Второй этап - лабораторные исследования
Сразу отметим несколько обстоятельств, напрямую влияющих на работоспособность будущей ХТС.
1.Посмотрим для примера справочник азотчика [67] о возможных маршрутах химических реакций в смеси из трех компонент: H2O, C, O2. Всего этих разных реакций - 17. Для разработки установки газификации угля с целью получения синтез - газа для синтеза метанола наш химик выбрал какой-то комплект из 4-х реакций, считая остальные 13 несущественными. На вопрос, почему только 4, а не 6, почему именно эти 4 реакции, а не другие, внятного ответа не было. Другой химик-технолог по взрывчатым веществам в аналогичной ситуации откровенно заявил: “Я так чувствую!”, причем это был очень хороший химик-технолог, его установки работали, как часы. Следовательно, первый и важнейший этап - выбор комплекта реакций химических превращений - отдается на откуп эксперту, опыту химика-технолога, на его «чувствах» будем создавать ХТС и далее исследовать ее работоспособность.
Ситуация резко осложняется в случаях использования минерального, природного сырья. Например, кольский или казахстанский апатит - для производства фосфорной кислоты, серный колчедан - для производства серной кислоты, глина - для производства керамзитового гравия и песка, бытовой мусор - для пиролиза и производства синтез газа и т.д. В сырье природного происхождения столько всего намешано в разных пропорциях, что говорить о каких-то маршрутах химических превращений можно только очень предположительно. Придется экспериментально выяснять зависимость неких интегральных характеристик химических превращений от режимных параметров. Такая же ситуация в нефтепереработке, в производстве и переработке органических веществ, в биохимии.
Рис. 5.1 Блок-схема типичного алгоритма разработки и создания ХТС
2. Специфика лабораторных химико-технологических исследований такова, что кинетические параметры химических превращений трудно отделить от влияния сопутствующих процессов переноса. В одной лаборатории решили исследовать процесс превращений в фильтрующем слое катализатора, в другой - в псевдоожиженном слое, в третьей - в режиме пневмотранспорта, в четвертой - в аппаратах вихревого типа и т.д. Кинетические характеристики при этом получаются, как правило, разные, даже если термодинамические параметры ведения процесса одинаковы.
Это обстоятельство приводит к двум последствиям: во-первых, эту количественную информацию о “кинетике” химического превращения чаще всего нельзя перенести на реактор большего размера, во-вторых, теплофизик или другой специалист по процессам переноса, приступая к расчету нестандартного оборудования (реактора), вынужден использовать тот процесс, который избрал химик-технолог в лаборатории. Здесь “процесщикам” установлен запрет на выбор других видов процессов переноса, чтобы оптимизировать работу реактора по каким-то критериям, или их ждет малая вероятность работоспособности процессов.
И все это не вина химиков-технологов, а их беда: получить количественную информацию с хорошей точностью о кинетике собственно химических превращений для нового, неизвестного пока процесса - архисложно. Но, сочувствуя химикам, не будем забывать о предмете нашего исследования - работоспособность и надежность будущей ХТС. Осознаем тот факт, что количественная информация, полученная в лабораториях химиков, носит оценочный, пристрелочный характер, имеет некоторую погрешность, которую невозможно оценить количественно. Собственно, именно поэтому и необходимы все остальные этапы (см. рис. 5.1), чтобы экспериментально определить параметры и режимы ведения процессов превращений, постепенно увеличивая масштаб установки.
Третий этап разработки - создание и обследование пилотной установки, которая представляет собой первую попытку технологов “одеть в железо” технологию, разработанную на “пробирочном” уровне.
В результате экспериментов на пилотной установке утверждается технологическая схема, набор оборудования, параметры состояния технологического потока, гидродинамические режимы, и все это во имя качества целевого продукта. Именно здесь генерируются элементы множества заданных параметров технологического плана.
Четвертый этап - регламент и ТЭО.
Результаты исследования пилотной установки образуют основное содержание технологического регламента на проектирование опытно-промышленной установки. Это - документ, его содержание, перечень глав ГОСТированы.
