«ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2005 С.И. Дворецкий, Г.С. Кормильцин, В.Ф. Калинин ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Допущено учебно-методическим объединением ...»

С.И. Дворецкий, Г.С. Кормильцин, В.Ф. Калинин

ОСНОВЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ХИМИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

МОСКВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО "МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"

2005

С.И. Дворецкий, Г.С. Кормильцин, В.Ф. Калинин

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Машины и аппараты химических производств"

МОСКВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО "МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"

УДК 66.0135 (075) ББК Л11-5- Д Р е ц е н з е н т ы:

Заведующий кафедрой "Машины и аппараты химических производств" Казанского государственного технологического университета, доктор технических наук, профессор С.И. Поникаров Заведующий кафедрой "Компьютерно-интегрированные системы в химической технологии" РХТУ им. Д.И. Менделеева, доктор технических наук, профессор А.Ф. Егоров Дворецкий С.И., Кормильцин Г.С., Калинин В.Ф.

Д24 Основы проектирования химических производств:

Учеб. пособие. М.: Издательство "Машиностроение-1".

2005. 280 с.

Изложены основные понятия и методика проектирования химических производств. Подробно рассматриваются вопросы разработки аппаратурнотехнологического оформления типовых процессов, расчета, подбора и компоновки химических производств. Важное место в пособии уделяется монтажной проработке технологических узлов и автоматизации схем химических производств.

Отдельный раздел пособия посвящен вопросам математического моделирования, оптимизации и основам автоматизированного проектирования химических производств.

В качестве приложения предложен мультимедийный комплекс по изучаемой дисциплине на компактдиске.

Пособие предназначено для студентов технических вузов, а также будет полезным инженернотехническим работникам промышленных предприятий, научно-исследовательских и проектных организаций.

УДК 66.0135 (075) ББК Л11-5- © Дворецкий С.И., Кормильцин ISBN 5-94275-213- Г.С., Калинин В.Ф., © Издательство "Машиностроение-1", Учебное издание ДВОРЕЦКИЙ Станислав Иванович, КОРМИЛЬЦИН Геннадий Сергеевич, КАЛИНИН Вячеслав Федорович

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Учебное пособие Редактор З.Г. Ч е р н о в а Инженер по компьютерному макетированию М.Н. Р ы ж к о в а Подписано к печати 30.08.2005.

Формат 60 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Объем: 16,27 усл. печ. л.; 16,3 уч.-изд. л.

Тираж 400 экз. С. 609М Издательство "Машиностроение-1", 107076, Москва, Стромынский пер., Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Высокий и стабильный экономический уровень России может быть обеспечен за счет гармоничного развития всех отраслей ее промышленности, которое должно базироваться на внедрении новейших достижений науки и техники через проекты для строительства новых и модернизации действующих промышленных объектов.

Проект производства – это комплекс технической документации, необходимой для его сооружения.

В проект входят пояснительные записки, инженерно-технические расчеты, чертежи, технологические регламенты, сведения о поставке сырья и удалении отходов производства, информация об организации труда, сметы на все производственные и культурно-бытовые сооружения проектируемого объекта.

Проектирование производств химической и смежных с ней отраслей промышленности представляет собой сложный, многообразный и трудоемкий процесс, который необходимо рассматривать как совокупность целого ряда социально-организационных и инженерно-технических стадий. Такой системный подход к решению проектных задач обеспечит высокий социально-экономический уровень функционирования промышленных объектов. Этот подход выработан в процессе развития проектного дела.

Проектирование химических предприятий как самостоятельная отрасль инженерного труда относительно молода. До тридцатых годов прошлого века разработкой новых химических производств занимались инженеры в конторах заводов и конструкторских бюро исследовательских институтов [1]. В дальнейшем развитие химической промышленности и увеличение объема проектных работ вызвало специализацию отдельных групп: технологов, строителей и т.д. Затем были созданы комплексы, куда вошли отраслевые научно-исследовательские, проектные и строительно-монтажные организации.

В последние годы стремительно развиваются и совершенствуются теория математического моделирования и оптимизации технологических процессов, системы автоматизированного проектирования (САПР) химических производств. При этом, однако, следует помнить, что в первую очередь необходимо освоить общую методику проектирования. Иначе, как отмечается в [2]: "Надо смотреть правде в глаза и признать, что применение математических методов не полезно, а вредно до тех пор, пока явление не освоено на гуманитарном уровне. Вредно тем, что отвлекает внимание от главного к второстепенному, тем, что создает почву для очковтирательства".

Интенсификация процесса обучения всегда будет актуальной задачей высшего образования, и одним из современных методов решения этой задачи является внедрение в образовательный процесс технологий компьютерного обучения. Для лучшего освоения общей методики проектирования к пособию прилагается комплекс мультимедийных средств с инструкцией по пользованию. Не исключая традиционных методов обучения, комплекс позволит максимально активизировать познавательную деятельность студентов с учетом их индивидуальных способностей на базе представления изучаемого материала нетрадиционными формами, которые невозможно реализовать ни в тексте, ни на доске, ни на слайде (аудио-, видео-, анимационные приемы). Этот комплекс можно использовать для дистанционного обучения.

Комплекс мультимедийных средств выполнен в среде Power Point программного пакета MS Office 2000. Для работы с ним достаточно иметь компьютер IBM PC с процессором Pentium 166, ОЗУ 64Мб, звуковой картой, 100Мб свободного места на системном диске. Операционная система Windows 98 и пакет приложений MS Office 2000.

Настоящее учебное пособие базируется на опыте преподавания в ТГТУ дисциплины "Проектирование химических производств" и пособий изданных ранее [3, 4].

Авторы выражают благодарность инженерам В.А. Крячко, А.С. Гор-бачеву, Н.В. Жаровой за помощь в подготовке комплекса мультимедийных средств для настоящего пособия.

ПРИНЦИПЫ И МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектная документация предназначена для так называемого заказчика. В качестве заказчика могут выступать промышленное предприятие, министерство и частное лицо, т.е. организации и лица, заинтересованные в выпуске продукции будущим производством.

Проектная документация разрабатывается проектировщиком. Это или самостоятельная организация или подразделение проектно-строительного объединения. Проектировщиком считается организация, имеющая лицензию на проектную деятельность.

В разработке и реализации проекта, кроме проектной организации (генеральный подрядчик), принимают участие специализированные предприятия: строительные, монтажные, пусконаладочные и т.п., которые именуются субподрядчиками.

Отношения между заказчиками и подрядчиками регламентируются инструкциями о порядке разработки, согласовании, утверждении и составе проектной документации на строительство предприятий, например, Строительные Нормы и Правила (СНиП) 11-01–95 [5].

Отправным пунктом разработки проектной документации является утвержденное обоснование инвестиций в строительство предприятия. Это технико-экономическое доказательство необходимости создания промышленного объекта. Обоснование инвестиций делает заказчик, а точнее, служба маркетинга организации-заказчика. При этом используются разработки отраслевых НИИ, каталожные данные и другая информация. Если заказчик не может самостоятельно выполнить обоснование инвестиций, то для этой работы привлекают проектировщика.

Обоснование инвестиций составляется по специальной форме и раскрывает технический, кадровый, финансовый потенциал заказчика и ориентировочно оценивает технико-экономические показатели будущего предприятия.

Обоснование инвестиций утверждается руководителем предприятия-заказчика. Затем после рассмотрения государственной экспертизой обоснование инвестиций утверждается инвестором.

Проектная документация разрабатывается после утверждения инвестиций, как правило, на конкурсной основе через торги подряда (тендер). В проекте детализируются принятые в обосновании решения и уточняются основные технико-экономические показатели. Проектировщик в своей деятельности должен руководствоваться законодательными и нормативными актами Российской Федерации и ее субъектов.

После конкурсных торгов заказчик и проектировщик заключают договор (контракт), регулирующий правовые и финансовые отношения, взаимные обязательства и ответственность сторон. Неотъемлемой частью договора являются задание на проектирование и исходные материалы. Предварительно заказчик с проектировщиком и другими заинтересованными организациями выбирают площадку строительства, т.е. место расположения будущего предприятия.

Проектная документация на строительство промышленных предприятий может разрабатываться в одну или две стадии. Для технически несложных объектов, а также строящихся по проектам массового и повторного применения, документация разрабатывается в одну стадию: рабочий проект. Для технически сложных объектов, с целью исключения ошибок и улучшения качества документации, используют двухстадийное проектирование. На первой стадии разрабатывается проект, а затем на его основе – рабочая документация для строительства объекта.

Проект удостоверяется подписью главного инженера проектной организации, подвергается государственной экспертизе и согласовывается с другими заинтересованными организациями. На основании утвержденного проекта подготавливается при необходимости тендерная документация и проводятся торги подряда на строительство объекта. Затем заключается договор, открывается финансирование строительства и разрабатывается рабочая документация.

В работе [6] отмечается, что оценка результатов проектирования с развитием техники и общества менялась. В начале от проектировщика требовалась абсолютная эффективность будущего объекта, затем относительная, а в последствии удельная и, наконец, экономическая эффективность. Такие оценки и принципы проектирования приводили к негативным последствиям: тяжелые условия труда, напряженность в обществе, необратимые изменения в окружающей среде и т.д. Поэтому необходимо ориентироваться на социальную эффективность проектируемого объекта и, приступая к разработке технической документации, инженер должен помнить о высокой мере ответственности перед обществом.

Современные производства отличаются многостадийностью получения целевых продуктов, сложностью технологических решений, высокой энергонасыщенностью и материалоемкостью, большой протяженностью и сложностью трубопроводных и кабельных коммуникаций, глубокой функциональной взаимозависимостью по материальным, энергетическим и информационным потокам отдельных стадий. Для размещения таких сложных производств, коммуникаций и всех служб возникает необходимость в создании специализированных зданий, подземных сооружений и эстакад.

