Projektowanie i realizacja procesu technologicznego

. Projektowanie i realizacja procesu technologicznego.

1.1. Wprowadzenie

Generalnie brak jest ścisłej, jednolitej metody postępowania od fazy wstępnych badań nad technologią i opracowania koncepcji procesu chemicznego, poprzez wieloetapową procedurę projektowania, po budowę i uruchomienie instalacji przemysłowej.

Na etapie badawczym, badacz –technolog opracowuje koncepcje chemiczną metody, wychodząc z analizy uwarunkowań obejmujących m.in. możliwości surowcowe, energetyczne, wymagania ochrony środowiska. Po wybraniu odpowiedniego wariantu koncepcji chemicznej kolejnym etapem badawczym jest przygotowanie koncepcji technologicznej metody, na podstawie analizy teoretycznej wyników doświadczeń i obliczeń dotyczących procesów i operacji jednostkowych składających się na przewidywany ciąg technologiczny.Dla wybranej koncepcji technologicznej sporządza się schemat blokowy i technologiczny procesu, określa założenia bilansu materiałowego i cieplnego oraz dokonuje wstępnego doboru aparatów i urządzeń technologicznych. Dysponując wymienionymi danymi , można ocenić zgodność opracowywanej koncepcji technologicznej z Najlepszymi Dostępnymi Technikami (BAT- Best Awialable Technique) w osiąganiu wysokiego poziomu ochrony środowiska jako całości.Przyjęta koncepcja wstępna  instalacji produkcyjnej stanowi podstawę opracowania projektu procesowego. Projekt procesowy zawiera podstawowe elementy opracowywanej technologii; parametry procesów i operacji jednostkowych, bilanse materiałowy i cieplny, schemat przepływowy procesy technologicznego, schemat rurociągu i przyrządów, typy i wielkości głównych aparatów i urządzeń technologicznych oraz założenia konstrukcyjne dla aparatów nietypowych. Dalsze etapy projektowania przeprowadzone są w fazie traktowanej jako faza inwestycyjna  . Proces inwestycyjny obejmuje planowanie i przygotowanie inwestycji, projektowanie, budowę i rozruch.W fazie projektowania inwestycyjnego opracowuje się koncepcję programowo – przestrzenną dla inwestycji, która powinna zawierać dane niezbędne do urzędu ochrony środowiska o uwarunkowania środowiskowe (zawartość projektu budowlanego) w tym: program produkcji, opis procesu, dane o surowcach, materiałach pomocniczych, odpadach, mediach energetycznych.Kolejnymi etapami projektowania inwestycji są: opracowanie projektu podstawowego(bazowego) złożonego z części technologicznej i części branżowych, następnie projektu budowlanego i ostatecznie projektu wykonawczego(technicznego) inwestycji.Część technologiczna projektu podstawowego zawiera elementy projektu procesowego poszerzone o szczegółową specyfikację aparatów i urządzeń oraz specyfikację wyposażenia instalacji w urządzenie pomocnicze. Przedstawione są metody kontroli analitycznej procesu oraz wytyczne technologiczne  do opracowania instalacji rozruchowej. Elementami projektu podstawowego są: plan przestrzenny inwestycji, projekty bazowe branż – mechanicznej, budowlanej, elektrycznej, pomiarów i automatyki.Projekt budowlany jest dokumentem podstawowym w procedurze uzyskania zezwolenia na budowę inwestycji. Projekt budowlany powinien zawierać m.in. charakterystykę techniczną inwestycji, plan zagospodarowania terenu zgodny z miejscowym planem zagospodarowania przestrzennego i wymaganiami ochrony środowiska, opinie, pozwolenia i uzgodnienia z odpowiednimi instytucjami i organizacjami administracyjnymi.Projekt wykonawczy(techniczny) inwestycji zawiera pełną dokumentację wykonawczą aparatów i urządzeń, schematy instalacji wraz z układami regulacji, dokumentację techniczną połączeń urządzeń i aparatów, projekty wykonawcze branżowe. Na tym etapie opracowywane są instrukcje rozruchu, eksploatacji i zatrzymania instalacji. Budowa inwestycji przebiega pod nadzorem autorskim projektanta lub inwestora. Zakończenie poszczególnych etapów budowy jest przedmiotem odbiorów pośrednich, a zakończenie całości – odbiorem końcowym. Przekazywanie inwestycji do eksploatacji poprzedzają próby gwarancyjne(test odbiorowy), których celem jest potwierdzenie osiągnięcia nominalnej zdolności produkcyjnej instalacji przy nominalnych wskaźnikach użycia materiałów i energii. Protokoły poszczególnych odbiorów wraz z opisem procesu, opisem systemu sterowania jakością i instrukcjami stanowisk pracy stanowią zawartość dokumentacji powykonawczej i rozruchowej instalacji.

