Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова»
Бийский технологический институт (филиал)
А.М. Белоусов, М.А. Ленский
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ И БРОДИЛЬНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ. НОРМЫ ПОЖАРНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОМЫШЛЕННОЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
Учебное пособие для выполнения практических работ по курсам
«Основы проектирования предприятий биотехнологической
промышленности» и «Проектирование отрасли и промышленное строительство» для студентов специальностей 070100 и 270500
Бийск 2005
УДК 69.1:614:663
Белоусов А.М., Ленский М.А. Основы проектирования предприятий
биотехнологической и бродильной промышленности. Нормы пожарной
безопасности: Учебное пособие для выполнения практических работ по
курсам «Основы проектирования предприятий биотехнологической промышленности» и «Проектирование отрасли и промышленное строительство» для студентов специальностей 070100 и 270500.
Алт. гос. техн. ун-т., БТИ. – Бийск:
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2005. – 189 с.
В учебном пособии излагаются необходимые сведения по вопросу
проектирования предприятий биотехнологической и бродильной промышленности, нормам пожарной безопасности, а также опознавательной
окраски трубопроводов, по цифровому обозначению укрупненных групп
веществ, транспортируемых по ним, количеству предупреждающих цветных колец на трубопроводах в зависимости от степени опасности транспортируемых веществ. Приводится информация по окраске баллонов для
сжатых, сжиженных и растворенных газов, тексту и цвету надписей на
них.
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим
центром высшего профессионального образования для межвузовского
использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям 070100 «Биотехнология» и 270500 «Технология бродильных производств и виноделие».
Рецензенты: д. фарм. н., профессор генеральный директор
ЗАО «Алтайвитамины» Кошелев Ю.А.
к.т.н., доцент кафедры ТХМ (БТИ АлтГТУ) Чащилов Д.В.
ISBN 5-9257-0069-4
© БТИ АлтГТУ, 2005
© Белоусов А.М., Ленский М.А., 2005
2
3
ВВЕДЕНИЕ
Термин «проектирование» (от лат. projectus  выступающий вперед, выдающийся) в широком смысле означает процесс создания проекта. Под проектом понимается совокупность информации, адекватно
отображающей предполагаемый объект, процесс и т. п. Следовательно,
инженерным проектированием можно называть процесс создания проекта некоторого технологического или технического объекта.
Создание проектов объектов техники (оборудование, машины,
аппараты, агрегаты) составляет одно из направлений инженерного проектирования  конструкционное проектирование, которое также называют техническим, а чаще  просто конструированием. Результат конструирования  конструкторский проект. Его разрабатывает инженерконструктор.
Создание проектов объектов технологии (отдельные процессы,
технологические стадии, линии) составляет другое направление инженерного проектирования  технологическое проектирование. Результат
его  комплект технологической документации. Технологический проект разрабатывает инженер-технолог [3].
Цель данного учебного пособия  закрепление навыков проектирования промышленных объектов, определения категорий помещений
и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, а также ознакомление с особенностями окрашивания трубопроводов и баллонов для
сжатых, сжиженных и растворенных газов.
4
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАТЕГОРИЙ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ
ПО ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
В СООТВЕТСТВИИ С НПБ 105-95 [1]
Настоящие нормы устанавливают методику определения категорий помещений и зданий (или частей зданий между противопожарными стенами – пожарных отсеков) производственного и складского
назначения по взрывопожарной и пожарной опасности в зависимости
от количества и пожаровзрывоопасных свойств находящихся (обращающихся) в них веществ и материалов с учетом особенностей технологических процессов размещенных в них производств. Методика
должна использоваться при разработке ведомственных норм технологического проектирования, касающихся категорирования помещений и
зданий.
В области оценки взрывоопасности настоящие нормы выделяют
категории взрывопожароопасных помещений и зданий, более детальная классификация которых по взрывоопасности и необходимые защитные мероприятия должны регламентироваться самостоятельными
нормативными документами.
Настоящие нормы не распространяются на помещения и здания
для производства и хранения взрывчатых веществ (ВВ), средств инициирования ВВ, здания и сооружения, проектируемые по специальным
нормам и правилам, утвержденным в установленном порядке.
Категории помещений и зданий, определенные в соответствии с
настоящими нормами, следует применять для установления нормативных требований по обеспечению взрывопожарной и пожарной безопасности указанных помещений и зданий в отношении планировки и
застройки, этажности, площадей, размещения помещений, конструктивных решений, инженерного оборудования. Мероприятия по обеспечению безопасности людей должны назначаться в зависимости от пожароопасных свойств и количеств веществ и материалов в
соответствии с ГОСТ 12.1.004-91 и ГОСТ 12.1.044-89.
Термины и определения приняты в соответствии с СТ СЭВ 447-77,
СТ СЭВ 383-87, ГОСТ 12.1.033-81 и ГОСТ 12.1.044-89.
1.1 Общие положения
Категории помещений и зданий предприятий и учреждений определяются на стадии проектирования зданий и сооружений в соответствии с настоящими нормами, ведомственными нормами технологического проектирования или специальными перечнями, утвержденными
в установленном порядке.
5
1.1.1 По взрывопожарной и пожарной опасности помещения и
здания подразделяются на категории А, Б, В1 – В4, Г и Д.
1.1.2 Категории взрывопожарной и пожарной опасности помещений и зданий определяются для наиболее неблагоприятного в отношении пожара или взрыва периода исходя из вида находящихся в аппаратах и помещениях горючих веществ и материалов, их количества и
пожароопасных свойств, особенностей технологических процессов.
1.1.3 Определение пожароопасных свойств веществ и материалов
производится на основании результатов испытаний или расчетов по
стандартным методикам с учетом параметров состояния (давления,
температуры и т.д.).
Допускается использование справочных данных, опубликованных
головными научно-исследовательскими организациями в области пожарной безопасности или выданных Государственной службой стандартных справочных данных.
Допускается использование показателей пожарной опасности для
смесей веществ и материалов по наиболее опасному компоненту.
1.2 Категории помещений по взрывопожарной и пожарной
опасности
1.2.1 Категории помещений по взрывопожарной и пожарной
опасности принимаются в соответствии с таблицей 1.1.
Таблица 1.1 – Категории помещений по взрывопожарной и пожарной
опасности
Категория помещения
1
А
взрывопожароопасная
Характеристика веществ и материалов,
находящихся (обращающихся)
в помещении
2
Горючие газы, легковоспламеняющиеся
жидкости с температурой вспышки не более 28 °С в таком количестве, что могут
образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении
которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа
6
Продолжение таблицы 1.1
1
2
Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом
в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа
Б
Горючие пыли или волокна, легковосплавзрывопожароопасная меняющиеся жидкости с температурой
вспышки более 28 °С, горючие жидкости в
таком количестве, что могут образовывать
взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное
давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа
В1 – В4
Горючие и трудногорючие жидкости, тверпожароопасные
дые горючие и трудногорючие вещества и
материалы (в том числе пыли и волокна),
вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха
или друг с другом только гореть при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или обращаются, не относятся
к категориям А или Б
Г
Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается
выделением
лучистой
теплоты, искр и пламени; горючие газы,
жидкости и твердые вещества, которые
сжигаются или утилизируются в качестве
топлива
Д
Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии
Примечание – Разделение помещений на категории В1 – В4 регламентируется положениями, изложенными в таблице 1.4.
7
1.2.2 Определение категорий помещений следует осуществлять
путем последовательной проверки принадлежности помещения к категориям, приведенным в таблице 1.1, от высшей (А) к низшей (Д).
1.3 Методы расчета критериев взрывопожарной опасности
помещений. Выбор и обоснование расчетного варианта
1.3.1 При расчете значений критериев взрывопожарной опасности
в качестве расчетного следует выбирать самый неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором во
взрыве участвует наибольшее количество веществ или материалов,
наиболее опасных в отношении последствий взрыва.
В случае, если использование расчетных методов не представляется возможным, допускается определение значений критериев взрывопожарной опасности на основании результатов соответствующих
научно-исследовательских работ, согласованных и утвержденных в
установленном порядке.
1.3.2 Количество поступивших в помещение веществ, которые
могут образовать взрывоопасные газовоздушные или паровоздушные
смеси, определяется исходя из следующих предпосылок.
а) Происходит расчетная авария одного из аппаратов согласно
п. 1.3.1.
б) Все содержимое аппарата поступает в помещение.
в) Происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов,
питающих аппарат по прямому и обратному потоку в течение времени,
необходимого для отключения трубопроводов.
Расчетное время отключения трубопроводов определяется в каждом конкретном случае исходя из реальной обстановки и должно быть
минимальным с учетом паспортных данных на запорные устройства,
характера технологического процесса и вида расчетной аварии.
Расчетное время отключения трубопроводов следует принимать
равным:
 времени срабатывания системы автоматики отключения трубопроводов согласно паспортным данным установки, если вероятность
отказа системы автоматики не превышает 0,000001 в год или обеспечено резервирование ее элементов;
 120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает
0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов;
 300 с при ручном отключении.
8
Не допускается использование технических средств для отключения трубопроводов, для которых «время отключения» превышает приведенные выше значения.
Под «временем срабатывания» и «временем отключения» следует
понимать промежуток времени от начала возможного поступления
горючего вещества из трубопровода (перфорация, разрыв, изменение
номинального давления и т.п.) до полного прекращения поступления
газа или жидкости в помещение. Быстродействующие клапаныотсекатели должны автоматически перекрывать подачу газа или жидкости при нарушении электроснабжения.
В исключительных случаях в установленном порядке допускается
превышение приведенных выше значений времени отключения трубопроводов специальным решением соответствующих министерств или
ведомств по согласованию с Госгортехнадзором России на подконтрольных ему производствах и предприятиях и МВД России.
г) Происходит испарение с поверхности разлившейся жидкости;
площадь испарения при разливе на пол определяется (при отсутствии
справочных данных) исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов,
содержащих 70% и менее (по массе) растворителей, разливается на
площади 0,5 м2, а остальных жидкостей – на 1 м2 пола помещения.
д) Происходит также испарение жидкости из емкостей, эксплуатируемых с открытым зеркалом жидкости, и со свежеокрашенных поверхностей.
е) Длительность испарения жидкости принимается равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с.
1.3.3 Количество пыли, которое может образовать взрывоопасную
смесь, определяется из следующих предпосылок:
а) расчетной аварии предшествовало пыленакопление в производственном помещении, происходящее в условиях нормального режима работы (например, вследствие пылевыделения из негерметичного производственного оборудования);
б) в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные
работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических
аппаратов, за которой последовал аварийный выброс в помещение всей
находившейся в аппарате пыли.
1.3.4 Свободный объем помещения определяется как разность
между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим
оборудованием. Если свободный объем помещения определить невозможно, то его допускается принимать условно равным 80% геометрического объема помещения.
9
1.3.5 Избыточное давление взрыва P для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, С1, Вг, I, F, определяется по формуле
P  ( Pmax  P0 ) 
где
m  z 100 1


,
Vсв   г .п Сст К н
(1.1)
Pmax – максимальное давление взрыва стехиометрической газовоз-
душной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое
экспериментально или по справочным данным в соответствии с требованиями п. 1.1.4. При отсутствии данных допускается принимать Pmax
кПа ;
P0 − начальное давление, кПа (допускается принимать равным
101 кПа );
т − масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся
равным 900
(ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной
аварии в помещение, вычисляемая для ГГ по формуле (1.6), а для паров
ЛВЖ и ГЖ по формуле (1.11), кг ;
z − коэффициент участия горючего во взрыве, который может
быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в
объеме помещения согласно Приложению А. Допускается принимать
значение z по таблице 1.2;
Vсв − свободный объем помещения, м3 ;
 г.п
− плотность газа или пара при расчетной температуре t p ,
кг / м , вычисляемая по формуле
3
М
,
V0 (1  0,003677  t p )
где М – молярная масса, кг / кмоль ;
V0 – мольный объем, равный 22,413 м3 / кмоль ;
t p – расчетная температура, °С.
 г .п 
(1.2)
В качестве расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного
повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения
10
расчетной температуры t p по каким-либо причинам определить не
удается, допускается принимать ее равной 61 °С;
Сст – стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ,
% (об.), вычисляемая по формуле
Сст 
где
  пс 
100
,
1  4,84
(1.3)
пн  пх по

– стехиометрический коэффициент кисло4
2
рода в реакции сгорания;
пс , пн , по , пх – число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего;
К н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и
неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать К н равным 3.
Таблица 1.2 – Значение коэффициента z в зависимости от вида
горючего вещества
Вид горючего вещества
Значение
z
Водород
Горючие газы (кроме водорода)
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые до
температуры вспышки и выше
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые
ниже температуры вспышки, при наличии возможности
образования аэрозоля
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые
ниже температуры вспышки, при отсутствии возможности
образования аэрозоля
1,0
0,5
0,3
0,3
0
1.3.6 Расчет избыточного давления взрыва для индивидуальных
веществ, кроме упомянутых в п. 1.3.5, а также для смесей может быть
выполнен по формуле
P 
тНт Р0 z 1
,

Vсв вС рТ 0 К н
11
(1.4)
где
Н т – теплота сгорания, Дж / кг ;
в
– плотность воздуха до взрыва при начальной температуре
Т 0 , кг / м 3 ;
С р – теплоемкость воздуха, Дж /(кгК ) (допускается принимать равной 1,017103 Дж /(кгК ) ;
Т 0 – начальная температура воздуха, К .
1.3.7 В случае обращения в помещении горючих газов, легковоспламеняющихся или горючих жидкостей при определении значения
массы т , входящей в формулы (1.1) и (1.4), допускается учитывать
работу аварийной вентиляции, если она обеспечена резервными вентиляторами, автоматическим пуском при превышении предельно допустимой взрывобезопасной концентрации и электроснабжением по первой категории надежности (ПУЭ [2]), при условии расположения
устройств для удаления воздуха из помещения в непосредственной
близости от места возможной аварии.
При этом массу т горючих газов или паров легковоспламеняющихся или горючих жидкостей, нагретых до температуры вспышки и
выше, поступивших в объем помещения, следует разделить на коэффициент К , определяемый по формуле
К  А  Т  1,
(1.5)
где А – кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, 1 / с ;
Т – продолжительность поступления горючих газов и паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в объем помещения, с ,
(принимается по п. 1.3.2).
1.3.8 Масса т , кг , поступившего в помещение при расчетной
аварии газа определяется по формуле
т  Va  Vт  г.п ,
где
(1.6)
Va – объем газа, вышедшего из аппарата, м3 ;
Vт – объем газа, вышедшего из трубопроводов, м3 .
При этом
Va  0,01  Р1  V ,
где
Р1 – давление в аппарате, кПа ;
12
(1.7)
V – объем аппарата, м3 .
(1.8)
Vт  V1т  V2 т ,
где V1т – объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения,
м3 ;
V2 т – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м ;
3
V1т  q  T ,
(1.9)
где q – расход газа, определяемый в соответствии с технологическим
регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра,
температуры газовой среды и т.д., м / с ;
Т – время, определяемое по п. 1.3.2, с .
3
V2 т  0,01    Р2 (r12  L1  r22  L2  ...  rn2  Ln ),
(1.10)
Р2 – максимальное давление в трубопроводе по технологическому
регламенту, кПа ;
r – внутренний радиус трубопроводов, м ;
L – длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м .
1.3.9 Масса паров жидкости т , поступивших в помещение при
где
наличии нескольких источников испарения (поверхность разлитой
жидкости, поверхность со свеженанесенным составом, открытые емкости и т.п.), определяется из выражения
т  т р  тем к  тсв .окр ,
(1.11)
где т р – масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива,
кг ;
тем к – масса жидкости, испарившейся с поверхностей открытых
емкостей, кг ;
тсв.окр – масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав, кг .
При этом каждое из слагаемых в формуле (1.11) определяется по
формуле
т  W  Fи  Т ,
(1.12)
где
W – интенсивность испарения, кг /( с  м2 ) ;
13
Fи – площадь испарения, м 2 , определяемая в соответствии с
п. 1.3.2 в зависимости от массы жидкости
тп , вышедшей в помещение.
Если аварийная ситуация связана с возможным поступлением
жидкости в распыленном состоянии, то она должна быть учтена в
формуле (1.11) введением дополнительного слагаемого, учитывающего
общую массу поступившей жидкости от распыляющих устройств исходя из продолжительности их работ.
1.3.10 Масса тп , кг , вышедшей в помещение жидкости определяется в соответствии с п. 1.3.2.
1.3.11 Интенсивность испарения W определяется по справочным
и экспериментальным данным. Для ненагретых выше температуры
окружающей среды ЛВЖ при отсутствии данных допускается рассчитывать W по формуле
W  106  М  Рн ,
(1.13)
где  – коэффициент, принимаемый по таблице 1.3 в зависимости от
скорости и температуры воздушного потока над поверхностью
испарения;
Рн – давление насыщенного пара при расчетной температуре
жидкости t p , определяемое по справочным данным в соответствии с
требованиями п. 1.1.4, кПа.
Таблица 1.3 – Значение коэффициента  в зависимости от скорости
воздушного потока
Скорость воздушного
Значение коэффициента  при температуре
потока в помещении,
t , °С, воздуха в помещении
м/ с
10
15
20
30
35
0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0,1
3,0
2,6
2,4
1,8
1,6
0,2
4,6
3,8
3,5
2,4
2,3
0,5
6,6
5,7
5,4
3,6
3,2
1,0
10,0
8,7
7,7
5,6
4,6
1.3.12 Расчет избыточного давления взрыва для горючих пылей
Р , кПа , производится по формуле (1.4), где коэффициент z участия взвешенной пыли во взрыве рассчитывается по формуле
14
z  0,5 F ,
(1.14)
где F – массовая доля частиц пыли размером менее критического, с
превышением которого аэровзвесь становится взрывобезопасной, т.е.
неспособной распространять пламя. В отсутствие возможности получения сведений для расчета величины допускается принимать z  0,5 .
1.3.13 Расчетная масса взвешенной в объеме помещения пыли т ,
кг , образовавшейся в результате аварийной ситуации, определяется
по формуле
(1.15)
т  твз  тав ,
твз – расчетная масса взвихрившейся пыли, кг ;
тав – расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг .
1.3.14 Расчетная масса взвихрившейся пыли твз определяется по
где
формуле
твз  К вз  тп ,
где
(1.16)
Квз – доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти
во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации. При отсутствии экспериментальных сведений о величине К вз допускается полагать
К вз  0,9 ;
тп – масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии, кг .
1.3.15 Расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, тав , определяется по формуле
тав  (тап  qТ ) К п ,
(1.17)
тап – масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, кг ;
q – производительность, с которой продолжается поступление
где
пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг / с ;
Т – время отключения, с , определяемое по п. 1.3.2 (в);
К п – коэффициент пыления, представляющий отношение массы
взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппа-
15
рата в помещение. При отсутствии экспериментальных сведений о величине К п допускается полагать:
мкм К п  0,5 ;
 для пылей с дисперсностью менее 350 мкм К п  1 .
Величина тап принимается в соответствии с пп. 1.3.1 и 1.3.3.
 для пылей с дисперсностью не менее 350
1.3.16 Масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии
определяется по формуле
тп 
где
Кг
(т1  т2 ) ,
Ку
(1.18)
К г – доля горючей пыли в общей массе отложений пыли;
т1 – масса пыли, оседающей на труднодоступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между генеральными
уборками, кг ;
т2 – масса пыли, оседающей на доступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между текущими уборками, кг ;
К у – коэффициент эффективности пылеуборки, принимается при
ручной пылеуборке:
 сухой К у  0 , 6 ;
 влажной К у  0 , 7 ;
при механизированной вакуумной уборке:
 пол ровный К у  0 ,9 ;
 пол с выбоинами (до 5% площади) К у  0 , 7 .
Под труднодоступными для уборки площадями подразумевают
такие поверхности в производственных помещениях, очистка которых
осуществляется только при генеральных пылеуборках. Доступными
для уборки местами являются поверхности, пыль с которых удаляется
в процессе текущих пылеуборок (ежесменно, ежесуточно и т.п.).
1.3.17 Масса пыли тi (i  1, 2) , оседающей на различных поверхностях в помещении за межуборочный период, определяется по
формуле
(1.19)
тi  М 1 (1   ) (i  1, 2) ,
16
где М1 
М
1
 j – масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за
i
j период времени между генеральными пылеуборками, кг ;
М 1 j – масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования
за указанный период, кг ;
М 2  М 2  j – масса пыли, выделяющаяся в объем помещения

