CC BY
22
УДК 001.895: 004.9: 625.7: 681.518
А. Л. Разинов, А. Н. Глушко, А. М. Бессарабов, Е. А. Чигорина, Г. Г. Приоров, О. В. Стоянов
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ CALS-ТЕХНОЛОГИИ МОДУЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ДОРОЖНЫХ ПРОПИТОК
Ключевые слова: CALS-технологии, автоматизированное проектирование, дорожные пропитки, модульное производство,
технологический регламент.
На основе информационных CjALS-технологий разработано модульное производство дорожных пропиток. В архитектуру CALS-системы автоматизированного проектирования заложены все этапы разработки технологического регламента. Рассмотрена конструкторская документация всей технологической схемы и отдельных аппаратурных модулей (загрузка битума; нагрев битума и нефтеполимерной смолы, приготовления вяжущего компонента, приготовления пропиточной композиции).
Keywords: CALS-technologies, computer-aided design, road impregnations, modular manufacturing, technological procedure.
The modular production of road impregnations is developed on the basis of informational CALS-technologies. All the stages of technological procedures development are put into the architecture of CALS-system for computer-aided engineering. Design documentation of the whole technological scheme and different hardware modules is considered (bitumen loading; heating of bitumen and polymeric petroleum resin, preparation of the cementing component, preparation of impregnating composition).
Введение
Автомобильные дороги играют важную роль в решении политических и экономических задач, стоящих перед страной в настоящее время. К этим задачам относятся: улучшение связанности субъектов РФ и преодоление территориальной разобщенности; оптимизация транспортоемкости валового внутреннего продукта; реализация транзитного потенциала и увеличение экспорта транспортных услуг [1].
Непрерывный рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров предъявляют все более жесткие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. Одной из ключевых задач технологии содержания автомобильных дорог является сохранение качества асфальтобетонного покрытия, что показывает его целостность и обеспечивает сцепление колеса с дорожным полотном. Для эффективного решения этих проблем созданы и применяются дорожными службами искусственные химические композиции - пропитки асфальтобетонного покрытия [2].
Разработанная нами защитная пропиточная композиция служит для защиты поверхности асфальтобетонных дорог от негативных воздействий [3]. Композиция поддерживает низкое водонасыщение поверхностного слоя асфальтобетонного покрытия, а также восстанавливает поверхностный слой вяжущего компонента, используемый при строительстве дорог. Пропитка по одному из вариантов может применяться сразу после укладки дорожного покрытия для обеспечения гидрозащиты уложенных участков. Созданная опытно-промышленная установка предназначена для получения защитных композиций заданного состава в количествах, достаточных для проведения расширенных испытаний в реальной обстановке на выде-
ленных участках автомобильных дорог. Создание опытно-промышленной установки
В соответствии с проектом Минобрнауки России № 14.579.21.0025 по теме «Создание технологии производства пропиточных композиций, защищающих дорожные асфальтобетонные покрытия от негативных воздействий природного и техногенного характера для снижения ресурсоемкости их эксплуатации» была создана опытно-промышленная установка (рис. 1).
Разработанная модульная установка соответствует требованиям технического задания и обладает следующими характеристиками: производительность по пропиточной композиции не менее 20 кг/час; узел нагрева битума обеспечивает нагрев битума до 150°С за время не более 2 часов; термо-статирование реакционной емкости обеспечивает заданную температуру от 180 до 220 °С в пределах 10 °С; модуль нагрева обеспечивает нагрев подаваемого битума в реакционную ёмкость до 200°С и выше; модуль охлаждения вяжущего компонента о б е спечивает охлаждение массы до температуры не выше 130 °С.
Кроме основных требований технического задания установка удовлетворяет следующим дополнительным требованиям, повышающим ее технологичность:
1. Узел нагрева битума включает узел нагрева нефтеполимерной смолы (НПС).
2. Конструкция реакционного узла обеспечивает полную выгрузку модифицированного битума.
3. Температура массы после смешения с растворителем не бывает меньше 100°С.
4. Смешение является двухступенчатым:
• пассивное, на основе сужения-расширения потока и деления-соединения (первичная гомогенизация);
Рис. 1 - Электронный документ: «Общий вид опытно-промышленной установки для получения дорожных пропиток»
• активное, на основе перемешивания механической мешалкой для окончательной гомогенизации (вторичная гомогенизация).
