Разработка и проектирование

Чтобы узнавать последние новости, подпишись на нашу группу в VK

За последние 30-40 лет химическая техника в своем развитии пережила бурный количественный и качественный рост. Были созданы новые уникальные промышленные производства, которые достигли небывалого гигантизма, когда единичная мощность отдельного аппарата, агрегата, компрессора и т. п. достигла практически предельных значений. Небывалые успехи ученых в разработке новых катализаторов и решении других вопросов интенсификации процессов позволили создать эффективную химическую технику при более низких давлениях и температурах. Давно наблюдается «откат» от строительства новых гигантских технологических установок, все больше внимания уделяется модернизации применяемых процессов для улучшения их технико-экономических и экологических показателей, повышения технической надежности работы всего оборудования, понижения потенциальной опасности химической техники. Однако принципиально новые процессы или аппараты для их осуществления появляются редко.

Фирмы перешли на продажу комплектных химических производств и новых химических технологий - современных ноу-хау (know-how); поставка зарубежных промышленных установок использует прогрессивную форму «ключи в руки» (clef en main), когда продавец поставляет оборудование, материалы и др., монтирует, пускает, обучает персонал и передает заказчику «ключи от производства». Химическая техника стала более совершенной, сложной и надежной.

Высокий уровень энергосбережения и безотходности, замкнутые циклы водоснабжения, повышенные коэффициенты полезного действия оборудования, высокий выход продукции с единицы объема химических, массообменных и других аппаратов, большие межремонтные сроки работы оборудования - основные характеристики современной химической техники. Крупные фирмы по разработке химической техники накопили большую базу научно-технических данных по разнообразным процессам на мощных ЭВМ, применяются системы автоматизированных экспериментальных исследований (САИ), системы автоматизированного проектирования (САПР). В создании новой техники появились новые понятия и методологии: развитие процесса (Process Developement) на примере Французского нефтяного института (IFP), ставшего в последнее время признанным конкурентом среди передовых разработчиков химических технологий, проектные исследования и др.

Проблема выбора нового процесса (метода, производства) осложняется необходимостью рассмотрения большого числа вариантов. Например, по данным одной зарубежной фирмы, изучение 540 предложений (вариантов) по получению химических продуктов показало, что 92 из них были отвергнуты при первом рассмотрении. Из оставшихся вариантов для лабораторных испытаний были отобраны 108 вариантов, из которых только 8 достигли проверки на опытных установках крупных размеров и лишь один вариант был использован для коммерческого производства.

Многообразие вариантов, сложность и дороговизна экспериментальных исследований, сжатые сроки разработки диктуют необходимость выбора нового процесса (метода, производства) на возможно более раннем этапе исследования с участием проектировщиков и конструкторов основного оборудования. Некоторые зарубежные фирмы пересматривают результаты своих исследовательских работ 2-4 и даже 6 раз в год после окончания очередного этапа разработки. Иногда проектирование фрагментов процесса (метода, производства) начинается до полного окончания последних исследований, что сокращает срок внедрения проекта с 4-5 до 2-3 лет. Промышленная реализация новой идеи проходит долгий путь моделирования, т. е. изучения на физических моделях (лабораторные установки небольших размеров, опытные (пилотные) установки более крупных размеров, опытно-промышленные установки) и математических моделях с применением ЭВМ. Последний этап моделирования - это промышленная установка. На каждом этапе модель обновляется, пополняется новой информацией, очередной эксперимент проводится в условиях, все более близких к «боевым» - к промышленным условиям.

Часто термин «моделирование» обозначает также организацию научных и проектных исследований, поэтому его называют также «развитие процесса». Число промежуточных этапов масштабирования (изучения) зависит не только от производительности промышленной установки, но и от сложности процессов, степени их изученности и математической обеспеченности. Например, если промышленная установка имеет производительность в 10 тысяч раз больше, чем первая лабораторная установка, то необходимы следующие промежуточные установки при коэффициенте масштабирования, равном 10 (весьма высокое значение, чаще 2-3): лабораторная установка производительностью 0,01 % от промышленной мощности; четвертьпромышленная установка (0,1 %); полупромышленная установка (1 %); опытно-промышленная установка (10 %).

