Оборудование химических производств биологически активных веществ

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Оборудование химических производств биологически активных веществ

Задача выбора и применения оборудования

1. Содержание задачи выбора и применения оборудования

Любой технологический процесс осуществим только при наличии соответствующего по типу, конструкции и параметрам оборудования.

Одной из главных задач инженера-технолога поэтому является правильное (т.е. соответствующее стоящей производственной цели) использование технологического оборудования. Заметим, что использованием энергетического, транспортного, вентиляционного, водоснабжающего, управляющего оборудования занимаются специалисты-смежники: механики, энергетики, кибернетики. Технолог является для всех связующим звеном.

Задача использования технологического оборудования имеет два аспекта:

- выбор нового оборудования в ходе проектирования;

- применение имеющегося оборудования с новыми целями: осуществление нового процесса или изменение условий ведения действующего производства, т.е. изменение режима работы оборудования.

Аспекты эти имеют каждый свою специфику, однако методология решения задачи в основном едина.

2. Требования к оборудованию

Во всех случаях выбор оборудования для химических производств БАВ обусловлен рядом очевидных требований. Эти требования обусловлены спецификой ХФП (см. курс ОХТ БАВ).

1. Широчайшая номенклатура продуктов. Большие различия их физических и химических свойств. Жёсткие требования к качеству конечной продукции - лекарственных субстанций и витаминов. Как известно, Фармакопея исключает сортность продукции.

2. Громадное многообразие осуществляемых процессов; сложность из механизмов. Высокая потенциальная опасность процессов, обусловленная токсичностью, взрывопожароопасностью и агрессивностью сред, значительным энергетическим потенциалом процессов, использованием температур от - 50^ОС до + 650^ОС и давлений до 20 МПа.

3. Жёсткие требования к точности соблюдения технологических параметров.

4. Жёсткие требования к коррозионной стойкости и чистоте аппаратуры и расходных материалов. Во многих случаях аналитические методы позволяют обнаруживать нежелательные примеси в количестве (10^-3…10^-5)%, что формирует требования к степени загрязнения субстанций, например, продуктами коррозии. Поэтому, как правило, антикоррозионные требования в ХФП по существу жёстче, чем в большинстве других отраслей химической промышленности. (Нельзя не отметить, что эти специальные требования устанавливаются специалистами в процессе пуска и эксплуатации производств, т.е., сугубо эмпирически. Отраслевых нормативных документов, кодифицирующих опыт и научно обосновывающих таковые требования, до сих пор нет).

5. Огромная и интенсивно [на (10…15)% ежегодно] обновляемая номенклатура продукции. Широчайший диапазон масштабов/мощностей производства: от долей килограмма (противораковые и противовирусные субстанции; опытное производство) до тысяч тонн (витамин С; витамин А; салициловая кислота и её производные; парацетамол) в год.

Эти обстоятельства обусловливают ряд следствий.

5.1 Доминирование периодических процессов (свыше 97%).

Эти процессы имеют ряд особенностей. Они принципиально нестационарны - их параметры постоянно меняются во времени. Каждая технологическая процедура каждой технологической операции любой стадии производства во всех технологических процессах протекает отлично от других, формируя сложный многорежимный технологический цикл на каждой серии выпуска продукции.

При этом ряд процедур и операций технологических циклов разных аппаратов и установок перекрываются - в основном при осуществлении загрузок и передачи сырья и полупродуктов.

5.2 Применение многофункционального оборудования. В наибольшей мере это относится к реакторам и массообменным аппаратам.

5.3 Нестационарность и многорежимность процессов, разнообразие свойств полупродуктов обусловливают техническую сложность управления процессами с позиций аналитического, метрологического и кибернетического обеспечения.

Выбор и определение режима работы оборудования производят на основании ряда требований, которые условно можно разделить на обязательные требования и требования оптимальности процесса.

Обязательные требования

1. Безопасное ведение процесса

Оборудование во всех технологических режимах должно выдерживать коррозионное действие среды, температурный режим, давление, статические и динамические нагрузки, быть герметичным, защищать людей от вредных воздействий физических полей.