Строительство и пуск производств связаны со значительными затратами денежных средств, материальных и трудовых ресурсов и поэтому они должны вестись по проектам, обеспечивающим:

• реализацию последних достижений науки и техники, передового отечественного и зарубежного опыта;

• внедрение высокопроизводительного энергосберегающего обо-рудования, установок и агрегатов большой единичной мощности;

• рациональное использование природных ресурсов, комплексное использование сырья и материалов, организацию безотходной энергосберегающей технологии производства;

• автоматизацию и механизацию производственных процессов, отдельных технологических машин и аппаратов.

Развитие современных производств сопровождается значительным усложнением технологических схем, созданием энерготехнологических циклов, машин и аппаратов сложных конструкций, работающих в условиях агрессивных сред, высоких температур и давлений. В связи с этим при проектировании необходимо решать проблемы охраны окружающей среды, применения новых материалов, обеспечения надежности технологического оборудования, безопасности жизнедеятельности обслуживающего персонала. Все это требует совершенствования самого процесса проектирования, повышения качества проектной документации, четкого определения совокупности нормативных документов по отдельным стадиям проекта.

В проектировании производств ведущая роль принадлежит технологу, который разрабатывает технологическую схему производства, рассчитывает и выбирает оборудование, выдает задания специалистамсмежникам проектной организации на разработку общеинженерных разделов проекта (строительная, электротехническая, КИПиА, сантехническая и другие части), согласовывает результаты выполнения этих заданий с проектными решениями по технологическому разделу. Для координации и увязки всех разделов назначается главный инженер проекта. Он является техническим руководителем проекта в период разработки и реализации его (авторский надзор) и несет ответственность за правильность решений, сроки выполнения и технико-экономические показатели.

технологический Теплотехнический Технический Отопление и Взаимосвязь отделов проектной организации можно проиллюстрировать схемой представленной на рис. 1.

В целом методику разработки проектной документации можно иллюстрировать блок-схемой рис. 2.

Как показывает приведенная блок-схема, проектирование является итерационным процессом. Принятые решения при обосновании инвестиций не только уточняется, но и могут измениться, например, в процессе подготовки задания на проектирование: обосновывается принятый метод производства, уточняется ассортимент и мощность будущего промышленного объекта. В свою очередь, решения, принятые при подготовке задания на проектирование, корректируются при разработке проекта.

4. Пусконаладочные работы.

Рис. 2. Блок-схема принятия решений в процессе проектирования и

2. ПРЕДПРОЕКТИРОВАНИЕ

Предпроектная подготовка (предпроектирование) включает в себя обоснование инвестиций в строительство объекта:

1) определение мощности производства;

2) выбор метода (технологии) производства и типа оборудования;

3) составление структурной (эскизной) технологической схемы;

4) расчет материальных и тепловых балансов производства;

5) выбор площадки строительства;

6) технико-экономические показатели производства;

7) задание на проектирование и исходные материалы.

Главной задачей этого этапа является обоснование инвестиций (далее просто обоснование), т.е. определение экономической целесообразности и технической необходимости создания промышленного объекта. К основным вопросам, разрабатываемым в обосновании, в первую очередь относятся: определение и обоснование мощности производства, номенклатуры и качество продукции; выбор метода производства, выявление потребности в сырье и уточнение технических требований к нему и источников его поступления, обеспечение чистоты водного и воздушного бассейнов и др. Обоснование является исходным документом для выдачи заданий на разработку новых видов оборудования и составления программ научно-исследовательских работ.

При выполнении обоснования намечают площадку для строительства и определяют расчетную стоимость строительства и основные технико-экономические показатели предприятия (производства).

В обосновании дается краткое описание технологического процесса и оборудования, основные данные по генеральному плану строительства, сведения о строительных, архитектурно-планировочных и конструктивных решениях зданий и сооружений, о складском хозяйстве, ремонтной службе, о мероприятиях по охране окружающей среды. Приводятся основные решения по организации строительства, и выполняется расчет его стоимости.

В обосновании рассчитывают определяющие показатели: себестоимость продукции; годовой выпуск товарной продукции, прибыль, численность персонала; годовой фонд заработной платы, производительность труда одного работающего, общую сметную стоимость строительства; удельные капитальные вложения; производственные фонды, (в том числе основные и оборотные); рентабельность фондов (%), срок окупаемости капитальных вложений (число лет); фондоотдачу; годовую потребность в основных видах сырья (тыс. т); потребность в энергоресурсах: электроэнергии (тыс. кВтч в год), паре (Ккал в год), оборотной воде (м3/ч), речной воде (м3/ч); грузооборот по прибытию и отправлению (тыс. т в год); потребность в территории (га).

Предварительные экономические показатели будущего производства, как правило, берутся из опыта работы завода-аналога или определяются проектировщиком по упрощенным ориентировочным расчетам. Так, влияние увеличения мощности производства на капитальные затраты может быть описано следующими выражениями:

• стоимость комплектного оборудования где С' – стоимость оборудования для меньшей базовой мощности (для завода-аналога); K – коэффициент увеличения мощности; – масштабный фактор, зависящий от типа оборудования и изменяющийся в пределах 0,2…1,0;

• общие капитальные вложения Q, необходимые для строительства и монтажа, изменяются от мощности по зависимости где Q' – капиталовложения для меньшей базовой мощности; n – масштабный фактор, изменяющийся в пределах 0,38…0,98.

Определив расходы сырья, материалов и энергетики на выпуск единицы товарной продукции; капитальные затраты на строительство зданий и сооружений; приобретение и монтаж оборудования, приборов, коммуникаций; штаты проектируемого объекта, можно оценить себестоимость продукции.

Себестоимость выпускаемого предприятием продукта складывается из следующих частей:

1) затраты на сырье, из которого получают готовый продукт, и на вспомогательные материалы (фильтровальные ткани, упаковочные материалы и т.п.); при расчете этой статьи себестоимости из затрат вычитают стоимость утилизированных отходов;

2) энергетические затраты на электроэнергию, пар, горячую воду, сжатые газы, высококипящие теплоносители;

3) оплата труда рабочих, обслуживающих технологическое оборудование;

4) цеховые расходы: оплата труда управленческого персонала и вспомогательного производственного персонала, на отопление и вентиляцию, на ремонт и обслуживание оборудования, на мероприятия по охране труда и технике безопасности;

5) общезаводские расходы на обслуживание общезаводского хозяйства, управленческого аппарата;

6) амортизационные расходы.

При проектировании новых предприятий и расширении действующих обычно пользуются техникоэкономическими данными заводов-аналогов. В связи с этим интересно сделать анализ влияния увеличения мощности предприятия на себестоимость его продукции и на капитальные затраты [1].

Такие составные части себестоимости, как затраты на сырье, практически, не зависят от объема производства. Увеличение мощности производства обычно связано с ростом объема реакционной и вспомогательной аппаратуры. Этот рост приводит к снижению удельных расходов электроэнергии, уменьшению теплопотерь в окружающую среду. В большей степени зависит себестоимость от цеховых и общезаводских расходов. С увеличением мощности эти затраты остаются приблизительно на одном уровне, следовательно, удельные и себестоимость снижаются.

Таким образом, при возрастании объема производства, снижение себестоимости продукции может произойти за счет уменьшения энергетических, цеховых и общезаводских расходов.

Далее рассмотрим основные пункты предпроектной подготовки.

ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА

Мощность нового предприятия определяется необходимой потребностью общества не менее чем на пять лет вперед с возможностью расширения производства. Для определения мощности используют балансовый и статистический методы [1].

Балансовый метод исходит из конечных показателей развития страны на планируемый период. Например, потребность в синтетических каучуках выявляется, исходя из планируемого производства резиновых изделий (шины, технические и бытовые изделия, обувь и т.д.). Объем их производства, в свою очередь, зависит от темпов развития, намеченных для потребителей резины. По выявленной потребности в синтетических каучуках и в резиновых изделиях определяется потребность в исходных углеводородах для синтеза каучуков (бутадиен, изопрен, стиролы и др.), в химикатах-добавках для резин и в других продуктах. По общей потребности в химикатах-добавках для резин выявляют потребность в исходных промежуточных продуктах для их производства (анилин, нитробензол, дифениламин) и т.д.

Статистический метод предполагает изучение рынков сбыта и построение так называемой Sкривой прогнозирования их развития. Различают четыре характерные стадии развития рынков сбыта (рис. 3).

(потребление) продукции проектируемого предприятия, т I – инкубационная стадия (постепенное расширение рынка);

Инкубационная стадия I характеризуется выработкой небольших партий продукта для отработки технологии и оценки потребителем качества продукции. Например, текстильным предприятиям необходимо время для отработки технологии крашения и отделки тканей новыми красителями. Полагают, что оценить спрос на новый продукт, ранее не применявшийся, можно только во время инкубационного периода.

Стадия роста рынка II предполагает быстрое расширение производства. Продукт находит все большее применение. Если рынок полностью сформирован, то спрос стабилизируется (стадия III). В этот период строительство новых объектов нецелесообразно и все внимание уделяется модернизации действующих предприятий. Длительность периода стабилизации зависит от того, насколько данный продукт конкурентоспособен с новой продукцией. Стадия сокращения рынка IV может оказаться довольно коротким (около двух лет) или совсем отсутствует.

Анализ статистики потребления продуктов, проекты производства которых намечено разрабатывать, позволяет определить: относится ли спрос на них к периоду роста или стабилизации. Для проектируемых производств промежуточных продуктов следует анализировать статистику потребления тех веществ, которые изготовляются из данных полупродуктов.

