Мембранное разделение смесей. Проектирование и расчет


А. А. Свитцов










МЕМБРАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ













Москва ДеЛи 2021

УДК 66.03
ББК 35.11
     C24
Рецензенты:
главный научный сотрудник лаборатории физико-химии мембранных процессов ИНХС РАН, профессор, докт. хим. наук Тепляков В.В.
ген. директор ООО «Владипор», канд. хим. наук Дубяга В.П.
     Свитцов А.А.
C24 Мембранное разделение смесей. Проектирование и расчет. - М.: ТД ДеЛи, 2021. - 208 с.

     ISBN 978-5-6045642-8-8
     Настоящее учебное пособие продолжает рассмотрение прикладных аспектов мембранной технологии, теперь уже в части разработки и обоснования систем. Такой совокупностью взаимосвязанных элементов в производстве любой продукции является технологическая схема, то есть последовательность операций с сырьем до получения готовой продукции. Одной, а иногда и несколькими стадиями этой последовательности все чаще становятся установки (блоки) мембранного разделения смеси.
     Разработка и проектирование технологических схем с участием жидких (чаще всего водных) и газовых (чаще всего воздушных) смесей -это творческий и, как любое творчество, во многом интуитивный процесс. Успешность его определяется располагаемым проектировщиком интеллектуальным багажом эвристик, и среди них прежде всего - багажом специальных знаний.
     Поскольку пособие предназначено для студентов, планирующих свою будущую деятельность связанной с процессами разделения смесей, а также для специалистов, уже занятых этой деятельностью, в него включены разделы, необходимые и полезные для понимания и оценки тех свойств смесей, от которых зависит эффективность всего процесса.
     Для расширения эвристической базы предназначены разделы, знакомящие с природой и свойствами компонентов разделяемых смесей, которые целесообразно удалить на стадиях предочистки, по нормированию качества воды, по базовым технологиям предочистки - фильтрованию и адсорбции, по окислительным методам переработки концентратов мембранного разделения.
     Последняя глава посвящена вопросам разработки и расчета блоков собственно мембранного разделения с различными схемами их организации.
УДК 66.03
ББК 35.11
© Свитцов А. А., 2021
ISBN 978-5-6045642-8-8                    © ООО «ТД ДеЛи», 2021

                ВВЕДЕНИЕ




    В своей повседневной жизни любой человек регулярно строит планы, то есть создает новую виртуальную действительность, которую потом реализует на практике. Не может хозяйка накормить семью, не продумав заранее меню, перечень продуктов, поход в магазин, затраты времени и денег. Чтобы соорудить на даче лавочку, надо заранее решить, какой она будет формы, каких размеров, из какого материала, где будет стоять, каким цветом ее покрасить.
    Создание такой виртуальной действительности и называется проектированием. По родам деятельности проектирование называют техническим или инженерным, экологическим, социологическим, педагогическим и т.д. Результатом такой деятельности, в частности, инженерного проектирования, является проект, т.е. прообраз предполагаемого объекта в виде комплекта документации. По этой документации объект может быть создан и запущен в эксплуатацию, в ней должны быть правила его эксплуатации, ремонта и, часто, ликвидации.
    Термин «проект», от лат. ргодес(щ, означает выдвинутый вперед, сделанный заранее, заранее реализации, т.е. создания предмета проектирования. Таким образом, понятие «проектирование» не включает в себя стадию реализации проекта.
    Внутри процесса проектирования часто выделяется процесс конструирования. Конструирование - это разработка технических решений по устройству отдельных деталей, узлов, агрегатов и машин. Понятно, что проектирование - гораздо более широкая сфера деятельности, чем конструирование, хотя их часто отождествляют и даже путают. Если конструкторская документация - это чертежи и

