются участки,
где могут образовываться застойные зоны накопления опасных
газовых смесей. Такими участками накопления газов обычно
являются объемы под перекрытием, где накапливаются газы, более
легкие, чем воздух (обычно водород), и участки, заглубленные ниже
отметки ±0,0, где накапливаются газы, более тяжелые, чем
воздух. Под перекрытием могут накапливаться обычно
взрывоопасные, а в подвалах и разного рода приямках отравляющие или
непригодные для дыхания газовые смеси.
Для предупреждения этого при проектировании принимаются
специальные меры. В перекрытиях, под которыми могут
образовываться опасные смеси, необходимо предусматривать проемы,
дефлекторы, свечи, выводные трубки и т. д., через которые легкие
газы с плотностью не более 0,8 от плотности воздуха непрерывно,
но мере поступления, удалялись бы в окружающее пространство.
Такие выводы для легких газов необходимо предусматривать не
только из-под перекрытия в целом, но и от отдельных участков под
перекрытиями, ограниченных балками или ребрами конструкций
с высотой более 400 мм.
Для предупреждения накопления опасных смесей газов в
подвалах и приямках необходимо предусматривать принудительную
приточную или приточно-вытяжную вентиляцию, которая должна
постоянно удалять накапливающиеся газы.
350
Вопросы взрывобезопасности и пожарной безопасности
Вещества, процессы и аппараты, являющиеся взрывооопасными,
требуют специальных проектных решений по размещению
оборудования и персонала в производственных помещениях. Как уже
отмечалось, одной из главных задач в рассматриваемом случае
является изоляция взрывоопасных веществ, процессов и аппаратов
от операций и помещений, с такой опасностью не связанных.
Изоляцию осуществляют возведением капитальных стен. Если при
взрыве образуются большие объемы газов, создающие в
помещении повышенное давление, ограждающие конструкции помещения
должны иметь легкосбрасываемые элементы (с расчетной
нагрузкой 120 кгс/м2). Образовавшиеся газы удаляются через
разрушенные ограждения из помещения и опасное давление снижается до
нормального.
По существующим нормам необходимо, чтобы па каждые 100 ыя
объема помещения площадь легкосбрасываемых конструкций
составляла не менее 5 м2. Легкосбрасываемые элементы
целесообразно в первую очередь предусматривать в наружных
ограждающих конструкциях. Однако в многоэтажных конструкциях иногда
необходимо предусматривать легкосбрасываемые элементы в
междуэтажных перекрытиях. Эти элементы сбрасываются в случае
взрыва в помещении, расположенном под перекрытием.
Длина взрывоопасных и пожароопасных помещений должна
ограничиваться. Так, для некоторых производств максимальная
длина помещений устанавливается не более 90 м. В случае, если
для размещения оборудования требуется помещение большей
длины, оно должно разбиваться на два изолированных помещения.
Если при возможном взрыве в помещении давление существенно не
повышается, то главная цель предупредительных мер,
принимаемых при проектировании, заключается в защите персонала и
оборудования на смежных операциях от ударов обломками
разрушаемого при взрыве оборудования: создание непосредственно вокруг
взрывоопасных аппаратов защитных ограждений в виде
железобетонных или бронированных боксов. Управляющий процессами
персонал и приборы управления размещают в безопасной зоне,
отделенной от зоны возможного возникновения опасности
соответствующими ограждающими конструкциями. Такое решение применяется
и в ряде других случаев— при работе с сильными ядами или
радиоактивными веществами.
К вопросам взрывобезопасности и проектным решениям по их
обеспечению тесно примыкают вопросы пожарной безопасности,
которые в значительной мере решаются теми же методами.
Рассмотренные меры и решения направлены на локализацию и
уменьшение вредных последствий от пожаров и взрывов. Кроме
того, проект должен предусматривать меры по предупреждению
возникновения пожаров и взрывов. К таким мерам относится
использование специального электрооборудования и специальных
строительных решений. Все электрооборудование, устанавливаемое
351
в таких помещениях, должно быть во взрывобезопасном
исполнении. Строительные решения должны предусматривать полы, не
искрящие при ударах стальными и каменными предметами.
Из прочих проектных вопросов, определяемых спецификой
технологии производства, важное значение имеет предупреждение
замыкания электрической сети и поражения людей электрическим
током в цехах электролиза. При размещении серии последовательно
соединенных электролизеров электрическое напряжение между
крайними электролизерами может быть весьма значительным,
а расстояние между первым и последним электролизерами серии —
не слишком большим. Это делает возможным замыкание
электрической сети через металлические элементы строительных
конструкций (включая арматуру железобетонных полов), трубопроводы и
газоходы. Чтобы исключить возможность такого замыкания, в
строительных конструкциях предусматриваются разрывы в стальной
арматуре, а в трубопроводах и газоходах — вставки из
изолирующих материалов.
При проектировании установки аппаратов электролиза
необходимо, чтобы все элементы металлических строительных
конструкций и трубопроводов, примыкающие к аппарату, находились под
электрическим потенциалом тех конструктивных узлов аппарата,
к которым они примыкают. Изоляция этих элементов от аппарата
и нахождение под неопределенным потенциалом могут привести
к тому, что такой элемент строительной конструкции или
трубопровода окажется под потенциалом, значительно отличающимся от
потенциала, расположенного рядом узла аппарата. Это создаст
серьезную опасность поражения электричеством для обслуживающего
персонала.
Эффективная электроизоляция аппаратуры требуется также для
того, чтобы исключить появление в конструкциях
неорганизованных «блуждающих» токов, которые вызывают интенсивную
коррозию оборудования.
Другим существенным моментом, требующим согласования
решений по всем частям проекта, включая технологическую, с
решениями по электротехнической части,— это возможность
возникновения токов Фуко. Токи Фуко возникают в результате индукции
в металлических элементах, расположенных относительно близко
от линий электропитания, являющихся источниками возникновения
магнитных полей, и могут достигать значительной величины. При
этом бесполезно теряется энергия и создается опасность для
персонала и целостности самих конструкций из-за разогрева
соответствующих металлических элементов, а также поражения персонала
электрическим током.
При решении вопроса о размещении металлических элементов
конструкций оборудования, трубопроводов и т. п. вблизи от линий
электропитания с большими магнитными полями (мощных шино-
проводов и т. п.) необходимо возможность такого размещения
согласовывать со специалистами, выполняющими
электротехническую часть проекта.
352
6. ОСНОВНЫЕ КОМПОНОВОЧНЫЕ СХЕМЫ И ПРИМЕРЫ
РАЗМЕЩЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ПЕРЕДЕЛОВ
РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Основные компоновочные схемы, используемые в производстве
редких металлов, зависят от группировки операций и переделов,
принятых для производственных помещений,
архитектурно-строительных решений, действующих инструкций, норм и правил
строительного проектирования. Основные признаки
архитектурно-строительных решений: этажность, число пролетов, ограждающие
конструкции или открытое расположение оборудования.
Общее требование существующих норм это одноэтажное
решение производственных помещений. У одноэтажных помещений, как
правило, наиболее низкая стоимость единицы строительного
объема. Многоэтажные решения допускаются, если это вызвано
технологическими требованиями или если площадь возможной застройки
ограничена пределами, не позволяющими разместить
проектируемое производство в одноэтажном здании. Однако вопрос этот
весьма сложен и должен решаться в зависимости от конкретных
условий.
Число пролетов в одноэтажном здании обычно определяется
тремя факторами — общей площадью здания, транспортной схемой
производства и санитарными соображениями. Общая площадь
определяет возможные габариты здания. При большой общей
площади и ограниченной ширине пролета, составляющей для редкоме-
тальных производств 24—30 м, здание получается очень вытянутым
в плане. Стоимость строительства, а также некоторые статьи
эксплуатации можно снизить за счет многопролетного решения с
соответствующим сокращением длины здания, что облегчает также
размещение здания на генеральном плане предприятия. Если в
качестве транспортного средства избраны мостовые краны или кран-
балки, это влияет на выбор числа пролетов здания; использование
такого оборудования затрудняет передачу грузов из одного пролета
в другой и делает нежелательным многопролетное решение.
Санитарные требования в ряде случаев обусловливают
необходимость использования однопролетных решений, так как они
наиболее удобны для естественной вентиляции помещений —
аэрации. При этом следует учитывать специфику каждого конкретного
случая. Так, если высокая кратность воздухообмена
обусловливается постоянным выделением в атмосферу цеха значительного
количества вредных веществ, то аэрация как средство для их
удаления может оказаться непригодной. При аэрации вредные вещества
будут выбрасываться в приземный слой атмосферы,
непосредственно примыкающий к производственным помещениям. И в
приземном слое атмосферы на территории предприятия, и в
прилегающем районе может создаться загрязненная выше санитарных
норм атмосфера, вследствие чего воздух, поступающий в
производственные помещения через систему приточной вентиляции,
окажется еще до поступления в цех загрязненным. Единственным
23 Зак. Nb 461
353
выходом из такого положения будет переход на организованный
воздухообмен.
При организованном воздухообмене объем загрязненного
воздуха выводят из помещения принудительно через систему
вытяжной вентиляции. Он может быть направлен в систему газоочистки
или на выброс в высокие трубы. В случае, если воздухообмен в цехе
выполняется организованно, механическими средствами,
необходимость в однопролетном здании может отпасть.
Принципиально отличное положение в производствах с
высокими тепловыделениями, где аэрация всегда желательна и,
следовательно, необходимость однопролетной конструкции здания
сохраняется в любом случае. Для многоэтажных зданий, как правило,
принимают стандартную сетку колонн 6X6 или 6X9 м п их всегда
выполняют как многопролетные.
В последние годы все больше распространяется открытое
расположение оборудования на площадках, не имеющих
ограждающих конструкций. На открытых площадках располагают, как
правило, крупногабаритное оборудование, имеющее незначительное
число точек обслуживания. При этом точки обслуживания могут
иметь местные укрытия для персонала. Кроме того, укрытия могут
организовываться в узлах, требующих для своей работы защиты
от осадков и переохлаждения.
В ряде случаев решения могут приниматься
комбинированными. Внутри одноэтажного здания может появляться
многоэтажная часть, примыкающая к одной из стен или решаемая
изолированно.
После компоновки оборудования отдельных переделов
необходимо решить вопрос о здании, в котором помещаются
соответствующие переделы в целом. Необходимо учитывать
административно-бытовые помещения и производственные помещения для
размещения нетехнологического оборудования (вентиляционные
камеры, трансформаторные подстанции, преобразовательные
подстанции, цеховые ремонтные службы).
При решении вопроса о здании в целом следует исходить из
желательности максимальной блокировки, т. е. объединения в одном
здании как можно большего числа производственных помещений.
Другое требование — максимальное упрощение формы здания. При
проектировании необходимо добиваться, чтобы здание в плане
имело прямоугольную или максимально приближенную к
прямоугольной форму. В тех случаях, когда форма здания в плане не
прямоугольна, нельзя допускать образования внутренних или
открытых с одной стороны тупиковых дворов. Надо стремиться также
к тому, чтобы отметка кровли здания была максимально
унифицирована, чтобы было как можно меньше перепадов кровли по
высоте. Если в двух соседних пролетах перепад высоты кровли
получается меньше двух метров, необходимо для этих пролетов
принимать одну общую высоту. Соблюдение перечисленных требований
способствует снижению затрат на строительство и последующую
эксплуатацию здания.
354
Размещение вентиляционных камер, трансформаторных
подстанций и других подобных помещений в здании в значительной
мере определяется типом здания. Если здание одноэтажное,
относительно низкое и помещение вентиляционной камеры или
трансформаторной подстанции использует всю его высоту, то эти
помещения встраивают в основное здание. Аналогичное решение
принимают, когда здание многоэтажное и соответствующее помещение
использует полную высоту этажа. Если же основное
производственное помещение высокое и особенно если оно обслуживается
мостовым краном, рассматриваемые помещения располагают в
пристройках более низких, чем основное здание. Иначе внутри
высокого и дорогого помещения будет занята площадь, над
которой значительный объем помещения не будет полезно
использоваться.
Для повышения эффективности строительных решений
целесообразно пристройки, включающие вентиляционные камеры,
трансформаторные подстанции, иногда помещения КИП и другие
подобные помещения, объединять, создавая одну общую, иногда
двух- или трехэтажную пристройку. Административно-бытовые
помещения обычно также размещают в многоэтажной пристройке,
примыкающей к производственным помещениям.
Размещение помещения КИП и систем автоматизации
целесообразно предусматривать в непосредственной близости от
соответствующих установок и участков цеха. Это должно позволить
персоналу через окна в помещении КИП визуально контролировать
положение на соответствующем участке. Возможно также
совмещение помещений КИП и помещений для отдыха персонала
во время смены, так как в обоих случаях требуется создание
отличного от общих цеховых помещений климата.
Разработка объемно-планировочных решений для отдельно
стоящего производственного объекта состоит из ряда стадий.
Сначала прорабатывают установки аппаратов или групп аппаратов,
размещаемых в составе объекта. Взаимно согласуют их
размещение. Определяют места размещения отдельных аппаратов или
изолированных помещений для установок, проектируемых в смежных
частях проекта. Намечают места размещения емкостей для
промежуточного хранения, выставочных площадей и т. п. Намечают
трассы всех коммуникаций, транспортных проходов, проездов и
проемов. В соответствии с решениями по организации транспорта
корректируют расположение установок и аппаратов в плане.
Анализируют и корректируют взаимное расположение аппаратов по
высоте, устанавливают унифицированные отметки площадок по
помещению. Определяют конфигурацию и габариты помещения в плане
и по высоте. В случае необходимости перепланируют, изменяя
взаимное расположение крупных отделений, не меняя их внутренней
компоновки.
Рассматриваемые ниже примеры планировки помещений
отдельных переделов производства редких металлов не
исчерпывают всего разнообразия возможных решении, всех процессов и
23*
355
технологий. При рассмотрении примеров не ставилась цель дать
всестороннюю полную характеристику каждого решения,
выделялись тольно основные, характерные черты.
Отделение вращающихся печей
Планировка отделения вращающихся печей включает основные
элементы: систему загрузки, собственно печь, систему выгрузки.
Загрузка печи наиболее просто решается, когда печь питается
жидкостью или пульпой. В этом случае у загрузочного конца печи
размещают только трубопроводы, через которые исходные
продукты вводятся в печи наливом или в распыленном состоянии через
форсунки. Даже при простейшей схеме питания планировочное
решение не может быть одноэтажным. Печь устанавливают на опорах
на отметке ±0,0. Высота опор должна обеспечивать удобство
разгрузки, т. е. размещение вертикальной воронки или течки и
приемного устройства (например, транспортера) под ними. Даже
разгрузочный, нижний конец печи не может располагаться ниже 3,0—
4,0 м над отметкой ±0,0. Соответственно загрузочный верхний
конец располагают несколько выше, а точка питания печи, как
правило, не может находиться ниже отметки +4,0—5,0 м. Это требует
для размещения узла загрузки площадки, соответственно поднятой
над отметкой ±0,0. Описанное расположение печи и загрузочного
устройства возможно только в том случае, если после печи продукт
не поступает в расположенный под ней холодильник. Если
требуется установка холодильника, то высоту установки печи и
соответственно загрузочного и разгрузочного ее концов следует увеличить.
При питании печи твердой шихтой компоновка осложняется.
Появляется необходимость размещения питателя для твердой
шихты, требующего дополнительной высоты, так как из питателя
шихта обычно подается в печь по течке с большим наклоном.
Кроме того, перед подачей в печь шихта может подвергаться
смешению, а смеситель должен располагаться над питателем. Таким
образом, у загрузочного конца печи необходима этажерка для
размещения системы подготовки шихты и питания печи. Со стороны
разгрузочного конца площадка для обслуживания также
необходима. Если холодильник после печи отсутствует и разгрузочный
конец печи расположен достаточно низко, такая площадка может
быть местной.
На планировочные решения загрузочного и разгрузочного
концов печи влияет также схема прохождения через печь топочных
газов. Если движение газов противоточное, то топочную головку
размещают у разгрузочного конца печи. В этом случае площадка
у разгрузочного конца должна обеспечивать размещение выносной
топки или других устройств для сжигания топлива. Так как
отходящие из печи газы выводятся из загрузочного конца печи, там
следует устанавливать необходимое оборудование для
пылеулавливания и очистки газов. Установка, улавливающая пыль, должна
позволять возвращать уловленную пыль непосредственно в печь.
356
|i ^Ч
f, ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч1
ч Ч Ч Ч Ч Ч УГУ
мэ
Для обеспечения этого оборудование пылеулавливания должно
располагаться над системой питания печи. Если прохождение
дымовых гЗзов прямоточное, то узел сжигания топлива располагают
у загрузочного конца печи, а оборудование пылеулавливания и
газоочистка— У разгрузочного. Таким образом, общая схема
размещения баРабанной печи включает этажерку у загрузочного конца
печи одноэтажную часть, где размещается барабан печи, и
площадку у разгрузочного конца печи.
Постоянное обслуживание и наблюдение за работой
барабанных печ£Й персоналом производятся только в узлах загрузки и
выгрузки. 3 местах расположения привода печи и опор под барабан
наблюдение и уход требуются только периодически. Это создает
возможность барабаны печей относительно большой длины
располагать открыто, вне помещения. В помещениях остаются только
системы загрузки и выгрузки печи. Однако для печей длиной менее
60 м открытое расположение, как правило, нецелесообразно, так как
пространство между зданиями, в которых располагаются системы
загрузки и выгрузки, оказывается весьма стесненным, а снижения
затрат или нет вообще, или оно незначительно.
Окончательное решение по этому вопросу принимается с учетом
конкретных условий проектируемого объекта.
На чертеже (см. рис. 134) показано размещение печи спекания
в случае расположения загрузочной и разгрузочной головок в
отдельных помещениях. Исходная шихты в кюбелях 1 с помощью
электро1ельферов 2 подается в бункер 4 и через систему
пневмотранспорта в бункер 3, а оттуда через питатели-дозаторы 5 и 6
в смесители 7 и 8. Из смесителей по течке шихта попадает в шнеко-
вый питатель 9 и затем в печь 10. При расположении всего
комплекса речного отделения на ровной площадке общая высота
такого помещения составит не менее 40 м с размещением
оборудования нЗ 5 различных по высоте отметках. Однако использование
наклони01"0 участка позволило существенно уменьшить высоту
здания, в котором размещен загрузочный узел печи. Интересно
решение' разгрузочного узла холодильника 11. Чтобы упростить
дальнейший транспорт, спек выгружается в валковую дробилку 12,
а из нее в камерный питатель системы пневмотранспорта 13. Весь
узел от головки холодильника до камерного питателя решен на
основе самотечного транспорта под действием силы тяжести
материала. Однако это потребовало создания заглубленного ниже
отметки ±0,0 приямка в полу помещения.
Отделение приготовления брикетов
Планировка отделения приготовления брикетов (рис. 135) в
какой-то i*:ePe подобна планировке узла загрузки шихты при
установке вращающейся печи. Определяющий элемент компоновки —
требование максимального использования самотечного транспорта
материала. При размещении в одноэтажном здании транспорт
материалов от дозирующих устройств к смесителю, от смесителя
358
к прессу и т. д. потребует использования специального достаточно
дорогого оборудования. Если принять транспортное оборудование
непрерывного действия, то оно потребует значительных
производственных площадей, больших затрат и будет использоваться
недостаточно эффективно. Если же принять транспортное оборудование
периодического действия, то оно почти неизбежно будет
ограничивать производственные возможности. В рассматриваемом примере
сырье по системе пневмотранспорта поступает, в
фильтр-разгрузитель 1, а затем в дозатор 2 и смеситель 3. Туда же из бункера 4
и бака 5 подаются остальные компоненты шихты. Из смесителя
масса по вертикальной течке поступает в питатель 6, а из него
в валковый пресс 7, оттуда брикеты через систему двух
транспортеров 8 и 9 передаются в примыкающие к этажерке отделения.
Здесь брикеты загружаются в контейнеры 11, транспортируемые
мостовым краном 10. На чертеже показана также установка
размола, состоящая из шахтной мельницы 12, циклонов и фильтров 13
и 14 для отделения продуктов размола от воздуха, сборного
бункера 15 и камерного питателя 16 для выдачи размолотого
материала в систему пневмотранспорта.
По рассмотренной компоновке можно сделать одно критическое
замечание. Контейнеры, в которые с помощью транспортера
загружаются готовые брикеты, установлены в приямке, заглубленном на
2300 мм, по отношению к полу цеха. Целесообразнее, вероятно,
было бы решение, позволяющее устанавливать контейнер на
отметке ±0,0. Подачу брикетов в них при этом можно было бы
обеспечить наклонным транспортером.
Отделение хлорирования в расплаве
Планировка отделения хлорирования в расплаве (рис. 136) —
пример однопролетного решения с использованием для
размещения и обслуживания аппаратов встроенных этажерок. Основа
планировочного решения — установка хлоратора с конденсационной
системой, снабженная собственными площадками для
обслуживания и наблюдения за работой аппаратов. Системы хлорирования
и конденсации объединены в группы попарно и расположены
поперек цеха, занимая все его сечение. Между площадками,
объединяющими две установки хлорирования и конденсации, созданы
проемы шириной 18—24 м, обеспечивающие подъем мостовым краном
на площадки грузов, доставляемых напольным транспортом, и
облегающие проветривание площадок, расположенных под
перекрытиями. Площадки для обслуживания различных групп установок,
расположенные на одной высоте, связаны между собой переходами,
расположенными в рядах А—Б. Отделение хлорирования связано со
смежными переделами довольно сложными транспортными связями.
В отделение поступают исходное сырье, материалы, вводимые в
шихту, хлор, а также расплав для обновления состава ванны
хлорирования. Из отделения выводятся продукты хлорирования в виде
жидкости, твердые отходы хлорирования, отработанный расплав
359
ШЙ35
6000
<b
Ф
ШШЯШШЯйШ
Рис. 135. Отделение
360
+20,00
47,15
ш
-v-
и
70
3
гп-г^—[
J$
h
i i
приготовления брикетов
361
©0®0©©00®©®0
+22,i0
*20,00"3L
+ 15,55
A-A
+23,65
® ® © 0 ® 0
из хлоратора и отходящие газы после конденсации хлоридов.
Сырье и все компоненты шихты для хлорирования подаются по
системе пневмотранспорта, хлор — по трубопроводу и только
расплав — в ковшах.
Из отделения основной продукт и отходящие газы удаляются
по трубопроводам, а отработанный расплав и твердые отвальные
хлориды вывозятся в ковшах и кюбелях. Если исключить продукты,
поступающие и выводимые по трубопроводам, средствами
напольного транспорта и мостовым краном должны транспортироваться
только исходный и отбросный расплавы хлорирования и твердые
отвальные хлориды. Из цеха в цех расплав доставляется
средствами напольного транспорта. Так как внутри отделения
происходит смена вида транспорта — напольного на мостовой кран,
предусмотрены буферные емкости для расплава в виде миксеров /.
Исходные компоненты шихты для хлорирования, поступающие по
362
Венткамера Вентпанера
Рис. 136. Отделение хлорирования в расплаве'
1— миксер; 2 — хлоратор; 3 — разгрузитель; 4 - бункер; 5- -дозатор; 6- питатель;
7 ~ кюбель; S — кулер; 9 — рукавный фильтр; 10— оросительный конденсатор;
// — брызгоуловитель; /2 —бак; 13— ковш для расплава
системе пневмотранспорта, проходят через разгрузитель 3, бункер
промежуточного хранения 4, систему дозировки 5 и питания 6. Для
размещения системы питания хлоратора в рядах И—К. вдоль всего
корпуса создается этажерка, включающая 4 площадки, по которой
проходят и все трубопроводы, подводящие исходные продукты.
Соответственно сам хлоратор 2 установлен в рядах Е—И
непосредственно около загрузочной этажерки. Вдоль другой стены пролета
в рядах Л—Б на отметке ±0,0 создан коридор для напольного
транспорта. Средства напольного транспорта используются в
основном для вывода заполненных кюбелей с твердыми отвальными
хлоридами 7 и доставки порожних кюбелей. Ковши как со свежим,
так и с отработанным расплавом транспортируются только
мостовым краном. Кроме того, как с помощью напольного транспорта,
так и мостового крана проводятся операции по транспортировке
грузов, необходимые для ремонтных работ. Если имеется
необходимость сменить для ремонта один из аппаратов конденсационной
системы, его демонтируют и выносят в торец цеха с помощью
мостового крана.
Описанную транспортную схему можно было бы существенно
усовершенствовать, если бы перевести на трубопроводный
транспорт все продукты, потребляемые и выдаваемые системой в ходе
нормальной эксплуатации. Исходный расплав можно было бы
подавать в виде гранул пневмотранспортом и плавить непосредственно
363
в ванне хлоратора, а отвальный расплав удалять по системе
гидротранспорта. Твердые хлориды могли бы удаляться по системе
вакуум-транспорта или гидротранспорта. Однако такие решения
нельзя принять без дополнительной глубокой технологической
проработки.
Проработка решений, обеспечивающих полный перевод
текущей эксплуатации на трубопроводный транспорт, позволит
исключить использование напольного транспорта и мостового крана.
Соответственно отпадут операции, связанные с перегрузкой
поступающих в цех технологических материалов и удаляемых из цеха
отходов производства. Мостовой кран и средства напольного
транспорта сохранятся только для выполнения ремонтных работ. При
этом вместо, по крайней мере, двух мостовых кранов,
используемых для транспорта технологических продуктов, можно
ограничиться установкой одного мостового крана.
Так как в процессе хлорирования образуется смесь паров
хлоридов, конденсирующаяся в широком интервале температур, одна
из задач компоновки — максимально сократить длину
коммуникаций между аппаратами системы и обеспечить для персонала
возможность ведения работ по чистке коммуникаций. Все аппараты
конденсации: кулера 8, рукавный фильтр 9 и оросительные
конденсаторы 10 максимально приближены друг к другу. Газоходы между
кулерами и между последним кулером и фильтром снабжены
люками для чистки. В верхней части кулеров для ведения работ по
чистке предусмотрены специальные площадки. После рукавного
фильтра, когда дальнейшее выделение твердых хлоридов на
стенках газоходов исключено, возможность чистки коммуникаций не
предусматривается.
Существенное значение имеют решения по смежным частям
проекта. Помещения для трансформаторных подстанций выполнены
как двухэтажные пристройки к основному пролету в местах
расположения хлораторов. Второй этаж используется для размещения
приточных вентиляционных камер. На площадке +9,0 в рядах
И—К выделены помещения для размещения щитов управления
системами энергопитания, помещения КИП и систем автоматизации.
Так как из отделения удаляется большой объем загрязненного
воздуха, для вывода его используется система боровов, расположенная
в подвале под полом цеха между рядами колонн А и Е. В
рассматриваемом примере борова с загрязненным воздухом выводятся
из цеха и проходят в отдельно стоящий блок газоочистки. Однако
в некоторых случаях систему газоочистки целесообразно
разместить в одном блоке с основными технологическими установками,
увеличив в нем число пролетов.
Отделения гидрометаллургической переработки
Планировка отделений гидрометаллургической переработки
(рис. 137—139) в значительной мере определяется необходимостью
организации самотечного транспорта, что предопределяет исполь-
364
зование многоэтажных решений. В рассматриваемом примере
отделения гидролиза с целью получения гидрата окиси элемента
(рис. 137) наглядно видно, как размещается оборудование, если
необходимо использовать для транспорта продуктов самотек.
Исходный продукт поступает со смежных операций в установленную
на отметке ±0,0 сборную емкость /, а оттуда в головной аппарат
технологической линии — бак постоянного уровня 2. Другим
головным аппаратом является теплообменник — подогреватель для
воды 3. Из головных аппаратов вода и раствор поступают в
цепочку реакторов непрерывного действия 4, расположенных
ступенчато, что обеспечивает самотечное перемещение пульпы. После
завершения процесса пульпа с образовавшейся гидроокисью попадает
самотеком на расположенный ниже ленточный фильтр 5.
Отфильтрованный продукт сбрасывается вниз в бак для репульпации и
промывки 6. После репульпации, пульпа насосом 7 подается в бак 8,
питающий фильтр 9. Полученный осадок по вертикальной воронке
направляется на сушку во вращающуюся печь. Рассмотренная
компоновка демонстрирует общие закономерности размещения
оборудования гидрометаллургических схем, в том числе
ступенчатое расположение оборудования по высоте, обязательный
вертикальный сброс осадков с фильтров, расположение всего
насосного хозяйства на отметке ±0,0. Последнее определяется не только
тем, что с отметки ±0,0 дальнейший самотечный транспорт
уже невозможен, но и стремлением исключить установку
источников динамических нагрузок — насосов на междуэтажных
перекрытиях.
Несколько менее четко в приведенном примере организовано
обслуживание подъемно-транспортным оборудованием приводов
мешалок в емкостях для пульпы, насосов и фильтрпрессов при
ремонтах. Для позиций 4 и 8 такое обслуживание
обеспечивается мостовым краном, для сгустителя 10 установлен монорельс
с кошкой, над фильтрпрессом 11 также установлен монорельс. Для
обслуживания насосов, установленных на отметке ±0,0, и мешалок
12 и 6 никаких подъемно-транспортных механизмов не
предусмотрено. Использование мостового крана в данном случае не
вполне оправдано. Для этой цели следует применять более дешевое
оборудование — тельферы или кошки с ручным приводом на
монорельс.
Примером гидрометаллургического передела может служить
также отделение фильтрации на фильтрпрессах и репульпации
одного из промышленных объектов (рис. 138).
Другой пример гидрометаллургического передела — отделение
экстракции (рис. 139). Для этого отделения также характерно
использование самотечного транспорта. Баки для питания
экстракционных каскадов 1 и 2 установлены на верхней площадке +9,10.
Сами каскады экстракторов 3—8 расположены на ступенчатой
раме, что обеспечивает переток продуктов без помощи
механических побудительных устройств. Сборные баки, баки для хранения
продуктов и насосы установлены на отметке ±0,00.
365
6ОО0
0
ъ
ф
366
Рис. 137. Отделение
©
©
гидролиза
367
Рис. 138. Отделение фильтра
7, 2 баки исходной пульпы; 3 насосы; 4- фильтрпрессы;
368
,^tm.
51
I/—,1/ ,1/—>L
,1/—it/—\\t—iE
"»>
MIi
ffrtS
,HipB) ,
УгН-nli
щттттмштшш
7
7
^"'Ш^^^Ш^^Ш^! ш
¥ШМШкт
i
i—
1
I—'I—'-1
I 1 1
®
ции и репульпации:
5 —баки для репульпации осадка; 6 -кошка
24 Зак. J* 461
369
Рис. 139. Отделение экстракции:
/, 2 — баки питания; 3—8 — каскады экстракции
Отделение ректификации и дистилляции
Планировка отделения ректификации и дистилляции (рис. 140)
определяется необходимостью размещения высоких колонн /,
требующих обслуживания на трех различных уровнях: на площадке
+ 4,80, где установлены кубы-испарители 2, на площадке +14,40,
где установлены питающие подогреватели сырья 3, на площадке
+ 19,20, где установлены конденсаторы-дефлегматоры 4 и баки
питания 5. Колонны дистилляции 6 также имеют кубы-испарители 7
на площадке +4,80 и конденсаторы-дефлегматоры 8 на отметке
+ 19,20. Готовый продукт через бак 9 и холодильник 10 поступает
в бак 11. Сборные баки и насосы для перекачки продукта
размещены на отметке +0,00.
