"Проект установки получения битумных композиционных материалов производительностью 20 тыс.тонн/год"

В рамках работы над дипломным проектом была разработана технологическая установка для производства композиционного материала на битумной основе в соответствии с требованиями технического задания. Анализ результатов работы показал, что спроектированная установка в полной мере отвечает современным требованиям, предъявляемым к технологическому процессу производства материалов.
В процессе работы был решен ряд частных задач, выявленных в результате декомпозиции цели проекта. Первым разделом является аналитический обзор, в котором произведен анализ предметной области- рассмотрены битумные композиционные материалы в целом, особенности современных технологий получения битумных композиционных материалов, а также оборудование для получения битумных композиционных материалов.
Далее были произведены ...

Введение 4
1 Аналитический обзор 6
1.1 Битумные композиционные материалы 6
1.2 Особенности современных технологий получения битумных композиционных материалов 9
1.3 Оборудование для получения битумных композиционных материалов 12
2. Патентный поиск 15
3. Цели и задачи 18
4. Технологическая часть 19
4.1. Выбор технологии производства и места строительства 19
4.2. Назначение и краткая характеристика процесса 23
4.3. Характеристика сырья, готовой продукции и вспомогательных материалов 27
4.4. Материальный баланс процесса 32
4.5 Расчет реактора получения битумных композиционных материалов 33
5 Строительная часть 44
5.1. Компоновка основного и вспомогательного оборудования 44
5.2. Генеральный план производства 45
6 Автоматизация и автоматизированные системы управления технологическим процессом46
6.1. Обоснование и выбор основного электрооборудования 46
6.2 Разработка схемы автоматизации системы управления установки получения битумных композиционных материалов 48
7 Охрана труда и окружающей среды 59
7.1 Характеристика вредных и опасных производственных факторов при производстве битумных композиционных материалов 59
7.2 Техника безопасности 60
7.3 Пожарная безопасность 62
7.4 Электробезопасность 64
7.5 Охрана окружающей среды 66
8. Стандартизация 69
9. Экономическое обоснование инженерных решений при проектировании 71
10 Применение вычислительной техники, компьютерных технологий и информационных систем 80
11 Заключение и проектные предложения 83
Список использованных источников 85

Целью дипломного данного проекта является разработка установки для производства битумно-композиционных материалов в объеме 20 тыс. тонн в год. Состав проекта определен техническим заданием и является весьма насыщенным в техническом плане, поскольку включает в себя не только теоретические и технологические подразделы, а также и проработку строительных решений, вопросы организации производства, технико- экономического обоснования, ряд вопросов безопасности и экологии и пр.
Композиционные битумно-полимерные материалы находят широкое применение в промышленном, гражданском и дорожном строительстве. Одним из эффективных способов формирования необходимого комплекса эксплуатационных свойств композиционных битумно-полимерных
материалов является их наполнение минеральными наполнителями. Введение мин еральных наполнителей способствует улучшению необходимых технологических и физико-механических свойств композиционных битумно- полимерных материалов, повышает экономическую эффективность производства, решает экологическую задачу при использовании отходов производства.
Обычно в рецептуре композиционных битумно-полимерных материалов достаточно широко используются минеральные наполнители природного происхождения - тальк (силикат магния), доломит (карбонат катьцня и магния), каолин (алюмосиликат) и др. Учитывая ограниченность ассортимента минеральных наполнителей для производства указанных композиционных материалов, их исчерпывающиеся запасы важной экономической, технологической, а также экологической проблемой для промышленности строительных материалов является увеличение ассортимента минеральных наполнителей и улучшение их качества.
Поэтому эффективное использование новых сырьевых ресурсов - минерала природного происхождения - шунгита и модифицированных золоотходов от сжигания твердого топлива на ТЭС приобретает большую актуальность. Однако, несмотря на наличие больших запасов природного сырья - шунгита и отходов производства - золоотходов, они до настоящего времени не находят должного применения при производстве композиционных битумно-полимерных и других строительных материалов разного назначения.