Одним из статистических методов контроля потребности в продуктах широкого потребления является сравнение предполагаемой динамики их выработки со статистикой роста производства этих продуктов в наиболее технически развитых странах.

Таким образом, статистический метод позволяет прогнозировать темпы роста потребления данного продукта, что дает возможность устанавливать очередность ввода мощностей, начиная с опытнопромышленных установок и кончая крупными производственными цехами.

Для выявления объема выпуска продукции рекомендуется использовать и балансовый, и статистический методы. По балансовому методу рассчитывают максимальное потребление продукта, а статический метод дает возможность прогнозировать темпы роста производства данного продукта и установить очередность ввода мощностей.

При выборе метода производства используют следующие критерии: технико-экономические показатели; возможности обеспечения сырьем; организацию доставки сырья и вывоза готовой продукции;

наличие оборудования для промышленной реализации метода; обеспечение заданной мощности и качества продукции; соблюдение санитарно-гигиенических условий труда на производстве; вопросы экологии.

Существующие способы разработки технологии получения целевых продуктов включают стадии выбора метода производства, разработки и оптимизации технологической схемы [1], [7], [8].

Выбор оптимального маршрута производства осуществляют технологи-исследователи либо на основе списков известных реакций, либо на основе химических аналогий. На этой стадии задаются вид сырья и его ресурсы, получают оценки возможных количеств целевых продуктов, степень использования сырья. Знания кинетических характеристик здесь не требуются, нужны лишь оценки значений степеней превращения.

Материальные балансы стадий процесса позволяют выяснить избытки тех или иных компонентов, которые, в конечном счете, либо будут присутствовать в качестве примесей в целевых продуктах, либо после их отделения образуют отходы производства или продукты для переработки в других производствах.

На этой стадии можно произвести предварительный расчет экономической эффективности метода (технологии) производства, основанного на предполагаемой стоимости продуктов и сырья, без учета капитальных и эксплуатационных затрат. В результате такого анализа выясняется целесообразность дальнейшей проработки данного метода производства целевых продуктов, и выбираются оптимальные маршруты его.

Многие продукты могут быть получены по различным схемам и из различного сырья. Так, фталевый ангидрид можно получить из нафталина и О-ксилола; малеиновый ангидрид – из бензола, бутиленов и фурфурола; фенол – из кумола, бензолсульфокислоты, хлорбензола, бензола; стирол – из бензола и этилена, нефтяного этилбензола и т.д. [1].

При разработке схемы промышленного производства проверяются как ресурсы сырья, так и денежные затраты на него по рекомендованному способу в сравнении с затратами по другим известным методам. Так, малеиновый ангидрид может быть синтезирован из бензола, фурфурола и из бутанбутиленовой фракции (продукт нефтепереработки). Ресурсы бензола и бутан-бутиленовой фракции обеспечивают потребность в них производства малеинового ангидрида. Потенциальные ресурсы фурфурола также велики. Поэтому показателями, определяющими выбор схемы производства, в данном случае будут эксплутационные затраты.

Освоение технологии синтеза малеинового ангидрида из фурфурола показало, что по техникоэкономическим показателям он не конкурентоспособен с двумя другими способами. Если принять суммарные расходы на сырье и энергию при синтезе продукта из фурфурола за 100 %, то по бензольному методу они составят 50 %, а по бутан-бутиленовому – около 35 %. Кроме того, по бутан-бутиленовому способу в перспективе возможно использование отхода производства фумаровой кислоты.

Производства основного и тонкого органического и нефтехимического синтеза дают большой ассортимент продуктов (сотни наименований) и в больших количествах (от десятков до сотен тысяч тонн в год) [8]. При этом в биосферу выбрасывается значительное количество различных химических веществ (углеводородов, оксидов углерода, азота, серы, органических веществ и др.), загрязняющих ее.

Поэтому необходимо разрабатывать технологии, которые позволяли бы сбрасывать вещества в биосферу только в допустимых количествах, причем такие вещества, которые могут усваиваться природными биологическими системами. Необходимо также учитывать, что в этих производствах используется в больших количествах сырье, вода и энергия, а, кроме того, за счет химических превращений часто выделяется большое количество тепла. Следовательно, необходима такая организация производства, при которой утилизируются не только побочные продукты, но и все тепло, выделяемое на различных этапах производства.

В настоящее время многие из отходов используются в существующих производствах. Так, например, на основе СО можно получать муравьиную кислоту (через формиаты), фосген (при хлорировании СО), метан и метанол (при гидрировании СО), парафиновые углеводы (синтез Фишера-Тропша), альдегиды, спирты и др. На основе СО2 можно получать мочевину (при взаимодействии с аммиаком), этиленкарбонат (при взаимодействии с оксидом этилена) и др. На основе оксидов азота можно синтезировать азотную кислоту, а из нее получать нитропарафины (нитротолуол, тринитротолуол, нитробензол, анилин) и другие продукты [7].

Рассмотрим для примера новые технологии комплексной переработки метанола. Значительная часть мирового выпуска метанола потребляется в производстве формалина и других формальдегидосодержащих продуктов и их производных. Наметившаяся в последние годы тенденция к снижению и стабилизации уровня мировых цен на метанол делает особенно актуальными поиски новых технологий, позволяющих комплексно перерабатывать это сырье. Использование таких технологий особенно заманчиво для технического перевооружения существующих предприятий-потребителей метанола с целью расширения ассортимента продукции и значительного повышения коммерческих возможностей.

В настоящее время исследования в этой области проводятся в Институте катализа имени Г.К. Борескова и Инженерной Компанией Института катализа по трем направлениям [9]:

1) синтез муравьиной кислоты прямым окислением формальдегида;

2) получение формальдегида полимеризационной чистоты для производства полиацеталей;

3) получение концентрированного модифицированного формалина и производство КФ-смол на его основе.

Все эти технологии не требуют больших капитальных вложений, отличаются высокой рентабельностью и экологической безопасностью. На рис. 4 представлены новые возможности производства продуктов из метанола. Для примера рассмотрим выбор метода получения муравьиной кислоты.

Пентаэритрит Рис. 4. Новые возможности производства продуктов из метанола Традиционная схема метилформиата метилформиата Большинство вновь создаваемых в мире производств муравьиной кислоты использует метод гидролиза метилформиата. Однако технологическая сложность метода и связанные с ней высокие удельные расходы сырья обусловливают создание только многотоннажных производств, как правило, удаленных от потребителя. В отличие от этого метода процесс синтеза муравьиной кислоты из формальдегида характеризуется простой и надежной технологической схемой с минимальным количеством стадий (рис. 5). Основу его составляет прямое окисление формальдегида кислородом воздуха в трубчатом реакторе в присутствии оксидного катализатора с последующей конденсацией продукта.

По сравнению с традиционными технологиями новая имеет ряд преимуществ: полная экологическая безопасность, обусловленная отсутствием сточных вод, твердых отходов и вредных газовых выбросов; низкая себестоимость конечного продукта; низкие удельные капитальные вложения и короткие сроки их окупаемости; возможность создания небольших производств в непосредственной близости от потребителя; использование стандартного технологического оборудования; небольшие занимаемые производственные площади [9].

Комбинация производства формалина с производством муравьиной кислоты на одном предприятии позволяет перерабатывать метанол в продукты более широкого ассортимента – формалин, муравьиную кислоту, пентаэритрит.

Технологический процесс получения муравьиной кислоты является непрерывным и включает стадии получения формальдегидсодержащего газа, обезвоживания формальдегидсодержащего газа, контактного превращения формальдегида в муравьиную кислоту, конденсации муравьиной кислоты.

Наиболее экономически эффективным является производство муравьиной кислоты, в котором в качестве сырья используют реакционные газы процесса на серебряном катализаторе. Себестоимость 85 %-ной муравьиной кислоты по этой технологии в условиях России (АО "Азот" г. Кемерово) составляет 290…300 USD за одну тонну при цене метанола 200 USD за одну тонну.

Итак, принципы выбора метода производства можно сформулировать следующим образом:

1) переход на новые технологии, которые позволили бы увеличить выпуск необходимой продукции заданного качества, не нарушая требований экологии;

2) создание новых производств, использующих в качестве сырья отходы;

3) определение перечня продуктов, которые могут быть усвоены природными биологическими системами;

4) определение допустимых количеств различных химических продуктов, которые могут попадать в биосферу без вредных последствий для окружающей среды и человека;

5) создание малоэнергоемких производств и производств с малым потреблением воды.

Особенностью прогресса в химической промышленности является повышение степени комплексности переработки сырья. Во всех странах наблюдается стремление сократить потребление природных ресурсов и увеличить степень использования вторичных материальных и энергетических ресурсов. Мировой и отечественный опыт показывает, что 80 % экономии материальных ресурсов связано с внедрением ресурсосберегающих технологий и лишь 20 % – с другими мероприятиями. Более 50 % экономии топливно-энергетических ресурсов в химической промышленности в России можно получить за счет совершенствования технологических процессов, примерно 20 % – путем более полного использования вторичных энергетических ресурсов и около 25 % – за счет организационно-технических мероприятий [9].

При условии роста масштабов производства и высоких экологических требованиях можно определить два принципиально отличных друг от друга направления получения химических продуктов.

Первое направление предусматривает реконструкцию действующих производств и создание технологии с дальнейшей (более глубокой) очисткой газовых выбросов, воды, выводимой из производства и твердых отходов, вредных для природы и здоровья человека веществ. Такой путь в настоящее время широко применяется, но он малоэффективен. С помощью очистных сооружений не всегда удается полностью освободить выбросы от вредных веществ, и они попадают в биосферу. Кроме того, очистные сооружения являются дорогостоящими, занимают большие площади, создают новые проблемы уничтожения твердых отходов, потребляют большое количество материалов и энергии.