Для компоновки помещения характерна средняя высокая часть,
где размещены колонны, и боковые пониженные части, где разме-
370
щепы кубы-испарители. По всей установке обеспечивается
самотечный транспорт жидкостей. Важным вопросом, решаемым в
планировке отделения, является транспортное обслуживание
ремонтных работ. Основное оборудование, которое часто выходит из строя
и требует ремонта, это кубы-испарители 2 и 7 и в значительно
меньшей степени конденсаторы-дефлегматоры 4 и 8. Эти аппараты для
ремонта демонтируют и перевозят в специальные помещения.
Поэтому транспортные средства должны обеспечивать эвакуацию
аппарата целиком. Для кубов-испарителей задача решается
установкой кран-балок 12. Для конденсаторов-дефлегматоров транспорт
9000 OOOff I 6000 , 9000
ё ® ® ® ®
Рис. ЫО. Отделение ректификации и дистилляции
обеспечивается тельфером на монорельсе, проходящем над всеми
конденсаторами. Тельфер используется также для передачи
конденсаторов с отметки + 19,20 на отметку ±0,00. Для этой цели под
одним из участков монорельса предусмотрены проемы в площадках
+ 19,20, + 14,40, +9,60 и +4,80. Таким образом, обеспечена
доставка грузов, необходимых для ремонтных работ, на все
площадки. Опыт эксплуатации установок ректификации показал для
некоторых производств необходимость в частой смене царг
собственно колонн из-за их коррозионного разрушения. Это делает
необходимым устройство монорельса, проходящего над всеми
колоннами, что в рассматриваемой планировке не предусмотрено.
Цех электролиза
Планировка цеха электролиза (рис. 141) основывается на
использовании одноэтажного помещения. Определяет в значительной
мере компоновку всего цеха отделение собственно электролиза.
24*
•371
На решения по планировке отделения электролиза влияют три
основных фактора. Первый фактор — необходимость создания
рациональной электрической схемы питания, которая требует
обеспечения минимальной длины питающих электролизеры 3 шинопроводов.
Так как все электролизеры цеха соединяют практически в любом
производстве такого типа последовательно, то сокращение длины
шинопроводов достигается за счет уменьшения расстояния между
соседними по соединению в электрической цепи электролизерами,
расположения помещения преобразовательной подстанции в
непосредственной близости от помещения электролиза и двухрядного
JT \Х 5 — отделение подготовки соли и склад солей; 6 —
А) (MJ хлорная компрессорная
расположения электролизеров. Двухрядное расположение
электролизеров, позволяющее расположить рядом первый и последний
электролизеры серии и приблизить их оба к помещению
преобразовательной подстанции, можно заменить четырехрядным. Однако
относительно небольшое число электролизеров в серии,
характерное для производства большинства редких металлов, делает
четырехрядное расположение нецелесообразным. Второй
фактор-—требования санитарной техники. Выделение вредных веществ в
процессе производства и особенно значительные тепловыделения при
электролизе расплавов делают желательным использование
аэрации, что может быть успешно осуществлено только при однопро-
летном решении. Третий фактор связан с обеспечением
внутрицехового транспорта. Наиболее эффективным видом транспорта
в рассматриваемом случае является мостовой кран. Мостовой кран
372
позволяет вести не только операции по доставке исходного сырья,
электролита и извлечению готового продукта, но также и
монтажные, ремонтные и некоторые другие операции но обслуживанию
электролизеров, такие как подъем электродов и т. и.
Использование мостового крана в свою очередь предопределяет
целесообразность однопролетного, одноэтажного решения.
В рассматриваемом примере в одном помещении объединены
отделения электролиза и переплавки в слитки получаемого
продукта. Такое решение приемлемо при использовании относительно
простого плавильного оборудования, не требующего для своей
работы специальных условии, для относительно легкоплавких
продуктов, переплавляемых на воздухе или под слоем флюса.
Обязательна в планировочных решениях изоляция отделения подготовки
солей для электролита. Обработка этих солей связана со
специфическими вредными выделениями, которые необходимо
локализовать. Последнее отделение цеха в рассматриваемом примере —
хлорная компрессорная, передающая анодный продукт процесса
электролиза — хлор к потребителям. Хлорная компрессорная
допускает некоторое удаление от отделения электролиза, но оно не
должно быть чрезмерным. Возможность создания разрежения на
стороне низкого давления у компрессора ограничена.
Из прочих особенностей размещения оборудования и
коммуникаций для электрохимического производства в рассматриваемом
примере следует подчеркнуть расположение шин для подвода
энергопитания к электролизерам и хлороироводов для удаления
анодного хлора в каналах под иолом цеха, перекрытых съемными
плитами. Такое решение освобождает поверхность пола для работы
персонала и движения в случае необходимости напольного
транспорта, сохраняя возможность доступа к шинам или хлоропроводу
при осмотрах или ремонтах.
Отделение восстановления и вакуумной дистилляции
Планировка отделений восстановления и вакуумной
дистилляции (рис. 142 и 143) в цехах магниетермического производства
титановой губки являются примером наиболее крупномасштабного
для металлургии редких металлов производства. Технологический
процесс рассматриваемого производства периодический и
заключается в проведении ряда операций в переносном аппарате
восстановления и вакуумной дистилляции /, который последовательно
проходит через стенды откачки, печь восстановления 2, холодильник 3
(рис. 142), стенд монтажа конденсатора, печь вакуумной
дистилляции, холодильник (см. рис. 143), стенд демонтажа. Так как масса
аппарата в сборке составляет несколько тонн, то планировка
определяется возможностями транспорта аппарата по цеху. В
настоящее время для этой цели используется мостовой кран 4 как
универсальное подъемно-транспортное средство. Собственно отделения
восстановления и вакуумной дистилляции решаются как однопро-
летные здания, оборудованные мостовыми кранами.
373
т\
©у "Ж*33^"-""t^pf;^fu'^n^pi^T^gs^ —j""''»1 "и" •'' g
<№l
SM,
©I J
л?
I
<ГЭ|
Э-
о-
1,2 ~Ja
®©0©®©(^вФ(*)(»)(4)<*){3><Ьф
ф ф Ф ©© :Ф2)®1 © © ё
>/;.'>//.'?.•
U2) U3
Вьютавочная
площадка
!0,00
© у® @И и й w и й и @
1> ; ; ; ^ } ) > J > > :
4-А
■М
5-5
Ч+5,Ь0
© © ФФ©©©Ф®©Ф©
© © © ©
Рис. 142. Отделение восстановления машиетермического производства титана
1111 i i i rm
\ Ш \ ^
■
°^a °sa c^a
jj^-'yd1—"iP
J
Ф © й © щ„&) ©i © ® © © (2) © © i
W КППП I , /1/7// И
BSb вд asb "^«tf
BSb fl^i ЕЩ]
и i и i i iza)
LLLfriJ.'
Вдктавочная
площадка
±0,00
Ц
\® ® Ф) © ® <k
A-A
6-6
B-B
0 © 0 © © © 0 ©
■"bsfei жаж&й WJ^^dJub^vwK Sees
Ип-rrKl I III "ГГТГт=гтР|
ДЯ?
Ф ©W® ff
<y. ©^ ffi
Рис. ИЗ. Отделение пакуумной дистилляции магниетермического производства титана:
/ — аппарат восстановления и пакуумной дистилляции (со смонтированным конденсатором); 2 — печь вакуумной дистилляции; 3 —
холодильник; 4 — мостовой кран; 5 — механический вакуум-насос; 6 — диффузионный вакуум-насос
Печи для проведения процессов восстановления или вакуумной
дистилляции размещаются на площадках +5,4 м, прорезая эти
площадки. В основной, печной, части отделений восстановления
и вакуумной дистилляции рабочее пространство разделяют на две
зоны — над площадкой +5,4 м и под площадкой на отметке ±0,0 м.
Как в отделении восстановления, так и в отделении вакуумной
дистилляции зона над площадкой является зоной с минимальным
выделением вредностей. На этой площадке осуществляются все
операции, связанные с установкой аппаратов в печи и управлением
процессом.
Для отделения восстановления (см. рис. 142), помимо
транспорта собственно аппаратов, имеются еще транспортные потоки
поступления четыреххлористого титана и магния в процессе
восстановления и удаления образующегося в процессе восстановления
хлористого магния. Четыреххлористый титан поступает из баков 10
по трубопроводам. Магний подается мостовым краном в вакуум-
ковшах 5. Образующийся хлористый магний сливается в
транспортируемые на электрокаре 6 ковши 7. Все операции, связанные с
перегрузкой жидкого хлористого магния, сопровождаются
интенсивным выделением вредностей. Кроме того, под площадкой
расположены обдувочные вентиляторы 8 для охлаждения реторт в период
восстановления, являющиеся источником шума и вибрации. Таким
образом, все источники неблагоприятных воздействий на персонал
сосредоточены под площадкой и там локализуются.
Вакуум-насосы 9 для предварительной откачки аппаратов располагают под
площадкой. Для защиты от воздействия агрессивных паров,
выделяющихся при сливе хлористого магния, вакуум-насосы размещают
в изолированных помещениях.
Рассматривая планировку отделения восстановления, следует
обратить особое внимание на то, что значительная часть площадки
отделения как у входа в него со стороны смежных отделений на
отметке ±0,0, так и на площадке между печами остается незанятой
каким-либо оборудованием, кроме холодильников, размещенных на
середине пролета. Эти так называемые выставочные площадки
необходимы для размещения аппаратов, ожидающих установки
в печи, или отправки на вакуумную дистилляцию, т. е. являются
буферной межоперационной емкостью. Во многих случаях, как и
в рассматриваемом, переносные аппараты нельзя устанавливать
непосредственно на площадку пола, они нуждаются для своей
установки вне печей или стендов в специальных переносных или
стационарных подставках, которые и размещают на выставочных
площадях. Иногда холодильники можно использовать как стенды для
проведения монтажных операций, а также для размещения
аппаратов, ожидающих передачи в другое отделение или установки
в печи.
Отделения вакуумной дистилляции (см. рис. 143) отличается
тем, что транспортируются в нем только аппараты вакуумной
дистилляции 1, а транспортные потоки материалов практически
отсутствуют (если не считать подвода к аппаратам инертного газа). По-
376
этому аппараты располагают в здании с большей плотностью, не
в два, а в три ряда. Помещение под площадкой используют для
размещения механических вакуум-насосов 5, — источников шума.
Основные рабочие места по обслуживанию аппаратов,
расположенные на отметке 5,40, изолированы от источников шума
перекрытием. Паромасляные диффузионные вакуум-насосы 6, которые не
являются источниками шума или других неблагоприятных для
работы персонала воздействий, расположены на отметке +5,4.
А-А
+Н.00
А X УУУЛХ У V УЧА Л А XX X У VWW^AX У. У УУЧАА А X У У УУЧААХ X \
6000
6000
6000
6000
(О
0)
О)
<*)
ъ
Рис. 144. Отделение иодидного рафинирования
377
iiiiiiiiiim
Бытовые
помещения
ШШШГ
т\
& IF
Вентиляционная
/«мера
-%— И -- Й --У
IIIIIIIIIIHIII
±0,00
■ф
-€Э—' -|
Вентиляционная
капера
Й Ф ft
L'<g_ jm£_^MPff\
! а
_а Ф—■ rt —ft
4
126000
{WW vui/V vvuui , I ( .-—- ~=-Г-Г.Г.
©(£) ®©~ © © © © ® ® © ©
Л-Л
►/5.Л?
Рис. 145. Отделение
378
© (b ®
'16) Of) /<? (22) (23) (2i) (25)
6-6
9h
1
±0,00
nT?
fi..A-ТЕ
! Ш7<? !
/
(?)
00
0
электроннолучевой плавки
379
Трансформаторные подстанции и вентиляционные камеры
выполнены в виде двухэтажных пристроек к основному корпусу. Такие
пристройки занимают относительно небольшую часть от общей
длины стен корпуса. На втором этаже пристроек над
трансформаторными подстанциями размещены помещения КИП.
Отделение иодидного рафинирования
Планировка отделения иодидного рафинирования производства
одного из редких металлов (рис. 144) в какой-то мере сходна с
планировкой отделении восстановления и вакуумной дистилляции.
Установки для иодидного рафинирования 1 расположены на площадке
-1-3,6 м, прорезая ее. Под площадкой установлены обдувочные
вентиляторы 2 и механические вакуум-насосы 3. Па площадке
осуществляются все операции по монтажу реторты в установке. В
смежном одноэтажном помещении размещены оборудование и стенды
для осуществления всех вспомогательных операций, таких как
разборка аппаратов, промывка перерабатываемого материала и
деталей, сушка и т. д. Для транспорта наиболее громоздкого и
тяжелого груза — реторт помещение оборудовано подвесной кран-
балкой 4. Компоновка одноэтажной части характерна для
маломасштабного производства с оборудованием периодического действия.
Оборудование установлено на полу в порядке выполнения
операций. Никаких транспортных устройств между отдельными
позициями не предусматривается. Все детали и материалы, проходящие
обработку, передаются с операции на операцию вручную или с
помощью простейших средств механизации.
Отделение электроннолучевой плавки
Планировка отделения электроннолучевой плавки (рис. 145) —
•характерный пример изолированной установки аппаратов.
Установки электроннолучевой плавки 1 и 2 размещены в помещении
зального типа — однопролетном и одноэтажном и снабжены
собственными обслуживающими площадками. Установки
электроннолучевой плавки требуют сложной системы электропитания. Источники
питания 3 максимально приближены к установкам. Поэтому у
каждой установки плавки размещен источник электропитания,
отгороженный от основного помещения. Особенность плавильного
отделения практически для любого редкого металла — относительно
небольшой транспортный поток (десятки или сотни килограммов
в сутки). Несмотря на столь малый поток, необходимо
использовать сложные транспортные механизмы. Это связано с
относительно большой массой отдельных слитков, которая может
достигать нескольких сот килограммов. Помещение оборудовано
мостовым краном 4. Кран, кроме того, используют для монтажных
операций на установках.
.380
Установки газоочистки абсорбционного типа
Планировка установки газоочистки абсорбционного типа
(рис. 146) определяется скрубберами. Скрубберы / расположены
Рис. 146. Установка газоочистки абсорбционного типа
на самостоятельных опорах вне помещения. Все обслуживающие
площадки и брызгоуловители 2 крепятся на самих скрубберах.
Баки с жидкостью для орошения скрубберов 3, насосы для подачи
381
орошающей жидкости 4 и вытяжные вентиляторы 5 для очищаемых
газов расположены на отметке ±0,00 в одноэтажном помещении.
Для проведения монтажных работ над наиболее тяжелым
оборудованием— двигателями насосов и вентиляторов предусмотрены
монорельсы с кошками. Для сокращения коммуникаций баки
для орошающей жидкости размещают непосредственно под
скрубберами. Установка вентиляторов целиком определяется
выбором рациональной трассы газоходов. В некоторых случаях в
местах установки форсунок делают местное укрытие для их
обслуживания.
Емкостные склады для жидких или сыпучих продуктов
Планировка емкостных складов для жидких или сыпучих
продуктов имеет общие черты. Если емкости достаточно крупные, то их
устанавливают вне помещения и укрытие для персонала создается
только в точках обслуживания узлов загрузки и разгрузки
емкостей.
Силосный склад (рис. 147) концентрата решен как система
из двух рядов бункеров, загружаемых с помощью
пневмотранспорта и выдающих продукт также через пневмотранспорт. Так как
полностью склад опоражнивается относительно редко, то для
снижения затрат на оборудование камерные питатели 1— наиболее
сложное и дорогое оборудование склада устанавливают постоянно
только иод четырьмя силосами из шестнадцати. Под любым из
остальных двенадцати силосов в случае необходимости разгрузки
устанавливают один из четырех передвижных камерных питателей 2.
Практика эксплуатации показала сложность работы с
передвижными камерными питателями. Однако если механизм передвижения
камерных питателей будет доработан, то предлагаемое проектное
решение может стать целесообразным. Система трубопроводов
склада позволяет не только загружать и разгружать любой бункер,
но и перегружать материал из любого бункера в любой. Основной
объем силосов никакого обслуживания не требует. Укрыты только
галерея под силосами, где установлены камерные насосы, и
галерея над силосами, где проходят трубопроводы загрузки бункеров
и расположены фильтры 3 для очистки отработанного воздуха.
Галерея, в которой установлены камерные питатели, в
рассматриваемом примере имеет отметку пола — 3,0 м. Такое заглубление
целесообразно, так как это связано с использованием объема,
неизбежно образующегося при создании фундаментов.
В складе жидких продуктов (рис. 148), как и в силосном складе,
точки установки транспортного оборудования и обслуживания
персоналом укрыты в помещении или на специальной галерее, в то
время как сами емкости 1 и 2 расположены без какого-либо
укрытия. Как показано на чертеже, насосы 3 для выдачи жидкости
со склада расположены в помещении цеха, вдоль стены которого
установлены емкости. Такое решение не обязательно. Склад может
располагаться на генеральном плане изолированно от других со-
382
оружений, но тогда в нем должно создаваться специальное
помещение насосной станции.
Другие особенности компоновки склада жидкого продукта
заключаются в том, что насосы установлены с расчетом на
самотечное поступление жидкости из емкостей, а площадка, на которой
емкости расположены, выполнена углубленной с откосами, что
исключает в случае пролива жидкости ее растекание по территории
предприятия. Для жидких продуктов в отличие от твердых, моло-
*38,ио
Рис. 147. Силосный склад концентрата
тых или кусковых выдающее транспортное устройство никогда не
располагают непосредственно под емкостью. Силосы и бункера не
могут иметь, как баки для жидкости, плоское или сферическое
днище, а выводимый сыпучий материал не может двигаться по
трубам и течкам с малым углом наклона. Кроме того, размещение
насосного помещения под емкостью с жидкостью всегда несет
в себе опасность аварийного затопления такого помещения. В
рассматриваемом примере емкости для жидкого продукта
расположены горизонтально с небольшим уклоном в сторону насосов для
лучшего опорожнения. Как показала практика эксплуатации, для
жидкостей, из которых во время хранения выделяются осадки,
383
удаляемые при очистке емкостей, предпочтительнее вертикальное
расположение емкостей. Это создает лучшие условия для чистки и
сокращает площадь, занимаемую складом на генеральном плане.
А-А
7,00
К потребителю
1
© Ц®
Рис. 148. Склад жидких продуктов
Приведенный пример склада жидкости не отражает
особенностей проектирования складов сильнодействующих ядовитых
веществ и сжиженных газов, которое осуществляется по особым
требованиям.
384
Межцеховые транспортные сооружения
Межцеховые транспортные сооружения проектируются при
необходимости организации транспорта продуктов из одного здания
в другое с помощью транспортных средств, требующих укрытия.
Такие сооружения бывают двух основных видов — коридоры и
галереи.
Транспортные коридоры используются в том случае, если
необходима организация транспорта на отметке +0,0. По таким
коридорам продукты передаются с помощью средств напольного рель-
Рис. 149. Галерея для монорельсового транспорта расплавленного продукта:
/ -тельфер; 2 — ковш для расплава
сового и безрельсового транспорта. При проектировании коридоров
необходимо учитывать как возможность осуществления встречного
движения транспортных машин, так и возможность использования
их для перехода людей из одного здания в другое. Чтобы
обеспечить безопасность, часть коридора, предназначенная для движения
людей, должна быть выделена и отделена от проезжей части каким-
либо видом ограждений.
Недостатком транспортных межцеховых коридоров является
то, что, соединяя между собой отдельные здания, они способствуют
созданию на площадке предприятия замкнутых или тупиковых
дворов, нежелательных как из соображений лучшего проветривания,
так и с точки зрения норм пожарной безопасности. Для
обеспечения требований противопожарных норм в боковых стенах коридора
25 Зак. № 461
385
проектируются ворота, позволяющие при необходимости
пересекать коридор машинам противопожарной службы.
Транспортные галереи используются, когда соединение
отдельных зданий транспортными коридорами на отметке ±0,0
невозможно или нежелательно, а также когда средствами конвейерного
транспорта в двух помещениях связываются точки, расположенные
на значительной высоте относительно поверхности земли.
Транспортные галереи очень часто используются для размещения
ленточных транспортеров.
Соответственно компоновка сечения галереи определяется,
во-первых, габаритом сечения транспорта, во-вторых,
необходимостью прохода персонала для проведения осмотров и ремонтных
работ. Таким образом, габарит галереи увеличивается по ширине не
менее чем па 800 мм, а по высоте целиком определяется, как
правило, высотой, необходимой для прохода человека (1900 м). Кроме
ленточных конвейеров, в транспортных галереях могут
размещаться подвесные конвейеры для штучных грузов или средства
монорельсового транспорта.
Так, в одном из проектов для передачи из одного корпуса в
другой ковшей с расплавом солей была использована галерея
(рис. 149), по которой перемещался тяжелый тельфер. Тельфер
поднимал ковш с отметки ±0,0 в одном из корпусов до высоты,
позволяющей перемещение по галерее, и передвигался по монорельсу
через галерею в соседний корпус.
Глава VII
ДОКУМЕНТАЦИЯ,
ВЫПУСКАЕМАЯ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТА
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Конечным результатом собственно проектирования является
выпуск проектно-сметной документации, т. е. суммы документов, на
основе которых принимаются решения о целесообразности
строительства объекта и необходимом объеме финансирования для этой
цели, осуществляются строительно-монтажные работы и
обеспечивается снабжение строительства необходимыми оборудованием и
материалами. Такая документация содержит расчетно-пояснитель-
ные записки, спецификации и чертежи [о].
Перечисленные материалы, как конечная проектная продукция,
выдаются проектной организацией заказчику. Однако не менее
важное значение имеют выполняемые соответствующим
технологическим подразделением института задания на выполнение
смежных частей проекта. Если проект выполняется во всех частях одной
организацией, такие задания являются внутриинститутскими
документами. Если смежные части проекта (строительная, санитарно-
техническая, электротехническая и др.) выполняются другими
субподрядными организациями, задания на их выполнение — это
документы, уже выпускаемые из института и определяющие
содержание работы субподрядных организаций. Значение заданий на
выполнение смежных частей проекта не менее ответственно, чем
документация, выдаваемая заказчику. В общем объеме затрат на
строительство промышленного объекта капитальные затраты на
осуществление собственно технологической части составляют, как
правило, менее 50%- Таким образом, экономические показатели
проекта в значительной мере определяются решениями по
нетехнологическим частям проекта, но эти решения определяются
заданиями на выполнение соответствующих частей проекта,
подготавливаемыми в ходе технологического проектирования. Такие задания
наряду с действующими нормами и специфическими условиями
площадки размещения соответствующего объекта являются
основой для выполнения смежных частей проекта.
25*
387
2. РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНЫЕ ЗАПИСКИ
Составление расчетно-пояснительных записок обычно
направлено на решение трех основных задач:
1) ознакомление заказчика и утверждающих проект инстанций
с существом решений, принятых при проектировании;
2) обоснование принятых при проектировании решений;
3) ознакомление заказчика и утверждающих проект инстанций
со сводными технологическими показателями проекта.
Пояснительная записка составляется на стадии технического
проекта при двухстадийном проектировании или при выполнении
технорабочего проекта. На стадии рабочих чертежей
необходимость в выполнении расчетно-пояснительных записок может
возникнуть только при внесении существенных изменений по
сравнению с техническим проектом.
Расчетно-нояснительная записка состоит из нескольких
разделов, которые отличаются не только по содержанию вопросов,
которые в них излагаются, но и по задачам, которые они решают.
В разных проектных организациях конкретное содержание и
деление записки на части или разделы в деталях, как правило,
несколько различно. Однако существо рассматриваемых вопросов
практически не изменяется. Записка включает обычно введение,
описание способа технологии производства, описание принятой ап-
паратурно-технологической схемы, расчет материального баланса
производства, расчеты оборудования, спецификацию оборудования,
штатную ведомость трудящихся в проектируемом производстве и
сводные показатели производства.
Во введении рассматриваются основные исходные положения
для технологического проектирования. К ним относятся объем
производства, номенклатура и качество продукции. Приводятся
ссылки на все директивные документы, в которых исходные положения
зафиксированы. Кроме того, во введении обычно рассматриваются
вопросы кооперации проектируемого объекта с другими объектами
проектируемого предприятия и другими предприятиями, если
с ними имеются непосредственные связи.
В описании способа (технологии) производства обычно
излагают основы технологии производства, принятой на проектируемом
объекте. Если возможно применение различных технологий,
проводят их сопоставление и обосновывают выбор технологии, принятой
в проекте. Если принципиального изменения технологии по
сравнению с существующим производством на проектируемом объекте
не предусматривается, то описываются и обосновываются те
частичные изменения и усовершенствования, которые приняты в
проекте.
В описании аппаратурно-технологической схемы излагают
последовательную связь технологических аппаратов и организацию
транспорта между ними. В отличие от описания способа
производства в описании схемы приводится иногда только информационный
материал, без каких-либо обоснований принятых решений.
383
Расчет материального баланса приводится в пояснительной
записке с целью как развернутой информации об исходных
показателях процессов, принятых в проекте, так и обоснования конечных
показателей расхода сырья и материалов, принятой нагрузки на
оборудование. В зависимости от характера проектирования,
степени новизны принимаемой технологии и т. п. в записке может быть
дан или развернутый расчет, или балансовые таблицы по
операциям, или одна сводная таблица материального потока.
Развернутый расчет необходим только для проверки, включать его в
пояснительную записку часто бывает нецелесообразно. Кго можно
выпускать в виде приложения к записке или не передавать заказчику
вообще, а оставлять для хранения в архиве проектной организации.
Раздел расчетов оборудования в пояснительной записке
включает все используемые в проекте виды расчетов оборудования.
В этом расчете могут приводиться элементы конструктивного
расчета аппарата, расчеты необходимого числа рабочих аппаратов и
расчеты общего числа аппаратов. Расчет общего числа аппаратов
должен быть приведен обязательно, а конструктивный расчет
может, как правило, не проводиться. Конструктивный расчет
излишен, если принимается ранее используемое в промышленном
производстве оборудование или если такой расчет применительно к
условиям проекта с достаточной полнотой выполнен в проекте
конструкции аппарата. Расчет оборудования — один из наиболее
ответственных разделов пояснительной записки. Этот раздел в
случае необходимости выполняется и при разработке рабочих
чертежей, являясь единственным содержанием расчетно-пояснительной
записки на этой стадии проектирования. Иа основе выполненного
расчета оборудования составляется спецификация оборудования.
В спецификацию включают все предусмотренное проектом
оборудование объекта. Спецификацию составляют раздельно для
типового оборудования, выпускаемого машиностроительной
промышленностью серийно, и нетипового оборудования, изготавливаемого
по чертежам, выдаваемым проектной организацией, или силами
самого строящегося предприятия или по индивидуальным заказам
машиностроительными предприятиями.
В пояснительную записку включают штатную ведомость. Она
содержит перечень трудящихся, обслуживающих проектируемое
производство, с разбивкой по должностям, рабочим местам и
сменам. В таблице называется по каждому рабочему месту или группе
однотипных рабочих мест явочное число рабочих по сменам и
в сутки, а также списочное число рабочих с учетом коэффициентов,
учитывающих отсутствующих по болезни, находящихся в отпуске,
и для непрерывных производств, имеющих выходной день. В ряде
случаев списочный состав следует подсчитывать по участкам,
отделениям и даже цехам, а не по каждому рабочему месту.
Сводные показатели производства приводятся в записке обычно
в виде таблицы и предназначены для того, чтобы давать основные
качественные и количественные представления о проектируемом
производстве в его технологической части. В основных показателях
389
приводятся данные о выпуске продукции и расходе основных
материалов и энергоресурсов. Обычно все данные приводятся в расчете
на год и на 1 т выпускаемой продукции; иногда эти показатели
приводятся в расчете на сутки. Расход энергоресурсов —
электроэнергии, пара, воды приводится только на технологические нужды.
Из других показателей в таблице иногда приводятся показатели
извлечения цепных компонентов, а также производительность
основного оборудования и число основных технологических
аппаратов.
Приведенный состав расчетно-пояснительной записки в
различных проектных организациях может претерпевать изменения.
Иногда в записку к технологической части проекта включают как
самостоятельные разделы описания схемы контроля и управления
процессом, компоновки и размещения оборудования и мер по
охране труда в проектируемом производстве. В других случаях схему
контроля и управления описывают в специальном разделе КИП.
Что касается компоновки и размещения оборудования и раздела
по охране труда, то они могут излагаться попутно при описании
аппаратурно-технологической схемы. Следует отметить, что
выделение вопросов охраны труда в самостоятельный раздел
технологической части проекта, вероятно, в общем виде всегда желательно.
3. СПЕЦИФИКАЦИИ К ПРОЕКТУ
Спецификации к проекту имеют самостоятельное значение.
Спецификации это официальные документы, на основе которых
строительство обеспечивается оборудованием и материалами для
изготовления оборудования на месте.
В техническом проекте следует приводить заказные
спецификации на технологическое, энергетическое, подъемно-транспортное,
насосно-компрессорное и другое оборудование, требующее для
своего изготовления длительного времени, а также на оборудование,
по которому проектные организации должны получить от заводов-
изготовителей исходные данные для разработки рабочих чертежей.
Кроме того, в техническом проекте следует приводить
заявочные спецификации иа общезаводское оборудование, в том числе
импортное и нестандартное, приборы, арматуру, кабельные и другие
изделия массового и серийного производства и технические
требования на разработку нестандартного оборудования. В рабочем или
технорабочем проекте должны быть приведены заказные
спецификации на все оборудование, включая нестандартное, приборы,
кабельные и другие изделия, а также уточненные ведомости
конструкций, полуфабрикатов, деталей изделий и материалов для
строительства.
В заказных спецификациях точно определяют тип и марку
оборудования, предприятие-изготовитель, массу оборудования, тип его
исполнения, тип и мощность его электрооборудования. Следует
учитывать также, что выпуск заказных спецификаций не совпадает
по срокам с выпуском рабочих чертежей. По действующим прапи-
390
лам заказные спецификации выпускаются на полгода раньше. В
заказных спецификациях к рабочему проекту должны указываться
точные номера чертежей, по которым нетиповое оборудование
изготавливается. При передаче заказной спецификации на нетиповое
оборудование заказчику к ней должны прикладываться комплекты
рабочих чертежей на соответствующее оборудование. В заказных
спецификациях на нетиповое оборудование необходимо указывать
все типовое оборудование, необходимое для комплектации
соответствующего нетипового. Кроме того, в спецификациях необходимо
указывать количество материалов, необходимое на изготовление
нетипового оборудования.