расчеты, то проектная документация - это обширная совокупность документов, обосновывающих принципиальные научные, технические, социальные и экономические принимаемые решения. Конструкторская документация - лишь часть проектной документации.
    Иногда проектирование выполняется для собственных нужд, и в этом случае и заказчик, и исполнитель - это одно лицо, юридическое или физическое. Но гораздо чаще заказчик (потребитель проектных работ) и исполнитель (поставщик результатов этих работ) - это разные лица, заключившие между собой контракт на разработку проекта. Исполнитель обязуется выполнить работы в соответствии с пожеланиями заказчика и сдать готовый проект в назначенный срок, а заказчик обязуется принять проект и оплатить его согласно договору.
    У заказчика могут быть разные причины участия в таком договоре: расширение собственного производства, импортозамещение, создание собственных вспомогательных служб, повышение конкурентоспособности продукции, соответствие новым нормативным требованиям и т.д. Часто причиной является чисто предпринимательское инвестирование в новое производство. Суть инвестирования -отказ от получения прибыли «сегодня» во имя прибыли «завтра».
    Естественно, инвестор, как, впрочем, и любой заказчик проекта, желает знать, какую прибыль принесет вложение им денег в конкретный проект. Для принятия решения о долгосрочном вложении капитала он хочет получить ответы на следующие вопросы:
    1 - сколько денег понадобится на реализацию проекта;
    2  - какую прибыль он будет получать от реализованного проекта;
    3      - будет ли эта прибыль достаточной для компенсации временного отказа от использования средств;
    4  - каковы риски от неопределенности конкретного результата.
    По существу, выполнение такого инвестиционного проекта -это разработка бизнес-плана, то есть технико-экономического обоснования целесообразности вложения средств инвестора в определенное дело или отказа от него.
    В дальнейшем мы будем рассматривать только один тип бизнеса - это создание производства какого-либо полезного продукта, например, чистой воды, чистого газа, продуктов питания, лекарственных средств и т.п. с использованием мембранных процессов разделения. Поэтому в перечне работ по проектированию мы рассмотрим: техническое проектирование, экономическое обоснование и блок социально-правовых решений.
    Проектирование - это вершина инженерной деятельности. Проектировщик высшей квалификации должен иметь многопрофильное

Введение

5

образование и большой жизненный опыт. Проектирование несет в себе элементы творчества, т.е. интуитивной деятельности человека. Ниже представлены области знаний, которые необходимы проектировщику при принятии решений.

Технические

Экономические

Социально-правовые

Фундаментальные науки Математика Технические знания Технология Оборудование

Экономика Статистика Экология Психология Строительство География Маркетинг

Социология Политология Законодательство Право Техническая эстетика Искусство

    Очень важными для успешной деятельности являются личные качества проектировщика: энергичность, упорство в достижении цели, способность генерировать новые идеи, умение принимать решения в условиях неопределенности, способность быстро усваивать новые знания, умение четко и понятно выражать свои мысли устно и письменно, личное обаяние.
    Практически на каждом этапе, при рассмотрении любого вопроса в техническом проектировании приходится принимать решения, которые являются компромиссом. Принять правильное решение -значит выбрать такую альтернативу из числа возможных, в которой с учетом всех действующих факторов оптимизирована общая ценность.
    Как правило, в любом случае при принятии решения надо учитывать следующие факторы: ресурсные (сырье и материалы, основные средства - оборудование и помещения, финансовые ограничения, специалисты-исполнители); технические (тепло- и массопере-дача, гидродинамика, энергопотребление, масса и габариты, коррозионная стойкость, безопасность обслуживания); социальные (этика, мнения различных лиц о принятом решении, консерватизм коллег и оппонентов, личные вкусы и привязанности, эстетические критерии, эмоциональное состояние).
    Независимо от объекта проектирования в любом случае существуют и довольно четко различаются фазы жизненного цикла этого объекта. Жизненным циклом называют временной период между рождением идеи и ликвидацией реализованного по этой идее объекта. Длительность жизненного цикла является одним из показателей эффективности инвестиций.