i
за j период времени между текущими пылеуборками,
кг ;
М 2 j – масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования за указанный период, кг ;
 – доля выделяющейся в объем помещения пыли, которая удаляется вытяжными вентиляционными системами. При отсутствии экспериментальных сведений о величине  полагают   1 ;
1 ,  2
– доли выделяющейся в объем помещения пыли, оседаю-
щей соответственно на труднодоступных и доступных для уборки поверхностях помещения (1  2  1) .
При отсутствии сведений о величине коэффициентов
1  1,  2  0 .
допускается полагать
1.3.18 Величина
1
и
2
М i (i  1, 2) может быть также определена
экспериментально (или по аналогии с действующими образцами производств) в период максимальной загрузки оборудования по формуле
М i   (Gij  Fij ) i (i  1, 2) ,
(1.20)
j
где G1 j , G2 j – интенсивность пылеотложений соответственно на
труднодоступных
F1 j ( м 2 ) и доступных F2 j ( м 2 ) площадях,
кг /( м2  с) ;
 1 ,  2 – промежутки времени соответственно между генеральными и текущими пылеуборками, с .
1.3.19 Определение пожароопасной категории помещения (В1 –
В4) осуществляется путем сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки (далее по тексту − пожарная
нагрузка) на любом из участков с величиной удельной пожарной
нагрузки, приведенной в таблице 1.4.
17
1.3.20 При пожарной нагрузке, включающей в себя различные сочетания (смесь) горючих, трудногорючих жидкостей, твердых горючих
и трудногорючих веществ и материалов в пределах пожароопасного
участка, пожарная нагрузка Q ( МДж / м ) определяется по формуле
2
n
Q   GiQнip ,
(1.21)
i 1
где
Gi – количество i-го материала пожарной нагрузки, кг ;
Qнip – низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки,
МДж / кг .
Удельная пожарная нагрузка g ( МДж / м ) определяется из соотношения
2
g
Q
,
S
(1.22)
S – площадь размещения пожарной нагрузки, м 2 , (но не менее
2
10 м ).
где
Таблица 1.4 – Определение категорий В1 – В4 помещений
Категория
Удельная поСпособ размещения
жарная нагрузка
g на участке,
МДж / м2
В1
В2
В3
В4
Более 2200
1401…2200
181…1400
1…180
Не нормируется
См. Примечание 2
См. Примечание 2
На любом участке пола помещения
площадью 10 м . Способ размещения
участков пожарной нагрузки определяется согласно Примечанию 1
2
Примечания
1. В помещениях категорий В1 – В4 допускается наличие нескольких участков с пожарной нагрузкой, не превышающей значений,
приведенных в таблице 1.4. В помещениях категории В4 расстояния
между этими участками должны быть более предельных.
В таблице 1.5 приведены рекомендуемые значения предельных рассто-
18
яний ( I пр ) в зависимости от величины критической плотности падающих лучистых потоков q кр ( кВт / м ) для пожарной нагрузки, состо2
ящей из твердых горючих и трудногорючих материалов. Значения I пр ,
приведенные в таблице 1.5, рекомендуются при условии, если
Н  11 м ; если Н  11 м , то предельное расстояние определяется
как
I  I пр  (11  Н ) ,
где I пр – определяется из таблицы 1.5;
Н – минимальное расстояние от поверхности пожарной нагрузки
до нижнего пояса ферм перекрытия (покрытия), м .
Значения q кр для некоторых материалов пожарной нагрузки приведены в таблице 1.6.
Таблица 1.5 – Рекомендуемые значения предельных расстояний ( I пр ) в
зависимости от величины критической плотности падающих лучистых
потоков ( q кр )
q кр , кВт / м 2
5
10
15
20
25
30
40
50
I пр , м
12
8
6
5
4
3,8
3,2
2,8
Таблица 1.6 – Критические плотности падающих лучистых потоков q кр
Материал
q кр , кВт / м 2
Древесина (сосны влажностью 12 %)
Древесно-стружечные плиты (плотность 417 кг / м )
Торф брикетный
Торф кусковой
Хлопок-волокно
Слоистый пластик
Стеклопластик
Пергамин
Резина
Уголь
Рулонная кровля
3
19
13,9
8,3
13,2
9,8
7,5
15,4
15,3
17,4
14,8
35,0
17,4
Сено, солома (при минимальной влажности до 8 %)
7,0
Если пожарная нагрузка состоит из различных материалов, то
значение q кр определяется по материалу с минимальным значением
q кр .
Для материалов пожарной нагрузки с неизвестными значениями
q кр значения предельных расстояний принимаются I пр  12 м .
Для пожарной нагрузки, состоящей из ЛВЖ или ГЖ, рекомендуемое расстояние ( I пр ) между соседними участками размещения (разлива) пожарной нагрузки рассчитывается по формулам:
I пр  15 м при Н  11 ,
I пр  26  Н м при Н  11 .
(1.23)
(1.24)
2. Если при определении категорий В2 или В3 количество пожарной нагрузки Q , определенное в п. 1.3.20, превышает или равно
Q  0,64 g  H 2 ,
то помещение будет относиться к категориям В1 или В2 соответственно.
1.3.21 Расчетное избыточное давление взрыва Р для веществ и
материалов, способных взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, определяется по приведенной выше методике, полагая z  1 и принимая в качестве величины H т энергию, выделяющуюся при взаимодействии (с учетом
сгорания продуктов взаимодействия до конечных соединений), или
экспериментально в натурных испытаниях. В случае, когда определить
величину Р представляется возможным, следует принимать ее превышающей 5 кПа .
1.3.22 Расчетное избыточное давление взрыва Р для гибридных взрывоопасных смесей, содержащих горючие газы (пары) и пыли,
определяется по формуле
(25)
Р  Р1  Р2 ,
где Р1 – давление взрыва, вычисленное для горючего газа (пара) в
соответствии с пп. 1.3.5 и 1.3.6;
20
Р2 – давление взрыва, вычисленное для горючей пыли в соответствии с п. 1.3.12.
1.4 Категории зданий по взрывопожарной
и пожарной опасности
1.4.1 Здание относится к категории А, если в нем суммарная площадь помещений категории А превышает 5% площади всех помещений или 200 м .
Допускается не относить здание к категории А, если суммарная
площадь помещений категории А в здании не превышает 25%
суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более
2
1000 м ) и эти помещения оборудуются установками автоматического
пожаротушения.
1.4.2 Здание относится к категории Б, если одновременно выполнены два условия:
а) здание не относится к категории А;
б) суммарная площадь помещений категорий А и Б превышает
2
5% суммарной площади всех помещений или 200 м .
Допускается не относить здание к категории Б, если суммарная
площадь помещений категорий А и Б в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более
2
1000 м ) и эти помещения оборудуются установками автоматического
пожаротушения.
1.4.3 Здание относится к категории В, если одновременно выполнены два условия:
а) здание не относится к категориям А или Б;
б) суммарная площадь помещений категорий А, Б и В превышает
5% (10%, если в здании отсутствуют помещения категорий А и Б) суммарной площади всех помещений.
Допускается не относить здание к категории В, если суммарная
площадь помещений категорий А, Б и В в здании не превышает 25%
суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более
2
3500 м ) и эти помещения оборудуются установками автоматического
пожаротушения.
1.4.4 Здание относится к категории Г, если одновременно выполнены два условия:
а) здание не относится к категориям А, Б или В;
2
21
б) суммарная площадь помещений категорий А, Б, В и Г превышает 5% суммарной площади всех помещений.
Допускается не относить здание к категории Г, если суммарная
площадь помещений категорий А, Б, В и Г в здании не превышает 25%
суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более
5000 м ) и помещения категорий А, Б, В оборудуются установками
пожаротушения.
1.4.5 Здание относится к категории Д, если оно не относится к категориям А, Б, В или Г.
2
22
2 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЗДАНИЯ
Технологический процесс – основа объемно-планировочного и
конструктивного решения и классификации промышленных зданий.
Объемно-планировочное решение промышленного здания зависит от характера технологического процесса.
Технологическая часть проекта составляется специалистами данной отрасли производства. Архитектор и инженер-строитель совместно
с инженером-технологом размещают технологическое оборудование в
определенной последовательности, выбирают материалы и конструкции здания, отвечающие условиям технологического процесса. Влияние технологии на выбор конструкций промышленного здания весьма
велико. Это не только его конструктивные элементы, но и размеры,
форма, санитарно-техническое и инженерное оборудование и внешний
вид.
Инженеры-строители при проектировании промышленных зданий должны знать основы технологии производства, а инженерытехнологи – основы строительного дела. В этом случае можно рассчитывать на рациональное решение строительства промышленного здания и обеспечивать необходимые условия производства, комфортные
условия труда.
Архитектурные качества здания с рациональными экономическими характеристиками. Оптимальный вариант может быть выявлен путем всесторонней оценки возможных вариантов, которые наиболее
полно отражают основные требования условий производства, техники,
санитарии, экономики, социологии, эстетики и так далее. Окончательный вариант принятого решения влияет на важнейшие техникоэкономические показатели: сметную стоимость строительства и продолжительность строительства, трудоемкость, материалоемкость, эксплуатационные затраты.
Примеры взаимосвязи технологических особенностей проектируемого производства и исходных данных строительного проектирования
приведены ниже.
2.1 Разработка объемно-планировочного решения
При модернизации и строительстве новых производств возникает
проблема разработки объемно-планировочных решений. В настоящее
время объемно-планировочные решения являются основой проектирования предприятий бродильной и биотехнологической промышленности. К ним относятся: проектирование зданий и сооружений, несущих
и ограждающих конструкций, системы отопления и вентиляции,
23
системы водоснабжения и канализации, а также освещение производственных помещений и многое другое.
При разработке объемно-планировочного решения необходимо
учитывать:
1) схему генерального плана предприятия, вытекающую из его
технологической схемы и определяющую форму, ориентировку и взаимоположение отдельных зданий, в том числе проектируемых;
2) категорию взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности
зданий и сооружений, в том числе проектируемых;
3) технологическую планировку (расположение оборудования) с
указанием сетки колонн, необходимых проходов, проездов, железнодорожных путей, рабочих площадок, туннелей, каналов, проемов в перекрытиях и так далее;
4) высоту отдельных пролетов одноэтажных зданий или этажей
многоэтажных зданий, отметку пола приямков, подвалов и так далее;
5) геометрические характеристики подвижного железнодорожного состава и средств безрельсового транспорта на внутризаводских
путях и проездах.
Особенно при разработке и проектировании объемнопланировочных решений необходимо учитывать величину всех показателей, которые могут оказать большое влияние на разработку таких
решений. К таким показателям относятся:
1) виды мостовых и подвесных кранов, их количество и технические характеристики, зоны и режимы работы;
2) сосредоточенные и распределенные нагрузки от оборудования;
3) характеристика динамических нагрузок от оборудования;
4) монтажные нагрузки для междуэтажных перекрытий, этажерок
и рабочих площадок;
5) нагрузки от технологической пыли и других последствий производства;
6) глубина заложения подвалов, туннелей, фундаментов оборудования и прочих;
7) грузоподъемность подвижного состава всех видов транспорта;
8) температура и влажность воздуха внутри помещений;
9) нагрузка и характер динамических воздействий на полы, возможность проливов кислот, щелочей, воды, выплесков расплавов и так
далее.
24
2.2 Разработка объемно-планировочных решений
по улучшению санитарных условий работы
и по проектированию системы очистки сточных вод
Разработка объемно-планировочных решений по улучшению санитарных условий работы – одна из основных задач усовершенствования и модернизации производства. При этом необходимо иметь данные
о величине следующих показателей:
1) наличие и количество влаго- и тепловыделений, вентиляции и
возможность больших теплопотерь и прочее;
2) производственные выбросы, выделяемые в атмосферу помещений;
3) кратность воздухообмена;
4) производственные выбросы, выделяемые в воздушный бассейн.
Организация мероприятий по улучшению условий работы персонала требует особого внимания. Необходимо учитывать:
1) требования к освещению производственных помещений;
2) особые требования к внутренней отделке;
3) данные о шумовыделениях;
4) данные, необходимые для выбора способа уборки помещений;
5) санитарную характеристику производства;
6) режим работы цеха (число смен);
7) численность рабочих, административно-технического и другого персонала (общая и по сменам, мужчин и женщин).
При проектировании отопления и системы вентиляции, а также
выборе материалов стен и других видов покрытий необходимо
учитывать:
1) температурно-влажностный режим воздуха, концентрация и
характер агрессивных агентов (кислоты, щелочи, растворы солей);
2) характеристики агрессивности воздуха, сточных вод и так
далее;
3) данные о коррозионных воздействиях на полы, стены и так
далее.
При разработке решений по водоснабжению и очистке сточных
вод необходимо учитывать:
1) потребность в воде для производственных целей;
2) количество, состав, температуру производственных сточных
вод;
3) необходимость устройства местных установок для очистки
сточных вод.
Основные требования, предъявляемые к промышленным зданиям
и определяемые технологическим процессом: рациональная схема
25
размещения оборудования; достаточная прочность и долговечность
элементов здания; экономичность; возможность осуществления строительства индустриальными методами; создание благоприятных условий эксплуатации здания; безопасные и комфортные условия работы
людей, высокое качество архитектурно-художественного решения.
Технологическая схема производства во многом определяет выбор конструктивного решения. Все промышленные здания по назначению делятся на основные производственные, вспомогательные, энергетические, транспортные и складские, а по этажности промышленные
здания подразделяют на одно- и многоэтажные. Этажность зданий
определяется технологическим процессом размещенного в нем производства. Для многих производств чаще используют одноэтажные здания. Технологический процесс и внутрицеховой транспорт в одноэтажных зданиях организовать проще, чем в многоэтажных.
2.3 Проектирование водопровода и канализации.
Мероприятия по противокоррозионной защите конструкций.
Обеспечение производственного комфорта.
Проектирование административно-бытовых помещений
По конструктивной схеме и расположению внутренних опор
встречаются три типа одноэтажных промышленных зданий: пролетные, зальные и блочно-ячейковые.
Пролетные здания предназначаются для технологических процессов продольного (в плане) направления и могут быть одно- или многопролетными. В зависимости от технологического процесса такие
здания состоят из пролетов, параллельных или взаимно перпендикулярных (в плане). Зальные здания строят для размещения оборудования, к которому необходим всесторонний подход, значительная высота
в некоторых случаях – изоляция от других строений. Блочноячейковые здания определяются технологией производств, требующих
повторяющихся замкнутых объемов при относительно небольшой
площади. Несущие конструкции промышленных зданий возводят из
сборного железобетона, металла или сборного железобетона и металла.
Одноэтажные здания могут быть бескрановыми с несущими стенами (рисунок 1 а), а также с кранами. По виду водоотвода с поверхности
крыш они делятся на здания с наружным водоотводом (рисунок 1 а) и
внутренним водоотводом (рисунок 1 в). При внутреннем водоотводе на
поверхности кровли устанавливают водоприемные воронки, а внутри
здания трубопроводы и стояки.
26
Рисунок 1 − Конструктивные схемы одноэтажных
промышленных зданий
Многоэтажные промышленные здания распространены главным
образом в отраслях промышленности, имеющих легкое технологическое оборудование и изготовляющих изделия малой массы. На
рисунке 2 показана конструктивная схема многоэтажного промышленного здания, обладающая большой степенью заводской готовности.
Важным также является вертикальный технологический процесс, характерный для многоэтажных промышленных зданий.
Рисунок 2 – Конструктивная схема с крупными узлами и блоками
многоэтажного промышленного здания, обладающими большой
степенью заводской готовности
27
Классификация промышленных зданий по капитальности необходима для выбора экономически целесообразных решений при проектировании. В основу классификации положено деление зданий на
классы в зависимости от их назначения, производственной значимости.
Архитектура промышленных зданий должна быть художественно связана с окружающей застройкой и природным ландшафтом. Важным
является выбор таких объемно-планировочных и конструктивных решений, которые позволяли бы изменять и совершенствовать технологический процесс без реконструкции самого здания.
Основные направления по обеспечению эффективности промышленного строительства и снижения его стоимости следующие:
1) группировка предприятий в промышленные узлы с использованием общих инженерных сетей, транспортных связей, вспомогательных складских и обслуживающих зданий;
2) блокировка в одних объемах производственных, вспомогательных и других цехов, то есть уменьшение числа зданий данного предприятия;
3) строительство преимущественно одноэтажных промышленных
зданий с пролетами одного направления, одинаковой ширины и
высоты;
4) снижение массы зданий и сооружений, сокращение расхода
строительных материалов и уменьшение массы конструкций;
5) использование специализированного стального проката, бетона
высоких классов, предварительно напряженных, тонкостенных и пространственных конструкций;
6) вынос из зданий и размещение на открытых площадках крупногабаритного технологического оборудования;
7) высокая степень благоустройства территорий промышленных
производств, рациональное и удобное размещение бытовых помещений, применение новейшего санитарно-технического оборудования;
8) широкое применение крупноразмерных сборных конструкций;
переход к монтажу оборудования и зданий.
Огромные масштабы строительства и реконструкции промышленных предприятий требуют создания прогрессивных типов зданий.
Это связано с укрупнением сетки колонн, размещением промышленных предприятий в одноэтажных зданиях сплошной застройки,
выносом некоторого технологического оборудования на открытые
площадки, внедрением в практику строительства новых типов крупнопролетных универсальных зданий.
28
2.4 Унифицированные параметры промышленных зданий
В современном промышленном строительстве применяют типовые и унифицированные объемно-планировочные и конструктивные
решения, основанные на модульной системе.
Для различных технологических процессов и для разных отраслей
промышленности в целях единообразия производства конструкций и
их монтажа для одноэтажных зданий установлены следующие унифицированные параметры, применение которых обязательно для всех
отраслей современного промышленного производства. При строительстве промышленных зданий используется нулевая привязка, привязка
250, а в некоторых случаях и привязка 500. При нулевой привязке (то
есть совпадении наружной грани колонн с разбивочной осью) или при
привязке 250 и 500 от наружной грани колонн крайних рядов определяется положение конструкции, что зависит от грузоподъемности мостовых кранов, шага колонн и высоты здания. Привязка 500 применяется у торцовых стен, в местах деформационных швов при различии
высот у взаимно перпендикулярных пролетов и так далее.
В большинстве промышленных зданий, например, отраслей металлургического и машиностроительного производства, при пролетах
более 18 м расстояния между разбивочными осями в поперечном
направлении (пролеты) принимают кратными 6 м, то есть 24, 30, 36 м.
Расстояния между разбивочными осями в продольном направлении (шаг колонн) принимают кратными 6 м. Для средних (внутренних)
колонн наиболее рациональным расстоянием считается 12 м, а для
крайних (пристенных) – 6 или 12 м.
Высота помещений от уровня пола до низа несущих конструкций
покрытия принимается в пределах от 3,6 до 4,8 м с переменной величиной 600 мм, в пределах от 4,8 до 10,8 м равной удвоенному модулю
1200 мм, а при высоте больше 10,8 – утроенному модулю 1800 мм.
Геометрические оси крановых колонн каркаса (рисунок 3 а) следует смещать с поперечных разбивочных внутрь здания на 500 мм,
внутренние поверхности торцовых стен должны совпадать с поперечными разбивочными осями, то есть иметь нулевую привязку. При этом
не требуется доборных элементов в несущей конструкции ограждающей части покрытия и достигается свободное размещение фахверка
(или каркаса) торцовой стены. Продольные стены зданий (рисунок 3 б)
имеют нулевую привязку. Температурные (осадочные) швы
(рисунок 3 в) устраивают на спаренных колоннах. Ось поперечного
температурного шва должна совпадать с поперечной разбивочной
осью, а геометрические оси колонн смещают от нее на 500 мм. Расстояние от разбивочной оси до оси кранового рельса (при отсутствии про29
ходов по подкрановым балкам) принимается для кранов грузоподъемностью до 50 т включительно равным 750 (рисунок 3г). Колонны
средних рядов (рисунок 3д) при одинаковой высоте соседних пролетов
следует располагать так, чтобы разбивочная ось совпадала с геометрической осью сечения верхней части колонн.
Рисунок 3 – Привязка колонн и подкрановых балок
к разбивочным осям
Объемно-планировочное решение многоэтажных промышленных
зданий получают путем блокировки элементов пролетного и ячейкового типа. Такие здания имеют 2...5 этажей с простой, прямоугольной
или сложной (Ш- и П-образной) формой в плане. Применяются такие
здания для многих отраслей химической, пищевой, машиностроительной, электротехнической промышленности и др.
Многоэтажные промышленные здания ячейковой или пролетной
структуры имеют сетку колонн каркаса 6×6 или 9×6 м (рисунок 4). Высота этажей в одном здании назначается одинаковой, за исключением
первого этажа, где она может быть большей. Административные и бытовые помещения в многоэтажных зданиях располагают в пределах
производственных этажей, на антресолях или в самостоятельных корпусах, пристраиваемых к промышленному зданию. Многоэтажные
промышленные здания проектируют и строят на основе унифицированных секций. Ширина и длина корпуса должны быть кратны 6 м,
высота назначается 3,6; 4,8; 6,0; 7,2 м. Каркас выполняется сборный
железобетонный.
30
Рисунок 4 – Конструктивная схема унифицированной секции
многоэтажного промышленного здания
Иногда современные технологические процессы производства
требуют строго кондиционированного температурно-влажностного
режима и высокой степени чистоты воздуха. Такие технологические
процессы размещают в герметизированных помещениях, шаг колонн и
пролеты которых строго унифицированы, что определяет индустриальность их возведения.
Важным при выборе и проектировании объемно-планировочных
решений промышленных зданий и их элементов является внутрицеховой транспорт и в первую очередь подъемно-транспортное
оборудование.
В одноэтажных промышленных зданиях особенно широко применяются мостовые краны, позволяющие перемещать тяжелые грузы
по длине, ширине и высоте здания, не уменьшая его полезной
площади.
Мостовой кран с помощью электромоторов движется вдоль цеха
по рельсам, уложенным на подкрановые балки, которые, в свою очередь, опираются на колонны каркаса или на несущие стены.
31
2.5 Конструкции каркасов одно- и многоэтажных
промышленных зданий
Несущая основа одноэтажных промышленных зданий – каркас.
Материалом для устройства каркаса служат сборный железобетон или
сталь, а также их сочетание. На рисунке 5 приведены основные конструктивные элементы одноэтажного промышленного здания из сборных железобетонных конструкций.
1 – колонны каркаса по средним рядам; 2 – плиты покрытия;
3 – светоаэрационные фонари; 4 – колонны по крайнему ряду;
5 – панельные стены; 6 – фермы покрытия; 7 – подкрановые балки
Рисунок 5 – Общий вид одноэтажного производственного
здания с мостовыми кранами: а – шаг; b – пролет
Фундаменты под колонны промышленных зданий (рисунок 6) могут быть выполнены из железобетона монолитными, сборными, сборно-монолитными, а иногда (при недостаточно прочных грушах) на
сваях. При этом они располагаются на ростверках, которые, в свою
очередь, установлены по верхней плоскости свай.
32
Рисунок 6 – Фундамент стаканного типа
Стоимость фундаментов промышленных зданий составляет от 12
до 20% полной стоимости здания. Под колонны каркаса устраивают
отдельно стоящие железобетонные фундаменты, которые по своей
конструкции могут быть одно-, дву- и многоблочными. Фундаменты
устанавливают на песчаную или щебеночную подготовку толщиной не
менее 100 мм, при влажных грунтах подготовку выполняют из бетона.
Верхнюю плоскость фундамента (рисунок 7) располагают, как
правило, на 150 мм ниже уровня чистого пола, то есть на отметке
0,150, что позволяет выполнять все работы нулевого цикла до начала
монтажа колонн. Под сборные железобетонные колонны устраивают
фундаменты стаканного типа. После выверки установленных колонн
зазоры между колоннами и внутренними стенками «стакана» замоноличивают высокопрочным бетоном с мелким гравием.
Фундаментные балки служат для передачи нагрузки от самонесущих стен здания на отдельно стоящие фундаменты. Фундаментные
балки имеют тавровую или трапециевидную форму поперечного сечения, их размеры унифицированы. Так, при шаге колонн 6 м – длина
4,95 м и высота 400 мм, при шаге 12 м – длина 10,7; 11,95 м и высота
соответственно 400 и 600 мм. У торцов зданий и у температурных шагов, где шаг колонн уменьшен на 500 мм, применяют укороченные
балки. Верхняя грань фундаментной балки должна быть на 50 м ниже
уровня пола помещения, который, в свою очередь, делается на 150 мм
выше отметки спланированной вокруг здания поверхности земли.
Фундаментные балки могут устанавливаться как на подбетонку, представляющую собой столбик или монолитную подушку, так и на верх
стакана фундамента. В последнем случае длина фундаментных балок
33
может быть равной 5,95 м (номинальный размер 6 м), а в зависимости
от конструкций опорных столбиков – 5,05 и 4,45 м. Крепление фундаментных балок между собой осуществляется за счет выпусков арматуры и устройства монолитных участков на самом фундаменте.
1 – бетонная подготовка; 2 – бетонный столбик; 3 – колонна;
4 – фундамент
Рисунок 7 – Конструкция фундамента каркасного
промышленного здания
Под действием увеличивающихся в объеме при замерзании пучинистых грунтов в фундаментных балках могут возникнуть деформации. В целях защиты балок от этих деформаций и для предохранения
пола от промерзания вдоль стен балку с боков и снизу засыпают шлаком, в случае пучинистых грунтов вынутый грунт заменяют песком.
Поверх фундаментных балок укладывают гидроизоляцию из двух
слоев рулонного материала на мастике. После установки сборных фундаментных балок зазоры между ними и между колоннами и гранями
балок заполняют песком.
Колонны каркаса для одноэтажных производственных зданий
унифицированы и выполняются из сборного железобетона (рисунок 8).
В бескрановых пролетах и в пролетах с подвесным подъемнотранспортным оборудованием грузоподъемностью до 5 т унифицированные сборные железобетонные колонны при шаге с 6 и 12 м выполняют: при высоте помещений от 3,6 до 9,6 м и пролетах 12, 18, 24 м –
постоянного сечения; при высоте помещения 10,8 и 12,6 м и пролетах
18, 24, 10 м, а также при высоте помещений 14,4; 16,2 и 18 м и пролетах 24, 30, 36 м – переменного по высоте сечения. Колонны, несущие
нагрузки от опорных мостовых электрических кранов, имеют
переменное сечение. Они могут быть сплошными и сквозными. Для
34
опирания подкрановых балок на колонны имеют консоль. При значительных высотах и крановых нагрузках более 20 т применяют двухветвевые колонны. Для установки и крепления несущих конструкций
покрытия, подкрановых балок и стен, в колоннах предусмотрены
стальные закладные части в виде пластин и занкеренных болтов.
Рисунок 8 – Типы железобетонных колонн заводского изготовления:
а – колоны двухветвевые для крайнего ряда зданий с мостовыми
кранами; б  колоны двухветвевые для среднего ряда зданий с мостовыми кранами; в – колонны для среднего ряда бескрановых зданий
35
Подкрановые балки (рисунок 9) служат опорой для передвижения
по ним мостовых кранов и одновременно являются продольными
связями между несущими колоннами каркаса. Подкрановые балки выполняют из высокопрочных материалов, стали или сборного железобетона. Сборные железобетонные подкрановые балки могут быть разрезные и неразрезные.
В зависимости от положения балок вдоль кранового пути различают балки средние и крайние, располагаемые у поперечных температурных швов и у торцов зданий. Железобетонные балки пролетом 6 м
имеют тавровое сечение с утолщением стенки на опорах и высоту 1000
или 800 мм. Балки пролетом 12 м имеют двутавровый несимметричный профиль с усиленной верхней полкой. Верхние полки балок служат для крепления к ним крановых рельсов. Железобетонные балки
крепят к колоннам сваркой закладных элементов и анкерными
болтами.
1 – стальной опорный лист; 2 – закладные детали; 3 – отверстия
для крепления рельсов; 4 – монтажная накладка
Рисунок 9 – Железобетонные подкрановые балки: а  таврового
сечения для шага 6 м; б  двутаврового сечения для шага 12 м;
в – опирание подкрановой балки на колонну
36
Фахверк и связи между железобетонными колоннами выполняются чаще из стальных профилей. При шаге колонн 12 м и длине стеновых панелей 6 м кроме основных колонн в зданиях предусматривают
фахверковые колонны (фахверк). Такие же колонны устанавливают в
торцах зданий для восприятия ветровых усилий конструктивных элементов заполнения стены. При высоте помещений до 4,2 м фахверковые колонны делают из стальных прокатных профилей, а при большей
высоте – из железобетона. Длину торцовых железобетонных фахверковых колонн принимают на 100…150 мм меньше основных колонн,
чтобы образовать зазор между их верхом и нижним поясом конструкций покрытий. Фахверковые колонны жестко заделывают в фундаментах и шарнирно крепят к элементам покрытия.
Элементы каркаса образуют поперечные рамы. Для обеспечения
пространственной жесткости между рамами устраивают вертикальные
и горизонтальные связи. Для большей устойчивости несущих элементов каркаса в продольном направлении устраивают систему вертикальных связей. Связи устанавливают и в покрытии. В этом случае они будут горизонтальными. При шаге колонн 6 м применяют крестовые
вертикальные связи (рисунок 10 а), а при шаге 12 и 18 м – портальные
(рисунок 10 б). В зданиях без мостовых кранов и с подвесным транспортом связи ставят в том случае, когда высота помещений больше
9,6 м. Их выполняют из стальных прокатных элементов – уголков и
швеллеров.
Подстропильные системы устанавливают в тех случаях, когда
шаг колонн превышает шаг основных несущих конструкций покрытия
вдоль пролета по средним рядам колонн. Это могут быть фермы и балки длиной 12 м. Подстропильные балки используют в покрытиях с балочными стропильными конструкциями, а подстропильные фермы – в
покрытиях со стропильными фермами. Изготовляют их предварительно напряженными с пучковой арматурой, что облегчает их массу и
обеспечивает надежность эксплуатации. Подстропильные конструкции
устанавливают на колонны и крепят к ним сваркой закладных частей.
Стропильные конструкции соединяют с подстропильными анкерными
болтами и сваркой.
Эти панели изготовляют с фактурным слоем из цементнопесчаного раствора марки 100. В промышленных зданиях (см.
рисунок 10) с ленточным остеклением устройство проемов определяет
раскладку панелей. Кроме того, существенно важна высота зданий, а
значит, и число панелей, укладываемых на заданную высоту.
37
Рисунок 10 – Панельные стены производственных зданий:
а – фрагмент стены с ленточным остеклением; б – железобетонная
панель для неотапливаемых зданий; в – однослойная панель
из ячеистого бетона; г – однослойная панель из керамзитобетона
Конструктивное решение панелей и их крепление к колоннам железобетонного каркаса показано на рисунке 11. Крепление карнизных и
парапетных панелей к плитам покрытия осуществляют с помощью
сварки закладных деталей. Все детали креплений следует покрывать
38
антикоррозионными составами. Участки крепления карнизных и парапетных панелей к плитам покрытия – бетонировать.
1 – железобетонная колонна; 2 – угловой блок; 3 – стойка торцового
фахверка
Рисунок 11 – Примеры крепления к колоннам каркаса
В настоящее время получают распространение навесные панели
типа «Сэндвич» (рисунок 12).
Рисунок 12 – Вертикальный стык трехслойных панелей типа
«Сэндвич»
39
Такая панель изготавливается бескаркасной из алюминия или
стального профилированного листа толщиной до 250 мм. При толщине
панели свыше 100 мм в фенополиуретан вставляется прокладка из полистирола. Mac tea 1 м2 панели «Сэндвич» с алюминиевыми обшивками в зависимости от толщины составляет от 10 до 18 кг.
На рисунке 13 представлен железобетонный каркас многоэтажного здания.
1 – фундамент; 2 – колонна; 3 – ригель; 4 – плита перекрытия;
5 – плита покрытия
Рисунок 13 – Железобетонный каркас многоэтажного здания
2.6 Конструкции стен из кирпича, блоков и панелей
В сравнении с жилыми и гражданскими зданиями, в производственных зданиях стены подвергаются более сложному комплексу
внешних и внутренних воздействий. Поэтому к стенам промышленных
зданий предъявляют требования, определяемые соответствующим технологическим процессом.
Стены из кирпича и мелких блоков применяют для зданий малых
размеров, при шаге опор не более 6 м, пролетах 12 м и высоте не более
6 м. Кирпичная кладка таких стен может быть сплошной и облегченной с эффективным малотеплопроводным утеплителем. Стены крепят
40
к колоннам анкерами или хомутами. Крепежные элементы ставят по
высоте через 70...100 см. Оконные и технологические проемы, проемы
для дверей и ворот перекрывают железобетонными перемычками, которые опираются непосредственно на кладку. В некоторых случаях
перекрытие проемов осуществляется обвязочными балками, которые
являются элементами каркаса. Такое решение целесообразно при значительной высоте цеха с ленточным остеклением или заполнением
проемов стеклоблоками или профильным стеклом.
Кладка стен промышленных зданий из крупных блоков ведется с
перевязкой швов на растворе марки 25. Блоки изготовляют из легких
или ячеистых бетонов толщиной 300, 400 и 500 мм. Высота крупных
блоков 600, 1200 мм, а длина назначается кратной 500 мм. Проемы для
укрепления ворот образуются сборными железобетонными рамами.
Стойки рам опирают на самостоятельные фундаменты, закрепляя их
анкерами. Рама закрепляется с кладкой с помощью арматурных горизонтальных выпусков. Перевязка швов в кладке из блоков – обязательное условие обеспечения устойчивости. Пример конструктивного
решения (фасада) стен из блоков показан на рисунке 14.
1 – фрагмент стены при двухрядном остеклении проемов; 2 – колонна
каркаса; 3 – вкладные детали колонн; 4 – стеновой блок
Рисунок 14 – Блочные стены производственных зданий
Ограждение из панелей в каркасных зданиях – основа стен промышленных зданий. Панельными стенами ограждают отапливаемые и
неотапливаемые здания. Обычно навесные панели имеют длину, равную шагу колонн, то есть 6 или 12 м, высоту панелей в большинстве
случаев принимают равной 1,2 и 1,8 м. В зависимости от местоположения в стеновом заполнении панели подразделяются на рядовые,
41
перемычечные, простеночные, парапетные и карнизные. Стены
неотапливаемых зданий при шаге 6 м выполняют из железобетонных
ребристых, часторебристых или плоских панелей. Их размеры унифицированы, приведены в каталогах сборных железобетонных изделий
заводского изготовления. При установке и креплении панели первую
по высоте панель совмещают, как правило, с отметкой пола здания. По
условиям монтажа верхний ряд панелей в пределах высоты помещения
устанавливают ниже ферм на 0,6 м, а в пределах высоты ферм – ниже
верхнего пояса на 0,3 м. Обычные размеры панелей: длина 5980 мм,
ширина 1185 мм. При шаге 12 м длина панелей 11970 мм. Для отапливаемых зданий применяют многослойные и сплошные панели. Такие
панели делают из ячеистых бетонов с плотностью от 600 до 1000 кг/м3
классов В1; В1,5 и из легких бетонов плотностью от 900 до 1200 кг/м3
класса В2,5. На рисунке 15 показано обеспечение пространственной
жесткости каркасов.
Рисунок 15 – Обеспечение пространственной жесткости каркасов
Стальные каркасы устраивают в тех случаях, когда промышленные здания имеют укрупненную сетку колонн, большую высоту и мостовые краны большой грузоподъемности. Применение стальных каркасов
экономически
целесообразно
для
цехов
тяжелого
машиностроения, мартеновских цехов, цехов прокатного производства
и других. Элементы стального каркаса по своему назначению те же,
что и при сборных железобетонных конструкциях. Стальные колонны
(рисунок 16) по конструкции бывают сплошные и сквозные. Поперечное сечение сплошных колонн состоит из прокатных профилей или
листов, сваренных между собой по всей высоте. Сквозные колонны
42
состоят из нескольких отдельных ветвей, соединенных планками или
решетками.
Колонны постоянного сечения применяют в зданиях с небольшими крановыми нагрузками. При грузоподъемности кранов более 20 т
устраивают ступенчатые колонны. Такие колонны наиболее распространены. Надколенник ее состоит из одной ветви, подкрановая часть –
из двух ветвей, соединенных решеткой. В колоннах средних рядов обе
ветки имеют двутавровое сечение, колонны крайнего ряда для удобства сопряжения со стеной состоят из двух крупных уголков, соединенных листами. В нижней части колонны имеются башмаки – конструктивный элемент крепления колонны к фундаменту.
Рисунок 16 – Стальные колонны
Стальные подкрановые балки, выполняемые из стали, могут быть
сварными, сплошными и сквозными. Для кранов грузоподъемностью
более 50 т подкрановые балки делают сварными из прокатного двутавра с усиленной верхней полкой или двутаврового профиля, сваренного из листовой стали с уширенной верхней полкой. Решетчатые под-
43
крановые балки по сравнению со сплошными более экономичны по
расходу стали и применяются при пролетах 12 м и более.
В современном строительстве многоэтажных зданий применяют
каркасы из сборного железобетона. Разбивочные сетки колонн для
многих отраслей промышленности приняты 6×6, 9×6 и 9×9 м. Для зданий с балочными перекрытиями используются колонны сечением
400×400 и 400×600 мм консольного типа и один или два этажа. На консоли колонн укладывают ригели, а по ним – крупногабаритные плиты.
2.7 Покрытия и фонари
Фермы и балки являются несущей основой покрытия обычных
пролетов промышленных зданий. Балками перекрывают пролеты до
18 м (рисунок 17), а фермами – от 18 до 30 м (рисунок 18). Материалами для них служат железобетон, сталь, дерево.
Рисунок 17 – Железобетонные балки: а – односкатная,
б – двускатные
В промышленных зданиях при больших пролетах (более 24 м) рационально применять стальные фермы, которые различают по характеру очертания поясов на полигональные, с параллельными поясами и
треугольные. Сравнивая стальные несущие конструкции покрытий с
44
другими по материалу, видно, что они являются достаточно экономичными, менее трудоемкими в процессе изготовления и монтажа. Фермы
могут быть выполнены из прокатных элементов, уголков, труб и прутковой стали. Наиболее экономичны фермы из тонкостенных электросварных труб. Такие фермы позволяют снизить расход металла на
25...30% по сравнению с фермами из прокатных элементов. Стальными
фермами перекрывают значительные пролеты иногда 42 и 48 м.
Рисунок 18 – Железобетонные фермы: а – стропильные раскосные
сегментные; б – стропильные безраскосные; в – то же, арочные
с рожками
Пространственную жесткость и устойчивость ферм обеспечивают
системой связей, устанавливаемых между ними в плоскостях верхних
и нижних поясов, а также в вертикальной плоскости.
В районах, богатых лесом, в ряде производств с агрессивными
средами, в покрытиях мастерских, складов и других сооружений
применяют деревянные конструкции покрытий в виде клееных балок,
деревянных и металлодеревянных ферм.
45
Сборные железобетонные плиты, входящие в состав несущих
конструкций покрытий, выпускаются размерами 1,5×6; 3×6; 1,5×12 и
3×12 м (рисунок 19). По концам продольных ребер в плитах имеются
закладные детали, служащие для приварки к фермам или балкам покрытия. Их недостатком является большая масса. Поэтому широкое
распространение получают стальной оцинкованный и алюминиевый
профилированные настилы с новыми эффективными утеплителями
(рисунок 20).
Рисунок 19 – Конструкции плит покрытия
Стальной оцинкованный настил изготовляют из рулонной стали
толщиной от 0,8 до 1 мм. Настил из алюминия изготавливают толщиной от 0,5 до 1,2 мм. Длина настилов может быть от 2 до
12 м. Стальной оцинкованный или алюминиевый настил укладывают
по верхним поясам стальных конструкций покрытия или по прогонам,
которые имеют шаг 3 м, и закрепляют к ним самонарезающими
болтами диаметром 6 мм. Между собой элементы настила соединяют
46
специальными заклепками. Элементы стальных конструкций покрытий
диаметром 5 мм.
1  профилированный настил; 2 – один слой рубероида на мастике;
3 – защитный слой из гравия; 4 – рулонный копер; 5 – пенополистирол
Рисунок 20  Конструкция покрытия из оцинкованного
профилированного настила
Толщина теплоизоляции зависит от физических показателей материала, условий его эксплуатации и необходимой величины сопротивления теплопередаче покрытия. Под теплоизоляцией располагается
пароизоляция, которая препятствует проникновению в утеплитель вла47
ги из воздуха помещений. Гидроизоляционная часть покрытия должна
обеспечивать непротекаемость кровли. При устройстве несущей и
ограждающей частей покрытия в виде сплошных плит из легкого или
ячеистого бетона, выполняющих как несущие, так и теплоизоляционные функции, устройства теплоизоляционного слоя не требуется. По
настилу располагают плитный утеплитель (из пенопласта, пенополистирола и др.) и наклеивают рулонный гидроизоляционный ковер с
защитным слоем гравия, а также с применением бронированного рубероида РБ-420 для верхнего слоя гидроизоляционного крова.
При утепленном покрытии по сборным железобетонным панелям
его ограждающая часть состоит из несущей конструкции, пароизоляции, выравнивающей стяжки и кровли, а при холодном только из несущей конструкции, стяжки и кровли.
При холодных покрытиях, устраиваемых по сборным железобетонным панелям, поверхность их выравнивают цементным раствором,
после чего наклеивают рулонный гидроизоляционный ковер
(рисунок 21). В утепленных покрытиях после заделки швов между железобетонными панелями укладывают слой теплоизоляции, для которого применяют легкие или ячеистые бетоны (керамзитобетон, бетон
на зольном гравии, пено- и газобетон и другие); жесткие минераловатные плиты или утеплители, выполненные в виде засыпки из керамзитового и зольного гравия, гранулированного шлака, пемзы, ракушечника и других. По теплоизоляции устраивают цементную, а в зимнее
время асфальтовую стяжку, по которой наклеивают рулонную кровлю.
1 – верх фермы (балки) покрытия; 2 – железобетонная плита покрытия;
3 – раствор; 4 – защитный слой из гравия; 5 – рубероидный копер;
6 – цементная стяжка; 7 – утеплитель; 8 – пароизоляция
Рисунок 21 – Конструкция утепленного и холодного покрытий
48
С покрытий промышленных зданий водоотвод может быть устроен наружный и внутренний. Наружный водоотвод устраивают на невысоких (не более 8 м) зданиях, как правило, однопролетных без перепадов высот покрытия.
Водоотвод с таких зданий делают неорганизованным. Свес карниза покрывают специальным фартуком из кровельной стали.
2.8 Лестницы
Лестницы в промышленных зданиях применяются как обычные
для постоянного сообщения между этажами и для эвакуации, так и
служебные, аварийные и противопожарные (рисунок 22).
Рисунок 22  Лестницы: а – внутрицеховая; б – аварийная;
в – пожарная
49
Служебные лестницы (эксплуатационные) изготовляют из стальных прокатных элементов. Такие лестницы имеют крутой подъем и
двусторонние поручни. В большинстве случаев они ведут на рабочие
площадки, антресоли или к пультам управления технологическим
оборудованием. Аварийные лестницы делают стальными с уклоном
маршей не более 45° и с площадками на уровне каждого этажа, антресолей или монтажных уровней этажерок. Аварийные лестницы делают
из стальных прокатных профилей.
Пожарные наружные лестницы устанавливают при высоте зданий
более 10 м. Расстояние между пожарными лестницами должно быть не
более 200 м.
2.9 Перегородки
Один из существенных факторов дальнейшей индустриализации
конструкций промышленных зданий – внедрение облегченных сборных и сборно-разборных перегородок. Применение таких перегородок
взамен кирпичных позволяет увеличивать производственную площадь
здания, снижать массу конструкций и трудоемкость их возведения.
В настоящее время в большинстве отраслей промышленности
технологические процессы меняются в среднем через каждые 5 лет, и
это вызывает необходимость быстрого демонтажа и монтажа таких
перегородок, что предотвращает моральный износ и исключает дополнительные затраты, которые неизбежны при монолитных перегородках.
Перегородки из листовых материалов в стальном каркасе из замкнутых профилей (рисунок 23) также широко используются в промышленных зданиях.
Рисунок 23 – Перегородки из листовых материалов
в стальном каркасе
Перегородки панельные, железобетонные из тяжелого или легкого бетона применяют для цехов тяжелого режима работы.
50
Перегородки из стальных профилированных листов являются индустриальным типом перегородок. Их крепят к каркасу (уголкам) с
двух сторон с помощью самонарезающихся винтов.
Перегородки из минераловатных плит являются хорошим звукоизоляционным материалом. Несущей основой таких плит является замкнутый стальной профиль. Такие перегородки обладают высокими
эстетическими качествами. Они легкие и могут быть установлены на
высоту до 4,8 м.
Сетчатые, щитовые стационарные и переносные перегородки
также широко используются в производственных зданиях. По условиям технологического процесса перегородки могут быть устроены либо
на всю высоту помещений, либо до заданной отметки. Пример устройства сетчатой перегородки показан на рисунке 24. Несущей основой
является замкнутый стальной профиль или трубы, к которым на консолях крепится сетка. Высота таких перегородок обычно не более 1,8 м.
В настоящее время для разделения внутренних помещений широко используется стекло, из которого устраивают и перегородки для
душевых кабин.
В цехах производственных зданий часто устанавливают внутренние конструкции для обслуживания технологического оборудования.
К таким элементам относятся: рабочие площадки, расположенные на
различных высотах, лестницы технологического назначения, антресольные этажи.
51
Рисунок 24 – Пример устройства сетчатой перегородки
2.10 Окна, двери, ворота
Для обеспечения нормальных условий труда в промышленных
зданиях применяется естественное, искусственное и совмещенное
освещение. Рассмотрим вопросы естественного освещения, осуществляемого через окна в наружных стенах.
Форму оконных проемов, их размеры и расположение выбирают
на основании расчетов и обеспечения наиболее оптимального освещения для работающих, а также из условий технологического процесса,
требующего определенной нормы освещенности.
Различают остекленные ограждения в виде отдельных окон, разделенных простенками, ленточные в одну или несколько лент по
высоте и сплошные. Остекление может быть одинарным, частично
двойным и двойным. Одинарное освещение применяется, как правило,
в неотапливаемых зданиях, а также в помещениях с повышенными
производственными тепловыделениями. При расчетных перепадах
температур и близком расположении рабочих мест у окон остекление
может быть комбинированным: на высоте 2,4 м от уровня пола двойным, а выше – одинарным.
Оконные переплеты в промышленных зданиях выполняются из
металла и дерева в зависимости от температурно-влажностного режима
в производственных помещениях. Стальные переплеты применяют в
горячих печах, в помещениях с повышенной влажностью, в зданиях
повышенной капитальности, деревянные переплеты – в помещениях с
нормальным температурно-влажностным режимом.
Оконные проемы устраивают не только для обеспечения естественного освещения, но и для естественной вентиляции через открывающиеся элементы переплетов. Открывающиеся створки переплетов
навешивают на горизонтальные или вертикальные элементы переплета. Располагают их на высоте не менее 3 м от пола для предохранения
работающих от холодных потоков воздуха. При проектировании системы открывания переплетов надо учитывать, что поток холодного
воздуха должен быть направлен вверх – к потолку, а не на работающих, при этом должны открываться отдельные створки или целое
полотно.
2.11 Конструкции полов
52
При устройстве полов важное значение имеет выбор материала,
так как удельный вес стоимости полов в производственных зданиях
достигает 15,5%. Полы в промышленных зданиях выбирают с учетом
характера производственных воздействий на них и предъявляемых к
ним эксплуатационных требований. В одноэтажных промышленных
зданиях полы устраивают на грунте. Грунт основания должен быть
достаточно плотным, чтобы способствовать исключению деформаций
пола, поэтому слабые грунты укрепляют уплотнением.
Конструкция пола состоит из покрытия (одежды) и подстилающего слоя (подготовки). В конструкцию пола могут входить прослойки –
соединительные, гидроизоляционные, выравнивающие и другие (рисунок 25). Подстилающий слой воспринимает через покрытие передаваемую на полы нагрузку и распределяет ее на основание. Подстилающие
слои
бывают
жесткие
(бетонные,
железобетонные,
асфальтобетонные) и нежесткие (песчаные, гравийные, щебеночные
или щебеночные с добавлением битума). Толщина подстилающего
слоя назначается по расчету, но должна быть не менее 60 мм для песчаного, 80 мм для гравийного и 100 мм для бетонного. При устройстве
полов по междуэтажным перекрытиям основанием служат плиты перекрытий, а подстилающий слой или отсутствует, или эту роль выполняет тепло- или звукоизоляционный слой.
К грунтовым полам относятся земляные, глинобитные и глинобетонные. Земляной пол выполняют из местного грунта с добавлением
щебня, гравия, шлака. Эти слои должны быть укатаны катками. Глинобитный пол выполняют из массы, состоящей из 15...30% глины или
85...70% песка. Глинобетонный пол более прочен и отличается от глинобитного тем, что в его массу добавлено до 25% щебня, гравия или
шлака. Основное применение эти полы находят в складских помещениях или таких цехах, как литейные, кузнечные и другие, где пол подвергается действию высокой температуры и возможно падение на пол
тяжелых предметов.
53
1 – покрытие; 2  бетонный подстилающий слой;
3 – подстилающий слой
Рисунок 25 – Виды полов из кислотоупорного бетона
Бетонные и цементные полы состоят из гравия или щебня не
крупнее 15 мм. Бетонную поверхность одежды затирают специальными терками после начала схватывания бетона. Для одежды цементного
пола применяют цементный раствор марок 300...400, поверхность пола
затирают железными терками. Полы эти холодные, применяются
обычно в складах. Иногда для повышения прочности добавляют мелкую стальную стружку, в этом случае полы называют металлоцементными. Толщина покрытия может быть 50…100 мм.
Асфальтовые и асфальтобетонные полы прочны, малоистираемы,
водонепроницаемы, имеют небольшой коэффициент теплоусвоения.
Эти полы широко применяются в цехах промышленных зданий. Асфальтобетон отличается от асфальтовой массы тем, что заполнителем
служат щебень, гравий и пылевидная добавка – пыль золы, каменных
углей или сланцев. Толщина асфальтобетонного покрытия пола зависит от величины механического воздействия и составляет
50...100 мм.
Широкое применение в промышленном строительстве имеют керамические полы: клинкерные, кирпичные и плиточные.
Полы из клинкера хорошо сопротивляются действию высокой
температуры, могут быть стойкими против кислот, щелочей и минеральных масел. Укладку кирпича и клинкера ведут прямыми или диагональными рядами, а также елочкой.
2.12 Фонари
Фонари на покрытиях промышленных зданий, предназначенные
для освещения рабочих мест, удаленных от окон, называют световыми,
а фонари, служащие для аэрации – воздухообмена, называют абразионными. В некоторых случаях устраивают светоаэрационные фонари
(для освещения и аэрации одновременно). По отношению к пролету
фонари располагают продольно. Поперечные фонари применяют редко, так как они сложны по своей конструкции и эксплуатации. Световые фонари по геометрическому очертанию бывают: треугольные,
прямоугольные, трапецеидальные и М-образные.
Наиболее широко распространены прямоугольные фонари, позволяющие ограничить проникновение прямых солнечных лучей в помещение через остекление, располагаемое в вертикальной плоскости, и
упростить конструкцию навески переплетов. Несущим элементом фо54
нарей являются стальные рамы. К ограждениям фонарей относятся
остекление, бортовая часть (борт), торцовые стены и покрытие. Конструктивные детали прямоугольных фонарей приведены на рисунке 26.
Размеры конструкций и схемы фонарей унифицированы. Фонари
шириной 6 м применяют для пролетов 12 и 18 м, а шириной 12 м – для
пролетов 24, 30, 36 м.
1 – кровельная оцинкованная сталь; 2 – переплет; 3 – железобетонная
панель покрытия; 4 – асбоцементная карнизная панель; 5 – крепежный
анкер; 6 – фонарная панель; 7 – деревянные бруски
Рисунок 26 – Конструкция светоаэрационного фонаря
Стальные фонари крепят к стальным или железобетонным несущим конструкциям покрытия. Для обеспечения пространственной
55
жесткости между рамами фонаря ставят вертикальные связи. Бортовые
панели опирают на опорные столики, приваренные к стойкам фонаря.
Фонарные проемы заполняют стальными переплетами длиной 6000 мм,
высотой 1230, 1500 и 1750 мм.
Открывание фонарных переплетов осуществляется лентами. Для
этой цели служат специальные приборы, механическое или электрическое управление которыми осуществляется снизу. Чтобы при открытых
переплетах внутрь цеха ветром не заносились атмосферные осадки,
применяют ветровые панели, которые располагают с внутренней стороны против отверстий, образующихся по краям открытых лент.
Очистка стекол фонаря изнутри производится с двигающихся внутри
фонаря тележек.
В настоящее время для освещения наиболее распространены зенитные фонари. Их собирают из стекложелезобетонных панелей, имеющих размеры, аналогичные панелям покрытия. Заполнение панели
производится стеклоблоками. Стыки между панелями армируют, а
кровельный ковер закрепляют с герметической заделкой швов. Фонарь-иллюминатор представляет собой проем в плите покрытия.
Обычно их делают круглыми.
56
3 ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ [3]
3.1 Структура микробиологического производства
Проектирование производства любой продукции всегда начинается с выбора технологической схемы. В основе биотехнологического
получения биологически активных веществ лежат процессы роста и
развития микробных культур. При этом необходимо указать, что одно
и то же вещество могут синтезировать различные виды микроорганизмов, кроме того, продукты микробного происхождения в основном
лабильны и могут быть различной чистоты. Все это говорит о том, что
разработка технологии получения разнообразных продуктов – процесс
очень сложный, требующий учета специфики конкретного вида микроорганизма, свойств самого продукта.
Разработка технологии начинается с микробиологических исследований. На этой стадии проводят подбор продуцентов, питательных
сред, параметров процессов культивирования, выделения целевого
продукта. После тщательной лабораторной проработки составляют
оптимальную технологическую схему, затем рассчитывают по материальному балансу расходы сырья, материалов, энергозатраты, выходы
промежуточных продуктов по стадиям и т. д. После того как составлен
материальный баланс и рассчитаны материальные потоки, можно переходить к выбору и расчету технологического оборудования.
3.1.1 Продукция микробиологического производства
Современная микробиологическая промышленность является
фундаментом биотехнологии, имеющей практически необозримые
перспективы использования процессов микробного синтеза для производства биологически активных веществ на индустриальной основе.
Это подтверждают объемы и темпы ее развития.
В наибольших объемах выпускается продукция, необходимая для
развития сельского хозяйства. Она составляет около 70% общего объема; это кормовые добавки и препараты, повышающие продуктивность
скота и птицы, бактериальные удобрения, бактериальные, вирусные и
другие препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений.
Кроме сельского хозяйства, крупными потребителями продукции
микробиологической промышленности являются другие отрасли агропромышленного комплекса, медицина, химическая и легкая промышленность.
57
Классификация продукции обеспечивает решение плановоэкономических задач с использованием автоматизации и вычислительной техники. По ОКП в группу 9291 «Продукция микробиологической
промышленности» включены блоки идентификации и наименования.
Блок идентификации состоит из классификационной и идентификационных частей. Классификационная часть (рисунок 27) – Высшие классификационные группировки (ВКГ) – построена с использованием
иерархической системы классификации и десятичной системы кодирования. Она включает шесть цифровых знаков. Идентификационная
часть включает четыре цифровых знака и построена в порядке возрастания кодов. Полное кодовое обозначение продукции имеет
10 цифровых десятичных знаков. Ниже приводится структура формирования кода продукции.
Рисунок 27 – Классификация микроорганизмов
Ассортимент продуктов микробиологической промышленности,
особенно для сельского хозяйства, здравоохранения и пищевой промышленности, постоянно расширяется. Осваиваются новые товарные
формы биопрепаратов с более высоким содержанием активного начала. Повышение качества продукции микробиологической промышленности осуществляется за счет совершенствования всех этапов
производства.
Современное промышленное производство продуктов микробного синтеза представляет собой единую цепь последовательных стадий
и операций, количество и особенности которых зависят от вида продукции и ее товарной формы. Принципиальная схема производства
продуктов микробиологического синтеза представлена на рисунке 28.
58
Рисунок 28 – Многостадийная биотехнологическая схема получения
продуктов микробного синтеза
Исходным и основным элементом биотехнологического процесса
является продуцент. Потенциальные возможности штамма-продуцента
предопределяют экономические показатели биотехнологической схемы в целом. Основной стадией процессов микробного синтеза является
стадия культивирования штамма-продуцента, на которой происходит
биосинтез целевого продукта-биомассы или метаболитов.
Стадия культивирования продуцента может быть охарактеризована качественно и количественно. Количественная характеристика –
59
объемная продуктивность – выражается в граммах (килограммах) целевого продукта на 1 м3 ферментационного оборудования в 1 ч и служит общим критерием эффективности процесса, который определяет
себестоимость целевого продукта. На последующих стадиях производства биопрепаратов не происходит прирост целевого продукта, а проводится его обработка. Цель этих стадий – получение необходимой
товарной формы препарата. На этих стадиях необходимо максимально
сохранить целевой продукт. Основная задача совершенствования концевых стадий производства биопрепаратов – это сокращение потерь
целевого продукта при выделении из культуральной жидкости.
Основная масса товарной продукции выпускается промышленностью в двух формах (см. рисунок 28): сухой продукт (порошок, гранулы, мелкодисперсные частицы) и жидкий продукт (концентрат с содержанием сухого вещества до 50%). На рисунке 28 показаны четыре
варианта обработки культуральной жидкости при производстве биопрепаратов. Наиболее простой вариант, когда конечный продукт –
культуральная жидкость. По этой схеме получают кормовые препараты
витаминов, кормовые антибиотики и др. Схемы получения биопрепаратов на основе продуктов, содержащихся в твердой фазе культуральной жидкости, более сложные. По этим схемам получают биопрепараты, имеющие жизнеспособные или убитые клетки микроорганизмов. И
четвертый, последний, путь получения биопрепаратов – на основе
очищенных продуктов метаболизма, выделенных из фильтрата культуральной жидкости или из разрушенной массы (дезинтеграта) клеток
продуцента. Эта схема охватывает производство продуктов микробиологического синтеза с различной степенью чистоты. Необходимо подчеркнуть, что в самом производстве продуктов микробного синтеза
заложена возможность комплексной переработки культуральной жидкости, то есть создание безотходных технологий. При проектировании
новых производств эту возможность необходимо реализовать.
Обширная номенклатура продуктов микробного синтеза включает препараты, которые значительно отличаются между собой не только
видом активного начала, но и объемом выпуска. Наибольший удельный вес в общем объеме продукции микробиологической промышленности имеют белковые и углеводные препараты кормового назначения,
препараты аминокислот, ферментов, кормовые и ветеринарные антибиотики, препараты витаминов, микробиологические средства защиты
растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения, сухие
закваски для силосования кормов, премиксы и ряд других.
Промышленное производство продукции на предприятиях микробиологической промышленности осуществляется на основе
60
технологического регламента. Он определяет метод производства,
условия и порядок проведения технологических процессов, технологические нормативы, качество продукции, безопасные условия ведения
технологического процесса, требования по охране окружающей среды
и производственной санитарии и другие.
Показатели качества продукции регламентируются действующей
в отрасли нормативно-технической документацией. В соответствии с
Государственной системой стандартизации в микробиологической
промышленности действуют государственные стандарты (ГОСТ Р) и
другие виды нормативно-технической документации. Комплексный
подход к стандартизации предусматривает согласованность по показателям и срокам действия стандартов и ТУ на готовую продукцию, комплектующие изделия, сырье, материалы, оборудование, приборы, а
также на методы организации и подготовки производства, испытаний,
контроля, измерений, на правила упаковки, хранения, транспортирования и применения готовой продукции.
Система стандартизации содействует ускорению темпов научнотехнического прогресса, что выражается в повышении технического
уровня производства и качества выпускаемой продукции, стимулирует
повышение эффективности труда ученых и инженерно-технических
работников научно-исследовательских и проектно-конструкторских
институтов, обеспечивает единообразие и достоверность измерений в
науке и производстве.
3.1.2 Основное сырье и вспомогательные материалы
Виды сырья (субстраты), используемые в биотехнологии, весьма
разнообразны. Это обусловлено разнообразием типов питания микроорганизмов-продуцентов, что позволяет выбирать наиболее подходящее сырье для биосинтеза тех или иных продуктов (рисунок 29).
В связи с исчерпанием традиционных источников сырья возникает необходимость расширения сырьевой базы для существующих и
проектируемых технологических процессов за счет новых источников.
Все большее значение приобретают воспроизводимые ресурсы непищевых растительных материалов: различные плоды и соки, крахмалсодержащие клубни, травянистая, кустарниковая, древесная растительность, а также многочисленные и разнообразнейшие отходы их
промышленной переработки и сельскохозяйственного производства.
Наряду с этими видами сырья большое значение имеют природный газ
и продукты химического синтеза.
61
Необходимо подчеркнуть, что некоторые виды сырья, встречающиеся в природе в особенно больших количествах (нефть, природный
газ, целлюлоза, каменный уголь и др.), могут достаточно эффективно
использоваться только микроорганизмами. Все наиболее перспективные в ближайшем будущем виды сырья имеют непостоянный состав.
Поэтому при его выборе важно знать, что подвергать очистке – сырье
или продукт.
Рисунок 29 – Схема биоконверсии важнейших групп субстратов
в различные продукты
Считают, что для больших заводов желательно использовать «чистые» виды сырья постоянного состава, например, индивидуальные