Кроме спецификаций оборудования, в технологической части
проекта выполняются спецификации на трубопроводы. В
спецификациях на трубопроводы отражается как потребность в собственно
трубах, фитингах и арматуре, так и в материалах для крепления
трубопроводов.
Кроме перечисленных спецификаций, следует отметить еще
спецификации на дефицитные материалы. Спецификации на
дефицитные материалы (цветные металлы и т. п.), необходимые для
изготовления оборудования и трубопроводов, составляются по
специальной форме с развернутым обоснованием необходимости их
использования и невозможности замены другими менее дефицитными
материалами.
4. ЧЕРТЕЖИ К ПРОЕКТУ
Чертежи, графические материалы — основной документ, по
которому осуществляется строительство проектируемых объектов.
Значение и удельный вес чертежей в объеме проекта колеблются
по стадиям проектирования. На стадии технического проекта
значительный удельный вес в общем объеме документации составляют
пояснительные записки к проекту. На стадии выполнения рабочих
чертежей чертежи составляют основной объем выпускаемой
документации. Это отражается и в самом наименовании стадии —
рабочие чертежи.
На стадии технического проекта на чертежах должны быть
показаны все основные решения по размещению оборудования,
конструкций и устройств и принципиальные решения по размещению
коммуникаций. После выпуска технического проекта все
перечисленные выше вопросы не должны нуждаться в дополнительной
проработке, а только в деталировке. Чертежи, выпускаемые в
техническом проекте, можно выполнять в зависимости от размеров
помещений и габаритов размещаемого в них оборудования в масштабе
1 : 50 и 1 : 100. На чертежах показывается все основное
оборудование, и из чертежей должно быть ясно взаимное
согласование размещения смежных аппаратов и устройств, а также взаимное
расположение технологических аппаратов и строительных
конструкций, санитарно-технических и энергетических аппаратов и
устройств.
391
Кроме чертежей размещения оборудования, на стадии
технического проекта в составе графических материалов выполняются
схемы. В обязательном порядке выполняются аппаратурно-техно-
логические схемы, показывающие транспортно-технологические
связи принятого в проекте оборудования, а также организацию
контроля и управления процессом. На схемах обычно приводят
спецификацию оборудования. Иногда в проекте приводят
технологические схемы. На технологических схемах показывают не
оборудование, а собственно технологические процессы и операции.
Технологические схемы могут не входить в состав чертежей к проекту,
а оформляться как рисунки к пояснительной записке. В
техническом проекте должна также выполняться схема разводки
трубопроводов с указанием диаметров труб и всей запорно-регулирующей
аппаратуры. В некоторых организациях в зависимости от
принятого порядка работы в техническом проекте может выполняться
схема контроля и управления процессом.
Па стадии рабочих чертежей в графических материалах
необходимо с исчерпывающей полнотой отразить все принятое в проекте
оборудование. Па чертежах должно быть точно определено место
установки каждого аппарата, детали крепления его к
строительным конструкциям и соединения со смежными аппаратами.
Соответственно это требует достаточно крупного масштаба при
выполнении чертежей. Общие планы и разрезы выполняются обычно
в масштабе 1 : 50, если этот масштаб не позволяет выявить все
необходимые детали размещения оборудования и коммуникаций,
дополнительно выполняются планы и разрезы установок отдельных
аппаратов в масштабе 1 : 20. На таких установочных чертежах
выявляются все необходимые детали. Для отдельных узлов, таких
как узлы крепления или соединения аппаратов или трубопроводов,
.могут быть показаны детали, разработанные и в еще более
крупном масштабе (1 : 10 или 1 :5). При выполнении чертежей
технологической части как в техническом проекте, так и в рабочих
чертежах на них наносятся элементы строительных конструкций с их
действительными габаритами, определенными при выполнении
архитектурно-строительной части проекта. F-сли в
производственных помещениях наряду с технологическим оборудованием
устанавливается нетехнологическое оборудование, предусматриваемое
смежными частями проекта, то его целесообразно показать на
технологических чертежах габаритами. В спецификацию его не
включают, но отмечают надписью непосредственно на чертеже, как
относящееся к смежной части проекта.
При разработке чертежей важно правильно отразить габариты
строительных конструкций и нетехнологического оборудования.
Только при соблюдении этого условия можно достаточно точно
выявить действительные условия работы оборудования и персонала
и производства монтажных работ. В рабочих чертежах также в
случае необходимости их уточнения и детализации по сравнению с
техническим проектом выполняют аппаратурно-технологические
схемы. Такие схемы позволяют правильно организовать монтажные
392
работы при осуществлении строительства и ознакомить
эксплуатационный персонал с существом принятых при проектировании
решений.
В состав производственных помещений, изображаемых на
общих чертежах цеха или отделения, иногда входят
производственные помещения, где размещено нетехнологическое
производственное оборудование (трансформаторные подстанции, вентиляционные
камеры и т. п.), а также непроизводственные,
административно-бытовые помещения, входящие в состав цеха. На технологических
чертежах такие помещения, если они попадают на
соответствующие планы или разрезы, показываются без изображения
установленного в них оборудования.
В ряде случаев необходимо выполнять специальный комплект
документации, отражающий условия пуска производства,
отличающиеся от условий нормальной эксплуатации, в том числе
оформлять так называемые пусковые схемы. Такие схемы в принципе
могут иметь две особенности. В период первоначального пуска в
эксплуатацию может вводиться только часть предусмотренного
проектом оборудования. При этом если собственно технологическое
оборудование не требует, как правило, никаких изменений в проекте,
то схема соединения аппаратов и отдельные узлы транспортных
аппаратов и устройств неизбежно требуют изменений по
сравнению с условиями нормальной эксплуатации. Для ряда производств
нормальная эксплуатация предполагает постоянное наличие в
процессе производства значительного количества оборотных или
инертных продуктов, создающих среду для протекания основных
технологических процессов. В период первоначального пуска таких
продуктов не имеется и они должны быть завезены со стороны или
приготовлены и накоплены с помощью специальных приемов и
средств в соответствии с пусковой схемой. Кроме пусковых схем,
в составе проектных материалов могут выдаваться также пусковые
инструкции для производственного персонала.
Как уже отмечалось, в составе рабочих чертежей также
выпускаются спецификации, которые наносятся на основные, чертежи.
Обычно основным чертежом, на который наносят спецификацию и
ссылки на все относящиеся к объекту дополнительные чертежи,
является план на отметке ±0,0. В качестве приложений к
чертежам, иногда непосредственно па чертежах, выпускают также
различного рода инструкции и нормативные материалы по
изготовлению, монтажу оборудования и трубопроводов и порядку сдачи их
в эксплуатацию.
Особо сложно при проектировании согласование размещения
оборудования и коммуникаций, относящихся к различным частям
проекта. Традиционная методика проектирования предусматривает,
что каждую часть проекта выполняют на отдельном комплекте
чертежей, на котором не приводят размещение оборудования и
коммуникаций, предусмотренных в других частях проекта. Чтобы
избежать неудовлетворительного взаимного расположения
оборудования, проекты всех частей проходят взаимное согласование
;Ш
с последующим согласованием у исполнителей технологической
части проекта. Так как каждую согласуемую часть
исполнители-технологи рассматривают отдельно, а совместное размещение всего,
независимо от его принадлежности к той или иной службе,
оборудования не рассматривается, количество ошибок при согласовании
различных частей проекта бывает весьма значительным. Чтобы
избежать этого, в сложных проектах, особенно связанных с
применением большого числа трубопроводов, принято выполнять сводные
чертежи, на которых наносят расположение оборудования и
коммуникаций всех частей проекта. В процессе выполнения таких
чертежей эффективно согласуются все части проекта.
Еще более совершенной формой проработки размещения
оборудования и согласования различных частей проекта является
макетное проектирование. При макетном проектировании оборудование
и трубопроводы первоначально размещают на макете, где
взаимное их расположение особенно наглядно. В этом случае ошибки,
связанные с наложением в одной точке пространства различных
позиций оборудования или коммуникаций, практически исключаются.
На макете обеспечивается наиболее серьезная проработка
различного рода монтажных операций, которые при проработке на
чертежах не всегда достаточно наглядны. Ыа основе макетной
проработки затем могут выполняться чертежи или же вместо чертежей
выпускаться фотографии с макета.
5. ЗАДАНИЯ НА СМЕЖНЫЕ ЧАСТИ ПРОЕКТА
Значение выдачи заданий на смежные части проекта уже
отмечалось. При двухстадийном проектировании выдаваемые задания
уже на стадии технического проекта должны содержать полные
исчерпывающие данные по всем вопросам. На стадии рабочих
чертежей задания должны дополняться только незначительными
мелкими уточнениями (например, точными привязками фундаментных
болтов для крепления оборудования). Конкретное содержание
заданий определяется спецификой соответствующей части
проекта [40].
Задание на выполнение архитектурно-строительной части
проекта [79]
Это задание является исходным и основным, так как оно в
значительной мере определяет задания на другие части проекта.
Нельзя проектировать санитарно-техническую, электротехническую
и некоторые другие части проекта в рабочей стадии без материалов
по архитектурно-строительной части проекта. Задание на
архитектурно-строительную часть проекта включает необходимые
габариты помещения и конструктивных элементов, к которым крепится
оборудование, нагрузки на строительные конструкции от
оборудования, персонала, материалов и т. п., требования на закладные
части в строительных конструкциях, требования на специальную
отделку помещений.
394
Общие габариты помещения определяются в соответствии с
соображениями, изложенными в главе VI. Особое значение имеет
точное определение мест расположения и габаритов отверстий и
проемов в строительных конструкциях, необходимых для
размещения оборудования (отверстия для фундаментных болтов, на
которых крепится оборудование, и отверстия для пропуска через стены
я перекрытия коммуникаций). При выдаче заданий на проемы и
отверстия размеры их назначаются с учетом необходимых
допусков на неточность изготовления и монтажа.
Нагрузки на строительные конструкции от веса установленного
оборудования относятся к сосредоточенным нагрузкам, так как
место их приложения определяется однозначно. Нагрузки от веса
людей, деталей, ремонтных материалов, передвижных транспортных
устройств и т. и. принимаются равномерно распределенными по
всей площади, на которой они действуют. Сосредоточенные
нагрузки показываются на чертежах с привязкой к осям здания и
отметкам перекрытий. При этом должны показываться габариты
оборудования, расположение и размеры его опор и т. д. При выдаче
задания следует учитывать также возможные нагрузки в условиях,
возникающих при монтаже оборудования или изменении его
расположения в ходе эксплуатации предприятия. Перепланировка
расположения оборудования учитывается, если нет серьезных
препятствий к ее осуществлению, например при свободном
расположении оборудования без связи с проемами в строительных
конструкциях и специальных фундаментов. Наиболее тяжелым случаем при
этом будет максимальное сближение двух источников
сосредоточенных нагрузок. При подготовке задания по нагрузкам
необходимо определять: статическую нагрузку и исходные данные для
расчета динамических нагрузок. При определении статической
нагрузки от оборудования на соответствующую строительную
конструкцию необходимо учитывать все возможные источники
нагрузки. В их число входит вес собственно оборудования (все узлы,
включая привод), любые временные приспособления и опорные
устройства, вес заполнения (транспортируемый груз,
обрабатываемый материал и т. п.), вес теплоизоляции, вес, передаваемый от
сопряженных аппаратов, коммуникаций и строительных конструкций.
Вес аппарата следует принимать в рабочем состоянии, т. е. с
полной заправкой и т. п. Вес от заполнения для емкостных устройств
принимают исходя из максимально возможного заполнения
емкости. Вес от загрузки подъемно-транспортного оборудования
принимают равным его номинальной грузоподъемности.
Исходные данные для расчета динамических нагрузок,
выдаваемые технологами-проектировщиками в задании на архитектурно-
строительную часть проекта, должны включать в себя описание
характера движения (вращательное или
возвратно-поступательное) и вес движущихся частей. При возвратно-поступательном
движении необходимо определять длину хода движущихся частей и
направление движения (горизонтальное пли вертикальное), число
ходов в единицу времени. При вращательном движении — число
•39.5
оборотов. Для машин напольного транспорта (кары, погрузчики)
и мостовых кранов сведения для расчета динамических нагрузок
не выдаются, так как для них общий коэффициент динамичности
задан нормами и равен 1,1. На практике коэффициенты
динамичности но группам оборудования обычно принимают на основе
имеющегося опыта без расчета. Для большинства типов оборудования,
имеющего движущиеся части, коэффициент динамичности,
отнесенный к его полному весу, принимают в пределах 1,2—1,5. Для
оборудования с особенно большими динамическими нагрузками
(дробилки и т. п.) его можно увеличить до 2,0.
Задание на равномерно распределенную нагрузку должно
учитывать ту нагрузку, которая может возникнуть в любой не занятой
оборудованием точке площадки при максимальном совмещении всех
возможных видов нагрузки (материалы для ремонта, детали
оборудования, персонал). При отсутствии данных о возможности
значительных нагрузок по площадям для задания на архитектурно-
строительную часть проекта принимают равномерно
распределенную нагрузку не менее 200 кгс/м2.
Задание на закладные части должно обеспечивать введение
в железобетонные строительные конструкции специальных
элементов, необходимых для крепления оборудования и коммуникаций.
Особенно это важно для железобетонных строительных
конструкций. В качестве закладных частей могут служить анкерные болты,
заделанные в фундамент при его бетонировании, металлические
полосы, заложенные в бетон при изготовлении железобетонных
колонн, плит или балок. К таким полосам затем привариваются
элементы крепления оборудования или коммуникаций.
Задание на специальную отделку помещения определяется
требованиями создания в помещении специальных условий, таких как
изоляция от смежных помещений, возможность мойки,
электрическая изоляция, необходимость защиты строительных конструкций
от воздействия агрессивной среды и т. д.
Кроме перечисленных вопросов, связанных с заданием на
проектирование собственно производственных помещений, исполнители
технологической части проекта выдают задание и на
проектирование административно-бытовых помещений, содержащее сведения
о явочном числе трудящихся. Для расчета бытовых помещений
выдаются сведения о числе трудяниьхся, выходящих на работу
в две смежные максимальные по численности смены, что
определяет максимальное число людей, которое может одновременно
пользоваться бытовыми помещениями. Число мужчин и женщин
определяется раздельно.
Задание на выполнение проекта отопления и вентиляции [77]
Это задание включает данные о выделении вредных веществ и
тепловыделениях и сведения о расположении рабочих мест в
помещениях, численности и режиме работы персонала. Сведения о
выделении вредностей в помещении учитываются в проекте местной
396
вытяжной вентиляции. Тепловыделения определяют решения при
проектировании общеобменной вентиляции и системы отопления.
Сведении о расположении рабочих мест в помещениях, численности
и режиме работы персонала используются в основном для
выполнения проекта приточной вентиляции и отопления.
Данные о выделении вредностей включают сведения о точках
выделения вредностей, их числе и одновременности работы.
Расположение точек выделения вредностей показывают на специальных
чертежах. Сведения о количестве вредностей могут выдаваться
в двух формах--через количество вредных веществ и через
количество воздуха, содержащего вредные вещества, которые необходимо
удалить. Для расчета вытяжной вентиляции необходим только
объем удаляемого воздуха. Сведения о количестве удаляемых
вредностей необходимы для расчета концентрации вредностей в отсосах
и оценки степени их агрессивности, возможности и необходимости
направления отсосов на газоочистку или в систему
пылеулавливания. Количество удаляемого воздуха может быть задано по точкам
непосредственно или через характеристику системы отсоса. Такой
характеристикой является сечение патрубка для отсоса, принятое
в конструкции технологического аппарата. Так как скорость газов
ограничена, то при заданном значении этой скорости и
определенном сечении патрубка объем отсоса также определен однозначно.
В состав задания входят геометрические размеры и конструкции
узла подсоединения к вентиляционной системе, предусмотренного
на технологическом аппарате. В состав задания должны входить
характеристика свойств удаляемых вредных веществ. Для расчета
вентиляционной системы необходимы также сведения о
температуре отсасываемых газов.
Особым случаем задания на удаление вредностей через систему
вытяжной вентиляции может быть задание на аварийную
вентиляцию. Такое задание предупреждает возможности возникновения
в отдельных помещениях аварийной ситуации, требующей
интенсивного отсоса 10—20 тыс. м3 загрязненного воздуха из одной
точки. По согласованию между исполнителями технологической
части проекта и проекта вентиляции, для обеспечения аварийной
вентиляции могут предусматриваться резервные мощности в
вентиляционных камерах или передвижные установки, состоящие из
соответствующего вытяжного устройства и системы переносных
воздуховодов. Для производств, в которых аварийно может
возникать общая загазованность атмосферы производственных
помещений, аварийную вентиляцию можно организовать постоянной
установкой вытяжных вентиляторов высокой производительности
(обычно — осевых) в перекрытии или верхнем поясе наружных
стен помещения.
Данные о тепловыделениях в производственных помещениях
также могут выдаваться в разной форме. Наиболее просто —
непосредственным определением количества тепла, выделяющегося
по помещению в целом или с разбивкой по аппаратам в единицу
времени. Указывается как среднее, так и максимальное значение
397
тепловыделений и режим работы тепловыделяющих установок
(число часов работы в сутки и т. п.). При определении объема
тепловыделений в помещении необходимо исходить из принципа
теплового балансирования осуществления технологических процессов и
работы оборудования. Необходимо учитывать, сколько тепла
вносится в помещение с поступающими продуктами производства и
сколько выносится с выходящими из помещения, а также
учитывать все тепло, генерируемое в ходе технологических процессов,
при сжигании топлива, а также в результате работы силового
электрооборудования. Разность между приходом и расходом тепла,
с учетом потерь через ограждающие строительные конструкции
позволяет определить количество тепла, которое необходимо отвести
через систему вытяжной вентиляции. Следует учитывать, что
потребляемая установленными в помещении электродвигателями
электрическая мощность в своей значительной части преобразуется
в тепловыделения. Поэтому в задание может включаться перечень
двигателей с указанием фактически потребляемой ими мощности
и часов работы в сутки.
Для некоторых видов оборудования, предназначенных для
осуществления процессов или транспортирования материалов при
повышенных температурах, если тепловыделение из них
осуществляется исключительно через наружную поверхность аппарата,
данные о тепловыделениях могут быть приведены в виде сведений
о площади и температуре поверхности, с которой осуществляются
тепловыделения. Необходимо указывать также положение
поверхности в пространстве (горизонтальное, обращенное вниз,
вертикальное, горизонтальное, обращенное вверх). Это существенно
влияет на коэффициент теплоотдачи.
Все приведенные сведения о заданиях на отопление и
вентиляцию относились к проектированию вытяжной вентиляции.
Требования к приточной вентиляции включают вопросы, связанные с
кондиционированием климата в производственных помещениях. Один
из главных вопросов — температура воздуха в помещении в
зимнее время. Общая норма — поддержание температуры воздуха на
уровне +16° С, но в производственных помещениях, где количество
персонала относительно невелико в сравнении с общей
производственной площадью, необходимая температура воздуха может быть
понижена, что должно быть оговорено в задании. Температуру
воздуха следует определять в зависимости от устанавливаемого в
задании режима работы персонала. Так, в помещениях, где на одного
работающего приходится 50- -100 м2, температура воздуха должна
быть при легком режиме работы +12" С, при среднем режиме
работы + 10° С и при тяжелом режиме работы +8° С. В помещении,
где на одного работающего приходится более 100 м2
производственной площади, для всего помещения можно ограничиться
температурой + 5°С, а в места постоянного пребывания персонала
подавать более теплый приточный воздух. Для производственных
помещений с большим количеством тепловыделений при нормальной
работе, но не допускающих снижения температуры ниже опреде-
398
ленного предела, обычно ±0°С, при остановке производства в
задании предусматривается дежурное отопление, обеспечивающее
температуру в помещении -|-5°С и включаемое в периоды остановки
производства. Типичным, наиболее широко распространенным
случаем производства такого типа являются гидрометаллургические
процессы. При остановке производства и понижении температуры
в помещении возможно разрушение аппаратуры и создание
аварийного положения. В производствах с особо тяжелыми условиями
работы, где работающие подвергаются интенсивному воздействию
тепловыделений, оговаривается подача свежего воздуха'
непосредственно на постоянные рабочие места с указанием расположения
этих мест на чертежах.
Все рассмотренные случаи возможного снижения температуры
в помещении ниже 16—18° С предполагают, что единственным
влияющим на выбор температуры фактором являются условия
пребывания в помещении персонала. Однако в некоторых случаях
температура может определяться условиями работы оборудования,
технологическим процессом и специальными требованиями к условиям
осуществления персоналом операций по обслуживанию
производства. Соответственно в задании оговариваются условия, требующие
более высокой температуры в помещении.
В тех случаях, когда во всем помещении допускаются или по
характеру производства не могут быть полностью устранены
условия, не вполне комфортные для постоянного пребывания персонала
(низкая температура или повышенная температура в
производствах с большими тепловыделениями, повышенная влажность,
повышенная запыленность), необходимо вблизи рабочей зоны создавать
оазисы для отдыха людей, огражденные от основного объема, в
которые подается свежий воздух, создающий небольшое избыточное
давление.
В ряде случаев, если в период, не связанный с непосредственным
обслуживанием оборудования, персонал должен находиться у мест
установки приборов, для создания такого оазиса может быть
использовано помещение КИП. Однако даже если помещение КИП
не используется для постоянного пребывания персонала, как
правило, в этом помещении необходимо создавать некоторый подпор
приточного воздуха, так как это защищает приборы и аппаратуру
от воздействия неблагоприятных факторов производственной
атмосферы.
Другим объектом, требующим обычно подпора приточного
воздуха в металлургических цехах, является кабина крановщика на
мостовом кране.
Задание на выполнение проекта водоснабжения и канализации [80]
Это задание включает требования на обеспечение водой
производственных нужд и сведения о характере воды и отбросных
растворов, выводимых из производственного процесса. В задании на
обеспечение водой указываются количественные и качественные
399
требования к водоснабжению, а также сведения о том, для каких
целей вода используется. В задании показываются все аппараты,
к которым следует подводить воду и точное место ее подвода к
аппарату. Количество — расход потребляемой воды указывается
применительно к разным отрезкам времени, позволяющим оценить
возможную неравномерность в подаче воды, а именно в год, сутки, час
и секунду. При этом указывается режим расхода — непрерывный
или периодический.
В задании указывается класс надежности водоснабжения.
К первому классу относятся объекты, не допускающие перерывов
в подаче воды, так как это наносит крупный ущерб — повреждение
оборудования, расстройство технологического процесса. Ко
второму классу относятся объекты, допускающие кратковременные
перерывы в подаче воды на время, необходимое для включения
резервных источников водоснабжения. Для этой группы объектов
перерыв в подаче воды уменьшает выпуск продукции, ведет к
простою оборудования и персонала. К третьему классу относятся
объекты, допускающие перерыв в водоснабжении на 1 сутки, такие как
вспомогательные цехи и т. п.
Так как не все потребители воды проектируемого производства
требуют равной степени надежности обеспечения, в задании
оговаривается минимум обеспечения при аварии, т. е. доля объектов,
относящихся к первому классу.
В задании должен показываться объем потребления,
относящийся к первому классу. Этот объем задается в процентах
к среднечасовому расходу и абсолютной величиной секундного
расхода.
Задания по качеству потребляемой воды могут включать
показатели, характеризующие напор, с которым подается вода, и ее
температуру. Напор на вводе в аппарат должен обеспечивать
преодоление сопротивления при прохождении воды через аппарат или
поддержание в аппарате определенного давления. Этот напор
всегда определяется сверх того напора, который необходим для
подачи воды к аппарату и должен с ним суммироваться. Сведения
о желательной температуре воды определяют источник
водоснабжения для данной позиции. Таких источников может быть три:
свежая вода, оборотная вода, повторно используемая вода. Свежую
воду используют, если требуется достаточно низкая ее температура
(5—10°С), которая может быть обеспечена только при подаче
артезианской воды. Оборотную воду используют, если допустима
температура воды, получаемая при водообороте. В летнее время она
практически имеет температуру 22—26° С. Повторно
используемую воду применяют, если нет ограничений по ее возможной
температуре и особых требований по чистоте. Так, для приготовления
растворов или пульп в ряде производств можно использовать воду,
прошедшую через теплообменные аппараты, в которых
осуществляется теплообмен через стенку.
Задание по качеству воды может включать требования по ее
очистке для технологических нужд (например, для ионообменной тех-
400
нологии). Однако обычно глубокая очистка воды выполняется
в технологической части проекта, а не в проекте
водоснабжения.
Задание на водоотведение — канализацию воды и отбросных
растворов, выходящих из проектируемого производства, также
должно содержать количественные и качественные показатели.
Графическая часть задания должна показать все точки вывода
отходящих вод и растворов с привязкой их по высоте. Количество
выводимых стоков следует показывать среднее в сутки,
максимальное в час и в секунду. Стоки должны быть разделены на стоки,
направляемые в канализацию и поступающие в сети повторного
использования, если возможность и необходимость такого повторного
использования в проектируемом производстве имеется. Из
качественных характеристик стоков в задании необходимо указывать:
остаточный напор на выходе из аппарата, температуру и состав
примесей. Иногда в задании на канализацию стоков указываются
данные по потерям воды в проектируемом производстве,
позволяющие анализировать баланс воды по производству и предупредить
возможность возникновения несоответствий в заданиях на
водоснабжение и канализацию.
Сведения в задании о химическом составе стоков определяют
необходимость использования для их удаления системы кислотной
канализации и позволяют разработать очистку стоков на станции
нейтрализации или другой очистительной установке. '
Задание на выполнение проекта пароснабжения
Это задание включает графический материал с указанием всех
точек ввода пара в аппараты и отвода конденсата и пояснительную
записку (сведения о количестве потребляемого пара, требованиях
к его параметрам и условиям использования пара в оборудовании
в нагревательных рубашках и змеевиках или острый пар вводится
в перерабатываемый продукт). Параметры пара определяются
необходимыми значениями давления и температуры.
Данные о количестве потребляемого пара задаются как макси-
мальночасовые, среднечасовые, минимальночасовые. При этом для
однотипных параллельно работающих аппаратов эти данные
задаются на один аппарат и на все аппараты с учетом коэффициента
неодновременности их работы. Аналогичные сведения приводятся по
возврату конденсата в абсолютных величинах или в процентах
к расходу пара. В задании приводится также суточный расход пара
с учетом режима работы соответствующих аппаратов.
В задании на пароснабжение приводятся также сведения об
условиях, которые необходимо учитывать при разработке проекта
паро- и конденсатопроводов. К ним относятся присутствие в
атмосфере цеха агрессивных газов и паров и взрывоопасное™,
максимально допустимая температура на поверхности изоляции
трубопроводов, особые требования по защитным покрытиям и
принятому тину опор для крепления трубопроводов.
26 Зак. Хя 461
■101
Задание на выполнение электротехнической части проекта [81]
Задание на электротехническую часть проекта включает
задания на проектирование силового электрооборудования, на
проектирование электроснабжения электропечных и некоторых других
специальных установок, на освещение производственных помещений
и проектирование слаботочного хозяйства.
Задание на проектирование силового электрооборудования
должно включать по отдельным позициям все имеющее
электроприемники оборудование и отдельно все электроприемники по каждой
позиции оборудования. По каждому электроприемнику необходимо
указать его характер — двигатель, термический токоприемник,
сварочный, электромагнит. По электродвигателям следует указывать
их число с выделением числа рабочих двигателей, номинальную
мощность, число оборотов, тип (марку), комплектность поставки
с оборудованием (если двигатель не поставляется комплектно, то
заказ его осуществляется по электротехнической части проекта),
род передачи (ременная, муфта, редуктор и т. п.), способ установки
(фундамент, фланец и т. п.), число часов работы в году,
характеристика среды (взрыво- и пожароопасность, запыленность),
напряжение, а также указания па характер управления двигателем —
автоматическое, с блокировкой, с возможностью реверсирования
и т. п.
Для крановых двигателей необходимо указывать процент
включений, т. е. относительное время работы двигателя. Места
установки всех электроприемников должны быть показаны па
чертежах. Задания на электроснабжение печных установок следует
выполнять в форме опросного листа, принятого в соответствующей
организации и содержащего подробные сведения о режиме питания
печи, особенно в части ступеней изменения режима и пределов
таких изменений. Задания на блокировку должны содержать
сведения о взаимозависимости в работе аппаратов, порядке пуска их и
остановки.
По всем электроприемникам в задании должны быть
определены категории надежности. К первой категории относятся
приемники, перерыв в питании которых создает опасность для жизни
людей, приводит к значительному ущербу народного хозяйства,
связанному с повреждением оборудования, массовым браком
продукции, расстройством сложного технологического процесса. Для
обеспечения этой группы электроприемпнков необходимо иметь два
источника питания энергией. В некоторых случаях резервирование
обеспечивается тем, что работающие параллельно технологические
агрегаты обеспечиваются питанием от независимых источников.
Вторая категория электроприемников допускает остановку на
время, необходимое для включения резервной линии. Нарушение
питания этой группы приводит к простою оборудования и
персонала, массовому недовыпуску продукции. К третьей категории
относятся вспомогательные цехи и несерийное производство. Пита-
402
ние электроприемников этой группы можно приостанавливать на
время ремонта линий и источников питания.
Задание на проектирование освещения включает чертежи
размещения оборудования с указанием характера работы,
выполняемой персоналом, в зависимости от чего выбираются нормы
освещенности. Необходимо также приводить сведения об атмосфере в
помещении, ее агрессивности, взрывоопасное™ и т. п.
В задании на проектирование слаботочного хозяйства, т. е.
системы телефонизации, диспетчерской связи, радиотрансляции,
размещения электрических часов и системы промышленного
телевидения, входит перечень и назначение аппаратов связи и схема их
размещения по объекту.
Задание на выполнение проекта генерального плана и межцехового
транспорта
Задание в части собственного генерального плана может не
выдаваться исполнителями технологической части проекта.
Основой для разработки проекта генерального плана служат материалы
архитектурно-строительной части. Тем не менее ряд вопросов
обсуждается при разработке генерального плана с исполнителями
технологической части проекта, которые выдают в том или ином
виде соответствующее задание. Сведения от технологов должны
отвечать на вопрос о характере вредностей, выделяемых в
атмосферу на каждом отдельном объекте. Это позволяет размещать
цехи с наибольшим выделением вредностей с подветренной по
направлению господствующих ветров стороны производственной
площадки, исключать вредное влияние этих выделений на другие
объекты предприятия. На стадии выполнения рабочих чертежей
исполнители технологической части и проекта генерального плана
совместно определяют точки ввода в цех технологических
коммуникаций (трубопроводов, газоходов, боровов и т. п.) и
расположение ворот для межцехового транспорта.
