Основы проектирования процессов переработки природных энергоносителей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
А.В. Кравцов, М.А. Самборская,  
А.В. Вольф, О.Е. Митянина  
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ  
ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ 
 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия 
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета  
 
 
2-е издание, исправленное 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2015 

УДК 665.63.001(075.8) 
ББК  35.514я73 
К78 
 
Кравцов А.В.  
К78  
Основы проектирования процессов переработки природных 
энергоносителей : учебное пособие / А.В. Кравцов, М.А. Самборская, А.В. Вольф, О.Е. Митянина ; Томский политехнический 
университет. – 2-е изд., испр. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 166 с. 
 
В пособии изложены теоретические основы и методы технологического 
проектирования типовых процессов переработки природных энергоносителей. Приведены сведения о разработке и содержании проекта, рассмотрены 
методы расчетов многокомпонентной ректификации, тепловых процессов, 
процессов разделения неоднородных смесей, описаны алгоритмы автоматизированного расчета. Изложена методика курсового проектирования.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Химическая технология» и «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии». 
 
УДК 665.63.001(075.8) 
ББК 35.514я73 

 

Рецензенты 

Доктор геолого-минералогических наук,  
кандидат химических наук, профессор  
заведующий лабораторией геохимии и пластовых нефтей  
ОАО «ТомскНИПИнефть» 
И.В. Гончаров 
 
Кандидат технических наук 
старший научный сотрудник  
научно-производственного центра «Ноосфера»  
Е.А. Лактионова 
 
 
© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011 
© Кравцов А.В., Самборская М.А.,  

Вольф А.В., Митянина О.Е., 2011 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................... 5 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ ................................. 6 
1.1. Содержание проекта ............................................................................ 7 
1.2. Общеинженерное проектирование .................................................. 11 
1.3. Технологическое проектирование ................................................... 13 

2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ 
ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ .............. 14 
2.1. Классификация и свойства природных энергоносителей ............. 14 
2.2. Технологический расчет массообменных процессов .................... 24 
2.2.1. Общие сведения о ректификации ................................................ 24 
2.2.2. Методы расчета многокомпонентной ректификации .............. 30 
2.2.3. Основы расчета многокомпонентной ректификации 
приближенными методами ......................................................... 35 
2.2.3.1. Расчет тарельчатых колонн ................................................... 35 
2.2.3.2. Расчет насадочных колонн ................................................... 46 
2.2.4. Расчет эффективности тарелок ................................................... 54 
2.2.5. Тепловые балансы кипятильника и конденсатора 
ректификационной колонны ...................................................... 57 
2.2.6. Четкость деления смеси и оптимальное флегмовое число ...... 62 
2.3. Технологический расчет тепловых процессов ............................... 64 
2.3.1. Расчет аппаратов воздушного охлаждения ............................... 64 
2.3.2. Расчет трубчатых печей .............................................................. 71 
2.3.2.1. Основные определения и показатели работы  
трубчатых печей ........................................................................ 71 
2.3.2.2. Технологический расчет трубчатых печей ......................... 77 
2.4. Технологический расчет процессов разделения  
неоднородных систем ....................................................................... 81 
2.4.1. Теоретические основы обезвоживания нефтепродуктов ......... 82 
2.4.2. Конструкции промышленных технологических установок  
для обессоливания и обезвоживания нефти   
и нефтепродуктов ........................................................................ 93 
2.4.3. Специальные технологические приемы  обезвоживания ........ 97 

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ   
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ 
ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ...................................................... 107 
3.1. Общая характеристика программных продуктов   
для моделирования ХТС ................................................................. 107 
3.2. Описание программного продукта Aspen HYSYS ....................... 109 

