APARATURA W OCHRONIE ŚRODOWISKA - 2. PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

Transkrypt

1 APARATURA W OCHRONIE ŚRODOWISKA - 2. PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH Wykład dla kierunku Ochrona Środowiska Wrocław, 2017 r. Projektowanie procesów technologicznych Na etapie projektowania procesu technologicznego lub doboru urządzeń do jego realizacji, jako podstawowe wykonuje się: obliczenia statyki procesu, bilanse masowe (materiałowe) i energetyczne, a następnie obliczenia kinetyczne. Celem tych analiz i obliczeń jest określenie optymalnych: stanów pracy, wymiarów (gabarytów) urządzeń zapewniających jak najlepsze wykorzystanie surowców i energii, przy jak najmniejszych kosztach. 1

2 Bilans masowy procesu Bilans materiałowy (masowy) procesu zestawienie ilości wszystkich surowców głównych, pomocniczych i substancji obojętnych wprowadzonych do procesu oraz ilości wszystkich otrzymanych produktów głównych, ubocznych i odpadów. Ilości materiałów w jednostkach masy odnosi się do jednostki czasu (w procesach ciągłych) lub czasu trwania jednego cyklu produkcyjnego (w procesach okresowych). Bilans masowy opiera się na podstawowym prawie fizyki: ZASADZIE ZACHOWANIA MASY! Bilans masowy przykład 1 Do sporządzania bilansów wykorzystuje się zestawienia tabelaryczne lub graficzne (np. schematy blokowe, wykresy Sankeya). Przykład: proces wytwarzania fosforu z rudy apatytowej w piecu elektrycznym - zestawienie tabelaryczne PRZYCHÓD ROZCHÓD Surowce Masa, kg Udział, % Produkty Masa, kg Udział, % Ruda apatytowa ,5 Fosfor ,2 Piasek ,0 Żelazofosfor 282 2,0 Koks ,5 Tlenek węgla ,3 Szlaka (żużel) ,5 SUMA SUMA

3 Bilans masowy przykład 2 Przykład: proces wytwarzania fosforu z rudy apatytowej w piecu elektrycznym - schemat blokowy RUDA APATYTOWA kg PIASEK 2370 kg KOKS 1330 kg PIEC ELEKTRYCZNY TLENEK WĘGLA 3668 kg SZLAKA 9000 kg ŻELAZOFOSFOR 282 kg FOSFOR 1000 kg Bilans masowy - przykład 3 Przykład: proces wytwarzania fosforu z rudy apatytowej w piecu elektrycznym wykres Sankeya (wykres strumieniowy) 3

4 Zasady i przykład sporządzania wykresu Sankey a Przykład sporządzania wykresu Sankey a w programie Microsoft Excel Bilans energetyczny procesu Bilans energetyczny (cieplny) procesu zestawienie ilości energii doprowadzonej do i odprowadzonej z urządzeń instalacji w trakcie procesu technologicznego oraz efektów energetycznych przemian fizycznych i chemicznych przebiegających w instalacji. Ilość energii odnosi się do jednostki czasu (procesy ciągłe) lub czasu trwania jednego cyklu produkcyjnego (procesy okresowe). Bilans energetyczny opiera się na ZASADZIE ZACHOWANIA ENERGII! 4

5 Bilans energetyczny - przykład Do sporządzania bilansów wykorzystuje się zestawienia tabelaryczne i graficzne (np. wykresy Sankeya). Przykład: bilans cieplny silnika wykres Sankeya Objaśnienia do rysunku: Q 1 całkowita ilość ciepła doprowadzonego do silnika Q e ilość ciepła zamienionego na pracę użyteczną Q ch straty chłodzenia ilość ciepła odprowadzonego do czynnika chłodzącego Q w strata wylotowa ilość ciepła odprowadzonego ze spalinami Q ns strata spalania ilość ciepła straconego na wskutek niezupełnego spalania Q ot straty ciepła odprowadzonego do otoczenia Projekt procesowy Projekt procesowy (technologiczny) opracowanie umożliwiające: sporządzenie prawidłowych założeń technicznoekonomicznych (ZTE) i zawierające: zestawienie danych o procesie technologicznym niezbędnych do odtworzenia toku technologicznego procesu w skali przemysłowej, zestawienie danych do sporządzenia bilansów: materiałowego i energetycznego dla każdego z urządzeń instalacji, z podaniem typu, gabarytów i harmonogramu pracy urządzeń. 5