Задание на проектирование межцехового транспорта должно
содержать перечень продуктов, перемещаемых между отдельно
стоящими объектами, расположенными на площадке
проектируемого предприятия. В составе задания не показываются продукты,
транспортируемые по трубопроводам и с помощью транспортеров
разного рода по эстакадам, а только те, которые должны
перевозиться по внутрнплощадочным дорогам средствами наземного
транспорта. По транспортируемым материалам сообщается их
годовое, месячное и максимальное суточное количество, а также
способ транспортировки — в таре, навалом и т. п. При
транспортировке в таре сообщается характеристика тары. В задание на
проектирование межцехового транспорта включаются сведения
о средствах напольного транспорта (карах, погрузчиках и т. п.),
используемых во внутрицеховом транспорте. Это необходимо для
проектирования общезаводского обслуживающего хозяйства (депо
электрокар, гараж автопогрузчиков и автомашин и т. п.).
°6*
103
Несколько особое место среди заданий на смежные части
проекта занимают задания на выполнение проекта КИП,
автоматизации н управления производством, химической защиты
оборудования и коммуникации от коррозии, межцеховых коммуникаций,
использования вторичных энергоресурсов и складского хозяйства.
Особенность выполнения этих разделов проекта заключается в том,
что их можно разрабатывать в технологической части проекта,
В других случаях их выполняют специализированные
подразделения или субподрядные организации.
Задание на выполнение проекта КИП, автоматизации
и управления производством
Это задание включает аппаратурно-технологическую схему и
сведения по каждой позиции оборудования, являющейся объектом
контроля и управления. По каждому аппарату приводят его
характеристику, количество однотипных аппаратов с выделением числа
резервных и чертежи аппаратов. Описывают процесс. В задании
формулируются требования к проекту КИП и автоматизации как
качественные, так и количественные. Задачей может быть
контроль, сигнализация, регулирование и управление. Контроль может
быть заказан указывающий, регистрирующий, суммирующий.
Определяется требуемая периодичность контроля. Сигнализация —
предупредительная, аварийная, световая, звуковая.
Регулирование — программное, позиционное. Управление — дистанционное,
пуск, остановка, аварийное отключение. По управлению
указывается управляющее воздействие, с помощью которого
осуществляется управление и инерция системы. При взаимосвязанности систем
регулирования определяется порядок их важности.
По каждой позиции указывается необходимая точность
контроля или регулирования и пределы изменения соответствующих
параметров. Следует также оговаривать необходимость дублирования
измерений. В текстовой части задания на схеме и компоновочных
чертежах определяют места установки датчиков и приборов.
Дается полная характеристика среды, в которой будет
эксплуатироваться соответствующий элемент или прибор.
Задание на выполнение проекта химической защиты
оборудования и трубопроводов
Это задание при эксплуатации в помещениях с агрессивной
атмосферой выдается на выполнение защитных мероприятий для
внешних поверхностей оборудования. Защита от коррозии или
эрозии внутренних рабочих поверхностей оборудования
предусматривается при конструировании оборудования. Задание включает
материалы по защите наружных поверхностей трубопроводов.
Задание на защиту содержит сведения о площади защищаемых
поверхностей, их температуре и материале, из которого онивыпол-
404
йены, а также характеристику агрессивной среды, от воздействия
которой защищаются соответствующее оборудование и
коммуникации. Для аппаратов, защита поверхностей которых не
ограничивается простой окраской, к заданию на рабочее проектирование
прикладываются чертежи аппаратов.
Задание на выполнение проекта складского хозяйства
Это задание содержит перечень продуктов, предназначенных для
хранения, сведения об их свойствах, среднем расходе, режиме
расходования и поступления продуктов. Перечень продуктов, для
хранения которых проектируется соответствующий склад, должен
содержать указания о стандартах или технических условиях, по
которым соответствующий продукт поставляется. Сведения о
свойствах материалов должны отвечать на вопросы, касающиеся охраны
труда персонала и возможности их коррозионного воздействия на
оборудование и строительные конструкции. В задании должны быть
приведены сведения о способности материала к пылению или
испарению, о токсичности, пожаро- и взрывоопасное™ самого
материала, его пыли или паров. В задании должны содержаться сведения
о склонности жидких продуктов к выделению осадков или загусте-
ванию и способности твердого, кускового или порошкообразного
материала к слеживанию, а также температурах, при которых
происходят эти явления. В задании на склад указывается вид
транспорта, с помощью которого соответствующий продукт доставляется
на склад и вывозится со склада, а также о таре, в которой он
транспортируется.
Вопрос о емкости склада определяется не только средним
расходом соответствующего продукта, но и режимом поступления
продукта на склад и его расходовании. Для выявления режима
необходимо определить поставщика соответствующего продукта. Это
в большинстве случаев — задача главного инженера проекта.
Но выдавая задание на проектирование складов, исполнители
технологической части проекта должны учитывать определенного
поставщика. Если поставщик достаточно удален, то необходимая
емкость склада соответственно увеличивается. Независимо от
фактического расхода продукта емкость склада должна значительно
превосходить (не менее чем в 1,5—2,0 раза) размер минимальной
единовременно поставляемой партии, оговоренный условиями
поставки соответствующего продукта. Обычно принимаемый запас
сырья и основных материалов составляет от недельного до
месячного объема потребления. В среднем срок хранения составляет
около двух недель.
Однако при расположении предприятия в отдаленном районе,
если связь предприятия с поставщиками основана на
использовании сезонного транспорта, запас хранения можно значительно
увеличить и рассчитать на работу без дополнительного завоза
продуктов в течение полугода или даже года.
•Ю5
Режим выдачи продукта со склада в производство в основном
влияет на организацию склада в отношении деления его полной
емкости на ряд изолированных объемов. Такое деление должно
обеспечивать возможность одновременной приемки на склад и
выдачи со склада продукта с использованием для приемки и выдачи
изолированных друг от друга емкостей.
Задание на выполнение проекта межцеховых трубопроводов
Это задание включает перечень коммуникаций с указанием
продуктов, которые по ним транспортируются, и зданий или
сооружений, с которыми каждая конкретная линия связывает
проектируемый объект. В задании дается характеристика транспортируемого
продукта и особые требования к его транспортировке.
Характеристика содержит сведения о его химической активности, температуре
замерзания, кипения или выделения осадков. Приводятся особые
требования, такие как теплоизоляция или снабжение линии паро-
спутником для обогрева. Специальное требование к
проектированию коммуникаций для жидких продуктов — назначение уклона
для опорожнения линии при прекращении работы и направление
уклона. Поперечное сечение или диаметр линии следует назначать
из расчета на полное использование производительности
транспортных устройств, обеспечивающих движение продукта. Точки
ввода коммуникаций в здания могут согласовываться
непосредственно с исполнителями проекта генерального плана, но в задании
на выполнение проекта межцеховых коммуникаций они также
должны быть приведены.
Задание на составление смет к проекту
Это задание выполняется на стадии технического или технора-
бочего проекта. Оно состоит из развернутых спецификаций на
оборудование, технологические коммуникации и материалы,
необходимые для их изготовления и монтажа. Задание на выполнение смет
должно содержать исчерпывающие сведения об оборудовании.
По объему сведений, которые в нем должны приводиться, оно
совпадает в значительной мере с заказными спецификациями. По
типовому оборудованию должны быть приведены марка оборудования,
тип его исполнения, комплектация, завод-изготовитель. По
нетиповому оборудованию должны быть полные сведения по его
комплектации и приложены чертежи. При выдаче задания на составление
смет, особенно по нетиновому оборудованию и коммуникациям,
необходимо правильно отражать все специальные работы по отделке
оборудования, особенно футеровочные и связанные с защитой
от коррозии.
406
Задание на выполнение технико-экономической части проекта
Технологическое задание на выполнение технико-экономической
части проекта выдается на стадии технического или технорабочего
проекта и включает показатели по расходу сырья, материалов и
энергоресурсов, сведения о трудозатратах и о сроках амортизации
оборудования. Показатели по расходу сырья, материалов и
энергоресурсов приводятся удельные — на единицу продукции и
абсолютные— на годовой выпуск. При определении потребного
количества энергоресурсов величину потребления согласовывают с
исполнителями соответствующей части проекта (электротехнической,
теплотехнической и т. д.). Расход энергоресурсов приводят только
на собственно технологические нужды и нужды производственного
транспорта. Нсли приводится полный расход энергоресурсов по
объекту, то расход на транспортно-технологические нужды следует
выделять, так как он относится к прямым затратам в отличие
от прочих расходов, входящих в состав цеховых затрат. Сведения
о трудозатратах могут выдаваться в виде штатной ведомости
трудящихся для проектируемого производства. В некоторых проектных
организациях необходимые штаты рассчитывают в подразделении-
исполнителе технико-экономической части проекта. В этом случае
исполнители технологической части выдают в качестве задания
перечень рабочих мест и трудовых операций, а штатную ведомость
составляют при разработке технико-экономической части проекта.
В задании должны быть приведены сведения о необходимой
квалификации персонала. Сведения о капиталовложениях в
проектируемое производство, определяемые затратами на оборудование и
технологические коммуникации, выдаются составителями смет.
Однако и в этом задании необходимо участие технологической
части, в которой определяются сроки амортизации оборудования,
и в связи с этим затраты на текущий, средний и капитальный
ремонты. Величина таких затрат для ряда переделов производства
редких металлов может быть весьма существенной. Для
проведения ремонта некоторых аппаратов затрачиваются средства,
составляющие несколько десятков процентов от их первоначальной
стоимости.
При рассмотрении общих требований к графической части
технологического задания на смежные части проекта необходимо
учитывать, что такое задание для ряда смежных частей (отопление,
вентиляция, водопровод, канализация, электротехническая часть
и др.) выдается в соответствии с технологией проектирования
дважды. Предварительное задание содержит весь необходимый
текстовой и табличный материал, но графический является только
предварительной компоновкой оборудования, не отражающей
решений по архитектурно-строительной части проекта. После того
как такие решения будут проработаны соответствующим
подразделением проектной организации, их наносят на технологические
чертежи размещения оборудования. Чертежи, на которых совмещено
изображение технологического оборудования, коммуникаций и
407
строительных конструкций, используют как графическую часть
окончательного задания на выполнение смежных частей проекта.
При этом текстовая и табличная части задания могут не
изменяться и повторно не выдаваться. Выдача предварительных
заданий необходима, так как без материалов предварительных заданий
исполнители по соответствующим частям не могут выдать заданий
на архитектурно-строительную часть проекта. Пока не собраны
задания от исполнителей всех частей, архитектурно-строительная
часть не может принять окончательных решений. Без таких
решений графические материалы для окончательных заданий
подготовить невозможно.
Рассмотрение документации, выпускаемой в ходе выполнения
технологической части проекта, демонстрирует специфический
характер проектирования, объединяющего в себе решение комплекса
технологических, общеинженерных и других специальных задач.
При этом отчетливо выявляется узловое положение технологической
части проекта, в значительной мере предопределяющей решения
в остальных частях.
В настоящей главе освещался вопрос о документации,
выпускаемой в ходе выполнения технологической- части проекта. В связи
с этим вопрос о роли сметной документации был затронут только
в части выдачи задания на ее выполнение. Однако в проектной
работе сметная часть занимает особое положение. Документация ни
по какой другой части проекта не может быть выдана на площадку
строительства и реализована, если она не сопровождается сметой.
При отсутствии сметы банк не принимает к оплате счета за
выполненные по проекту работы. Это требует одновременной выдачи на
площадку документации по любой из частей проекта, в частности,
технологической и сметы затрат на проведение работ по этой
документации.
Глава VIII
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПРИ НЕПОЛНЫХ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ОПЫТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
И УСТАНОВОК
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Проектирование при недостаточно полных и точных исходных
данных— характерный для производства редких металлов случай.
В последние годы это положение предопределяется высокими
темпами научно-технического прогресса. При проектировании, даже
когда имеются полные исходные данные, необходимые для начала
технологического проектирования, приходится учитывать
возможность изменения их в ходе проектирования, строительства и после
ввода предприятия в эксплуатацию.
Помимо проектирования промышленного производства, для
которого полнота и достоверность исходных данных могут быть
достаточными, проектирование объектов, предназначенных для
проведения опытных работ, в принципе не может быть обеспечено
полными исходными данными в обычном понимании этого термина.
Для них проектирование при недостаточно полных и точных
исходных данных — общее правило.
Неполноту, недостаточную точность и достоверность исходных
данных для технологического проектирования можно различно
оценивать в зависимости от характера проектируемого объекта. С этой
точки зрения все объекты проектирования можно разбить на две
основные группы:
1) объекты, связанные с заданием на выпуск определенного
объема продукции, но у которых могут изменяться параметры
процессов и оборудования;
2) объекты, не имеющие узкой специализации и не связанные
с заданиями по выпуску определенного объема продукции.
К объектам первой группы относятся: промышленные и
опытно-промышленные производства; опытные установки, если задача
таких установок — отработка конкретных процессов и
оборудования с достижением заданных показателей по производительности
и т. п.
К объектам второй группы относятся: опытные цехи; стендовые
установки; опытные установки, если по своему назначению они не
относятся к первой группе.
409-
Две названные группы объектов отличаются исходными
положениями, на основе которых ведется проектирование. Отличие это
проявляется в том, какие параметры, характеристики объекта
проектирования принимаются за жестко установленные, а в каких
допускается неопределенность, вызванная неполнотой информации
о проектируемом объекте.
Для объектов первой группы исходным является задание
основных показателей — производственной мощности и качества
продукции. Неопределенность, вызываемая неполнотой исходных
данных для проектирования, проявляется в возможности изменения
показателей работы объекта и изменений в требованиях на
обеспечение работы объекта всеми видами ресурсов и обслуживания.
Для объектов второй группы исходным является задание
определенного уровня обеспечения объекта. Неопределенность для
объектов этой группы проявляется в возможности изменения всех
показателей работы объекта, включая производственную мощность
и качество продукции. Частный случай объектов второй группы —
опытная установка, предназначенная для выявления показателей
работы конкретного аппарата или системы аппаратов — конкретной
аппаратурно-технологической схемы.
Для промышленных и опытно-промышленных производств
главным является задание по выпуску определенного объема
продукции. При проектировании таких производств неполнота исходных
данных должна сводиться к возможности пересмотра показателей
по производительности оборудования, нормам расхода сырья и
энергоресурсов, режимам работы оборудования и уточнению его
габаритов. Необходимо подчеркнуть, что речь может идти именно
о неполноте, неточности перечисленных групп исходных данных.
При отсутствии исходных данных вопрос о проектировании
производства вообще рассматриваться не может. В особых,
исключительных условиях, можно решать вопрос о проектировании и
строительстве помещений и общепромышленного обслуживающего
хозяйства, которые могут быть использованы в дальнейшем для
размещения и обслуживания соответствующего производства. По
технологическое проектирование при этом не производится.
Опытные установки в какой-то мере аналогичны промышленным
и опытно-промышленным производствам, проектируемым при
отсутствии полных исходных данных. Задачей создания опытной
установки является испытание, доработка и установление
оптимальных режимов и показателей эксплуатации определенной
аппаратурно-технологической схемы или конструкции отдельного аппарата.
Для опытной установки известны схемы и, как правило,
ориентировочные пределы изменения режимов, габаритов и других
параметров оборудования.
При этом, основные показатели работы установки, такие как
производительность и качество получаемого продукта, как правило,
заданы и достижение их — основная цель работы на установке.
В этом случае опытные установки относятся к первой группе
объектов. Если же работа опытной установки связана только с выяв-
410
лением параметров и показателей, а требование достижения
определенных показателей отсутствует, то она относится ко второй
группе объектов.
Задача, решаемая при проектировании опытных цехов, сводится
к обеспечению возможности организации опытных работ на
промышленном предприятии или в научно-исследовательской
организации. Так как такой цех должен обеспечивать возможность
проведения работ но любому процессу или переделу, имеющемуся на
предприятии пли изучаемому в научно-исследовательском
институте, габариты и режимы работы оборудования, которое должно
затем устанавливаться в нем, как правило, неизвестны. В этом
случае, возникает задача выбора параметров помещения и
обслуживающих систем, обеспечивающих возможность размещения
практически любого, в пределах выбранных параметров
обеспечения, оборудования.
Проектирование опытных стендов занимает промежуточное
положение, так как стенды создаются для последовательного
испытания аппаратов различных конструкций, но одного
технологического назначения. При этом, схема подсоединения исследуемых
аппаратов к смежным и обслуживающим аппаратам и устройствам
известна и может оставаться постоянной или изменяться
незначительно, а параметры самого исследуемого аппарата — габариты,
потребляемые мощности, производительность могут меняться в
достаточно широких пределах.
В соответствии с особенностями объектов, проектируемых при
неполных исходных данных, отраженных в приведенной
классификации, возможны два подхода к проектированию таких объектов:
1) обеспечение в проектных решениях резервов, необходимых
для нормальной эксплуатации процессов и оборудования,
некоторые параметры которых не были известны в ходе проектирования,
с обязательным достижением проектируемого объема производства
и требуемого качества продукции;
2) выбор параметров помещения, обслуживающих установок
и устройств и обеспечения всеми видами ресурсов для проведения
работ на определенном уровне, не связанном с конкретным
объемом производства, номенклатурой и качеством продукции.
При рассмотрении вопросов классификации производств, с точки
зрения их обеспеченности исходными данными, всегда возможны
неточности в используемой терминологии. Так, отделение
хлорирования или отделение электроннолучевой или плазменной плавки
опытного цеха или опытный цех, целиком предназначенный для
ведения такого рода четко специализированных исследований
конкретных видов процессов и оборудования, всегда будет
характеризоваться особенностями, приведенными для стендовых установок и
устройств. Такой цех или такое отделение и будут опытным стендом
того или иного масштаба независимо от принятого названия. При
классификации объектов следует исходить не из названия, а из
задач, для решения которых объект создается. На основе
классификации объектов, проектируемых при недостаточно полных исходных
411
технологических данных, задачи такого проектирования можно
разбить на две категории. Первая — обеспечение резервов в проектных
решениях, необходимых для нормальной эксплуатации процессов
и оборудования, некоторые параметры которых в ходе
проектирования не были известны. Вторая — выбор параметров помещения
и обслуживающих установок и устройств, обеспечивающих
определенный, принятый уровень проведения работ, не связанный с
конкретным объемом производства.
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ
НА ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ
Резервирование в проектных решениях, вызванное
возможностью изменения параметров проектируемых процессов и
оборудования, обеспечивается в технологической и смежных частях проекта,
а следовательно, и в заданиях на смежные части проекта.
В технологической части проекта резервирование
обеспечивается правильным выбором вспомогательного собственно
технологического и транспортного оборудования. Вспомогательное
технологическое оборудование— емкости, питатели, смесители,
теплообменники и т. п. — следует принимать с резервированием по объемным
(расход, производительность) и по качественным (температура,
давление и т. п.) параметрам, чтобы иметь возможность обеспечить
требования на обслуживание со стороны основного
технологического оборудования, даже при существенном изменении рабочих
характеристик последнего. При проектировании транспорта важно
обеспечивать резервирование не только пропускной способности
и грузоподъемности его, но и максимальной гибкости при
изменениях в параметрах оборудования и его размещении. С этой точки
зрения, как правило, нежелательно использовать транспортеры и
конвейеры; целесообразнее применять системы трубопроводного
транспорта. Однако почти все эти системы — системы непрерывного
транспорта, не могут с максимальной гибкостью приспосабливаться
к требованиям эксплуатации, особенно при обслуживании не
опытно-промышленных, а опытных и стендовых установок. Наиболее
гибки системы периодического, преимущественно напольного
транспорта (кары, погрузчики) или мостового крана.
Резервирование в заданиях на архитектурно-строительную часть
проекта включает резерв общих габаритов и объема помещения,
резервирование возможности изменения планировки помещения и
резервирование в нагрузках на строительные конструкции. Резервы
в общих габаритах помещения выбирают на основе известных
эксплуатационных габаритов вновь разрабатываемого оборудования,
которое в дальнейшем можно принять для использования в
проектируемом производстве. Если возможные габариты вновь
разрабатываемого оборудования неизвестны, оценивают вероятное
изменение габаритов принятого в проекте оборудования. Таким образом,
решается вопрос в основном о ширине и высоте проектируемого
помещения.
412
Если устанавливаемое технологическое оборудование нуждается
в механизированном обслуживании (например,
подъемно-транспортным оборудованием), за исходную оцениваемую величину
принимают габариты зоны обслуживания. После определения
габаритов зоны обслуживания устанавливают габариты собственно
помещения, которые принимают в проекте. Несколько иначе можно
резервировать габариты помещения но длине. Перспективную длину
здания определяют аналогично тому, как это делают для высоты
и ширины. Но после того, как такое перспективное изменение
габаритов установят, в отличие от того, как это выполняется
применительно к ширине и высоте здания, резервирование ведут не за счет
строительства здания увеличенной длины, а обеспечением
возможности последующего увеличения длины. Резервируется в этом
случае площадь на генеральном плане у торца здания,
предназначенного для расширения, по отношению к которой выдерживают
установленные нормами габариты приближения соседних зданий и
сооружений и по которой не прокладывают наземных и подземных
коммуникаций, могущих осложнить будущее строительство.
Необходимо отметить, что площадь на генеральном плане
целесообразно резервировать при значительном увеличении площади
здания в перспективе. Если же перспективное увеличение длины
здания незначительно, то целесообразнее уже при первоначальном
строительстве предусматривать полный, необходимый по
перспективной оценке габарит помещения.
Резервирование в планировочных решениях внутри здания
заключается в создании возможности относительно простого
изменения расположения внутренних стен и перегородок без
необходимости проведения работ по реконструкции основных несущих
конструкций зданий. Другой способ создания резервов в планировке —
размещение крупных и сложных установок, требующих создания
тяжелых фундаментов, на удалении от основных строительных
конструкций и других ответственных установок, позволяющее в случае
необходимости увеличивать их эксплуатационные габариты.
Весьма сложна задача обеспечения резервов габарита по
высоте при многоэтажном решении размещения оборудования.
Перепланировка помещений в плане решается относительно просто, так
как перегородки не несут какой-либо нагрузки. Перестановка
перегородок позволяет использовать резерв общего габарита
помещения по длине или ширине перераспределением его между
различными участками и отделениями. Изменение высоты расположения
площадок значительно сложнее, так как все площадки являются
несущими конструкциями и изменение их расположения по высоте,
особенно при железобетонной конструкции здания, практически
невозможно. Внести изменения можно только в ходе проектирования
и строительства.
Для обеспечения этого основные несущие конструкции
выполняют в металле, что позволяет после принятия окончательных
решений крепить площадки на любой высоте. Заданные нагрузки на
колонны от площадок должны учитывать вариант расположения
■ИЗ
площадок, создающий максимальные нагрузки. Если этажерка
занимает относительно небольшую часть объема здания, ее можно
выполнить на самостоятельных колоннах, не связанных с основной
конструкцией, что упрощает в случае необходимости
реконструкцию пли ликвидацию первоначально сооруженных площадок.
Определять пределы изменения нагрузок на строительные
конструкции следует на основании возможного изменения веса
оборудования, установки дополнительного оборудования, уже
отмеченного изменения высоты расположения площадок при
металлическом каркасе здания, изменения расположения оборудования на
площадках, увеличивающего нагрузки на строительные
конструкции, и особенно изменения характеристик подъемно-транспортного
оборудования. Если при изменении технологии и оборудования
проектируемого производства может возникнуть необходимость
увеличить грузоподъемность подъемно-транспортного
оборудования, это следует учитывать в задании нагрузок на строительные
конструкции, в первую очередь на подкрановые пути. При задании
нагрузок от напольного транспорта это также нужно учитывать,
так как от этого зависит решение перекрытий над подвалами, по
которым перемещается транспорт, а также всех мест пересечения
путей движения напольного транспорта и подземных коммуникаций
(борова, трубы и т. д.).
Резервирование в заданиях на отопление и вентиляцию должно
предусматривать возможность изменения расположения местных
отсосов и кратности обмена. Это обеспечивается возможностью
замены тяго-дутьевых машин и достаточной площадью сечения
боровов и подземных каналов, по которым удаляется из помещения
загрязненный воздух. Установка тяго-дутьевых машин должна
обеспечивать замену с минимальными затратами на реконструкцию,
ограничивающимися затратами на переделку фундамента.
Площадь сечения боровов и каналов должна уже при первоначальном
строительстве учитывать перспективный объем удаляемых газов.
Резервирование в решениях по водопроводу и канализации в
основном заключается в некотором увеличении сечения
трубопроводов. Особенно важно учесть возможные изменения нагрузки на
канализацию, так как систему канализации во всех возможных
случаях необходимо решать как самотечную. Это требует, чтобы при
оценке возможных изменений в проектируемом производстве
оценивалось не только количество стоков, в зависимости от которого
определяется диаметр линии канализации, но и возможность
появления новых точек сброса стоков в канализацию. Последнее может
отразиться на глубине заложения канализационной сети, которую
потребуется увеличить для сохранения необходимых уклонов при
возрастании общей протяженности линии канализации. При
рассмотрении вопроса о возможных изменениях в нагрузках на
систему канализации необходимо раздельно решать вопрос о
хозяйственно-фекальной и кислой производственной канализации.
Резервирование в сетях канализации и отчасти вытяжной
вентиляции требует учета двух особенностей. Первая — увеличение
414
сечения коммуникаций при первоначальном сооружении требует
несопоставимо малых затрат по сравнению с затратами на
последующую их реконструкцию. Вторая — увеличение сечения приводит
к чрезмерному снижению скорости стоков (или газов) при работе
коммуникаций с неполной нагрузкой. Последнее может привести
к выделению осадков и забиванию коммуникаций.
При рассмотрении вопроса о резервировании в системе
водоснабжения необходимо учитывать не только возможное увеличение
объема водопотребления, но и увеличение потребного напора. Если
увеличение напора воды, поступающей в производство, не будет
предусмотрено при первоначальном проектировании, то
впоследствии повышение напора воды потребует значительных затрат.
При резервировании в системе пароснабжения необходимо
учитывать все сказанное применительно к системе водоснабжения.
По аналогии с отмеченными соображениями о резервировании
давления воды, подаваемой в производство, необходимо учитывать
возможность появления необходимости увеличения давления и
температуры потребляемого пара. Аналогично решаются вопросы
снабжения сжатым воздухом.
При подготовке задания на резервирование в системе
электроснабжения главное правильно определить суммарную мощность,
потребляемую объектом. Резерв может быть как в установленной
мощности, так и в обеспечении возможности создания увеличенной
мощности в системе электроснабжения. Последнее осуществляется
строительством помещения трансформаторной подстанции,
позволяющего заменить устанавливаемый трансформатор более
крупным, следующего типоразмера, по сравнению с принимаемым
в проекте первоначально. В других случаях можно
предусматривать место для установки дополнительных трансформаторов.
Обобщая принципы резервирования различного рода
энергоресурсов для обеспечения возможности изменения параметров
проектируемых процессов и оборудования, следует подчеркнуть основные
выводы:
1. При резервировании энергоресурсов, необходимых для
обеспечения одного из объектов промышленного предприятия, следует
учитывать, что удельный вес потребности такого объекта в общем
объеме потребности предприятия в целом может быть
незначителен. Увеличение потребности по одному объекту можно
компенсировать уменьшением потребности на другом из объектов
предприятия. Следовательно, в некоторых случаях изменение объема
потребления на одном из объектов не потребует специальных мер по
созданию резервных мощностей на предприятии в целом.
Резервирование должно осуществляться в приемных и распределительных
устройствах объекта (цеха или отделения), нуждающегося в таком
резервировании, и коммуникациях, подводящих к нему питание
от общеплощадочного источника обеспечения.
2. Следует в первую очередь предусматривать резервирование
в линиях и сетях, особенно подземных, так как затраты на
увеличение пропускной способности подземной линии и сетей при их
■По
реконструкции несопоставимо велики по сравнению с затратами
на обеспечение резерва пропускной способности или
первоначальном строительстве. Кроме того, реконструкция линий питания может
привести к необходимости приостановки производства на период ее
проведения.
3. При рассмотрении вопросов резервирования энергоресурсов
особое внимание следует уделять качественным характеристикам
питания (давление пара или сжатого воздуха, напор воды,
температура пара или холодильного агента и т. п.), так как изменить эти
характеристики особенно сложно после того, как проект
осуществлен.
Рассмотрение методов создания резервов в проектных решениях
показывает, что методы, предназначенные для обеспечения
производства при изменении параметров и показателей
производственного процесса, в большом числе случаев совпадают с методами
резервирования, предназначенными для обеспечения возможности
увеличения объема производства по сравнению с принятым в
первоначальном проекте.
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПЫТНЫХ ЦЕХОВ И УЧАСТКОВ,
НЕ ИМЕЮЩИХ УЗКОЙ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ И НЕ СВЯЗАННЫХ
С ЗАДАНИЯМИ ПО ВЫПУСКУ ОПРЕДЕЛЕННОГО ОБЪЕМА ПРОДУКЦИИ
Задача создания опытного цеха или участка заключается в
создании помещения, позволяющего разместить и обслужить
опытные установки, специализация которых может изменяться в
широких пределах. Таким образом, задача сводится к обеспечению
максимальной в пределах выделенных ресурсов, определяемых
выделенным местом и допустимым объемом затрат, степени свободы
в решениях по использованию такого цеха или участка после его
создания.
Однопролетное одноэтажное здание, обслуживаемое мостовым
краном, — наиболее целесообразное объемно-планировочное
решение для такого цеха. Оно обеспечивает максимальную свободу при
размещении конкретных аппаратов или систем. Могут быть
организованы площадки для обслуживания как на собственных
стойках, так и опирающиеся на колонны основного каркаса здания.
Соответственно при проектировании каркаса следует предусмотреть
возможность увеличения нагрузки на колонны. При достаточно
больших габаритах пролета в таком цехе может проходить
испытания практически любое используемое в производстве редких
металлов оборудование.
Целесообразные минимальные габариты основного помещения
опытного цеха могут быть рекомендованы следующие: ширина
пролета 24 м, высота подкрановых путей 14—18 м. Мостовой кран
целесообразно принимать грузоподъемностью не менее 5 т. Такая
грузоподъемность обосновывается не операциями по обслуживанию
эксплуатации опытных аппаратов и установок, а постоянно
осуществляемыми операциями по монтажу, демонтажу и ремонту обору-
416
дования, которое в соответствии с задачами опытного цеха
постоянно обновляется. В случае, если конкретное оборудование,
проходящее испытания в опытном цехе, будет иметь большие габариты
и массу, то соответственно габариты помещения и
грузоподъемность крана должны быть увеличены.
Иногда, когда предполагаемые опытные работы не будут
связаны с использованием крупного оборудования, но в большинстве
случаев потребуют создания этажерок, для расположения
аппаратурных линий с вертикальными связями между отдельными
позициями оборудования, может оказаться целесообразным уже в ходе
строительства цеха предусмотреть под полом цеха фундаменты под
колонны со стандартным расположением через 6 м. При
необходимости сооружения этажерки пол в соответствующем месте
вскрывают и колонну устанавливают в готовый фундаментный башмак.