При таком подходе получают надежные и полные данные для проектирования, но большая продолжительность проектных исследований и экспериментальных работ в промежуточных масштабах задерживает и удорожает внедрение процесса в производство. Необходимость быстрого внедрения обычно ограничивает исследования в промежуточных масштабах. Идеальным является математическое моделирование на ЭВМ, однако после периода интенсивного использования расчетных методов, вызванного широким распространением ЭВМ, заметна тенденция возврата к строительству четверть- и полупромышленных (пилотных) установок. Особенно интересна реализация в малом масштабе сложных производственных линий (цепочек) разных процессов. Такие установки, называемые иногда мини-плантами (mini-plant), оказывают огромную помощь при исследовании продолжительности работы установки, переходе на новые катализаторы, при смене исходного сырья, повышении глубины превращения сырья, при автоматизации и оптимизации процессов.

Обязательно применяются прогрессивные методы стратегии разработки систем - системотехника. Технологический процесс (или наиболее важная его часть), совокупность технологических процессов (установок, цехов) представляются в виде системы взаимно подчиненных подсистем (элементов) в определенной многоуровневой структуре (иерархии). На каждый элемент системы составляется математическая модель. Системотехника включает также математические методы расчета (оценки) проектной надежности функционирования каждого элемента (подсистемы) и всей системы в целом, а также математического поиска оптимальных решений не только для отдельных процессов и аппаратов, но и для всей технологической схемы (линии) установки как единого целого.

Кибернетика - это абстрактная наука, изучающая системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию для целей управления. Кибернетика использует следующие понятия: системы, информация, ее хранение и переработка, управление системами, математическое моделирование, ЭВМ как технические средства. Химическая система -совокупность физических и химических процессов и средств их осуществления, т. е. это процессы, аппараты и все средства контроля и управления. Всякая система состоит из взаимосвязанных частей (элементов) и в определенном смысле представляет замкнутое целое. Всякая система имеет входы и выходы. Например, в простейшем случае входами могут быть сырье, его состав и расход, температура и давление и т. д. Выходами соответственно могут быть готовый продукт, его расход и состав, температура и давление и т. д. Система подвержена возмущениям (отклонения технологического режима, изменение свойств катализаторов и др.), и для их устранения (ослабления, компенсации) в систему поступают управляющие воздействия.

Условно системы разделяют на малые и большие. Малая система однозначно определяется свойствами единичного процесса, она ограничена этим процессом, его внутренними связями и особенностями аппаратурного оформления. Большая система состоит из совокупности малых систем и отличается от них в количественном и качественном отношениях. Признаками больших систем являются определенная целостность, наличие единой цели, общего назначения; большие размеры, большое число выполняемых функций; сложность поведения; наличие конкурирующих свойств и сторон поведения. Примером большой кибернетической системы служит химический цех, химический завод, нефтеперерабатывающий завод и т. п.

Единичные процессы в малых системах обычно являются детерминированными, т. е. в них определяющие выходные величины изменяются непрерывно по вполне известным зависимостям. Значение выходного параметра, характеризующего процесс (ректификация, фильтрование, абсорбция, нагревание и т. п.), однозначно зависит от значения входных параметров. Для описания и расчета таких процессов применяют методы классического анализа и численные методы.

Стохастическим называется такой процесс, в котором изменение определяющих величин происходит беспорядочно и часто дискретно. При этом значение выходного параметра не находится в соответствии с входным параметром. Для описания и расчета стохастических процессов используют статистико-вероятностные методы. Примером может быть единичный процесс каталитического крекинга или синтеза аммиака и др., в котором выход продукта изменяется во времени с уменьшением активности катализатора из-за его старения, спекания, увеличения размера частиц и других случайных причин. Для больших систем описание взаимосвязей между подсистемами стохаотическими зависимостями является более логичным по сравнению с поиском неизменных детерминированных зависимостей. Широкое внедрение вероятностных методов характеризует качественный поворот в исследовании и проектировании химической техники, в том числе и расчетов на прочность оборудования и оценки надежности систем.