6 Założenia techniczno-ekonomiczne Założenia techniczno-ekonomiczne (ZTE) opracowanie obejmujące minimalny zakres dokumentacji inwestycji, niezbędny do: określenia w dalszej kolejności kosztów inwestycji, opracowania projektu technicznego, zamówienia podstawowych urządzeń, zaplanowania dostaw materiałów, zawarcia umów z dostawcami i wykonawcami. Projekt techniczny Projekt techniczny zestaw informacji obejmujący dokumentację realizacyjną rozwiązań projektowych zawartych w założeniach techniczno-ekonomicznych. Projekt techniczny składa się z części: ogólnej, branżowej: technologicznej, kontrolno-pomiarowej, elektrycznej, konstrukcyjnej, budowlanej, innych związanych ze specyfiką inwestycji oraz z projektu organizacji produkcji, zarządzania i uruchomienia instalacji. 6

7 Schematy technologiczne Schemat technologiczny rysunek, na którym za pomocą symboli przedstawiających proste lub złożone procesy jednostkowe oraz ich powiązanie przedstawia się przebieg procesu technologicznego. Schemat technologiczny jest kluczowym dokumentem w procesie projektowania! W wieloetapowym projektowaniu technologicznym zaleca się wykonywanie trzech rodzajów schematów: ideowego, wstępnego i technicznego. Schemat ideowy Schemat ideowy uproszczony rysunek, na którym: w prostokątnych obramowaniach (symbolach) wymienione są oddzielnie, z zachowaniem kolejności, wszystkie procesy jednostkowe i główne parametry ich prowadzenia, wymienione są surowce, półprodukty i produkty, a także zaznaczony jest kierunek przepływu reagentów (materiałów). Schemat ideowy jest najważniejszym rysunkiem na etapie sporządzania projektu procesowego! 7

8 Symbole schematu ideowego Procesy jednostkowe bez reakcji chemicznej Procesy jednostkowe z reakcją chemiczną a) przebiegające pod ciśnieniem normalnym (atmosferycznym) b) przebiegające pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego c) przebiegające pod ciśnieniem niższym od atmosferycznego Zasady tworzenia schematu ideowego - 1 W pola prostokątów wpisuje się: nazwy procesów (i ewentualnie nazwy przetwarzanych substancji lub wytwarzanych produktów), symbole i wartości podstawowych parametrów technologicznych procesu. Schemat sporządza się z symboli blokowych, umieszczanych jeden pod drugim (poczynając od góry). Ciągi pomocnicze rozmieszcza się obok głównego ciągu technologicznego lub na osobnych arkuszach. Symbole blokowe łączy się liniami obrazującymi przepływ strumieni masowych, zaznaczając strzałką kierunki. 8

9 Zasady tworzenia schematu ideowego - 2 Strumienie wejściowe (surowców, półproduktów) umieszcza się nad symbolami blokowymi a strumienie wyjściowe (produktów, półproduktów) pod prostokątami. Strumienie pomocnicze umieszcza się: wejściowe z lewej strony prostokątów, a wyjściowe z prawej strony lub wejściowe od góry ze strony lewej, a wyjściowe od dołu i z prawej strony. Strumienie pomocnicze oznaczane są linią o połowę cieńszą (często także oznaczane są liniami punktowymi lub kreskowymi). Wszystkie linie (strumienie) powinny być opisane lub ponumerowane z wyjaśnieniem ich znaczenia! Zasady tworzenia schematu ideowego proces jednostkowy 1 parametry procesu proces jednostkowy 2 parametry procesu 6 Objaśnienia: 1 surowiec, 2 czynnik pomocniczy 1, 3 produkt odpadowy, 4 półprodukt, 5 czynnik pomocniczy 2, 6 produkt 9