3.2.1. Моделирование .......................................................................... 110 
3.2.1.1. Панель инструментов .......................................................... 110 
3.2.1.2. Настройка ............................................................................. 111 
3.2.1.3. Окно «Диспетчер базиса» ................................................... 111 
3.2.2. Составление структуры ХТС .................................................... 116 
3.2.3. Вывод результатов ..................................................................... 118 
3.3. Пример расчета ректификационной колонны в HYSYS ............. 118 
3.3.1. Настройка программы   
(Выбор системы единиц измерения) ....................................... 118 
3.3.2. Работа со средой «Диспетчер базиса» ..................................... 118 
3.3.2.1. Выбор компонентов ............................................................. 118 
3.3.2.2. Выбор термодинамических свойств .................................. 119 
3.3.2.3. Среда характеризации нефтей ............................................ 119 
3.3.3. Работа в графической «расчетной среде» ............................... 119 
3.3.4. Вывод результатов ..................................................................... 123 

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КУРСОВОМУ 
ПРОЕКТИРОВАНИЮ ......................................................................... 124 
4.1. Основные положения ...................................................................... 124 
4.2. Организация курсового проектирования ...................................... 125 
4.3. Структура и объем курсового проекта .......................................... 126 
4.3.1. Правила оформления пояснительной записки ........................ 127 
4.3.2. Требования к содержанию РПЗ ................................................ 135 
4.3.3. Правила оформления графической части ................................ 143 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................... 151 

ПРИЛОЖЕНИЕ А .................................................................................... 156 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ..................................................................................... 158 

ПРИЛОЖЕНИЕ В ..................................................................................... 159 

ПРИЛОЖЕНИЕ Г ..................................................................................... 161 

ПРИЛОЖЕНИЕ Д .................................................................................... 162 

ПРИЛОЖЕНИЕ К .................................................................................... 164 

ВВЕДЕНИЕ 

Проект производства представляет собой комплекс технической 
документации, куда входят пояснительные записки, инженернотехнические расчеты, чертежи, технологические регламенты, сведения  
о поставках сырья и утилизации отходов производства, информация  
об организации труда, сметы на все производственные и культурнобытовые сооружения проектируемого объекта. Проектирование современного химического производства предполагает решение множества 
сложных и разнообразных задач, связанных с различными отраслями 
хозяйственной и коммерческой деятельности, с социальными и политическими проблемами, поэтому проектирование – процесс многостадийный [1]. Проектирование требует системного подхода к решению комплекса взаимосвязанных задач, что обеспечит высокую эффективность 
функционирования проектируемого объекта. В практике проектирования 
широко используют декомпозицию – разбиение на отдельные подзадачи, 
решением которых занимаются специалисты. В процессе проектирования 
химических предприятий выделяют следующие основные направления: 
технологическое проектирование; проектно-конструкторские разработки; строительное проектирование; составление смет и проектов производства работ.  
Повысить эффективность выполнения проектных работ позволяет 
развитие методологии автоматизированного проектирования и ее широкое использование в проектных работах, подготовка специалистов 
в данной области, тесное взаимодействие между исследовательскими, 
проектными и экспериментальными работами. Проектировщик должен 
заниматься, в основном, проработкой вариантов проектных решений, 
а не изготовлением чертежей и документации. 
В последние годы развиваются и совершенствуются математическое 
моделирование и оптимизация технологических процессов, системы автоматизированного проектирования (САПР) химических производств. Тем 
не менее следует помнить, что при подготовке специалиста-проектировщика необходим подход, основанный на фундаментальных знаниях 
в совокупности с обучением компетентному использованию современных симуляторов химико-технологических процессов. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ 