Любое химическое производство представляет собой единую технологическую систему. Большая система состоит из многочисленных взаимосвязанных подсистем, между которыми существуют отношения соподчиненности в виде многоуровневой иерархической структуры. На первом (низшем) уровне располагаются малые системы единичных процессов в определенном аппаратурном оформлении с локальными системами управления (в основном для стабилизации технологических параметров и контроля параметров безопасносной работы аппарата). Для аппарата и группы технологически связанных аппаратов широко применяться микропроцессоры, контролирующие и управляющие машины. Второй уровень образуют системы технологических установок (цехов) и системы их автоматического управления (САУ) или регулирования (САР), которые не только контролируют главные показатели работы установки, но могут оптимизировать работу многих аппаратов установки (например, распределение сырьевых нагрузок между аппаратами, поддержание качества продукции при изменении состава сырья и др.). Третья (высшая) ступень - это системы оперативного управления совокупностью установок (цехов), системы организации производства, планирования запасов сырья и сбыта готовой продукции - автоматизированная система управления производством (АСУП).

Оценка эффективности (качества) работы системы осуществляется при помощи показателя (критерия) эффективности функционирования системы. В качестве такого показателя могут использоваться как технологические, так и экономические характеристики процесса (установки, цеха, завода). Важно так выбрать показатель эффективности, чтобы он достаточно полно характеризовал качество работы системы. Показатель эффективности составляется в виде сложной математической функциональной зависимости - целевой функции. При оптимальном проектировании выбор окончательного варианта производится по специально разработанной стратегии математически обоснованными методами перебора весьма большого числа (часто многих сотен) вариантов конструктивных схем и технологических режимов аппаратов и установок. Для решения этой задачи применяются системы автоматизированного проектирования (САПР). САПР позволяет также с помощью графопостроителей автоматически готовить техническую документацию (конструкционные, монтажные и другие чертежи, диаграммы, сметы, спецификации и др.).

На каждый новый объект капитального строительства составляется и утверждается в государственных органах проектно-сметная документация. Проектные работы начинаются только после технико-экономического обоснования (ТЭО) целесообразности намечаемого строительства нового производства или его реконструкции. На основе положительного ТЭО готовится задание на проектирование. Назначаются заказчик проекта и генеральный проектировщик - проектная организация, разрабатывающая технологическую часть проекта. Генеральный проектировщик для выполнения всех частей проекта может привлекать субподрядчиков - другие проектные организации.

Проект содержит многочисленные части: технологическую, монтажную, контроль и автоматизацию, внешние сети, генеральные планы, проектно-кон-структорскую и оборудование, энергетическую, строительную и др. Проектирование ведется в несколько стадий: например, первая стадия - технический проект, вторая стадия -рабочие чертежи. Широко используются типовые проекты отдельных установок или повторно применяемые проекты, тогда проектирование проводят в одну стадию (технорабочий проект).

Технический проект содержит технико-экономическую часть, генеральный план объекта и транспорт (дороги автомобильные и железнодорожные, подъездные пути внутри и вне предприятия), технологическую часть, общие виды основного оборудования, планы компоновок оборудования и трасс цеховых и межцеховых трубопроводных коммуникаций, строительную часть, отопление и вентиляцию, энергоснабжение, водоснабжение, канализацию, организацию строительства и монтажа, сметную документацию. Технический проект выпускается в виде технических записок, расчетов, чертежей и смет.