Для успешного применения новых продуктов в качестве минерального наполнителя для композиционных материалов необходимо соблюдение основного требования - стабильности их химического состава и физико-химических свойств. Таким образом, одним из наиболее важных становится вопрос оптимизации технологических процессов с целью повышения качества и характеристик производимых битумно-композиционных материалов.

- асинхронный электродвигатель с коротозамкнутым ротором;
- силовые цепи автоматики и защиты;
- блок коммутации;
- микропроцессорный модуль с частотным преобразователем;
- устройство дистанционного управления.
При проработке конструктивного решения наибольшее внимание необходимо уделить вопросам коммутации и частотного управления двигателем, поскольку электропривод рулевого устройства периодически работает в весьма сложном и тяжелом режиме, характеризующимся редким и длительным включением с частыми переключениями скорости и реверса, при условии работы на максимальных нагрузках, что приводит к сильному нагреву обмоток.
Основным элементом разработанной системы является исполнительное устройство- электродвигатель.
В качестве устройства коммутации исполнительного механизма целесообразно использовать командоконтроллер серии КВ-0.
Командоконтроллеры данного типа предназначены для дистанционного управления аппаратами магнитных контроллеров электроприводов кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы.
Командоконтроллеры изготавливаются водозащищенные с номиналь-ными режимами работы:
- кратковременный - 30 и 60 мин;
- повторно-кратковременный - 25 и 40% ПВ.
Охлаждение естественное. Степень защиты IР56.
Вид климатического исполнения ОМ1 по ГОСТ 15150.
В качестве автоматического устройства коммутации целесообразно использовать промышленно производимый командоконтроллер для данной серии двигателей. Командоконтроллер выбирается в соответствии со схемой электропривода.
Механическая износостойкость командоконтроллеров - не менее 1х106 переключений без тока.
Коммутационная износостойкость не менее 300000 циклов ВО.
Гарантийный срок - 5 лет со дня получения приемного акта о сдаче объекта, но не более 8 лет со дня изготовления.
Командоконтроллеры выпускаются по ТУ16-89 ИРАК 643121.005 ТУ, соответствует требованиям Правил Российского Морского Регистра судоходства, РРР и Государственных стандартов.
Для двигателей выбранного типа наиболее рациональным решением по регулированию частоты вращения является применение частотных преобразователей на базе широтно- импульсных модуляторов, распространение которых на сегодняшний день вышло за пределы маломощных двигателе постоянного тока. Принципом действия таких регуляторов при работе с асинхронными двигателями заключается в преобразовании питающего напряжения в последовательность высокочастотных импульсов с амплитудой, изменяющейся по характеру огибающей синусоиды, при этом изменение частоты и амплитуды импульсов, их длительности и пропуски импульсов определяют итоговую частоту вращения.
Схемотехническая реализация такого регулятора предполагает использование следующей функциональной схемы.
Рисунок 1. Схема управления АД с короткозамкнутым ротором
Первым узлом является задатчик- это преобразователь вращения двигателя. В практической реализации предполагается использование оптронной пары или датчика холла. Основным управляющим узлом является микроконтроллер, определяющий характер управляющего воздействия в соответствии с полученным от задатчика значением частоты вращения вала. Исполнительным устройством является функциональный узел, состоящий из двух блоков- модулятора и силовой цепи. Регулятор также может быть оборудован устройствами индикации, ручного управления и пр.
В качестве преобразователя принимаем комплектный блок управления типа ЭРАТОН – М5.
В современных системах частотно-регулируемого электропривода используются преобразователи частоты (ПЧ) с промежуточным звеном постоянного напряжения и автономными инверторами. Внимание сконцентрировано на приобретающих все более широкое распространение системах ЭП, построенных на базе трехфазного асинхронного двигателя и транзи­сторного автономного инвертора напряжения (АИН). Вентильный преобразователь (ВП), запитанный от сети через согласующий трансформатор или анодные реакторы, нагружен на звено постоянного напряжения, имеющее емкостной фильтр Сf. Нагрузкой звена постоянного напряжения является транзисторный АИН, который благодаря полной управляемости силовых ключевых элементов с полным правом можно назвать импульсным усилителем мощности (ИУМ). К инвертору подключена обмотка статора АД.