Юридическое лицо, для которого разрабатывается проект, называется заказчик. В качестве заказчиков могут выступать промышленные 
предприятия и организации любой формы собственности, министерства 
и частные лица, т. е. субъекты, заинтересованные в выпуске продукции. 
Юридическое лицо, разрабатывающее проектную документацию, – 
генеральный проектировщик (генеральный подрядчик). Проектировщиком является организация, имеющая лицензию на проектную деятельность, – проектный институт, его подразделение или самостоятельная 
организация. Кроме генерального подрядчика в разработке и реализации проекта принимают участие субподрядчики – НИИ, специализированные предприятия и организации: строительные, монтажные, пусконаладочные и т. п. Отношения между заказчиками и подрядчиками 
регламентируются инструкциями о порядке разработки, согласовании, 
утверждении и составе проектной документации на строительство 
предприятий. Руководит проектированием и несет ответственность 
за его результаты главный инженер проекта. 
Разработка и состав проекта регламентируются рядом нормативных документов: 
1) инструкцией о составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации, которая определяет объем 
и содержание проекта; 
2) строительными нормами и правилами на разработку различных 
разделов проекта; 
3) правилами безопасности во взрыво- и пожароопасных химических и нефтехимических производствах; 
4) санитарными нормами проектирования промышленных предприятий; 
5) отраслевыми и государственными стандартами; 
6) каталогами промышленных изделий и материалов; 
7) единой системой конструкторской документации, стандартами, 
определяющими содержание и форму представления результатов разработки новых видов оборудования; 
8) положением об авторском надзоре. 
Проектная документация со сводным сметным расчетом стоимости 
для предприятий, зданий и сооружений, строящихся по типовым или 
повторно применяемым проектам и для технически несложных объек

тов, выполняется в одну стадию – рабочий проект. Для других объектов, 
в том числе крупных и сложных, – в две стадии.  
В рабочий проект входят следующие разделы: 
1) общая пояснительная записка, в которой содержатся исходные 
данные для проектирования: обоснование инвестиций, акт выбора площадки, сведения о потребности в энерго- и трудовых ресурсах, чертежи 
ситуационного плана размещения предприятия, зданий и сооружений  
с указанием инженерных коммуникаций; 
2) организация строительства: этот раздел выполняется в соответствии с нормативными документами, утвержденными Госстроем; 
3) сметная документация; 
4) паспорт рабочего проекта. 
Рабочий проект проходит экспертизу и утверждение. 
Техническая документация должна содержать следующие основные разделы: 
1) анализ исходных материалов; 
2) расчет и выбор технологического оборудования; 
3) разработку принципиальной технологической схемы производства; 
4) компоновку производства; 
5) выдачу заданий на разработку специальных разделов проекта; 
6) монтажную проработку; 
7) составление смет. 

1.1. Содержание проекта 

После утверждения проект (рабочий проект) является основанием 
для планирования и финансирования строительства объекта, заказа основного оборудования, заключения договора на капстроительство. 
Содержание проекта регламентируется нормативными документами (СНиП II-01-95) и излагается в таких разделах, как:  
• общая пояснительная записка; 
• генеральный план и транспорт; 
• технология и производство; 
• управление производством, организация условий и охраны труда рабочих и служащих; 
• архитектурно-строительные решения; 
• инженерное оборудование, сети и системы; 
• организация строительства; 
• охрана окружающей среды; 

• мероприятия гражданской обороны, мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций;  
• сметная документация; 
• эффективность инвестиций.  
В рабочем проекте некоторые части могут быть объединены. 
Общая пояснительная записка – состоит из краткой характеристики всех частей проекта и выходных данных по каждой из них. Это 
данные по технологии (сырьевая база, номенклатура, качество и технический уровень продукции, сведения о потребности в топливе, воде,  
тепловой и электрической энергии, трудовых ресурсах и т. д.); экономические показатели и их сравнительный анализ; решения и показатели  
по генеральному плану, транспорту, эффективности капитальных вложений и используемым достижениям науки и техники; проектные решения по комплексному использованию полезных ископаемых, отходов 
производства, вторичных энергоресурсов; мероприятия по охране окружающей среды и т. д. Кроме того, в общей пояснительной записке 
приводятся сведения о проведенных согласованиях проектных решений; 
подтверждение соответствия разработанной проектной документации 
государственным нормам, правилам, стандартам.  
Генеральный план и транспорт – содержит краткую характеристику района и площадки строительства; решения и показатели по ситуационному и генеральному плану, внутреннему и внешнему транспорту, 
мероприятия по благоустройству территории; решения по расположению 
инженерных сетей и коммуникаций; организация охраны предприятия. 
Графическая часть раздела включает чертежи: 
• ситуационный план размещения предприятия, зданий, сооружений с указанием существующих и проектируемых внешних коммуникаций, инженерных сетей и подсобных территорий, границ санитарнозащитной зоны;  
• картограмму земельных масс; 
• генеральный план, на котором показаны существующие и проектируемые, а также подлежащие сносу здания и сооружения, объекты 
охраны окружающей среды и благоустройства, озеленение территории, 
принципиальные решения по расположению внутренних инженерных 
линий и транспортных коммуникаций.  
Технология и производство – содержит детальную характеристику 
принятых технологических решений, их соответствие достижениям в 
области технологии, оборудования, материалов; обоснование численности персонала; решения по вопросам тепло- и энергоснабжения, автоматизации управления процессами и производством и т. д.  
 