органические вещества. Это позволит организовать стабильно работающие крупные предприятия и получать продукты строго постоянного
качества. Выбор конкретного вида сырья обязательно подразумевает
наличие резервных источников, позволяющих в ходе работы заменять
62
одни виды сырья другими не только без изменения конечных характеристик получаемых биопрепаратов, но и без существенных изменений
условий на всех стадиях технологического процесса.
Принцип доступности выбранного сырья, то есть его недефицитность, возможность усреднения состава с целью получения стандартных питательных сред во многом определяет перспективу производства того или иного биопрепарата.
Для промышленного культивирования микроорганизмов применяют питательные среды различного состава. Типичными являются
среды на основе природных субстратов: мелассы, гидрола, пшеничных
отрубей, барды, гидролизатов древесины. Эти виды углеродсодержащего сырья имеют сложный и непостоянный состав, а во многих случаях содержат ингибирующие рост вещества. Так, гидролизаты содержат
вредные для микроорганизмов соединения: фурфурол, уроновые кислоты, оксиметилфурфурол, продукты разложения сахаров, смолистые
вещества, коллоиды гуминового или лигнинового происхождения, а
также соли меди и хлорида натрия в повышенных концентрациях.
Нередко в качестве питательных веществ используют сравнительно чистые источники углерода: глюкозу, сахар-сырец, крахмал,
н-парафины нефти, этанол, метанол, техническую уксусную кислоту и
другие.
Сложная взаимосвязь микроорганизмов, среды и условий культивирования определяет требования микроорганизмов-продуцентов к
источникам углерода. Существенное значение в процессе ассимиляции
углеродсодержащих соединений имеет их концентрация в питательной
среде.
С развитием различных отраслей народного хозяйства происходит дальнейшее накопление отходов и промышленных стоков, которые
должны быть конвертированы методами биотехнологии в полезные
продукты и тем самым обезврежены. Отходы сельскохозяйственного
производства, пищевой и других отраслей промышленности должны
служить дополнительным источником для биосинтеза кормового белка, легкоусвояемых углеводов, других кормовых средств, а также для
получения вторичного тепла – биогаза, органических удобрений и прочих полезных продуктов непосредственно в хозяйствах.
Кроме источников углерода, к основным относят азотсодержащие
виды сырья, а также макро- и микроэлементы. Азотсодержащих компонентов питательных сред не так много, как углеродсодержащих. Это
либо органические аминосоединения, либо неорганические, содержащие ион аммония или нитрат ион. Выбор источника азота определяется
в первую очередь физиологическими особенностями продуцента.
63
Довольно часто наибольший эффект достигается при совместном внесении в питательные среды органических и неорганических источников азота. В последнее время дрожжевой и кукурузный экстракты, казеин и соевая мука в качестве источников органического азота
применяются редко. Перспективным азотсодержащим субстратом является кислотный или ферментативный гидролизат кормовых
дрожжей, он характеризуется высоким содержанием белка и витаминов группы В. Кроме дрожжей для этой цели может быть использована
биомасса других микроорганизмов, которая является отходом или побочным продуктом микробиологического производства. В промышленной биотехнологии в большинство питательных сред включают
источник неорганического азота. При биосинтезе продуцентом азотсодержащих метаболитов в процессе ассимиляции азота концентрация
аниона в среде постепенно достигает ингибирующего уровня. Для преодоления этого широко применяют полностью ассимилируемые источники азота – аммиак в виде водного раствора или газа, а также
мочевину.
Полноценные питательные среды должны содержать различные
минеральные элементы. Их концентрация зависит от цели культивирования продуцента – либо это достижение максимального роста биомассы, либо достижение наивысшей биохимической активности. Концентрация макроэлементов в средах обычно составляет 10-3…10-4 М.
Потребность микроорганизмов в микроэлементах составляет около
10-6…10-8 М и обычно обеспечивается примесями микроэлементов в
водопроводной воде и основных компонентах среды, поэтому необходимо изучать потребность каждого продуцента в элементах минерального питания в зависимости от его особенностей, вида основного сырья и цели культивирования. Для наиболее часто применяемых
питательных веществ установлены следующие предельные концентрации в питательной среде (г/л): ион аммония – 5, фосфорсодержащие
соли – 10, нитраты – 5, этанол – 100, глюкоза – 100.
Особое место среди питательных веществ занимает кислород. Он
слабо растворим в воде и в водных растворах, поэтому подача кислорода в ферментационную среду представляет собой сложную проблему
массопереноса. Потребность микроорганизмов-продуцентов в кислороде зависит от их особенностей, а также от характера используемого
источника углерода и эффективности его утилизации.
Немаловажную роль в эффективном проведении процесса микробиологического синтеза и выделения целевого продукта играют так
называемые вспомогательные материалы. Например, соблюдение оптимального режима культивирования микроорганизмов в глубинной
64
культуре невозможно без применения титрующих агентов – растворов
кислоты или щелочи и химических пеногасителей. На стадиях выделения целевых продуктов для лучшего разделения фаз культуральной
жидкости, извлечения целевого продукта, для его очистки, обезвоживания, стандартизации и упаковки используют разнообразные вещества и материалы. Вспомогательные вещества и материалы также
должны иметь постоянный качественный и количественный составы, т.
е. соответствовать стандартам, указанным в технологическом регламенте. Только применение стандартного сырья или его стандартизация
на стадиях подготовки перед использованием в производстве может
обеспечить эффективную переработку сырья. Иначе режимы технологических процессов, определенные регламентом, становятся неоптимальными. Комплексная стандартизация на всех этапах производства –
от сырья и до готовой продукции – позволяет повышать качество продукции за счет совершенствования технологии производства.
3.1.3 Классификация микробиологических производств
Микробиологическая промышленность находится в процессе развития, поэтому общепринятой классификации микробиологических
производств нет.
Наиболее простое деление – по выпускаемым готовым препаратам: производство белковых препаратов кормового назначения; производство препаратов аминокислот; производство ферментных препаратов и т. д. Невозможно охватить все многообразие продуктов
микробиологического синтеза с учетом тех препаратов, производство
которых в настоящее время невелико. Такая классификация не является универсальной и с ростом числа выпускаемых готовых форм препаратов станет слишком громоздкой. Кроме того, она не учитывает общность и особенности используемых микроорганизмов-продуцентов,
которые в основном определяют технологический процесс производства биопрепаратов.
В микробиологической промышленности применяются аэробные
и анаэробные микроорганизмы. Анаэробные используются крайне редко, в основном для очистки стоков. Анаэробы осуществляют разложение биомассы микроорганизмов, образующейся в биофильтрах и аэротенках. Интерес к анаэробным процессам повысился в связи с
перспективами производства биогаза. Аэробные микроорганизмы, как
в виде чистых, так и смешанных культур в промышленности применяют очень широко.
65
Существенное влияние на схему производства, кроме вида используемого микроорганизма, оказывает способ его культивирования:
периодический или непрерывный. Непрерывный процесс обладает
многочисленными преимуществами перед периодическим, однако он
реализован лишь при проведении так называемых условно стерильных
процессов – в производстве кормовых дрожжей и при биологической
очистке промстоков. Это объясняется чисто техническими причинами,
поскольку в непрерывно работающем ферментаторе сложнее поддерживать асептические условия длительное время. Кроме того, экономическая эффективность непрерывного процесса снижается при относительно небольших объемах производства большинства продуктов
микробиологического синтеза. В то же время применение периодического культивирования открывает широкие возможности переключения производства с выпуска одного вида продукта на другой. Такая
универсальность необходима для многих предприятий микробиологической промышленности.
Для классификации микробиологических производств существенными признаками являются: физиологические особенности микроорганизмов-продуцентов, способ их культивирования, форма получаемого биопрепарата. Однако основным началом любого
микробиологического производства является требование к его асептичности. По этому критерию все производства делят на две группы:
асептические и строго асептические. К первой группе относятся производства, в готовом продукте которых допускается некоторая концентрация контаминантов: это белково-витаминные концентраты,
кормовые препараты аминокислот, витаминов и т. д. Ко второй группе
относятся производства, на всех этапах которых должна быть обеспечена самая высокая степень защищенности от посторонней микрофлоры и продуктов ее жизнедеятельности. Это производство антибиотиков, вакцин, кровезаменителей и т. д. Внутри групп производства
сгруппированы по виду используемых микроорганизмов – аэробных
или анаэробных; по виду процесса их культивирования – периодический или непрерывный.
3.2 Контроль качества продукции
Качество продукции – это совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность для удовлетворения определенных потребностей в
соответствии с назначением. Качество продукции, с другой стороны, –
это интегральный показатель, характеризующий эффективность производства в целом. Данные о качестве продукции обязательно содержатся
66
в общей пояснительной записке к проекту и на их основе проводят
разработку специальных частей проекта.
Выпуск продукции высокого качества возможен при постоянном
контроле на всех этапах микробиологического производства – от проверки качества сырья до оценки свойств готовой продукции. Так, отклонение в качестве исходного сырья неизбежно приведет к низкому
качеству культуральной жидкости и конечных продуктов. Нестандартный посевной материал не позволит обеспечить получение продукта с
необходимыми свойствами даже при безупречном проведении всех
технологических процессов. Применительно к микробиологическим
производствам, где предметом труда являются живые микроорганизмы
или лабильные вещества, качество продукции зависит от качества проведения практически всех операций на каждом рабочем месте.
Вопрос о качестве продукции связан с вопросами контроля и
управления всеми производственными процессами и достижения максимально возможного уровня механизации и автоматизации производства. Успехи в области создания средств автоматизации позволяют
повысить требования к технологическому оборудованию и всему производству в целом, что в микробиологических производствах играет
особо важную роль. Предложения об организации контроля за качеством продукции, а также механизации и автоматизации операций вносят в проект на стадии принятия технологического решения.
Контроль качества продукции осуществляется на трех уровнях:
заводской, отраслевой контроль и государственный надзор. Контроль
качества продукции, выпускаемой предприятиями, призван обеспечить
получение потребителями продукции, соответствующей стандартам
(ГОСТ Р или ТУ). Стандарт регламентирует качество продукции по
всем основным показателям (органолептическим, физико-химическим
и биологическим). В стандарт закладывают научно обоснованные нормы по каждому регламентируемому показателю.
Вся продукция микробиологической промышленности перед серийным производством подвергается специальным испытаниям: ветеринарно-токсикологическим, зоотехническим, медико-биологическим,
токсиколого-гигиеническим и технологическим (по применению продукции). Их проводят специализированные организации министерств и
ведомств. В стандарте предусматриваются требования к показателям
качества продукции, соответствующие высшей категории качества.
Это стимулирует предприятия к повышению удельного веса продукции
высшей категории качества.
Для ряда препаратов, предназначенных для использования в качестве добавок в корма, комбикорма и премиксы для скармливания
67
сельскохозяйственным животным и птицам, в стандарты введен показатель безвредности в тест-дозе.
Стандарты на продукцию микробиологической промышленности
также предусматривают методы и средства оценки регламентируемых
показателей. Это обеспечивает необходимую точность и достоверность, а также сопоставимость результатов измерений, проводимых на
различных предприятиях-производителях одного и того же вида
продукции.
3.2.1 Комплексная система управления качеством продукции
Проблема качества имеет сложный, динамичный, многоплановый
характер, где тесно переплетены технические, организационные, экономические и социальные аспекты. В соответствии с требованиями
научно-технического прогресса ее решение требует комплексного, системного подхода, базирующегося на стандартизации. Комплексная
система управления качеством продукции (КСУКП), внедренная в отрасли, призвана способствовать решению поставленных задач. КСУКП
– это совокупность мероприятий, методов и средств, направленных на
установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции на всех стадиях ее жизненного цикла.
Управление качеством продукции осуществляется через управление качеством труда, а также технологическим процессом. Жизненный
цикл продукции включает стадии разработки (исследование и проектирование), изготовления, обращения и потребления.
На стадии разработки осуществляется управление научным поиском, проектной проработкой, опытным производством, испытаниями и
доведением образцов продукции до требуемого качества. Разработка
предполагает поиск оптимальных решений, обеспечивающих достижение потребительских свойств продукции, соответствующих уровню
мировых образцов. Стадия исследования и проектирования должна
завершаться подтверждением достигнутого уровня качества опытного
образца продукта, а также разработкой стандарта или технического
условия (ТУ) на продукцию массового производства.
На стадии изготовления осуществляется управление технической
и технологической подготовкой производства, изготовлением продукции в соответствии со стандартом (ТУ), а также дальнейшим совершенствованием образца в пределах его основного качества. Выполнение этой задачи связано с организацией всего производственного
процесса и в первую очередь с внедрением передовой технологии,
68
механизацией и автоматизацией производства, организацией трудовых
отношений, коопераций и материально-технического снабжения.
На стадии обращения управление направлено на создание необходимых условий для сохранения свойств продукции при ее хранении,
транспортировании и сбыте. Конечным результатом этой стадии является доведение до потребителя продукции с уровнем качества, установленным государственным стандартом или ТУ.
На стадии потребления управление включает организацию правильного использования продукции, проведение мероприятий по сохранению ее свойств. Главная задача предприятия-изготовителя, регламентируемая стандартами, заключается в обеспечении товарных
свойств продукции в период гарантийного срока ее использования, а
также в сборе и анализе информации о качестве продукции во время ее
потребления.
Управление качеством продукции основывается на общих принципах научного управления общественным производством. Одним из
принципов управления качеством продукции является плановость повышения технического уровня и качества продукции, инструментом
которого является аттестация промышленной продукции по категориям качества, отражающая уровень достижений науки и техники. Главной целью КСУКП является всемерное использование научнотехнических, производственных и социально-экономических возможностей отрасли для достижения высоких темпов улучшения качества
продукции микробиологического синтеза в целях повышения эффективности производства и полного удовлетворения потребностей
народного хозяйства.
3.2.2 Организация контроля микробиологического
производства
Производственное предприятие является основным звеном в
структуре отраслевых органов КСУКП. Для обеспечения выпуска продукции высокого качества на предприятии проводится контроль качества сырья, материалов и полуфабрикатов, используемых для изготовления продукции. Состояние технологического оборудования и
оснастки, применяемых в производстве продукции, контролирует
служба главного механика, а соблюдение технологической дисциплины – служба главного технолога.
Контроль производства по всем стадиям технологического процесса с целью соблюдения нормативных показателей предусмотрен
технологическим регламентом. В нем перечислены стадии и параметры
69
технологических процессов, подлежащие контролю, указаны нормативные значения этих показателей, методы, средства контроля и его
периодичность. Систематический и тщательный контроль производства является непременным условием получения высокого выхода
продукции и ее хорошего качества. Данные контроля сводятся в таблицу следующего содержания (таблица 3.1).
Таблица 3.1 – Контроль производства
Наименова- Что кон- Регламентируе- Наименование стадии, тролирумая норма
ние техничеместа измеется
(размерность)
ского
рения парасредства
метра или
контроля
отбора проб
1
2
3
4
Периодичность
и метод
контроля
5
Контроль технологического процесса микробиологического производства складывается из технологических и микробиологических
анализов, проводимых работниками отдела технического контроля и
заводских лабораторий. Кроме того, метрологическая служба предприятия осуществляет систематический контроль измерительной и испытательной техники, инструмента. Химико-технологический контроль
дополняет и уточняет автоматическое регулирование технологических
процессов с помощью приборов и средств автоматики. Основное внимание должно быть уделено контролю и регулированию параметров
процесса синтеза биологически активного вещества (биомассы). Основные параметры можно условно разделить на две категории:
 характеризующие состояние микроорганизмов; это прежде
всего концентрация микроорганизмов, их размерные и возрастные характеристики, скорость роста, скорость синтеза продуктов и т. д.;
 характеризующие физико-химические условия в ферментаторе;
это температура среды, давление, вязкость и плотность среды и т. д.
Серьезным препятствием в обеспечении контроля и регулирования процессов биосинтеза является недостаток датчиков первичной
информации, выпускаемых в промышленном масштабе. Основная причина этого в том, что датчики должны выдерживать высокие температуры при стерилизации оборудования острым паром, не влиять на ход
процесса, т. е. не вносить в культуральную жидкость неконтролируемых примесей, и т. д. В настоящее время недостаточный уровень автоматизации контроля производства затрудняет наблюдение за
70
процессами ферментации. Автоматическое измерение наиболее важных переменных позволит проводить дистанционный контроль содержания растворенных газов, источников углерода и других продуктов
метаболизма в ферментаторе и при выходе из него.
Интенсификация микробиологического производства – не только
конструирование высокопродуктивных штаммов и создание оборудования большой единичной мощности, но и совершенствование средств
и методов контроля и управления технологическим процессом. Для
решения задач, стоящих перед микробиологической промышленностью, уже недостаточно схемы управления, а требуется оптимизация
процессов на основе контроля и регулирования по принципу обратной
связи. Значение контроля состоит прежде всего в объективной оценке
состояния технологических процессов на всех стадиях производства, в
определении потерь на отдельных стадиях с целью своевременного
принятия мер к устранению сверхнормативных потерь.
3.2.3 Автоматизация измерения параметров
микробиологического процесса
Автоматизация технологических процессов в различных отраслях
промышленности способствует сокращению основного обслуживающего персонала, облегчению условий, повышению культуры и безопасности труда. В связи с автоматизацией процессов микробиологического синтеза наиболее важное значение приобрели датчики для
измерения и регистрации параметров, характеризующих технологические процессы. Датчики представляют собой технические средства для
сбора и первичной обработки контрольно-измерительной информации.
Они являются основными элементами в устройствах регулирования и
управления, в измерительных приборах, контролирующих жизнедеятельность микробных популяций.
С точки зрения микробиолога, лучше применять бесконтактные
датчики, но это не всегда возможно, особенно для процесса ферментации. Датчик должен прежде всего выдерживать стерилизацию острым
паром в течение сравнительно длительного времени. Необходимость
соблюдения стерильности обусловливает применение вполне определенных способов и средств измерений, а также вызывает потребность в
дополнительных устройствах (пробоотборные системы). Стерилизация
паром технологического оборудования и установленных на нем
средств измерений сказывается на их работе. Например, при стерилизации ротаметров наблюдаются гидроудары, приводящие к резким перемещениям поплавка, что вызывает быстрый износ гнезда.
71
На точность измерения параметров в микробиологических производствах дополнительное влияние оказывают специфичность технологии и оборудования и состав сред, в частности, неоднородность состава
продукта в аппаратах, емкостях и партиях, расслаивание продуктов в
трубопроводах. Сложный и значительно меняющийся состав сырья,
промежуточных и готовых продуктов затрудняет определение объективных параметров процессов.
При длительной эксплуатации средств измерения происходят износ, старение, деформация, коррозия, загрязнения и другие изменения
их элементов. Наличие в среде взвешенных веществ, агрессивных примесей, пузырьков воздуха и других компонентов влияет на чувствительные элементы датчиков и на точность измерения контролируемых
ими параметров. Специфические условия микробиологических производств: стерилизация, наличие агрессивных и загрязненных сред, повышенная вибрация и влажность окружающей среды и другие – ускоряют эти нежелательные процессы. Кроме этих факторов на
объективность измерений параметров существенное влияние оказывает
выбор места установки датчика.
Формулируя общие требования к датчикам как к первичным приборам контроля и управления производственными процессами, необходимо учитывать их надежность в конкретных условиях эксплуатации; возможность многократных стерилизаций; место установки
(контролируемая среда не должна забивать рабочую область датчика).
Вторичные измерительные приборы, располагаемые у оборудования,
связываются с датчиком посредством согласованного кабеля. Эти приборы должны обеспечивать проведение как дискретных, так и непрерывных измерений с записью на самописец или с выходом на цифропечатающее устройство.
К основным измеряемым и регулируемым параметрам в микробиологических производствах относятся температура, давление, расход
и уровень жидкости, рН, концентрации кислорода, диоксида углерода,
углеводов, микроорганизмов, сухих веществ, влажность. Теплоэнергетические параметры измеряют в основном автоматическими методами,
качественные показатели – лабораторными и в отдельных случаях –
автоматическими.
Температура. Ее обычно измеряют в пределах от 15…20 до
350…400 °С. Наиболее распространены датчики температуры – стеклянные термометры. Автоматическое измерение температур производят в основном термометрами сопротивления (ТС) из медной и платиновой проволоки. В промышленности ТС применяют в комплекте с
логометрами, автоматическими мостами и измерительными преобразователями.
72
Класс точности современных автоматических мостов (например,
типа КСМ-4) позволяет контролировать температуру стерилизации и
рабочую температуру на одной шкале 0…150 °С. В настоящее время
чаще всего используется стабилизация температуры на одном уровне в
течение всего процесса ферментации. Однако имеются технологии, в
которых обоснована необходимость ее программного изменения в ходе
процесса. Осуществление подобных температурных программ возможно с помощью программных регуляторов – ПРН-1, ПР-2 и ЭПЛ.
Давление, разрежение и перепад давления. В процессе биосинтеза в ферментаторах обычно поддерживается небольшое избыточное
давление порядка 0,03…0,05 МПа с целью предотвращения заражения
посторонней микрофлорой; при стерилизации давление в ферментаторе 0,1…0,2 МПа. Эти параметры измеряют в основном мембранными
датчиками, датчиками с трубчатой пружиной и сильфонными.
При измерении давления агрессивных, кристаллизующихся сред,
сред с высоким содержанием сухого вещества, а также в стерильных
условиях манометры и вакуумметры присоединяют к отборным
устройствам через разделители мембран типа РМ.
Для измерения давления в ферментаторах промышленного масштаба наиболее целесообразно использовать самопишущие сильфонные манометры типа МС с пневматическим регулирующим устройством. При этом импульс давления передается через разделительную
мембрану. Пневматический сигнал от регулирующего устройства прибора поступает на клапан, установленный на линии выхода воздуха из
ферментатора.
Наличие автоматического регулирования облегчает выход на заданный режим при изменениях скорости подачи воздуха в ходе процесса, а также при колебаниях давления в магистрали сжатого воздуха.
Расход. Величину расхода измеряют датчиками различного
принципа действия: переменного перепада, электромагнитными (индукционными), постоянного перепада, гидродинамического напора и
другими.
Одним из наиболее распространенных и изученных является способ измерения расхода жидкостей, газов и пара в трубопроводах по
перепаду давлений в сужающем устройстве. Сужающее устройство,
выполняющее функции первичного преобразователя, устанавливается
в трубопроводе и создает в нем местное сужение. В качестве таких
устройств применяют в большинстве случаев стандартные диафрагмы.
В комплект расходомера переменного перепада, кроме сужающего
устройства, входят соединительные трубки со вспомогательными
устройствами и дифманометр.
73
Для контроля за материальными потоками в процессе приготовления питательных сред, выпаривания и т.д. применяют расходомеры
постоянного перепада – ротаметры. Основное преимущество ротаметров – простота конструкции, отсутствие трущихся деталей, возможность измерения малых расходов и расхода агрессивных сред, надежность работы, значительный диапазон, малые потери напора в
трубопроводах, высокая чувствительность к изменению расхода, постоянство относительной погрешности по всей шкале.
К достоинствам датчиков гидродинамического напора следует
отнести простоту конструкции, удобство в эксплуатации, высокую
надежность, возможность измерения расхода загрязненных сред и использования в стерильных условиях.
В последнее время все более широкое распространение получают
процессы ферментации, в которых по ходу процесса осуществляется
подпитка различными компонентами среды предшественниками и т. д.
В этих случаях часто используется разовое дозирование (1–2 раза в
сутки) довольно больших порций компонентов. В этом случае подача
компонентов обычно осуществляется из мерников или путем дозирования порций по массе с помощью тензометрических датчиков
(рисунок 30).
1 – датчик расходомера; 2 – регистрирующий и регулирующий прибор;
3 – клапан; 4 – ферментатор; 5 – мерник
Рисунок 30 – Схема тензометрического датчика
Наиболее сложного оснащения требуют процессы, в которых подача компонентов должна осуществляться непрерывно или почти
непрерывно. Видимо, лучшим решением в этом случае является использование специальных дозирующих насосов.
74
Уровень. Для измерения уровня применяют поплавковые, буйковые, емкостные, кондуктометрические и гидростатические уровнемеры.
Для дистанционного измерения жидкости, находящейся под атмосферным, пониженным или избыточным давлением, в различных
аппаратах применяют буйковые уровнемеры с унифицированным выходным сигналом типа УБ-9 или пневматическим сигналом типа
УБ-11. Электрические датчики на предприятиях микробиологической
промышленности сигнализируют о предельных значениях уровня жидкостей или пены.
Для сигнализации и регулирования уровня электропроводных
сред применяют регулятор-сигнализатор уровня ЭРСУ-2, основанный
на измерении сопротивления между двумя электродами или электродом и стенкой емкости при их соприкосновении с поверхностью электропроводной среды. Контролируемыми средами могут быть сыпучие
вещества или жидкости, не дающие осадка или пленки на электроде,
невязкие и некристаллизующиеся. Емкостные сигнализаторы уровня
типа ЭСУ используют для сигнализации одного или двух заданных
значений уровня жидких, сыпучих, гранулированных и порошкообразных сред.
В сборниках питательных растворов, ферментаторах и других аппаратах широко применяют гидростатические принципы измерения по
разности давлений в нижней и верхней частях аппарата и пьезометрический способ.
Датчики индикации уровня пены основаны на использовании
электропроводности культуральной жидкости. Их изготовляют из нержавеющей стали с обязательной изоляцией от корпуса аппарата. На
стержень электрода надевают силиконовую трубку, выдерживающую
стерилизацию острым паром до 150 °С. Конец стержня (10 – 15 см) не
изолируют (рисунок 31).
Для промышленности рекомендованы трехконтурные схемы автоматического пеногашения, работающие от трех датчиков уровня пены, расположенных на разной высоте, каждый из которых связан с одним управляющим воздействием (рисунок 32). Первым воздействием
является подача пеногасителя, порядок двух других может быть разным. В качестве измерительных элементов системы используют электродные датчики, расположенные на трех разных уровнях.
75
1 – защитный колпачок; 2 – металлический контакт с выводом;
3 – металлический электрод пены; 4 – резиновая трубка; 5 – прижимная
гайка; 6 – пробка; 7 – корпус электрода; 8 – гайка; 9, 12 – втулки;
10 – крышка ферментатора; 11 – винт прижимной
Рисунок 31 – Схема датчика уровня пены
В Институте микробиологии АН Латвии им. А. Кирхенштейна
разработана схема, в которой управление включением всех трех контуров управляющих воздействий осуществляется с помощью одного слаботочного электрода. По этой схеме включение каждого контура осуществляется в зависимости от времени контакта пены с электродом.
Непосредственно после замыкания электрической цепи включается
механический диск – ротор, затем, если через определенное время после этого уровень пены не снизится, включается с помощью реле времени импульсная подача пеногасителя небольшими дозами. Если после следующего, заранее заданного промежутка времени не произойдет
снижения уровня пены, то включается подача пеногасителя большими
дозами или с большей частотой.
76
1 – ферментатор; 2 – мерник с пеногасителем; 3 – измерительный
элемент; 4 – равновесный самопишущий мост с трехкомпозиционным
контактным устройством; 5 – импульсный прерыватель;
6 – электропневматические преобразователи; 7 – клапаны;
8 – форсунка; 9 – магнитный пускатель электропривода мешалки
Рисунок 32 – Трехконтурная схема автоматического пеногашения
Величина рН. Для автоматического измерения рН используют
электродную систему, в которую входят измерительный (индикаторный) электрод и электрод сравнения (вспомогательный). При измерении рН сред при температуре до 100 °С наиболее часто в качестве измерительных применяют стеклянные электроды ЭПС-00-14, а
вспомогательных – хлорсеребряные ЭСХВ-1. Для преобразования в
унифицированный сигнал постоянного тока ЭДС чувствительных элементов пригоден измерительный преобразователь типа П-201. В приборе П-201 использованы транзисторы и интегральные схемы. В стерильных условиях (при температуре до 120 °С) применяют
измерительный электрод ЭСП-41-11 или электроды типа «Ингольд» с
допустимой температурой 130 °С (рисунок 33). Электрод типа «Ингольд» является комбинированным, в нем совмещены стеклянный и
сравнительный электроды.
Электрод может работать под давлением с возможностью контроля за расходованием раствора хлорида калия. Раствор сообщается с
рабочим объемом ферментатора через микропористую мембрану, что
обеспечивает весьма малый расход раствора соли (1 мл в сутки).
77
1 – уплотнительное кольцо; 2 – отверстие для заливки хлорида
калия и для «подкачивания» системы; 3 – резервуар с хлоридом калия;
4 – стеклянный патрубок; 5 – арматура; 6 – корпус электрода;
7 – микропористое отверстие для протока хлорида калия;
8 – защитный экран
Рисунок 33 – Схема электрода типа «Ингольд»
Естественное изменение рН среды в процессе ферментации зависит от вида микроорганизма-продуцента, а также от качественного и
количественного состава среды. Поддержание оптимального значения
рН среды, причем не обязательно постоянного, в ходе процесса
ферментации возможно с применением системы регулирования
(рисунок 34) на основе программных регуляторов типа ЭПЛ, ПРН-1,
ПР-2 и др.
78
1 – ферментатор; 2 – датчик рН-метра; 3 – высокоомный преобразователь
ПВУ-5256; 4 – автоматический потенциометр типа КПС-3 с приставкой
позиционного регулирования типа ППР-1М; 5 – пневматический
импульсатор; 6 – пневмореле Р-10; 7 – регулирующий клапан ПРК-1-6-ВО;
8  титрант (аммиачная вода); 9 – исполнительный механизм системы
пеногашения на выходе воздуха из ферментатора; 10 – стерильный
воздух; 11 – воздух, выходящий из ферментатора
Рисунок 34 – Схема регулирования значений рН
в процессе ферментации
Аэрация. В промышленных процессах культивирования микробных микроорганизмов наиболее часто контролируют и регулируют
расход воздуха. Этот параметр непосредственно не характеризует ход
процесса ферментации, а дает лишь косвенное представление о нем.
Параметр, который в какой-то мере характеризует условия проведения
процесса и связан с аэрацией, – это концентрация растворенного кислорода в среде. Нет приборов, позволяющих измерять непосредственно
в среде этот показатель, однако широкое распространение получили
приборы для измерения парциального давления растворенного кислорода  параметра, связанного с концентрацией законом Генри:
СО2  рО2 /  ,
(3.1)
где  – константа Генри, связанная с солевым составом среды и температурой, Па;
рО2 – парциальное давление растворенного кислорода, Па.
79
Величина парциального давления равна давлению кислорода в газовой фазе, при котором в данных условиях между растворенным в
жидкости кислородом и газовой фазой не будет взаимного перехода
кислорода, т. е. установится равновесие.
На рисунке 35 показана конструкция стерилизуемого датчика
растворенного кислорода. Корпус датчика изготовлен из стеклянной
трубки. На торце имеется фторопластовый вкладыш со сквозными отверстиями. На вкладыше установлен индикаторный электрод в виде
плоской спирали из платиновой проволоки. Один конец спирали выведен через центральное отверстие вкладыша, и к нему припаян провод в
термостойкой эмалевой изоляции. Спай изолирован эпоксидной смолой. Вспомогательный электрод изготовлен из свинцовой пластины.
В верхний конец корпуса вставлен резиновый штуцер с тремя горизонтальными и двумя вертикальными пазами по внешнему диаметру. По
одному из вертикальных пазов проведен провод от индикаторного
электрода, а в другой уложено место спая свинцового электрода с токоотводящим проводом. Место ввода штуцера в корпус и пазы герметизированы эпоксидной смолой для увеличения прочности контакта и
предохранения вывода датчика от разрушения при стерилизации. Газопроницаемая мембрана запрессована на корпусе с помощью эпоксидной смолы и жестко закреплена вместе с индикаторным электродом
на вкладыше, что исключает колебания толщины слоя электролита
между электродом и мембраной при колебаниях давления в аппарате.
Сигнал от датчика может быть измерен любым прибором, предназначенным для измерения слабых токов (например, Н-373 или
потенциометром). Рекомендуется применять компенсационные схемы
измерения, в которых падение напряжения на сопротивлении нагрузки
компенсируется напряжением от внешнего источника. Внутренняя полость датчика 3 сообщается гибким шлангом 2 с бачком 1, в котором
под атмосферным давлением находится тот же электролит, что и в датчике (рисунок 36). При тепловой стерилизации электролит в датчике
кипит, но его пары конденсируются в шланге и стекают обратно. После
стерилизации такой конструкции резкий сброс давления в аппарате не
опасен, так как со стороны электролита давление на пленку практически отсутствует.
80
1 – стеклянный корпус; 2 – фторопластовый вкладыш; 3 – индикаторный
электрод; 4 – газопроницаемая мембрана; 5 – крепление из эпоксидной
смолы; 6 – вспомогательный электрод; 7 – резиновый штуцер;
8 – выводящий провод
Рисунок 35 – Схема стерилизуемого датчика растворенного
кислорода
81
1 – ферментатор; 2 – гибкий шланг; 3 – контрольный сосуд
с электролитом
Рисунок 36 – Компенсационная схема измерения
В результате дыхания культуры, выращиваемой в ферментаторе,
потребляется кислород и выделяется диоксид углерода, концентрация
которого в жидкости может изменяться при изменении условий аэрации. Установлено, что рСО2 влияет на процесс ферментации в значительно более широком интервале значений, чем рО2. В практике возможны случаи, когда требуется поддержание оптимального значения
рСО2. Для контроля за этим параметром может быть использован датчик проточного типа, разработанный в МИХМе (рисунок 37).
Особенность метода состоит в применении специального газообменного устройства мембранного типа. Устройство выполнено в виде
цилиндра. Боковая поверхность цилиндра представляет собой многоходовой спиральный канал, по которому протекает электролит.
С внешней стороны канал обтянут газопроницаемой пленкой (поликарбонатной), выдерживающей температуру стерилизации и крепится
к корпусу с помощью специального герметизирующего уплотнения.
1 – емкость с раствором бикарбоната натрия; 2 – дозирующее
устройство; 3 – транспортный канал; 4 – газообменное устройство;
5 – измерительная ячейка
Рисунок 37 – Схема датчика рСО2 проточного типа
82
Индикаторный раствор бикарбоната натрия из емкости 1 транспортируется с постоянной скоростью при помощи дозирующего
устройства 2 в газообменное устройство 4, помещаемое в ферментатор.
Протекая по каналу, раствор насыщается диоксидом углерода за счет
диффузии последнего через газопроницаемую мембрану. Определение
величины рН раствора осуществляется измерительной ячейкой 5, в
которую раствор поступает по транспортному каналу 3. Вторичный
прибор для определения величины рН проградуирован непосредственно в единицах рСО2. Газообменное устройство стерилизуется вместе с
ферментатором, а датчик величины рН вынесен из ферментатора, что
облегчает условия его работы. Время установления показаний не зависит от знака возмущения и не превышает 10 мин.
Известно, что одних и тех же значений концентраций растворенного кислорода и СО2 можно достичь при различных соотношениях
скорости вращения мешалки и расхода воздуха. В связи с этим должна
быть предусмотрена возможность плавного изменения скорости вращения мешалки в ходе ферментации. Для контроля величины частоты
вращения мешалки используют тахогенераторы, монтируемые на валу
мешалки или связанные с ним ременной передачей.
Для промышленных ферментаторов можно использовать серийно
выпускаемые тиристорные преобразователи частот, универсальную
систему фазового управления. Существуют возможности замены используемых асинхронных двигателей на двигатели постоянного тока,
трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором или гидроприводы, применение которых особенно перспективно.
Кроме систем управления перемешиванием с разомкнутым контуром применяют также замкнутые контуры управления, в которых
частота вращения мешалки автоматически поддерживается на уровне,
обеспечивающем заданное значение концентрации растворенного кислорода или диоксида углерода.
Концентрация биомассы. Это один из наиболее важных параметров процесса культивирования, который не всегда контролируется
и не используется для управления процессом ферментации. Основная
причина – отсутствие простых и надежных средств контроля.
Например, для определения концентрации биомассы дрожжей
используют свойство цитохрома поглощать свет в области длины волны 415 нм.
Между площадью поглощения цитохрома в области длин волн
400…440 нм и концентрацией биомассы в диапазоне 10…100 мг/л имеется линейная зависимость. Автоматический прибор на базе этого метода обеспечивает измерение концентрации биомассы с погрешностью
83
не более 5%. На рисунке 38 представлена схема оптического датчика –
двухлучевого, двухволнового, четырехканального спектрофотометра.
Существенным преимуществом прибора является возможность регистрировать как светорассеяние, так и оптическую плотность суспензии
микроорганизмов.
1 – источник света; 2 – синхронизирующий диск; 3 – фотодиоды;
4 – зеркала; 5 – объективы с диафрагмами; 6 – модулятор;
7 – светофильтры; 8 – проточная кювета; 9 – призмы;
10 – сводящий конус; 11 – фотоэлектронный умножитель
Рисунок 38 – Схема оптического датчика концентрации биомассы
Концентрацию микроорганизмов можно определять также
трехэлектродным пассивным емкостным датчиком с двумя рабочими
зазорами, один из которых герметически изолирован от внешней среды
полупроницаемой мембраной (целлофан, владипор и др.). В открытый
зазор датчика поступает суспензия микроорганизмов (рисунок 39), а в
закрытый, через мембрану,  только жидкая фаза среды. Зная емкость
датчика, образованную первым (C1) и вторым (С2) зазорами, можно
вычислить концентрацию микроорганизмов М по формуле:
(3.2)
М  К (С1  С2 ) ,
где К  постоянная, зависящая от размеров датчика;
  диэлектрический инкремент клеток микроорганизмов.
Датчик прост по конструкции, надежен, легко стерилизуется и
позволяет контролировать рост микроорганизмов непосредственно в
ферментаторе.
В другом виде емкостного датчика, обеспечивающего контроль
концентрации микроорганизмов, использован принцип электроудержания микроорганизмов. На рисунке 40 приведена конструкция этого
84
датчика. Исследуемая суспензия микроорганизмов вводится через отверстие в корпусе с крышкой в датчик, частично проходит через сужающийся в центре канал 4, а частично фильтруется через пористую
часть изолятора 3 в узле 6, где микроорганизмы удерживаются
электрическим полем. Жидкая фаза суспензии поступает в рабочую
полость, где расположены электроды 1, так измеряется ее диэлектрическая постоянная. Затем через отверстия 2 жидкая фаза поступает в
верхнюю часть канала, где смешивается с суспензией и выходит из
ячейки через отверстие. Устройство 5 позволяет регулировать величину сечения канала. Расчет концентрации микроорганизмов осуществляется, как и в датчике с мембраной. Чувствительность датчиков несколько различается. Датчик с полупроницаемой мембраной позволяет
регистрировать минимальные концентрации 20 г/л, датчик с
электроудержанием – 10 г/л. Датчики стерилизуются и могут быть использованы для динамических измерений.
1, 3 – электроды; 2 – мембрана;
4 – фиксирующий изолятор;
5 – стержень для крепления датчика
Рисунок 39 – Схема
трехэлектродного пассивного
емкостного датчика концентрации
микроорганизмов
1 – электроды; 2 – отверстия;
3 – изолятор; 4 – канал;
5 – устройство регулирования
величины сечения канала;
6 – фильтрующий узел
Рисунок 40 – Схема емкостного
датчика для контроля концентрации
микроорганизмов
85
Рост биомассы и образование продуктов метаболизма в значительной степени зависят от поддержания на оптимальном уровне в среде
концентрации физиологически важных веществ: углеводов (глюкозы,
сахарозы, лактозы и др.), аммонийного азота, неорганических фосфатов, а в ряде случаев – индукторов роста или биосинтеза конечного
продукта. Ферментационные среды представляют собой сложные смеси
природных компонентов (кукурузная или соевая мука, гидролизат казеина, пеногаситель и др.) с неорганическими солями, сахарами, а также с самой биомассой микроорганизмов и продуктами ее метаболизма.
Непрерывное автоматическое измерение концентраций отдельных веществ в этой смеси сопряжено со значительными метрологическими и техническими трудностями. Перспективными считают ферментные электроды. Разработаны ферментные электроды различных
типов, однако лишь немногие из них нашли широкое применение и
еще меньшее их число выпускается промышленностью. Это связано с
тем, что большинство электродов пока обладает серьезными недостатками: они дороги, довольно неудобны в работе и имеют малый срок
службы. Перечень некоторых из них приведен в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Ферментные электроды
Определяемое
ЧувствиСтабильвещество
тельность
ность раэлектрода
боты
Диапазон
определения,
Время
ответа,
мин
ммоль/ л
Мочевина
Катион
4 мес.
рН
1 нед.
Аминокислота
Pt (O2 )
6 мес.
102...104
10 3...10 5
10 2...10 5
10 1...10 5
102...104
102...104
10 1...10 3
10 3...10 5
Спирт
4 мес.
1 – 100 мг %
0,5
Пенициллин
Pt (O2 )
рН
2 нед.
1…2
Амигдалин
Цианид
1 нед.
102...104
10 1...10 5
рН
Глюкоза
3 нед.
Газ ( NH 3 )
4 мес.
Pt (O2 )
4 мес.
Pt ( H 2O2 )
14 мес.
Газ (О2)
3 нед.
86
1…2
5…10
2…4
1
1
2…5
1…10
0,2
1…3
Принцип использования датчика основан на чувствительности к
какому-либо компоненту или продукту ферментативной реакции, однако он имеет один существенный недостаток, связанный с низкой избирательностью датчиков.
Многие параметры технологического процесса производства продуктов микробного синтеза в настоящее время не могут регистрироваться в потоке, и их определяют путем анализа проб полупродуктов и
готовой продукции в лабораториях завода. Несмотря на это предпринимаются попытки внедрения автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУТП). Наиболее сложно решаемой
задачей является создание АСУТП для ферментации в строго асептических условиях.
В настоящее время накоплен опыт автоматизации основных стадий технологического процесса производства кормового витамина В12.
При разработке АСУТП в основу положен опыт автоматизации процессов производства кормового витамина B12 на Грозненском ацетоновом и Ефремовском биохимическом заводах (рисунок 41).
Рисунок 41 – Алгоритм функционирования АСУТП производства
витамина В12
87
После операций сбора и первичной переработки информации
(блок 2) выполняются операции контроля и восстановления достоверности входных параметров (блок 3). Задания по производству витамина и ограничения вводятся с дисплейных модулей и хранятся в памяти
ЭВМ (блоки 2, 3). Для работающих выпарных установок (ВУ) определяется текущее состояние греющих поверхностей выпарных аппаратов
путем решения задачи оперативной идентификации коэффициентов
теплопередачи. На основании решения задачи по определению оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих заданную концентрацию витамина В12, определяют графики изменения нагрузок на
ферментационное и выпарное отделения, а также оптимальные моменты остановки на очистку и включения в работу ВУ (блоки 5, 6). Далее
определяется координация материальных потоков между ферментационным и выпарным отделениями, после чего рассчитывают графики
изменения производительности выпарного отделения по расходу упариваемой бражки и по нагрузке на сушильное отделение (блок 7).
По полученным заданиям по входу и выходу выпарного отделения рассчитывается рациональный режим ВУ (блок 8), и в случае, когда выполнение требований невозможно (блок 9), вносятся коррективы
в ограничения производительности выпарных установок (блок 10). При
этом решение задач по определению оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих необходимую концентрацию витамина В12
и значение материального потока между ферментационным и выпарным отделениями, проводится заново. После определения оптимального режима системы стабилизации технологических параметров обеспечивают заданные режимы (блок 11). Рекомендации по остановке и
включению ВУ выводятся оперативному персоналу в качестве совета.
Блоки 4 – 11 содержат дополнительно логические элементы, определяющие необходимость решения конкретного блока в данном такте
управления.
Реализация данного алгоритма возможна в вычислительной системе, включающей несколько независимо работающих процессоров.
Наиболее целесообразным признано использовать децентрализованную структуру АСУТП производства витамина B12 (рисунок 42).
88
Рисунок 42 – Схема децентрализованной структуры АСУТП
производства витамина В12
89
В данной структуре на нижнем уровне решают задачу автоматического контроля, стабилизации и регулирования технологических
процессов, реализуемых на базе микропроцессорных комплексов
(МПК). На МПК возложены также функции сбора, первичной переработки, формирования и выдачи управляющих воздействий. Ввод информации от датчиков обеспечивается приборами электрической ветви
ГСП (ГСПЭ). В связи со взрывоопасными условиями отделения ферментации применяют датчики пневматической ветви ГСП (ГСПП) с
пневмоэлектрическими преобразователями сигналов (ПЭ). Управляющие выходы МПК через электропневмопреобразователи (ЭП) поступают на пневматические исполнительные механизмы (ИМ).
В производстве витамина В12 целесообразно применять один
МПК для управления стадиями приготовления питательной среды и
ферментации, два МПК – для регулирования процесса выпаривания и
один МПК – для автоматизации процесса сушки. На постах управления
устанавливаются дисплейные модули (ДМ), связанные через магистрали обмена информацией с мини-ЭВМ. На верхнем уровне проводится
расчет рациональных режимов технологических процессов на базе
центральной мини-ЭВМ, имеющей связь как с локальными МПК, так и
с вышестоящими системами управления.
Информация о состоянии технологических процессов периодически, после первичной переработки, пересылается в мини-ЭВМ, где используется для расчета рациональных режимов. Результаты решения
задач оптимального управления передаются от мини-ЭВМ к МПК в
виде заданий регуляторам соответствующих систем автоматического
регулирования. С помощью дисплеев возможны получение информации о ходе процесса, ввод дополнительных заданий и т. д.
3.2.4 Службы контроля микробиологических предприятий
Организация контроля и учета качественных и количественных
показателей работы основных и вспомогательных отделений предприятий возложена на центральную заводскую лабораторию (ЦЗЛ). Объем
выполняемых работ и штаты ЦЗЛ определяются в зависимости от
мощности завода и ассортимента выпускаемой готовой продукции.
Оперативный химико-технологический и микробиологический контроль производственных процессов проводят сотрудники цеховых
лабораторий. Объекты анализа, место их отбора, периодичность анализа, применяемые методики и допустимые нормы химикотехнологических и микробиологических показателей производства
определены действующим регламентом.
90
Гарантия выпуска продукции высокого качества должна быть целью организации контроля производства. Все лаборатории завода
должны быть оснащены необходимым оборудованием, аппаратами,
приборами, стеклянной посудой, мебелью. Качественный уровень контроля в большей степени определяется точностью и достоверностью
результатов анализов, выполняемых экспрессными методами. Практические результаты работы цеховых лабораторий завода зависят от многих причин и в основном от правильного отбора проб анализируемых
объектов, точности методов, заложенных в стандарты, и уровня профессиональной подготовки сотрудников лабораторий.
Отбор проб для анализа часто сопряжен с соблюдением стерильности и необходимостью использования специальных пробоотборных
систем. В противном случае возможно искажение определяемых параметров. Это может быть вызвано непредставительностью пробы из-за
недостаточно полного устранения антисептика и воды из пробоотборной системы; дискретностью измерений; длительностью подготовки
пробы. Состав пробы может измениться вследствие происходящих в
ней биохимических процессов, испарения легколетучих компонентов,
поглощения влаги, фильтрации, охлаждения, отделения пузырьков газа
и др. Все эти факторы должны быть учтены.
Главные задачи микробиологической службы завода:
 использование высокопродуктивных штаммов микроорганизмов;
 ведение чистой культуры, контроль качества посевного материала на всех этапах его получения;
 контроль за чистотой и физиологическим развитием культуры в
производственном ферментаторе;
 исследование проб в процессе обработки культуральной жидкости и готового продукта на наличие в них контаминантов.
Кроме того, большой объем работы микробиологическая служба
выполняет по санитарному контролю производства. Гарантией выпуска продукции высокого качества является всесторонний контроль в
сочетании с самоконтролем на каждом рабочем месте.
3.3 Расчет и выбор технологического оборудования
Способ культивирования – глубинный или поверхностный –
определяет характер технологических стадий производства, как предшествующих культивированию, так и следующих за ним. При поверхностном культивировании обработке подвергается твердый измельченный материал, при глубинном – жидкие среды.
91
Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Поверхностное (твердофазное) культивирование требует довольно сложного аппаратурного оформления. Транспортирование, перемешивание,
нагревание и другие виды обработки влажного сыпучего материала
представляют значительные трудности из-за необходимости применения машин с большим количеством подвижных элементов. В то же
время продукт при поверхностном культивировании получается в более концентрированном виде, поэтому удельные затраты на его выделение относительно малы. Кроме того, при заданной производительности по целевому продукту величина обрабатываемого материального
потока при твердофазном культивировании существенно ниже, поэтому объемы, габариты машин и аппаратов меньше, чем при глубинном.
Особенно эффективен поверхностный способ в том случае, когда товарным продуктом является подсушенная поверхностная культура
микроорганизмов, содержащая остатки питательной среды и продукты
метаболизма.
Основным преимуществом глубинного способа культивирования
является высокая скорость образования продукта и технологичность,
т. е. простота транспортирования, нагревания, перемешивания жидких
материальных потоков. К недостаткам этого метода следует отнести
низкую концентрацию продукта в культуральной жидкости, что приводит к высокой стоимости операций выделения и сушки продукта,
значительным его потерям, а также образованию относительно большого количества сточных вод, которые подлежат очистке.
В микробиологических производствах, основанных на глубинном
культивировании, широко применяется аппаратура, серийно выпускаемая заводами химического машиностроения. Это емкостное оборудование, аппараты с перемешивающими устройствами, теплообменные и
выпарные установки, сепараторы, сушилки, экстракторы и т. д. Возможность использования унифицированного оборудования создает
предпосылки для преимущественного использования глубинного культивирования. Однако по мере разработки и выпуска надежного и эффективного оборудования для поверхностного культивирования этот
способ может стать основным для получения ряда продуктов микробиологического синтеза.
3.3.1 Оборудование для хранения сыпучих веществ
Для организации поточного способа производства необходимо
создание механизированных линий, обеспечивающих поточное движение грузов в условиях, когда грузопотоки отправления и поступления
92
имеют различные ритмы работы в течение года (сезонность), суток,
смен, часов.
Для выравнивания различных ритмов работы необходимы аккумулирующие, или накопительные, устройства, входящие в состав поточно-транспортных систем. Это различные склады, бункера и т. д.
(таблица 3.3).
Таблица 3.3 – Характеристика устройств для хранения сыпучих
веществ
Аккумулирующее
Движение груза
устройство
Поступление
Отправление
Заготовительный
Сырье в период сезон- Сырье на производсклад
ных заготовок
ство в течение длительного периода или
круглогодично
Склад сырья на
С внешнего транспорВ цеховые склады
предприятии
та на предприятие
сырья
Производственный Со склада предприятия В поточные линии
и цеховые склады
переработки
сырья
Цеховой накопиС предыдущих техноНа последующие техтель полуфабрика- логических операций
нологические
тов
операции
Цеховой склад
С последних технолоНа склад готовой проготовой продукгических операций
дукции предприятия
ции
Склады готовой
Из цеховых складов
Потребителям
продукции
готовой продукции
Приемные бункера Выгрузка из трансНаправление к месту
портного средства
складирования
Погрузочные
С места складирования Погрузка в транспортбункера
ные средства
Сыпучие вещества хранят в открытых и закрытых складах, оборудованных в зависимости от способа хранения в них грузов
(таблица 3.4).
93
Таблица 3.4 – Оборудование складов для хранения сыпучих грузов
Способ хранения
Оборудование
для подачи груза
для выдачи груза
Открытый
в штабелях
Передвижные и стацио- Передвижные
понарные
разгрузочные грузочные машины,
машины, краны с грей- краны, гидротрансферами,
ленточные порт
транспортеры
Закрытый
насыпью
Разгрузчики автомоби- Ленточные и скреблей и вагонов, ленточ- ковые транспортеры,
ные и скребковые но- нории, передвижные
рии, транспортеры
погрузчики
в бункерах и силосах Разгрузчики автомобилей и вагонов, ленточные и скребковые конвейеры, нории, шнеки,
пневматические транспортные установки
Ленточные и скребковые конвейеры,
нории, шнеки, аэрогравитационные
конвейеры
Открытые штабельные склады. Их используют для хранения
растительного целлюлозосодержащего сырья, которое поступает в период заготовок. Необходимая для размещения штабелей груза площадь
складской территории и проездов зависит от грузовместимости склада,
допустимой высоты хранения сырья и принятого способа механизации
погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ (ПРТС).
Высота штабеля определяется технологическими требованиями с
учетом максимальной сохранности сырья, а также возможностями
оборудования, применяемого для укладки материала в штабеля, высотой отвальных эстакад, вылетом стрелы кранов и другими условиями.
Полезная площадь склада
Fпол ( м 2 ) для штабелей прямоуголь-
ной в плане формы определяется формулой:
m
Fпол   Li Bi nшт i ,
i 1
(3.3)
т – число видов груза, находящегося в складе;
Li и Bi – соответственно длинна и ширина (по низу) одного штабеля i-го груза, м ;
где
94
пшт i – количество штабелей i-го груза на складе, вычисляется по
формуле:
т;
пшт i   скл i /  шт i ;
 скл i
– масса i-го груза, которую требуется поместить на складе,
 шт i
– масса i-го груза, находящегося в одном штабеле,
Общая площадь открытого склада
т.
Fскл состоит из полезной пло-
щади ( Fпол ) и дополнительной, предназначенной для приемноотправочных устройств (эстакады для разгрузки вагонов), а также для
проездов транспортных средств и погрузочно-разгрузочных машин.
Доля дополнительной площади зависит от высоты и ширины штабелей
и составляет 20…100% от Fпол . Поэтому
Fскл  1, 2...2,0 Fпол .
(3.4)
Закрытые склады. Отруби, свекловичный жом и зерно хранят в
крытых напольных складах, в бункерах и силосах.
Напольные склады оборудуют стационарными верхними и нижними ленточными или скребковыми транспортерами, нориями, шнеками и пневмотранспортом. Склады силосного и бункерного типов полностью позволяют обеспечить самотечное движение грузов.
В силосных складах хранят отруби, свекловичный жом, муку, солодовые ростки. Высота складов силосного типа значительно превышает их поперечные размеры, они обычно проектируются круглыми
или квадратными. Диаметр круглых силосов 6…12 м, но иногда может
превышать 24 м, сторона квадратных силосов 3…6 м, высота силосов
30 м и более. Удельные затраты на строительство и эксплуатацию
складов силосного типа обратно пропорциональны их высоте.
Бункера применяют в том случае, когда объемы хранящихся грузов невелики и когда при проектировании установлено, что их оборачиваемость будет высокая. Высота бункеров обычно меньше длины,
высыпание в них хорошо сыпучего груза происходит под действием
гравитационных сил. Проектируются бункера круглыми, прямоугольными и квадратными. Нижняя часть имеет форму перевернутого
усеченного конуса или пирамиды, углы наклона боковых поверхностей
в нижней части 40…60°. Выгрузка грузов из бункеров, а также из силосов регулируется затворами с механическими приводами и дистанционным управлением. Для разрыхления слеживаемых грузов используют аэрирующие устройства и вибраторы.
95
На предприятиях микробиологической промышленности строят
железобетонные и стальные силосы. Железобетонные имеют диаметр
2…2,5 м и высоту 12 м, их вместимость до 50 т муки. Стальные
силосы в 1,5…2 раза дешевле железобетонных, их проще изготовить,
срок их сооружения меньше. Емкость стального бункера составляет
10…50 т муки в зависимости от типоразмера.
Количество силосов или бункеров пс для хранения муки, отрубей
и жома вычисляется по формуле:
m
пс    i / ei ,
(3.5)
i 1
т – число сортов сыпучих грузов, хранящихся на складе;
 i – количество сыпучего материала i-го вида на складе, т ;
ei – грузовместимость одного силоса или бункера для i-го вида
сыпучего груза, т , вычисляется по формуле:
ei  Vсилi ,
где
Vсил – объем силоса или бункера принятого типа, м3 ;
 – коэффициент заполнения силоса или бункера, обычно принимают   0,85...0,9 ;
i
– объемная масса груза i-го сорта, т / м .
3
Сыпучие грузы – мука, отруби, свекловичный жом, солодовые
ростки и другие – при хранении слеживаются и теряют сыпучесть. Поэтому в местах выгрузки грузов бункера и силосы оборудуются специальными устройствами. Это шнеки, установленные под разгрузочными
отверстиями, и пневматические устройства в виде перфорированных
труб, через которые в зону подачи сыпучего материала поступает сжатый воздух.
Силосные склады сыпучих материалов располагаются в отдельностоящем корпусе либо примыкают к главному производственному
корпусу.
3.3.2 Оборудование для транспортирования сыпучих
продуктов
Для транспортировки сыпучих продуктов применяют устройства
непрерывного действия. Назначение и виды транспортирующих
устройств представлены в таблице 3.5.
96
Выбор транспортирующих устройств производят в зависимости
от следующих параметров: длины и высоты перемещения груза, скорости перемещения, грузоподъемности и производительности установки,
мощности электропривода, удельного расхода энергии на перемещение
и физико-механических свойств грузов.
Таблица 3.5 – Назначение и виды транспортируемых веществ
Назначение
Вид
Внутренний транспорт – Для горизонтального перемещения:
перемещение грузов по тер- ленточные, пластинчатые, винтовые,
ритории предприятия между вибрационно-ленточные,
трубные
цехами (межцеховой), внут- конвейеры; для вертикального перери отдельных подразделе- мещения: нории, вибрационные,
ний (цехов, участков) в со- гибкие, механические, пневматичеответствии
с
принятой ские подъемники, гравитационные
технологической схемой
спуски; для смешанного перемещения (пневматический транспорт)
Внешний транспорт – до- Железнодорожный, автомобильный,
ставка на предприятие раз- водный, воздушный, трубопроводличных грузов, предназна- ный транспорт
ченных для производства;
вывоз продукции и отходов
производства
3.3.3 Расчет и выбор технологического оборудования
3.3.3.1 Ленточные конвейеры
Ленточные конвейеры применяются для перемещения сыпучих,
кусковых и штучных грузов в горизонтальном и наклонном направлениях. Угол наклона конвейера к горизонту в зависимости от физических свойств переметаемого груза 25° и более. При увеличении угла
наклона ленточного конвейера от 5 до 25° скорость ленты снижается
на 9…40%. Производительность ленточных конвейеров варьирует в
широком диапазоне до 2500 м3/ч.
Производительность П (т/ч) горизонтального ленточного конвейера определяют по формулам:
для насыпных грузов с плоской лентой
П  155  В 2v ;
П  310  В 2v ;
для штучных грузов с плоской лентой П  3,6mv / l ,
для насыпных грузов с лотковой лентой
97
где В – ширина ленты, мм ;
v – скорость конвейера, м/ с (для большинства сыпучих материалов равна 0,75…3,0 м/ с , для сильносыпучих 0,75…1,2 м/ с , для
штучных 0,5…1,9 м/ с );
 – плотность насыпная, т / м3 ;
т – масса одного штучного груза, кг ;
l – расстояние между грузами на ленте, м .
Мощность электропривода N э (кВт) ленточного конвейера
определяют по формуле:
Nэ 
где
(К1vL  0,00014 ПL  0,0024 ПН )К 2  Н т