Для осуществления режимов генераторного торможения двигателя должно быть предусмотрено временное включение в звено постоянного напряжения специального балластного резистора для "слива" кинетической энергии вращающихся масс. В более мощных ЭП и при необходимости длительной работы электропривода в тормозных режимах применяются реверсивные ВП с раздельным управлением, работающие с минимальными углами регулирования и инвертирования. Управление подключением балластного резистора или выпрямительными комплектами реверсивного ВП производится в функции напряжения в звене постоянного тока. В случаях, когда к качеству процессов торможения не предъявляется жестких требований, могут использоваться альтернативные способы, например динамическое торможение постоянным током.
ИУМ, как правило, построен по трехфазной мостовой схеме на основе шести транзисторных ключей, включающих в себя обратные диоды. Обмотка статора двигателя, соединенная в "звезду" или "треугольник", подключена к диагоналям моста.
Для управления АД выбираем преобразователь «ЭРАТОН-М5-2,2-0-2», разработанного на ЗАО «ЭРАСИБ», г. Новосибирск. Технические и массогабаритные показатели приведены в таблице 3.
Таблица 3. технические данные преобразователя.
Тип
преобразователя
Мощность
электродвигателя,
кВт
Номинальный
ток двигателя,
А
Габаритные
размеры ПЧ,
мм
Масса ПЧ,
Кг
ЭРАТОН-М5-2,2-0-2
10
20
260*200*180
10
Преобразователи частоты «ЭРАТОН-М5» для общепромышленного электропривода имеют следующие показатели.
Управление цифровое с регулированием частоты до 200 Гц, выходного напряжения до 380 В по вольт – частотной характеристике либо цифровое векторное управление.
Программируемый вид характеристики разгона-торможения при регулировании по вольт – частотной характеристике. При цифровом
векторном управлении без датчика скорости диапазон регулирования от 1 до 50 Гц с постоянным моментом и до 200 Гц с постоянной мощностью.
1,5-кратная перегрузка по выходному току преобразователя частоты (моменту привода) в течение 60 секунд.
Возможность динамического торможения.
Встроенный ПИД – регулятор, многофункциональные входы – три аналоговых, шесть дискретных, многофункциональные
выходы – два аналоговых и три дискретных, последовательные интерфейсы – RS-485 и RS-232.
Типовой комплект защит по входу и выходу преобразователя, тепловая защита двигателя, тепловая защита элементов звена постоянного тока.
Подхват двигателя на ходу, синхронная работа двух электроприводов с выравниванием загрузки двигателей.
Программирование частоты ШИМ. Архив отключений, программируемое число автоматических повторных пусков, автонастройка на параметры электродвигателя при запуске.
Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная силовой части преобразователя
Для завершения конструкторской разработки необходимо произвести расчет и выбор вспомогательных элементов электрической принципиальной схемы.
Функцию выпрямления выполняет неуправляемый выпрямитель обычно собранный по трехфазной мостовой схеме
Расчет неуправляемого выпрямителя и силового фильтра направлен на определение и выбор силовых элементов (диоды и конденсаторы). Диоды выбираются по следующим параметрам:
- по максимальному допустимому обратному напряжению
- по максимальному допустимому среднему току
Максимальное амплитудное напряжение на диоде
где - коэффициент запаса по напряжению
Средний ток через диод для трехфазной мостовой схемы
Средний ток приведенный к классификационным параметрам диода
где - коэффициент запаса по току
Выбираем диод удовлетворяющий следующим условиям:
Мы выбрали преобразователь, в котором уже все элементы имеются, для учебного процесс проведем проверку некоторых элементов:
Принимаем диод типа 2Д203Д
Таблица 4
Тип диода
2Д203Д
700
30
10
100
-60…+130
Сглаживающее действие фильтра оценивается по величине его коэффициента пульсаций на выходе фильтра, который определяется по формуле:
,
где - ток двигателя.