Такое решение упрощает и облегчает строительно-монтажные
работы но замене установок в ходе эксплуатации цеха. Однако оно
целесообразно только в том случае, если с достаточной степенью
достоверно известно, что в цехе или в той части цеха, где такие
фундаменты предусмотрены, действительно в ближайшие годы
установка крупного оборудования, требующего сооружения
массивных фундаментов, не предполагается. Иначе
строительно-монтажные работы при замене оборудования не упрощаются, а
усложняются, и затраты на сооружение фундаментных башмаков окажутся
бросовыми. Другое используемое на практике решение —
устройство массивной фундаментной железобетонной плиты под всем
полом цеха. Плиту засыпают слоем песка, на который укладывают
пол из сборных плит.
При создании высокого пролета, являющегося основным
производственным помещением опытного цеха, обслуживаемого
мостовым краном и требующего больших затрат на строительство,
необходимо обеспечить наиболее эффективное его использование.
Нельзя допускать размещения в нем оборудования и проведения
работ, которые по своему характеру в подобном помещении не
нуждаются. Объектами, которые должны быть вынесены из
основного пролета, являются вентиляционные камеры,
трансформаторные подстанции, иногда помещения КИП, ремонтный пункт,
административно-бытовые помещения. Все эти помещения
целесообразно размещать в одноэтажных или многоэтажных пристройках
к торцу или боковой стене основного пролета. Следует учитывать,
что в тех случаях, когда речь идет о размещении временных
опытных установок, даже и не требующих большой высоты помещения,
предпочтение следует отдавать использованию основного высокого
пролета. Хотя при этом временно, на период проведения испытаний,
не используется полная высота помещения, однако удобство
монтажа и демонтажа с использованием мостового крана может
значительно ускорить проведение опытных работ, что является
решающим.
В части отопления и вентиляции проект опытного цеха должен
предусматривать определенную кратность воздухообмена
27 Зак. Л» 461
417
и систему достаточно эффективных местных отсосов. Система
вентиляции должна предусматривать первоначальное создание
вентиляционных камер и приточно-вытяжных воздуховодов, расположенных
по периметру основного помещения. Кроме того, система должна
обеспечивать возможность подсоединения к ней в дальнейшем
сменяемых приточных и вытяжных воздуховодов, прокладываемых при
сооружении установок к рабочим местам и местам выделения
вредностей. Так как подавляющее большинство процессов производства
редких металлов связано с выделением вредностей в атмосферу
цеха, то целесообразно предусматривать установку газоочистки
всех газов и воздуха, удаляемых из цеха, согласованную с системой
вытяжной вентиляции.
Проект системы водопровода и канализации опытного цеха
должен ограничиваться прокладкой канализационных коллекторов
вдоль стен помещения с обеспечением возможности подсоединения
к такому коллектору в большом числе точек. Аналогично вдоль
наружной стены помещения должна быть проложена линия
магистрального водопровода с отводами для присоединения через 6—
9 м. Разводка линий водопровода и канализации к конкретным
аппаратам осуществляется только после установки этих аппаратов.
Проект пароснабжения и снабжения сжатым воздухом должен
предусматривать ввод соответствующих трубопроводов в цех.
Разводка по аппаратам, как и для воды, делается одновременно с
установкой соответствующих аппаратов.
Проект системы электроснабжения для опытного цеха должен
решать задачу ввода мощности в цех. Для этой цели должна быть
запроектирована трансформаторная подстанция на выбранную
мощность. В части подвода питания к конкретным приемникам
проект должен быть выполнен только для первоначально
установленных постоянных приемников, таких как вентиляционное
оборудование, оборудование ремонтного пункта, электропитание мостового
крана, общее освещение помещений и т. п. Для сменного
оборудования, устанавливаемого в ходе опытных работ, электропитание
подводят одновременно с установкей аппаратуры.
Особый случай при проектировании электротехнической части
проекта — необходимость в обеспечении установок специальными
видами питания (постоянным током, током высокой частоты и т. д.).
Если возможность возникновения потребности в специальном
электропитании реальна, то необходимо предусматривать установку
специальных устройств и машин — преобразователей тока,
генераторов высокой частоты и т. п. Размещать такие установки следует
в пристройках, аналогично трансформаторным подстанциям. Если
параметры специального электропитания в момент проектирования
опытного цеха не уточнены или сама его необходимость не
подтверждена окончательно, в проекте следует предусматривать
помещения для размещения соответствующих установок, без привязки
какого-либо определенного оборудования.
Проектирование при неполных исходных данных вообще и
проектирование опытных цехов и установок в частности — наиболее
418
сложный вид проектных работ. Главное, что определяет сложность
этой работы, — необходимость правильно оценить объем
резервирования в принимаемых решениях как в собственно
технологической части, так и в решениях по всем смежным обслуживающим
частям проекта. При этом ответственность за принимаемые
решения во всех частях лежит на проектировщике-технологе, так как
технологические задания определяют все решения по этим частям
и закладываемую в них степень резервирования. Успех
принимаемых решений определяется глубиной их проработки,
квалификацией и интуицией исполнителя технологической части проекта. При
принятии решений по такому объекту необходим тщательный
анализ тенденций развития технологии и конструкций оборудования.
Надо оценить направление развития изучаемого объекта,
возможные темпы этого развития и пределы развития, после достижения
которых в изучаемом объекте происходят качественные изменения,
ограничивающие возможность дальнейшего развития в
рассматриваемом направлении.
При этом в подготовке решений следует стремиться найти
оптимальное соотношение между двумя крайними положениями.
Принимаемые в проекте решения должны, безусловно, обеспечить
выполнение плана на проектируемом объекте, связанном с
выполнением производственной программы, или проведение опытных работ
по намечаемой программе. Вместе с тем затраты на осуществление
принятых в проекте решений, связанные с резервированием
характеристик проектируемого объекта для обеспечения возможных
изменений в параметрах технологического процесса и его
аппаратурного оформления, должны быть минимальными. Создаваемые
резервы при оптимальном решении должны не только обеспечить
возможность нормальной эксплуатации объекта, но и должны быть
в основном целесообразно использованы в первые 3—5 лет после
ввода объекта в эксплуатацию. Иначе создание таких резервов не-
оправдано.
27*
Глава IX
РЕШЕНИЕ ВОПРОСОВ ОХРАНЫ ТРУДА
И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА1
Вопросы охраны труда и охраны природы рассматривались в
предыдущих главах применительно к конкретным задачам, решаемым
при выполнении отдельных разделов и этапов проекта, в первую
очередь его технологической части. В настоящей главе рассмотрены
некоторые общие вопросы, связанные с обеспечением охраны труда
в проектируемом производстве, а также охраны природы.
1. ЗНАЧЕНИЕ ВОПРОСОВ ОХРАНЫ ТРУДА.
СИСТЕМА ГОСУДАРСТВЕННОГО НАДЗОРА ЗА СОБЛЮДЕНИЕМ
ТРЕБОВАНИЙ ОХРАНЫ ТРУДА И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ
Партия, советское правительство, профсоюзы СССР всегда
уделяли большое внимание улучшению условий труда во всех отраслях
народного хозяйства, устранению источников производственных
вредностей и опасностей. Обеспечение охраны труда в
проектируемом производстве — одна из главных задач, решаемых в ходе
выполнения проекта.
Задача эта имеет огромное социальное значение. Забота о жизни
и здоровье человека — характерная черта, органически присущая
нашему обществу. Как сказано в Программе КПСС, принятой
XXII съездом КПСС — «Всемерное оздоровление и облегчение
условий труда — одна из важных задач подъема народного
благосостояния».2 Решение этой задачи — необходимый элемент
коммунистического воспитания трудящихся — условие превращения труда
в источник радости и вдохновения, в жизненную потребность для
всех членов общества.
Однако, помимо общего социального значения вопросы охраны
труда в производстве имеют и конкретное экономическое значение.
Затраты на улучшение условий, повышение безопасности труда не
только решают обязательную в социалистическом обществе за-
1 При подготовке главы использованы материалы, изложенные в учебнике
Б. М. Злобинского [41].
2 Материалы XXII съезда КПСС. Изд-во политической литературы. М., 196),
с. 392.
420
дачу — охраны жизни и здоровья людей, но и экономически
целесообразны как для отдельного предприятия, так и для общества в
целом. Несчастные случаи и профессиональные заболевания
вызывают потери производительности труда из-за временной или
постоянной нетрудоспособности пострадавших и потерь рабочего
времени. Кроме того, несчастные случаи на производстве, помимо
опасности, которую они создают для жизни и здоровья людей,
могут сопровождаться повреждением или разрушением оборудования,
зданий и сооружений, потерей или порчей перерабатываемых
продуктов, что в свою очередь приводит к большим экономическим
потерям. Задача улучшения условий труда, повышения
безопасности производства и связанные с решением этой задачи затраты не
противоречат общему требованию повышения экономической
эффективности производства. Эти задачи решаются совместно. Без
решения первой задачи в социалистическом обществе невозможно
решение второй задачи — повышение экономической эффективности
общественного производства.
Учитывая важное социальное значение вопросов охраны труда,
в СССР создана развитая система государственного надзора.
Санитарно-эпидемиологическая служба Министерства
здравоохранения СССР осуществляет санитарный надзор за действующими,
строящимися и проектируемыми промышленными объектами.
Местные органы этой службы — санитарно-эпидемиологические
станции — ведут надзор за соблюдением установленных гигиенических
норм, санитарно-гигиенических и санитарно-эпидемиологических
правил. В ведение органов санитарного надзора входят как вопросы
санитарной обстановки на проектируемом производстве, так и на
прилегающих территориях в воздушном пространстве.
Вопросы защиты водоемов от загрязнения отходами
промышленных предприятий контролируются органами Министерства
водного хозяйства СССР и соответствующими республиканскими
министерствами через главные управления по использованию и охране
водных ресурсов. Кроме того, вопросы охраны водоемов находятся
под надзором бассейновых управлений по охране и
воспроизводству рыбных запасов и регулированию рыболовства Министерства
рыбного хозяйства СССР.
Органы Государственного комитета по надзору за безопасным
ведением работ в промышленности и горному надзору при Совете
Министров СССР (Госгортехнадзор) осуществляют контроль за
соблюдением правил по безопасному ведению работ в
промышленности, при устройстве и эксплуатации подъемных сооружений,
котельных установок и сосудов, работающих под давлением,
трубопроводов для пара и горячей воды, объектов, связанных с добычей,
транспортом, хранением и использованием газа, при ведении
взрывных работ в промышленности, а также за правильной
эксплуатацией месторождений полезных ископаемых и охраной недр.
Надзор за энергетическими установками ведет Государственная
инспекция по энергонадзору Министерства энергетики и
электрификации СССР.
421
Вопросы пожарной безопасности на предприятиях
контролируют органы пожарного надзора Министерства внутренних дел
СССР.
Перечисленные органы надзора имеют право контроля за
соответствием проекта установленным нормам и правилам охраны
труда и охраны природы и осуществляют контроль за разработкой
проектов на всех стадиях проектирования.
До издания постановления ЦК КПСС и Совета Министров
СССР от 28 мая 1969 г. Л1> 390 все выпускаемые проекты должны
были в обязательном порядке проходить согласование с
соответствующими органами надзора. С 1 января 1970 г. проекты,
разработанные в соответствии с действующими нормами и правилами, не
подлежат согласованию с органами государственного надзора.
В этом случае соответствие нормам и правилам должен
подтверждать главный инженер проекта специальной записью в материалах
проекта. Если в проектах допускаются отступления от
установленных норм или правил, эти отступления должны быть
предварительно согласованы с органами или ведомствами, утвердившими
соответствующие нормы или правила. Если для отдельных
проектных решений отсутствуют утвержденные нормы и правила, такие
решения подлежат согласованию с органами государственного
надзора. Проектные решения согласуются на стадии выполнения
технического или технорабочего проекта. Рабочие чертежи, если они
выполнены без отступлений от решений, принятых на стадии
технического проекта, согласованию не подлежат.
Помимо государственного надзора, осуществляемого службами,
входящими в систему государственных учреждений,
государственный надзор за состоянием охраны труда на производстве постоянно
осуществляется профсоюзными организациями. В составе
профсоюзных органов имеются отделы охраны труда, которые силами
имеющейся у них технической инспекции контролируют соблюдение
трудового законодательства, гигиенических нормативов, правил
техники безопасности. Представители технической инспекции
ставят перед проектно-конструкторскими организациями,
администрацией предприятия, поставщиками оборудования и другими
службами и организациями вопросы по совершенствованию
производственных процессов, не отвечающих требованиям охраны труда,
механизации и автоматизации вредных производств. Техническая
инспекция действует в контакте с органами государственного
надзора, с одной стороны, и органами общественного контроля, с
другой. Представители технической инспекции осуществляют контроль
за выполнением требований охраны труда в ходе строительства
и реконструкции промышленных объектов, а также участвуют в
комиссии по приемке и сдаче в эксплуатацию промышленных
объектов после завершения их строительства или реконструкции.
Проектная организация при осуществлении авторского надзора на
проектируемом объекте в период строительства, монтажа оборудования
и последующей эксплуатации должна работать в контакте с
технической инспекцией.
422
Другим важным направлением деятельности профсоюзных
органов в области охраны труда является участие в разработке
правил и норм по технике безопасности и промышленной санитарии.
Ведомственные нормы разрабатываются центральным комитетом
профсоюза отрасли и утверждаются им совместно с
соответствующим ведомством.
2. УСЛОВИЯ ТРУДА
Охрана труда в проектируемом производстве обеспечивается
созданием необходимых условий труда, определяемых целым
рядом факторов:
1) режим труда и отдыха;
2) организация производственного процесса;
3) соответствие процессов и оборудования требованиям
безопасной работы с обеспечением максимальных удобств для работы
обслуживающего персонала;
4) соответствие зданий и сооружений техническим нормативам,
обеспечивающим безопасную эксплуатацию при соблюдении
гигиенических нормативов.
Необходимый режим труда и отдыха и рациональная
организация производственного процесса обеспечиваются в значительной
мере в ходе эксплуатации действующего промышленного объекта.
Однако их нельзя обеспечить в ходе эксплуатации, если решения,
принятые при проектировании, не предусматривают возможности
их создания.
Характеристика принимаемых при проектировании процессов
и оборудования предопределяется предшествующими
проектированию научно-исследовательскими и конструкторскими
разработками. В ходе проектирования анализируется соответствие
принимаемых процессов и оборудования требованиям охраны труда
в конкретных условиях проектируемого производства.
Соблюдение общетехнических и гигиенических нормативов для
производственных объектов обеспечивается в первую очередь при
разработке проектных решений, значение которых является
определяющим. Однако после ввода предприятия в эксплуатацию
соблюдение гигиенических нормативов не может быть обеспечено без
правильной организации работы.
Нормативы, направленные на обеспечение необходимых
условий труда, как гигиенические, так и общетехнические, можно
разбить на две основные группы — оптимизирующие условия труда и
ограничивающие вредные воздействия на людей различных
производственных факторов.
К первой группе относятся гигиенические и технические
нормативы, определяющие такие параметры, как температура и
влажность воздуха в рабочем помещении, освещенность в рабочей зоне,
расположение оборудования и приборов, организация рабочих мест
для персонала. Организация рабочих мест для персонала должна
в соответствии с нормативами, относящимися к первой группе,
423
обеспечить наибольшие удобства для работы персонала, исключить
работу в неудобных позах и другие факторы, вызывающие
излишнюю утомляемость. Как правило, величина ни одного из
параметров, определяемых нормативами, относящимися к первой группе,
не может сводиться к нулевому значению, а влияние этого
параметра исключаться вообще. Более того, только в том случае, если
этот параметр имеет определенную, отличную от нуля величину,
возможна нормальная работа персонала.
Ко второй группе относятся нормативы, определяющие
допустимый уровень вредных воздействий па человека и
ограничивающие эти воздействия. Факторы, вредно воздействующие на людей:
присутствие в атмосфере производственных помещений вредных
веществ, ионизирующие излучения, электромагнитные поля,
ультразвуковые колебания, производственный шум и некоторые другие.
К этой же группе относятся нормативы размещения оборудования,
приборов и коммуникаций и организации рабочих мест в той части,
в какой они направлены на предупреждение несчастных случаев
с травмами людей. Нормативы второй группы относятся к видам
воздействий на персонал, которые в оптимальном случае следовало
бы исключить полностью. Так как в условиях реального
производства полностью их исключить невозможно, то это и приводит к
установлению ограничения уровня воздействия, при обеспечении
которого персоналу не наносится ущерба. Нормативами второй
группы являются: предельно допустимые концентрации вредных
веществ в атмосфере, допустимые уровни ионизирующих излучений,
электромагнитных волн, звукового давления, допустимый уровень
звука и др.
При проектировании промышленных производств используются
нормативы допустимых уровней вредных воздействий на людей,
значительно превышающие нормативы на аналогичные виды
вредных воздействий для населенных пунктов, мест проживания и
отдыха людей. Такое различие в нормативах определяется тем, что
в производственных помещениях люди находятся ограниченное
время; находясь в производственных помещениях, люди
используют комплекс дополнительных защитных средств и мер,
коллективных и индивидуальных; к работе в производственных
помещениях допускаются только лица, прошедшие медицинский контроль
и обученные правилам поведения в условиях, характеризующихся
определенным комплексом вредных воздействий.
Аналогичное положение и для ряда нормативов первой группы,
таких как температура, влажность воздуха, освещенность.
Из приведенных положений можно сделать важный вывод —
рассматривать условия труда в проектируемом производстве не
как набор изолированных факторов, а как комплекс
взаимосвязанных и взаимозависящих условий, воздействующих на персонал
факторов, защитных мер и средств, ограждающих персонал от
вредных последствий таких воздействий. Взаимосвязанность вредных
воздействий и защитных средств следует рассматривать в процессе
проектирования как обязательность одновременного соблюдения
424
всего комплекса нормативов, определяющих как объем и
интенсивность вредных воздействий, так и меры защиты от них.
Общетехнические и гигиенические нормативы, используемые при
проектировании, определяются Строительными нормами и правилами,
Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий,
Правилами устройства электроустановок, Правилами устройства и
безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением,
Нормами технологического проектирования соответствующих
производств, а также отраслевыми правилами и нормами охраны
труда.
3. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И ВРЕДНОСТИ,
ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Химико-металлургическое производство вообще н производство
редких металлов в частности — потенциальный источник большой
номенклатуры производственных опасностей и вредностей.
Производственные опасности — возможность в результате
ошибочных действий персонала, нарушений в работе технических
систем или разрушения тех или иных конструкций возникновения
обстановки, приводящей к мгновенному поражению, травмированию
человеческого организма. Если такая травма произошла, то
соответствующее событие квалифицируется как несчастный случай.
Частным видом несчастного случая является авария (т. е. разрушение
или повреждение оборудования, зданий, сооружений),
сопровождающаяся травмами для людей. В общем виде авария не всегда
сопровождается травмами персонала, но в большинстве случаев
создает опасность таких травм.
Производственные (профессиональные) вредности —
неблагоприятные факторы производственной обстановки, постоянное или
длительное действие которых нарушает здоровье людей и вызывает
профессиональные заболевания.
Опасности и вредности создаются в процессе производства:
1) движущимися частями технологического и транспортного
оборудования, также движущимися частицами обрабатываемых
материалов;
2) электрическим током;
3) неблагоприятными метеорологическими условиями в зоне
нахождения людей;
4) непосредственным контактом людей с нагретыми
оборудованием и материалами;
5) тепловыми, световыми, ионизирующими излучениями и
магнитными полями;
6) загрязнением атмосферы в зоне нахождения люден
вредными веществами;
7) непосредственным контактом людей с вредными веществами;
8) шумом, вибрацией, сотрясениями;
9) пожарами;
425
10) авариями, в том числе связанными с разрушением
оборудования, зданий и сооружений, пожарами и взрывами.
Одни и те же воздействия могут в зависимости от обстоятельств
выступать в качестве как опасности, так и вредности. Например,
загрязнение воздуха вредными веществами в зависимости от
концентрации соответствующих веществ в воздухе, одновременного
воздействия других факторов, индивидуальных особенностей и
состояния организма человека может приводить в одних случаях
к профессиональному заболеванию, в результате длительного
воздействия, в других—-к травме в результате острого отравления при
кратковременном контакте.
Для производства редких металлов характерны и требуют
особого внимания опасности и вредности, связанные с загрязнением
атмосферы; непосредственным контактом людей с вредными
веществами; ионизирующими излучениями; авариями, связанными с
пожарами и взрывами; авариями, связанными с коррозионным
разрушением оборудования, зданий и сооружений.
Кроме перечисленных выше видов производственных
опасностей и вредностей, также могут быть и другие, но по своему
характеру и методам защиты они полностью аналогичны опасностям и
вредностям в любой другой отрасли производства.
Специфические для химико-металлургического производства
редких металлов опасности и вредности могут возникнуть в
большинстве случаев при:
а) накоплении в производственных помещениях пыли,
жидкостей, газов или паров, которые могут воспламеняться от местных
перегревов, искр и т. п.;
б) контакте двух веществ, реакция между которыми протекает
самопроизвольно с неконтролируемым возрастанием скорости
(например, металлический натрий и вода);
в) негерметичности аппаратуры и коммуникаций,
предназначенных для работы с токсичными, горючими, взрывоопасными,
коррозиоиноопасными и радиоактивными продуктами;
г) работе с радиоактивными материалами и устройствами,
генерирующими аналогичные излучения (специальные приборы
контроля, установки электроннолучевого нагрева и т. п.);
д) повышении давления в аппаратуре выше номинального,
в том числе при проведении транспортных операций;
е) переполнении или механическом повреждении емкостей
с токсичными, горючими, взрывоопасными и коррозиоиноопасными
жидкими продуктами.
4. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОХРАНЫ ТРУДА
В ПРОЕКТИРУЕМОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Охрана труда в проектируемом производстве обеспечивается
методами, которые целесообразно разбить на пять групп:
1) выбор процессов и оборудования;
2) планировка предприятия в целом;
426
3) размещение оборудования, архитектурно-строительные и са-
нитарно-технические решения для производственных зданий и
сооружений;
4) организация производства и труда;
5) индивидуальная защита.
Выбор процессов и оборудования
Устранить опасности или вредности, если они неизбежное
следствие принятых в проекте процессов, оборудования, транспортно-
технологических схем, очень трудно. Поэтому необходимо уже
в процессе проектирования выбирать основные технологические
решения, их исключающие или сводящие к минимуму. Для этого:
не использовать в процессе производства токсичные, пожаро-,
взрыво- и коррозионноопасные материалы;
принимать для оборудования и коммуникаций конструкции,
обеспечивающие повышенную надежность и безопасность
эксплуатации (введение предохранительных клапанов и других
аналогичных устройств, использование специальных конструкционных
материалов, стойких в условиях производственного процесса
и т. п.);
создавать аппаратурные схемы, исключающие контакт
взаимоопасных продуктов и переполнение емкостей с опасными
продуктами (устройство переливных линий, создание буферных емкостей
и т. д.);
создавать системы контроля и управления, исключающие
возникновение опасной ситуации на производственных объектах или
своевременно сигнализирующие о возможности создания такой
ситуации.
Все перечисленные решения принимают в основном в
технологической части проекта и частично в общеинженерных частях
(например, электротехнической).
Планировка предприятия в целом
Планировка должна обеспечивать максимальную безопасность
и соответствие санитарно-гигиеническим нормам. Решения,
обеспечивающие удовлетворительную планировку, в основном
следующие:
1) расположение цехов с вредными выделениями в атмосферу
с подветренной стороны к ветрам господствующего направления
по отношению к другим цехам, а места для складирования отвалов
и отходов — по отношению к площадке предприятия в целом;
2) создание между предприятием и районами жилой застройки
санитарпо-защитной зоны при расположении предприятия с
подветренной стороны по отношению к жилой застройке;
3) расположение зданий и сооружений на площадке в
соответствии с противопожарными нормами и с учетом обеспечения
наилучших условий для естественного проветривания цехов
427
и пространства между цехами, а также для естественного
освещения цехов;
4) организация транспортных потоков на площадке
предприятия с максимальным уменьшением протяженности пешеходных
путей от проходной предприятия до рабочих мест и исключением
пересечения на одном уровне пешеходных путей с транспортными
дорогами при развитом движении транспорта.
Приведенные решения при проектировании разрабатываются
в части генерального плана и транспорта на основе заданий,
выдаваемых технологической и архитектурно-строительной частями
проекта.
Размещение оборудования, архитектурно-строительные
и санитарно-технические решения
Основные задачи, решаемые при проектировании в этой области,
следующие:
1) создание необходимых гигиенических условий для
персонала;
2) обеспечение безопасной работы людей на всех этапах
проведения производственных процессов и обслуживания оборудования;
3) обеспечение защиты людей от неблагоприятных воздействий
и их спасения (в первую очередь эвакуации) при возникновении
аварийной ситуации на производстве.
Соответствующие решения принимаются в технологической,
архитектурно-строительной и санитарно-технических частях проекта.
Специфика решения задач в рассматриваемой области — это
большая нормативная база, устанавливающая четкие количественные
требования к техническим решениям, принимаемым в процессе
проектирования. В нормативную базу входят общие строительные
нормы и правила, санитарные нормы проектирования, нормы
устройства и эксплуатации специальных установок и устройств
(сосуды под давлением и т. п.), а также многочисленные отраслевые
правила по технике безопасности и промышленной санитарии,
разработанные применительно к конкретным производствам.
Организация производства и труда
Организация производства и труда определяется в ходе
эксплуатации промышленного объекта, но она не может быть
выполнена в полном объеме без соответствующих проектных решений.
Основные элементы организации производства и труда:
1) организация рабочих мест;
2) подбор и обучение персонала;
3) режим труда и отдыха;
4) разработка правил ведения работ;
5) уход за оборудованием.
Организация рабочих мест в значительной мере
предопределяется принятым размещением оборудования и архитектурно-плани-
428
ровочными решениями. Соответственно такие решения должны
исходить из необходимости рациональной, научно обоснованной
организации труда.
Подбор и обучение персонала осуществляются в ходе
эксплуатации предприятия.
Режим труда и отдыха должен рассматриваться при
технологическом и технико-экономическом проектировании. Принятый режим
труда должен служить основой для определения явочного и
списочного числа трудящихся для проектируемого производства.
В свою очередь это отражается в проекте бытовых помещений.
Кроме того, если режим труда предусматривает отдых персонала
во время смены, необходимо в объемно-планировочных и сани-
тарно-техническнх решениях предусматривать соответствующим
образом оборудованные места для отдыха.
Разработка правил ведения работ завершается при пуске
предприятия эксплуатационным персоналом. Однако разрабатывать
проектные решения по размещению оборудования, контролю и
управлению процессом производства следует с учетом основных
положений таких правил.
Уход за оборудованием как средство повышения его
безопасности и надежности в ходе эксплуатации при технологическом
проектировании должен предусматриваться проектом размещения
оборудования, а также расчетом производительности. При расчете
производительности оборудования необходимо учитывать
необходимое время для простоев, связанных с профилактическими
осмотрами и уходом (смазка и т. и.) за оборудованием. Кроме того,
размещение оборудования должно, как это отмечено в главе VI,
обеспечить нормальные условия для проведения ремонта, не
создающие опасных для людей ситуаций.
Индивидуальная защита
Индивидуальная защита является одним из наиболее гибких
элементов в системе мер по охране труда. Основные группы средств
индивидуальной защиты следующие:
специальная одежда и индивидуальные защитные средства;
режим питания и питья;
личная гигиена.
Специальная одежда решает задачи защиты работающего от
неблагоприятных воздействий, создания удобства для работы и
иногда предупреждения загрязнения перерабатываемых продуктов
персоналом. Индивидуальные защитные средства — приборы и
приспособления для защиты органов дыхания, зрения, рук, ног и т. д.
(противогазы, очки, перчатки, сапоги и др.) предназначены для
защиты человека от производственных вредностей и опасностей.
Индивидуальные средства защиты используются в случае, если
условия производства не удовлетворяют или могут временно не
удовлетворять нормам безопасности и гигиеническим нормам. При
проектировании необходимо не только учитывать затраты на
429'
обеспечение персонала специальной одеждой и индивидуальными
защитными средствами. Такие затраты, как правило, относительно
невелики. Главное — предусмотреть в проектируемом производстве
службу по хранению специальной одежды и защитных средств,
постоянному уходу за ними, включающему стирку, мойку, ревизию,
ремонт, зарядку противогазов и т. п.
Режим питания и питья при проектировании обеспечивается
созданием специальных помещений для приема пищи в бытовых
помещениях и точек снабжения питьевой водой в производственных
помещениях.
Для обеспечения требований соблюдения личной гигиены
бытовые помещения в проектируемом производстве должны
обеспечивать возможность пользования всеми работающими душем, а также
специальными устройствами для мытья частей тела, особо
загрязняющихся в специфических условиях проектируемого производства.
5. ХАРАКТЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА
В ПРОИЗВОДСТВЕ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Некоторые конкретные решения по охране труда, используемые
в проектировании химико-металлургических производств,
рассмотрены в гл. VI и VII. Имеются общие направления улучшения
условий труда и повышения безопасности производства. Часть этих
направлений характерна для химико-металлургических производств,
другие носят более общий характер.
Локализация и изоляция источников вредности и опасности
Вопрос рассмотрен при изложении принципов группировки
операций в производственных помещениях. Главная цель такого
решения— сокращение объема производственных помещений, в
которых возможны вредные воздействия на персонал и предельное
сокращение числа людей, подвергающихся вредному воздействию.
К рассматриваемой группе решений относятся:
1) разделение помещений, предназначенных для размещения
различных групп операций, капитальными стенами;
2) выделение в боксы взрывоопасных установок;
3) создание в помещениях с интенсивным выделением вредных
веществ в атмосферу пониженного давления, что исключает
распространение вредностей за пределы соответствующего помещения
(принцип вытяжного шкафа);
4) вынесение отдельных взрывоопасных аппаратов из
помещения с установкой на открытых площадках;
5) ограждения вокруг емкостей с вредными и опасными
жидкостями, предупреждающие их растекание по большой площади
в случае повреждения емкости.
Эффективную локализацию источников опасности можно
обеспечить, только если будут перекрыты все пути нарушения изоляции
зоны вредных воздействий. Если в зоне вредных воздействий пе-
430
риодически находятся люди в специальной одежде, для изоляции
зоны необходимо, чтобы люди выходили в зону и выходили из зоны
через шлюз, в котором загрязненная одежда заменяется чистой.
При передаче опасного продукта из одного помещения в другое
с помощью какого-либо транспортного устройства (транспортер,
элеватор и т. д.) недопустимо, чтобы транспортное устройство
проходило через помещения, не связанные с переработкой или
хранением этого опасного продукта. Соответствующее транспортное
средство должно на участке между двумя помещениями,
связанными с источниками опасности или вредности, располагаться в
изолированном коридоре (туннеле или шахте).
При проектировании вытяжной вентиляции от установок,
выделяющих токсичные или взрывоопасные продукты, необходимо газы,
содержащие такие продукты, не смешивать с газами от других
установок, не содержащих аналогичных продуктов, и газами от об-
щеобменпой вытяжной вентиляции.