,
(3.5)
К1 – коэффициент, зависящий от ширины ленты (см. ниже);
L – длина конвейера по горизонтали, м ;
П – производительность конвейера, т/ ч ;
Н – высота груза, м ;
К 2 – коэффициент, зависящий от длины конвейера (см. ниже);
N т – мощность, необходимая для разгрузочной тележки, кВт
(таблица 3.6);
 – КПД привода (   0 ,75...0,8 ).
Таблица 3.6 – Значения коэффициента
N т ( кВт ) для передвижения
разгрузочной тележки в случае ее установки на транспортере
Ширина
Длина перемещения тележки, м
ленты,
30
40 50…60 70…80 90…100 110…120 130…140
мм
400
500
600
800
1000
1200
0,25
0,32
1,0
1,8
2,7
3,24
0,30
0,36
1,2
2,1
3,0
3,8
0,40
0,45
1,4
2,5
3,5
4,1
0,50
0,60
1,6
3,0
4,0
4,7
Значения коэффициента К1 :
400
500
Ширина ленты, мм
0,004 0,005
К
1
98
0,60
0,75
2,2
3,9
5,0
5,8
650
0,007
800
0,010
0,65
1,0
2,5
4,3
5,5
6,3
1000
0,012
0,70
1,2
2,7
4,9
6,5
7,2
1200
0,014
Значения коэффициента К 2 :
Длина конвейера, мм До 10 10…15 15…25 25…35 35…45
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
К
2
45
1,0
3.3.3.2 Скребковые конвейеры
Для транспортирования сыпучих, зернистых и мелкокусковых
грузов используют скребковые конвейеры, тяговый орган которых выполнен в виде скребка (рисунок 43).
Для перемещения пылевидных, порошковых, зернистых и мелкокусковых грузов температурой до 300 °С по горизонтальным и наклонным (угол до 15°) трассам применяют конвейеры типа КПС-200. В зависимости от скорости движения тяговой скребковой цепи (от 0,16 до
0,4 м/с) производительность конвейера меняется от 12,5 до 31,5 м3/ч.
Для транспортирования взрывоопасных, токсических и химических кусковых, порошкообразных и пылевидных насыпных грузов
применяют конвейеры типа КПС-125-ВГК во взрывобезопасном и герметичном исполнении с погруженными скребками. Скорость движения
ленты 0,5…0,03 м в горизонтальном, наклонном (угол до 75°) и горизонтально-вертикальном направлениях. Загрузка и разгрузка транспортера могут быть осуществлены в любой точке трассы. При скорости
цепи 0,01; 0,05; 0,25; 0,63 м/с производительность конвейера длиной
50 м соответственно 1,7; 3,8; 5,5; 8,5; 14,20 т/ч.
Производительность скребкового конвейера (т/ч):
П  3,6 Вhv К у К з
(3.6а)
(3.6б)
П  3,6h2vК у К з Кж ,
где В – ширина желоба, м ;
h – высота желоба, м ;
v – скорость движения цепи, м/ с (в зависимости от свойств
транспортируемого материала равна 0,2…1,0 м/ с );
 – насыпная плотность груза, кг / м 3 ;
К у – коэффициент, зависящий от угла   наклона конвейера
или
(при

