Некоторые аспекты выполнения в вузе научно- исследова- тельской выпускной квалификационной работы по технологии химических процессов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УПРАВЛЕНИЕ, ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 65.015.13:66.011

Н. Е. Тимофеев, И. А. Абдуллин, В. А. Злобин,

Г. В. Афанасьев, Н. И. Лаптев, Г. П. Шарнин

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ В ВУЗЕ НАУЧНО- ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ПО ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Ключевые слова: технологический процесс, лаборатория, промышленный объект, масштабирование, опасные факторы.

В работе рассмотрен целый ряд аспектов масштабирования химических процессов: опасность пожара и взрыва, токсичность веществ, стоки и выбросы, скорость и теплота процесса, конструкционные материалы реактора, перемещение материалов, длительность процесса и анализ исходных, промежуточных веществ и продуктов. Предложены способы обеспечения безопасности при проведении процессов в промышленных условиях.

Keywords: technical process, laboratory, industrial project, scale transfer, hazardous production

factor.

In this article some aspects of scaling of chemical processes were considered: danger of a fire, explosion; toxicity of substances, drains and emissions, speed and warmth ofprocess, constructional materials of the reactor, moving of materials, duration of process and the analysis of initial and intermediate substances and products. Ways of safety are offered at carrying out of processes in industrial conditions.

Разработка химико-технологического процесса включает такой этап, когда необходимо переходить от лабораторных условий к производственным, т.е. изменять его масштаб. Масштабирование является важнейшей проблемой создания техпроцесса. В лаборатории исследователь, как правило, работает с 1-100г реагентов на один эксперимент. Промышленное же предприятие выпускает продукцию порядка нескольких сотен-тысяч тонн в год. Лишь в редких случаях возможно масштабирование посредством точного копирования лабораторных установок. Переход от лабораторных условий к производственным означает такую перемену масштабов, при которой на смену установке в большинстве случаев обслуживаемой и управляемой вручную самим исследователем, приходит система, управление которой явно не под силу одному человеку, не вооруженному автоматикой и контрольно-измерительной аппаратурой. Многие студенты, выполняющие дипломные научно-исследовательские работы по созданию химико-технологических процессов имеют недостаточное представление о характере проблем, возникающих при перенесении операций из лаборатории на промышленный объект. В этом случае появляется целый ряд аспектов масштабирования.

Опасность пожара и взрыва. С переходом к крупному промышленному производству количество энергии, высвобождающееся в результате пожара или взрыва настолько

велико, что просчет в этом вопросе неизбежно приведет к серьёзным последствиям. Помимо того, что в производственных условиях потенциальная опасность для людей возрастает по сравнению с лабораторными условиями, в огромной степени увеличивается и финансовый риск. Поэтому выявление всех возможных причин пожара и взрыва и разработка мер безопасности являются важной проблемой масштабирования.

В качестве основных задач устранения потенциальной опасности взрывов можно отметить следующие.

Ликвидация источников воспламенения. В этом направлении можно сделать многое, но лишь в редких случаях удается гарантировать полную ликвидацию источников воспламенения. Некоторые смеси загораются и в отсутствие искры или пламени уже при температурах, которых вполне может достичь стенка змеевика. Поэтому на такую ликвидацию нельзя полагаться как на единственное средство предупреждения пожара и взрыва.

Поддержание безопасных условий. Безопасность производства должна считаться обеспеченной, если его нормальная работа протекает в условиях, исключающих возможность взрыва, и если любое отклонение от безопасных условий предупреждается системой контроля высокой надежности. Чем ближе нормальные производственные условия процесса к взрывоопасным пределам, тем труднее свести к минимуму риск отклонения от нормальных условий и тем сложнее становится система контроля. По мере повышения надежности приборов всё шире практикуется конструирование и установка безотказных систем контроля, несмотря на их дороговизну.

Проектирование взрывобезопасного оборудования. Как правило, приемлемым с экономической точки зрения оказывается проектирование взрывоопасного оборудования, только если оно малогабаритное. Для ослабления силы взрыва могут быть установлены разрывные мембраны, однако поскольку мембрана разрывается и выпускает газы в течение какого-то отрезка времени, давление может успеть подняться значительно выше величины, при которой происходит разрыв мембраны.

При проектировании взрывобезопасного оборудования должны приниматься во внимание такие факторы, как объём аппарата, его форма, местоположение источника воспламенения, физико-химические и взрывчатые характеристики конкретной смеси.

Для того, чтобы принять наиболее подходящее сочетание мер безопасности, нужно иметь информацию относительно ряда наиболее важных вопросов:

Каковы пределы воспламеняемости взрывоопасных смесей?

Какая энергия выделяется при воспламенении смесей, которые имеются или могут случайно образоваться в производстве?

С какой скоростью будет нарастать давление? Если произойдёт воспламенение, и процесс горения будет идти относительно медленно и на открытом пространстве, то это грозит пожаром. Если же процесс горения идёт быстро и замкнут в небольшом объёме, то может произойти взрыв.

Какого максимального значения достигнет давление? При этом возникает добавочное осложнение: решающим фактором является скорость распространения взрывной волны. Ударная волна обгонит градиент фронтального давления и произойдет детонация, которая не сигнализирует о своём приближении постепенным повышением давления, поэтому разрывные мембраны и другие устройства не смогут её ослабить. От формы аппарата, в котором может произойти взрыв, во многом зависит, перерастёт ли он в детонацию. Вообще говоря, чем больше соотношение высоты и диаметра, тем большей безопасностью обладает данный аппарат в случае взрыва.

Какие габаритные размеры следует предусматривать для аппаратов и трубопроводов, в которых может произойти детонация?

