APARATURA W OCHRONIE ŚRODOWISKA
-
2. PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
Wykład dla kierunku Ochrona Środowiska
Wrocław, 2016 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 jaknajmniejszych kosztach.
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 10250 73,5 Fosfor 1000 7,2
Piasek 2370 17,0 Żelazofosfor 282 2,0
Koks 1330 9,5 Tlenek węgla 3668 26,3
Szlaka (żużel) 9000 64,5
SUMA 13950 100 SUMA 13950 100
Bilans masowy – przykład 2
Przykład: proces wytwarzania fosforu z rudy apatytowej w piecu elektrycznym - schemat blokowy
PIEC ELEKTRYCZNY RUDA APATYTOWA
10250 kg
FOSFOR 1000 kg
TLENEK WĘGLA 3668 kg SZLAKA 9000 kg PIASEK
2370 kg
ŻELAZOFOSFOR 282 kg KOKS
1330 kg
Bilans masowy - przykład 3
Przykład: proces wytwarzania fosforu z rudy apatytowej w piecu elektrycznym – wykres Sankeya (wykres strumieniowy)
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!
Bilans energetyczny - przykład
Do sporządzania bilansów wykorzystuje się zestawienia tabelaryczne i graficzne(np. wykresy Sankeya).
Przykład: bilans cieplny silnika – wykres Sankeya
Objaśnienia do rysunku:
Q1– całkowita ilość ciepła doprowadzonego do silnika
Qe– ilość ciepła zamienionego na pracę użyteczną Qch– straty chłodzenia – ilość ciepła
odprowadzonego do czynnika chłodzącego Qw– strata wylotowa – ilość ciepła
odprowadzonego ze spalinami
Qns– strata spalania – ilość ciepła straconego na wskutek niezupełnego spalania Qot– straty ciepła odprowadzonego do otoczenia
Projekt procesowy
Projekt procesowy (technologiczny) ̶ opracowanie umożliwiające:
• sporządzenie prawidłowych założeń techniczno- ekonomicznych (ZTE)
i zawierające:
• zestawienie danych o procesie technologicznym niezbędnych do odtworzenia toku technologicznego procesuw skali przemysłowej,
• zestawienie danych do sporządzenia bilansów:
materiałowego i energetycznego dla każdego z urządzeń instalacji, z podaniem typu, gabarytów i harmonogramu pracy urządzeń.
Założenia techniczno-ekonomiczne
Założenia techniczno-ekonomiczne (ZTE) ̶ opracowanie obejmujące minimalny zakres dokumentacjiinwestycji, niezbędny do:
• określenia w dalszej kolejnościkosztów inwestycji,
• opracowaniaprojektu technicznego,
• zamówienia podstawowych urządzeń,
• zaplanowania dostawmateriałów,
• zawarcia umówz 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.
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 itechnicznego.
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!
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
Symbole schematu ideowego
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.
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 stronylub
̶ 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 - 3
proces jednostkowy 1 parametry procesu
proces jednostkowy 2 parametry procesu
1
2 3
4 5
6
Objaśnienia:
1– surowiec,
2– czynnik pomocniczy 1, 3– produkt odpadowy, 4– półprodukt,
5– czynnik pomocniczy 2, 6– produkt
Schematy ideowe – przykład 1
Objaśnienia:
1– odsiarczony gaz ziemny, 2 – para wodna,
3– gaz po konwersji (H2, CO, CO2, H2O, CH4), 4– powietrze,
5– surowy gaz syntezowy (H2-56%, N2–22%, CO–16%, CO2–6%, CH4~0,3%)
Opracowanie na podstawie: Przemysł azotowy, [on-line] http://www.ztch.umcs.lublin.pl/materialy/przem_azot_bch.pdf.pdf
PRODUKCJA SUROWEGO GAZU SYNTEZOWEGO Z GAZU ZIEMNEGO W ZA PUŁAWY (Puławy II)
Konwersja parowa (reforming parowy) T = 973 – 1073 K p = 3 – 3,5 MPa
katalizator: Ni na nośniku Al2O3
Dopalanie 1 2
3 4
5
Schematy ideowe – przykład 2
PROCES WYTWARZANIA SŁODU
Mycie i moczenie
t = 20 – 25C czas łączny: 30 godz.
jęczmień powietrze
woda 20-25 C
woda + spławki
Słodowanie bębnowe czas: 8 dni
Suszenie
maks. temp. słodu: 95C czas: 24 godz.