2. Получение продукта установленного качества (особенно - Фармакопея)

В первую очередь здесь важно то, что коррозия должна быть настолько незначительной, чтобы образующиеся примеси не ухудшили качества продукции. Фармакопея предъявляет исключительно жёсткие требования в этом отношении.

Кроме того, должно быть обеспечено эффективное выделение и очистка целевых продуктов: проведение промывок, разгонок, сорбционной очистки и т.д.

3. Для оборудования последних стадий получения чистых фармакопейных субстанций - соответствие специфическим требованиям GMP (ОСТ 42-510-98). Сюда относятся: герметичность; пыле- и грязезащищённость; наличие устройств бактерицидной обработки.

Требования оптимальности

4. Максимальная производительность, максимальный выход целевых продуктов.

5. Возможность максимальной механизации и автоматизации процесса.

6. Обеспечение минимальной материало- и энергоёмкости процесса.

7. Минимизация количества отходов. Максимальное использование вторичных материальных ресурсов (ВМР).

8. Удобство эксплуатации, долговечность и ремонтопригодность.

9. Возможность применения в разнообразных условиях; т.е. максимально возможная технологическая гибкость производства.

10. Минимальная стоимость приобретения, монтажа и эксплуатации оборудования.

Требования безопасности продукции и работ являются общетехническими. Они в достаточной мере изложены в руководящих документах - как национальных, так и принятых международными обязательствами России (ОПВПБХП-98; ПУЭ-96; система НПБ, Правила котлонадзора, система САНПиН, система СНиП; Правила Радиационной безопасности; система стандартов и нормалей машиностроения; Codex Аlimentarius; система ГОСТ Р; система ГОСТ 14000 и т.д.). Специфические требования ХФП, как отмечено выше, изложены в Фармакопее и Российских национальных GMP (ОСТ 42-510-98).

Требования оптимальности отчасти также вытекают из общетехнических правил. Но они в основном должны быть сформулированы в Задании на проектирование и Исходных данных. (Однако нужно прямо сказать, что, как правило, эти важнейшие моменты в Заданиях отражены недостаточно).

3. Технологическая классификация оборудования

Оборудование применяют (и выбирают в процессе проектирования) в соответствии с его технологическим назначением. Поэтому полезно провести некоторую технологическую классификацию оборудования; она не может совпадать ни с конструктивной классификацией, принятой машиностроителями, ни с теоретической классификацией ПАХТ.

Предлагаемый вариант, безусловно, носит черты субъективности, однако учитывает действительную типологию стадий и операций ХТП и основан не только на личном опыте и пристрастиях автора.

Классификация включает десять основных классов.

1. Реакционно-массообменное оборудование (реакторы)

Бесспорно, реакторы суть главнейший класс химической аппаратуры. Однако в реальных ХТП химические реакции всегда сопровождаются процессами тепло-массообмена (а также перемещением среды, поглощением и испусканием излучений и иными физическими явлениями). В качестве реакторов используются те же массообменные аппараты.

Условность в том, что, бесспорно, существует много процессов тепло-масоообмена, не осложнённых химическими реакциями.

Сюда относятся: реакторы; кристаллизаторы; диссольверы; выпарные, дистилляционные и ректификационные аппараты; абсорберы и адсорберы (в т.ч. технологические хроматографы); ионообменники; мембранные, электро- и магнитофоретические аппараты.

2. Теплообменное оборудование

Собственно теплообменники общего назначения

3. Холодильное оборудование

4. Сушильное оборудование

Сушка представляет специфический по механизму, оформлению, требованиям безопасности и значению класс процессов. Поэтому вынесение сушилок в отдельный класс оборудования вполне оправдано.

5. Сепарационное оборудование

Оборудование гидромеханического разделения гетерогенных систем.

Напорные, вакуумные и напорно-вакуумные фильтры; осадительные и фильтрующие центрифуги; центробежные жидкостные сепараторы; флорентийские сосуды; отстойники и жалюзийные пылеуловители; циклоны, проходные сепараторы и гидроциклоны; электростатические фильтры-сепараторы; магнитные сепараторы.