Механизация и автоматизация производственных процессов
и внедрение дистанционного управления
Эти средства также решают задачу максимального сокращения
числа людей в зоне вредных воздействий. Дистанционное
управление процессом исключает необходимость выполнения человеком
ответственных, сложных операций в условиях, когда он должен
пользоваться специальной одеждой и комплексом индивидуальных
защитных устройств. Это всегда осложняет работу, создает
дополнительную нагрузку на человека и затрудняет четкое выполнение
им своих производственных функций. Неправильные, ошибочные
действия человека в зоне вредных воздействий увеличивают
вероятность несчастных случаев. Автоматизация и механизация,
освобождая человека от тяжелых физических нагрузок, также снижает
возможность его поражения вредными воздействиями.
Использование системы взаимострахующих мер по охране труда
Взаимострахующие меры по охране труда значительно
повышают надежность и безопасность проектируемого производства.
В принципе система взаимоперекрывающихся мер по охране труда
состоит из мер, предупреждающих возникновение опасной
обстановки, и мер, предупреждающих несчастные случаи и аварии, если
опасная обстановка возникает.
Так, при переработке взрывоопасных продуктов комплекс мер
должен исключать накопление опасных продуктов в
производственных помещениях. Для этого же помещения страхующий комплекс
мер должен исключать источники местных перегревов, искрения
и т. д. Таким образом, даже если опасный продукт из-за каких-
либо нарушений в эксплуатации накопится, страхующий комплекс
мер предупредит возможность взрыва.
-131
Аналогично решается вопрос о предупреждении вредных
воздействий на людей в результате загрязнения атмосферы
производственных помещений. Меры по герметизации установок и удалению
вредных выделений через систему местных отсосов должны
обеспечивать поддержание в помещениях удовлетворительных
санитарных условий. Па случай, если эти условия в какой-либо момент
окажутся невыдержанными, предусматривается система аварийной
вентиляции, а персонал снабжается средствами индивидуальной
защиты (противогазы и т. п.).
Система предупредительной сигнализации и блокировки
Это важнейший технический элемент системы мер по охране
труда. Сигнализация должна предупреждать персонал о том, что
условия в производстве приближаются к пределу, после которого
они станут опасными. Степень допустимого приближения к пределу
для каждого случая определяется в зависимости от конкретных
условий. Иногда в производстве, использующем взрывоопасные
газы, сигнализация показывает не степень приближения к
опасному пределу, а самый факт изменения обстановки в сторону
приближения к опасным значениям ее характеристик. В примере
с взрывоопасными газами сигнал фиксирует начавшееся
накопление взрывоопасных газов в атмосфере помещения.
Большое значение предупредительная сигнализация и в
особенности блокировка имеют для безопасного проведения
ремонтных работ и профилактического ухода за оборудованием. Как уже
отмечалось, расположение оборудования должно обеспечивать
безопасность ремонтно-профилактических работ. Однако только
правильного расположения оборудования недостаточно для гарантии
безопасности. При ремонтно-профилактических операциях
оборудование приводится в нерабочее состояние — снимаются защитные
устройства, разъединяются коммуникации, люди проводят
различные операции в опасной зоне аппаратов. Главную опасность в этот
период представляет возможность случайного включения пуска
аппаратов. Это может привести к несчастным случаям с людьми,
находящимися в опасной зоне. Если оборудование в момент пуска
частично разобрано, пуск может привести к аварии, которая в свою
очередь может вызвать травмы персонала. Система
предупредительной сигнализации и блокировка должны исключать
возможность пуска оборудования во время проведения
ремонтно-профилактических операций.
При периодическом осуществлении производственного процесса
а также при некоторых непрерывных процессах блокировка
необходима для безопасного ведения процесса, исключения
возможности опасного совпадения различных операций. Пример
транспортной операции — заполнение емкости агрессивной жидкостью. При
заполнении емкости, не имеющей линии перелива избытка
жидкости, блокировка должна автоматически отключать систему подачи
жидкости, предупреждая переполнение емкости.
432
6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И БЕЗОПАСНОСТИ ЛЮДЕЙ
В РАЙОНЕ, ПРИМЫКАЮЩЕМ К ПЛОЩАДКЕ ПРОМЫШЛЕННОГО
ПРЕДПРИЯТИЯ
Охрана труда персонала, непосредственно участвующего в
проектируемом производстве, только часть общей социальной задачи
предупреждения или устранения вредных воздействий
проектируемого производства на людей и природу. Не менее важный элемент
этой общей задачи — охрана природы и обеспечение безопасности
людей на территориях, расположенных вне площадки
промышленного предприятия, окружающих ее и даже достаточно удаленных
от промышленной площадки.
Любое химикотметаллургическое производство имеет
определенные отходы и потери ценных продуктов, выделяемые в виде
выбросов в атмосферу (газообразных, пылевых, капельных), стоков в
водоемы и отвалов твердых продуктов, которые могут вредно
воздействовать на людей и природу. Отходы могут выделяться (как это
уже рассмотрено в главе IV) организованно и неорганизованно.
К неорганизованным выделениям относятся потери
перерабатываемых продуктов в атмосферу производственных помещений и
последующий вынос их в окружающее воздушное пространство.
Частично неорганизованное выделение происходит за счет проливов
жидких и рассыпания твердых продуктов по территории
предприятия, откуда они могут быть вынесены на прилегающие территории
дождевыми водами, ходовой частью наземного транспорта и т. п.
Неорганизованное выделение отходов отличается двумя
характерными чертами:
1) объем выделения отходов нельзя эффективно
контролировать и регулировать;
2) неорганизованно выделяемые отходы и потери нельзя
отождествлять с какими-либо конкретными продуктами и
соответственно нельзя организованно обезвреживать.
Одним из главных направлений работы по охране природы
и защите людей на прилегающих к промышленной площадке
территориях является максимальное сокращение неорганизованного
выделения отходов и потерь в проектируемом производстве.
Для отходов, организованно выводимых из процесса
производства, имеются следующие основные пути обезвреживания:
1) возврат в процесс производства для повторного
использования или производства попутной продукции;
2) извлечение вредных и опасных компонентов для
использования или захоронения;
3) обработка или переработка с целью перевода опасных и
вредных компонентов отходов в безопасные и безвредные формы.
Вопрос о возврате отходов в процесс производства рассмотрен
в главе III.
Вредные составляющие из общей массы отходов можно
извлекать различными способами в зависимости от формы выделения
отходов и характера вредных и опасных компонентов.
28 Зак. Л° 461
433
В газовых выбросах такими компонентами могут быть пыль,
жидкость в виде капель или тумана и примеси токсичных газов.
Твердые и жидкие загрязнения газов можно улавливать
механическими средствами (циклонные аппараты, рукавные фильтры и т. д.)
или электрофильтрами. Нежелательные газовые примеси можно
обезвреживать химически (например, выжигание в отбросных
газах примеси фосгена) или выводить из отбросных газов сорбцией
каким-либо растворителем (очистка барботажем или в
скрубберах). Последний метод можно применять и для очистки от пыли.
Используемые в процессах пылеулавливания и газоочистки схемы
описаны в главе III.
При решении задачи обезвреживания и очистки газов с
санитарной точки зрения следует учитывать, что подавляющее
большинство процессов очистки связано с появлением новых отбросных
продуктов: пыли при сухих методах пылеулавливания, растворов
или пульп при использовании схем с барботажем или орошением
газов. В результате возникает задача утилизация или
обезвреживания таких вторичных отходов.
Обезвреживание стоков обычно также связано с выделением
или преобразованием двух видов загрязнений — твердых взвесей
и растворенных веществ. При работе с органическими жидкостями
стоки могут содержать капли органики в результате образования
эмульсии. Примеси, сконцентрированные в другой фазе, отделяют
механическими средствами (отстаивание, гидроциклоны,
фильтрация). Очищать стоки от растворенных веществ можно химическими
и физико-химическими методами. Основными из них будут —
химическая обработка с выделением вредной или опасной примеси
в твердую фазу, выделение вредной примеси из раствора физико-
химическими методами (ионный обмен, электродиализ и т. п.) и
выведение примесей из стоков посредством полной упарки
последних.
При химической обработке стоков решаются две основные
задачи — нейтрализация с исключением кислой или щелочной
реакции сбрасываемого раствора, перевод вредных примесей в
малорастворимую форму и затем в твердую фазу, механически
выводимую из стоков.
Такие относительно простые методы очистки не всегда
применимы в производстве редких металлов. Примерами сложности
применения такого рода методов являются широко используемые
в производстве редких металлов хлор, фтор и их соединения.
Соединения хлора обладают высокой растворимостью, и поэтому хлор
нельзя вывести в осадок какой-либо химической обработкой.
Радикально проблема очистки стоков от хлора может быть решена,
если такие стоки будут перерабатываться с выпуском товарных
соединений хлора. В отличие от хлора фтор образует
малорастворимое соединение фтористый кальций. Однако растворимость
фтористого кальция превышает предел допустимой концентрации
фтора в воде водоемов. Поэтому механическое отделение
образовавшегося фтористого кальция недостаточно для очистки стоков, их
434
необходимо дополнительно очищать от фтора сорбцией. Очистка
стоков сорбционными методами дает возможность не только
отделять вредную примесь, но сконцентрировать такую примесь в
продукт, удобный для дальнейшей переработки. Это бывает особенно
важно, если опасная или вредная в стоках примесь- - ценный
продукт, который целесообразно извлекать для дальнейшего
использования.
Крайнее решение, связанное со значительными затратами, —
это полная выпарка стоков. Его применяют обычно в условиях,
когда сброс стоков исключен, а стоки имеют высокую
концентрацию примесей. В процессе выпарки получается или сухой остаток,
или высококонцентрированный раствор, которые удаляют на
захоронение. Выпарку, как метод переработки растворов, можно
использовать только для растворов, примеси которых не возгоняются
вместе с парами воды. Отгоняемую в процессе выпарки воду
следует после конденсации возвращать в производственный процесс,
сокращая общий расход свежей воды.
В настоящее время наиболее полным решением проблемы
стоков признано введение замкнутого водооборота, т. е. полная
ликвидация сброса промышленных стоков в водоемы. Естественное
следствие этого решения — переход на удаление всех отходов
производства в виде твердых продуктов. Твердые отходы
производства, поскольку они не могут где бы то ни было полезно
использоваться, должны подвергаться захоронению в отвалах,
могильниках, шламонакопителях.
Продукты, захораниваемые в отвалах, должны быть химически
инертными и малорастворимыми. Форма захоронения должна
обеспечивать компактность соответствующего материала,
предупреждающую возможность выноса его с места захоронения в виде пыли
или дождевыми водами. В зависимости от степени опасности и
вредности отходов производства, необходимого объема
захоронения определяются формы захоронения. Для высокоопасных отходов
(например, радиоактивных) применяют затаривание опасных
продуктов в монолитные бетонные блоки, которые в свою очередь
размещают в укрытых помещениях или подземных бункерах. Для
инертных не являющихся источником специфических вредностей
отходов, выводимых из производства в большом количестве, можно
принять размещение в шламонакопителе с передачей по системе
гидротранспорта.
Проектирование устройств для захоронения отходов
осуществляется специализированными проектными подразделениями или
организациями. Проектирование шламонакопителей, хвостохрани-
лищ ведут специалисты по гидротехническим сооружениям. Все
остальные объекты санитарного назначения — системы газоочистки
и очистки стоков проектируют в технологической части проекта и,
как правило, исполнители технологической части проекта химико-
металлургического производства.
Из общих вопросов проектирования шламонакопителей можно
отметить следующие. Размещение шламонакопителей должно
28*
435
исключать возможность выноса из него накапливаемых продуктов
фильтрацией через грунт. Дно шламонакопителя должно исключать
возможность заметного просачивания через него жидкостей. Если
естественные породы не обеспечивают достаточной
водонепроницаемости дна, его можно уплотнить искусственно с помощью глины
и т. п. Большое значение для организации шламохранилища имеют
местные метеорологические условия. Если количество выпадающих
осадков превышает количество испаряемой воды на единице
поверхности, то шламонакопитель будет находиться под угрозой
переполнения водой.
Размещение шламохранилища на случай разрушения
ограждающих его дамб или плотин должно исключать возможность
возникновения угрозы для промышленной площадки, жилья и других
объектов, связанных с пребыванием людей и крупных
материальных ценностей, которые при этом могут быть повреждены или
уничтожены.
7. ОРГАНИЗАЦИЯ РАССМОТРЕНИЯ И РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ
ОХРАНЫ ТРУДА В ХОДЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Организационно решение вопросов охраны труда в
проектируемом производстве должно обеспечиваться ответственностью всех
без исключения исполнителей проекта за безопасность и
надежность принимаемых ими проектных решений в сочетании с
наличием в проектной организации специалистов по вопросам охраны
труда, контролирующих решение вопросов охраны труда в проектах
и разрабатывающих специальные вопросы охраны труда.
Структурно специалисты по охране труда могут быть выделены в
специальный сектор или отдел. Задачи такого сектора или отдела
следующие:
1) проверка всех принятых проектных решений с точки зрения
их соответствия требованиям охраны труда;
2) методическая помощь исполнителям всех подразделений
организации по вопросам охраны труда;
3) разработка в случае необходимости для проектируемых
объектов специальных систем и устройств, связанных с вопросами
-охраны труда;
4) разработка нормативной документации по охране труда.
Специальные системы и устройства, необходимые для
обеспечения охраны труда в проектируемом производстве, включают
системы контроля за составом воздуха, температурой и другими
характеристиками условий труда в производственных помещениях,
составом газовых выбросов и стоков, системы блокировки,
обеспечивающие безопасность осуществления операций, включая
операции по ремонту и профилактическому осмотру оборудования,
систем пожаротушения и т. п.
Для правильного решения вопросов охраны труда необходимо
на всех стадиях проектирования своевременно выявлять и
фиксировать все потенциальные источники опасностей и вредностей. Опи-
436
сана [42] методика выявления источников опасности при
проектировании с помощью листов опасности. На каждый выявленный
источник опасности составляется листок опасности установленного
образца. В листке определяется источник опасности, приводятся
пределы параметров, при которых опасность может возникнуть, и
необходимые расчеты, подтверждающие правильность указанных
параметров, и дается оценка опасности. Работа с листком
опасности завершается после того, как в него заносятся решения,
обеспечивающие безопасность эксплуатации объекта, на который листок
составлен. При этом принятые меры безопасности также
подтверждаются в случае необходимости соответствующими расчетами.
Для правильного выбора мер по охране труда,
предупреждению аварий и несчастных случаев решающее значение имеет
правильная оценка опасности. Такая оценка должна квалифицировать
любой источник опасности в двух отношениях — вероятности
возникновения опасной ситуации и степени серьезности возможных
последствий такой ситуации.
Степень вероятности возникновения опасной ситуации
характеризуется одной из трех оценок: вероятно, возможно, маловероятно.
Степень вероятности определяется на основе анализа принимаемых
проектных решений в сопоставлении с накопленным опытом
эксплуатации производств или устройств, аналогичных
запроектированным.
Степень серьезности возможных последствий опасной ситуации
характеризуется также тремя оценками: весьма серьезно, серьезно,
менее серьезно.
Весьма серьезными считаются последствия, связанные с
травмами людей (включая смертельные), разрушением ценного
оборудования, зданий и сооружений. Такого рода последствия возможны
при пожарах, взрывах, разрушении емкостей с жидкостями,
обладающими сильным коррозионным действием на конструкционные
материалы, и разрушении емкостей с жидкостями или газами,
обладающими высокой токсичностью.
Серьезными считаются последствия, связанные с заметным
материальным ущербом — разрушением оборудования, большими
потерями материалов, которые не относятся к опасным для людей
и конструкции.
Менее серьезными считаются последствия, связанные с малым
материальным ущербом — разрушением недорого, легко
восстанавливаемого оборудования, потерями малых количеств неопасных
продуктов.
Па основе выявленных оценок во всех случаях, когда
последствия могут быть весьма серьезными, а также когда последствия
могут быть серьезными, а сами случаи — вероятными пли
возможными и когда последствия могут быть менее серьезны, но случаи
вероятны, необходимо для их предупреждения принимать решения,
связанные с использованием специальной аппаратуры и устройств.
В маловероятных случаях, но с серьезными последствиями, а
также в возможных и маловероятных случаях с менее серьезными
437
последствиями защитные меры могут ограничиваться
разработкой инструкций по безопасной эксплуатации и специальной
подготовкой персонала, проводящего соответствующие операции.
Описанная методика разработана для классификации аварий,
поэтому она не дает дифференциации источников вредностей и
опасностей с точки зрения последствий их воздействия на людей.
Все потенциальные источники травм для людей относятся к одной
категории — весьма серьезные последствия.
Для правильной оценки опасности целесообразно эту категорию
дифференцировать, например, следующим образом: источники,
опасные для жизни людей, источники возможных травм без угрозы
для жизни людей, источники нарушений гигиенических нормативов,
не приводящих непосредственно к травмам.
Для каждого выпускаемого проекта целесообразно выполнять
обзорную записку по вопросам охраны труда в проектируемом
производстве [42]. Цель такой записки — ознакомление
производственного персонала с источниками опасностей и вредностей в
проектируемом производстве и мерах защиты. Для случаев, когда охрана
труда не обеспечивается системой автоматической защиты, записка
должна содержать инструкции по эксплуатации. Кроме того, в
записке приведены сведения по испытаниям, которые должно
проходить оборудование до сдачи в эксплуатацию, и периодичности
проверки оборудования и средств охраны труда в ходе
эксплуатации производства.
Важнейший этап проектной работы в области охраны труда —
авторский надзор. Авторский надзор должен осуществляться как
в ходе строительства и подготовки проектируемого производства
к сдаче в эксплуатацию, так и в ходе последующей эксплуатации.
Авторский надзор должен обеспечивать выполнение трех условий:
1) реализацию всех предусмотренных проектом мер по охране
труда;
2) изготовление и монтаж всего оборудования, средств контроля
и управления (включая оборудование, средства и устройства по
охране труда) в соответствии с требованиями обеспечения охраны
труда;
3) контроль за внесением изменений в проектные решения
с обеспечением при внесении изменений соблюдения требований
охраны труда.
Глава X
ОЦЕНКА РЕШЕНИЙ, ПРИНИМАЕМЫХ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Процесс проектирования включает разработку решений, их
сравнительную оценку и выбор оптимального варианта. Оценка
принимаемых решений — ключевой момент проектирования, без которого
выработка эффективных решений невозможна. Кроме того, оценка
принятых решений позволяет выявить итоговые показатели
проектируемого объекта. Она позволяет сравнить показатели
рассматриваемого проекта с показателями действующего аналогичного
производства, если такое производство существует, или с возможными
показателями проекта, если бы при его выполнении были приняты
другие отличные решения. Проведенное сравнение позволяет
оценить степень усовершенствования производственного процесса по
сравнению с существующим уровнем. В предельном случае оценка
определяет целесообразность осуществления выполненного
проекта. Методы оценки могут исходить из различных требований
к проекту.
Определяющий критерий — экономическая эффективность,
в значительной мере отражает все остальные показатели и
критерии. Все показатели проекта, все критерии его оценки можно
разбить на четыре основные группы: технологические, социальные,
экономические, обоснованность проектных решений и степень
технического риска.
Эти группы тесно связаны между собой. Они не противостоят
одна другой, а взаимно дополняют друг друга при оценке проекта.
Правильнее говорить не о том, с точки зрения какого фактора
следует рассматривать влияние того или иного решения, а о том, при
рассмотрении какого фактора влияние этого решения проявляется
наиболее серьезно. Сами же факторы, как уже отмечалось,
взаимосвязаны и взаимозависимы, а в некоторых случаях совпадают.
2. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ОЦЕНКУ
ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ
Качество продукции
Главным технологическим вопросом, без решения которого
нельзя рассматривать показатели и характеристики проекта под
439
каким-либо другим углом зрения, это — качество продукции.
Обеспечение заданного качества продукции обязательно для любого
проекта. При рассмотрении вопроса о качестве продукции следует
учитывать не только формальное соответствие качества продукции
на запроектированном производстве требованиям задания, но и
оценивать потенциальные возможности топ или иной технологии
обеспечивать дальнейшее повышение качества продукции. Это
связано с неуклонным ростом требований к качеству редких металлов
со стороны потребителей. При этом повышение качества позволяет
в ряде случаев раскрыть новые области применения редких
металлов и их соединений. Поэтому при прочих равных условиях
предпочтение следует отдавать той схеме или технологии, которая не
только надежно гарантирует получение продукции заданного
качества, но и открывает перспективы для его дальнейшего повышения.
Другим собственно технологическим вопросом, который может
играть в некоторых случаях серьезную роль при оценке проекта,
является извлечение из сырья дефицитных продуктов. Вопрос об
извлечении не может быть определяющим во всех случаях,
целесообразность повышения извлечения зависит от экономики
производства. Повышение извлечения снижает затраты на сырье и
уменьшает объем производства на головных переделах, однако сами
мероприятия по повышению извлечения также требуют
дополнительных затрат. Оптимальное решение находится при минимальных
общих затратах. Однако в тех случаях, когда объем возможного
потребления сырья ограничен, а производство того или иного
извлекаемого из этого сырья компонента необходимо максимально
расширить, извлечение может стать определяющим при оценке
проекта, а экономические показатели могут не иметь решающего
значения. При оценке проектных решений важно учитывать
технологическую гибкость их, возможность при необходимости изменить
качество и номенклатуру продукции запроектированного
производства без существенных затрат. Вопрос о возможной номенклатуре
продукции — частный случай вопроса о качестве продукции.
Внедрение непрерывных процессов
Развитие автоматизации и механизации производства
способствует внедрению непрерывных процессов в технологии, где раньше
они считались неосуществимыми. Внедрение непрерывных
процессов дает различный эффект в зависимости от того, применительно
к какому производственному процессу они используются.
Непрерывные процессы предпочтительнее применять для производств,
в которых вспомогательные операции занимают в сравнении с
основными относительно большое время. В периодическом процессе
при этом соотношении затрат времени на основные и
вспомогательные операции оборудование, предназначенное для основного
технологического процесса, в большинстве случаев достаточно сложное
и дорогое, значительную, а иногда и большую часть рабочего
времени используется неэффективно. При непрерывном процессе,
440
когда все операции распределены между различными аппаратами
или узлами одного аппарата и осуществляются непрерывно,
оборудование используется наиболее полно. Периодические процессы
целесообразно применять в тех случаях, когда время,
затрачиваемое на вспомогательные операции, относительно невелико и
соответственно степень использования основного оборудования
остается высокой.
С точки зрения технологии непрерывные процессы всегда
предпочтительнее. При непрерывном процессе любой аппарат схемы
постоянно находится в заданном режиме, и создаются наилучшие
условия для поддержания такого режима. Естественная
инерционность аппарата (тепловая, аэро- или гидродинамическая и т. п.)
в этом случае способствует поддержанию оптимального режима.
При гтериодическом процессе, эта инерционность — препятствие для
всех измерений режима, необходимых при проведении процесса.
В этом смысле возможности многих периодических процессов
ограничены в части получения продукции высокого качества с
высокими же выходами. Примером служит периодическая
ректификация, при которой головные и хвостовые фракции продукта
неизбежно отличаются по качеству от основной массы продукта и
должны отделяться для дополнительной переработки.
При непрерывном ведении процессов мощность транспортных
устройств может быть значительно ниже, чем в периодических
производствах. Это определяется тем, что объем материала, который
при периодической работе передается из одного аппарата в другой,
за 5—15% от общего времени работы аппаратуры, а иногда и в
более короткие периоды при непрерывной работе передается за
полное время работы основной технологической аппаратуры.
Соответственно производительность транспортных устройств может быть
снижена в 10—12 раз.
При сопоставлении периодических и непрерывных схем
серьезный аргумент в пользу периодических схем — их относительная
простота. Если с точки зрения аппаратурного, конструктивного
оформления отдельных операций такая простота в большинстве
случаев и имеется, то с точки зрения разработки собственно схемы
это не так. Если брать технологическую схему процесса, включая
все вспомогательные операции, в том числе и санитарные, то
именно периодическая схема может оказаться более сложной.
Обеспечить эффективную работу, например, газоочистки при
неустановившемся, изменяющемся режиме основного технологического
оборудования весьма сложно.
Важный момент для определения возможности использования
непрерывных процессов — масштаб проектируемого производства.
При ограниченном масштабе производства использование
непрерывных процессов может оказаться нерациональным.
Следует учитывать, что далеко не каждый технологический
процесс целесообразно использовать в непрерывном оформлении.
Примером может служить технология ионообменного разделения и
очистки. Хотя в литературе такие схемы описаны [13], использование
441
их в промышленности может оказаться нерациональным из-за
недостаточной стойкости ионита к истиранию при транспортировке.
Переизмельчение смолы приводит к потерям ценного материала
и вызывает необходимость усложнения схемы.
Сокращение технологической схемы
Уменьшение числа входящих в технологическую схему
операций и переделов — действенное направление повышения
эффективности производства. При этом уменьшаются трудозатраты. При
уменьшении числа операций создаются предпосылки снижения
потерь полезных компонентов по переделам. Уменьшаются
неизбежные, почти при любых операциях безвозвратные, механические
потери. Это обстоятельство весьма важно из-за высокой стоимости
сырья редких металлов.
Необходимо отметить, что важно не только число операций, но
и суммарный объем потоков на операциях. Если относительно
небольшое уменьшение числа операций значительно увеличивает
поток, то такое изменение производственного процесса может дать
отрицательный эффект. В этом случае действуют закономерности,
аналогичные применяемым к оценке идеального каскада
разделения [50]. Экономический смысл такого подхода определяется
задачей максимального повышения производительности оборудования.
При равной производительности аппаратов по объему
перерабатываемых продуктов для технологии, имеющей меньший суммарный
по всем операциям материльный поток, потребуется меньшее число
аппаратов. Соответственно приведенная средняя
производительность каждого аппарата по конечному продукту, количество
которого не изменяется, будет выше. Более высокой будет и
производительность труда обслуживающего персонала. Учитывая
желательность сокращения числа операций при выборе процессов для
разрабатываемой схемы, следует отдавать предпочтение процессам,
позволяющим совмещать ряд операций и решать совместно
несколько задач, стоящих перед технологией.
Для производства редких металлов характерна комплексность
сырья (совместное нахождение сразу нескольких полезных
элементов), поэтому одно из главных направлений проектирования —
создание схем, предусматривающих уже в ходе вскрытия разделение
извлекаемых элементов или, во всяком случае, получение
соединений редких металлов, которые могут быть в дальнейшем
использованы для разделения полезных компонентов и их очистки.
Развитие хлорной металлургии
Приведенная выше схема (см. рис. 6) показывает, как вскрытие
хлорированием решает задачу первичного разделения титанового,
тантало-ниобиевого и редкоземельного продуктов. В сочетании
со схемами очистки четыреххлористого титана (см. рис. 22) и раз-
142
деления тантала и ниобия ректификацией хлоридов (см. рис. 20)
и схемами получения титана, ниобия и тантала восстановлением их
хлоридов метод хлорирования вскрыл большие возможности
сокращения технологического никла. Отпадают операции перевода
полученных при вскрытии соединений в форму, удобную для
разделения или очистки, а также получения соединений, пригодных для
восстановления до металлического состояния. Примером
производства, где все возможные преимущества схемы хлорирования не ис-
Хлор
Циркон
Восстановители
ХЛО/.
1 Г
Шие
Восстановители
Хлор
Окиси гафния
Хлорирование
Магний Хлорид гафния
1
Восстановление
Технический хлорид Экстрагент
I
Экстракция
Экстрагент
Восстановитель
Окись циркония
Хлор
\ t »
Хлорирование
Хлорид циркония Нагний
Восстановление
Гафний
Хлорид магния
Цирконий
Хлорид пагния
Рис. 150. Технологическая схема производства циркония и гафния по хлорной технологии
с промежуточным экстракционным разделением
пользуются, может служить укрупненная схема производства
циркония и гафния с вскрытием циркона хлорированием (Шел-
тон С. М., Диллинг Е. Д., Мак-Клейн Д. X. [16, с. 585—677])
(рис. 150).
В этой схеме исходное сырье вскрывают хлорированием и
получают смеси технических хлоридов. Далее хлориды переводят в
раствор, где и разделяют по достаточно разработанной схеме
экстракции. После разделения цирконий и гафний выделяют из раствора
в виде индивидуальных окислов, которые повторно хлорируют.
Полученные очищенные хлориды восстанавливают магнием до
металлов. Если бы технология непосредственного разделения хлоридов
циркония и гафния была разработана, то схему можно было бы
443
существенно упростить. Такая упрощенная схема (рис. 151) имела
бы не только меньшее число операций, но потребовала бы в
процессе эксплуатации значительно меньше реагентов.
Преимущества хлорной технологии заключаются в
специфических свойствах систем хлоридов, позволяющих совместить
преимущества пирометаллургических и гидрометаллургических процессов.
Пирометаллургические процессы, помимо того, что они
проводятся при высоких температурах, имеют два основных отличия.
Первое — при пирометаллургических процессах продукты в
процессе переработки имеют высокую концентрацию полезных
компонентов. Ценные компоненты могут быть связанными с
соединениями других элементов, но, как правило, не бывают растворены
Хлор
Циркон
Восстановитель
* * Г
Хлорирование
Технический хлорид
I
Разделение и owe тки
Магний Хлорид гаерния
Хлорид циркония Магний
Восстановление
Восстановление
Хлорид тения
~1 .
Гафнии
Цирконий
\
Хлорид магния
Рис. 151. Технологическая схема производства циркония и гафния по хлорной технологии,
использующей непосредственное разделение хлоридов
в большой массе балластного продукта, из которого их нужно
выделять специальными методами. Второе — высокие температуры,
необходимые для осуществления пирометаллургических процессов,
а также высокая химическая активность соединений редких
металлов затрудняют осуществление тонких процессов разделения и
очистки соединений редких металлов в относительно большом
масштабе методами пирометаллургии. Это обусловлено также
высокими требованиями к чистоте редких металлов. Исключение в
данном случае составляют процессы, связанные с дистилляцией, но
этот метод применяется для очистки только некоторых металлов
в элементарном состоянии и очень малого числа соединений.
Другое исключение — электролиз расплавов, но он используется для
рафинирования металлов, а не соединений.
В гидрометаллургических процессах имеют дело с продуктами,
в которых концентрация полезных компонентов весьма мала.
Соединения полезных компонентов могут быть извлечены из
продуктов гидрометаллургической переработки только при помощи доста-
444
точно сложного набора операций. В этих операциях сначала
выделяют извлекаемый компонент в самостоятельную (обычно твердую)
фазу, а затем уже разделяют. Гпдрометаллургические процессы
дают достаточно большие возможности для организации тонкого
разделения и очистки соединений редких металлов. Вся группа
методов очистки осаждением или кристаллизацией из растворов,
а также такие тонкие современные методы, как экстракция и
ионный обмен, производятся на основе гидрометаллургической
технологии.
Таким образом, преимуществом пнрометаллургических
процессов является работа с высококонцентрированными продуктами и
соответственно более высокая производительность оборудования.
Что касается подготовленности технологий тонкого разделения и
очистки извлекаемых компонентов к внедрению, то здесь большое
преимущество имеют гидрометаллургические процессы.