0; 10; 20 и 30º К у  1; 0,85; 0,65; 0,5 соответственно);
К з – коэффициент заполнения желоба (равен 0,5…0,6);
К ж – коэффициент отношения ширины желоба к его высоте (равен 2…4).
99
а)
1 – привод; 2 – загрузочная воронка; 3 – желоб; 4 – направляющие;
5 – цепь со скребками; 6 – натяжное устройство; 7 – разгрузочный патрубок; в – трубчатый
б)
1 – разгрузочные устройства; 2 – привод; 3 – загрузочные устройства;
4 – труба; 5 – тяговая цепь со скребками
Рисунок 43 – Скребковые конвейеры: а – с открытыми высокими
скребками; б – с погруженными скребками
100
Мощность электродвигателя определяют по формулам:
для горизонтальных и пологонаклонных конвейеров:
Nэ 
0,3(1  ВLгор )v  0,003П (Н  1,8 fLгор )

(3.7а)
,
для вертикальных и крутонаклонных:
Nэ 
0,07 Bv(H  4,3Lгор )  0,005 П (1,6 Н  fLгор )

,
(3.7б)
где Lгор и Н – длина конвейера по горизонтали и высота по вертикали,
м;
f – коэффициент трения насыпного груза о стенки желоба;
П – производительность конвейера, т/ ч ;
 – КПД передачи (   0 ,8...0 ,9 ).
3.3.3.3 Элеваторы (нории)
При помощи норий (рисунок 44) можно транспортировать сыпучие
материалы по вертикали и под углом 45…70° на расстояние до 40 м.
1 – головка нории; 2 – привод; 3 – башмак с натяжным устройством;
4 – ковши; 5 – тяговый элемент; 6 – ограждающая труба
Рисунок 44 – Элеватор (нория)
101
Производительность норий варьирует в пределах 5…500 т/ч при
ширине ленты от 150 до 500 мм.
Мощность норий ковшового типа П (т/ч) определяется по
формуле:
(3.8)
П1  3,6VvК з / l ,
где
V – вместимость ковша, м3 ;
v – скорость движения ковшей, м/ с ;
 – насыпная плотность, кг / м 3 ;
К з – коэффициент заполнения ковшей (для мелкозернистых мате-
риалов равен 0,85…0,95; для крупнозернистых и кусковых 0,5…0,8);
l  шаг ковшей, мм .
Мощность
N э (кВт) электропривода приводного барабана нории
определяется по формуле:
N э  П2 Нg / 1000 ,
где
(3.9)
П 2 – производительность нории, кг / с ;
Н – высота подъема грузов, м ;
g – ускорение свободного падения, м / с 2 ;
 – КПД привода.
3.3.3.4 Винтовые конвейеры
Применяются для перемещения сыпучих и мелкокусковых грузов
– муки, крахмала, соли, высушенной измельченной культуры грибов,
сухих кормовых продуктов и пр. – в горизонтальном и наклонном
(угол до 20°) направлениях на расстояние до 40 м.
Изготавливаются винтовые конвейеры (рисунок 45) со следующими диаметрами винтов D и шагом l (мм):
D 100 125 160 200 250 320 400 500 650 800
l 80 100 125 160 200 250 320 400 500 650
Частота вращения винта шнека от 0,5 до 2,0 с -1. Производительность П (т/ч) винтового конвейера определяется по формуле:
П  0,047D3nKв К з К у ,
где D – диаметр винта, м ;
n – частота вращения вала, мин 1 ;
102
(3.10)
 – насыпная плотность, кг / м 3 ;
Kв – коэффициент зависимости шага винта от диаметра винта
(для легкосыпучих грузов равен 0,75…1,0, для крупнокусковых и абразивных грузов 0,5…0,6);
К з – коэффициент заполнения желоба для легких и неабразивных
грузов (муки) равен 0,4, для легких и малоабразивных грузов (соль,
сахарный песок, сухая глина и т.п.) – 0,32;
К у – коэффициент, зависящий от угла наклона транспортера по
горизонтали (при углах наклона 0; 5; 10; 15 и 20º К у равен 1,0; 0,9;
0,8; 0,7 и 0,6 соответственно).
1 – привод; 2 – коренные подшипники; 3 – загрузочный люк; 4 – вал
с винтом; 5 – промежуточный подвесной подшипник; 6 – корпус;
7 – разгрузочный патрубок
Рисунок 45 – Винтовой конвейер
Мощность
N э (кВт) электропривода винтового конвейера опре-
деляется по формуле:
Nэ 
ПНК п ( f  1)
,
367
где П – производительность винтового конвейера,
Н – высота подъема груза, м ;
(3.11)
т/ ч ;
К п – коэффициент, учитывающий сопротивление в подшипниках
(равен 1,15…1,2);
103
f – коэффициент сопротивления перемещению груза (для легких
и малоабразивных грузов (муки, зерна) равен 3,5…6,9; для тяжелых
малоабразивных грузов (соль) 5,5…7,3;
 – КПД привода (равен 0,4…0,5).
3.3.3.5 Вибрационные конвейеры
Вибрационные конвейеры применяют для подачи сыпучих материалов в горизонтальном, наклонном (угол до 20°) и вертикальном
направлениях с загрузкой и выгрузкой в одной или нескольких точках
на расстояние до 60 м. Значительным преимуществом виброконвейера
является герметичность, простота конструкции, незначительная удельная энерго- и металлоемкость. Скорость транспортирования материала
0,1 – 0,6 м/с, производительность до 150 т/ч.
Производительность П (т/ч) горизонтального вибрационного
конвейера определяется по формуле:
(3.12)
П  3,6 FvK з ,
где F – площадь поперечного сечения желоба или трубы, м ;
v – средняя скорость транспортирования груза, м/ с ;
2
 – насыпная плотность, кг / м 3 ;
K з – коэффициент заполнения поперечного сечения желоба (для
прямоугольного и квадратного сечений равен 0,7…0,8, для круглого
0,5…0,65, для открытых желобов 0,6…0,8; нижние значения коэффициента K з относятся к пылевидным и порошкообразным грузам, высокие – к зернистым и кусковым).
Мощность N э (кВт) электропривода виброконвейеров определяется по формуле:
(3.13)
N э  ПL / ,
где П – производительность конвейера, т/ ч ;
L – длина транспортирования материала, м ;
 – удельная энергоемкость помещения, кВт  ч /( т  м) (для
транспортеров со сбалансированным вибратором равна 0,005…0,008, с
электромагнитным вибратором 0,0035…0,006, для двухтрубных транспортеров с эксцентриково-шатунным вибратором 0,002…0,005, для
коротких неуравновешенных конвейеров длиной до 10 м 0,01);
 – КПД привода.
104
3.3.3.6 Пневмотранспортные установки
Пневматические конвейеры (рисунки 46, 47) применяют для перемещения сыпучих грузов на расстояние до 100 м и более по горизонтали и на высоту до 100 м. Производительность пневмотранспортеров
до 400 т/ч.
1 – загрузочное устройство; 2, 4 – трубопроводы; 3 – циклонразделитель; 5 – циклон-очиститель; 6 – воздуходувная машина;
7 – глушитель шума; 8 – шлюзовой затвор
Рисунок 46 – Пневматическая транспортная установка
1 – воздушный фильтр; 2 – компрессор; 3 – масловодоотделитель;
4 – резервуар сжатого воздуха; 5 – питатель; 6 – материалопровод;
7 – распределитель; 8 – отделители или бункера; 9 – трубопровод для
подачи воздуха на очистку
Рисунок 47 – Схема разветвленной нагнетательной
аэрозольтранспортной установки
105
При проведении расчета пневмотранспортной установки определяют производительность, скорость воздуха, массовую долю транспортируемого материала в смеси с воздухом, количество воздуха, необходимого для перемещения материала, мощность электродвигателя
воздуходувной машины.
Производительность (кг/с):
Пс  Gм К н К пр ,
(3.14)
где
G м – масса транспортируемого материала, кг / с ;
К н – коэффициент, учитывающий неравномерность подачи мате-
риала (равен 1,5);
К пр – коэффициент неравномерности, определяемый условиями
технологического процесса (равен 1,25).
Приведенная длина трубопровода (м):
где
L
L
L
L
Lпр   Lг   Lв   Lэ.к   Lэ.п ;
(3.15)
м;
г
– сумма горизонтальных участков,
в
– сумма длин вертикальных участков,
м;
м;
э.к
– сумма длин, эквивалентных коленам,
э.п
– сумма длин, эквивалентных переключателям трубопро-
водов, м .
Эквивалентная длина двухходового переключателя принимается
8 м; длина задвижки затвора 10 м. Длина трубопроводов
L
э.к
, эк-
вивалентных коленам, зависит от отношения радиуса кривизны колена
R к внутреннему диаметру трубы d (таблица 3.7).
Таблица 3.7 – Длина (м) трубопроводов, эквивалентная коленам
Вид груза
R/d
4
6
10
20
Пылевидный
4…8
5…10
6…12
8…10
Зерновой однородный
8…10
12…16 16…20
Мелкокусковой однородный
28…35 38…45
Крупнокусковой
60…80 70…90
неоднородный
106
Скорость потока воздуха, перемещающего груз, должна быть
больше скорости витания частиц груза vs.
Скорость воздуха v (м/с) при начале всасывания и при нагнетании
материала:
v  10a 10   К м L2пр ,
где
(3.16)
а – коэффициент, который зависит от крупности частиц груза;
 – плотность груза, кг / м 3 ;
К м – коэффициент, учитывающий свойства материала, равен
 2...5 105 ;
Lпр – приведенная длина трубопровода, м (для всасывающих
установок не учитывается).
Коэффициент а определяется крупнотой частиц. Его величина
для частиц различного вида приведена ниже.
Пылевидный и порошкообразный (0,001…1,0 мм)
10…16
Зернистый, однородный (1…10 мм)
17…20
Мелкокусковой однородный (10…20 мм)
17…22
Среднекусковой однородный (10…80 мм)
22…25.
Расчетная скорость для устойчивой работы транспортера должна
быть увеличена на 10 – 20%.
Массовая доля материала в смеси с воздухом:
М  1000 Пч / Gв. м ,
(3.17)
где
П ч – производительность установки, т/ ч ;
Gв. м – массовый расход воздуха, кг / ч .
Массовая доля материала в смеси с воздухом зависит от рода груза и приведенной длины трубопровода Lпр .
Для легкосыпучего сухого материала
0…200 200…400 400…600 600…800 800…100
Lпр , м
М
70…40
40…25
25…20
20…15
Для зерна и подобного материала
0…25
25…50 50…75
75…100
Lпр , м
М
35…20
20…13
13…10
107
10…8,5.
15…12.
Количество воздуха
материалов:
где
Gв (м3/с), необходимое для перемещения
Gв  Пч / 3,6Мв ,
(3.18)
П ч – производительность транспортера, т/ ч ;
в
– плотность воздуха, кг / м (для примерных расчетов прини3
мают 1,2 кг / м );
М – массовая доля материала в смеси с воздухом.
Диаметр трубопровода:
3
d
4Gм.в
,
v
(3.19)
где
v – скорость движения продукта с воздухом, м/ с .
Мощность N э (кВт) электродвигателя воздуходувной машины:
N э  Gв Нв g /(1000кпр ) ,
(3.20)
где
Gв – расход воздуха, м 3 / с ;
Н – общий напор в системе, м (его находят по формулам для
определения сопротивления воздуха по трубопроводам);
в
– плотность воздуха, кг / м ;
3
g – ускорение свободного падения, м / с 2 ;
 к – КПД компрессора;
 пр – КПД привода.
3.3.4 Емкостное оборудование
3.3.4.1 Сборники
Емкости без перемешивающих устройств – сборники – устанавливают между аппаратами различных технологических стадий производства с целью повышения коэффициента использования основного
технологического оборудования, обеспечения ритмичности его работы,
а также для сопряжения непрерывных и периодических стадий.
Номинальная вместимость сосудов и аппаратов определяется их
внутренним объемом без учета объема открываемых крышек,
штуцеров и люков. Наличие защитной футеровки, покрытий и внутренних устройств при расчете внутреннего объема не учитывается.
108
Номинальная вместимость сборника:
Vн  Vж /  ,
где
(3.21)
Vж – объем загружаемой в сборник жидкости, м ;
 – коэффициент заполнения сборника (равен 0,7…0,8).
3
Номинальную вместимость (м3) цилиндрических аппаратов и сосудов, изготавливаемых из металлических материалов и пластических
масс, следует выбирать из следующего ряда (ГОСТ 13372-78): 0,01;
0,016; 0,025; 0,040; 0,063; 0,100; 0,125; 0,160; 0,200; 0,250; 0,320; 0,400;
0,500; 0,630; 0,800; 1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 2,50; 3,20; 4,00; 5,00; 6,30;
8,00; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0; 63,0; 80,0; 100; 125;
100; 200.
Внутренний объем корпусов не должен отличаться от номинального более чем на 10% в сторону увеличения и на 5% в сторону
уменьшения.
По внутреннему объему аппарата определяют диаметр и высоту,
которые также должны соответствовать стандарту (ГОСТ 9617-76);
внутренний диаметр сосуда или аппарата, изготовляемого из стальных
листов или поковок, следует выбирать из ряда (мм): 400, (450), 500,
(550), 600, (650), 700, 800, 900, 1000, (1100), 1200, (1300), 1400, (1500),
1600, (1700), 1800, (1900), 2000, 2200, 2400, 2500, 2600, 2800, 3000,
3200 3400, 3600, 3800, 4000, 4500, 5000, 5600, 6300, 7000, 7500, 8000,
8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000.
Размеры, заключенные в скобки, допускается применять лишь для обогревающих или охлаждающих рубашек сосудов и аппаратов. Длины
обечаек корпусов сосудов и аппаратов, в том числе имеющие промежуточные разъемы, выбирают из следующего ряда (мм): 60, 80, 100,
120, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 550, 600,
650, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2500,
2800, 3200, 3600, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000,
8500, 9000, 9500, 100000, 11000, 12000, 13000, 14000, 15000, 16000,
17000, 18000, 19000, 20000, 21000, 22000, 23000, 24000, 25000, 26000,
27000, 28000, 29000, 30000.
Основные размеры корпусов цилиндрических стальных сварных
сосудов и аппаратов определены в ГОСТ 9931-79. Выпускаются аппараты девяти типов, из которых шесть вертикальных (обозначение В) и
три горизонтальных (обозначение Г), с различными формами днища и
крышек (Э – эллиптические; С – сферические; П – плоские; К – конические). Характеристика корпусов цилиндрических стальных сосудов и
аппаратов приведена в таблице 3.8 . Основные размеры корпусов аппаратов типа ВЭП приведены в таблице 3.9 (по ГОСТ 9931-79).
109
Таблица 3.8 – Характеристика цилиндрических стальных
аппаратов
Тип
ИсполКорпус
аппарата нение
ГЭЭ
1
Горизонтальный с двумя эллиптическими днищами
2
Горизонтальный с эллиптическим
днищем и крышкой
ВЭЭ
1
Вертикальный с двумя эллиптическими днищами
2
Вертикальный с эллиптическим днищем и крышкой
ВЭП
1
Вертикальный с эллиптическим днищем и плоским днищем
2
Вертикальный с эллиптическим днищем и плоской крышкой
ГПП
1
Горизонтальный с двумя плоскими
днищами
2
Горизонтальный с плоскими днищами
и крышкой
ВПП
1
Вертикальный с двумя плоскими днищами
2
Вертикальный с плоскими днищами и
крышкой
ВСП
1
Вертикальный с плоским и сферическим днищами
2
Вертикальный с плоским днищем и
сферической крышкой
ГКК
1
Горизонтальный с двумя коническими
днищами (с углом при вершине 140º)
ВКЭ
1
Вертикальный с коническим днищем
(с углами при вершине 60 и 90º) и эллиптическим днищем
2
Вертикальный с коническим днищем
(с углами при вершине 60 и 90º) и эллиптической крышкой
ВКП
1
Вертикальный с коническим днищем
(с углами при вершине 60, 90 и 120º) и
плоским днищем
2
Вертикальный с коническим днищем
(с углами при вершине 60, 90 и 120º) и
плоской крышкой
110
сосудов и
Объем, м
3
0,001…200
0,01…32
0,01…32
0,01…100
1…32
1…32
4…100
0,04…50
0,025…100
Таблица 3.9 – Основные размеры корпуса типа ВЭП
Номинальный
Внутренний
Длина цилинобъем,
дрической
части
диаметр Dв ,
3
корпуса,
l,
м
мм
0,010
0,016
0,025
0,040
0,063
0,100
0,125
0,160
0,200
0,250
0,320
0,400
0,500
0,630
0,800
1,00
1,25
1,60
2,00
2,50
3,20
4,0
5,00
6,30
8,00
10,00
12,50
16,00
20,00
25,00
32,00
(250)
(300)
(350)
400
400
500
500
500
600
600
700
700
800
800
1000
1000
1200
1200
1200
1400
1400
1600
1600
1800
1800
2000
2200
2400
2400
2600
2800
3000
Площадь
внутренней
поверхности,
мм
F , мм
160
175
200
250
435
240
425
555
465
610
535
715
665
860
635
855
685
905
1215
1065
1390
1325
1725
1665
2175
2215
2265
2365
3140
3335
3595
4030
0,25
0,33
0,45
0,62
0,85
0,84
1,14
1,34
1,55
1,82
2,08
2,49
2,86
3,37
3,87
4,54
5,27
6,10
7,27
8,35
9,87
11,4
13,40
15,40
18,30
21,30
24,70
28,60
34,40
39,90
46,30
54,80
Выбор емкостного оборудования производят исходя из суточного
потока перерабатываемой жидкости, продолжительности операции
111
(для периодического процесса) или скорости процесса (для непрерывного процесса). При выборе объема и числа аппаратов следует учитывать их габаритные размеры, производственные площади, которыми
располагает предприятие, возможность технологического маневрирования, наличие параллельных потоков.
3.3.4.2 Аппараты с механическими перемешивающими
устройствами
Аппараты с механическими перемешивающими устройствами
применяются в микробиологических производствах для проведения
различных химических реакций (например, нейтрализация, подкисление), для интенсификации массо- и теплообмена, а также для получения суспензий, эмульсий и смесей твердых веществ. Это смесители для
приготовления растворов компонентов питательных сред, сборники
культуральной жидкости, емкости для смешивания жидкостей со стабилизаторами или защитными средствами – реакторы и т. д.
При работе смесителей в периодическом режиме необходимо
обеспечить высокий коэффициент полезного действия. Он определяется по формуле:
т 
где
р
р

ц  р в
,
(3.22)
 р – продолжительность основного процесса;
в
– продолжительность вспомогательных операций (заполнение,
опорожнение, разогрев, охлаждение, промывка, продувка аппарата и
так далее);
 ц – общая продолжительность технологического цикла;
ц   р в .
Коэффициент полезного действия должен быть равен 0,7…0,8.
Максимальное количество аппаратов периодического действия,
обслуживаемых одним аппаратчиком, определяется из условия:
п   ц /  в  1 /(1   т ) .
Условная часовая производительность установки (м3) рассчитывается по формуле:
Vч  Vсут /  ,
(3.23)
где Vсут – суточная производительность установки, м ;
3
112
 – среднее время работы установки в сутки с учетом текущего
ремонта и обслуживания, ч ; для аппаратов с перемешивающими
устройствами при трехсменной работе равен 19…20 ч .
По заданным величинам часовой производительности длительности цикла, количеству аппаратов и коэффициенту заполнения можно
определить номинальный объем аппарата:
Vн  Vч ц / п ,
(3.24)
где
 – коэффициент заполнения.
При работе смесителей в непрерывном режиме номинальный
объем определяется по формуле:
Vн  V / т ср ,
(3.25)
где
V – производительность установки, м 3 / ч ;
т – число параллельных потоков;
 ср – средняя продолжительность пребывания среды в аппарате, ч .
Вертикальные цилиндрические стальные аппараты без покрытий,
с полимерными и другими покрытиями, футерованные, а также аппараты из цветных металлов и сплавов объемами от 0,01 до 100 м3 и
внутренним диаметром от 250 до 5000 мм с механическими перемешивающими устройствами регламентированы ГОСТ 20680-75. Эти аппараты предназначены для проведения различных физико-химических
процессов в жидких средах с динамической вязкостью не более
500 Па·с и плотностью до 2000 кг/м3, давление в аппаратах не ниже
0,67 Па и не выше 6,4 МПа. Выпускаются аппараты десяти типов: 0; 1;
2; 3; 4; 5; 6; 7; 8 и 9 (рисунок 48). Высота цилиндрической части корпуса выбирается из унифицированного ряда.
Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: рабочего элемента – мешалки; вертикального, горизонтального или наклонного вала, на котором закреплена мешалка
и электропривод, осуществляющий движение вала с мешалкой.
В зависимости от частоты вращения мешалки могут быть быстроходные (частота вращения до 40 с-1) и тихоходные (частота вращения не
более 1 с-1). К тихоходным относятся лопастные, рамные, якорные мешалки, к быстроходным – турбинные и винтовые. Мешалки
располагаются вертикально по оси аппарата, на одном валу могут
устанавливаться несколько ярусов мешалок.
Типы и размеры механических перемешивающих устройств для
вертикальных аппаратов вместимостью от 0,01 до 100 м3 определены в
ГОСТ 20680-75 (таблица 3.10).
113
Рисунок 48 – Схемы аппаратов с перемешивающими устройствами
Таблица 3.10 – Стандартные перемешивающие устройства
Тип мешалки
Схема
Диаметр, d , мм
м
1
Лопастная
2
3
80, 100, 125, 160,
180, 200, 220, 250,
280, 320, 360, 400,
450, 500, 630, 710,
800, 900, 100,
1120, 1250, 1400,
2240, 2500, 2800,
3150, 3550
80, 100, 125, 160,
180, 200, 220, 250,
280, 320, 360, 400,
450, 500, 560, 630,
710, 800, 900,
1000, 1120, 1250,
1400, 1600, 1800,
2000, 2240, 2500
Трехлопастная
(угол наклона
лопасти 24º)
Шестилопастная
(угол наклона
лопасти 45º)
114
D / dм
4
1,4…4,0
2,0…6,0
Продолжение таблицы 3.10
1
2
Клетьевая
Турбинная
открытая
Турбинная
закрытая
Винтовая
115
3
4
80, 100, 125, 160,
180, 200, 220, 250,
280, 320, 360, 400,
450, 500, 560, 630,
710, 800, 900,
1000, 1120, 1250,
1400, 1600, 1800,
2000, 2240, 2500
2,0…6,0
Продолжение таблицы 3.10
1
2
Шнековая
Якорная
3
80, 100, 125, 160,
180, 200, 220, 250,
280, 320, 360, 400,
450, 500, 560, 630,
710, 800, 900, 1000,
1120, 1250, 1400,
1600, 1800, 2000,
2240, 2500, 2800
200, 220, 250, 280,
300, 320, 350, 400,
450, 500, 530, 560,
600, 630, 710, 750,
800, 850, 900, 950,
1000, 1060, 1120,
1180, 1250, 1320,
1400, 1500, 1600,
1700, 1800, 1900,
2000, 2120, 2240,
2360, 2500, 2650,
2800, 3000, 3150,
3350, 3550, 3750,
4000, 4250, 4500,
4750
4
1,8…5,0
1,05…1,3
Рамная
Ленточная
200, 300, 360, 450,
560, 630, 750, 850,
950, 1120, 1320,
1500, 1700, 1900,
2120, 2240, 2500,
2650, 2800, 3000,
3150, 3350, 3550,
3750, 4000, 4250,
4500, 4750
116
1,04…1,3
Продолжение таблицы 3.10
1
2
Ленточная со
скребками
3
560, 630, 750, 850,
950, 1120 1320,
1500, 1700, 1900,
2120, 2240, 2500,
2650, 2800, 3000,
3150, 3350
4
1,04…1,1
Мощность (кВт), потребляемая мешалкой:
N  k N n3d м5 ,
где
(3.26)
k N – критерий мощности, который зависит от характера движения
среды и типа перемешивающего устройства;
 – плотность жидкости, кг / м 3 ;
п – частота вращения мешалки, с 1 ;
d м – диаметр мешалки, м .
Критерий мощности k N определяют по графику зависимости от
значения критерия Рейнольдса и конструкции мешалки.
Критерий Рейнольдса:
Re ц 
nd м2