- круговая частота питающего напряжения.
- емкость фильтра.
- постоянная составляющая напряжения на выходе фильтра.
Задаваясь коэффициентом пульсаций 5…10% (0,05…0,1), получим емкость конденсатора фильтра:
Выбираем 2 конденсатор типа К75-40 соединенных параллельно, емкостью 100 мкФ.
Расчет балансного резистора произведем из условия равенства энергии, запасаемой в конденсаторе, энергия электропривода и энергии используемой на нагрев балансного сопротивления
где
Выбираем балластный резистор типа БС-523, сопротивлением 12 (Ом).
Выбор транзисторов производится по следующим параметрам:
по максимальному току перехода эмиттер–коллектор в открытом состоянии через транзистор ;
по максимальному напряжению перехода эмиттер-коллектор транзистора .
Максимальный фазный ток, приведенный к классификационным параметрам транзистора:
,
где - коэффициент запаса по току.
- коэффициент, учитывающий условия охлаждения.
- максимально допустимый фазный ток из условий коммутации, который равен:
Максимальное напряжение, прикладываемое к транзистору во время его запирания:
Выбираем транзисторы по условиям:
Выбранный гибридный модуль на основе IGBT CM20MD1-12H со следующими техническими данными:
Тип IGBT
Максимальное напряжение КЭ, В
Максимальный ток коллектора, А
Тип корпуса
CM20MD1-12H
1200
20
MD
Условие выполняется.
По рассчитанным параметрам максимального тока и напряжения выбираем шунтирующие диоды, удовлетворяющие следующие параметры:
Выбираем шунтирующие диоды типа 2Д203Д со следующими техническими данными:
Условие выполняется.
7 Охрана труда и окружающей среды
7.1 Характеристика вредных и опасных производственных факторов при производстве битумных композиционных материалов
Реакторы и смеситель для битумных композиционных материалов являются источником повышенной опасности и при ее эксплуатации необходимо придерживаться правилам техники безопасности принятыми в Постановлении Госгортехнадзора РФ от 24 апреля 2003г. №25 «Об утверждении «Правил безопасности в химическом производстве»
В соответствии с данными правилами в процессе выплавки стали в электропечах возможно воздействие ряда опасных и вредных производственных факторов.
Работы с технологическим оборудованием химических производств должны производиться с соблюдением Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей, ГОСТ 12.2.007.9 и правил безопасности технологического процесса.
7.2 Техника безопасности
Перед включением аппаратов необходимо проверить исправность оборудования, механической части электрических соединений.
Включение реакторов разрешается производить только после получения пультовщиком от оператора линии ключ - марки на право включения.
При присадке добавок в рекатор должно исключаться повреждение стопорного устройства. Безопасные условия присадки сухих веществ и других добавок на дно реактора должны быть предусмотрены в инструкции организации.
Включение и выключение напряжения во время обработки материалов в реакторах должно производиться при полностью поднятых гермокожухах.
В случае прекращения подачи электроэнергии оборудование должно быть немедленно отключено от электросети.
Ремонтные работы на гермокожухах, в рукавах, механизме наклона и стойках реакторов и смесителей, а также работы по чистке электрооборудования, шлаковых и сливных ям должны производиться после снятия напряжения.
Системы водоохлаждения должны исключать возможность соприкосновения воды с расплавленным материалом.
В случае прекращения подачи воды в охлаждающую систему, в случае сильной течи воды или парообразования следует немедленно снять напряжение с нагревательных элементов. Пуск воды вновь в охлаждающую систему необходимо производить медленно во избежание интенсивного парообразования и возможного взрыва. Перед пуском охлаждающей воды в разогретые охлаждаемые части, через которые проходят электроды, их рекомендуется предварительно охладить сжатым воздухом.