На рис. В.1 представлен условный график жизненного цикла инвестиционного проекта в координатах «время-деньги».


    Рис. В.1. Графическое представление жизненного цикла инвестиционного проекта:
I фаза - рождение идеи; II фаза - предынвестиционная; III фаза - инвестиционная; IV фаза - эксплуатационная; V фаза - ликвидационная

    Фаза рождения идеи. Мысль о возможности что-то осуществить обычно приходит в голову одному человеку. Это может произойти в результате озаряющей догадки - изобретения, а также заимствования, под давлением закона, распоряжения администрации, после выполнения заказной НИР и т.д. Автор идеи имеет на нее некоторые права, которые охраняются законом об интеллектуальной собственности [1].
    Рождение идеи проходит без финансовых затрат, если только не требуется каких-либо экспериментов для ее подтверждения. Убедившись, что идея работоспособна, автор далее стремится ее продать. Поиски покупателя и работа с ним составляют продолжительность I фазы.
    Покупателем является инвестор. Он может купить у автора лицензию на право распоряжаться идеей. Но он может и сразу стать собственником идеи, если будет финансировать в любом виде научно-исследовательскую работу (НИР) по разработке идеи. Есть и другие формы отчуждения интеллектуальной собственности, например, автору может быть предложено стать совладельцем всего проекта.
    Предынвестиционная фаза. Здесь иногда проводят научноисследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР),

Введение

7

разрабатывают собственно технический проект, конструируют и подбирают оборудование, подбирают место размещения объекта, решают вопросы с производственными зданиями и сооружениями, исследуют рынок сырья и других ресурсов, проводят маркетинговые исследования, рассчитывают технико-экономические показатели и т.д. В результате в конце II фазы появляется развернутый бизнес-план инвестиционного проекта.
    В ходе II фазы может осуществляться юридическое оформление проекта - землеотвод, получение разрешения на строительство, регистрация предприятия, эмиссия акций и т.п.
    Все перечисленные действия требуют затрат. Они еще не очень велики для того, чтобы инвестор мог отказаться от дальнейшего вложения денег. Обычно затраты здесь не превышают 15% от затрат III фазы, в большинстве случаев составляют 8-10%.
    Инвестиционная фаза. Затраты этой фазы носят необратимый характер: все строительные работы, закупка, изготовление и монтаж оборудования, пуско-наладочные работы. Все это формирует активы будущего предприятия.
    На этой же фазе требуются и некоторые сопутствующие затраты: расходы на обучение персонала, на получение лицензий, на разработку стандартов, на рекламные мероприятия и др.
    Финансовые затраты II и III фаз будут потом относиться на себестоимость продукции через механизм амортизационных отчислений.
    Эксплуатационная фаза. Этот период исчисляется с момента начала выпуска продукции. Продолжительность этой фазы - определяющий фактор эффективности проекта. Начинается оборот денег - поступления от продажи и расходы на текущие издержки с образованием прибыли. Чем дольше длится фаза, тем больше будет совокупная величина прибыли.
    Через какое-то время наступает очень важный момент в жизненном цикле проекта - срок окупаемости. Это период времени, за который суммарные доходы от эксплуатации проекта покрывают все затраты на его реализацию.
    Ликвидационная фаза. Потребление любой продукции со временем сокращается по разным причинам: моральное устаревание, появление конкурентной продукции и др. В этом случае предприятие может быть ликвидировано путем демонтажа и распродажи, может быть реконструировано под выпуск новой продукции, может быть законсервировано или продано целиком. Стоимость ликвидации может или повысить, или понизить суммарную прибыль инвестора.