Опытно-промышленная установка по получению защитной пропиточной композиции основана на процессе модификации битума в условиях непрерывного реактора идеального смешения. Данный режим модификации наиболее легко масштабируем, не требует повышенной мощности электронагревательного оборудования и легко контролируется.
Проведенные нами экспериментальные исследования на модели проточного реактора выявили два основных варианта непрерывного процесса, при которых получается вяжущий компонент, с требуемыми свойствами: уменьшение количества нефте-полимерной смолы до 10% или снижение температуры модификации до 175°С. Оба варианта получения вяжущего компонента могут быть реализованы на опытно-промышленной установке. Установка состоит из четырех основных аппаратурных модулей (узлов): узел загрузки битума; узел нагрева битума и нефтеполимерной смолы (НПС); узел приготовления вяжущего компонента; узел приготовления пропиточной композиции. Два узла установки (загрузки битума и нагрева битума и НПС) независимы. Узел приготовления вяжущего компонента и узел приготовления пропиточной композиции зависимы друг от друга, имеют общее оборудование и оснащены системой управления, которая контролирует включение/выключение узла приготовления пропиточной композиции в зависимости от состояния технологического процесса в узле приготовления вяжущего компонента.
Процесс загрузки битума состоит из следующих стадий: разогрев битума в бочке и подача битума в соответствующую емкость. Разогрев битума в бочке осуществляется с помощью трех бочковых силиконовых нагревателей с нерегулируемым нагревом и защитой от перегрева поверхности нагревателя. Подача битума из бочки осуществляется с помощью центробежного насоса, позволяющего перекачивать жидкости, имеющие температуру до 200°С.
Разработка CALS-проекта технологического регламента установки
Разработка модульного производства защитных пропиточных композиций для дорожных асфальтобетонных покрытий осуществлялась с использованием наиболее современной и перспективной системы компьютерной поддержки - CALS-технологии [4]. В основе концепции CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта) лежит комплекс единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и её корректной интерпретации. Основное содержание концепции CALS, которое принципиально отличает от других, составляют инвариантные понятия, которые реализуются (полностью или частично) в течение жизненного цикла изделия [5]. Нами были подробно рассмотрены основные этапы компьютерного описания жизненного цикла (ЖЦ) изделия в концепции CALS. Основное внимание при рассмотрении этапов ЖЦ (маркетинг, разработка-проектирование, производство, эксплуатация-ремонт, реализация) было уделено разработке и проектированию.
В наших работах [6, 7] были разработаны базы данных, в которые заложены основные типы нормативно-технической документации: технические условия, технологический регламент, лабораторный регламент, исходные данные на проектирование. Наибольшее внимание в данной работе уделено разработке технологического регламента, в основе информационной структуры которого лежит «Положение о технологических регламентах производства продукции на предприятиях химического комплекса». Это «Положение» устанавливает состав, порядок разработки, оформления и утверждения технологических регламентов производства продукции химического комплекса на предприятиях независимо от их организационно-правовой формы собственности.
В разработанной типовой структуре технологического регламента производства дорожных пропи-
ток выделены следующие 14 подкатегорий (рис. 2): общая характеристика производств; характеристика производимой продукции; характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов энергоресурсов; описание технологического процесса и схемы; материальный баланс; нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов; нормы образования отходов производства; контроль произ-
водства и управление технологическим процессом; возможные неполадки в работе и способы их ликвидации; охрана окружающей среды; безопасная эксплуатация производства; перечень обязательных инструкций; чертеж технологической схемы производства; спецификация основного технологического оборудования и технических устройств, включая оборудование общего назначения [6].
^ Производство дорожный пропиток.std - PSM
Файл ¡Правка Вид Настройки ?