Второе направление предусматривает создание технологий и разработку новых технологических установок, обеспечивающих полную переработку сырья в продукт с использованием вторичных энергоресурсов на базе принципов рециркуляции и цикличности. При рециркуляции предусматривается создание замкнутых технологических комплексов с возвратом на вход непрореагировавшего сырья, комплексного использования энергии за счет теплообмена между прямыми и обратными потоками. Второе направление пока еще не нашло широкого распространения: реконструировать существующие производства до такой степени практически невозможно, так как в них заложена технология, по которой предусматривается вывод из химико-технологических систем разных потоков. Однако при создании новых химических производств должен соблюдаться принцип комплексного использования сырья: материальный субстант, введенный в технологический процесс, полностью перерабатывается, а полученная при переработке продукция используется в полном объеме и ассортименте.

Обобщающим принципом при создании безотходных производств является системный подход, который следует использовать при проектировании, создании и эксплуатации производства. Более конкретные принципы, направленные на полное использование сырья и энергетических ресурсов, а также на охрану окружающей среды могут быть подразделены на три группы: 1) химические; 2) технологические;

3) организационно-управленческие.

1. Химические:

• создание малостадийных (одностадийных) химических процессов;

• разработка методов получения продуктов из дешевого и доступного сырья;

• разработка процессов с повышенной селективностью;

• применение "сопряженных" методов синтеза;

• разработка технологий с высокими целевыми конверсиями реагентов;

• совмещение нескольких реакций, направленных на получение одного и того же целевого продукта.

2. Технологические:

• использование рециркуляции по компонентам и потокам;

• применение совмещенных процессов;

• полнота выделения продуктов из реакционной смеси;

• разработка процессов с низким энергопотреблением;

• полнота использования энергии системы;

• разработка технологии с минимальным расходом воды и использованием ее кругооборота;

• полнота использования газовых потоков и очистка газовых выбросов;

• применение аппаратов и технологических линий большой единичной мощности;

• применение непрерывных процессов;

• полнота использования жидких и твердых отходов;

• высокая степень автоматизации;

• обеспечение высокой надежности функционирования ХТС.

3. Организационно-управленческие:

• кооперирование и комбинирование различных производств;

• создание безотходных территориально-промышленных комплексов;

• создание технологии по переработке отходов производств.

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ

ПО СТАДИЯМ ПРОИЗВОДСТВА

Для новых сложных производств на основе выбранного метода часто составляют предварительную эскизную технологическую схему, на которой показывают основные технологические стадии и материальные потоки между ними, выявляют стадии, подлежащие усовершенствованию. Разработка этой схемы заключается в создании совокупности процессов, направленных на выпуск продукта заданного количества и качества при минимальной себестоимости. Их можно разделить на основные (химические, физико-химические, механические) и вспомогательные (транспортировка, упаковка, складирование, удаление отходов). Данные процессы (стадии) изображаются прямоугольниками и структурная (эскизная) схема имеет вид, представленный на рис. 6.

Руководствуясь предварительным (эскизным) вариантом такой технологической схемы, проектировщик приступает к составлению и расчету уравнений материального баланса для каждой стадии процесса. Назначение расчета – определение затрат сырья для получения заданного количества конечного продукта; объемов и составов реакционных масс на каждой стадии процесса, количеств и составов отходов сточных вод и газовыделений; определение расходных норм по сырью; объема реакционной массы на данной стадии, необходимого для получения одной тонны готового продукта. Расчет материальных балансов стадий, связанных с химическими превращениями, проводят на основании стехиометрических уравнений реакции.

Исходными данными для проведения расчета являются: эскизная технологическая схема производства с указанием основных и побочных реакций; степень превращения и выход; состав исходных веществ и состав реакционной массы, поступающей с предыдущей стадии; данные регламента о соотношении реагирующих веществ для стадий, связанных с химическими превращениями и состав получаемых потоков для стадий фильтрации, сушки, ректификации и т.п.

Уравнение покомпонентного материального баланса для многостадийного производства имеет вид где gj – массовый расход j-го потока; xjk – доля k-го компонента в j-м потоке; i – номер технологической стадии производства, i = 1, s ; r – номер ступени превращения на технологической стадии (для периодического процесса), r = 1, q ; k – номер чистого компонента, участвующего в технологическом процессе, При составлении уравнения материального баланса периодического производства учитывают допустимые потери сырья, которые составляют: при фильтровании – 1…2 %; при сушке – 1…10 %; при размоле, дроблении, смешении – 0,5 %; при выпаривании, дистилляции, ректификации – 5…15 %; при фасовке и упаковке – 0,5 %.

Составление и расчет уравнений материального баланса можно проводить двумя способами:

1. Расчет на одну тонну готового продукта. При этом рассчитывают расходные коэффициенты по сырью, объемы реакционных масс, приходящиеся на одну тонну готовой продукции. Данные по реальным загрузкам в аппараты, объемам реакционных масс, расходам на каждой стадии получают после пересчета.

2. Расчет на одну операцию для периодического процесса и часовую производительность – для непрерывного. В этом случае получают реальные загрузки в аппараты и объемы реакционных масс.

Одновременно составляют и рассчитывают уравнения теплового баланса по стадиям производства. В результате расчетов уравнений материального и теплового балансов определяются связи проектируемого производства с общезаводским хозяйством. Следует отметить, что материальные и тепловые балансы уточняются в процессе разработки проекта.

2.4. ВЫБОР ПЛОЩАДКИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Организационные работы по выбору площадки производит заказчик. При этом создается комиссия, в состав которой входят представители генерального проектировщика, местной администрации, территориальной проектной организации Госстроя России, изыскательских организаций, территориальных и местных органов государственного надзора, штабов военных округов, гражданской обороны и других заинтересованных организаций.

Комиссия в своей работе руководствуется основами земельного, водного законодательства Российской Федерации и учитывает также проекты районной планировки.

Для оптимального выбора района строительства нового промышленного объекта необходима следующая информация [1]:

1) ориентировочная потребность в сырье;

2) месторасположение источников сырья;

3) размещение рынков сбыта готового продукта;

4) потребность в энергии (тепловой и электрической);

5) количество и качество технологической воды;

6) ориентировочные размеры строительной площадки с учетом перспективы расширения объекта;

7) потребность в рабочей силе (по квалификациям);

8) количество и состав отходов, подлежащих удалению, способы их обезвреживания.

Территориальное размещение производства является важным фактором, определяющим его экономические и социальные показатели, например, расходы на перевозку сырья и готовой продукции. Так, производство удобрений стараются разместить ближе к заводам, выпускающим минеральные кислоты.

Однако следует учитывать, что затраты на перевозку готовой продукции относительно малотоннажных производств, таких как производства тонкого органического синтеза, не являются определяющим фактором, влияющим на экономические показатели и себестоимость готового продукта. При различных вариантах расположения подобных производств транспортные расходы отличаются лишь в долях процента, поэтому большое значение для таких производств имеют условия удаления отходов, особенно, сброса очищенных сточных вод.

Важное значение при выборе площадки строительства имеет кадровый вопрос. Предприятие должно быть обеспечено высококвалифицированными кадрами химиков, технологов, механиков, так как производство продуктов в данной отрасли связано с эксплуатацией сложных процессов и оборудования, токсичными и взрывоопасными материалами.

Немаловажным фактором при выборе района расположения химического предприятия является наличие источников воды. В химическом производстве потребляют большое количество воды как для технических нужд, так и для организации технологических процессов (в частности, процессов охлаждения). С этой точки зрения районы, находящиеся вблизи больших рек, предпочтительнее для размещения химических предприятий, хотя при организации процессов охлаждения можно применять обессоленную морскую воду, а также при сбросе сточных вод и отработанных газов, которые могут иметь вредные вещества, окружающая среда загрязняется. Это последнее обстоятельство может оказаться решающим при выборе площадки строительства.

Как правило, химические производства связаны с энергоемкими процессами. Подсчитано, что на две такие стадии как выпарка и сушка расходуется до 20 % затрат топлива и электроэнергии. Поэтому важным условием при выборе площадки строительства является вопрос теплоснабжения, газоснабжения и электроснабжения. Если вопрос электроснабжения решается порой просто – подключением к электросетям, то для теплоснабжения необходимо иметь пар соответствующих параметров и в необходимом количестве, что зачастую приводит к строительству новой ТЭЦ. Для предприятия с небольшим потреблением тепла при выборе площадки можно предусмотреть строительство собственной котельной, которая будет снабжать завод паром для технологических нужд и горячей водой для отопления.

Проектировщик по поручению заказчика осуществляет предварительный выбор нескольких альтернативных вариантов размещения предприятия. В комплекс работ по выбору оптимального варианта входят:

1) инженерные обследования и изыскания в объеме, требуемом для выбора площадки;

2) получение у заинтересованных организаций технических условий на подключение объекта к инженерным и транспортным коммуникациям;

3) разработка проектных предложений по технологической схеме, составу завода, схеме генерального плана, энерго- и водоснабжению, транспорту сырья и готовой продукции, защите окружающей среды, жилищно-гражданскому строительству;

4) технико-экономическое сравнение альтернативных вариантов и выбор оптимального.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ответственным за разработку задания является заказчик проекта. Непосредственная разработка задания на проектирование производится проектировщиком по поручению заказчика.