Эти общие положения применимы для любого инвестиционного проекта. А мы, вооружившись ими, дальше займемся разработкой инженерных проектов установок, блоков, целых производств, в которых так или иначе используются мембранные методы разделения смесей - жидких и газовых. Безусловно, мы встретимся с рядом весьма специфических задач, связанных с выбранным направлением. Но организационные и методические подходы к их решению и общий порядок работы универсальны и едины для любого инвестиционного проектирования.
    Настоящее издание - это учебное пособие, а не нормативный документ. Оно является продолжением первой книги «Мембранное разделение смесей. Теория и практика» (М., «ДеЛи», 2020) и во многом будет использовать информацию из нее. Обе книги предназначены и будут полезны студентам, обучающимся по направлениям, связанным с химической технологией, энерго- и ресурсосбережением, промышленной экологией, пищевой и перерабатывающей промышленностью, фармацевтикой и биотехнологией. В любой отрасли промышленности существуют проблемы водоподготовки, очистки сточных вод, концентрирования и очистки продуктов, фракционирования смесей.

                ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

                1.1. Договор на выполнение работ




    В процессе проектирования всегда участвуют две стороны - Заказчик и Исполнитель. Роль Заказчика не пассивна - он, как минимум, должен сформулировать свои пожелания и требования.
    Если Заказчик - государственное или муниципальное учреждение, то выбор Исполнителя проводится через тендерные процедуры, т.е. на конкурсной основе. Правила проведения этих процедур изложены в федеральном законе [2]. Частные предприятия выбирают Исполнителя по собственному усмотрению.
    Для первоначального ознакомления потенциальных Исполнителей с объектом проектирования Заказчик разрабатывает и распространяет задание на разработку. Оно может быть различного уровня проработанности, но в любом случае в нем должен содержаться следующий минимум информации:
    - наименование разработки;
    -     цель проектирования. Она может быть технико-экономической, экологической, социально-политической. Целей может быть несколько;
    -     мощность производства по конечному продукту или по начальному сырью;
    -     место размещения проектируемого производства. Иногда Заказчик требует от Исполнителя разработать рекомендации по месту размещения с учетом вопросов ресурсного обеспечения, логистики, обеспечения кадрами, рыночной конъюнктуры и т.д.

Глава 1

    После согласования общих вопросов две Стороны - Заказчик и Исполнитель заключают между собой договор на выполнение работ. Договор - это письменно оформленное соглашение двух Сторон об установлении между ними определенных обязанностей и прав, а также об условиях прекращения или изменения этих обязанностей и прав.
    Договор выполняет также организационную и регулятивную функции; т.е. определяет условия воздействия на имущественные отношения Сторон. Поэтому договор - это основной, а иногда - и единственный документ, который рассматривается в суде в случае возникновения споров.
    Виды договоров и рекомендации по их составлению представлены в [3].
    Типовой текст договора состоит из следующих разделов:
    -  преамбула;
    -  предмет договора;
    -  сроки выполнения;
    -  права и обязанности Сторон;
    -  стоимость и порядок расчетов;
    -  порядок сдачи-приемки работ;
    -  порядок разрешения споров;
    -  форс-мажорные обстоятельства;
    -  дополнительные условия;
    -  реквизиты Сторон.
    Преамбула. Полное название Заказчика и Исполнителя. Должности и ФИО руководителей, которые подписывают договор. Ссылки на их полномочия.
    Предмет договора. Сколь угодно широкая формулировка заказываемой работы. Ссылки на приложения, если они есть. Обстоятельства, которые могут остановить, изменить или расширить работу.
    Сроки выполнения. Указание конкретных дат начала и окончания работы, либо продолжительности всей работы. Согласованное решение о начале действия договора.
    Стоимость и порядок оплаты. Если стоимость не определена сразу, то условия ее определения. Порядок оплаты: с авансовым платежом в определенной сумме, с оплатой по этапам, с оплатой после завершения и др.
    Порядок сдачи-приемки. Определение - что считать выполненной работой. Формы отчетности (перечень документов). Порядок оформления актов сдачи-приемки.
    Ответственность Сторон. Перечень действий, которые должна выполнить каждая Сторона до начала работы, в ходе ее выполне