Свойства хлоридов многих редких металлов создали
возможности совместить преимущества пнрометаллургических и
гидрометаллургических технологий. С одной стороны, хлориды являются
концентрированными продуктами, которые, будучи полученными в
достаточно чистом виде, могут служить исходным продуктом для
производства редких металлов в элементарном состоянии. С другой
стороны, в настоящее время технология разделения и очистки
хлоридов, основанная на различии в упругостях паров хлоридов, с
использованием методов дистилляции и ректификации получила
развитие и активно внедряется в производство. По такой
технологии перерабатываются продукты высокой концентрации с
использованием небольшого числа технологических операций
при обеспечении возможности получения чистых конечных
продуктов.
Хлорная металлургия — частый случай металлургии галогени-
дов. Другим направлением, используемым в производстве редких
металлов, является технология, связанная с получением и
переработкой фторидов [13].
Использование гидрометаллургических процессов
Процессы гидрометаллургии способствуют увеличению общего
числа операций и некоторому усложнению технологической схемы.
Однако это положение не является общим и абсолютным.
Существует ряд операций, которые более компактно и экономично
решаются при работе с растворами и пульпами. К таким операциям
следует отнести прежде всего переработку топких
порошкообразных материалов. Большие сложности возникают при контакте
таких материалов с газовыми потоками. В этих случаях газы,
отводимые от аппарата, нуждаются в очистке от пыли. Включение
в схему операций очистки неизбежно увеличивает затраты на
производство и иногда представляет определенные технологические
трудности. При переработке продуктов в растворах трудности,
связанные с очисткой газов от пыли, отпадают.
445
Другое преимущество работы с растворами или пульпами
сокращение механических потерь, неизбежных на операциях,
связанных с транспортом и перегрузкой твердых, особенно тонкоразмоло-
тых, материалов. Для опенки эффективности применения
гидрометаллургии важны решения о форме, в которой выдаются из
производства отвалы различного рода. Нсли форма основной
товарной продукции обусловлена стандартами или техническими
условиями на нее и не может произвольно изменяться, то форма
складируемых отходов и отвалов производства зависит от решений,
принимаемых при проектировании. В этом случае, так как отходы,
производства, как правило, нельзя получить в компактном виде,
исключающем пыление и загрязнение производственных помещений
и средств транспорта к месту складирования, также целесообразнее
использовать средства гидротранспорта по трубопроводам. Такое
решение исключает ряд операций по отделению отвальных
продуктов от жидкой фазы и создает более благоприятную санитарную
обстановку на всех операциях по уборке отходов от места их
получения в технологической схеме до места складирования.
3. ВЛИЯНИЕ СОЦИАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ НА ОЦЕНКУ
ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ
Санитарная характеристика и степень опасности
проектируемого производства
Если производство включает процессы и аппараты, несущие
в себе возможность возникновения опасности или вредности для
обслуживающего персонала, полностью исключить их
неблагоприятное воздействие практически невозможно. Даже в случае
высокого совершенства санитарной техники и техники безопасности
всегда возможно из-за ошибок персонала и неисправности
оборудования, как бы редко это не имело место, возникновение
неудовлетворительной санитарной обстановки в производственных
помещениях или положения, опасного для производственного
персонала. Кроме того, даже при абсолютной надежности комплекса
защитных мероприятий он никогда не исключает полностью
вредное воздействие на персонал производственных факторов, а только
ограничивает воздействие принятыми допустимыми нормами
(предел допустимой концентрации, допустимая норма обучения и т. д.).
Несмотря на то что такого рода допустимые нормы могут быть
весьма надежно обоснованы, тем не менее даже строго
ограниченное воздействие вредного фактора не может приравниваться к его
полному отсутствию.
При рассмотрении вопроса о допустимых нормах вредных
воздействий на организм человека следует учитывать также
относительный характер этих норм. Они в каждый данный момент
определяются уровнем изученности последствий того или иного
воздействия на организм человека. Уровень изученности, особенно в части
отдаленных последствии, со временем неизбежно изменяется, что
446
приводит к пересмотру соответствующих норм (пределов
допустимых концентраций, допустимых норм облучения и т. д.). Иногда это
приводит к изменению норм в сторону увеличения вредных
воздействий на человека, но в некоторых случаях нормы при изменении
становятся более строгими, вводятся дополнительные ограничения
вредных воздействии. Это означает, что объем и интенсивность
вредных воздействий, считавшиеся ранее допустимыми, при
дальнейшем изучении могут быть признаны слишком большими.
Поэтому при прочих равных условиях предпочтительно производство,
не связанное с вредными и опасными для персонала факторами.
Производительность труда
Производительность труда — один из важнейших факторов,
приобретающих все большее социальное значение. Значение этого
фактора определяется ограниченностью ресурсов рабочей силы.
В дальнейшем прирост производства продукции цветной
металлургии по пятилетнему плану должен осуществляться без увеличения
численности трудящихся, а в ряде случаев должен сопровождаться
уменьшением их числа. Другая особенность процесса повышения
производительности труда — это то, что он, как правило,
сопровождается устранением тяжелого физического, ручного труда и
требует повышения квалификации производственного персонала.
Важнейшее социальное следствие этого процесса — повышение
культурного уровня и благосостояния трудящихся. При анализе
вопроса о производительности труда всегда следует учитывать
производительность труда не только на основных технологических, но
и на вспомогательных, транспортных и ремонтных операциях.
Только общее повышение производительности труда эффективно.
Повышение производительности труда только на основных
технологических операциях в предельном случае может сопровождаться
даже снижением общей производительности труда для конкретного
производства за счет значительного снижения производительности
труда на вспомогательных операциях.
4. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОЦЕНКИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ
Экономические показатели [7, 8, 85, 86] составляют большую
группу, включающую себестоимость продукции, удельные
капиталовложения, фондоотдачу, рентабельность, производительность
труда.
Экономическая эффективность проектируемого производства
Экономическую эффективность устанавливают на основе
показателей себестоимости и удельных капиталовложений проектируемого
производства. Итоговых показателей имеется два — экономический
эффект проектных решений но сравнению с базовым вариантом
447
и величина фондоотдачи. Оба эти показателя рассчитывают
на период, равный одному году.
Экономический эффект вычисляют по формуле
3n-\(c1-i.-£Hkl)-(c.yrEak.^\Q, (213)
где Эи— годовой экономический эффект от эксплуатации
запроектированного объекта, тыс. руб.;
С\ — себестоимость продукции по базовому варианту,
тыс. руб./т;
k\ — удельные капиталовложения по базовому варианту на
единицу годового выпуска продукции, тыс. руб/т;
Еп — нормативный коэффициент эффективности капитальных
вложений в основные производственные фонды. Для
цветной металлургии он установлен равным 0,21, а для
подотрасли редких металлов 0,24;
с-± — аналогично С\ для рассматриваемого проекта;
кг—аналогично ki для рассматриваемого проекта;
Q — годовой объем производства, т.
В ряде случаев для правильной оценки экономической
эффективности решений необходимо учитывать не только вложения в
основные производственные фонды, но и затраты на оборотные
фонды. Соответственно нормативный коэффициент окупаемости
становится меньше. Для цветной металлургии в целом он
установлен равным 0,18, а для подотрасли редких металлов 0,20.
За базовый вариант пли эталон при подсчете экономического
эффекта принимают проект или действующее предприятие, с
которым сравнивают показатели рассматриваемого проекта. При
сравнении двух вариантов проекта одного и того же объекта за
базовый вариант принимают один из рассматриваемых вариантов.
При выборе показателей базового варианта необходимо учитывать
их изменение во времени. Так, сравнивая показатели проекта с
показателями действующего производства, следует учитывать, что
к моменту ввода в эксплуатацию объекта, построенного на основе
рассматриваемого проекта, показатели действующего производства
неизбежно претерпят изменения. В расчет следует закладывать
измененные прогнозные показатели. Наоборот, при сопоставлении
двух вариантов проекта, очевидно, если и будут какие-либо
изменения показателей, то они в первом приближении могут
оцениваться для обоих проектов как сопоставимые и в расчет не
приниматься. В случае, если проект предусматривает не строительство
нового, а реконструкцию действующего объекта, то экономический
эффект можно подсчитать по формуле
3a-\(ci-cJ-Euki\Q, (214)
где k:i — дополнительные удельные капиталовложения на единицу
годового выпуска продукции, тыс. руб/т.
Остальные обозначения аналогичны приведенным в формуле
(213).
418
Формулы (213) и (214) можно составить в расчете на величину
годового объема производства не только в натуральном, но и в
денежном выражении. При этом себестоимость и удельные
капиталовложения относятся не к тонне годового выпуска, а количеству
продукции, стоимость которых составляет в отпускных ценах
1 тыс. руб. Соответственно величина Q выражается также в
величинах стоимости продукции.
Показатель фондоотдачи характеризует экономическую
эффективность вложений в проектируемый объект. Он определяется как
отношение суммарной годовой прибыли от эксплуатации объекта
к общему объему капиталовложений на его сооружение.
Показатель фондоотдачи рассчитывают по формуле
0^%C)Q, (215)
где Ф — показатель фондоотдачи, %;
Ц — цена единицы продукции, тыс. руб.;
С — себестоимость единицы продукции, тыс. руб.;
Q — годовой объем производства, т;
К — общий объем капиталовложений, необходимых для
строительства объекта, тыс. руб.
Так же как и формулы (213) и (214), формулу (215) можно
составить применительно к валовому объему производства в
денежном отношении.
Надежная оценка экономической эффективности проектных
решений— весьма сложная задача. Особенно сложно ее выполнить
в момент выбора схемы, когда проект только начинается
разработкой и полные данные для расчета эффективности отсутствуют.
Поэтому требуется тщательный, всесторонний анализ не только
основных технологических показателей, по и показателей, которые можно
получить в смежных частях проекта. Оценивая уровень
эксплуатационных затрат по предлагаемой схеме, необходимо учитывать
не только прямые технологические расходы сырья, материалов и
энергоресурсов, но и ряд других, на первый взгляд, не столь
важных, но на самом деле иногда решающих статей эксплуатационных
расходов производства. Необходимо оценить расходы не только
по основным технологическим операциям, но и по вспомогательным
операциям, в первую очередь санитарно-техническим. Источником
многих ошибок при оценке экономических показателей новой схемы
часто является то, что не учитываются эпизодические затраты по
ряду статей. Главная из этих статей — расходы на текущий ремонт
оборудования, а также расходы, связанные с пуском и остановкой
производства. Затраты эти могут достигать значительной величины.
Тяжелое пирометаллургическое оборудование при плановом
ремонте часто обновляется почти на 50%. Существенной статьей
расходов могут быть расходы, связанные с необходимостью
периодической очистки или полной замены продукта, циркулирующего
в процессе производства. Оценивая эксплуатационные затраты,
29 Зак. .\"э 461 -1Ш
необходимо правильно определить разовый объем и периодичность
такого рода эпизодических затрат.
При оценке капитальных затрат, связанных с осуществлением
предлагаемой схемы, необходимо в первую очередь, как и при
оценке эксплуатационных затрат, учесть все без исключения
операции, так как все они требуют капитальных вложений. Если
некоторые эпизодические операции могут мало влиять на
эксплуатационные затраты из-за того, что большую часть времени они не
осуществляются, а фактически находятся в состоянии консервации, то,
с точки зрения капитальных затрат, они могут более серьезно
влиять на экономические показатели производства. Ошибки при оценке
капитальных затрат часто связаны с неправильной оценкой
стоимости тяжелого иетинового оборудования и всех работ по защите
оборудования, коммуникаций и строительных конструкций от
коррозии. Затраты по этим статьям могут составить до 20—30% от
стоимости производства в целом. Поэтому оценка их весьма
существенно отражается на результатах расчетов.
Из прочих объемов капиталовложений, которые следует
оценивать при сопоставлении различных схем, это межпредельные и
приемные склады полупродуктов, требующие для своего
сооружения значительных затрат. Особенно это следует отнести к
приемным складам полупродуктов и материалов. Существо возможных
ошибок в данном случае заключается в том, что при
проектировании не учитывается практически неизбежная возможность
возникновения диспропорции между различными пределами
проектируемого предприятия.
При оценке капитальных затрат, потребных для осуществления
той или иной схемы, необходимо также учитывать капитальные
вложения во вспомогательное, транспортное и энергетическое
хозяйство, а также капитальные вложения в сопряженные
производства, потребность в которых возникает при эксплуатации
соответствующей схемы. Объекты, требующие таких капиталовложений,
могут находиться в подчиненности у других ведомств. Однако, если
необходимость их строительства вызвана потребностями только
проектируемого производства, для правильного определения
экономического эффекта от применения рассматриваемой схемы в
народном хозяйстве капитальные затраты на сооружение этих
объектов необходимо учитывать при оценке разрабатываемой схемы.
Элементом оценки экономической эффективности схемы
является также номенклатура потребляемых материалов и
энергоресурсов (пара, воды, электроэнергии, холодильных агентов). При этом
следует учитывать не только количество и стоимость всего
потребляемого объема материалов и энергоресурсов. Важно также
оценить сложность транспортных связей, которые возникают при
обеспечении предприятия материалами. При прочих равных условиях
предпочтение всегда будет отдано схеме, не требующей
дальнепривозных материалов и обеспечивающейся за счет местных ресурсов.
Существенной частью вопроса о потребности проектируемой схемы
в материалах и энергоресурсах является вопрос о равномерности
450
потребления их в ходе производства. Технологические схемы,
основанные на процессах с более равномерным потреблением,
предпочтительнее. При неравномерности потребления неизбежно
возрастают капитальные затраты, так как требуется увеличивать
промежуточные емкости для всех материалов или для некоторых видов
материалов, не подлежащих длительному хранению, и практически
для всех видов энергоресурсов завышать производственные
мощности, которые затем используются не полностью.
Важный элемент при оценке схемы — производительность труда.
С точки зрения эффективности схемы необходимо, как и во всех
других случаях, тщательно учитывать потребность в рабочей силе
не только на основных, но и на всех вспомогательных операциях.
При рассмотрении вопроса о связи
экономических и технологических
показателей производства необходимо
учитывать возможность
неоднозначного влияния изменения технологических
показателей на изменение
экономических показателей. Когда говорится
О неоднозначном влиянии, то
подразумевается, что изменение
технологических параметров в одном и том же
направлении может и должно в разных
условиях приводить к
противоположным изменениям в экономике
производства. Характерный пример — влияние
на экономические показатели
содержания извлекаемого компонента в
отходах производства или, иначе
говоря, полного извлечения полезного
компонента из сырья (рис. 152). Сначала,
по мере роста концентрации полезного
компонента в отходах, суммарная стоимость переработки
снижается, а затем вновь возрастает. Характер рассматриваемой
зависимости определяется тем, что суммарные затраты складываются
из затрат на сырье, неограниченно возрастающих при
приближении концентрации полезного компонента в отходах к
концентрации полезного компонента в сырье, и затрат на работу по
разделению, неограниченно возрастающих при бесконечном уменьшении
концентрации полезного компонента в отходах.
Концентрация полезного
компонента в отходах
Рис. 152. Диаграмма зависимости
затрат на производство от
концентрации полезного компонента в
отходах
Экономическая эффективность новых технологических решений
и затрат на их реализацию
Эту величину можно определять по формуле (214).
Экономическую эффективность дополнительных затрат на внедрение
принятых в проекте новых технических решений следует оценивать с
учетом возможного срока их окупаемости [7, 86]. Планируемый срок
29*
•151
окупаемости таких затрат должен быть меньше нормативного,
установленного для подотрасли редких металлов равным 4,16 года
(для цветной металлургии в целом 4,76 года), и меньше
планируемого срока окупаемости при проектировании без использования
соответствующих технических решений. Иначе такие
дополнительные затраты экономически неэффективны.
Кроме того, необходимо учитывать, что внедрение новых
технических решений со значительным сроком окупаемости может на
практике привести к тому, что соответствующие затраты не
окупятся вообще.
При сопоставлении эффективности вновь внедряемых и
освоенных в промышленной практике решений необходимо учитывать
динамику изменения технологических и экономических показателей
по сравниваемым вариантам. Если планируемый срок окупаемости
4 года, то с учетом времени на выполнение проекта и
строительство полное возмещение затрат произойдет не ранее чем через 7—
8 лет после принятия проектных решений. Если планируемый срок
окупаемости больше, то от момента принятия решения до момента
полного возмещения затрат пройдет не менее 10 лет. При высоких
темпах научно-технического прогресса, характерных для
производства редких металлов, непрерывном изменении технологии и
требований к качеству продукции, сравнительные показатели
различных вариантов проектных решений могут измениться
принципиально.
Особо следует учитывать, что вновь внедряемая технология
получает возможность своего совершенствования и развития
только после пуска промышленного или опытного производства,
тогда как технология, используемая на действующих предприятиях,
совершенствуется непрерывно, в том числе и в период
проектирования и строительства.
При сравнении действующей и вновь внедряемой технологии
решение в пользу последней можно принимать, если ее
использование даст существенную экономию по капитальным и
эксплуатационным затратам — не ниже 10—15%. Если такая экономия
составит единицы процентов, то внедрение новой технологии, вероятно,
будет нецелесообразным по двум причинам. Во-первых, точность
оценки на стадии проработки проектных решений не может быть
достаточно высокой. Во-вторых, столь незначительная экономия
затрат может быть полностью перекрыта непредусмотрительным
расходом средств в период пуска и освоения нового
производства.
Для повышения точности оценки эффективности новых
технических решений и строительства нового проектируемого объекта
вообще необходимо экономическую эффективность рассчитывать не
только на условный расчетный год, но и с конкретной разбивкой
по годам освоения после пуска нового производства. При этом для
каждого года следует учитывать достигаемые в этом году
технологические и экономические показатели, объем производства и
суммарный экономический эффект.
452
5. ОЦЕНКА ОБОСНОВАННОСТИ ПРИНИМАЕМЫХ В ПРОЕКТЕ
НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ
Обоснованность принимаемых в проекте решений — важнейший
показатель при оценке. Понятие «техническая обоснованность»
включает в себя положение об обеспеченности проектирования
исходными данными, подготовленность технологии к внедрению и
освоению, что определяет степень достоверности исходных данных
для проектирования, а также возможность своевременной поставки
нового оборудования, приборов или материалов, необходимых для
реализации соответствующего решения.
Подготовленность технологии прежде всего определяется
полнотой разработки технологии, с точки зрения систематического
изучения всех переделов и операций проектируемой схемы. При этом
особое внимание следует уделить полноте схемы с точки зрения
достаточно детального выявления всех без исключения, в том числе
простейших, ручных, вспомогательных и санитарных операций.
После выявления полноты представленной схемы следует оценить
не только то, насколько полную проверку прошли все переделы и
операции в ходе исследовательских и опытных работ, но и в какой
мере они обоснованы опытом действующих производств. Оценивая
сравнительную обоснованность нескольких схем, следует учитывать
прежде всего обоснованность каждой схемы в части основных тех-
нологических операций, обеспечивающих требуемое качество
продукции, а также комплекса санитарных операций, обеспечивающих
необходимые условия для трудящихся на проектируемом
производстве и исключающих загрязнение атмосферы, водоемов и почвы
на окружающих предприятие территориях.
Оборудование, принятое при разработке аппаратурио-техноло-
гической схемы, также должно быть оценено с точки зрения своей
подготовленности для внедрения в промышленное производство.
Наиболее надежно оборудование, прошедшее
опытно-промышленную проверку на действующих предприятиях. Положение
значительно сложнее, когда схема разрабатывается на основе
полупромышленных работ. Степень обоснованности принятых решений
в этом случае в значительной мере определяется характером
проектируемого процесса. Как уже отмечалось, гидрометаллургические
процессы и процессы электролиза водных растворов отличаются
хорошей воспроизводимостью при изменении масштаба
производства. Что касается пирометаллургических процессов, где в
оборудовании должен воспроизводиться сложный тепловой режим, то
там в большинстве случаев серьезное изменение масштаба
оборудования по сравнению с проверенным в ходе опытных работ не
может быть обосновано. При оценке степени разработанности схемы
и укомплектования ее оборудованием необходимо учитывать и
разработанность систем управления, которые обеспечивают
работоспособность схемы, ее количественные и качественные показатели.
При оценке обоснованности схемы необходимо учитывать
возможность использования в принятых аппаратурных решениях
453
коррозионностойких материалов, обеспечивающих как
работоспособность аппаратуры, так и чистоту перерабатываемых продуктов.
Особо следует выделить вопросы оценки подготовленности
транспортного оборудования. Хотя это оборудование не определяет
ход собственно технологического процесса, но в ряде случаев
именно от его работоспособности зависит решение вопроса о
возможности использования той или иной аппаратурно-технологиче-
ской схемы. Только система транспортирования перерабатываемых
продуктов превращает набор разрозненных аппаратов и операций
в единую технологическую схему. Нарушение системы транспорта
может сделать невозможным практическое осуществление
технологии. Поэтому оценка принятых решений по транспорту
перерабатываемых продуктов — важнейший элемент при рассмотрении
технологической схемы. В вопросах транспорта опытно-промышленная
проверка головных образцов, как правило, обязательна.
Техническая обоснованность принимаемых в проекте решений
в дальнейшем серьезно влияет как на технологические, так и на
экономические показатели производства. Поэтому всестороннее
рассмотрение вопроса о технической обоснованности принимаемых
решений абсолютно необходимо при их оценке. Вопрос о степени
технической обоснованности принимаемых в проекте решений не
может решаться механически, путем констатации наличия или
отсутствия полных исходных данных для проектирования. Высокие
темны технического прогресса в настоящее время приводят к тому,
что за время проектирования и строительства крупного
промышленного объекта технология претерпевает существенные изменения.
Решения, которые в начальной стадии проектирования были
наиболее передовыми в техническом отношении, к моменту
завершения строительства могут оказаться отсталыми, устаревшими.
Подобная ситуация неизбежна, если в обоих случаях, и в момент
начала проектирования, и в период завершения строительства,
рассматривать решения, полностью обеспеченные исходными
материалами.
Наиболее новое, передовое техническое решение, полностью
обеспеченное исходными данными для проектирования в момент
завершения строительства, в момент начала проектирования
такими данными обеспечено быть не может. В результате при
принятии решений в начальной стадии проектирования приходится
выбирать оптимум между двумя крайностями. В одном случае при
начале проектирования принимают решения, полностью завершенные
разработкой и, следовательно, обеспеченные исчерпывающими
исходными данными, которые в момент завершения строительства
неизбежно устаревают. В другом случае при начале
проектирования принимают решения, полностью разработкой незавершенные и
исчерпывающими исходными данными для проектирования
необеспеченные, которые дорабатывают в ходе проектирования. В этом
случае проектирование усложняется отсутствием полных исходных
данных. После завершения проектирования может выявиться
необходимость уточнения проекта или даже внесения изменений на пло-
454
щадке строительства. Однако после завершения строительства
принятые технические решения оказываются в значительно большей
мере близкими к наиболее современным на момент завершения
строительства техническим разработкам.
Определение направления развития техники и технологии
производства при принятии проектных решений должно опираться на
разработки по прогнозированию научно-технического прогресса.
Правильное определение допустимой степени технического риска и
необходимого объема резервирования в проектных решениях
зависит от квалификации исполнителя проекта, от точности-в
определении направления развития технологии и других элементов
производства.
Технический риск является необходимым и обязательным
элементом проектирования, объективным следствием ускорения
темпов научно-технического прогресса. Однако решения, содержащие
в себе элементы технического риска, оправданы только в том
случае, если их принимают на основе тщательного анализа возможных
последствий, в том числе и при неблагоприятном развитии событий.
Абсолютно недопустимы решения, где риску подвергают жизнь и
здоровье людей. Технический риск допустим только в случае, если
при неблагоприятных последствиях соответствующего решения это
получит свое отражение в экономике проектируемого производства
и не будет иметь социальных последствий. Соответственно
описанные в литературе методы количественной оценки степени риска при
внедрении новых технических решений основаны на сопоставлении
возможных экономических последствий соответствующих
решений [87].
Наиболее полно технический риск может быть выражен
показателем взвешенного риска. Величина взвешенного риска
определяется по формуле, выражающей отношение капитальных затрат
по вариантам проекта, с учетом изменений в себестоимости
продукции, которая приводится в сопоставимую с капитальными
затратами форму:
ВР--
[(*.. Ь-^)-310-йпр](1-Ву)
дсЛТ 10()' (216)
'Й
*"p"i*"—ЖГПВу
где ВР — взвешенный риск, % ;
ku — капиталовложения на реализацию новой разработки;
З.-ю-—дополнительные капиталовложения, необходимые при
неудаче внедрения новой разработки на ликвидацию
последствий;
knp — капиталовложения на реализацию проверенного
решения;
АС — изменение годовых затрат (себестоимость) по
сравнению с проверенным вариантом при неудаче внедрения;
ЛСУ — изменение годовых затрат (себестоимости) по
сравнению с проверенным вариантом при успехе внедрения;
455
Ен — нормативный коэффициент эффективности капитальных
вложений;
Ву — вероятность успеха внедрения новой разработки, доли
единицы.
В числителе формулы (216) показаны дополнительные затраты,
связанные с неудачными последствиями технического риска, по
сравнению с проверенным вариантом, не имеющим элементов риска
и не содержащим новых прогрессивных решений. В знаменателе
формулы (216) показаны дополнительные затраты, связанные с
использованием проверенных решений, по сравнению с новыми
прогрессивными, содержащими элементы технического риска
решениями в случае их успешной реализации. Полученные в числителе
и знаменателе величины дополнительных затрат умножены на
вероятности реализации соответствующего варианта.
Формула (216) содержит две основные группы составляющих:
показатели затрат (капитальных и эксплуатационных) и
показатель вероятности успеха технических решений. Это обстоятельство
предопределяет возможность написания ее как произведения двух
дробей. Показатели затрат определяются обычными методами
проектирования. Показатель вероятности успеха устанавливается
методами, которые могут не относиться к собственно проектированию.
В качестве таких методов можно использовать теоретический
расчет и статистическую оценку на основе практического опыта.
Теоретический расчет предполагает, что новое оборудование или
система, используемые в проекте, исследуются методами теории
надежности на степень соответствия условиям, принятым в проекте.
При этом учитываются: достоверность исходных данных,
возможности поставщиков оборудования и производителей строительных
и монтажных работ и т. д. Статистическая оценка на основе опыта
опирается на фактически достигнутый процент положительной
реализации исходных решений тем или иным исполнителем работ,
поставщиком оборудования и т. п.
Хотя экономическую целесообразность того или иного
технического решения подтверждает суммарный показатель взвешенного
риска, небезразлично, при каких значениях составляющих
показателей он получен. Если вероятность успеха при реализации нового
проектного решения снижается до 0,5 (50%) или даже существенно
ниже, очевидно, даже очень низкий показатель взвешенного риска
не может служить достаточным основанием для принятия такого
решения. Если вероятность успеха стремится к 0,5 или становится
ниже 0,5, то дробь в формуле (216), содержащая показатель
вероятности, стремится к единице или становится больше единицы. Для
решения о целесообразности риска необходимо рассмотреть в
формуле (216) дробь, содержащую показатели затрат.
Чтобы считать риск целесообразным при Ву^0,5, очевидно,
надо не только иметь малую величину второго отношения, но и
малое значение величины Зло- Малое значение Зло обеспечит
небольшие затраты средств и, следовательно, как правило,
незначительные затраты времени на ликвидацию осложнений, если внедрение
456
принятых в проекте новых технических решений окажется
невозможным. Это позволит ввести запроектированное
производство в эксплуатацию без серьезного отставания от намеченных
сроков.
При рассмотрении вопроса о степени технической
обоснованности принятых проектных решений необходимо рассматривать не
только обоснованность решений в собственно технологической
части, но и во всех частях проекта без исключения. Необходимо
учитывать взаимосвязь и взаимозависимость надежности решений
в различных частях проекта.
6. ВЛИЯНИЕ СРОКА РЕАЛИЗАЦИИ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
В ПРОИЗВОДСТВЕ НА ИХ СРАВНИТЕЛЬНУЮ ОЦЕНКУ
Все группы факторов оценки проектных решений —
технологические, экономические и степень обоснованности — связаны с
вопросом о сроках строительства или реконструкции проектируемого
объекта, освоения технологии на вновь организованном
производстве и затратах на такое освоение. Сроки строительства
определяются объемом необходимых капиталовложений, проектом
организации работ, необходимостью разработки и изготовления
специального оборудования и систем управления. Сроки освоения
технологии зависят от степени технической обоснованности
решений, качества монтажных работ и уровня подготовки персонала.
Пуск и освоение нового производства требуют следующих
затрат:
1) на содержание в период освоения технологии, когда
предприятие работает на неполную мощность или даже вообще не
выдает продукции, производственного персонала и его обучение;
2) на содержание в этот период оборудования, зданий и
сооружений;
3) на учащенный ремонт оборудования из-за нарушений
технологии, связанных с неопытностью персонала;
4) на переделки оборудования в связи с уточнением требований
к нему в ходе промышленной эксплуатации;
5) на сырье, материалы и энергоресурсы из-за их увеличенного
расхода в ходе освоения производства, а также прямых потерь при
выпуске бракованной продукции;
6) на привлечение для пуско-наладочных работ
специализированных организаций.
Затраты по приведенным направлениям могут составлять
весьма значительную величину, достигающую нескольких десятков
процентов от полной суммы годовых эксплуатационных затрат при
работе предприятия с проектными показателями на полную
мощность. Если к этому добавить, что для предприятий, производящих
редкие металлы, годовые эксплуатационные затраты часто бывают
сопоставимы с общим объемом капиталовложений, необходимым
для строительства предприятия, то станет ясно, что пренебрежение
оценкой затрат на освоение нового производства может не только
457
количественно, но и качественно исказить представление об
экономической эффективности той или иной схемы.
Достаточно сказать, что задержка ввода в нормальную
эксплуатацию на 1—2 года из-за трудностей освоения нового
технологического процесса может в предельном случае увеличить общий
объем затрат на создание нового производства в 1,5—2,0 раза.
Поэтому, если сопоставляется вновь внедряемая и уже освоенная
промышленностью технология, затраты на освоение новой технологии
следует оценить особенно тщательно. Если сравниваются две или
несколько вновь внедряемых схем, то затраты на внедрение,
которые потребуются для каждой из них, в какой-то мере взаимно
компенсируются. Но возможность для сопоставления затрат на их
внедрение также остается. Процессы с более длинным циклом
производства, для которых несвоевременная остановка вызывает потерю
качества перерабатываемого продукта и дополнительный ремонт
основного достаточно дорогого оборудования, безусловно,
потребуют на свое освоение и внедрение больших затрат, чем процессы
с коротким производственным циклом, остановка которых не
вызывает порчи перерабатываемого продукта или обязательного
ремонта оборудования.