На основании утвержденного технического проекта заказчику выдаются техническое задание на изготовление нового нестандартного оборудования и спецификация остального типового, стандартного оборудования с указанием выпускающих его машиностроительных заводов. На стадии рабочих чертежей изготавливают все необходимые рабочие чертежи, производят изменения, доработки и доделки проектно-сметной документации. На изготовление любой детали, узла, оборудования должен быть чертеж. По чертежам технического проекта ничего не изготавливают и не строят. По рабочим чертежам составляется сметная документация на все виды приобретения или изготовления материалов и оборудования, на все виды строительных и монтажных работ. Монтажные чертежи оборудования и трубопроводов составляют от 40 до 70 % всего объема рабочих чертежей. Проектирование и подготовка чертежей регламентированы большим количеством государственных нормативных документов. Применяют разные методы монтажного проектирования. метод планов и разрезов; аксонометрический метод; макетирование. Используют и комбинирование этих методов. Макетирование отличается наглядностью, оно очень полезно при строительно-монтажных работах, для обучения персонала. Макет можно размножать, фотографировать с разных точек, однако чертеж должен быть и сохраняться как архивный документ проекта.

Удивительны успехи САПР, но нельзя забывать, что графопостроители вычерчивают чертежи объекта по предварительно созданным и введенным в память ЭВМ сложным математическим программам машинной графики. Графопостроители разных конструкций и размеров успешно применяются крупными фирмами для создания авиационной, автомобильной, машиностроительной техники. Однако графопостроитель (устройство машинной графики) не заменит (не ставится даже такая цель) творчества квалифицированного проектировщика и конструктора. Часто эффективно использование системы АРМ - автоматизированного рабочего места исследователя-расчетчика и проектировщика, которая работает в режиме диалога машина-человек именно для высвобождения человека от рутинной работы (база справочных данных, сложные расчеты, вычерчивание стандартных проектных решений и др.).

По зарубежным данным, в результате использования САПР сроки проектирования и доводки самолетов сокращаются в 2-3 раза, в автомобильной промышленности на создание новой модели вместо 2-3 лет уходит 8-12 мес. Следует отметить, что создание САПР - дорогостоящий и длительный процесс (несколько лет), особенно в части программного обеспечения, машинной графики и банков данных. САПР представляет собой «симбиоз» человека и определенных средств обеспечения автоматизированного проектирования.

По уровню автоматизации САПР бывают низкого уровня (число автоматизированных проектных процедур до 25 % от их общего числа), среднего (от 25 до 50 %) и высокого при более 50 % автоматизированных процедур и реализации алгоритмов оптимального проектирования. В зависимости от назначения и его уровня САПР комплектуется различной техникой обеспечения: универсальная ЭВМ, устройства ввода графической информации (чертеж, график, схема и др.), устройства вывода графической информации - двухкоординатные графические регистрирующие устройства планшетного и барабанного типов с максимальным размером чертежа 1050x1000, 841x1600, 1200 х 1600, 1000 х 8000 мм и более.

Например, планшетный графопостроитель представляет собой металлический стол на опорах размерами в плане 1700 х 1800 мм и более с горизонтальным планшетом для закрепления бумаги, над бумагой перемещается траверса, по которой движется каретка с пишущими элементами (устройствами). Двухкоординатное движение пишущего элемента осуществляется с помощью шаговых электродвигателей траверсы и каретки, получающих команды от ЭВМ. Для перемещения пишущего элемента в направлении одной из координат на 10 мм при элементарном шаге пишущего элемента 0,05 мм входная информация на шаговые электродвигатели содержит 200 команд.

Одним из немногих технологически и экономически выгодных способов повышения качества проектного производства является его автоматизация. Таковым является, например, программно-сетевой комплекс «Система автоматизированного проектирования промышленных объектов», который модифицируется для отраслевых целей с учетом их специфики. В составе системы может использоваться программа 3D проектирования и другие современные лицензионные программные продукты.




Материал для реферата "Разработка и проектирование" или курсовой. Обсуждение ниже.

Чтобы получить полную информацию, подпишись на нас Vk.com/enciklopediyatehniki