·            Koncepcja chemiczna metody.

Celem nadrzędnym działania badacza – technologa jest otrzymanie zjadanego produktu w określonej skali i w sposób ekonomicznym.Istotą koncepcji chemicznej jest ustalenie rodzaju i kolejności przemian chemicznych i fazowych prowadzących od dostępnych surowców do zjadanych produktów. Pełna koncepcja obejmuje następujące elementy:

·         Ustalenie równań stechiometrycznych proponowanych reakcji chemicznych

·         Wykonanie obliczeń stechiometrycznych

·         Wykonanie obliczeń termodynamicznych obejmujących:

·               Powinowactwo chemiczne proponowanych przemian

·               Stałe równowagi chemicznej i fizycznej

·               Skład równowagowy układu

·               Wpływ temperatury, ciśnienia i składu początkowego na stan równowagi układu reakcyjnego

·               Efekty cieplne przemian chemicznych i fizycznych

·         Dokonanie wstępnej kalkulacji kosztów produkcji

·         Dokonanie wstępnej weryfikacji koncepcji chemicznej, dobranie optymalnego wariantu z szeregu teoretycznie możliwych

·         Wyznaczenie doświadczalne właściwości fizykochemicznych czystych reagentów i ich mieszanin

·         Doświadczalne przebadanie kinetyki wybranych przemian chemicznych i fazowych, wyznaczenie szybkości oraz równań kinetycznych la wszystkich reakcji chemicznych, dobór katalizatora.

Teoretycznie istnieje duża swoboda w wyborze koncepcji chemicznej, należy jednak na tym etapie brać pod uwagę następujące uwarunkowanie:

·         Ochronę środowiska

·         Gospodarkę odpadami

·         Dostępność energii, wody technologicznej i chłodzącej

·         Gwarancję dostaw surowców

·         Powiązanie nowej instalacji z innymi instalacjami w kombinacie chemicznym

·         Tendencje cen krajowych i zagranicznych

·         Czystość patentową metody

·         Skalę produkcji

·         Sposób prowadzenia procesu(okresowy lub ciągły)

·         Rachunek ekonomiczny

Podanie optymalnego przebiegu procesu chemicznego

                        Surowce                                                                 Produkty

Jest zasadniczą informacją przy kształtowaniu poprawnej koncepcji chemicznej. Wariantowość rozwiązania wiąże się z alternatywnymi możliwościami otrzymywania danych produktów.

Możliwe jest więc uzyskane tego samego produktu z różnych surowców, tj. :

·         Kwasu octowego z gazu syntezowego(CO + H₂), metanolu, alkanów(C₄), alkenów(C₄), mrówczanu metylu, aldehydu octowego, etanolu.

·         Aldehydy octowego z acetyleny, etylenu, alkoholu etylowego

·         Fenolu z benzenu lub toluenu

Możliwe jest uzyskanie z tego samego surowca różnych produktów, np. :

·         Z benzenu można otrzymać anilinę, poliamidy, kwas benzenosulfonowy, styren, polistyren, kumen, chlorobenzen, alkilobenzeny.

·         Z gazu syntezowego(CO + H₂) wiele różnorodnych produktów, jak: aldehydy, metanol, frakcje benzynowe(synteza Fishera- Tropsha)itd.

Można też uzyskać dany produkt z tego samego surowca w następstwie różnych metod chemicznych, np. :

·         Aldehyd octowy z acetylenu w wyniku:

·         Uwodnienia go na katalizatorze rtęciowym

·         Poprze eter winylowy

·         Poprzez dwuoctan etylidenu

·         Etanol z etylenu, gdy reaguje on:

·         Z parą wodną na katalizatorze H₃PO₄

·         Z kwasem siarkowym(VI) i następuje hydroliza produktu

Ważne jest określenie możliwości realizacji przemysłowej procesu chemicznego, czyli podanie warunków termodynamicznej samorzutności przemian chemicznych proponowanych  w koncepcji chemicznej procesu. Powinowactwo chemiczne procesu chemicznego opisane jest równaniem:

Gdzie:  A -  powinowactwo chemiczne i współczynnik stechiometryczny

             µ_i – potencjał chemiczny składnika, J/mol.

             ∆ g  – entalpia swobodna(potencjał termodynamiczny)reakcji określona dla warunku        T, p = const, J/mol

            W – praca nieobjętościowa, np. elektryczna.

Praktycznie mogą być realizowane tylko takie procesy, dla których powinowactwo chemiczne przyjmuje wartości dodatnie ( A>0).