Помимо прямых затрат на освоение нового производства, при
затягивании сроков его строительства и освоения народное
хозяйство несет потери в результате отвлечения капиталовложений [7,
86, 88]. Потери в результате отвлечения капиталовложений
происходят между моментом вложения средств, необходимых для
создания производства, и началом нормальной эксплуатации этого
производства. Потери эти определяются тем, что в рассматриваемый
период вложенные средства не приносят прибыли, которую они
могли бы принести будучи использованными в основных или
оборотных фондах других предприятий или отраслей народного
хозяйства. Потери в результате отвлечения средств (или
«замораживания» средств) в период строительства и освоения вычисляют по
формуле
t
Л-о=2^[(1+£н.пГ''а°'5-1Ь (217)
« = 1
где Ко — потери в результате отвлечения капиталовложений
за годы строительства и освоения производства,
млн. руб.;
Кг — капиталовложения в i-тый год от начала строительства,
млн. руб.;
t — продолжительность строительства и освоения, год;
£ц. п — норматив приведения разновременных затрат к моменту
освоения производства, аналогичный по содержанию £„
в формуле (213), но принятый в целом для народного
хозяйства равным 0,08.
В формуле (217) при расчете условно принято, что все
капиталовложения осуществляются единовременно в середине года.
458
Если в формуле (217) из квадратных скобок убрать
вычитаемую единицу, то будут получены полные затраты на строительство,
включающие как фактически вложенные средства, так и потери,
связанные с отвлечением средств.
Задержка с вводом в эксплуатацию проектируемого объекта
приводит к недополучению отраслью и народным хозяйством
прибыли, планируемой для любого рентабельного производства.
Потери, связанные с недополучением прибыли, неэквивалентны
потерям, связанным с отвлечением средств. Потери, связанные с
отвлечением средств, происходят на протяжении всего периода от начала
вложения средств до начала нормальной эксплуатации
производства. Потери определяются нормативом для приведения
разновременных затрат, единым для всего народного хозяйства. Потери,
связанные с недополучением прибыли, происходят только в период
между планируемым и фактическим сроком начала нормальной
эксплуатации предприятия и определяются фактической
эффективностью капиталовложений в данное предприятие по прибыли.
Подводя итоги рассмотрению вопросов, которые затрагиваются
при оценке решений, принятых в ходе проектирования, необходимо
выделить два основных показателя — качество продукции и
экономическая эффективность. Следует отметить, что изменение качества
продукции в ряде случаев также можно оценить экономически. Для
этого следует установить, как изменяются в зависимости от
качества материала, производство которого проектируется,
экономические показатели в производствах и отраслях, потребляющих этот
материал.
Таким образом, экономическая эффективность — наиболее
общий показатель, позволяющий в подавляющем большинстве
случаев окончательно оценить любое проектное решение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрение вопросов проектирования производства редких
металлов позволяет сделать некоторые выводы и заключения. Эти
выводы определяются общими требованиями к промышленному
проектированию и современным его состоянием, а также
специфическими особенностями производства редких металлов и их
значением в науке и технике.
Проектирование — важный этап в создании нового промышленного
производства
Проектирование является ответственным самостоятельным
этапом в процессе создания нового промышленного производства.
Главное отличие проектирования от научно-исследовательских и
конструкторских разработок заключается в его комплексном
характере— объединении технологических, общеинженерных,
экономических и социальных вопросов, решаемых во взаимосвязи.
Только на стадии проектирования выявляются структура аппара-
турно-технологической схемы, материальный баланс, организация
управления, экономика нового производства и в полном объеме
определяется весь комплекс мер, необходимых для обеспечения его
нормального функционирования.
Включая в себя некоторые элементы научно-исследовательских
(в основном — в области экономики) и опытно-конструкторских
разработок, проектирование не совпадает с ними и ими не
исчерпывается. Как самостоятельная техническая разработка
проектирование является решающим этапом в создании нового производства,
которое в проекте впервые выделяется как конкретный объект
с определенной характеристикой. Особенности проектирования
делают проектную проработку средством первичной комплексной
оценки результатов научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работ.
460
Важная самостоятельная роль проектирования в создании
нового производства требует, чтобы сам процесс проектирования стал
объектом изучения как в своих общих закономерностях, так и в
частных, конкретных вопросах проектирования конкретных
производств.
Редкие металлы и научно-технический прогресс
Производство редких металлов является специфической
отраслью народного хозяйства.
С одной стороны, как это уже было отмечено, производство
редких металлов — один из важнейших элементов обеспечения
научно-технического прогресса. Нет ни одной области современной
техники, которая в своем развитии не использовала бы редкие
металлы и их соединения. Это относится, в первую очередь, к таким
отраслям, как авиационная, ракетно-космическая, атомная,
электронная, радиотехника и ряд других. Отрасли науки и техники,
являющиеся потребителями редких металлов, предъявляют к
продукции редкометаллическои промышленности постоянно
изменяющиеся требования. Изменение требований, предъявляемых
народным хозяйством, к производству редких металлов ставит три
основных задачи — изменение (практически всегда — повышение)
качества, расширение номенклатуры и увеличение объема
производства редкометаллическои продукции.
Значение производства редких металлов для обеспечения
научно-технического прогресса возрастает и в связи с тем, что
потребителем отдельных видов редкометаллическои продукции являются
научные организации. В настоящее время успешная
научно-исследовательская работа как в области технических, так и в области
фундаментальных теоретических дисциплин по важнейшим
направлениям науки невозможна без использования новейших видов редко-
металлической продукции.
С другой стороны, производство редких металлов не может
развиваться без использования новейших достижений науки и
техники. Внедрение таких достижений необходимо как в собственно
технологию, так и в технику управления процессом и контроля за
качеством производимых материалов.
Связь производства редких металлов и общего прогресса науки
и техники, определяющая их взаимозависимость, предопределяет
динамический стремительный характер развития промышленности
редких металлов. При этом непрерывно изменяются качество,
номенклатура и объем производства продукции, а также методы
ее производства и уровень технического оснащения предприятий.
В эпоху научно-технической революции высокие темпы развития
технологии и техники производства в той или иной степени охватили
все отрасли народного хозяйства, но для промышленности редких
металлов в силу отмеченных обстоятельств эти темпы особенно
характерны.
461
Обеспеченность проектирования исходными данными
и прогрессивность проектных решений
Ускорение темпов технического прогресса, особенно
характерное для производства редких металлов, создает объективное
противоречие между необходимостью проектирования производств,
которые к моменту ввода в эксплуатацию были бы технически
передовыми, и необходимостью обеспечения процесса проектирования
до момента его начала полными исходными данными.
Требование проектирования предприятий, которые к моменту
своего ввода в эксплуатацию были бы технически передовыми,
является одной из основных задач, поставленных перед проектными
организациями постановлением ЦК КПСС и Совета Министров
СССР от 28 мая 1969 г. N° 390 «Об улучшении проектно-сметного
дела». Это требование является объективным следствием ускорения
темпов научно-технического прогресса. Без выполнения этого
требования не может быть решена другая важнейшая задача —
ускорение внедрения в народное хозяйство результатов
научно-исследовательских разработок последних достижений науки.
Но в то же время полные исходные данные, необходимые для
нормального хода проектирования, можно получить только, если
технология и оборудование проектируемого производства будут
завершены разработкой. Но разработки, завершенные к моменту
начала проектирования, не могут к моменту завершения
строительства, т. е. для крупных объектов, в лучшем случае через 3—■
6 лет, остаться технически передовыми. Возникающее противоречие
может быть на практике разрешено, помимо мер, принимаемых для
ускорения проектирования и строительства промышленных
объектов, только переходом, который фактически в промышленности
редких металлов уже совершен, к проектированию на основе
промежуточных материалов научно-исследовательских и
опытно-конструкторских разработок. Такой переход должен опираться на
научно-техническое прогнозирование развития технологии и техники
производства.
Проектирование в настоящее время должно исходить из
объективной невозможности получения исчерпывающе полных и точных
исходных данных до начала разработки проекта по всем элементам
принимаемой в проекте технологии производства. В ходе
выполнения проекта необходимо всесторонне исследовать как достоверность
исходных данных, используемых для проектирования, так и
характер возможных их изменений и влияния этих изменений на
показатели работы проектируемого объекта.
Учитывая вероятностный характер промежуточных материалов,
используемых для проектирования, в самый процесс
проектирования должны быть в обязательном порядке введены два элемента.
Первый — разработка при проектировании решений,
позволяющих в известных пределах изменять принятые первоначально при
проектировании параметры процессов и оборудования. Такие
решения должны приниматься только для аппаратурных и технологи-
462
ческих узлов, которые могут лимитировать производство в целом и
самый факт последующего изменения которых в какой-то мере
прогнозируется.
Второй — принятие проектных решений на основе результатов
незавершенных разработок должно опираться:
— на всестороннюю количественную оценку изменения
показателей проекта в связи с уточнением параметров проектируемых
процессов к моменту ввода производства в эксплуатацию;
— на количественную оценку возможных потерь в случае, если
принятые на основе неполных исходных данных проектные решения
окажутся неудовлетворительными, т. е. на оценку самой степени
риска, связанного с проектированием на основе неполных исходных
данных. '
Объективность результатов проектной разработки
При выполнении проекта исполнитель опирается па исходные
положения, часть которых может быть приближенной или условной и
не отражать точных характеристик проектируемого производства.
Однако это обстоятельство не снижает объективной ценности
результатов проектной проработки. Их объективная ценность
заключается в соответствии результатов проработки исходным
положениям. Выводы проекта объективно выявляют показатели
проектируемого объекта при условии, что исходные данные для
проектирования приняты правильно. Пределы возможного изменения
принимаемых для проектирования исходных показателей практически
всегда могут быть оценены авторами проекта с достаточной
точностью. Это обеспечивает возможность объективной оценки пределов
изменения показателен проектируемого производства и
использования проектирования в качестве метода аналитического
исследования его характеристик.
Объективный характер выводов и показателей, полученных в
результате проектной проработки, предполагает невозможность их
произвольного изменения. Любое изменение проектных показателей
должно всегда обосновываться конкретными техническими
решениями, вносимыми в проект.
Проектирование — процесс аналитического исследования
Проектирование — процесс аналитического исследования вновь
создаваемого или реконструируемого промышленного объекта с
целью нахождения экономически оптимального решения. Задача
поиска оптимума обусловливает наличие в процессе проектирования
двух взаимосвязанных частей — разработки проектных решений и
их оценки как в процессе разработки, так и после ее завершения.
Как и любое решение в любой области, проектное решение
является поиском оптимума, в условиях взаимодействия большого числа
463
разнородных факторов и наличия требований удовлетворения
многим критериям. Во многих случаях, эти факторы и критерии
находятся во взаимном противоречии. При проектировании в таком
противоречии могут находиться:
условия оптимизации решений в различных частях проекта;
требования снижения капитальных затрат и снижения
эксплуатационных затрат и повышения производительности труда на
проектируемом объекте;
требования улучшения использования сырья и повышения
качества выпускаемой продукции;
требования полноты исходных данных и принятия наиболее
прогрессивных технических решений и др.
Сложный характер взаимосвязи и взаимодействия факторов,
определяющих показатели проекта, исключает в большинстве
случаев возможность выявления действительно оптимальных решений
без глубокого всестороннего анализа объекта проектирования.
Непосредственным объектом анализа в процессе
проектирования являются: аппаратурно-технологическая схема, материальный
баланс процесса производства, производительность оборудования,
размещение оборудования, общеэкономические показатели
производства в целом, а также возможность потерь из-за осложнений,
возникающих при реализации проектных решений.
Помимо конкретных объектов анализа, таких как источники
опасности в производстве, накопление примесей при циркуляции
продуктов, потери рабочего времени из ограниченности объема
межоперационного хранения и т. д., в более широком плане
предметом анализа являются количественные и качественные показатели
процесса производства, пределы их возможного изменения и
конкретные причины ограничения таких изменений.
Главная цель изменения при этом — выявление пределов
изменения параметров объекта изучения (материальный баланс
производства, производительность оборудования и т. д.), выявление
точек, когда прекращается действие простых и, в частности,
линейных зависимостей между изменяемыми параметрами объекта и
заменяется действием других, более сложных, а иногда имеющих
противоположную направленность зависимостей.
Развитие методов анализа и оценки проектных решений
должно быть направлено на внедрение количественных оценок, что
будет основой для использования в проектировании современных
математических методов и вычислительной техники.
Наиболее достоверные и объективные критерии уровня
проектных решений — критерии экономические. Все прочие критерии и
факторы могут иметь значение только в узкой области изменения
характеристик объекта, для некоторых частных случаев, или
являются не показателями оценки, а заданными ограничивающими
условиями. К последней группе, в частности, относится санитарная
характеристика проектируемого производства и вопросы охраны
природы.
464
Задачи развития теории и практических методов
проектирования
Развитие проектирования как инструмента аналитического
исследования требует привлечения современных методов
количественного анализа.
Как уже отмечалось, процесс проектирования имеет два
основных взаимосвязанных элемента — выработка проектных решений и
оценка принятых решений. Оценка проектных решений в силу
использования количественных экономических критериев практически
с момента выделения проектирования как самостоятельной области
инженерной деятельности была в той или иной степени
формализована. Это создало объективные предпосылки для подготовки
внедрения современных математических методов и
электронно-вычислительной техники.
В отличие от этого выработка решения при технологическом
проектировании в большинстве элементов разработок продолжает
оставаться на уровне искусства и в очень малой степени
формализована. Именно это обстоятельство является причиной медленного
внедрения современных методов количественного анализа в
процесс технологического проектирования. Характерно, что
архитектурно-строительная часть проекта, будучи на значительно более
высоком уровне формализации, в настоящее время уже в
значительной части проектных организаций выполняется с использованием
ЭВМ, в то время как при технологическом проектировании ЭВМ
практически не используются. Первые опыты в этой области
проведены только в части расчетов материальных балансов. Такое
положение имеет две основные причины.
Во-первых, недостаточную в ряде организаций связь при
разработке технологической и технико-экономической частей проекта.
В ряде случаев связь эта реализуется только на стадии завершения
проекта, после того как все основные решения в технологической
и основных общеинженерных частях проекта уже приняты. Задача
технико-экономической части при этом сводится к пассивной
фиксации принятых решений и полученных при этом показателей
проекта. Обратное влияние на принятие в технологической части
проекта технических решений на основе результатов анализа технико-
экономических показателей, не всегда имеет место. Если бы технико-
экономическая оценка выполнялась непрерывно параллельно с
выработкой основных проектных решений, то это позволило бы
превратить существующие экономико-математические методы,
использующие ЭВМ, в инструмент оперативного контроля за
процессом выработки технических решений.
Во-вторых, недостаточный уровень формализации процесса
технологического проектирования является препятствием для
использования имеющихся современных аналитических методов.
Собственно теория и практические методы выработки решений в
настоящее время достаточно разработаны. Сложились новые
дисциплины. Прежде всего, это исследование операций и комплекс мето-
30 За к. .V 161 465
до в системного анализа. В настоящей работе из всех методов,
охватываемых термином исследование операций, в незначительной
степени затронута только теория массового обслуживания. Теория
массового обслуживания была привлечена лишь постольку,
поскольку без использования ее понятий автор не видел возможности
удовлетворительно сформулировать перечень проблем, связанных
с расчетами оборудования при проектировании. Другие широко
известные методы исследования операций — линейное
программирование, динамическое программирование, решение сетевых задач,
модели управления запасами и др. — в работе не затрагиваются.
Задачи развития методов проектирования, внедрения в процесс
проектирования современных технических средств требуют
использования этих методов в ближайшем будущем.
Большое значение для развития методов проектирования
должно иметь использование методов научно-технического
прогнозирования, которые получили за последние годы значительное развитие.
В определенных своих элементах процесс проектирования в
настоящее время совпадает с процессом научно-технического
прогнозирования. Соответственно, использование методов
прогнозирования, создающих возможность количественных аналитических оценок,
представляется необходимым.
Проведенное рассмотрение процесса технологического
проектирования производства редких металлов, являясь одной из первых
систематизирующих работ в рассматриваемой области, не могло
исчерпать всех сторон и особенностей проектирования как
специального предмета.
Основное содержание предлагаемой работы — попытка
систематизации и формализации процесса технологического
проектирования с целью создания базы для использования в проектировании
современных методов количественного аналитического
исследования. Развитие работ по применению таких методов в сочетании
с ростом технической оснащенности проектных организаций
создаст условия для качественного роста технического уровня
проектных работ и повышения эффективности капитальных затрат при
строительстве промышленных предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. С а ж и н Н. II. Развитие в СССР металлургии редких металлов,
полупроводниковых материалов. М., «Металлургия», 1967. 135 с. с ил.
2. С а ж и н II. П. Редкие элементы и технический прогресс. М., «Знание», 1967.
48 с. с ил.
3. Меерсон Г. А., Зелнкман А. Н. Редкие элементы.— В кн.: Краткая
химическая энциклопедия, т. IV. М., «Советская энциклопедия», 1965,
с. 599—603.
4. Госстрой СССР. Временная инструкция по разработке проектов и смет для
промышленного строительства СП 202 -69. М., Стройиздат, 1970, 64 с.
5. С ы ч е в С. М., Семенов Л. В. Проектно-сметное дело в строительстве.
Киев, «Буд1велышк», 1972. 248 с.
6. С а ж и н II. П.— «Цветные металлы», 1966, № 6, с. 1—4.
7. Экономика цветной металлургии СССР. Изд. 3-е. М., «Металлургия», 1970.
418 с. с ил. Авт.: Первушин С. А., Рачковский С. Я., Гольбрайх С. Я-,
Малннова Р. Д., Быкова Т. Д., Кузнецов Г. Д.
fc. Г р а ц е р ш т е и н И. М., Кульницкий Л. С. Технико-экономическое
проектирование предприятий цветной металлургии. Изд. 2-е, М.,
«Металлургия», 1972. 400 с.
9. В и л ь я м с Т. Дж. Проектирование химико-технологических процессов
методами системотехники. Пер. с англ. М.—Л., «Химия», 1965. 192 с. с ил.
10. Зелнкман А. П., Крейн О. Е.. Самсонов Г. В. Металлургия редких
металлов. М.. «Металлургия», 1964. 568 с. с ил.
11. Разумов К. А.' Проектирование обогатительных фабрик. М., «Наука»,
1970. 591 с. с ил.
12. Зелнкман А. Н. Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана.
М., Металлургиздат. 1960. 380 с. с ил.
13. Джем рек У. Д. Процессы и аппараты химико-металлургической
технологии редких металлов. Пер. с англ. М.. Атомиздат, 1965. 356 с. с ил.
14. Одели А., Джемрек У. Д.. Олдбери А. Е., Уэлс Р. А.— В кн.:
Труды второй международной конференции по мирному использованию
атомной энергии, 1958. Т. 7. Технология атомного сырья. М., Атомиздат,
1959, с. 165-198 с ил.
15. Меерсон Г. А., Зеликман А. Н. Металлургия редких металлов. М.,
Металлургиздат, 1955. 608 с. с ил.
16. Материалы второй международной конференции по мирному использованию
атомной энергии, состоявшейся в Женеве 8—20 августа 1955 г. Т. 8.
Технология производства материалов, используемых в атомной
промышленности, М., Металлургиздат, 1958. 726 е. с ил.
17. 3 ел и к м а и А. П. Молибден. М., «Металлургия», 1970. 440 с. с ил.
18. Томпсон А. П., Макгрейв Д. Р.— В кн.: Германий. Пер. с англ. М.,
ИЛ, 1955, е. 5—17 с ил.
19. Гельперин Н. И., Пебалк В. Л. Ректификация.— В кн.: Краткая
химическая энциклопедия. Т. IV. М., «Советская энциклопедия», 1965, с. 627 -
638 с ил.
20. Н и с е л ь с о н Л. А.. Пустильпик А. И.— «Цветная металлургия» (Бюл.
нн-та «Цветметинформация»), 1963, № 12 (233). с. 38-42.
21. Лисель с о н Л. А., Третьякова К. В.. А м и р о в а С. А.. М и к -
л я ев А. Д. «Изв. АН СССР. Сер. Металлы», 1966. JV° 1, с. 61 70.
30*
467
22. Металлургия титана. Изд. 2-е. М., Металлургия, 1971, 320 с. с ил. Авт.:
Сергеев В. В., Галицкий II. В., Киселев В. П., Козлов В. М.
23. Основы металлургии. Т. IV. Редкие металлы. Отв. ред. Грейвер Н. С, Са-
жин Н. П., Стригин И. А. М., «Металлургия», 1967. 651 с. с ил.
24. Ге л ф е р и х Ф. Исшиты. Пер. с нем. М., ИЛ, 1962. 490 с. с ил.
25. Жидкостная экстракция. Сборник статей под ред. Касаткина А. Б. Гос.хим-
издат, 1958. 156 с. с ил.
26. Трейбал Р. Жидкостная экстракция. М., «Химия», 1966. 724 с. с ил.
27. Абашин Г. И., II о г о с я и Г. М. Технология пол>чеиия вольфрама и
молибдена. М., Металлургиздат, 1960. 259 с. с ил.
28. К ь ел л а г р е и Б. Р. Ф.— В кн.: Бериллий. Пер. с англ. М., ИЛ, 1953,
с. 17—22.
29. X а з и и Л. Г.— «Химическая промышленность», 1958, № 3. с. 61—67.
30. Ко л чин О. П., Сумарокова II. В., Берлин И. К.— «Технология?
М., Металлургиздат, 1959 (Научные труды Гиредмета 1931 —1956 гг. Т. li,
с. 712-732 с ил.
31. Каплан Г. Е., Силина Г. Ф., Остроушко Ю. И. Электролиз в
металлургии редких металлов. М., Металлургиздат, 1963. 360 с. с ил.
32. Дарвин Дж. и Баддери Дж. Бериллий. Пер. с англ. М., ИЛ, 1962.
324 с. с ил.
33. Методы получения чистых металлов. Сборник переводов под ред.
Емельянова В. С. и Евстюхина А. И. М., ИЛ, 1957. 384 с. с ил.
34. М а з е л ь В. А. Производство глинозема. М.—Л., Металлургиздат, 1950
504 с. с ил.
35. П л а к с и и И. Н., Ю х т а н о в Д. Н. Гидрометаллургия. М.,
Металлургиздат, 1949. 732 с. с ил.
36. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.
Изд. 8-е. М., «Химия», 1971. 784 с. с ил.
37. Гордон Г. М., Пейсахов И. Л. Пылеулавливание и очистка газов.
Изд. 2-е. «Металлургия», 1968. 499 с. с ил.
38. Колач Т. А., Радуй Д. В. Выпарные станции. М., Машгиз, 1963. 400с.
с ил.
39. П а з у х и и В. А., Фишер А. Я. Вакуум в металлургии. М.,
Металлургиздат, 1956. 520 с. с ил.
40. Гринберг Я. И. Проектирование химических производств. М., «Химия»,
1970. 270 с. с ил.
41. 3 л о б и н с к и й Б. М. Охрана труда в металлургии. М., «Металлургия»,
1968. 460 с. с ил.
42. Proceedings of the Symposium on chemical process hararrls with special re-
fernce to plant design Manchester 29—31 March. 1960. Published by the
institution of chemical Engineers. 117 p.
43. Л о с к у т о в Ф. М., Ц е й д л е р А. А. Расчеты по металлургии тяжелых
цветных металлов. Изд. 2-е. М., Металлургиздат, 1963. 591 с. с ил.
44. Б агату ров С. А. Курс теории перегонки и ректификации. М., Гостоптех-
издат, 1954. 480 с. с ил.
45. Б а т у и е р Л. М., П о з и н М. Е. Математические методы в химической
технике. Изд. 3-е. Л., Госхимиздат, 1960. 636 с. с ил.
46. Расчеты пиропроцессов и печей цветной металлургии. М. Металлургиздат,
1963, 460 с. с ил. Авт.: Диомидовский Д. А., Шалыгин Л. П., Гальнбек А. А.,
Южаников И. А.
47. Вол ь дм а н Г. М.. Зеликман А. Н.— «Изв. вуз. Цветная металлургия».
1969, X? 2, с. 108—112.
48. Р о з е и А. М Теория разделения изотопов в колоннах. М., Атомиздат, 1960.
438 с. с ил.
49. Бенедикт М., Пигфорд Т. Химическая технология ядерных
материалов. М., Атомиздат. 1960. 528 с. с ил.
50. Барский Л. А., Плакс и и И. Н. Критерии оптимизации разделительных
процессов. М., «Наука», 1967. 120 с. с ил.
51. Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.,
«Химия», 1971. 296 с. с ил.
468
52. Касаткин А. Г., П л а и о в с к и й А. II., Чехов О. С. Расчет
тарельчатых ректификационных и абсорбционных аппаратов. М., Стандартгиз,
1961. 82 с. с ил.
53. Альдерс Л. Жидкостная экстракция. А1, ИЛ, 1962. 260 с. с ил.
54. Левин В. И.— В кн.: Экстракция. Выи. I. M., Госатомизаат, 1962, с. 143—
162.
55. М их лип Е. Б., Корпусов Г. В.— ЖНХ, 1965, т. X, вып. 12, с. 2787—
2795.
об. Карпачсва С. М.—В кн.: Экстракция. Вып. 1. М., Госатомиздат, 1962,
с. 202—212.
57. Б а й м а к о в Ю. В. Электролиз в металлургии. Т. III. М., Металлургиздат,
1946. ПО с. с ил.
58. .Металлургия титана. М., «Металлургия», 1968. 643 с. с ил. Авт.: Гар-
мата В. А., Гуляницкий Б. С, Крамник В. 10., Липкес Я. М., Серяков Г. В.,
Сучков А. Б., Хомяков П. П.
59. Металлургия циркония. Под ред. Ластмана Б. и Керза Ф. Пер. с англ. М.,
ИЛ, 1959. 419 с. с ил.
60. Ре й ф м а и М. Б., Дмитриев В. Н., Лосикова М. А.--«Технология».
М., Металлургиздат, 1959 (Научные труды Гиредмета) 1931 — 1956 гг. т. I),
с. 354—374 с. ил.
61. Электронная плавка металлов. М., «Металлургия», 1965. 291 с. с ил. Авт.:
Заборопок Г. Ф., Зеленцов Т. И., Ронжин А. С, Соколов Б. Г.
62. Б е л я н ч и к о в Л. Н. Основы расчета дуговых вакуумных печей. М.,
«Металлургия», 1968. 112 с. с ил.
63. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. Изд. 2-е. Пер. с англ.
М., «Мир», 1964. 716 с. с ил.
64. Королев Б. И. Основы вакуумной техники. Изд. 2-е. М.—Л., «Энергия»,
1964. 400 с. с ил.
65. Ц и б о р о в с к и й Я. Основы процессов химической технологии. Пер.
с польск. Л., «Химия», 1967. 720 с. с ил.
66. Михеев М. А. Основы теплопередачи. Изд. 3-е. М.—Л., Госэнергоиздат,
1956. 396 с. с ил.
67. Е л и н В. И., Солдатов К. Н., Соколовский С. Н. Насосы и
компрессоры. М., Гостоптехиздат, 1958. 372 с. с ил.
68. Правила устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под
давлением. Госгортехнадзор СССР. М., «Металлургия», 1970, 80 с.
69. Г и е д е н к о Б. В., X и н ч и н А. Я. Элементарное введение в теорию
вероятностей. М., Физматгиз, 1961. 144 с.
70. Г и е д е. н к о Б. В., Коваленко И. Н. Введение в теорию массового
обслуживания. М., «Наука», 1966. 432 с. с ил.
71. Розенберг В. Я., Прохоров А. И. Что такое теория массового
обслуживания? М., «Советское радио», 1965. 256 с. с ил.
72. Новиков О. А., Петухов С. И. Прикладные вопросы теории массового
обслуживания. М., «Советское радио», 1969. 400 с. с ил.
73. Севастьянов Б. А.-—«Теория вероятности и ее применение», 1957, т. II,
вып. 1, с. 106—116.
74. Р е и з Г. Монтажное проектирование химических производств в США. М.—
Л,. «Стройиздат», 1966. 244 с. с ил.
75. Правила и нормы техники безопасности и промышленной санитарии для
проектирования и эксплуатации пожаро- и взрывоопасных производств
химической и нефтехимической промышленности. М., «Недра», 1967. 80 с.
76. Строительные нормы и правила. Часть II. Раздел М. Глава 2.
Производственные здания промышленных предприятий. Нормы проектирования
СНиП П--М. 2-72 (Госстрой СССР). М.. Стройиздат, 1972. 20 с.
77. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий СН 245—71
(Госстрой СССР). М.. Стройиздат, 1972. 96 с.
78. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. М,
«Металлургия», 1970. 208 с. с ил.
79. Строительные нормы и правила. Часть II. Раздел А. Глава II. Нагрузка и
воздействия. Нормы проектирования СНиП II—А. II—62 (Госстрой СССР).
М., Госстройиздат, 1962. 24 с.
469
80. Строительные нормы и правила. Часть П. Раздел Г. Глава 3.
Водоснабжение. Нормы проектирования, СНиП II—Г. 3—62 (Госстрой СССР). М.,
Госстройиздат. 1963. 96 с.
81. Правила устройства электроустановок. М- Л., «Энергия», 1966. 464 с.
82. Сажи и Н. П.- «Цветные металлы», 1967, Xs 7, с. 41—48.
83. Морозов П. С. Применение хлора в металлургии редких и цветных
металлов. М., «Наука», 1966. 254 с. с ил.
84. Коршунов Б. Г., Стефанюк С. Л. Введение в хлорную металлургию
редких металлов. М., «Л\еталлургия», 1970. 344 с. с ил.
85. Типовая методика определения эффективности капитальных вложений.
Госплан СССР, Госстрой СССР, Академия наук СССР. М., «Экономика»,
1969. 14 с.
86. 3 у б р и ц к и й М. П. Экономическое обоснование строительства и
реконструкции химических предприятий. Л., «Химия», 1971. 221 с.
87. Stuhlbarg David.—"Chemical Engineering", 1968, Jannarv 15, p. 152—
154.
88. P ж и г а Л. Экономическая эффективность научно-технического прогресса.
М., «Экономика», 1969. 312 с. с ил.
Лев Ефимович [ЗОЛОТНИКОВ
ТЕХНОЛОГ И Ч Е С К О Е
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПРОИЗВОДСТВА
РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Редактор издательства К. Д. М и ш а р и и а
Художественный редактор Д. В. Орлов
Технический редактор Л. В. Д о б у ж и н с к а я
Корректоры В. Б. Л е в и и, Л. Ф. Орлова
Переплет художника Е. Т. Яковлева
Сдано в набор 22/VI 1973 г. Подписано в печать 10/Х 1973 г.
Т-14694. Формат бумаги 60x90'/'ie, бумага типографская № 2.
Печ. л. 29,5. Уч.-изд. л. 33,15. Тираж 2700 экз. Заказ 461.
Изд. Л» 2568. Цена 1 р. 90 к.
Издательство «Металлургия»
119034, Москва, Г-34, 2-й Обыденский пер., 14
Ленинградская типография Л'° 8 «Союзпо.тиграфирома» при
Государственном комитете Совета Министров СССР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли.
. 190000, Ленинград, Прачечный пер., 6