,
(3.27)
 – коэффициент динамической вязкости перемешиваемой жидкости, Па с .
где
Мощность электропривода мешалки рекомендуется рассчитывать
по формуле:
N э  (kп kн  ki N  N упл ) / ,
где
(3.28)
kп – коэффициент, учитывающий наличие перегородок ( для аппа-
ратов с перегородками равен 1, для аппаратов без перегородок – 1,25);
117
kн  ( Н ж / D) 0,5 – коэффициент наполнения (уровня жидкости)
аппарата;
Н ж – высота столба жидкости, м ;
D – диаметр аппарата, м ;
ki – коэффициент, учитывающий наличие в сосуде внутренних
устройств: при наличии гильзы термопары, трубы передавливания или
уровнемера, равен 1,1…1,2; при наличии змеевика, размещенного
вдоль стенки сосуда, – 2;
N упл – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях вала перемешивающего устройства, Вт ;
 – КПД привода мешалки (равен 0,85…0,95).
N упл зависит от вида уплотнения вала перемешивающего устройства. При манжетном уплотнении:
N упл  0,95 рf трdв2п ,
где р – избыточное давление в аппарате, Па ;
f тр – коэффициент трения (равен 0,08 – 0,12);
(3.29)
d в – диаметр вала мешалки, м ;
п – частота вращения мешалки, с 1 .
При сальниковом уплотнении с мягкой набивкой:
N упл  4dв2п н exp( 0,2hн /  н1 ) f тр ,
где
н
и
(3.30)
hн – толщина и высота сальниковой набивки, м ;
 н  d в0,5 ;
hн =(4 – 10)  н .
(3.31)
(3.32)
При торцовых уплотнениях:
N упл  6020dв1,3 .
(3.33)
Ориентировочно диаметр вала можно вычислить:
d в  сd м ,
(3.34)
где с – коэффициент, зависящий от типа мешалки, для турбинной мешалки равен 0,117; для трехлопастной – 0,166; для якорной – 0,05.
Для стандартных аппаратов с мешалками можно использовать
электроприводы, указанные в таблице 3.11.
118
Таблица 3.11 – Характеристика электроприводов, применяемых
в стандартных аппаратах
Номинальный
Угловая скорость
Мощность электрообъем аппарата,
вращения выходного
двигателя, кВт
рад / с
вала,
м3
0,010
0,016
0,25…0,75
2,62…143
0,025
0,040
0,75…1,5
0,063
2,09
0,10
0,75…3,0
0,16
0,75…5,5
0,25
0,75…7,5
1,68…143
0,40
0,75…11
1,68…105
0,63
1,00
1,5…15
1,25
1,31…78,5
1,60
1,5…18,5
2,0
1,5…22
2,5
1,05…78,5
3,2
1,5…30
4,0
5,0
1,5…37
6,3
1,5…45
8,0
0,84…52,4
10,0
1,5…55
12,5
16
3,0…55
20
3,0…75
0,66…52,4
25
3,0…90
32
0,52…41,8
3,5…90
40
50
7,5…110
0,52…33,5
63
7,5…132
0,52…26,2
80
11…132
0,52…20,9
100
119
3.3.5 Центрифуги
Центрифугирование – процесс разделения жидких неоднородных
систем в поле действия центробежных сил. В микробиологической
промышленности центрифуги широко используют для разделения суспензий на жидкость и твердые фазы, содержащие микроорганизмы,
ферменты, аминокислоты и другие продукты биосинтеза кристаллической и аморфной структур.
В зависимости от свойств дисперсных систем центрифугирование
осуществляют методами центробежного фильтрования и осаждения.
В соответствии с методами разделения центрифуги подразделяют на
фильтрующие и отстойные.
Эффективность работы центрифуг характеризуется в основном
фактором разделения, который показывает, во сколько раз центробежное ускорение, развиваемое в центрифуге, больше ускорения свободного падения.
По принципу разделения различают центрифуги: осадительные
(О), фильтрующие (Ф), комбинированные (К) и разделяющие сепараторы (Р). По конструктивному признаку – горизонтальные (Г), вертикальные (В), подвесные с верхним приводом (П) и маятниковые (М);
по способу выгрузки осадка – ручная через борт (Б), ручная через
днище (Д), саморазгружающаяся – гравитационная (С), ножевая (Н),
шнековая (Ш) и вибрационная (В). Цифры, следующие за буквенным
обозначением, характеризуют диаметр барабана и конструктивную
модификацию центрифуги.
Тип промышленной центрифуги, если ее аналог, работающий в
промышленности на том же продукте, неизвестен, выбирают на основе
анализа технологических требований, предъявляемых к процессу разделения свойств суспензии и осадка, мощности производства. В основу
такого анализа положен опыт промышленной эксплуатации центрифуг.
В результате анализа по факторам определяют группу типов и
размеров центрифуг для обработки данного продукта (таблица 3.13).
Наиболее совершенными по конструкции считают центрифуги со шнековой выгрузкой осадка, затем – с поршневой, далее – саморазгружающиеся, с ножевой и с ручной выгрузкой осадка. Основные характеристики базовых моделей центрифуг непрерывного и периодического
действия приведены в таблицах 3.12, 3.13, 3.14 и 3.15.
120
10
10…40
30
не регламентируется
15…50
15…50
20…50
150
+
+
+-
нерастворимая
5
+
-
плохая
50
200
50
Растворимость твердой фазы
хорошая
2…50
10
2…50
тексотропный
ρ, кг/м3
1
5
1
уплотняющийся, мажущийся
Скорость осаждения,
мм/с
5…30
1…40
5…30
зернистый, рыхлый
Минимальный размер частиц, мкм
ОМД
ОГШ1
ОГН
ФМБ2
ФМД
ФПД
ФМН
ФГН
ФГШ
ФВШ
ФГП
Концентрация суспензии,
%
Таблица 3.12 – Влияние свойств суспензии и осадка на выбор типа центрифуги
Тип
Осадок
центрифуги
+
+
+
+
спец.
+
-
спец.
+
119
Таблица 3.13 – Выбор типоразмера центрифуги по производительности
Производительность
Индекс центрифуги, рекомендуемой
по
по
к применению
суспензии,
осадку,
м3 / ч
т/ ч
1…5
0,15…0,5
5…15
0,5…3,0
15…25
3…6
25
6
ОМД-80, ОГШ-35, ФГН-63, ФГН-90,
ФМД-80, ФМБ-120, ФМД-120, ФПН-100,
ФПД-120
ОГШ-35, ОГШ-50, ОГН-180, ФГН-90,
ОГН-90, ФГН-125, ФВШ-35, ½ ФГП-40,
½ ФГП-63
ОГШ-5, 20ГН-220, ФГШ-35, ФГШ-40,
ФГН-180, ½ ФГП-80
ОГШ-63, ОГШ-80, ФГН-200, ½ ФГП-120
ОГШ-35
ОГШ-50
ОГШ-80
ОГШ-32
ОГШ-80
L/ d
Максимальная
частота враще-
ОГШ-63
Диаметр барабана, мм
ОГШ-35
Параметр
ОГШ-20
Таблица 3.14 – Характеристика базовых моделей центрифуг типа ОГШ
200
3
350
2,86
630
3,76
350
1,8
500
1,8
800
2
320
1,66
800
1,63
100
70,8
43,3
66,6
44,7
27,5
58,3
27,5
1
ния ротора, c
Фактор разделения
Расчетная производительность по твердой фазе
(осадку), кг/ч
4000 3540 2400 3140 2000 1200 2200 1220
100
500
3000 1000 2000 5000
120
500
5000
Параметр
600
350 1200
630
800
1200
ФМД-120,
ОМД-120
1000
ФПН-100
1200 630
ФПД-120
900 1250
ФГН-90,
ОГН-90
ФГН-125
1800
ФГН-180,
ОГН-180
2000 2200
ФГН-200
Рабочая вместимость барабана, м3
Предельная нагрузка, кг
Максимальная частота
вращения барабана, с-1
Фактор разделения
Площадь поверхности
фильтрования, м2
25
90
770
23,7 20,8
100
180
800
0,7
1,0
700
0,66
375
0,25
500
24
450
0,3
750
16,3 39,8
450
0,3
600
140
400
620 2000 1130 716
40
1180
2,26 0,59 1,12 2,35
16,7
605
2,36
25
0,04 0,125 0,32
15,8
300 4000 600
ФГН-63,
ОГН-63
1,9
0,85
750
1,25 2,75
910 1740
10
1600 3500
10
400
445
520
5,72 12,0
12
1000
2ФГН-220
4,24
121
Таблица 3.15 – Характеристика базовых моделей центрифуг маятниковых, подвесных и типов ФГН и ОГН
Внутренний диаметр, мм
350
ФМД-80,
ОМД-80
Длина барабана, мм
ФМБ-63
0,045 0,045 0,08
ФМБ-60,
ОФБ-60
3.3.5.1 Фильтрующие центрифуги
Средняя производительность центрифуги периодического действия по суспензии:
Vс.ср 
Vс
ц
Кц 
V р
х1 ц
Кп ,
(3.35)
где Vс.ср – средний объем суспензии, отфильтрованной за 1 цикл, м ;
3
ц
– продолжительность полного цикла обработки суспензии цен-
трифуги,
с;
V p – рабочий объем барабана центрифуги, м3 ;
x1 – отношение объема образовавшегося осадка к объему отфильтрованной суспензии, определяемое экспериментально;
 – коэффициент заполнения барабана центрифуги осадком;
К п – коэффициент, учитывающий возрастание сопротивления
фильтрующей перегородки при многократном ее использовании;
К п  0,8 .
Для малосжимаемых осадков   0 , 7...0 ,8 ; для сильносжимаемых – устанавливают экспериментально.
Рабочий объем барабана:
Vp 

4
( Dв2  Dб2 ) L ,
где Dв – внутренний диаметр барабана центрифуги,
(3.36)
м;
Dб – диаметр борта барабана, м ;
L – длина барабана, м .
Продолжительность полного цикла работы фильтрующей центрифуги периодического действия определяют как сумму:
 ц   ф   пр   с   в ,
(3.37)
где
 ф – продолжительность фильтрования, которая включает загрузку
и фильтрование слоя жидкости, оставшегося над осадком после прекращения подачи суспензии, с ;
122
 пр ,  с и  в
– продолжительность промывки, сушки осадка и
вспомогательных операций (разгон, торможение, выгрузка осадка, регенерация фильтрующей поверхности) соответственно, с ,
с
 определяют экспериментально.
Продолжительность вспомогательных операций можно ориентировочно принять по данным каталогов. Например, для центрифуг типа
ФГН можно принять  в = 60…120 с (без учета времени на регенерацию); для центрифуг ФПД-120 и ФПН-100 – 200…300 с. Минимальная
длительность полного цикла  ц min = 600 с; для ФПС-120 
 в = 125…200 с, а  ц min = 230 с.
Для центрифуг типа ФМ продолжительность разгона и торможения можно принять 200…300 с, а выгрузки осадка – 300…900 с. Допустимое число рабочих циклов – не более четырех за 1 ч.
Для сжимаемых осадков продолжительность фильтрования и
промывки определяют экспериментально на модельной центрифуге
при тех же значениях фактора разделения, высоты осадка hос и при
одном режиме фильтрования, что и на промышленной центрифуге.
Наибольшее распространение в промышленности получил режим
фильтрования при постоянном расходе суспензии Vc во время загрузки. Расход суспензии
Vс.п (м3/с) в период загрузки промышленной
центрифуги, работающей при постоянном
Vc , определяют из соотно-
шения:
Vс.п  Vс. м Fф.п / Fф. м ,
где
(3.38)
Vс.п – расход суспензии при загрузке модельной центрифуги,
м3 / с ;
Fф.п и Fф. м – соответственно площади фильтрования промышленной и модельной центрифуг, м ;
Объем суспензии, отфильтрованной за цикл:
Vс  Vс.п ф. м ,
2
где
ге,
 ф. м
с.
(3.39)
– продолжительность фильтрования на модельной центрифу-
123
Если высота слоя осадка
личается от
hос.п в промышленной центрифуге от-
hос. м на модельной центрифуге, то:
h
 ф.п   ф. м ос.п k1 ,
hос. м
(3.40)
где
k1 – коэффициент масштабного перехода, значение которого зависит от степени сжимаемости осадка, k1  1,5  2,0 .
Высоту слоя осадка в промышленной центрифуге (в мм) можно
рассчитать по формуле:
hос.пV р / Fф.п  V р /(Dв L) .
(3.41)
Продолжительность промывки и просушки осадка на промышленной центрифуге определяют из зависимостей соответственно:
 пр.п   пр. м
hос.п
k2 ,
hос. м
 с . п   с . м k3 ,
где
(3.42)
(3.43)
k2 и k3 – коэффициенты масштабного перехода, k2  1,0...1,5 ,
k3  1,0...1,4 .
Количество суспензии, подаваемой в промышленную центрифугу:
Vс.п  V р /( х ф.п ) .
(3.44)
Для малосжимаемого осадка производительность центрифуг с
ручной выгрузкой осадка можно определить с помощью константы
фильтрования, установленной на пробирочной центрифуге, при том же
факторе разделения, что и в промышленной центрифуге.
При режиме фильтрования Vs  const и оптимальном расходе
суспензии, когда слой жидкости над осадком в конце периода загрузки
минимален, скорость фильтрования можно считать постоянной, а продолжительность фильтрования  ф равной продолжительности загрузки
з .
В этом случае дифференциальное уравнение фильтрования в
центробежном поле принимает вид:
vф
ф
 Vф 
рц Fф
 (ro hос  rф.п )
124

рц Fф
,
voc
 (ro
 rф.п )
Fф
(3.45)
где vф – объем полученного фильтрата, м ;
3
Vф – производительность центрифуги по фильтрату, м 3 / с ;
рц – центробежное давление при фильтровании, Па ;
Fф – площадь поверхности фильтрования, м 2 ;
 – динамическая вязкость фильтрата, Па с ;
rо – удельное объемное сопротивление осадка, м 2 ;
rф.п – сопротивление фильтрующей перегородки, м 1 ;
vос – объем осадка в барабане центрифуги, м3 .
Центробежное давление фильтрования при оптимальном режиме:
рц 
где
 ж 2 Dэ
2 Fф
,
(3.46)
 ж – плотность жидкой фазы суспензии, кг / м3 ;
 – угловая скорость вращения барабана центрифуги, рад / с .
Тогда уравнение фильтрования принимает вид:
Vф 
 ж 2 DвVрFф
.
2 (roVp  rф.п Fф )
(3.47)
Количество суспензии, подаваемой в центрифугу, можно рассчитать по формуле:
Vc  Vф (1  х1 ) .
(3.48)
С учетом предыдущей формулы:
ж 2 DвVр Fф
.
Vс 
2 ((roVp (1  x1 )  rф.п Fф (1  x1 ))
(3.49)
Продолжительность фильтрования:
ф 
2rф.п 
ж 2 Dв

 ж 2 DвVpFф  2rф.п FфVc
2ro x1VфVс
.
(3.50)
Продолжительность промывки осадка:
 пр 
2vпр. усV рт (1   ос ) пр rо
 ж 2 Dв Fф
125
,
(3.51)
где vпр. ус – удельный объем промывной жидкости на 1 кг твердой фазы, м / кг ;
3
 пр
 ос
Па с ;
– вязкость промывной жидкости,
– порозность осадка.
Средняя производительность центрифуги за один производственный цикл по суспензии:
Vс.ср  Vc ф /  ц .
(3.51)
Расчет фильтрующей центрифуги непрерывного действия на заданную производительность по суспензии сводится к определению
требуемой площади поверхности фильтрования, выбору по найденной
площади поверхности серийно выпускаемой центрифуги и проверке ее
пропускной способности по осадку.
Производительность по осадку (кг/с) фильтрующей промышленной центрифуги со шнековой выгрузкой:
Gт.п  Gт. м Dв3.п / Dв3. м ,
где
(3.52)
Gт. м – производительность по осадку модельной машины, кг / с ;
Dв .п и Dв . м – соответственно внутренние диаметры барабанов у
промышленной и модельной машин.
Производительность по осадку центрифуги с пульсирующей выгрузкой:
(3.53)
Gт  Dв.1hос.1т (1   ос )птl .
где
Dв.1 – внутренний диаметр барабана первого каскада, м ;
 – коэффициент прессуемости осадка (для кристаллических ма-
териалов равен 0,5…0,7);
hос.1 – высота слоя осадка на барабане первого каскада,
т
 ос
м;
– плотность твердой фазы, кг / м ;
3
– порозность осадка;
пт – число двойных ходов толкателя, с 1 ;
l – длина хода толкателя, м .
Для центрифуг общего назначения lmax  ( 0,08...0,01 )L1 , а
число двойных ходов толкателя пт  0,4 и 0,75 .
126
3.3.5.2 Отстойные центрифуги
При расчете отстойных центрифуг наиболее часто встречаются
две задачи. Первая заключается в определении для уже выбранного
типоразмера центрифуги производительности (расхода) по суспензии
Vc , обеспечивающей заданную крупность разделения  к . Вторая состоит в определении для выбранного типоразмера центрифуги ее производительности по суспензии, обеспечивающей определенное значение относительного уноса твердой фазы не более заданного х ун .
В первом случае расход суспензии (м3/с) отстойной центрифуги
рассчитывают по уравнению:
Vс  Dср lо Frcp э ,
(3.54)
где Dср – средний диаметр сечения потока жидкости в барабане центрифуги, м ;
l – длина пути осаждения,
м;
Frcp – фактор разделения, рассчитанный по среднему диаметру;
э
– коэффициент эффективности разделения. Для центрифуг пе-
э  0,35...0, 40 ; для центрифуг непрерывного действия типа ОГШ э  0, 2...0, 25 ;
о – скорость свободного гравитационного осаждения твердых
частиц с размером, равным заданной крупности разделения  к .
риодического действия
Средний диаметр потока жидкости в барабане центрифуги:
Dср  ( Dв  Dб ) / 2 ,
(3.55)
где
Dв – внутренний диаметр барабана центрифуги, м ;
Dб – диаметр отверстия для слива жидкости, м .
Для центрифуг типа ОГШ, имеющих цилиндроконический барабан, длину пути осаждения принимают равной длине цилиндрической
части барабана ( l  Lц ); для центрифуг типа ОМ, ОП, ОГ — длине
барабана ( l
 L ).
127
Фактор разделения, соответствующий среднему диаметру:
Frcp 
где
 2 Dср
2g

2 2 n 2 Dср
g
,
(3.56)
n – частота вращения ротора центрифуги, c 1 .
Критерий Архимеда при заданной крупности разделения:
Ar 
где
 к3 ( т  ж ) ж g ,

(3.57)
 к – размер частицы, равный заданной крупности разделения, м ;
 т и  ж – соответственно плотность твердой и жидкой фаз,
кг / м 3 ;
 – вязкость жидкости, Па с .
о
Скорость осаждения
рассчитывают из формулы для опреде-
ления критерия Лященко:
Ly 
o3  ж3
 ( т   ж ) g
.
(3.58)
Для практических расчетов при значении Аr<30 скорость осаждения может быть вычислена по формуле Стокса:
o 
 к2 ( т   ж ) g .
18
(3.59)
Заключительным этапом расчета центрифуг типа ОГШ является
проверка пропускной способности по осадку. Максимальная пропускная способность по твердой фазе Gт. max приводится в технической
характеристике центрифуги.
Производительность осадительной центрифуги по твердой фазе:
Gт  Vс с хм ,
(3.60)
где
Vс – расчетная производительность центрифуги по суспензии, м 3 / с ;
с
– плотность суспензии, кг / м ;
3
х м – массовая концентрация твердой фазы.
Плотность суспензии:
с 
т ж
.
 т  хм (  т   ж )
128
(3.61)
Рабочая производительность по твердой фазе Gт. р в зависимости
от плотности:
Gт.р   0,5...0,8 Gт.max .
(3.62)
Если Gт  Gт. р , то производительность центрифуги по суспензии определяют исходя из рабочей производительности по осадку:
Vс  Gт. р /(  с хм ) .
(3.63)
Коэффициент заполнения барабана при расчете средней производительности отстойной центрифуги периодического действия по суспензии осадком для осадительных центрифуг принимают
  0,5...0,6 .
Продолжительность полного цикла разделения суспензии в отстойной центрифуге периодического действия:
 ц   з   от   в ,
(3.64)
 з – продолжительность подачи суспензии в центрифугу, с ;
 от – продолжительность отсоса жидкости, оставшейся над осадком, с ;
 в – продолжительность вспомогательных операций, с .
Ориентировочно значения  от и  в могут быть взяты из каталога. Например, для центрифуг типа ОГН  от  60...120 с,
 в  120...140 с. Продолжительность подачи суспензии:
 з  V р /(Vc x1 ) .
(3.65)
где
Если производительность центрифуги определять по заданному
значению относительного уноса твердой фазы, задача решается методом моделирования по результатам разделения суспензии на модельном аппарате. По данным опытов, полученным на модельной центрифуге, при значении фактора разделения, как у промышленной
центрифуги, находят зависимость относительного уноса твердой фазы
х ун от степени осветления:
Bм 
где
Vс. м
,
Dв.пl м Fr
Vс. м – расход суспензии в модельной машине, м/ с ;
129
(3.66)
Fr – фактор разделения, рассчитанный по внутреннему диаметру
барабана;
l м – длина пути осаждения, м .
По зависимости х ун  f ( Bм ) находят значение степени осветления
B м , обеспечивающее заданное значение х ун .
Производительность промышленной центрифуги по подаваемой
суспензии:
(3.67)
Vс.п  Dв.пlп Fr Bм .
3.3.6 Оборудование для сушки микробных суспензий
Сушка продуктов микробного синтеза – сложный технологический процесс. Сушке подвергается широкий класс продуктов, различающихся по физико-химическим и биологическим свойствам.
Все продукты микробиологического синтеза можно классифицировать на две большие группы: продукты, которые после сушки не
требуют сохранения жизнеспособности микроорганизмов или высокой
активности препарата (кормовые дрожжи, некоторые ферментные препараты, аминокислоты); продукты, требующие сохранения жизнеспособности или высокой активности (ферменты, антибиотики, средства
защиты растений, хлебопекарные дрожжи и т. д.). Для продуктов первой группы можно рекомендовать сравнительно жесткие режимы сушки в распылительных сушилках и аппаратах с кипящим слоем. Для
второй группы продуктов, которые требуют более мягких условий
сушки, используются вакуумные, сублимационные сушилки, а в некоторых случаях – распылительные.
Обычно эффективность сушильной установки оценивают по двум
показателям: удельному влагосъему и затратам теплоты 1 кг испаренной влаги. Однако для обоснованного выбора сушильного оборудования этих показателей недостаточно, и для окончательного принятия
решения следует учитывать технологические, теплотехнические и экономические показатели процесса.
Выбор способа сушки и типа аппарата в значительной мере зависит от масштабов производства. Так, технико-экономический расчет
показывает, что малотоннажные производства, выпускающие до
3500 кг исходного продукта в час, целесообразно укомплектовывать
серийными аппаратами и установками, а крупные производства, как
правило, требуют индивидуальных разработок с учетом особенностей
продукта и производства.
130
3.3.6.1 Сушка методом распыления
Распылительные сушилки нашли широкое применение в
микробиологической промышленности. В зависимости от способа взаимодействия сушильного агента с продуктом сушилки бывают прямоточные, противоточные и смешанного типа. Прямоточные распылительные сушилки обладают рядом преимуществ. При достаточной
простоте конструкции в них можно сушить самые разнообразные материалы, в том числе термолабильные продукты микробного синтеза.
При прямоточной сушке устраняется опасность перегревания частиц
порошка благодаря их быстрому движению вдоль сушилки, незначительной длительности пребывания в зоне высоких температур, а также
интенсивному охлаждению вследствие испарения влаги в период постоянной скорости сушки.
Существует два способа распыления исходного продукта в распылительной сушилке: пневматический и центробежный. В микробиологической промышленности наибольшее распространение получили
сушилки с центробежным механизмом распыления. Основные преимущества его – это возможность распыления грубых суспензий и вязких растворов, равномерность распыления, надежность в работе, возможность регулирования производительности без существенного
изменения дисперсности, небольшой расход электроэнергии.
Распылительная сушилка представляет собой цилиндрическую
камеру с коническим днищем. В верхней части камеры установлен
центробежный распылитель (для сушилок типа РЦ) или пневматические форсунки (для сушилок типа РФ). Камера оснащена взрывными
клапанами и дверью для обслуживания сушильной камеры. В качестве
теплоносителя используется воздух (установки типов ПВ, ЖВ и ЭВ)
или смесь топочных газов с воздухом (установки типов ЖТ и ГТ).
Условное обозначение установок: первая буква – источник тепловой энергии (П – пар, Ж – жидкое топливо, Э – электроэнергия); вторая
буква – сушильный агент (В – воздух, Т – топочные газы); цифра после
букв – температура теплоносителя на входе в сушилку (“3” – до 300 °С;
“5” – до 500; “6” – до 600 °С); цифры после тире – модель установки;
буквы после цифр модели установки – тип сушилки (РЦ –
распылительная с центробежным распылением; РФ – распылительная с
форсуночным распылением); следующие цифры – диаметр сушильной
камеры, м; цифры после тире – объем сушильной камеры, м3; буквы
после цифр – исполнение по взрывозащищенности (В – взрывозащищенная, Н – невзрывозащищенная); затем буква – группа материалов,
соприкасающихся с продуктом (К – коррозионно-стойкая сталь);
131
последние две цифры – модель сушилки (11 – с нижним газоподводом
и коническим днищем, 21 – с верхним газоподводом и коническим
днищем).
Источником тепловой энергии являются жидкое (газообразное)
топливо, пар, а для установок с камерами объемом 0,9 м3 – электроэнергия. В комплект оборудования распылительных сушильных установок входят сушилка с распылителями, оборудование для подготовки
теплоносителя, циклоны дли очистки отработавшего теплоносителя,
для подачи и выгрузки продукта, система управления, КИП и автоматика.
Сводные технические характеристики сушильных установок,
применяемых в микробиологической промышленности, приведены в
таблице 3.16.
Расчет и выбор распылительной сушилки. Распылительную
сушилку подбирают по расходу испаренной влаги W, который определяется из материального баланса сушилки:
 x 
W  Gн 1  н  ,
 xк 
(3.68)
Gн – массовый расход исходного влажного материала, кг / с ;
хн , хк – массовое содержание сухих веществ во влажном и высушенном продукте, кг / кг .
где
Вторым важным технологическим параметром является расход
сушильного агента. Его определяют из теплового баланса сушильной
камеры:
Qвоз  Qисп  Qпот  Qм ,
(3.69)
где
Qвоз – теплота, вносимая сушильным агентом, Дж/кг;
Qисп – теплота на испарение влаги, Дж/кг;
Qпот – потери теплоты в окружающую среду, Дж/кг;
Qм – теплота, выносимая высушенным материалом, Дж/кг.
Qвоз  L( I1  I 2 ) ,
(3.70)
где L – массовый расход воздуха, кг / с ;
I1 и I 2 – энтальпия воздуха на входе в сушильную камеру и на
выходе из нее, Дж / кг .
132
Таблица 3.16 – Технические характеристики распылительных сушильных установок
Условное обозначение
Производи- Расход
Габаритные
Количетельность по теплоноразмеры
ство цикиспаренной сителя, диаметр высота
лонов гавлаге, т/ч
т/ч
зоочистки*
Диаметр
Устаноциклона
вочная
выгрузки мощность
продукта, оборудомм
вания, кВт
Тип ЖТ
ЖТ5-01РЦ8-300ВК-11
ЖТ6-02РЦ8-300ВК-21
ЖТ5-01РЦ10-550ВК-11
ЖТ5-02РЦ10-550ВК-21
ЖТ5-01РЦ12,5-1100ВК-11
ЖТ5-01РЦ12,5-1500ВК-11
ЖТ6-02РЦ12,5-1500ВК-21
3,5…6
До 6
7…12
До 12
10…17
15…25
До 30
ПВ2-01РЦ8-300ВК-21
ЖВ3-01РЦ8-300ВК-11
ЖВ3-01РЦ8-400ВК-11
ЖВ3-01РЦ10-550ВК-11
ЖВ3-01РЦ12,5-1100ВК-11
ЖВ3-01РЦ12,5-1500ВК-11
1,2
3,5
3,76
7
10
15
*
54,5
10256
54,5
10256
109
12556
109
12556
157
14456
233
14456
233
14456
Тип ЖВ и ПВ
52
10256
47,5
10526
79
10206
95
12256
150
14500
200
14500
15660
15660
18175
18175
22370
25401
26700
4
4
8
8
12
16
16
700
700
1000
1000
1200
1400
1400
380
380
600
600
935
1260
1260
14320
15490
16315
17935
21640
24620
4
4
6
8
12
16
700
700
700
1000
1200
1400
235
412
518
655
932
1320
 в системе газоочистки применяют циклоны СКЦН-34 диаметром 1700 мм.
I1  свозt1в  d1 (r  cпt1в ) ;
I 2  свозt2в  d 2 (r  cпt2в ) ,
где своз – удельная теплоемкость воздуха, Дж /( кг  К ) ;
(3.71 а)
(3.71 б)
t1в , t 2 в – начальная и конечная температуры воздуха, К ;
r – теплота парообразования при 0 ºС, кДж / кг ;
d1 и d 2 – начальное и конечное влагосодержание воздуха, кг / кг .
(3.72)
Qисп  W (r  cnt2 )  Wcвtп ,
где cn – удельная теплоемкость воды при t н , Дж /( кг  К ) .
Qм  Gк cкtк  Gнcнtн ,
где
(3.73)
Gк – расход высушенного продукта, кг ;
cк – удельная теплоемкость высушенного продукта, Дж /( кг  К ) ;
t н , t к – начальная и конечная температуры продукта, К .
После совместного решения уравнений материального и теплового баланса расход сушильного агента определяют по формуле (в кг/с):
L
Qм  Qисп
.
своз (t1  t2 )  d1cп (t1  t2 )
(3.74)
С учетом потерь теплоты расход сушильного агента:
(Qм  Qисп )(1   )
,
(св оз  d1cп )(t1  t2 )
где  – доля потерь;   0,05  0,1 .
L
(3.75)
Удельный расход сушильного агента (в кг/кг):
l
L хн ск (tк  tн )
(
 r  cnt2  cвtн ) /( своз  d1cп )(t1  t2 ) . (3.76)
W
хк  хн
3.3.6.2 Сублимационная сушка
Сублимационная сушка представляет частный случай вакуумной
дистилляции методом испарения примесей (льда) из продукта. По
принципу работы сублимационные установки можно разделить на
установки периодического и непрерывного действия. Технологический
процесс сублимационной сушки состоит из большого числа этапов,
включающих подготовку материала, замораживание его, сушку
134
сублимацией, упаковку. Важная стадия процесса сублимационной
сушки – замораживание. Наиболее распространенными способами замораживания являются испарительное замораживание, контактное на
охлаждаемых полках, конвективное с помощью охлажденного газа,
комбинированное замораживание (контакт и вентиляция), кондуктивное замораживание путем погружения в охлаждающую ванну.
После замораживания продукта до заданной температуры начинается процесс сушки. Для поддержания заданной интенсивности удаления влаги необходимо, чтобы поток тепловой энергии в зону сублимации был постоянным. Для нагревания продукта используют в
основном электронагревательные устройства. Процесс сушки происходит в сублимационной камере. При проектировании сублимационной
камеры следует проводить расчеты поверхности теплообмена, вместимости камеры, потерь давления по трактам движения парогазовой
смеси.
До сих пор нет инженерной методики расчета формы и удельной
емкости сублимационных камер.
3.4 Генеральный план предприятия
Важной частью проекта промышленного предприятия любой отрасли является генеральный план. Он определяет положение предприятия на местности и расположение на промышленной площадке основных и вспомогательных цехов, складов, энергетических и
транспортных сооружений, всех подземных и наземных энергетических и транспортных коммуникаций. Основой технических решений
при разработке генерального плана промышленного предприятия являются технология основного производства, состав основных и вспомогательных цехов, их взаимная связь. Разработка генерального плана
представляет собой сложную проблему, требующую увязки комплекса
противоречивых требований и переработки большого объема информации. При его разработке решают следующие основные задачи:
 наиболее экономное использование территории, отведенной
под строительство предприятия;
 минимальное влияние производственных цехов на экологию
района, особенно селитебной зоны;
 удобство подхода внешних инженерных и транспортных коммуникаций к промышленной площадке;
 оптимальное взаимное расположение цехов основного производства по требованиям технологии;
135
 оптимальное расположение объектов энергообеспечения по
отношению к основным энергопотребителям с целью обеспечения минимальных энергопотерь в сетях;
 выявление возможностей блокировки зданий и сооружений;
 обеспечение возможности последующего расширения предприятия в целом, а также отдельных производств и объектов энергообеспечения;
 обеспечение возможности ввода объектов по очередям строительства (или пусковым комплексам).
3.4.1 Основные принципы проектирования генерального плана
Основными документами, регламентирующими проектирование
генеральных планов промышленных предприятий, являются
СНиП П-89 – 80 «Генеральные планы промышленных предприятий»,
СНиП П-46 – 75 «Промышленный транспорт» и СН-245 – 71 «Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий».
Схемы генерального плана промышленного предприятия разрабатывают на стадии подготовки исходных данных для выбора площадки
под строительство предприятия. В схеме генерального плана намечают
принципиальные решения по объемным и габаритным размерам производственных зданий и сооружений, размещение ввода железнодорожной ветки и основных транспортных коммуникаций, определяют
размеры площадки предприятия и ориентировочные показатели плотности застройки и др. На ситуационном плане намечают трассы внешних коммуникаций (линии электропередач, водовода, канализационного коллектора), основные дороги для сообщения предприятия с жилой
зоной и с магистральными дорогами района, а также места строительства водозаборных и очистных сооружений.
Утвержденный в установленном порядке акт выбора площадки
является основой для проведения инженерных изысканий на этой территории.
В основе компоновки генерального плана предприятия лежит
принцип разделения территории на четыре зоны: предзаводскую, производственную, подсобную и складскую.
К предзаводской зоне относится площадка у основного входа на
территорию предприятия, на которой следует предусматривать места
для остановок пассажирского автомобильного транспорта, стоянки
личных автомобилей. На предзаводскую зону обычно выходят фасадами здания заводоуправления с проходными, конструкторскими и учебными помещениями. Отдел кадров и службы снабжения предприятия
136
следует размещать так, чтобы они были доступны посетителям без
входа на территорию предприятия. Перед проходной, а также перед
входами в бытовые помещения, столовые площадки следует предусматривать из расчета 0,15 м2 на одного человека по наиболее многочисленной смене работающих.
Расстояние от проходной до рабочих мест не следует проектировать более 800 м, в северных районах – более 400 м. При большой территории предприятия целесообразно предусмотреть несколько проходных.
Расположение производственной, подсобной и складской зон на
территории площадки предприятия проектируют с учетом следующих
основных требований и принципов:
 размещение с наветренной стороны наиболее чистых по технологическим выбросам в атмосферу производств по отношению к
менее чистым производствам;
 размещение производственных зданий и помещений по технологическому потоку с кратчайшими технологическими, функциональными и транспортными связями;
 максимальное приближение объектов энергообеспечения к основным потребителям энергоресурсов;
 максимальная плотность застройки территории площадки.
Минимальная нормативная плотность застройки предприятий для
микробиологической промышленности 45%. Плотность застройки –
отношение площади под зданиями и сооружениями к площади всей
территории предприятия в границах ограждения;
 возможность последующего расширения объектов энергообеспечения при интенсификации производственных процессов без значительных капитальных вложений и без необходимости остановки производства;
 возможность строительства индустриальным и поточным методами, максимальная унификация высот зданий, этажей и пролетов.
Высотное расположение зданий и сооружений следует проектировать с учетом следующих требований:
 обеспечение минимального объема земляных работ, нулевого
баланса грунта по подсыпке и выемке;
 максимальное сохранение естественного рельефа, растительности и древесных насаждений;
 обеспечение самотечного сбора канализационных стоков к
станции перекачки и оборотной воды к резервуарам оборотного водоснабжения;
137
 обеспечение нормальных условий удаления ливневых и талых
вод с территории предприятия.
Ввод железной дороги на площадку предприятия предусматривается при суточной отправке или получении грузов на предприятии в
объеме 10 и более вагонов по 20 т. В каждом отдельном случае вопрос
о целесообразности устройства железнодорожного ввода должен
решаться путем проработки транспортной схемы поставки сырья и
топлива и отправки продукции потребителям. Крупные и средние
предприятия микробиологической промышленности имеют железнодорожный ввод. Наличие железной дороги, возможный способ ее ввода
на площадку от существующей железной дороги во многом предопределяют построение генерального плана.
К железнодорожной ветке примыкают склады сырья, готовой
продукции, жидкого сырья, металла, ремонтно-механический цех,
склады и площадки для хранения оборудования. На отдельной ветке
размещаются склады жидкого топлива со сливными эстакадами. Количество путей проектируется с учетом потребной протяженности погрузочно-разгрузочных фронтов, способов выгрузки и погрузки. Протяженность путей должна соответствовать расчетной длине группы
вагонов, подаваемых к грузовому фронту, с учетом расстояния передвижения вагонов в процессе грузовых операций. При необходимости
проектируется установка кранов для разгрузки металла, лесоматериалов, оборудования.
Производственную зону следует проектировать с таким расчетом,
чтобы участок приготовления питательных сред имел кратчайшие связи со складами сырья, а участок сушки и фасовки продукции примыкал
к складу готовой продукции. Воздушные компрессорные станции, воздухонагнетатели, холодильные станции следует размещать вблизи отделений ферментации.
Сооружения системы оборотного водоснабжения следует располагать в местах понижения рельефа площадки для обеспечения самотечного стока горячей воды к резервуарам. Необходимо учитывать тот
факт, что вблизи градирен образуется постоянное облако водяной пыли, которое разносится ветром на значительное расстояние и воздействует на соседние здания и сооружения. В зимний период это приводит к обледенению стен зданий, дорог, проводов. Расстояние от зданий
и сооружений до градирен должно быть не менее 21 м.
Пожарное депо следует размещать так, чтобы оно примыкало к
дорогам общего пользования. При этом выезд пожарных машин не
должен пересекаться с основными потоками транспорта и людей. Территория пожарного депо должна быть отгорожена от основной
138
территории предприятия. Количество пожарных машин, состав служб
и сооружений пожарного депо принимаются по заданию заказчика,
согласованному с местными органами пожарной охраны.
Транспортный цех (гараж) размещают на отгороженной от основной территории предприятия площадке, имеющей хорошее сообщение
с дорогами общего пользования. На территории гаража, как правило,
размещают автозаправочную станцию. Территория гаража должна
быть спланирована так, чтобы был хороший сток ливневых вод. На
площадке гаража обязательно располагают локальные очистные сооружения с отстойниками и бензомаслоуловителями.
Основные дороги на площадке предприятия не должны пересекать основные людские потоки. Дороги и проезды проектируют шириной не менее 3,5 м. Необходимо предусматривать соответствующие
расширения дорог и площадки для разъезда автомобилей, для осуществления погрузочно-разгрузочных операций у цехов.
Для пешеходов нужно предусмотреть дорожки и тротуары. Дороги проектируют с твердым покрытием.
Современные предприятия проектируют с закрытой системой
ливневой канализации, а для очистки ливневых стоков проектируются
очистные сооружения по техническим условиям, разработанным местными органами санитарного надзора.
Внутриплощадочные инженерные сети следует располагать вне
дорог.
Территория предприятия должна иметь ограждение по всему периметру высотой не более 2 м.
На предприятии должно быть не менее двух въездов, не считая
железнодорожного.
Резервная зона для расширения предприятия не должна включаться в ограду предприятий.
На рисунке 49 приведен в качестве примера генеральный план завода по производству антибиотиков и средств защиты растений.
В разработке генерального плана предприятия принимают участие специалисты всех общестроительных специальностей проектной
организации (архитекторы, строители, сантехники, электрики), а также
технологи, транспортники, специалисты по автоматизации и контролю
процессов. Используя предварительные проработки генерального плана, сделанные на стадии выбора площадки под строительство, схему
уточняют и детализируют на основе утвержденного задания на проектирование, материалов инженерных изысканий, технических условий
на строительство, полученных от местных энергетических, санитарных,
139
транспортных и других служб района строительства и от подрядной
организации.
Рисунок 49 – Схема генерального плана биохимического завода
1 – заводоуправление; 2 – столовые; 3 – центральная проходная;
4 – учебный центр; 5 – корпус ферментации СЗР № 1; 6  лаборатория
цеха ферментации; 7 – корпус готовой продукции антибиотиков;
8 – корпус ферментации антибиотиков; 9 – бытовой корпус производства СЗР № 1; 10 – корпус химочистки № 1; 11 – корпус приготовления
140
питательных сред и тарного хранения сырья; 12 – корпус химочистки
№ 2 с применением растворителей и их регенерацией; 13 – корпус
концентрирования готовой продукции производства СЗР; 14 – опытнонаработочный корпус; 15 – административно-бытовой корпус ЦЗЛ;
16 – бытовой корпус цеха питательных сред; 17 – ЦЗЛ; 18 – посевная
станция и музей культур; 19 – корпус КИПиА; 20 – корпус ОТК и
промышленно-санитарная лаборатория с виварием и инсектарием;
21 – бытовой корпус № 2 производства антибиотиков; 22 – корпус
ферментации СЗР №2; 23 – механическая мастерская; 25 – корпус
энергетических служб; 26 – холодильная и воздушная компрессорные
станции; 27 – градирни; 28 – теплица; 29 – экспериментальномеханический цех и РСУ; 30 – материальный склад; 31 – склад химикатов и масел; 32 – склад баллонов; 33 – насосная станция жидкого
сырья № 1; 34 – склад оборудования и приборов с навесом; 35 – склад
оборудования открытого хранения с козловым краном; 36 – зарядная
станция для электропогрузчиков; 37 – цех по обслуживанию и ремонту
спецавтотранспорта и строймашин; 38 – бытовой корпус производства
СЗР №2; 39 – тепловозовагонное депо на 1 вагон; 40 – главная понизительная подстанция; 41 – пожарное депо на 4 машины; 42 – насосная
станция 3-го подъема; 43 – насосная станция производственного водоснабжения; 44 – газораспределительный пункт; 45 – автозаправочная
станция; 46 – поликлиника; 47 – прачечная; 48 – котельная.
С учетом рельефа площадки определяют оптимальные габариты
зданий и сооружений, их положение в плане и по высотным отметкам
пола первых этажей, трассировку самотечных коммуникаций (канализации, системы оборотного водоснабжения, ливневой канализации),
разрабатывают вертикальные планировки площадки. Оптимальные
решения в целом по генеральному плану принимают в результате взаимодействия всех участников проектирования, сравнения различных
вариантов, согласования различных частей проекта.
Проект генерального плана обычно включает общую пояснительную записку, чертеж генерального плана, сводный план коммуникаций, вертикальную планировку с картограммой и балансом земляных
работ, чертежи дорог, план и конструкции ограждения предприятия.
В раздел генерального плана обычно входят также расчеты по
транспортным коммуникациям и принципиальные решения по транспортным и дорожным сооружениям (гаражи, депо, мосты, тоннели,
переходы и т. д.).
141
Осложняется поиск оптимального решения генерального плана на
площадке со значительным уклоном поверхности рельефа. В этом случае необходимо учитывать, что здания, имеющие большую длину, при
расположении их поперек склона создают протяженный барьер для
стока дождевых и талых вод, а их фундаменты пересекают естественный сток грунтовых вод. Из-за этого уровень грунтовых вод может
подняться, и воды выйдут на поверхность.
Для устранения этого приходится устраивать нагорные (перехватные) канавы, дренажные устройства, подпорные стены, усиливать гидроизоляцию подвалов и т. д.
При расположении здания вдоль склона возникает необходимость
устройства ступенчатого первого этажа в пониженной части рельефа и
некоторого углубления здания с другого конца.
142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изложенный материал позволяет сделать ряд выводов:
1. Создание проекта промышленного производства биотехнологической и бродильной промышленности является сложной комплексной задачей, требующей от инженера большого объема знаний в области как профилирующих, так и смежных дисциплин;
2. Поскольку при проектировании промышленного производства
технологам приходится производить массу инженерных расчетов,
необходимо освоение ими специализированных компьютерных программ по расчету как отдельных видов оборудования, так и в целом
технологических ниток.
3. Для снижения стоимости технологического проектирования и
стоимости промышленного строительства необходимо использование
компьютерных программ, позволяющих моделировать пространственное расположение технологического оборудования и трассы технологических трубопроводов.
4. Комплекс компьютерных программ также должен использоваться в части выбора оптимальных вариантов создания производства
относительно пожарной и экологической безопасности.
По существу представленная точка зрения является прогнозом
развития данной учебной дисциплины на самое ближайшее время.
143
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
АСУТП – автоматическая система управления технологическим
процессом.
Время срабатывания (время отключения) – промежуток времени от начала возможного поступления горючего вещества из трубопровода (перфорация, разрыв, изменение номинального давления и
т.п.) до полного прекращения поступления газа или жидкости в помещение.
Генеральный план – чертеж, намечающий принципиальные решения по объемным и габаритным размерам производственных зданий
и сооружений, размещение ввода железнодорожной ветки и основных
транспортных коммуникаций, определяющий размеры площадки
предприятия и ориентировочные показатели плотности застройки и др.
Горение – экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся по крайней мере одним из трех факторов: воспламенением, свечением, выделением дыма.
Комплексная система управления качеством продукции
(КСУКП) – это совокупность мероприятий, методов и средств,
направленных на установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции на всех стадиях ее производства.
МПК – микропроцессорный комплекс.
Питательные среды – среды различного состава, которые в качестве питательных веществ содержат сравнительно чистые компоненты, обеспечивающие рост и развитие микроорганизмов.
Пожар – неконтролируемое горение, приводящее к ущербу. Под
пожаром понимается всякое горение, которое происходит бесконтрольно со стороны человека и при этом приводит к ущербу.
Проект – совокупность информации, адекватно отображающей
предполагаемый объект, процесс и т. п.
Проектирование (от лат. projectus  выступающий вперед, выдающийся) в широком смысле означает процесс создания проекта.
Расчетная температура  максимально возможная температура
воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне
или максимально возможная температура воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации.
Температура вспышки – только для жидкостей – наименьшая
температура конденсированного вещества, при которой в условиях
144
специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает.
ЦЗЛ – центральная заводская лаборатория.
Шаг колонны – минимальное расстояние между колоннами, которое позволяет обеспечить надежность конструкции промышленного
здания.
145
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
P – избыточное давление взрыва, кПа;
Pmax – максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа ;
P0 − начальное давление, кПа;
т − масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной аварии в помещение, кг;
z − коэффициент участия горючего во взрыве;
Vсв − свободный объем помещения, м3 ;
 г.п
− плотность газа или пара при расчетной температуре t p ,
кг / м 3 ;
Сст – стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и
ГЖ, % (об.);
К н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения
и неадиабатичность процесса горения;
М – молярная масса, кг / кмоль ;
V0 – мольный объем, равный 22,413 м3 / кмоль ;
t p – расчетная температура, ° С;
 – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;
пс , пн , по , пх – число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле
горючего;
Н т – теплота сгорания, Дж / кг ;
в
– плотность воздуха до взрыва при начальной температуре
Т 0 , кг / м 3 ;
С р – теплоемкость воздуха, Дж /(кгК ) ;
Т 0 – начальная температура воздуха, К ;
А – кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, 1 / с ;
146
Т – продолжительность поступления горючих газов и паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в объем помещения, с ;
Va – объем газа, вышедшего из аппарата, м3 ;
Vт – объем газа, вышедшего из трубопроводов, м3 ;
Р1 – давление в аппарате, кПа ;
V – объем аппарата, м3 ;
V1т – объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м ;
3
V2 т – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м ;
q – расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диа3
метра, температуры газовой среды и т.д., м / с ;
Т – время отключения (время срабатывания),
3
с;
Р2 – максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа ;
r – внутренний радиус трубопроводов, м ;
L – длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м ;
т р – масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг ;
тем к – масса жидкости, испарившейся с поверхностей открытых
емкостей, кг ;
тсв.окр – масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав, кг ;
W – интенсивность испарения, кг /( с  м2 ) ;
Fи – площадь испарения, м 2 ;
 – коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения;
Рн – давление насыщенного пара при расчетной температуре
жидкости t p , кПа;
147
F – массовая доля частиц пыли размером менее критического, с
превышением которого аэровзвесь становится взрывобезопасной, т.е.
неспособной распространять пламя;
твз – расчетная масса взвихрившейся пыли, кг ;
тав – расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг ;
Квз – доля отложившейся в помещении пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации;
тп – масса отложившейся в помещении пыли к моменту аварии,
кг ;
тап – масса горючей пыли, выбрасываемой в помещение из аппарата, кг ;
q – производительность, с которой продолжается поступление
пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг / с ;
К п – коэффициент пыления, представляющий отношение массы
взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата в помещение;
К г – доля горючей пыли в общей массе отложений пыли;
т1 – масса пыли, оседающей на труднодоступных для уборки
поверхностях в помещении за период времени между генеральными
уборками, кг ;
т2 – масса пыли, оседающей на доступных для уборки поверхностях в помещении за период времени между текущими уборками, кг ;
К у – коэффициент эффективности пылеуборки;
М 1 – масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за j период
времени между генеральными пылеуборками, кг ;
М 1 j – масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования за указанный период, кг ;
М 2 – масса пыли, выделяющаяся в объем помещения за j период
времени между текущими пылеуборками, кг ;
148
М 2 j – масса пыли, выделяемая единицей пылящего оборудования за указанный период, кг ;
 – доля выделяющейся в объем помещения пыли, которая удаляется вытяжными вентиляционными системами;
1 ,  2 – доли выделяющейся в объем помещения пыли, оседающей соответственно на труднодоступных и доступных для уборки
поверхностях помещения;
G1 j , G2 j – интенсивность пылеотложений соответственно на
труднодоступных
F1 j ( м 2 ) и доступных F2 j ( м 2 ) площадях,
кг /( м2  с) ;
 1 ,  2 – промежутки времени соответственно между генеральными и текущими пылеуборками, с ;
Gi – количество i-го материала пожарной нагрузки, кг ;
Qнip – низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки, МДж / кг ;
S – площадь размещения пожарной нагрузки, м 2 ;
I пр – предельное расстояние, м;
Н – минимальное расстояние от поверхности пожарной нагрузки до нижнего пояса ферм перекрытия (покрытия), м ;
 – константа Генри, связанная с солевым составом среды и
температурой, Па;
рО2 – парциальное давление растворенного кислорода, Па;
К  постоянная, зависящая от размеров датчика;