6. Дозировальное оборудование

Дозирование, а также измерение и учёт количества веществ и материалов - особый и очень важный вид операция в химической технологии. Эти операции осуществляются как средствами КИПиА, так и специальными видами технологических машин и аппаратов.

Сюда относятся: весы; весовые дозаторы с автоматами и механизмами отсечного, шлюзового, вибрационного, шнекового типов; поршневые, плунжерные, мембранные, перистальтические дозирующие насосы и насосные агрегаты; шприцевые дозаторы для наполнения ампул; мерные сосуды (мерники).

Специфика этого оборудования в том, что оно относится к средствам измерения и подлежит метрологическому надзору.

7. Механико-технологическое оборудование

Измельчительное: дробилки; дезинтеграторы и дисмембраторы; мельницы.

Классифицирующее: сита и грохоты.

Формовальное: прессы; таблетирующие и гранулирующие машины; каландры; экструдеры; смесители.

Упаковочные: машины и автоматы.

8. Оборудование механизации технологических процессов

По преимуществу это оборудование для перемещения продуктов и материалов: конвейеры и рольганги; шнековые, ленточные, ковшовые, цепные (нории) транспоортеры; системы пневмо- и гидротранспорта; тельферы и лифты; подъёмники и кантователи для контейнеров, малых ёмкостей, штучных материалов и изделий.

Особое место здесь занимают средства малой механизации: ручные тележки и подъёмники, а также авто- и электрокары для внутрицехового транспорта.

9. Оборудование транспортировки и хранения продуктов и материалов

Жидких: сборники; монтежю (монжусы) и газлифты; цистерны (в т.ч. автомобильные и железнодорожные); баки, бочки, канистры: бутыли (в т.ч. большой вместимости - до 2000 л).

Газообразных: баллоны; ресиверы; газгольдеры.

Твёрдообразных (штучных, кусковых, сыпучих): барабаны; контейнеры.

Это оборудование по преимуществу представляет собой, строго говоря, возвратно-оборотную тару. Однако во многих случаях это достаточно сложные изделия, содержащие устройства подключения и коммутации, а также системы автоматизации. Зачастую они являются штатными компонентами транспортных (цеховых и складских) систем. Значение их очень велико, что и позволяет выделить их в отдельный класс.

10. Трубопроводное оборудование

Излишне говорить о важности в химической технике трубопроводных систем (этой, по образному выражению Маркса, - «сосудистой системы химической фабрикации»).

Сюда относятся:

- трубы круглого и прямоугольного сечения, рукава и шланги;

- соединительно-сборочные детали - фланцы, муфты и уплотнительные детали к ним;

- коммутационные детали: углы, отводы, тройники, фитинги, крестовины, коллекторы;

- запорно-регулирующая трубопроводная арматура: краны; вентили; клапаны; заслонки;

задвижки; двух- и многоходовые переключатели; дроссели; диафрагмы и ограничительные

шайбы и втулки; шиберы.

- исполнительные механизмы КИПСА: регуляторы прямого действия; клапаны, заслонки, задвижки, переключатели - с механическим, электрическим, пневмо- и гидроприводом.

технологический оборудование биологический активный вещество

4. Методология решения задачи выбора и применения оборудования

Общая оценка методологии

В целом можно сказать, что, несмотря на различия в назначении оборудования и громадное разнообразие типов конструкций, существует общая методология выбора и оценки условий применения.

Общие исходные положения, на которых зиждится эта методология, таковы.

1. Следование общим правилам безопасности; требованиям технического и экологического законодательства.

2. Учёт общих требований к оборудованию в химических производствах и показателей эффективности его работы.

3. Учёт и понимание системы технических характеристик оборудования и правил его эксплуатации.

4. Содержание задачи технолога-проектировщика: техперевооружение, реконструкция или новое строительство.