II в*. И Ц I Ш | [Й1 М iS I<3h S, * ■' - fefc ■ У;1
яд Навигатор х Свойство | Значение
I □■fei Категории Наименование: 1. Стойка №1
Технологический регламент
] 01. Общая характеристика производив | 02. Характеристика производимой прод | 03. Характеристика исходного сыр^ м | 04. Описание технологического процеа | 05. Материальный баланс | 06. Нормы расхода основных видов сыр | 07. Нормы образования отходов произв 8. Контроль производства и управлен! | 09. Возможные неполадки в работе и сп
10. Охрана окружающей среды
11. Безопасная эксплуатация произволе
12. Перечень обязательных инструкции ] 13. Чертежи технологической схемы пр
13,1. Компановочный чертеж
Емкость НПС Емкость битума Насос НПС
_ Насос битумный
ЁЬ-Й] 2. Стойка №2 ±г @ 3. Стойка №3
13.2. Модульная схема произведет! 14. Спецификация основного технологи
Рис. 2 - CALS-проект технологического регламента опытно-промышленной установки (а ный чертеж технологической схемы)
компоновоч-
В приведенном элементе информационного CALS-проекта рассматривается 13-я подкатегория технологического регламента - чертежи технологической схемы производства. Первый конструкторский документ этой подкатегории - компоновочный чертеж технологической схемы (рис. 2-а).
Компоновка опытно-промышленной установки выполнена на трех стойках из металлического профиля. На первой стойке располагается следующее технологическое оборудование: емкости битума и НПС; дозировочный насос битума; дозировочный насос НПС. Стойка для оборудования двухуровневая. На нижнем уровне располагаются насосы, на верхнем уровне емкости. При этом нижний уровень расположен рядом с верхним. Такое расположение предлагается в связи с необходимостью настройки и калибровки дозирующих насосов, их периодическому обслуживанию. Расположение емкостей на верхнем уровне обусловлено необходимостью визуального контроля уровня битума и НПС при заполнении емкостей.
На второй стойке расположено следующее оборудование: реакционная емкость с перемешивающим устройством; дозирующий насос вяжущего компонента; дозирующий насос пластификатора; дозирующий насос нефтяного растворителя; нагреватель смеси битума и НПС; компрессор. Под реакционной емкостью предусмотрено место для расположения подъемного столика и емкости для калибровки насосов.
На третьей стойке располагаются емкости растворителя и пластификатора, емкость готового про-
дукта с перемешивающим устройством, смеситель пассивный и смеситель активный с мешалкой. Стойки расположены на расстоянии 60 см от стены помещения для обеспечения доступа к насосам, емкостям с растворителем и пластификатором.
CALS-проекты модульных узлов технологической схемы
Подкатегория CALS-проекта «13.2. Модульная схема производства» разбита на четыре блока (рис. 3). Подготовка исходных компонентов осуществляется в двух узлах (блоках): узле загрузки битума; узле нагрева битума и НПС.
Приготовление пропиточной композиции происходит в узле приготовления пропиточной композиции. Узел загрузки битума предназначен для подачи битума в емкость битума из потребительской тары -бочки. Разогрев битума в бочке планируется заранее, поскольку перекачка битума возможна только через несколько часов. В основной технологический процесс время на разогрев не входит. При непрерывной ежедневной работе установки в 1-2 смены, нагрев бочки осуществляется постоянно, а загрузка битума в предназначенную для него емкость - периодически. При работе с новой бочкой, после размягчения битума в бочку погружают гибкую металлическую трубу и закрепляют ее на жестком трубопроводе битума. По достижении температуры битума в бочке заданного значения, включают битумный насос и открывают кран для заполнения емкости битума (визуальный контроль).
Рис. 3 - Элемент CALS-проекта технологического регламента (а - узел нагрева битума и НПС)
Узел нагрева битума и НПС (рис. 3-а) является подготовительным, поскольку в нем происходит нагрев битума и НПС до температуры дозирования этих компонентов. Нагрев битума и НПС осуществляется в емкостях Е-10 и Е-15 соответственно. Емкости оснащены нагревателями Н-12 и Н-16 соответственно, которые обеспечивают нагрев битума и НПС до температуры дозирования. Для оценки равномерности прогрева слоя, близкого к точке забора битума и НПС, емкости оборудованы ручными перемешивающими устройствами (рис. 3-а, поз. М-11 и М-17
соответственно), позволяющими вертикально перемешивать слой битума или НПС рядом с точкой забора. Нагрев осуществляется с автоматическим контролем температуры битума и НПС, контролем перегрева нагревательного элемента.