Разработка технико-экономического обоснования (ТЭО) проводится проектной организацией на основе регламента. Здесь проектировщики находят стоимость основного оборудования, добавляют к ней 30% от этой стоимости затраты на стоительно-монтажные работы, столько же на создание АСУ ХТС. Так формируются капитальные затраты на создание ХТС. Затем по регламенту находятся текущие затраты на производство целевого продукта (затраты на сырье, энергию, воду, складирование и т.п.). Здесь же проектировщики определяют численность и состав обслуживающего персонала, ремонтной службы, цеха КИП и А). При существующем уровне зарплаты в макросистеме находятся текущие затраты на оплату труда рабочих и ИТР.
Наконец, проводится расчет себестоимости целевого продукта ХТС в виде дроби: в числителе – текущие годовые затраты на производство + амортизационные отчисления, в знаменателе – количество произведенного за год целевого продукта. Зная рыночные цены в макросистеме на целевой продукт, определяется срок окупаемости инвестиций на создание ХТС.
Еще раз подчеркнем, что в расчете себестоимости целевого продукта проектировщики по умолчанию принимают, что в течение календарного года установка будет работать, например, 7500 часов. А разницу 365 · 24 – 7500 экспертно относят на планово-восстановительные работы. Во всяком случае, рассчитывая величину себестоимости, проектировщики практически никак не учитывают внезапные остановки, отказы ХТС, последующие простои, убытки от них, стоимость ремонтов. Тем самым происходит существенное занижение величины себестоимости по сравнению с реальной. В дореформенное время планирующие органы СССР, владеющие большим опытом создания промышленных объектов, сразу удваивали капитальные затраты и срок окупаемости, понимая сугубую приблизительность расчетных данных в ТЭО. И в основе этой приблизительности находится полное отсутствие учета работоспособности и надежности будущей ХТС. А в условиях рыночной экономики частный капитал не позволит себе так рисковать в определении и капитальных затрат, и срока окупаемости установки.
Пятый этап –разработка нестандартного оборудования опытно – промышленной установки. Этот этап проводится в случае согласия инвестора дать кредит на создание этой установки.
Разработчик нестандартного оборудования обязан дать четкие ограничения на параметры и характеристики потока. С точки зрения главной цели нашей работы (работоспособность ХТС) разработчики нестандартного оборудования, еще до разработки конструкторской документации, явно или по умолчанию генерируют свои заданные параметры ХТС, да еще и конструкторы добавят какое-то количество своих заданных параметров.
Шестой этап –проект опытно-промышленной установки. Единичная мощность ее, как правило, на порядок больше производительности пилотной установки и в разы меньше производительности будущей промышленной ХТС.
Исходными данными для проектирования является регламент и сборочные чертежи нестандартного оборудования.
В результате большого объема расчетных работ определяются проектные (номинальные) значения параметров состояния потоков по всей технологической схеме и технико-экономические показатели.
Замечание.В проектных организациях планируют остановки ХТС для планово-предупредительного ремонта по существующим нормативам. Одновременно, проектные институты экспертно назначают часть календарного года и на внезапные остановки и простои, пользуясь опытом эксплуатации аналогичных, близких по технологии ХТС. Иными словами, делается попытка, хоть прикидочно учесть последствия нераспознанной пока еще работоспособности и надежности создаваемой ХТС.
Замечание. Химико-технологический регламент на проектирование ХТС уже содержит весь набор стандартного оборудования, а проектировщики лишь уточняют и конкретизируют его. ТУ (технические условия эксплуатации стандартного оборудования) гласно заявляют, что при их исполнении изделие машиностроения будет работоспособно в течение гарантированного срока эксплуатации.
С точки зрения работоспособности всей ХТС ТУ заводов-изготовителей предоставляет свой набор заданных параметров будущей ХТС.
Седьмой этап алгоритма создания ХТС - изготовление оборудования на заводах.
Замечание Наличие надлежащей конструкторской документации далеко не гарантирует производство изделий в полном соответствии с РД (рабочей документацией). Доказательство тому – «военпреды» на заводах-изготовителях от цеха до испытания, принимающих у завода его изделие. Дошло до того, что количество контролеров за изготовлением составляло 30% от числа самих изготовителей. Для гражданской промышленности конструктора нестандартного оборудования «бдят» за соответствием изготовленного изделия и РД в процессе авторского надзора над изготовлением.
Смысл и назначение остальных этапов алгоритма создания ХТС ясен из их названий и не существенно влияет на работоспособность.