 диэлектрический инкремент клеток микроорганизмов;
Fпол  полезная площадь склада, м 2 ;
т – число видов груза, находящегося в складе;
Li и Bi – соответственно длинна и ширина (по низу) одного
штабеля i-го груза, м ;
пшт i – количество штабелей i-го груза на складе;
 скл i
–
масса i-го груза, которую требуется поместить на складе, т ;
149
 шт i
i
– масса i-го груза, находящегося в одном штабеле,
т;
– количество сыпучего материала i-го вида на складе,
т;
ei – грузовместимость одного силоса или бункера для i-го вида
сыпучего груза, т ;
Vсил – объем силоса или бункера принятого типа, м3 ;
 – коэффициент заполнения силоса или бункера;
i
– объемная масса груза i-го сорта, т / м ;
3
В – ширина ленты, мм ;
v – скорость конвейера, м/ с ;
 – плотность насыпная, т / м3 ;
т – масса одного штучного груза, кг ;
l – расстояние между грузами на ленте, м ;
К1 – коэффициент, зависящий от ширины ленты;
L – длина конвейера по горизонтали, м ;
П – производительность конвейера, т/ ч ;
Н – высота груза, м ;
К 2 – коэффициент, зависящий от длины конвейера;
N т – мощность, необходимая для разгрузочной тележки, кВт ;
 – КПД привода;
Lгор и Н – длина конвейера по горизонтали и высота по вертикали, м ;
f – коэффициент трения насыпного груза о стенки желоба;
П – производительность конвейера, т/ ч ;
g – ускорение свободного падения, м / с 2 ;
n – частота вращения вала, мин 1 ;
 – удельная энергоемкость помещения, кВт  ч /( т  м) ;
 Lг – сумма горизонтальных участков, м ;
L
L
в
э.к
– сумма длин вертикальных участков,
м;
– сумма длин, эквивалентных коленам,
150
м;
L
' э.п
– сумма длин, эквивалентных переключателям трубо-
проводов, м ;
а – коэффициент, который зависит от крупности частиц груза;
К м – коэффициент, учитывающий свойства материала;
Lпр – приведенная длина трубопровода, м ;
Gв. м – массовый расход воздуха, кг / ч ;
Vж – объем загружаемой в сборник жидкости, м3 ;
 р – продолжительность основного процесса, ч ;
в
– продолжительность вспомогательных операций (заполнение,
опорожнение, разогрев, охлаждение, промывка, продувка аппарата и
так далее), ч ;
ц
– общая продолжительность технологического цикла,
ч;
Vсут – суточная производительность установки, м ;
3
 – среднее время работы установки в сутки с учетом текущего
ремонта и обслуживания, ч ;
 ср
– средняя
продолжительность пребывания среды в аппарате,
ч;
k N – критерий мощности, который зависит от характера движения среды и типа перемешивающего устройства;
d м – диаметр мешалки, м ;
 – коэффициент динамической вязкости перемешиваемой жидкости, Па с ;
Н ж – высота столба жидкости, м ;
N упл – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях вала перемешивающего устройства, Вт ;
f тр – коэффициент трения;
Vс.ср – средний объем суспензии, отфильтрованной за 1 цикл, м3 ;
ц
– продолжительность полного цикла обработки суспензии
центрифуги,
с;
V p – рабочий объем барабана центрифуги, м3 ;
151
x1 – отношение объема образовавшегося осадка к объему отфильтрованной суспензии, определяемое экспериментально;
 – коэффициент заполнения барабана центрифуги осадком;
К п – коэффициент, учитывающий возрастание сопротивления
фильтрующей перегородки при многократном ее использовании;
 ф – продолжительность фильтрования, которая включает загрузку и фильтрование слоя жидкости, оставшегося над осадком после
прекращения подачи суспензии, с ;
 пр ,  с ,  в
– продолжительность промывки, сушки осадка и
вспомогательных операций (разгон, торможение, выгрузка осадка, регенерация фильтрующей поверхности) соответственно, с ;
Vс.п – расход суспензии при загрузке модельной центрифуги,
м3 / с ;
Fф.п и Fф. м – соответственно площади фильтрования промышленной и модельной центрифуг, м ;
2
 ф. м
фуге, с ;
– продолжительность фильтрования на модельной центри-
vф – объем полученного фильтрата, м3 ;
Vф – производительность центрифуги по фильтрату, м 3 / с ;
рц – центробежное давление при фильтровании, Па ;
Fф – площадь поверхности фильтрования, м 2 ;
rо – удельное объемное сопротивление осадка, м 2 ;
rф.п – сопротивление фильтрующей перегородки, м 1 ;
vос – объем осадка в барабане центрифуги, м3 .

– угловая скорость вращения барабана центрифуги, рад / с ;
своз – удельная теплоемкость воздуха, Дж /( кг  К ) ;
cк – удельная теплоемкость высушенного продукта, Дж /( кг  К ) ;
152
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Нормы пожарной безопасности НПБ 105-95.
2. Правила устройства электроустановок / Министерство энергетики РФ. – 7-е изд. – М.: Издательство стандартов, 2002. – 280 с.
3. Основы проектирования предприятий микробиологической
промышленности / В.М. Кантере, М.С. Мосичев, М.И. Дорошенко [и
др.]: учеб. пособие для вузов. – М.: Агропромиздат, 1990. – 304 с.: ил.
4. Долин, П.А. Справочник по технике безопасности / П.А. Долин. – 6-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергоиздат, 1984. – 824 с.: ил.
Дополнительная
1. Тихомиров, В.Г. Технология пивоваренного и безалкогольного
производств: учебник для средних специальных учебных заведений /
В.Г. Тихомиров. – М.: Колос, 1999. – 448 с.: ил.
2. Колпакчи, А.П. Достижения в технологии солода и пива. Интенсификация производства и повышение качества. Достижения /
А.П. Колпакчи, О. Бендовой. – М.: Пищевая промышленность, 1980. –
352 с.: ил.
3. Ермолова, Г.А. Технология и оборудование производства пива
и безалкогольных напитков: учеб. для нач. проф. образования /
Г.А. Ермолова, Р.А. Колчева. – М.: ИРПО Изд. центр «Академия»,
2000. – 416 с.: ил.
4. Антипов, С.Т. Машины и аппараты пищевых производств:
В 2 кн.: учебник для вузов / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков
[и др.]; под ред. В.А. Панфилова. – М.: Высш. шк., 2001. – Кн. 1. – 703 с.:
ил.
5. Антипов С.Т. Машины и аппараты пищевых производств:
В 2 кн.: учебник для вузов / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков
[и др.]; под ред. В.А. Панфилова. – М.: Высш. шк., 2001. – Кн. 2.
– 680 с.: ил.
6. Калуянц, К.А. Дипломное проектирование заводов по производству пива и безалкогольных напитков: учебники и учеб. пособия
для студентов высш. учеб. заведений / К.А. Калуянц, Р.А. Колчева,
Л.А. Херсонова, А.И. Садова. – М.: Агропомиздат, 1987. – 272 с.: ил.
7. Голубятников, В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: учебн. для техникумов / В.А. Голубятников, В.В. Шувалов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия,
1985. – 352 с.: ил.
153
8. Ростроса, Н.К. Курсовое и дипломное проектирование предприятий молочной промышленности / Н.К. Ростроса, П.В. Мордвинцева.  2-е изд., перераб. и доп.  М.: Агропромиздат, 1989. – 303 с.: ил.
9. Справочник по охране труда, технике безопасности и производственной санитарии в пищевой промышленности. – М.: Пищевая
промышленность, 1973.
10. Собурь, С.В. Пожарная безопасность предприятия. Курс пожарно-технического минимума: справочник / С.В. Собурь. – 4-е изд.,
доп. (с изм.). – М.: Спецтехника, 2000. – 448 с.: ил.
11. Краткий справочник физико-химических величин. – 8-е изд.
перераб. / под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. – Л.: Химия,
1983. – 232 с.: ил.
12. Справочник химика.  3-е изд. перераб. и испр. / под ред.
Б.П. Никольского, О.Н. Грибова [и др.]. – Л.: Химия, 1971. – Т. 2. –
1168 с.: ил.
154
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………...
1 Определение категорий помещений и зданий по
взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии
с НПБ 105-95 ……………..………………………………………….
1.1 Общие положения…………………………………………
1.2 Категории помещений по взрывопожарной и пожарной
опасности………………………………………………………..
1.3 Методы расчета критериев взрывопожарной опасности
помещений. Выбор и обоснование расчетного варианта……
1.4 Категории зданий по взрывопожарной и пожарной
опасности………………………………………………………..
2 Промышленные здания……………………………………………
2.1 Разработка объемно-планировочного решения…………..
2.2 Разработка объемно-планировочных решений
по улучшению санитарных условий работы и по
проектированию системы очистки сточных вод………………
2.3 Проектирование водопровода и канализации.
Мероприятия по противокоррозионной защите конструкций.
Обеспечение производственного комфорта. Проектирование
административно-бытовых помещений………………………
2.4 Унифицированные параметры промышленных зданий…
2.5 Конструкции каркасов одно- и многоэтажных
промышленных зданий…………………………………………
2.6 Конструкции стен из кирпича, блоков и панелей…………
2.7 Покрытия и фонари……………………………………….....
2.8 Лестницы…………………………………………………….
2.9 Перегородки………………………………………………....
2.10 Окна, двери, ворота……………………………………….
2.11 Конструкции полов………………………………………
2.12 Фонари………………………………………………………
3 Основы проектирования предприятий микробиологической
промышленности……………………………………………………..
3.1 Структура микробиологического производства………….
3.2 Контроль качества продукции……………………………..
3.3 Расчет и выбор технологического оборудования…………
155
3
4
4
5
7
19
21
21
23
24
27
30
38
42
47
48
50
50
52
55
55
64
89
3.4 Генеральный план предприятия……………………………
Заключение……………………………………………………………
Термины и определения……………………………………………..
Условные обозначения……………………………………………….
Литература……………………………………………………………
Приложение А. Расчетное определение значения коэффициента z
участия горючих газов и паров ненагретых легковоспламеняющихся жидкостей во взрыве……………………...............................
Приложение Б. Окрашивание трубопроводов и баллонов для
транспортировки и хранения сжиженных газов на промышленных предприятиях………………………………………………….…
Приложение В. Перечень тем для написания рефератов…............
Приложение Г. Задание для выполнения практических работ……
Приложение Д. Примеры решения задач………………………….
156
135
143
144
146
153
157
161
176
177
181
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Расчетное определение значения коэффициента z участия
горючих газов и паров ненагретых легковоспламеняющихся
жидкостей во взрыве [1]
Материалы настоящего приложения применяются для случая
100т / (гп Vсв )  0,57СНКПР ,
где СНКПР – нижний концентрационный предел распространения пламени газа или пара, % (об.), и помещений в форме прямоугольного параллелепипеда с отношением длины к ширине не более 5.
1. Коэффициент z участия ГГ и паров ЛВЖ во взрыве при задан-
Q(C  C ) рассчитывается по формулам:
1
1
при Х НКПР  L и YНКПР  S :
2
2
3
5 10 
С


z
г.п  С0  НКПР  Х НКПРYНКПР Z НКПР , (А.1)
т
 

1
1
при Х НКПР  L и YНКПР  S :
2
2
3
5 10
С


(А.2)
z
г.п  С0  НКПР  FZ НКПР ,
т
 

где C0 – предэкспоненциальный множитель, % (об.), равный
ном уровне значимости
при отсутствии подвижности воздушной среды для ГГ
C0  3,77  103 
т
,
 г  Vсв
(А.3)
при подвижности воздушной среды для ГГ
С0  3  102 
т
,
 г  Vсв  U
(А.4)
при отсутствии подвижности воздушной среды для паров ЛВЖ
 т 100 ) 
C0  Cн  

 Сн   п  Vсв 
0 ,41
,
при подвижности воздушной среды для паров ЛВЖ
157
(А.5)
 т 100 ) 
C0  Cн  

 Сн   п  Vсв 
0 ,46
,
(А.6)
где т – масса газа или паров ЛВЖ, поступающих в объем помещения
в соответствии с п. 1.3, кг ;
 – допустимые отклонения концентраций при задаваемом
уровне значимости
ния А;
Q(C  C ) , приведенные в таблице А.1 Приложе-
Х НКПР , YНКПР , Z НКПР – расстояния по осям Х , Y и Z от источника поступления газа или пара, ограниченные нижним концентрационным пределом распространения пламени соответственно, м (рассчитываются по формулам (А.10-А.12));
L, S – длина и ширина помещения соответственно, м ;
F – площадь пола помещения, м 2 ;
U – подвижность воздушной среды, м/ с ;
Сн – концентрация насыщенных паров при расчетной температуре t p (º С) воздуха в помещении, % (об.).
Концентрация
Сн может быть найдена по формуле:
Сн  100Рн / Р0 ,
(А.7)
Рн – давление насыщенных паров при расчетной температуре
(находится из справочной литературы), кПа ;
Р0 – атмосферное давление, равное 101 кПа .
где
Величина уровня значимости Q(C  C ) выбирается исходя из
особенностей технологического процесса. Допускается принимать
Q(C  C ) равным 0,05.
2. Величина коэффициента z участия паров ЛВЖ во взрыве может быть определена по номограмме, приведенной на рисунке А.1.
Значения Х определяются по формуле:
Сн / С  , если Сн  С  ,
Х 

1, если Сн  С ,
158
(А.8)

где С – величина, задаваемая соотношением
С   Сст ,
(А.9)
где  – эффективный коэффициент избытка горючего, принимаемый
равным 1,9.
Таблица А.1 – Значения допустимых отклонений
при уровне значимости Q(C  C )
Характер распределения концентраций
Для горючих газов при отсутствии подвижности воздушной среды
Для горючих газов при подвижности
воздушной среды
Для паров ЛВЖ при отсутствии подвижности воздушной среды
Для паров ЛВЖ при подвижности воздушной среды
3. Расстояния Х НКПР , YНКПР и
мулам:
159

концентраций
Q(C  C )

0,1
0,05
0,01
0,003
0,001
0,000001
0,1
0,05
0,01
0,003
0,001
0,000001
0,1
0,05
0,01
0,003
0,001
0,000001
0,1
0,05
0,01
0,003
0,001
0,000001
1,29
1,38
1,53
1,63
1,70
2,04
1,29
1,38
1,53
1,63
1,70
2,04
1,29
1,38
1,53
1,63
1,70
2,04
1,29
1,38
1,53
1,63
1,70
2,04
Z НКПР рассчитываются по фор-
0 ,5
Х НКПР