Этот неполный перечень вопросов наглядно свидетельствует о необходимости постоянно учитывать потенциальную угрозу и в ходе разработки процесса консультироваться со специалистами по автоматизации и технике безопасности.

Токсичность. В ходе принципиальной разработки процесса соблюдаются меры по технике безопасности и защите работников лаборатории от токсичных веществ. Но, несмотря на это, уже на раннем этапе работы надлежит принимать в расчет то значение, которое приобретут при масштабировании любые возможности отравления. Необходимо применительно ко всем видам сырья, промежуточным соединениям и конечным продуктам заранее проработать решение целого ряда вопросов: например, какова острая (получение одной дозы) и хроническая (получение повторных доз) токсичность вещества.

Стоки и выбросы. Контроль за выбросом отходов производства в атмосферу и сливом их в водоёмы становится всё более и более строгим. Для того чтобы выполнить предъявляемые требования, необходимо принять дорогостоящие меры. Стоимость этих мероприятий можно снизить, если на стадии разработки процесса уделить этой проблеме должное внимание. Необходимо выявить качественный и количественный состав отходов, разработать способы их удаления. Эту проблему необходимо решать как часть всего производственного комплекса завода.

Скорость процесса. Одним из главнейших моментов процесса является выявление факторов, определяющих скорость процесса в масштабированной установке, и, по мере возможности, количественное определение этих факторов. К подлежащим рассмотрению факторам относятся не только скорости реакции и теплопередачи, но также и скорость массопередачи внутри отдельных аппаратов и между ними.

Если кинетика процесса достаточно проста, она должна быть изучена полностью. Однако получить во многих случаях законченную кинетическую картину невозможно ввиду наличия сложной последовательности реакций. Тем не менее, и в подобных ситуациях измерение скорости процесса имеет неоценимое значение. Такие измерения называют кинетикой процесса, в отличие от кинетики реакции, подразумевающей знание механизма и скорости её отдельных ступеней.

Тепло. С увеличением размеров аппарата уменьшается соотношение поверхности и объёма; процессы теплопередачи начинают сильно зависеть от масштаба. Проблема масштабирования может сводиться не просто к общему переносу тепла - она может оказаться связанной с градиентом температуры в реакторах, который существенно влияет на интенсивность протекания реакций.

Чтобы проектировать подвод и отвод тепла, необходимо знать теплоту реакции, теплоту растворения, теплоту кристаллизации и теплоты фазовых переходов на всех ступенях процесса. Ни одну принципиальную технологическую схему нельзя построить без представления о теплотах процессов, с которыми придётся иметь дело.

Конструкционные материалы. Чрезвычайно важно при проектировании техпроцесса обратить должное внимание на подбор конструкционных материалов, но это следует делать не ранее того, как будет получено достаточно ясно представление о процессе. Нецелесообразно заниматься подбором конструкционных материалов, когда не окончательно определены условия проведения процесса.

Проблема коррозии играет важную роль в химической промышленности. Коррозия может повысить затраты на производство двояким образом. Один из них, пожалуй, неизбежен, с ним приходится мириться. В этом случае дело касается расходов (зачастую чрез-

вычайно высоких) на изготовление производственного оборудования из материалов, устойчивых к корродирующему действию химических веществ, принимающих участие в процессе. Во втором случае речь идёт об убытках, которые могут иметь место, если опасность коррозии будет упущена из виду или неправильно оценена, в результате чего производству будет нанесён серьёзный ущерб.

Борьба с коррозией занимает важнейшее место в проектировании процесса. Необходимо в полной мере учитывать потенциальные опасности, связанные с коррозией, чтобы предотвратить их с минимальными затратами.

Перемещение материалов. Проблема перемещения материалов обычно оказывается в центре внимания после того, как будет составлена принципиальная технологическая схема производства. Она представляет собой упрощённое изображение производства, на котором каждый элемент оборудования обозначен символической фигурой. На схеме должна быть отображена предлагаемая последовательность операций, указано название оборудования и схема материальных потоков.

Принципиальная технологическая схема и схема материальных потоков выдвигают проблему обработки и перемещения материалов. Следует отметить, что материалы проще перемещать в виде растворов или суспензий. Часто избежать транспортировки твёрдых материалов просто невозможно и в этом случае следует предусмотреть применение наиболее совершенного транспортирующего, дозирующего, питающего оборудования.

Фактор времени. Основную массу производимых химических продуктов дают заводы, выпускающие их в течение длительного времени. Для них характерны непрерывные процессы на всех или большинстве стадий. В связи с этим при проектировании процесса необходимо предусмотреть текущий ремонт и согласовать временную последовательность операций его отдельных стадий на протяжении всего цикла.

Анализ. При разработке процесса необходимо позаботиться о наличии соответствующих методов анализа. На этапе принципиальной разработки процесса методики анализа должны быть более строгими, так как при этом необходимо проводить большое число анализов и поэтому желательно, чтобы применяемые аналитические методы позволяли быстро получать ответы. Благодаря этому снизится запаздывание в линии обратной связи. Но ещё важнее другое требование: получаемые данные должны быть надёжными и должны охватывать не только исходные материалы и целевые продукты, но и максимально большее число промежуточных и побочных продуктов.

© Н. Е. Тимофеев - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; И. А. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, e-mail: ilnur@kstu.ru; В. А. Злобин - доцент СамГТУ; Г. В. Афанасьев - доцент СамГТУ; Н. И. Лаптев - д-р техн. наук, проф. СамГТУ, e-mail: niipkvt@inbox.ru; Г. П. Шарнин - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии органических соединений азота КГТУ.