Задание на проектирование должно содержать следующие сведения [5, 8]:

1) наименование производства и предприятия;

2) основание для проектирования;

3) вид строительства;

4) стадийность проектирования;

5) требования по вариантной и конкурсной разработке;

6) особые условия строительства;

7) основные технико-экономические показатели объекта, в том числе мощность, производительность, производственная программа;

8) требования к качеству, конкурентной способности и экологическим параметрам продукции;

9) требования к технологии, режиму предприятия;

10) требования к архитектурно-строительным, объемно-планировочным и конструктивным решениям;

11) выделение очередей и пусковых комплексов, требования по перспективному расширению предприятия;

12) требования и условия по разработке природоохранных мер и мероприятий;

13) требования к режиму безопасности и гигиене труда;

14) требования по ассимиляции производства;

15) требования по разработке инженерно-технических мероприятий гражданской обороны и мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций;

16) требования по выполнению опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ;

17) состав демонстрационных материалов.

Задание на проектирование должно нацеливать проектную организацию на разработку документации с учетом последних достижений науки и техники с тем, чтобы будущее предприятие было технически передовым, выпускало продукцию высокого качества при научно обоснованных нормах затрат труда, сырья, материалов и топливно-энергетических ресурсов. Кроме того, проектировщик должен при проектировании объекта обеспечить высокую эффективность капитальных вложений, рациональное использование земель, охрану окружающей природной среды, сейсмостойкость, взрыво- и пожаробезопасность.

На данном этапе выполнения работ, как и в течение всего процесса проектирования, используется внутренняя и внешняя информация [1].

Составными частями внутренней информации являются материалы технического архива и библиотеки проектной организации, а также опыт и квалификация самих проектировщиков. Эта внутренняя информация может принести пользу лишь при быстром введении ее в процесс проектирования, что, в свою очередь, зависит от системы управления и организации труда в проектной организации. Эффективность внутренней информации зависит от непрерывного ее расширения и обновления при использовании обратной связи (корректировка и проверка данных внутренней информации в процессе строительства и эксплуатации проектируемых предприятий) может быть достигнута применением систем автоматизированного проектирования.

Слагаемыми внешней информации являются исходные данные, получаемые от заказчика и исследовательских институтов, регламенты предприятий-аналогов и другие сведения по проектируемому объекту, поступающие извне. Конечным результатом переработки внутренней и внешней информации является проект предприятия.

Вся информация, полученная на стадии предпроектной проработки, составляет необходимые исходные материалы для проектирования. Объем их зависит от характера намеченного строительства (новостройка, расширение, реконструкция) и состава проектируемого объекта. Исходные материалы готовит заказчик с привлечением генерального проектировщика и отраслевого научно-исследовательского института.

При строительстве нового объекта к основным исходным материалам относятся:

1) обоснование инвестиций в строительства объекта;

2) решение местного органа исполнительной власти о предварительном согласовании места размещения объекта;

3) акт выбора земельного участка для строительства объекта;

4) архитектурно-планировочное задание;

5) технические условия на присоединение проектируемого объекта к источникам снабжения, инженерным сетям и коммуникациям;

6) исходные данные по оборудованию, в том числе индивидуального изготовления;

7) необходимые данные по выполненным научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам, связанным с созданием технологических процессов и оборудования;

8) материалы инвентаризации, акты и решения органов местной администрации о размере компенсации за сносимые здания и сооружения;

9) материалы местной администрации, органов государственного надзора о социальноэкономической обстановке, состоянии окружающей среды в районе строительства;

10) материалы инженерных изысканий и обследований (по существующим сооружениям, сетям и коммуникациям);

11) техническая характеристика продукции будущего предприятия;

12) задание на разработку тендерной документации на строительство (при необходимости);

13) заключение и материалы, выполненные по результатам обследования действующих производств, конструкций зданий и сооружений;

14) технологические планировки действующих цехов, участков со спецификацией оборудования и сведениями о его состоянии, данными об условиях труда;

15) условия на размещение временных зданий и сооружений, подъемно-транспортных машин и механизмов, мест складирования строительных материалов;

16) другие необходимые материалы.

3. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

Разработка проектной документации заключается в конкретизации и проверке решений, принятых при составлении обоснований инвестиций. Как отмечалось выше, проектная документация для технически несложных объектов разрабатывается в одну стадию – рабочий проект. Для технически сложных она подготавливается в две стадии: проект, а затем на его основе рабочая документация.

Выполнение проектной документации в одну стадию – рабочий проект характерно для предприятий технически несложных, а также для тех, которые можно сооружать по типовым проектам. Рабочий проект состоит из следующих разделов:

1) общая пояснительная записка, в основе которой содержатся исходные данные для проектирования: обоснование инвестиций, акт выбора площадки, данные о потребностях в энерго- и трудовых ресурсах, чертежи ситуационного плана размещения предприятия, зданий и сооружений с указанием на нем инженерных коммуникаций (при необходимости делают дополнительные чертежи по так называемой привязке типовых и повторно применяемых проектов);

2) организация строительства: этот раздел готовится в соответствии с нормативными документами, утвержденными Госстроем;

3) сметная документация;

4) паспорт рабочего проекта.

Подготовленный рабочий проект представляется на экспертизу и утверждение.

При одно- и двухстадийном проектировании техническая документация включает в себя следующие основные разделы:

1) анализ исходных материалов;

2) расчет и выбор технологического оборудования;

3) разработка принципиальной технологической схемы производства;

4) компоновка производства;

5) выдача заданий на разработку спецразделов проекта;

6) монтажная проработка;

7) составление смет.

Рассмотрим более подробно основные задачи, которые решаются при двухстадийном проектировании.

Основой для выполнения проекта является утвержденное заказчиком задание на проектирование.

На стадии разработки проекта решаются с учетом новейших достижений науки и техники все основные технические, технико-экономические, экологические и другие проблемы проектируемого производства: обосновывается технология производства; разрабатывается принципиальная технологическая схема производства; рассчитывается и выбирается оборудование; осуществляется размещение оборудования технологической схемы по этажам строительных конструкций (компоновка оборудования);

решаются вопросы энергоснабжения, автоматизации и механизации производства; составляются сметы и заказные спецификации на соответствующее оборудование.

Полностью состав проекта определяется инструкцией (в настоящее время СНиП II-01–95). Проект должен содержать разделы:

1. Общая пояснительная записка.

2. Генеральный план и транспорт.

3. Технологические решения.

4. Управление производством, предприятием и организация условий и охраны труда рабочих и служащих.

5. Архитектурно-строительные решения.

6. Инженерное оборудование, сети и системы.

7. Организация строительства.

8. Охрана окружающей среды.

9. Инженерно-технические мероприятия гражданской обороны, мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций.

10. Сметная документация.

11. Эффективность инвестиций.

1. Общая пояснительная записка содержит:

1) основание для разработки проекта;

2) исходные материалы для проектирования;

3) краткую характеристику предприятия и входящих в его состав производств;

4) данные о проектной мощности и номенклатуре, качестве, конкурентоспособности, технологическом уровне продукции, сырьевой базе, потребности в топливе, воде, тепловой и электрической энергии, комплексном использовании сырья, отходов производства, вторичных энергоресурсов;

5) сведения о социально-экономических и экологических условиях района строительства;

6) основные показатели по генеральному плану, инженерным сетям и коммуникациям, мероприятия по инженерной защите территории;

7) общие сведения, характеризующие условия и охрану труда работающих; санитарноэпидемиологические мероприятия;

8) сведения об использованных в проекте изобретениях;

9) технико-экономические показатели, полученные в результате разработки проекта, их сопоставление с показателями утвержденного (одобренного) обоснования инвестиций в строительство объекта и установленными заданием на проектирование;

10) сведения о проведенных согласованиях проектных решений; подтверждении соответствия разработанной проектной документации государственным нормам, правилам, стандартам, исходным данным, а так же техническим условиям и требованиям, выданным органами государственного надзора (контроля) и заинтересованными организациями при согласовании места размещения объекта (площадки строительства).

2. Генеральный план и транспорт – приводятся краткая характеристика района и площадки строительства; решения и показатели по ситуационному и генеральному плану (с учетом зонирования территории), внутриплощадочному и внешнему транспорту, выбор вида транспорта, основные планировочные решения, мероприятия по благоустройству территории; решения по расположению инженерных сетей и коммуникаций; организация охраны предприятия.

Данный раздел содержит чертежи:

• ситуационный план размещения предприятия, здания, сооружения с указанием на нем существующих и проектируемых внешних коммуникаций, инженерных сетей и подсобных территорий, границы санитарно-защитной зоны, особо охраняемой территории. Для линейных сооружений приводится план трасс (внутри- и внешнеплощадочных), а при необходимости – продольный профиль трассы;

• картограмму земельных масс;

• генеральный план, на котором наносятся существующие и проектируемые (рекомендуемые) и подлежащие сносу здания и сооружения, объекты охраны окружающей среды и благоустройства, озеленение территории, принципиальные решения по расположению внутриплощадочных инженерных линий и транспортных коммуникаций, планировочные отметки территории. Выделяются объекты, сети и транспортные коммуникации, входящие в пусковые комплексы.

3. Технологические решения содержат:

1) данные о производственной программе;

2) характеристику и обоснование решений по технологии производства;

3) данные о трудоемкости изготовления продукции, механизация и автоматизация технологических процессов;

4) состав и обоснование применяемого оборудования (в том числе импортного);

5) решения по применению малоотходных и безотходных технологических процессов и производств, вторичному использованию ресурсов;

6) предложения по организации контроля качества продукции;

7) решения по организации ремонтного хозяйства;

8) данные о количестве и составе вредных выбросов в атмосферу и сбросов в водные источники по отдельным цехам, производствам, сооружениям;

9) технические решения по предотвращению (сокращению) выбросов и сбросов вредных веществ в окружающую среду; оценка возможности возникновения аварийных ситуаций и решения по их предотвращению;

10) вид, состав и объем отходов производства, подлежащих утилизации и захоронению;

11) топливно-энергетический и материальный балансы технологических процессов;

12) потребность в основных видах ресурсов для технологических нужд.