В этом разделе приведены: 
1) данные о производственной программе; 
2) характеристики и обоснование решений по технологии производства; 
3) данные о трудоемкости изготовления продукции, механизация 
и автоматизация технологических процессов; 
4) состав применяемого оборудования; 
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; 
9) технические решения по сокращению выбросов вредных веществ в окружающую среду;  
10) оценка возможности возникновения аварийных ситуаций и решения по их предотвращению; 
11) вид, состав и объем отходов производства, подлежащих утилизации и захоронению; 
12) топливно-энергетический и материальный балансы технологических процессов; 
13) потребность в основных видах ресурсов для технологических 
нужд. 
В графической части раздела приведены чертежи принципиальных 
технологических схем производства и компоновки оборудования (планы 
и разрезы) по корпусам (цехам), схемы грузопотоков и электроснабжения, принципиальные схемы автоматизации технологических процессов. 
Управление производством, организация условий и охраны труда рабочих и служащих – рассматривает организационную структуру 
управления предприятием и отдельными производствами, автоматизированную систему управления; автоматизацию и механизацию труда 
управляющего персонала, численный и квалификационный состав работающих; количество и оснащенность рабочих мест; санитарно-гигиенические условия труда; мероприятия по охране труда и технике безопасности, в том числе решения по снижению производственных шумов  
и вибраций, загрязненности помещений, повышению комфортности условий труда и т. д. 
Архитектурно-строительные решения – состоит из краткого обоснования и описания архитектурно-строительных решений, решений  
по снижению шумов и вибраций, бытовому и санитарному обслуживанию 

работающих и т. п. Кроме того, в разделе приводятся сведения об инженерно-геологических, гидрогеологических условиях площадки строительства. Описаны мероприятия по электро-, взрыво- и пожаробезопасности; 
защите строительных конструкций, сетей и сооружений от коррозии. Приводятся чертежи планов, разрезов и фасадов сооружений, схемы основных 
несущих и ограждающих конструкций. 
Инженерное оборудование, сети и системы – содержит решения 
по водоснабжению, канализации, тепло- и газоснабжению, электроснабжению, отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха. 
Приведено 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. В графической части раздела приведены схемы теплоснабжения, электроснабжения, газоснабжения, водоснабжения и канализации; 
планы и профили инженерных сетей; чертежи основных сооружений; 
планы и схемы отопительно-вентиляционных устройств, электроснабжения и электрооборудования, радиофикации и сигнализации, автоматизации и управления инженерными сетями. 
Организация строительства – выполняется в соответствии  
со СНиП «Организация строительного производства» с учетом требований, изложенных в договоре на выполнение проектных работ. 
Охрана окружающей среды – разрабатывается по государственным стандартам, строительным нормам и правилам, нормативным документам и другим нормативным актам, которые касаются регулирования природоохранной деятельности. 
Мероприятия гражданской обороны, мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций – разрабатывается на основе 
норм и правил в области гражданской обороны, защиты населения и 
территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. 
Эффективность инвестиций – разрабатывается 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 [2]. 