При аварийной остановке дымососа должно быть обеспечено автоматическое перекрытие газоотводящего тракта.
7.3 Пожарная безопасность
Мероприятия по борьбе с пожарами можно подразделить на технические, эксплуатационные, режимного характера, ограничивающие распространение огня, обеспечивающие успешное действие пожарных команд и ДПД, а также организационные.
К техническим мероприятиям относятся:
- соблюдение пожарных норм, требований и правил в устройстве складов, зданий, сооружений, систем отопления, вентиляции, электрооборудования;
- устройство автоматической пожарной сигнализации, систем автоматического тушения пожара и пожарного водоснабжения, молниезащиты.
Эксплуатационные мероприятия заключаются в соблюдении правил проведения технологических процессов, в правильном содержании зданий, сооружений, складов, территории.
Мероприятия режимного характера запрещают курение, применение открытого огня, сварочных работ в пожаро- и взрывоопасных цехах, помещениях, на открытых площадках.
К мероприятиям, ограничивающим распространение огня, относятся:
- применение в строительстве несгораемых материалов, устройство преград в строительных конструкциях, системах вентиляции, разрывов между штабелями, группами и кварталами штабелей, а также между зданиями и штабелями;
- правильное размещение зданий, сооружений и складов лесоматериалов на территории.
Мероприятия, обеспечивающие успешные действия пожарных команд и ДПД, включают: - устройство специальных дорог, проездов, подъездов, пожарных лестниц, водоемов; - оснащение объектов первичными средствами пожаротушения.
Организационные мероприятия заключаются в инструктировании и обучении рабочих и служащих, разработке пожарных инструкций для каждого объекта, организации ДПД и пожарно- технических комиссий, смотров состояния пожарной безопасности, периодических учений по использованию средств пожаротушения, организации уголков по пожарной профилактике в цехах и складах, ежедневной проверке противопожарного состояния помещения по окончании работы с регистрацией результатов проверки в специальном журнале.
Рассматриваемый цех по пожарной безопасности относится к группе «3».
Для тушения пожара на территории цеха установлены гидранты, имеется кольцевой водовод с давлением 2 атм.
Централизованное пожаротушение осуществляется пожарной охраной.
В здании цеха установлены пожарные щиты с инвентарем, имеется пожарная сигнализация.
Для эвакуации людей предусмотрены запасные выходы с двух противопожарных сторон здания.
Проходы и запасные выходы должны быть всегда очищены и незахламлены.
Разработан план эвакуации людей, утвержденный начальником цеха и представителем пожарной охраны.
В бытовых помещениях установлены огнетушители. Для тушения электрооборудования имеются углекислые огнетушители.
Необходимо определить специальные места для курения и поместить там указатели.
7.4 Электробезопасность
Электрический ток является одним из наиболее распространенных факторов, приводящих к тяжелым травмам со смертельным исходом. В то же время большое число легких, не требующих врачебной помощи, травм от действия электрического тока усыпляет бдительность и создает иллюзию его «безопасности».
Электрический ток оказывает на человека термическое, электролитическое и биологическое действия. Термическое действие заключается в нагреве тканей при протекании по ним электрического тока, электролитическое действие - в разложении крови и других жидкостей организма, биологическое - в возбуждении живых тканей организма, сопровождающемся судорогами, спазмом мышц, остановкой дыхания и сердечной деятельности.
В результате воздействия электрического тока могут возникнуть местные электротравмы (ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения, ослепление светом электрической дуги) или произойти электрический удар, который характеризуется общим поражением организма и может сопровождаться судорогами, потерей сознания. остановкой дыхания и/или сердечной деятельности, клинической смертью.