powietrze
powietrze kondycjonowane
10-12 C
jęczmień namoczony
kiełkujące ziarno jęczmienia
Oddzielanie kiełków słód
powietrze 17 C
powietrze 80-100 C
powietrze wilgotne
kiełki ziarna z kiełkami
Schematy ideowe – przykład 3
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
SPALANIE 1000 K
CHŁODZENIE 300 C
KONWERSJA I 300 C - 350 C
KONWERSJA II CHŁODZENIE I
300 C
CHŁODZENIE II 150 C
CHŁODZENIE III 150 C
DOPALANIE CHŁODZENIE IV MAGAZYNO- -WANIE
1 2
3 6
4
4
12
12
13 5
5 7
9
9 12
15 6
10
2 14
13
11 8
OTRZYMYWANIE SIARKI METODĄ CLAUSA
Opracowanie na podstawie: Technologia chemiczna, [on-line]
http://www.technologia.gda.pl/dydaktyka/index/s/tch_chem/pdf_z/
TCh_seminarium_1.pdf
Schematy ideowe – przykład 4
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
Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa.
Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 1996
PROCES REGENERACJI AMONIAKU PRZY PRODUKCJI SODY KALCYNOWANEJ
Schematy ideowe – przykład 5
Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna.
PWN, Warszawa, 1978
PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA
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)!
Symbole schematu wstępnego
• Jeden symbol na schemacie ideowym (oznaczający proces jednostkowy) może odpowiadać nawet kilku symbolom urządzeń naschemacie wstępnym!
• Symbole urządzeń przemysłu chemicznego można znaleźć w:
̶ normie branżowej BN-72/2200-01,
̶ polskiej normiePN-EN ISO 10628-2:2013-06.
• Zbiór symboli z różnych branż można znaleźć w książce Tadeusza Dobrzańskiego Rysunek techniczny maszynowy.
Symbole schematu wstępnego - przykłady
Zbiornik zamknięty bezciśnieniowy
Mieszadło
Mieszalnik bezciśnieniowy z mieszadłem pionowym
Naczynie ciśnieniowe
Element grzejny lub chłodzący
Mieszalnik ciśnieniowy z ogrzewaniem lub chłodzeniem wewnętrznym
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
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, 1996
PROCES WYTWARZANIA KWASU SIARKOWEGO
Schematy wstępne – przykład 2
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] http://www.ztch.umcs.lublin.pl/materialy/przem_azot_bch.pdf.pdf
WĘZEŁ WYTWARZANIA SUROWEGO GAZU SYNTEZOWEGO Z GAZU ZIEMNEGO NA DRODZE KONWERSJI PAROWEJ
Schematy wstępne – przykład 3
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, 1991
INSTALACJA DO OCZYSZCZANIA GAZÓW Z TLENKÓW AZOTU W ROZTWORACH ALKALICZNYCH
Schematy wstępne – przykład 4
Objaśnienia:
1– płuczka, 2 – zaparzarka, 3 – obieraczka bębnowa,
4– przenośnik ślimakowy, 5 – przenośnik taśmowy, 6 – krajalnica, 7 – płuczka, 8 – blanszownik ślimakowy, 9– zbiornik SO2, 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
OTRZYMYWANIE PŁATKÓW ZIEMNIACZANYCH
Schemat techniczny
Schemat techniczny ̶ uproszczony rysunek, zawierający:
• ciąg wszystkich aparatów i innych urządzeń technologicznych,
• rurociągitransportu 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.
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 sąw skali.
• W skali podawane są poziomy, na których rozmieszczone są urządzenia.
• Na rurociągachpodaje sięśrednicei ewentualnie długość.
• Zaznaczone mogą być miejsca, w których odbywać się będzie pomiar parametrów technologicznychprocesu (np.
ciśnienia, temperatury, stężenia).
Schematy techniczne – przykład cz.1
Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna. PWN, Warszawa, 1978
PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA
do części 2
Schematy techniczne – przykład cz.2
Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna. PWN, Warszawa, 1978
PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA
do części 1 do części 3
Schematy techniczne – przykład cz.3
Źródło: Pikoń J., Aparatura chemiczna. PWN, Warszawa, 1978
PRODUKCJA SALETRY AMONOWEJ METODĄ STENGELA
do części 2
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).