Таблица 1.1  
Примерный перечень технико-экономических показателей  
для объектов производственного назначения 

Наименование показателя 
Единицы измерения 

Мощность предприятия, годовой выпуск продукции: 
 

• в стоимостном выражении
тыс. руб.

• в натуральном выражении 
в соотв. ед. 

Общая площадь участка  
га 

Коэффициент застройки  
отн. ед. 

Удельный расход на единицу мощности:

• электроэнергии 
кВт/ч 

• воды
м3

• природного газа 
тыс. м3

• мазута
т

Общая численность работающих 
чел.

Годовой выпуск продукции на работающего:

• в стоимостном выражении 
тыс. руб./чел. 

• в натуральном выражении
ед./чел.

Общая стоимость строительства, в том числе  
строительно-монтажных работ 
тыс. руб. 

Удельные капитальные вложения 
руб./ед. мощности

Продолжительность строительства 
мес.

Стоимость основных производственных фондов 
тыс. руб.

Себестоимость продукции 
тыс. руб./ед.

Балансовая (валовая) прибыль 
тыс. руб.

Чистая прибыль 
тыс. руб.

Уровень рентабельности производства 
%

Внутренняя норма доходности 
%

Срок окупаемости  
лет 

Срок погашения кредита и других заемных средств  
лет 

Сметная документация – содержит данные по стоимости проектируемых предприятий. Проектирование ориентировано на создание 
перспективной продукции, поэтому закладываемая в проект технология 
и методы строительства должны соответствовать прогнозам развития 
отрасли. 

1.2. Общеинженерное проектирование 

На этом этапе создаются общеинженерные подсистемы, практически типовые для любого вида технологических производств (ВиК, сантехнические и т. п.). Доля рутинного труда на этом этапе достигает 
40 %, поэтому здесь актуальна не только автоматизация, но и механизация процессов. В настоящее время изготовление спецификаций, комплектование оборудования, изготовление большей части чертежной  
документации осуществляется с помощью компьютера. Многие задачи 
инженерного проектирования требуют объемного представления объекта. Это компоновка оборудования, архитектурно-строительное проектирование, разработка генплана, трассировка коммуникаций. Для решения 
подобных задач давно применяется метод макетирования. Зарубежные проектировщики используют макетирование с конца 40-х годов. 
Непосредственно на макете можно компоновать модели оборудования, 
выполнять разводку моделей трубопроводов, устанавливать модели 
строительных конструкций, КИПиА, опор, подвесок и т. д. Это позволяет 
лучше понять общую идею промышленной установки, найти оптимальные способы доставки материалов, ведения строительства и монтажа. 
Стоимость макета обычно довольно высока, поэтому макетирование оправдано при проектировании сложных объектов. Для большинства химических, нефтехимических, энергетических производств на долю монтажа трубопроводов приходится около половины объема всех работ,  
и применение макетирования позволяет сократить трудозатраты примерно на 16 %. 
Типы макетов. При проектировании химических производств используются макеты ситуационных планов, компоновочные макеты, проектные макеты, рабочие макеты. Макет ситуационного плана выполняется в масштабе 1:100. На нем изображаются находящиеся на данной 
территории мосты, рельеф местности, железные дороги, водоемы и все 
основные строения, примыкающие к проектируемому объекту. Такой 
макет позволяет увязать объект с природными факторами и имеющимися коммуникациями. Компоновочные макеты используются для выбора 
рационального варианта расположения зданий и сооружений в соответствии с технологическим процессом. Для его изготовления требуются 
перечень и габариты оборудования, технологическая схема и требования к производственным помещениям. Проектные макеты отличаются 
еще более тщательной проработкой схемы. На них помимо оборудования устанавливаются трубопроводы, электрические коммуникации, 
отопление, вентиляция, КИП. Масштаб изготовления такого макета 
1:50. Основное назначение проектного макета – разработка оптималь