Наиболее опасен переменный ток в диапазоне частот от 20 до 100 Гц. Человек начинает ощущать протекание тока частотой 50 Гц. если его действующее значение составляет 0.6-1.5 мА. При 10-15 мА начинаются судорожные сокращения мышц руте, при 20-25 мА - затруднение дыхания, при 100 мА может начаться фибрилляция сердца. Для постоянного тока ощущение его протекания возникает при 6-7 мА. Токи высокой частоты
могут вызвать лишь ожоги, так как распространяются по поверхности тела. На глубину поражения электрическим током помимо его величины и частоты существенное влияние оказывают продолжительность воздействия и путь протекания по организму.
Вероятность поражения человека электрическим током зависит от климатических условий в помещении температуры, влажности), а также наличия токопроводящей пыли, металлических конструкций, соединенных с землей токопроводящего пола и т.д.
В соответствии с «Правилами устройства электроустановок потребителей» (ПУЭ) все помещения делят на три класса:
- без повышенной опасности - нежаркие (до +35 °С), сухие (до 60 %), непыльные. с нетокопроводяшим полом. не загроможденные оборудованием:
- с повышенной опасностью - имеют по крайней мере один фактор повышенной опасности - т.е. жаркие или влажные (до 75 %). пыльные, с токопроводящим полом и т.п.:
- особо опасные - имеют два или более факторов повышенной опасности или по крайней мере один фактор особой опасности, т.е. особую сырость (до 100 %) или наличие химически активной среды.
7.5 Охрана окружающей среды
Рассматриваемое производство относится к разряду химических, при этом характер технологических процессов определяет воздействие производственного процесса на окружающую среду: на производстве внедрена система оборотного водоснабжения в технологическом процессе и отсутствуют твердые производственные отходы, ввиду чего потенциально вредное воздействие на экологию ограничивается выделением газов.
Газоочистка состоит из системы газоудаления от местных газосборных зонтов и газоотсосов, газохода со своим дымососом от реактора, газохода от крышного зонта и газохода с отдельным вентилятором от бункеров добавок - эти четыре системы объединяются в общий газовый коллектор, по которому газы поступают на вход в рукавный фильтр типа. Сюда же подаются газы аспирации от выгрузки пыли, уловленной на рукавном фильтре. Очищенные в рукавном фильтре газы с помощью двух параллельно подключенных дымососов ДН 24 х 2 ФГМ выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Пыль после улавливания поступает в сборный бункер пыли и отгружается в автоприцеп или на окомкователь пыли.
Технологические газы через четвертое отверстие в крышке рекатора, накатную муфту поступают в приемную и камеру дожигания, где происходит дожигание монооксида углерода до двуокиси углерода, и далее поступают в водоохлаждаемую пылеосадительную камеру, где улавливаются крупные частицы пыли. Пройдя по водоохлаждаемому газоходу, который является продолжением пылеосадительной камеры, газы через клапан попадают в газоход на предварительную пылеочистку в циклоне. После предварительной очистки газы по объединенному газовому коллектору подаются в рукавный фильтр.
Изменением зазора между сводовым патрубком и накатной муфтой обеспечивается регулирование количества газов, отсасываемых через сводовое отверстие, при этом воздух, который подсасывается через зазор, обеспечивает условие дожигания монооксида углерода.
Камера дожигания, приемная камера и горизонтальный газоход выполнены из труб. Пылеосадительная камера в нижней части футерована шамотным кирпичом, верхняя часть стен и потолок экранированы водоохлаждаемыми панелями. Камера имеет водоохлаждаемые ворота для механизированной уборки пыли. Система подачи воды оборудована средствами КИП и А.
Отходящие газы от реактора, образующиеся в период загрузки, слива продуктов, объем которых регулируется клапаном, через крышной зонт по газоходу поступают на очистку в рукавный фильтр.
Отсос газов от остальных технологических агрегатов осуществляется по газоходу, на котором установлен регулирующий клапан, предназначенный для разбавления газов атмосферным воздухом до температуры 2500С, с помощью дымососа газ поступает по общему газоходу на очистку в рукавный фильтр.