5. Конкретные требования Задания на проектирование и условия Исходных данных:

вид процесса - непрерывный или периодический;

мощность производства;

класс опасности проектируемого процесса (коррозионные, токсические, взрывопожароопасные свойства веществ и материалов, количество опасных материалов);

система (нормы и график) планово-предупредительных ремонтов;

используемый технологический метод;

нормы технологического режима на всех стадиях и операциях (материальный баланс, порядок загрузки-выгрузки реагентов, температурные режимы процессов, воздействие внешних полей и излучений).

Требования к оборудованию и показатели эффективности его работы

Этот вопрос чрезвычайно важен и требует специального освещения. Существует ряд основных характеристик и требований, предъявляемых к технологическому оборудованию в химических производствах (в первую очередь - к реакторам).

1. Производительность

Def. Производительность: количество продукта, получаемого в единицу времени

G/[кг/с; кг/ч; т/ч] - массовая

П = (1)

v/[м³/с; м³/ч] - объёмная.

где G, v - количество продукта в массовом или объёмном измерении;

- время.

Как правило, следует стремиться к достижению максимальной производительности.

В первую очередь этого можно добиться увеличением размеров аппарата. Однако нужно помнить, что без значительного усложнения конструкции это возможно лишь в определённых пределах; при этом снижается удельная поверхность теплообмена, возрастает энергопотребление аппарата. Кроме того, всегда растут габариты, масса, цена и стоимость эксплуатации реактора.

Поэтому следует идти путём повышения интенсивности работы реактора.

2. Интенсивность

Def. Интенсивность: количество продукта, получаемого в единицу времени c единицы размера рабочей зоны оборудования

Для объёмных аппаратов

П/V_P = G/ V_P [кг/м³ сек; кг/ м³ч; т/ м³ч] - массовая

I_V = (2)

П/V_P = v/ V_P [ сек^-1; ч^-1] - объёмная.

Для поверхностных аппаратов

П/V_P = G/ S_P [кг/м³ с; кг/ м³ч; т/ м³ч] - массовая

I_S = (3)

П/V_P = v/ S_P [ с^-1; ч^-1] - объёмная.

где V_P, S_P - рабочий объём или рабочая поверхность реактора.

Интенсивность зависит от: конструктивного типа аппарата, механизма процесса, реализуемого макрокинетического режима, температурного режима процесса; способа подачи и отвода продуктов.

Следовательно, интенсифицировать работу можно за счёт оптимизации технологического режима процесса и за счёт правильного выбора конструкции оборудования.

3. Максимальная селективность и выход целевого продукта

Это едва ли не самый важный критерий эффективности работы реакторов.

Достигается также за счёт оптимизации технологического режима процесса и за счёт правильного выбора конструкции реактора.

4. Минимальное энергопотребление

Энергозатраты определяются в основном режимом движения среды, условиями перемешивания и тепловым балансом процесса.

Снизить энергозатраты можно за счёт оптимизации температурного режима, использования теплоты, экзотермических процессов, правильного выбора энергоносителей.

5. Управляемость

Достигается оптимизацией (упрощением структуры) технологического режима и обеспечением необходимого уровня автоматизации управления процессом.

Важным аспектом этой проблемы является максимальная простота и удобство технического обcлуживания оборудования, т.е. фактор эргономичности.

6. Надёжность и безопасность

Обеспечивается в первую очередь конструкцией аппарата, а также средствами управления и автоматической защиты процесса.

7. Минимальные экономические издержки изготовления, монтажа и эксплуатации

Экономические характеристики как таковые являются следствием найденных технических решений, но с другой стороны, экономические возможности в большой мере предопределяют технические решения.

Основные факторы, определяющие выбор оборудования

1. Физико-химические:

- природа, механизм и динамика процесса;

- агрегатное и фазовое состояние среды (растворение или выделение твердых продуктов, газовыделение, эмульгирование жидкостей);

- коррозионная активность реакционной массы;

- тепловой режим; интенсивность выделения (поглощения) тепла;

- необходимость использования лучистой энергии (ИК- и СВЧ-аппараты и фотохимические реакторы имеют специфические конструктивные черты).