Основные чертежи этого раздела:

• принципиальные технологические схемы производства;

• компоновочные чертежи (планы и разрезы) по корпусам (цехам);

• функциональные и принципиальные схемы автоматизации технологических процессов и энергоснабжения технологического оборудования;

• схемы грузопотоков.

4. Управление производством, предприятием и организация условий и охраны труда рабочих и служащих – выполняется в соответствии с нормативными документами. В нем рассматриваются организационная структура управления предприятием и отдельными производствами, автоматизированная система управления и ее информационное, функциональное, организационное и техническое обеспечение; автоматизация и механизация труда работников управления, результаты расчетов численного и профессионально-квалификационного состава работающих; число и оснащенность рабочих мест; санитарно-гигиенические условия труда работающих; мероприятия по охране труда и технике безопасности, в том числе решения по снижению производственных шумов и вибраций, загрязненности помещений, избытка тепла, повышению комфортности условий труда и т.д.

5. Архитектурно-строительные решения – в них приводятся сведения об инженерногеологических, гидрогеологических условиях площадки строительства. Дается краткое описание и обоснование архитектурно-строительных решений по основным зданиям и сооружениям; обоснование принципиальных решений по снижению производственных шумов и вибрации; бытовому, санитарному обслуживанию работающих. Разрабатываются мероприятия по электро-, взрыво- и пожаробезопасности; защите строительных конструкций, сетей и сооружений от коррозии.

Основные чертежи: планы, разрезы и фасады основных зданий и сооружений со схематическим изображением основных несущих и ограждающих конструкций.

6. Инженерное оборудование, сети и системы – раздел содержит решения по водоснабжению, канализации, теплоснабжению, газоснабжению, электроснабжению, отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха. Дано инженерное оборудование зданий и сооружений, в том числе: электрооборудование, электроосвещение, связь и сигнализация, радиофикация и телевидение, противопожарные устройства и молниезащита; диспетчеризация и автоматизация управления инженерными сетями.

Основные чертежи раздела:

• планы и схемы теплоснабжения, электроснабжения, газоснабжения, водоснабжения и канализации и др.;

• планы и профили инженерных сетей;

• чертежи основных сооружений;

• планы и схемы внутрицеховых отопительно-вентиляционных устройств, электроснабжения и электрооборудования, радиофикации и сигнализации, автоматизации управления инженерными сетями и др.

7. Организация строительства – разрабатывается в соответствии со СНиП "Организация строительного производства" и с учетом условий и требований, изложенных в договоре на выполнение проектных работ, и имеющихся данных о рынке строительных услуг.

8. Охрана окружающей среды – выполняется в соответствии с государственными стандартами, строительными нормами и правилами, утвержденными Минстроем России, нормативными документами и другими нормативными актами, регулирующими природоохранную деятельность.

9. Инженерно-технические мероприятия гражданской обороны, по предупреждению чрезвычайных ситуаций – выполняется в соответствии с нормами и правилами в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Для определения стоимости строительства предприятий, зданий и сооружений (или их очередей) составляется сметная документация в соответствии с положениями и формами, приводимыми в нормативно-методических документах Минстроя России по определению стоимости строительства.

10. Сметная документация – разрабатываемая на стадии проекта, должна иметь:

1) сводные сметные расчеты стоимости строительства и, при необходимости, сводку затрат ;

2) объектные и локальные сметные расчеты;

3) сметные расчеты на отдельные виды затрат (в том числе на проектные и изыскательские работы).

В состав рабочей документации включаются: объектные и локальные сметы2.

Составляются в том случае когда капиталовложения предусматриваются из разных источников финансирования.

Составляются, если это предусмотрено договором на выполнение рабочей документации.

Для определения стоимости строительства рекомендуется использовать действующую сметнонормативную (нормативно-информационную) базу, разрабатываемую, вводимую в действие и уточняемую в установленном порядке.

Разработку сметной документации рекомендуется приводить в двух уровнях цен:

в базисном (постоянном) уровне, определяемом на основе действующих сметных норм и цен;

в текущем или прогнозируемом уровне, определяемом на основе цен, сложившихся ко времени составления смет или прогнозируемых к периоду осуществления строительства.

В состав сметной документации проектов строительства включается также пояснительная записка, в которой приводятся данные, характеризующие применяемую сметно-нормативную (нормативноинформационную) базу, уровень цен и другие сведения, отражающие условия данной стройки.

На основе текущего (прогнозируемого) уровня стоимости, определенного в составе сметной документации, заказчики и подрядчики формируют свободные (договорные) цены на строительную продукцию. Эти цены могут быть открытыми, то есть уточняемыми в соответствии с условиями договора (контракта) в ходе строительства, или твердыми (окончательными). В результате совместного решения заказчика и подрядной строительно-монтажной организации оформляется протокол (ведомость) свободной (договорной) цены на строительную продукцию по соответствующей форме.

При составлении сметной документации, как правило, применяется ресурсный (ресурсноиндексный) метод, при котором сметная стоимость строительства определяется на основе данных проектных материалов о потребных ресурсах (рабочей силе, строительных машинах, материалах и конструкциях) и текущих (прогнозируемых) ценах на эти ресурсы.

В сводном сметном расчете отдельной строкой предусматривается резерв на непредвиденные работы и затраты, исчисляемые от общей сметной стоимости (в текущем уровне цен) в зависимости от степени проработки и новизны проектных решений. Для строек, осуществляемых за счет капитальных вложений, финансируемых из республиканского бюджета Российской Федерации, размер резерва не должен превышать трех процентов – по объектам производственного назначения и двух процентов – по объектам социальной сферы.

11. Эффективность инвестиций – раздел готовится на основе количественных и качественных показателей, полученных при разработке соответствующих частей проекта, выполняются расчеты эффективности инвестиций. Производится сопоставление обобщенных данных и результатов расчетов с основными технико-экономическими показателями, определенными в составе обоснований инвестиций в строительство данного объекта.

Примерный перечень технико-экономических показателей приведен в табл. 1.

1. Примерный перечень технико-экономических показателей Наименование показателя Мощность предприятия, годовой выпуск продукции:

Общая площадь участка Удельный расход на единицу мощности:

Наименование показателя Годовой выпуск продукции на работающего:

Наименование показателя Общая стоимость строительства, в том тыс. р.

числе строительно-монтажных работ тыс. р.

Удельные капитальные вложения р./ед. мощности Продолжительность строительства мес.

Стоимость основных производственных Уровень рентабельности производства % Срок погашения кредита и других заемных Рассмотрим некоторые основные разделы проекта.

Первоочередной задачей анализа исходных данных является проверка обоснованности рекомендованного метода производства. Если учесть, что один и тот же продукт можно получить различными методами и из различного сырья, то решающим фактором при выборе схемы часто оказывается стоимость сырья. Это объясняется тем, что в промышленности затраты на сырье составляют значительную долю производственных расходов.

При выборе метода необходимо учитывать ограничивающие параметры, в частности, запрещено использовать в процессе переработки вредные для здоровья вещества. Токсические свойства новых видов сырья должны быть исследованы специализированными организациями. Кроме того, выбирая технологию производства, следует руководствоваться действующими правилами и нормами по технике безопасности, охране окружающей среды.

Сравнивая с технологической точки зрения непрерывный и периодический способы получения одного и того же продукта, следует помнить, что эффективное применение непрерывного метода возможно при наличии сырья с постоянными заданными физико-химическими свойствами, надежного контроля производства с автоматическим поддержанием необходимых параметров процесса, надежной и бесперебойной работы оборудования. Для периодического производства характерен пооперационный контроль, требования к которому должны быть высокими с целью обеспечения заданного качества продукта.

В целом непрерывные производства имеют значительные преимущества перед периодическими:

возможность постадийной специализации аппаратуры, стабилизация процесса во времени, а, следовательно, постоянное качество продукта, возможность регулировки параметров процесса и полной его автоматизации. Непрерывные схемы предусматриваются, как правило, для крупно- и среднетоннажных производств, а периодические – для малотоннажных, что объясняется в первом случае рентабельностью применения средств автоматизации.

На данном этапе проектирования изучают различные методы получения продукции, которую будет выпускать проектируемый объект. При этом учитывают новейшие результаты исследований по усовершенствованию технологии производства, анализируют регламенты действующих и опытных производств-аналогов, проверяют нормы расхода сырья, вспомогательных материалов, рекомендации по выбору конструкционных материалов для изготовления оборудования. При рассмотрении базового регламента, проектировщик намечает пути усовершенствования некоторых технологических узлов с учетом последних достижений науки и техники.

Одним из таких путей является поиск и разработка методов интенсификации технологических процессов. Интенсификация химико-технологических процессов дает возможность увеличить производительность аппаратов при уменьшении их габаритов, металлоемкости, стоимости и соответствующем сокращении необходимых производственных площадей и уменьшении эксплуатационных расходов. Кроме того, интенсификация технологических процессов зачастую позволяет получить новые эффекты, соизмеримые и даже превосходящие по значимости основные целевые эффекты (уменьшение инкрустации на внутренних поверхностях аппаратов или осмоления перерабатываемых веществ, увеличение селективности химических процессов, улучшение качества продукции, уменьшение энергетических затрат).

Известно значительное количество традиционных и сравнительно новых способов интенсификации технологических процессов. Условно их можно разделить на два класса: системные (когда к установке подходят как к единому целому) и декомпозиционные методы, при которых выявляют и интенсифицируют лимитирующие стадии процесса или элементы его аппаратурного оформления.