10 Schematy ideowe przykład 1 PRODUKCJA SUROWEGO GAZU SYNTEZOWEGO Z GAZU ZIEMNEGO W ZA PUŁAWY (Puławy II) Konwersja parowa (reforming parowy) T = K p = 3 3,5 MPa katalizator: Ni na nośniku Al 2 O 3 3 Dopalanie 5 Objaśnienia: 1 odsiarczony gaz ziemny, 2 para wodna, 3 gaz po konwersji (H 2, CO, CO 2, H 2 O, CH 4 ), 4 powietrze, 5 surowy gaz syntezowy (H 2-56%, N 2 22%, CO 16%, CO 2 6%, CH 4 ~0,3%) Opracowanie na podstawie: Przemysł azotowy, [on-line] Schematy ideowe przykład 2 powietrze woda C powietrze kondycjonowane C powietrze C PROCES WYTWARZANIA SŁODU jęczmień Mycie i moczenie t = C czas łączny: 30 godz. Słodowanie bębnowe czas: 8 dni Suszenie maks. temp. słodu: 95 C jęczmień namoczony czas: 24 godz. powietrze kiełkujące ziarno jęczmienia ziarna z kiełkami Oddzielanie kiełków słód woda + spławki powietrze 17 C powietrze wilgotne kiełki 10

11 Schematy ideowe przykład SPALANIE K OTRZYMYWANIE SIARKI METODĄ CLAUSA 4 CHŁODZENIE 300 C 4 KONWERSJA I 300 C C 13 5 CHŁODZENIE I 300 C 5 7 CHŁODZENIE II 150 C KONWERSJA II MAGAZYNO- 9 -WANIE CHŁODZENIE III 150 C DOPALANIE 14 CHŁODZENIE IV 15 Objaśnienia: 1 gaz bogaty w siarkowodór, 2 - powietrze z dmuchawy, 3 - gaz opałowy, 4 - gazy spalinowe, 5 gazy poreakcyjne, 6 - para nasycona, 7 - gazy z wieży myjącej, 8 - schłodzona ciekła siarka, 9 - gaz po wykropleniu par siarki, 10 - gaz z resztkami siarkowodoru, 11 gaz niezawierający siarkowodoru, 12 - siarka, 13 - siarka zawracana do obiegu, 14 woda chłodząca, 15-99,6% siarka ciekła do płatkowania 8 11 Opracowanie na podstawie: Technologia chemiczna, [on-line] TCh_seminarium_1.pdf Schematy ideowe przykład 4 PROCES REGENERACJI AMONIAKU PRZY PRODUKCJI SODY KALCYNOWANEJ Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 1996 Objaśnienia: 1 - przesącz z filtrów, 2 - gaz zawierający amoniak, 3 - woda amoniakalna, 4 - gazy do absorpcji amoniaku, 5 - mleko wapienne, 6 woda podestylacyjna, 7 - ciecz odpadowa, 8 para grzejna, 9 - woda chłodząca, 10 - woda odlotowa z chłodnicy 11

12 Schematy ideowe przykład 5 PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna. PWN, Warszawa, 1978 Schemat wstępny Schemat wstępny uproszczony rysunek, na którym: w postaci symboli rysunkowych wymienione są oddzielnie wszystkie aparaty procesowe oraz pozostałe urządzenia technologiczne projektowanej instalacji, na liniach materiałowych podany jest kierunek przemieszczania się strumieni materiałowych między aparatami i urządzeniami instalacji, mogą być naniesione dane (parametry) z projektu procesowego. Schemat wstępny jest nieodłączną częścią założeń techniczno-ekonomicznych (ZTE)! 12

13 Symbole schematu wstępnego Jeden symbol na schemacie ideowym (oznaczający proces jednostkowy) może odpowiadać nawet kilku symbolom urządzeń na schemacie wstępnym! Symbole urządzeń przemysłu chemicznego można znaleźć w: normie branżowej BN-72/ , polskiej normie PN-EN ISO : Zbiór symboli z różnych branż można znaleźć w książce Tadeusza Dobrzańskiego Rysunek techniczny maszynowy. Symbole schematu wstępnego - przykłady Zbiornik zamknięty bezciśnieniowy Naczynie ciśnieniowe Mieszadło Element grzejny lub chłodzący Mieszalnik bezciśnieniowy z mieszadłem pionowym Mieszalnik ciśnieniowy z ogrzewaniem lub chłodzeniem wewnętrznym 13

14 Zasady tworzenia schematu wstępnego Symbole schematu szereguje się w kolejności odpowiadającej przebiegowi procesu, w kierunku od lewej ku prawej stronie arkusza. Ciągi instalacji pomocniczych rysuje się równolegle powyżej lub poniżej głównego ciągu technologicznego. Symbole schematu oznacza się numerami, których objaśnienie podaje się w opisie (tabeli) wraz z dodatkowymi informacjami na temat parametrów procesowych i ewentualnie materiałów konstrukcyjnych. Symbole łączy się odpowiednimi liniami oznaczającymi strumienie materiałów. Schematy wstępne przykład 1 PROCES WYTWARZANIA KWASU SIARKOWEGO Objaśnienia: 1 kolumna odpędowa (desorber), 2 wieża susząca, 3 wymienniki ciepła, 4 reaktor katalityczny, 5 absorbery, 6 chłodnice kwasu obiegowego, 7 chłodnica produktu, 8 zbiorniki przepompowe Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa,