Основной процесс - модификации битума проводится в узле приготовления вяжущего компонента (рис. 4). Битум и НПС поступают по обогреваемым трубопроводам (рис. 4-а, поз. ТБ-13 и ТБ-18 соответственно) в дозировочные насосы (поз. НД-19 и НД-20).
\ Производство дорожных пропиток-2.5Ьс1 - Р5М
Файл Правка Вид Настройки 1
ню
Навигатор
Категории Й--в Технологический регламент
- 13. Чертежи технологической схемы производства
+ ^ 13.1. Компановочный чертеж Ё -^1] 13.2. Модульная схема производства Ё--Н] 1 ■ Узел загрузки битума
Й-2. Узел нагрева битума и НПС - ^ —
Датчик температуры Дозатор пластификатора Перемешивающее устройство Подающий насос
Реакционная емкость с термостатированием Теплообменник (модуль нагрева)
_ Теплообменник (модуль охлаждения)
В -Ь 4. Узел приготовления пропиточной композиции Ё--Й1 Спецификация основного технологического оборудов.
Рис. 4 - Элемент CALS-проекта технологического регламента (а - узел приготовления вяжущего компонента)
Дозировочные насосы оборудованы нагревательной рубашкой и защищены от включения при температуре ниже 130°С. При достижении битумом и НПС заданной температуры, насосы НД-19 и НД-20 включаются вручную и начинается подача битума и НПС в реакционную емкость Р-25. Подающие линии битума и НПС соединяются и по трубопроводу ТН-22 через трубчатую печь поступают в реакционную емкость Р-25. Трубчатая печь (рис. 4-а, поз. ТП-24) служит для быстрого разогрева смеси битума и НПС до температуры модификации, которая обычно лежит в пределах 175-180°С.
Реакционная емкость представляет из себя вертикальный проточный реактор, работающий в режиме идеального смешения. Реактор оснащен перемешивающим устройством - пропеллерной мешал-
кой. Заданная температура поддерживается автоматически при помощи нагревательной рубашки и термометра сопротивления ТС-14. Выгрузка модифицированного битума осуществляется принудительно дозировочным насосом по трубопроводу, погруженному в реакционную емкость через ее крышку. Изменяя длину погруженной части трубопровода можно менять рабочий объем реактора. Остаточное количество модифицированного битума, при завершении процесса, перекачивается путем переключения запорной арматуры в положение «закрыто» или «открыто». При этом отбор модифицированного битума начинает осуществляться с нижней части реакционной емкости. На выходе из реакционной емкости установлен ввод в трубопровод вяжущего компонента с запорным краном для
подачи пластификатора при помощи дозирующего насоса вяжущего компонента из емкости пластификатора. Включение дозировочного насоса пластификатора происходит автоматически при поступлении вяжущего компонента в насос. Для снижения температуры вяжущего компонента, поступающего в насос предусмотрено дополнительное воздушное охлаждение трубопровода.
Из дозирующего насоса вяжущий компонент поступает в теплообменник. Дозирующий насос и теплообменник являются общими для двух узлов. Для узла вяжущего компонента насос выполняет функцию отбора вяжущего компонента, а для узла получения пропиточной композиции - дозирующего в смеситель. Для узла вяжущего компонента теплообменник выполняет функцию охлаждения вяжущего компонента до 130°С, а для узла получения пропиточной композиции - предварительного смесителя. Такая схема применена для безаварийной работы узла приготовления пропиточной композиции, поскольку без интенсивного перемешивания холодного нефтяного растворителя с горячим вяжущим компонентом происходит выпадение смолистых продуктов.
Затем вяжущий компонент дозируется из реакционной емкости насосом в теплообменник. Охлаждение вяжущего компонента происходит за счет подачи нефтяного растворителя дозирующим насосом из емкости нефтяного растворителя во внешнюю трубу теплообменника. На выходе охлажденный вяжущий компонент и нагретый нефтяной растворитель смешиваются и поступают в пассивный смеситель, действие которого основано на делении/соединении потоков для предварительной гомогенизации. Из смесителя пропиточная композиция поступает в активный смеситель, оснащенный механической мешалкой. Гомогенизированная пропиточная композиция из смесителя поступает в емкость готовой пропиточной композиции, оснащенную механической мешалкой и змеевиковым теплообменником - охладителем готовой композиции. Для предотвращения выброса паров нефтяного растворителя в атмосферу, на крышке емкости установлен обратный холодильник.