Под интенсивностью i любого технологического аппарата понимают отношение одной из количественных характеристик Q (например, производительности или количества переносимого тепла) к основной геометрической характеристике аппарата (например, поверхности рабочей зоны).

Для теплообменного аппарата где F – поверхность теплообмена; K2 – коэффициент теплопередачи; – время; tср – среднелогарифмическая разность температур; tб, tм – большая и меньшая разности температур между теплоносителями;

1, 2 – коэффициенты теплоотдачи; j – толщина стенки и отложений; j – теплопроводность стенки и отложений.

Соотношение (3.1) можно использовать для составления наглядной схемы действий разработчика по интенсификации конкретного теплообменного аппарата, вводя обозначения: – необходимость увеличения и – необходимость уменьшения того или иного параметра [10]. В этом случае последнее соотношение можно записать в виде В соответствии с соотношением (3.1) увеличивать необходимо наименьшее. Такая запись показывает направление изменения тех или иных параметров процесса или конструктивных характеристик аппарата для интенсификации процесса теплообмена.

Рассмотрим теперь пути интенсификации массообменной аппаратуры.

Если использовать основное уравнение процесса массопереноса, то для наиболее распространенных тарельчатых массообменных аппаратов фактор интенсификации можно рассчитать по формуле где М – масса вещества, переносимого в единицу времени; V = n (Vб + Vс ) = nF ( H б + H с ) – объем тарельчатого аппарата; Vб, Vс – соответственно, объем рабочей (барботажной) и сепарационной зон одной секции аппарата; F – поверхность полотна тарелки; Hб, Hс – соответственно, высота барботажной и сепарационной зон; K3 – коэффициент массопередачи, отнесенный к 1 м2 полотна тарелки; С – движущая сила процесса.

Для противоточного аппарата (допускается коэффициент массопередачи не зависящий от концентрации) запишем Из формулы (3.4) видно, что на величину фактора интенсификации оказывает влияние кинетический параметр K3, движущая сила С и число секций в аппарате, тесно связанные со статическими характеристиками процесса, в частности, с равновесиями между фазами, определяемыми термодинамическими свойствами компонентов системы, а также параметрами Hб и Hс. Последние зависят в основном от конструктивных особенностей аппарата и физико-химических свойств перерабатываемых продуктов.

Вводя эффективность ступени контакта, получим где nт – число необходимых теоретических ступеней контакта.

Тогда направление интенсификации массообменного аппарата можно представить в виде Для поиска пути увеличения коэффициента массопередачи можно использовать многочисленные эмпирические зависимости определения K в колонной аппаратуре различного типа и получить более полное выражение для i.

При определении интенсивности газожидкостного реактора будем рассуждать следующим образом.

Если в газожидкостном барботажном реакторе протекает реакция между веществом А, находящемся в жидкой фазе, и веществом В, переходящем из газа в жидкость, то для реакции вида скорость переноса вещества В из газа в жидкость где Kж – коэффициент массопередачи в жидкой фазе; mA, mD – число молей веществ A и D; a – удельная поверхность контакта фаз; V – объем ступени реактора; C В – равновесная концентрация веществ В на границе раздела фаз; СВ – концентрация вещества В в жидкости.

Скорость связывания вещества В в жидкой фазе где rВ – скорость реакции; г – среднее газонаполнение в ступени реактора; K4 – константа скорости реакции.

При условии, что WB1 >> WB2, для n-ступенчатого реактора можно записать где Vр – объем реактора.

После подстановки значения Vр = nV для ступеней одинакового объема V и использования выражения (3.9) получим или При WB1 0 – неработоспособно.

При (d, ) = 0 проектируемое производство с вектором d находится на границе допустимой области функционирования, поскольку в этом случае g j (d, u, ) = 0 хотя бы для одного номера j J.

Задачу (4.9) можно переформулировать в форме стандартной задачи математического программирования, определяя скалярную величину такую, что при ограничениях Если g j (•) – нелинейные функции по u, то задача (4.10) представляет собой задачу нелинейного программирования.

Для установления работоспособности проектируемого производства необходимо убедиться в том, В этом случае задача анализа гибкости проектируемого производства, описываемого вектором проектных параметров d, может быть сформулирована в виде где (d ) – соответствует функции гибкости проекта производства с вектором d.

При (d ) 0 допустимое функционирование (работоспособность) производства может быть достигнуто для всей области возможных изменений вектора неопределенных параметров.

При (d ) > 0 допустимое функционирование производства невозможно для некоторой подобласти Математическая постановка задачи (А) анализа гибкости проектируемого производства может быть сформулирована в виде Введем количественную оценку гибкости проекта, определяемого вектором конструктивных параметров d. Для этого запишем область изменения неопределенных параметров в виде где – неотрицательная скалярная переменная: при = 1 имеем (1) = ; при < 1 – () ; при > 1 – О п р е д е л е н и е. Будем называть индексом гибкости F наибольшее значение, для которого выполняются ограничения (4.8) для всей области (F ).

Сформулируем математическую постановку задачи (Б) определения индекса гибкости F проектируемого производства, описываемого вектором проектных параметров d :

при ограничениях Значения неопределенных параметров c (F ), соответствующие решению задачи (Б), называются критическими точками.

Если удается установить, что критические точки соответствуют вершинам многогранника (F ), то решение задач (А) и (Б) может быть значительно упрощено.

Рассмотрим задачу анализа гибкости проекта в предположении, что k, k K представляют вершины многогранника. В этом случае можно записать, что где (d, k ) находится из решения задачи оптимизации (4.10).

Следует заметить, что в задаче (Б) величина (d ) достигает нулевого значения, (d ) = 0, в точке оптимального решения, поскольку критическая точка всегда будет находиться на границе допустимой области функционирования производства. Пусть k, k K обозначает направление от номинальной точки N до k-й вершины многогранника. Тогда максимальное отклонение k от границы вдоль k мы получим из решения экстремальной задачи при ограничениях Анализ полученных прямоугольных областей изменения показывает, что только наименьший прямоугольник может быть вписан в допустимую область, который определяет индекс гибкости На рис. 44 изображен диапазон изменения вектора неопределенных параметров, который ассоциируется с индексом гибкости для данного проекта.

Следует заметить, что только при условии выпуклости функций g j (•) по переменным u и критические точки c будут соответствовать вершинам многогранника. Это условие существенно ограничивает применение рассмотренных выше постановок задач анализа гибкости (А) и определение индекса гибкости (Б) при проектировании химических производств, поскольку возникают определенные трудности в проверке условий выпуклости функций ограничений g j (•).

Вторая проблема, возникающая при решении сформулированных выше задач (А) и (Б) методом анализа вершин многогранника, – проблема размерности решаемой задачи. Так при n p = 10 требуется решение экстремальных задач типа (4.10) в количестве 210 = 1024, а при n p = 20 – 220 = 1 048 576, где n p – размерность вектора.

В задаче оптимального проектирования химического производства проектные переменные d должны быть выбраны таким образом, чтобы минимизировать математическое ожидание стоимости C (d, u, ) проекта химического производства, используя двухэтапную постановку (стратегию) где M {•} – символ математического ожидания случайной величины. Причина, по которой задача (4.12) названа двухэтапной, заключается в том, что ее решение состоит из двух этапов.

1. Внутренняя задача при ограничениях Ее решение осуществляется как бы на стадии функционирования производства при фиксированных значениях d (проект реализован и функционирует) и (предполагается, что вектор может быть идентифицирован при эксплуатации производства). Будем обозначать решение внутренней задачи через 2. Внешняя задача решается на стадии проектирования и поскольку нам неизвестен вектор, то решение внутренней задачи и вычисление С (d, u d,, ) осуществляется многократно (в данном случае бесконечное число раз), чтобы вычислить математическое ожидание M C d, u d,,.

В вышеописанной двухэтапной стратегии неявно принимается допущение о том, что управление u может быть немедленно установлено в зависимости от изменения. При этом не учитываются задержки в измерениях переменных состояния производства, вычислениях и реализации управляющих переменных ud,. Кроме того, при реализации этой стратегии может возникнуть ситуация, когда для некоторых значений d, не удается подобрать управляющие переменные u, при которых выполняются ограничения g (d, u, ) 0. Это означает, что область изменения неопределенных параметров () необходимо уменьшать за счет изменения величины :

В этом случае задачу (4.12) можно переформулировать как при ограничениях где F – индекс гибкости производства.

Бесконечное число точек (F ) может быть аппроксимировано дискретным множеством точек, k = 1, 2,..., K, которое выбирается из условия наилучшего покрытия множества (F ) сеткой. В результате можно получить конечномерную по задачу оптимального проектирования:

при ограничениях браны (интерпретированы) как вероятности того, что вектор неопределенных параметров примет значение k.

Алгоритм аппроксимации задачи (4.12) с помощью задачи (4.13) включает следующие шаги.

Шаг 1. Выбирается априори начальное множество точек k, k = 1, k.

Шаг 2. Решается многомерная задача оптимизации (4.10) с целью определения вектора проектных переменных параметров d.

Шаг 3. Проверяется работоспособность проекта химического производства в области (F ), определяемого вектором d, через решение задачи при ограничении Если проект химического производства осуществим, то процедура прерывается, иначе находится критическая точка c из оценки гибкости, которая добавляется в дискретный ряд k – точек и осуществляется переход к шагу 2.

Заметим, что при решении практических задач проектирования требуется максимум одна – две итерации для нахождения работоспособного проекта производства этим методом и определения области

4.3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ

ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ НАЛИЧИИ

НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ

При проектировании технологических объектов (систем) всегда следует учитывать ограничения по качеству, производительности аппаратов, безопасности производства, экологической безопасности и др.