15 Schematy wstępne przykład 2 WĘZEŁ WYTWARZANIA SUROWEGO GAZU SYNTEZOWEGO Z GAZU ZIEMNEGO NA DRODZE KONWERSJI PAROWEJ Objaśnienia: 1 sprężarka powietrza, 2 wymiennik ciepła (podgrzewacz gazu ziemnego i powietrza), 3 reformer z rurami z katalizatorem i palnikami, 4 dopalacz, 5 chłodnica Źródło: Przemysł azotowy, [on-line] Schematy wstępne przykład 3 INSTALACJA DO OCZYSZCZANIA GAZÓW Z TLENKÓW AZOTU W ROZTWORACH ALKALICZNYCH Objaśnienia: 1 komora utleniająca, 2,3 absorbery, 4 odkraplacz, 5 komin, 6 wyparka, 7 transporter taśmowy, 8 chłodnica, 9 zbiornik roztworu absorpcyjnego Źródło: Kuropka J., Oczyszczanie gazów odlotowych z zanieczyszczeń gazowych: urządzenia i technologia. Wrocław,

16 Schematy wstępne przykład 4 OTRZYMYWANIE PŁATKÓW ZIEMNIACZANYCH Objaśnienia: 1 płuczka, 2 zaparzarka, 3 obieraczka bębnowa, 4 przenośnik ślimakowy, 5 przenośnik taśmowy, 6 krajalnica, 7 płuczka, 8 blanszownik ślimakowy, 9 zbiornik SO 2, 10 chłodnica, 11 - przenośnik ślimakowy, 12 parownik, 13 zbiornik dodatków spulchniających i substancji dodatkowych, 14 ryżownik, 15 suszarnia walcowa, 16 młynek bijakowy, 17 przesiewacz płaski, 18 magazyn odpadów użytkowych (mąki), 19 magazyn płatków ziemniaczanych Źródło: Boruch M., Król B., Procesy technologii żywności. Łódź, 1993 Schemat techniczny Schemat techniczny uproszczony rysunek, zawierający: ciąg wszystkich aparatów i innych urządzeń technologicznych, rurociągi transportu fazy ciekłej i gazowej, armaturę regulacyjną i odcinającą wchodzących w skład instalacji (wraz z instalacjami rezerwowymi), naniesione dane procesowe, zwymiarowane średnice rurociągów. Schematy techniczne zamieszczane są najczęściej w projektach technicznych. 16

17 do części Zasady tworzenia schematu technicznego Na schemacie wykorzystuje się symbole (wzbogacone w szczegóły) lub uproszczone rysunki. Zasadniczy kierunek rysowania: od lewej do prawej. Często rysunki wykonywane są w skali. W skali podawane są poziomy, na których rozmieszczone są urządzenia. Na rurociągach podaje się średnice i ewentualnie długość. Zaznaczone mogą być miejsca, w których odbywać się będzie pomiar parametrów technologicznych procesu (np. ciśnienia, temperatury, stężenia). Schematy techniczne przykład cz.1 PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna. PWN, Warszawa,

18 do części 1 do części 2 do części Schematy techniczne przykład cz.2 PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna. PWN, Warszawa, 1978 Schematy techniczne przykład cz.3 PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna. PWN, Warszawa,

19 Nowoczesne projektowanie Obecnie przy sporządzaniu projektów procesowych powszechnie korzysta się z techniki komputerowej. Nowoczesne programy pozwalają w pełni symulować procesy jednostkowe i złożone procesy technologiczne, wykonywać bilanse masowe i energetyczne, tworzyć schematy i złożone rysunki technologiczne. W tworzeniu rysunków wykorzystuje się programy z grupy CAD (od ang. Computer Aided Design projektowanie wspomagane komputerowo). W symulacjach rozpływów płynów korzysta się z programów z grupy CFD (od ang. Computational Fluid Dynamics - obliczeniowa mechanika płynów). 19