2. Технико-экономические:

- потенциальная опасность процесса и необходимость его защиты;

- материальный баланс процесса;

- проектируемый режим работы: периодический, полупериодический, полунепрерывный, непрерывный;

- временная определённость технологического режима (в первую очередь теплового): стационарный или нестационарный;

- достижение максимальной селективности процесса и высокого выхода продукта;

- возможность совмещения нескольких операций;

- обеспечение максимальной интенсивности работы аппарата;

- режим теплообмена и применяемые энергоносители;

- эргономичность:

- мощность создаваемого (модернизируемого) производства и тип создаваемой ХТС: индивидуальная, совмещённая, мобильная;

- экономические ресурсы: при прочих равных условиях следует использовать более дешёвое оборудование.

Действие этих факторов и соответствующие требования противоречивы. Поэтому выбор оборудования всегда осуществляется на основе компромиссного решения.

Алгоритм выбора оборудования ХТП

Всё вышесказанное позволяет отразить методологию и алгоритм выбора оборудования в ходе проектирования в виде блок-схемы. Приведённая на рисунке 3 схема достаточно подробно (хотя и определённой условностью) отражает всю процедуру выбора аппарата в ходе проектирования.

Технолог здесь выполняет самую сложную и ответственную часть своей работы. От результатов её зависит правильность и эффективность всех последующих проектных решений.

Основные этапы работы выделены жирным шрифтом.

Анализ задания и исходных данных.

Построение циклограмм - графиков, отражающих а) синхронизацию работы аппаратов на разных стадиях процесса во времени и б) физическое состояние каждого аппарата.

Расчёт количества циклов (серий производства) на весь выпуск и среднесуточной мощности. Расчёт материального баланса операции (серия для периодических и единица времени для непрерывных процессов).

Оценка требований к аппарату.

Предварительный выбор аппарата по материальному балансу и требованиям.

Расчёт (поверочный) параметров интенсивности процесса и оценка соответствия их требованиям Задания (соответствие аппарата).

Выработка технических и технологических решений по дооснащению аппарата и уточнению режима процесса.

Принятие комплекса окончательных решений для рабочего проекта.

Задание и Исходные данные
Мощность и режим работы производства	Требования к чистоте и качеству продукта	Сущность и механизм процесса
Стадии, операции, процедуры; нормы времени. Годовой выпуск. График ППР и ФРВ.		Токсические, взрывопожароопасные и коррозионные свойства веществ и материалов. Фазовое состояние и реология системы. Температура, давление, внешние поля. Тепловые эффекты, скорости и равновесия
v v
Число серий (циклов) на весь выпуск и среднесуточная мощность
v v v v
Материальный баланс стадии и операций	Требования коррозионной стойкости	Требования прочности и плотности	Требования к управлению аппаратом
v
Предварительный выбор типоразмера оборудования
v
Гидродинамика. Тепло- и массоперенос. Параметры равновесий. Кинетические и характеристические уравнения и макрокинетика процессов в реакторах; времена превращений. Критические (опасные) состояния аппарата, точки бифуркаций и условия возможных неустойчивостей.
v v
Технические решения	-	Технологические решения
Задание механикам по дооснащению аппарата специальными устройствами (гарнитурой); монтажу аппарата и механизации процесса. Задание кибернетикам по оснащению средствами автоматизации (в т.ч. - автоматической защите). Задание энергетикам по видам, расходу и параметрам энергоносителей.		Структура (циклограммы) процесса. Рациональные (оптимальные) технологические режимы ведения процесса. Уточнённый материальный и тепловой балансы процесса. Режим пуска и остановки производства. Экологические характеристики процесса.
v v
Обобщённые проектные решения
Марка аппарата. Специальное оснащение (гарнитура). Размещение в пространстве (компоновка). Средства механизации и автоматизации (в т.ч. - автоматической защиты) процесса. Нормы технологического режима, пуска и остановки производства. Энергообеспечение. Экологическая защита процесса (ПО, ОБО и ОБВ). Аварийная защита и сигнализация.

Рисунок 3. Блок-схема алгоритма выбора и расчёта аппарата как этапа технологического проектирования Размещено на allbest.ru

...