В информационный CALS-проект технологического регламента занесены общие чертежи всего
опытно-промышленного производства, чертежи отдельных модулей (узлов), а также наиболее важные элементы модулей (пассивный смеситель, активный смеситель и др.).
Заключение
Применение CALS-технологий для разработки современного промышленного производства имеет неоспоримые преимущества. В настоящее время выпуск конкурентоспособной продукции невозможен без информационной поддержки на базе компьютерных CALS-технологий, то есть с использованием единого стандартизированного информационного пространства на всех этапах жизненного цикла продукции - от проектирования до эксплуатации. Внедрение информационных CALS-технологий при разработке принципиальной конструкции модульного производства дорожных пропиточных композиций позволяет не только повысить качество исследовательских и конструкторских работ, но и обеспечить полное компьютерное сопровождение, включающее всю необходимую документацию в электронном виде.
Работа проводилась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) по проекту № 16-07-00823 «Теоретические основы разработки и внедрения автоматизированных CALS-систем управления жизненным циклом научных исследований в химической промышленности».
Литература
1. В.А. Гусейналиев, ВестникМАДИ, 4, 73-76 (2012).
2. A.N Glushko, E.A. Loseva, L.S. Kislyakova, A.M, O.A. Zhdanovich, R.A. Sandu, Russian Journal of General Chemistry, 85, 10, 2449-2457 (2015).
3. Е.А. Чигорина, А.Л. Разинов, Р.А. Санду, О.А. Ждано-вич, Клеи. Герметики, Технологии, 12, 31-35 (2014).
4. С.В. Ковалев, Информационные технологии моделирования и управления, 63, 4, 534-543 (2010).
5. П.М. Елизаров, Е.В. Судов, А.В. Карташев, Качество и жизнь, 1(5), 40-43 (2015).
6. Т.И. Степанова, А.М. Бессарабов, М.А. Гришин, А.В. Поляков, О.В. Стоянов, Г.Е. Заиков, Вестник Казанского технологического университета, 16, 14, 218-225 (2013).
7. А.Н. Глушко, А.М. Бессарабов, Известия МГТУ «МАМИ», 2, 3 (17), 91-94 (2013).
© А. Л. Разинов - руководитель отдела НИЦ "Курчатовский институт"- ИРЕА, razinov.anatoly@yandex.ru; А. Н. Глушко -кандидат технических наук, первый заместитель директора НИЦ "Курчатовский институт"- ИРЕА, ang@irea.org.ru; А. М. Бессарабов - доктор технических наук, профессор, ПАО Научный центр «Малотоннажная химия», заместитель директора, bessarabov@nc-mtc.ru; Е. А. Чигорина - заведующий лабораторией заказного органического синтеза НИЦ "Курчатовский институт"- ИРЕА, echigorina@mail.ru; Г. Г. Приоров - аспирант НИЦ "Курчатовский институт"- ИРЕА, gpriorov@muctr.ru; О. В. Стоянов - д-р тех. наук, проф., зав. кафедрой, Казанский национальный исследовательский технологический университет, ov_stoyanov@mail.ru.
© A. L. Razinov - head of the department of the Research Center "Kurchatov Institute" - IREA, razi-nov.anatoly@yandex.ru; A. N. Glushko - candidate of technical sciences, first deputy director of the Research Center "Kurchatov Institute" - IREA, ang@irea.org.ru; A. M. Bessarabov - Doctor of Technical Sciences, Professor, R&D centre «Fine Chemicals», Deputy Director, bessa-rabov@nc-mtc.ru; E. A. Chigorina - head of the laboratory for custom organic synthesis of the Research Center "Kurchatov Institute" -IREA, echigorina@mail.ru; G. G. Priorov - post-graduate student of the Research Center "Kurchatov Institute" - IREA, gpriorov@muctr.ru; O. V. Stojanov - the doctor of Technical Sciences, Professor, KNRTU, ov_stoyanov@mail.ru.