Проблема выполнения ограничений сильно осложняется наличием неопределенности физической, химической, технологической и экономической информации, используемой при проектировании процесса.

Как и ранее, здесь будем использовать следующие обозначения:, = L U, – вектор неопределенных параметров, принадлежащих области ; причем = {1, 2 }, где 1 1 – подвектор компонентов, которые могут быть с достаточной точностью определены (измерены или идентифицированы) на стадии эксплуатации производства; 2 2 – подвектор компонентов, которые не удается идентифицировать даже на стадии эксплуатации производства; = i i = 1, – множество производимых продуктов (ассортимент); d D – вектор проектных (конструктивных) параметров (множество D определяется типом аппаратурного оформления производства); C () – критерий оптимального проектирования производства.

Математическая постановка задачи анализа гибкости проектируемого производства при заданных вариантах структуры производства, ассортименте выпускаемых продуктов, типов a аппаратурного оформления технологического объекта может быть сформулирована следующим образом: для фиксированного значения d D требуется подобрать вектор управляющих переменных u в статике, при которых выполняется условие гибкости где (d ) – соответствует функции гибкости проекта производства с вектором d.

Заметим, что условие гибкости (4.14) записывается в более "мягкой" форме в отличие от (А).

При (d ) зад получаем работоспособный проект производства для заданного ассортимента выпускаемой продукции и всей области возможных изменений вектора неопределенных параметров. При (d ) < зад проект неработоспособен для некоторой области и при выпуске определенных продуктов i из заданного ассортимента.

По аналогии с задачей (Б) сформулируем математическую постановку задачи определения индекса гибкости F проектируемого производства, описываемого вектором проектных параметров d :

при ограничениях (например, среднее) значение вектора неопределенных параметров; +, – ожидаемые отклонения от номинального значения.

Решение задачи (4.14) анализа гибкости проекта приобретает важное значение на ранних стадиях проектирования), когда формируется множество альтернативных вариантов осуществления химического производства. Вычисление индекса гибкости F становится необходимым для определения возможного расширения ассортимента выпускаемой продукции без реконструкции производства и необходимости увеличения показателей регулируемости объекта по основным каналам управления. Улучшение динамических свойств объекта возможно за счет уменьшения размеров технологического оборудования и снижения времени транспортного запаздывания в объекте. Чем меньше индекс гибкости проекта, тем точнее должна быть задана исходная информация, и это приводит к наименьшим капитальным затратам при оптимальном проектировании технологических объектов (систем).

Для решения задач анализа гибкости проекта в постановке (4.14) и вычисления индекса гибкости в постановке (4.15), (4.16) будем использовать теорию А-задач стохастического программирования, разработанную В.И. Бодровым [41]. В соответствии с положениями этой теории функцию, записанную в фигурных скобках выражения (4.14), можно представить в форме стандартной задачи математического программирования при ограничениях где – скалярная переменная.

Если функции g j (d, u, ) – нелинейные по u, то задача (4.17), (4.18) представляет собой задачу нелинейного программирования.

С учетом преобразования (4.17), (4.18) задачу анализа гибкости проекта (4.14) можно записать в виде при ограничениях В соответствии с методологией решения А-задач стохастического программирования нами предлагается следующий алгоритм решения задачи (4.19), (4.20).

Алгоритм Шаг 1. Положим = 0 и зададим начальные значения величин ( ), u ( ) и N.

Шаг 2. Методом нелинейного программирования решаем задачу при ограничениях и определяем u, – решение задачи НЛП.

Шаг 3. При фиксированном значении u = u проверяем выполнение условий Шаг 4. Если для представительной выборки значений из области вероятностные ограничения выполняются, то проект, определяемый вектором d, является гибким и его можно рекомендовать для дальнейшей проработки. В противном случае условие гибкости для проекта с вектором d не выполняется и он отвергается.

Подобная процедура может быть применена и для расчета индекса гибкости проекта при решении задачи (4.15), (4.16).

Перейдем к рассмотрению задачи оптимального проектирования, в которой конструктивные переменные d и режимные (управляющие) переменные должны быть выбраны таким образом, чтобы минимизировать приведенные затраты, включающие стоимость реализуемого проекта (капитальные затраты) и эксплуатационные затраты.

Эксплуатационные затраты включают в себя следующие виды затрат на:

1) сырье и материалы;

2) потребляемую оборудованием электро- и тепловую энергию;

3) заработную плату обслуживающего персонала;

4) социальные нужды;

5) содержание и эксплуатацию технологического оборудования.

Отметим, что основной составляющих эксплуатационных затрат являются затраты на сырье и энергию. Поэтому при минимизации этой составляющей затрат при проектировании технологических процессов, аппаратов и системы управления фактически добиваются энерго- и ресурсосбережения при создании нового химического производства. Особенно это важно при проектировании многопродуктовых химических производств.

При проектировании химических производств необходимо учитывать гибкость (работоспособность) проекта. При этом у нас есть два выбора:

1) убедиться в гибкости проекта при найденном векторе d * в задаче оптимального проектирования, т.е. показать, что (d * ) 0 ;

2) максимизировать меру гибкости и в то же время минимизировать стоимость проекта.

Для сформулированной задачи оптимизации при наличии неопределенности исходной информации необходимо определить форму целевой функции и ограничений. В основе этого лежит концепция двух этапов "жизни" химического производства: проектирования и эксплуатации.

Формулировку условия гибкости (задающего ограничения задачи) определяют следующие факторы.

1. Характер информации, содержащей неопределенность. Неопределенность может быть параметрической или модельной. В первом случае известна форма математической модели, но неизвестны точные значения некоторых ее параметров. Во втором случае предполагают, что нет точного знания о модели технологического объекта. Имеется ряд альтернативных моделей, одна из которых соответствует действительности.

2. Существование и величина неопределенности информации на втором этапе (на первом этапе неопределенность присутствует практически всегда). Возможны следующие случаи:

а) на этапе эксплуатации все параметры могут быть определены точно в каждый момент времени (либо прямым измерением, либо в результате решения обратной задачи на основе информации, полученной в результате измерений);

б) на этапе эксплуатации область неопределенных параметров та же, что и на этапе проектирования;

в) на этапе эксплуатации некоторые из параметров i могут быть определены точно, другие имеют такой же интервал, что и на этапе проектирования;

г) на этапе эксплуатации все параметры i содержат неопределенность, но их интервалы неопределенности меньше, чем соответствующие интервалы на этапе проектирования.

3. Способ обеспечения гибкости технологического объекта:

а) имеются конструктивные и управляющие переменные;

б) имеются только конструктивные переменные;

в) имеются только управляющие переменные.

4. Тип ограничений: ограничения могут быть "жесткими" и "мягкими" (вероятностными). Жесткие ограничения не должны нарушаться ни при каких условиях. Мягкие ограничения должны выполняться с заданной вероятностью. В нашей работе мы будем рассматривать следующие случаи:

а) все ограничения являются "жесткими";

б) все ограничения являются "мягкими";

в) часть ограничений является – "жесткими", другая часть –"мягкими".

Большинство реальных задач относится к третьему случаю. Например, ограничения по безопасности производства относятся к разделу "жестких", а ограничения на производительность и селективность часто могут быть отнесены к разделу "мягких".

Отметим, что при формулировании задачи оптимального проектирования важным является требование согласованности d и u в критериях для двух этапов (требование реализуемости режимов).

Сформулируем ряд задач интегрированного проектирования химического производства при наличии неопределенности исходной информации.

З а д а ч а 1. Имеются конструктивные и управляющие переменные. На этапе эксплуатации процесса область неопределенных параметров та же, что и на этапе проектирования. В этом случае задача оптимального проектирования формулируется следующим образом: для заданного ассортимента выпускаемой продукции требуется определить векторы конструктивных параметров d * технологического оборудования и режимных (управляющих) переменных u * такие, что при связях в форме уравнений математической модели ХТП и ограничениях Сформулированная задача (4.22) – (4.24) носит название одноэтапной задачи оптимизации.

Перепишем задачу (4.22) – (4.24) в терминах А-задач стохастического программирования: требуется найти m -мерный вектор постоянных величин * = (1, *,..., * ), векторы конструктивных d* и управляющих u* переменных такие, что претированы как вероятности того, что вектор неопределенных параметров принимает значения Идея такого подхода, в сущности, очень проста. Поясним ее на примере одномерной задачи стохастического программирования с одним ограничением g (u, ) 0. На рис. 45, а заштрихована недопустимая область ограничения. Пусть соотношение между целевой функцией M { C (u, )} и g (u, ) такое, как показано на рис. 45, б. Следует заметить, что такое соотношение (кроме, конечно, экзотических случаев) в оптимизационных задачах химической технологии бывает всегда, т.е. наиболее предпочтительные значения целевой функции лежат в недопустимой области (см. рис. 45), поскольку в противном случае ограничение было бы неактивным и его не следовало бы учитывать. В этом случае решение u традиционной задачи оптимизации достигается при g (u, ) = 0. Очевидно, при реализации этого решения u значения g (u, ) будут иметь случайный разброс вследствие наличия случайной величины. На рис. 45, в показан этот разброс, который может имитироваться на вероятностной модели F (u, ).

В зависимости от вхождения случайной величины в функцию g (u, ) закон распределения этой функции может изменяться. Следовательно, эта вероятность может быть как меньше, так и больше 0,5.

Таким образом, при решении традиционной задачи при = мы даже не знаем, какова вероятность нарушения технологических ограничений.

В сформулированной выше задаче стохастической оптимизации мы требуем, чтобы эта вероятность была меньше, чем некоторая заданная величина 1 зад, где зад – заданное значение вероятности выполнения ограничений.