  C0 
 К1  L  К 2 ln
 ;
CНКПР 

(А.10)
0 ,5
YНКПР

  C0 
 К1  S  К 2 ln
 ;
CНКПР 

(А.11)
0 ,5

  C0 
Z НКПР  К 3  H  К 2 ln
 ,
CНКПР 

(А.12)
где К1 – коэффициент, принимаемый равным 1,1314 для ГГ и 1,1958
для ЛВЖ;
К 2 – коэффициент, принимаемый равным 1 для ГГ и К 
Т
3600
для ЛВЖ;
К3 – коэффициент, принимаемый равным 0,0253 для ГГ при отсутствии подвижности воздушной среды; 0,02828 для ГГ при подвижности воздушной среды; 0,04714 для ЛВЖ при отсутствии подвижности воздушной среды и 0,3536 для ЛВЖ при подвижности воздушной
среды;
Н – высота помещения, м .
При отрицательных
значениях логарифмов
расстояния
Х НКПР , YНКПР и Z НКПР принимаются равными 0 .
160
Рисунок А.1 – Номограмма к определению коэффициента z
161
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Окрашивание трубопроводов и баллонов для транспортировки и
хранения сжиженных газов на промышленных предприятиях [4]
Таблица Б.1 – Опознавательная окраска трубопроводов и цифровое
обозначение укрупненных групп веществ, транспортируемых по ним
Цифровое
Транспортируемое
Цвет опознаваобозначение
вещество
тельной окраски
группы веществ
трубопровода
1
Вода
Зеленый
2
Пар
Красный
3
Воздух
Синий
4
Газ горючий
Желтый
5
Газ негорючий
Желтый
6
Кислота
Оранжевый
7
Щелочь
Фиолетовый
8
Жидкость горючая
Коричневый
9
Жидкость негорючая
Коричневый
0
Прочие
Серый
Примечания
1. Опознавательную окраску трубопроводов следует выполнять
сплошной по всей поверхности коммуникаций или отдельными участками. Окраску по всей поверхности рекомендуется применять при небольшой длине и относительно небольшом числе коммуникаций, если
она не ухудшает условия работы в цехах. На наружных установках
опознавательную окраску по всей поверхности рекомендуется применять только в тех случаях, когда это не вызывает ухудшения условий
эксплуатации вследствие воздействия на коммуникации солнечной
радиации. Окраску участками рекомендуется выполнять в цехах с
большим числом и большой протяженностью коммуникаций, а также в
тех случаях, когда по условиям работы из-за повышенных требований
к цветопередаче и характеру архитектурного решения интерьера нежелательна концентрация ярких цветов.
2. При нанесении опознавательной окраски участками на трубопроводы, находящиеся внутри производственных помещений, остальную поверхность коммуникаций рекомендуется окрашивать в цвет
стен, перегородок, потолков и прочих элементов интерьеров, на фоне
162
которых находятся трубопроводы. При этом не допускается окрашивать трубопроводы между участками опознавательной окраской, принятой для обозначения других укрупненных групп веществ.
3. При нанесении опознавательной окраски участками на трубопроводы, находящиеся вне зданий, остальную поверхность коммуникаций рекомендуется окрашивать в цвета, способствующие уменьшению теплового воздействия солнечной радиации на трубопроводы.
4. При прокладке коммуникаций в непроходных каналах и бесканальной прокладке участки опознавательной окраски на трубопроводах следует наносить в пределах камер и смотровых колодцев.
5. Ширина участков опознавательной окраски должна приниматься в зависимости от наружного диаметра трубопроводов (с учетом
изоляции): для труб диаметром до 300 мм – не менее четырех диаметров, свыше 300 мм – не менее двух диаметров. При большом числе
параллельно расположенных коммуникаций участки опознавательной
окраски на всех трубопроводах рекомендуется выполнять одинаковой
ширины и наносить их с одинаковыми интервалами. При больших
диаметрах трубопроводов участки опознавательной окраски допускается наносить в виде полос высотой не менее ¼ окружности трубопровода.
6. Противопожарные трубопроводы независимо от их содержимого (вода, пена, пар для тушения пожара и др.), спринклерные и
дренчерные системы на участках запорно-регулирующей арматуры и в
местах присоединения шлангов и других устройств для тушения пожара должны окрашиваться в красный цвет (сигнальный). При необходимости указания содержимого противопожарных трубопроводов допускается дополнительное обозначение их посредством маркировочных
щитков, окрашиваемых в соответствующие отличительные цвета.
7. Для обозначения наиболее опасных по свойствам транспортируемых веществ на трубопроводы следует наносить предупреждающие
цветные кольца (таблица Б.2).
163
Таблица Б.2 – Количество предупреждающих цветных колец на
трубопроводах в зависимости от степени опасности транспортируемых
веществ
Количество
Транспортируемое
Давление,
Температура,
предупревещество
МПа (кгс/см2)
ºС
ждающих
колец
1
2
3
4
Перегретый пар
До 2,2 (22)
250…350
Горячая вода, насыщен- 1,6…8 (16…80) Выше 120
ный пар
Перегретый и насыщенный пар, горячая
0,1…1,6
120…250
Одно
вода
(1…16)
Горючие (в том числе
сжиженные) и активные
газы, легковоспламеняДо 2,5 (25)
- 70…250
ющиеся и горючие
жидкости
Негорючие жидкости и
До 6,4 (64)
- 70…350
пары, инертные газы
Перегретый пар
До 3,9 (39)
350…400
Горячая вода, насыщен8…18,4
Выше 120
ный пар
(80…184)
Продукты с токсическими свойствами (кроДо 1,6 (16)
- 70…350
ме сильнодействующих
ядовитых веществ и
дымящих кислот)
Два
Горючие (в том числе
сжиженные) активные
2,5…6,4
250…350
газы, легковоспламеня(25…64)
- 70…0
ющиеся и горючие
жидкости
Негорючие жидкости и
6,4…1,
340-450
пары, инертные газы
(64…100)
- 70…0
164
Продолжение таблицы Б.2
1
2
Перегретый пар
3
Независимо от
давления
Выше 18,4
(184)
4
450…660
Горячая вода, насыщенВыше 120
ный водяной пар
Сильнодействующие
ядовитые
вещества Независимо от
- 70…700
(СДЯВ) и дымящиеся
давления
кислоты
Прочие продукты с ток- Выше 1,6 (16)
- 70…700
Три
сическими свойствами
Горючие (в том числе
сжиженные) активные Независимо от
газы, легковоспламенядавления
350…700
ющиеся и горючие
жидкости
Негорючие жидкости и Независимо от
пары, инертные газы
давления
450…700
Примечания
1. По степени опасности для жизни и здоровья людей или эксплуатации предприятия вещества, транспортируемые по трубопроводам, подразделяются на три группы, обозначаемые соответствующим
количеством предупреждающих цветных колец, наносимых на трубопроводы, согласно указаниям настоящей таблицы.
2. Цвета колец зависят от свойств веществ, транспортируемых по
трубопроводам (таблица Б.2.1).
Таблица Б.2.1 – Цвета предупреждающих колец в зависимости от
свойств веществ, транспортируемых по трубопроводам
Цвет кольца
Свойства транспортируемых веществ
Красный
Легковоспламеняемость, огнеопасность и взрывоопасность
Желтый
Опасность или вредность (ядовитость, токсичность,
способность вызывать удушье, термические или химические ожоги, радиоактивность, высокое давление
или глубокий вакуум и др.)
Зеленый
Безопасность или нейтральность
3. При нанесении колец желтого цвета по опознавательной
окраске трубопроводов газов и кислот (таблица Б.2.2) кольца должны
165
иметь черные каемки шириной не менее 10 мм. При нанесении колец
зеленого цвета по опознавательной окраске трубопроводов воды кольца должны иметь белые каемки шириной не менее 10 мм.
4. Ширина предупреждающих колец и расстояние между ними
должны приниматься в зависимости от наружного диаметра трубопроводов (рисунок Б.1).
Таблица Б.2.2 – Значение а и L в зависимости от наружного диаметра трубопровода
Наружный диаметр
а , мм
L , мм
(с изоляцией) D , мм
До 80
2000
40
81…160
3000
50
161…300
4000
70
Свыше 300
6000
100
Рисунок Б.1 – Ширина предупреждающих цветных колец
расстояние между ними L на трубопроводах
аи
При большом числе параллельно расположенных коммуникаций
предупреждающие кольца на всех трубопроводах следует принимать
одинаковой ширины и наносить их с одинаковыми интервалами.
5. Газоотводные линии и отдувка в атмосферу в зависимости от
их содержимого должны иметь опознавательную окраску, установленную для условного обозначения укрупненных групп, с извилистыми
поперечными кольцами соответствующего сигнального цвета.
166
6. В случаях, когда вещество одновременно обладает несколькими опасными свойствами, обозначаемыми различными цветами, на
трубопроводы одновременно следует наносить кольца нескольких
цветов. На вакуумных трубопроводах, кроме отличительной окраски,
необходимо давать надпись «Вакуум».
7. Для обозначения трубопроводов с особо опасным для здоровья
и жизни людей или эксплуатации предприятия содержимым, а также
при необходимости конкретизации вида опасности дополнительно к
цветным предупреждающим кольцам должны применяться предупреждающие знаки (рисунок Б.2). В этих знаках площади треугольников и
большого круга должны иметь желтый цвет, изображения в треугольниках – черный, а в круге – красный. Размеры знаков (сторона квадрата
l ) допускаются следующие, мм: 26, 52, 74, 105, 148.
Рисунок Б.2 – Предупреждающие знаки для обозначения трубопроводов
с особо опасными для здоровья и жизни людей или эксплуатации предприятия веществами: а – основные размеры; б – ядовитые вещества;
в – легковоспламеняющиеся вещества; г – радиоактивные вещества;
д – взрывоопасные вещества; е – прочие виды опасности
8. Для дополнительного обозначения веществ, транспортируемых по трубопроводам, применяются маркировочные щитки
(таблица Б.3).
167
Таблица Б.3 – Цифровое обозначение веществ, транспортируемых по
трубопроводам (дополнительное)
Цифровое
Транспортируемое вещество
обозначение
1
2
1
Вода:
1.1
питьевая
1.2
техническая
1.3
горячая (водоснабжение)
1.4
горячая (отопление)
1.5
питательная
1.6
резерв
1.7
резерв
1.8
конденсат
1.9
прочие виды воды
1.0
отработанная, сточная
2
Пар:
2
2.1
низкого давления до 0,2 МПа (2 кгс / см )
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.0
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.0
насыщенный
перегретый
отопительный
влажный (соковый)
отборный
резерв
вакуумный
прочие виды пара
отработанный
Воздух:
атмосферный
кондиционированный
циркуляционный
горячий
сжатый
для пневмотранспорта
кислород
вакуум
прочие виды воздуха
отработанный
168
Продолжение таблицы Б.3
1
2
4
Газы горючие:
4.1
светильный
4.2
генераторный
4.3
ацетилен
4.4
аммиак
4.5
водород и газы, его содержащие
4.6
углеводороды и их производные
4.7
окись углерода и газы, ее содержащие
4.8
резерв
4.9
прочие виды горючих газов
4.0
отработанные горючие газы
5
Газы негорючие:
5.1
азот и газы, его содержащие
5.2
резерв
5.3
хлор и газы, его содержащие
5.4
углекислый газ и газы, его содержащие
5.5
инертные газы
5.6
сернистый газ и газы, его содержащие
5.7
резерв
5.8
резерв
5.9
прочие виды негорючих газов
5.0
отработанные негорючие газы
6
Кислоты:
6.1
серная
6.2
соляная
6.3
азотная
6.4
резерв
6.5
неорганические кислоты и их растворы
6.6
органические кислоты и их растворы
6.7
растворы кислых солей
6.8
резерв
6.9
прочие жидкости кислотной реакции
6.0
отработанные кислоты и кислые стоки рН  6,5
7
Щелочи:
7.1
натриевые
7.2
калиевые
169
Продолжение таблицы Б.3
1
2
7.3
известковые
7.4
известковая вода
7.5
неорганические щелочи и их растворы
7.6
органические щелочи и их растворы
7.7
резерв
7.8
резерв
7.9
прочие жидкости щелочной реакции
7.0
отработанные щелочи и щелочные стоки рН  8,5
8
Жидкости горючие
о
8.1
жидкости категории А ( tв.п.  28 С )
о
o
8.2
жидкости категории Б ( 28 С  tв.п.  120 С )
8.3
жидкости категории В ( tв.п.
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
8.0
9
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
9.0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
смазочные масла
прочие органические горючие жидкости
взрывоопасные жидкости
резерв
резерв
прочие горючие жидкости
горючие стоки
Жидкости негорючие:
жидкие пищевкусовые продукты
водные растворы (нейтральные)
прочие растворы (нейтральные)
водные суспензии
прочие суспензии
эмульсии
резерв
резерв
прочие негорючие жидкости
негорючие стоки (нейтральные)
Прочие вещества:
порошкообразные материалы
сыпучие материалы зернистые
смеси твердых материалов с воздухом
гели
170
 120 С )
o
Продолжение таблицы Б.3
1
2
0.5
пульпы водяные
0.6
пульпы прочих жидкостей
0.7
резерв
0.8
резерв
0.9
резерв
отработанные твердые материалы
Примечания
1. Цифровое обозначение веществ согласно настоящей таблице
является дополнительным к опознавательной окраске трубопроводов
(см. таблицу Б.1) и предупреждающим цветным кольцам на трубопроводах (см. таблицу Б.2).
2. В случае необходимости каждая из подгрупп, приведенных в
настоящей таблице, может быть распределена на 10 более мелких подразделений, обозначаемых третьим знаком цифрового обозначения
(например, в укрупненной группе 4 «Газы горючие» в составе подгруппы 6 «Углеводороды и их производные» этилен может быть выделен третьим знаком 4,61).
3. Цифровое обозначение может наноситься непосредственно на
трубопровод (рисунок Б.3 а) или на маркировочный щиток
(рисунок Б.3 б).
0.0
Рисунок Б.3 – Примеры выполнения опознавательных окрасок и
надписей на трубопроводах: а – транспортируемое вещество – горячая
вода для водоснабжении; цвет опознавательной окраски – зеленый
(окраска выполнена на участке трубопровода), цвет надписей – черный; б – транспортируемое вещество – серная кислота; цвет опознавательной окраски – оранжевый (окрашен трубопровод по всей длине и
маркировочный щиток); в – транспортируемое вещество – этилен;
цвет опознавательной окраски – желтый (трубопровод окрашен по
всей длине), цвет предупреждающих колец – красный, цвет стрелки и
надписей – черный
171
4. Маркировочные щитки служат для дополнительного обозначения видов веществ и их параметров (температуры, давления и т.д.),
необходимых по условиям эксплуатации. На маркировочные щитки на
трубопроводах или на поверхности конструкций, к которым прикреплены трубопроводы, должны наноситься буквенные или цифровые
обозначения. Они служат также для указания направления движения
веществ в трубопроводе, для чего выполняются в виде стрелки (рисунок Б.4 а, б, в); этой же цели служат цветные стрелки, наносимые
непосредственно на трубопроводы. Маркировочные щитки выполняются также прямоугольной формы. Они предназначены для указания
места отбора транспортируемого вещества (рисунок Б.4 г).
Рисунок Б.4 – Типы маркировочных щитков: а – для трубопровода,
в котором транспортируемое вещество может двигаться в обоих
направлениях; б – то же влево; в – то же вправо; г – для указания места
отбора транспортируемого вещества
В тех случаях, когда от воздействия агрессивных протекающих
веществ может произойти изменение оттенка отличительных цветов
(см. таблицу Б.1), трубопроводы должны быть обозначены с помощью
маркировочных щитков.
5. Вместо цифрового обозначения вещества, транспортируемого
по трубопроводу, может быть сделана соответствующая надпись –
наименование вещества – непосредственно на трубопроводе или маркировочном щитке (см. рисунок Б.3).
6. Обозначение вида вещества химическими формулами не допускается.
7. Цвет наносимых на трубопроводы и маркировочные щитки
маркировочных надписей и стрелок, указывающих направление потока, должен быть белым или черным с учетом обеспечения наибольшего
контраста с основной окраской трубопроводов.
Цвет надписей при нанесении их на фоне опознавательной окраски принимают: белым – на зеленом, красном и коричневом фонах; черным – на синем, желтом, оранжевом, фиолетовом и сером фонах.
Баллоны для транспортирования и хранения сжатых, сжиженных и
растворенных газов также имеют текстовые и цветовые обозначения
(таблица Б.4).
172
Таблица Б.4 – Цвет окраски баллонов для сжатых, сжиженных и
растворенных газов, текст и цвет надписей на них
Газ
Окраска балТекст
Цвет
Цвет
лонов
надписи
надписи
полосы
1
2
3
4
5
Азот
Черная
Азот
Желтый Коричневый
Аммиак
Желтая
Аммиак
Черный
Аргон сырой
Черная
Аргон сырой
Белый
Синий
Аргон
Аргон
технический
Черная
технический
Синий
Синий
Аргон чистый
Серая
Аргон чистый Зеленый
Зеленый
Ацетилен
Белая
Ацетилен
Красный
Бутилен
Красная
Бутилен
Желтый
Черный
Нефтегаз
Серая
Нефтегаз
Красный
Бутан
Красная
Бутан
Белый
Темно-зеленая
Водород
Водород
Красный
Сжатый
Воздух
Черная
воздух
Белый
Гелий
Коричневая
Гелий
Белый
Закись азота
Серая
Закись азота Черный
Кислород
Голубая
Кислород
Черный
Кислород меКислород
дицинский
Голубая
медицинский Черный
Сероводород
Белая
Сероводород Красный
Красный
Сернистый
Сернистый
ангидрид
Черная
ангидрид
Белый
Желтый
Углекислота
Черная
Углекислота Желтый
Фосген
Защитная
Красный
Алюминиевая
Фреон 11
Фреон 11
Черный
Синий
Фреон 12
Алюминиевая
Фреон 12
Черный
Фреон 13
Алюминиевая
Фреон 13
Черный
2 красные
Фреон 22
Алюминиевая
Фреон 22
Черный
3 желтые
Хлор
Защитная
Зеленая
Циклопропан
Оранжевая
Циклопропан Черный
Этилен
Фиолетовая
Этилен
Красный
-
Продолжение таблицы Б.4
173
1
2
3
4
5
Все другие
Наименование
горючие газы
Красная
газа
Белый
Все другие
Наименование
негорючие газы
Черная
газа
Желтый
Примечания
1. Вся наружная поверхность баллонов должна быть окрашена с
нанесением на нее цветных полос и надписей согласно указаниям
настоящей таблицы.
2. Окраска баллонов и надписи на них могут производиться масляными, эмалевыми или нитрокрасками.
3. Надписи на баллоны наносят по окружности на длину не менее 1/3 окружности, а полосы – по всей окружности, причем высота
букв на баллонах вместимостью более 12 л должна быть 60 мм, а ширина полосы 25 мм. Размеры надписей и полос на баллонах вместимостью до 12 л должны определяться в зависимости от размера боковой
поверхности баллонов (рисунок Б.5).
Рисунок Б.5 – Пример окраски, надписи и размещения цветной полосы
на баллоне для и транспортирования сырого аргона
4. Цвет окраски и текст надписей на баллонах, используемых в
специальных установках или предназначенных для наполнения газами
специального назначения, устанавливаются заинтересованными ведомствами по согласованию с органами Госгортехнадзора России.
174
5. Окраска вновь изготовленного баллона и нанесение надписей
на него должны производиться заводами-изготовителями, а в дальнейшем заводами-наполнителями, наполнительными или испытательными
станциями.
Таблица Б.6 – Надписи и отличительные полосы на цистернах и бочках
для сжиженных газов
Название цистерн
Текст надписи
Цвет
Цвет
и бочек
надписи
полосы
Для аммиака
Аммиак, Ядовито,
Сжиженный газ
Черный
Желтый
Для хлора
Хлор, Ядовито,
Сжиженный газ
Зеленый
Защитный
Для фосгена
Ядовито, Сжиженный газ
Красный
Защитный
Для кислорода
Опасно
Черный
Голубой
Для всех остальНаименование
ных негорючих
газа и слово
газов
Опасно
Желтый
Черный
Для горючих
Наименование
газов
газа и слово
Черный
Красный
Огнеопасно
Примечания
1. Наружная поверхность цистерн и бочек должна быть окрашена
эмалью, масляной или алюминиевой краской в светло-серый цвет и
иметь надписи и отличительные полосы в соответствии с таблицей Б.6.
2. Отличительные полосы на цистернах должны быть нанесены
на корпус с обеих сторон по средней линии цистерны на всю длину
цилиндрической части. Ширина полосы на железнодорожных цистернах должна быть 300 и на автомобильных 200 мм. Надписи на цистерны должны быть нанесены с каждой стороны корпуса над полосой,
причем с левой стороны указывают наименование газа, а с правой делают остальные надписи. Высота букв указанных надписей на железнодорожных цистернах должна быть не менее 125, а на автомобильных
– не менее 100 мм (рисунок Б.6).
3. Отличительные полосы на бочки должны наноситься по всей
окружности на расстоянии 200 мм от каждого днища. Ширина каждой
полосы должна быть 50 мм. Надписи на бочки должны наноситься на
цилиндрическую часть между полосами, высота букв 50 мм
(рисунок Б.7).
175
Рисунок Б.6 – Пример нанесения надписей и отличительных полос на
автомобильные цистерны для перевозки сжиженных газов (в данном
примере цвет букв черный, полос – красный)
4. Окраска новых цистерн и бочек, а также нанесение полос и
надписей на них должны производиться заводом-изготовителем, а цистерн и бочек, находящихся в эксплуатации,  заводом-наполнителем.
Окраска железнодорожных пропан-бутановых цистерн, находящихся в
эксплуатации, и нанесение полос и надписей на них производятся владельцем цистерн.
Рисунок Б.7 – Пример нанесения надписей и отличительных полос на
бочки для сжиженных газов (в данном примере цвет букв черный,
полос – желтый)
5. Днища цистерн, предназначенных для перевозки по железнодорожным путям, должны окрашиваться в соответствии с порядком,
установленным на железнодорожном транспорте.
6. Вентили цистерн для сжиженного газа должны быть окрашены
в цвет, присвоенный данному газу; для горючего газа – в темнокоричневый, для негорючего – в черный. На штуцерах должны быть
сделаны надписи или выбиты буквы: для жидкостного вентиля –
надпись «Жидкость» или буква Ж, для газового – надпись «Газ» или
буква Г.
176
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Перечень тем для написания рефератов
1.1 Темы для рефератов по пожарной безопасности предприятия.
1. Пожарная профилактика и ее цели.
2. Требования законодательства РФ в области обеспечения пожарной безопасности.
3. Противопожарные инструкции.
4. Организация деятельности добровольных противопожарных
формирований.
5. Ответственность за обеспечение пожарной безопасности.
6. Горение веществ и материалов. Пожар и его развитие.
7. Анализ пожарной опасности технологических процессов и порядок разработки противопожарных мероприятий.
8. Обучение работников мерам пожарной безопасности.
9. Разработка инструкций о мерах пожарной безопасности.
10. Противопожарные мероприятия при хранении ЛВЖ, ГЖ, и
горючих газов.
1.2 Темы для рефератов по строительному делу:
1. Виды строительных работ.
2. Бетонные работы.
3. Земляные работы.
4. Монтажные работы.
5. Отделочные работы.
6. Типовые конструкции промышленных зданий.
7. Транспортные и погрузочно-разгрузочные работы.
1.3. Темы для рефератов по правилам устройств электроустановок:
1. Термины и определения.
2. Организация эксплуатации электроустановок.
3. Управление электрохозяйством.
4. Воздушные и кабельные линии.
5. Электродвигатели и их классификация.
6. Заземляющие устройства.
7. Электроустановки во взрывоопасных зонах.
8. Защита от молний.
177
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Задания для выполнения практических работ
Задание 1
В аппарате объемом
V , м3 , со степенью заполнения п, % ,
происходит нагрев горючей жидкости от температуры
t н до t к . Горю-
чая жидкость подается в аппарат по трубопроводу с объемным расходом
Q, м3 / с . Требуется определить избыточное давление взрыва
при учете, что учитывается наличие возможности образования аэрозоля заданной горючей жидкости, вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год. Свободный объем помещения
Vсв , м3 .
Также предложите варианты обозначения трубопровода и категорию помещения по взрывопожарной и пожарной опасности.
Варианты задания 1 представлены в таблице Г.1.
Таблица Г.1 – Исходные данные к задаче 1
Номер
ГЖ
V , п, %
варианта
3
м
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
2
бензол
бензол
бензол
бензол
бензол
толуол
толуол
толуол
толуол
толуол
ацетон
ацетон
ацетон
ацетон
ацетон
этанол
этанол
3
3,0
2,0
1,5
1,0
1,0
3,0
2,0
1,5
1,0
1,0
3,0
2,0
1,5
1,0
1,0
3,0
2,0
4
70
75
75
80
80
70
75
75
80
80
70
75
75
80
80
70
75
178
tн ,
tк ,
Q,
Vсв ,
ºС
ºС
м /с
м3
5
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
6
75
75
75
75
75
90
90
90
90
90
60
60
60
60
60
75
75
7
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,030
0,025
8
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
3
Продолжение таблицы Г.1
1
2
18
этанол
19
этанол
20
этанол
21
метанол
22
метанол
23
метанол
24
метанол
25
метанол
3
1,5
1,0
1,0
3,0
2,0
1,5
1,0
1,0
4
75
80
80
70
75
75
80
80
5
25
25
25
25
25
25
25
25
6
75
75
75
75
75
75
75
75
7
0,020
0,015
0,010
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
8
120
120
120
120
120
120
120
120
Задание 2
Два газа А и B смешиваются в аппарате объемом
быточным давлением
V , м3 , под из-
P0 . Оба газа подаются в аппарат по трубопрово-
ду с объемными расходами QА и QВ , м / с . Температура в аппарате
18 ºС. Требуется определить избыточное давление взрыва при учете,
что в цехе предусмотрено ручное отключение аппаратуры, свободный
3
объем помещения
Vсв , м3 .
Также предложите варианты обозначения трубопроводов и категорию помещения по взрывопожарной и пожарной опасности.
Варианты задания 2 представлены в таблице Г.2.
Таблица Г.2 – Исходные данные к заданию 2
Номер
Газ А
Газ В
V,
P0 ,
варианта
3
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
2
метан
метан
метан
метан
метан
этан
этан
этан
этан
этан
пропан
3
этан
этан
этан
этан
этан
пропан
пропан
пропан
пропан
пропан
бутан
м
атм
QА ,
м3 / с
4
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0
0,5
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
6
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
179
QВ ,
м3 / с
Vсв ,
7
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
8
100
150
200
250
300
100
150
200
250
300
100
м3
Продолжение таблицы Г.2
1
2
3
12
пропан бутан
13
пропан бутан
14
пропан бутан
15
пропан бутан
16
метан пропан
17
метан пропан
18
метан пропан
19
метан пропан
20
метан пропан
21
метан
бутан
22
метан
бутан
23
метан
бутан
24
метан
бутан
25
метан
бутан
4
0,5
1,0
1,0
1,0
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0
5
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
7
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
8
150
200
250
300
100
150
200
250
300
100
150
200
250
300
Задание 3
Перечислите участки микробиологических производств, на которых возможны аварийные ситуации, связанные с выбросом пыли.
Опишите возможные способы снижения риска аварий на этих производствах.
Задание 4
Предложите строительно-монтажную схему любого микробиологического производства, состоящего из трех и более зданий. Обоснуйте
расположение основных и вспомогательных зданий и связей между
ними. Обоснуйте выбор схемы одноэтажных и многоэтажных промышленных зданий и секций этих зданий. Предложите тип фундамента
здания и возможные конструкции каркасов, устройство конструкции
перекрытий, окон, дверей, ворот, лестниц, перегородок, кровли. Предложите конструкцию полов в зависимости от вида производства.
Задание 5
Спроектируйте линию для непрерывной переработки отходов
производства, указанных в таблице Г.3. Технологическая цепочка переработки состоит из следующих этапов: хранение в цехе производства
– транспортирование в цех по переработке – хранение в цехе по переработке – транспортирование к месту переработки – подработка сырья
– концентрирование – транспортирование к месту хранения – хранение
180
на складе. Количество отходов и виды отходов представлены в
таблице Г.3.
Проведите необходимые расчеты выбранного вами технологического оборудования. Проект представьте на плакате в виде аппаратурно-технологической схемы. Проведите необходимые расчеты выбранного вами технологического оборудования.
Таблица Г.3 – Исходные данные к заданию 5
Номер
Вид отхода
варианта
Количество
отхода,
т / сут
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
дрожжевая суспензия (5% с.в.)
дрожжевая суспензия (5% с.в.)
дрожжевая суспензия (5% с.в.)
дрожжевая суспензия (5% с.в.)
дрожжевая суспензия (5% с.в.)
дрожжевая суспензия (10% с.в.)
дрожжевая суспензия (10% с.в.)
дрожжевая суспензия (10% с.в.)
дрожжевая суспензия (10% с.в.)
дрожжевая суспензия (10% с.в.)
пивная дробина (80% с.в.)
пивная дробина (80% с.в.)
пивная дробина (80% с.в.)
пивная дробина (80% с.в.)
пивная дробина (80% с.в.)
зерно-картофельная барда (5% с.в.)
зерно-картофельная барда (5% с.в.)
зерно-картофельная барда (5% с.в.)
зерно-картофельная барда (5% с.в.)
зерно-картофельная барда (5% с.в.)
зерно-картофельная барда (10% с.в.)
зерно-картофельная барда (10% с.в.)
зерно-картофельная барда (10% с.в.)
зерно-картофельная барда (10% с.в.)
зерно-картофельная барда (10% с.в.)
181
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Примеры решения задач
Задача 1
Дано:
Решение
ГЖ-Бензол
V = 3 м3
п = 70 %
t н = 25 ºС
t к = 75 ºС
Q = 0,030 м 3 / с
Vсв =120 м3
6
ВОСА= 1  10
Найти:
P = ? Па
Предложить обозначение трубопроводов и категорию помещения
по ВПО и ПО
 г.п
P – избыточное давление взрыва для индивидуальных веществ, состоящих из атомов C, H, O,
N, Cl, Br, J, F, определяется по формуле (1.1):
P  ( Pmax  P0 ) 
где
m  z 100 1


,
Vсв   г .п Сст К н
Pmax – максимальное давление взрыва сте-
хиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа ;
P0 − начальное давление, кПа;
т − масса горючего газа (ГГ) или паров
легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной
аварии в помещение, кг;
z − коэффициент участия горючего во
взрыве;
Vсв − свободный объем помещения, м3 ;
− плотность газа или пара при расчетной температуре t p ,
кг / м 3 ;
Сст – стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ,
% (об.);
К н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и
неадиабатичность процесса горения.
Pmax определяется экспериментально или по справочным данным.
При отсутствии данных допускается принимать
900
Pmax
равным
кПа .
Начальное давление
P0 принимаем равным атмосферному, то
есть 101,3 кПа.
182
Температура вспышки бензола -11 ºС. Коэффициент участия горючего во взрыве z принимаем равным 0,3 по таблице 1.2, так как вид
горючего вещества – горючая жидкость, нагретая выше температуры
вспышки.
К н допускается принимать равным 3 (п. 1.3.5).
Вычислим массу горючей жидкости, вытекшей из аппарата и трубопроводов в результате расчетной аварии:
Рисунок Д.1 – Схема к решению задачи 1
m1 – масса бензола в трубопроводе на входе в аппарат, кг. Определяется по формуле:
m1  Q  T  1 ,
3
где Q – объемный расход бензола, м / с ;
T – время отключения (время срабатывания), принимаем равным
120 с, так как вероятность отказа системы автоматики превышает
0,000001 в год, и не обеспечено резервирование ее элементов
(п. 1.3.2.в);
1
– плотность бензола при
t н , кг / м 3 .
Тогда:
m1  0,03  120  873,75  3145,5 кг ,
т2 – масса бензола в аппарате, кг, определяется по формуле:
т2  п  V   ср ,
где п – коэффициент заполнения аппарата, %;
V – объем аппарата, м 3 ;
 ср – плотность бензола при средней температуре, кг / м 3 .
Тогда:
т2  0,7  3  825  1732,5 кг .
183
Общая масса жидкости, вышедшей из аппарата в результате расчетной аварии, будет равна сумме:
тобщ  т1  т2  3145,5  1732,5  4878 кг .
Масса паров ЛВЖ, поступивших в помещение в результате испарения с поверхности разлитой жидкости, вычисляется по формуле
(1.12):
т  W  Fи  Т ,
где W – интенсивность испарения,
кг /( с  м 2 ) ;
Fи – площадь испарения, м 2 ;
Т – температура помещения, К.
Интенсивность испарения определяется по формуле (1.13):
W  106  М  Рн ,
где  – коэффициент, принимаемый по таблице 1.3 в зависимости от
скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения. Принимая скорость воздушного потока в помещении – 0,2 м/с, а
температуру в помещении 20 ºС, тогда   3,5 ;
Рн – давление насыщенного пара при расчетной температуре
жидкости t p , определяемое по справочным данным, кПа.
М – молекулярная масса ЛВЖ, кг/кмоль.
Расчетную температуру t p определяют согласно п.1.3.5.
Давление насыщенного пара при 75 ºС
Рн  440 мм. рт. ст.  58,6 кПа .
Молекулярная масса бензола М  78 кг / кмоль .
W  10 6  3,5 78  58,6  1,81  10 3 .
Площадь испарения можно определить из п.1.3.2, согласно которому 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на площади 0,5 м , а остальных жидкостей –
2
на 1 м пола помещения.
Объем бензола:
2
V 
mобщ
 ср

4878
 5,91 м 3  5910 л .
825
184
Так как в аппарате находится только бензол, следовательно, 1 л
бензола будет разливаться на 1 м пола помещения. Тогда:
2
т  1,81  10 3  5910  293  3134,25 кг .
Плотность газа или пара при расчетной температуре
 г.п ,
кг / м определим по формуле (1.2):
3
М
,
V0 (1  0,003677  t p )
где М – молярная масса, кг / кмоль ;
V0 – мольный объем, равный 22,413 м3 / кмоль ;
t p – расчетная температура (определяется по п. 1.3.5), ° С.
 г .п 
Тогда:
 г .п 
78
 2,73 кг / м 3 .
22,413  (1  0,003677  75)
Стехиометрическую концентрацию паров ЛВЖ можно определить по формуле (1.3):
Сст 
где   пс 
100
,
1  4,84
пн  пх по

– стехиометрический коэффициент кисло4
2
рода в реакции сгорания;
пс , пн , по , пх – число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего;
  6
Сст 
6 0
  7,5 ;
4 2
100
 2,68 % (об ) .
1  4,84  7,5
Тогда:
3134,25  0,3 100 1

  2851,22 кПа .
1200  2,73 2,68 3
Ответ. Избыточное давление взрыва P  2851,22 кПа . Ка-
P  (900  101,3) 
тегория помещения по взрывопожарной и пожарной опасности – А, так
185
как бензол – легковоспламеняющаяся жидкость, нагретая выше температуры вспышки ( Т всп  11 ºС) и расчетное избыточное давление
взрыва в помещении превышает 5 кПа. Цвет трубопровода – коричневый (жидкость горючая). Предупреждающее кольцо – одно, так как в
условиях задачи не указано давление бензола в трубопроводе на подаче в аппарат (принимаем давление менее 2,5 МПа), цвет кольца – красный (легковоспламеняемость, огнеопасность и взрывоопасность).
Цифровое обозначение бензола – 8.1 (горючие жидкости категории А).
Задача 2
Дано:
Газ А – метан
Газ В – этан
V = 0,5 м3
Р1 =1 атм
Q А = 0,1 м 3 / с
QВ = 0,2 м 3 / с
Vсв  1000 м3
А=0,001 1/с
t 0 =18 ºС
Ручное
отключение
Найти:
P = ? Па
Предложить категорию помещения
по ВПО и ПО
Решение
P – избыточное давление взрыва для смесей
определяется по формуле (1.4):
P 
где
тНт Р0 z 1
,

Vсв вС рТ 0 К н
Н т – теплота сгорания, Дж / кг ;
в
– плотность воздуха до взрыва при
начальной температуре
Т 0 , кг / м 3 ;
С р – теплоемкость воздуха, Дж /(кгК ) (допускается принимать равной 1,017103 Дж /(кгК ) ;
Т 0 – начальная температура воздуха, К .
Определим теплоту сгорания смеси газов Н тсм , Дж / кг :
Н тсм  х А  Н тА  х В  Н тВ  0,33  55,64  0,67  52,00  53,20 Дж / кг ,
х А – доля метана в смеси;
Н тА – теплота сгорания метана, определяется по справочным
данным, Дж / кг ;
х В – доля этана в смеси;
где
186
Н тВ – теплота сгорания этана, определяется по справочным
данным, Дж / кг .
Плотность воздуха до взрыва при начальной температуре (18 ºС)
определяется по справочным данным (  в =1,212 кг / м ).
3
Масса т , кг , поступившего в помещение при расчетной аварии
газа определяется по формуле (1.6):
т  (Va  Vт )г.п ,
где
Va – объем газа, вышедшего из аппарата, м3 ;
Vт – объем газа, вышедшего из трубопроводов, м3 .
При этом
Va  0,01  Р1  V ,
Р1 – давление в аппарате, кПа ;
V – объем аппарата, м3 .
Vт  V1т  V2 т ,
где V1т – объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения,
где
м3 ;
V2 т – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м .
3
V1т  q  T ,
где q – расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газовой среды и т.д., м / с ;
Т – время отключения, определяемое по п. 1.3.2, с (при ручном
отключении 300 с).
Плотность газа (пара) определяется по формуле (1.2):
3
М
,
V0 (1  0,003677  t p )
где М – молярная масса, кг / кмоль ;
V0 – мольный объем, равный 22,413 м3 / кмоль ;
t p – расчетная температура (определяется по п. 1.3.5), ° С.
 г .п 
187
Тогда:
16
 0,583 кг / м3
22, 413( 1  0,003677  61 )
30

 1,093 кг / м3
22, 413( 1  0,003677  61 )
 г.п.А 
 г.п.В
Тогда:
 г.псм  х А   г.п. А  хВ   г.п.В  0,33  0,583  0,67 1,093  0,925 кг / м3
Рисунок Д.2 – Схема к решению задачи 2
VА  QА  Т   0,1  300  30 м 3 ,
VВ  QВ  Т   0,2  300  60 м 3 ,
Vaпп  0,01  Р1  V  0,01  202,4  0,5  1,012 м 3 .
Тогда общую массу газов с учетом вентиляции в цехе можно
определить по формулам (1.5) и (1.6):
т
(V А  VВ  Vапп )   г.п.см
,
К
К  А  Т  1,
где А – кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, 1 / с ;
Т – продолжительность поступления горючих газов и паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в объем помещения, с ,
(принимается по п. 1.3.2).
Тогда:
К  0,001  300  1  1,3 ,
т
(30  60  1,012)  0,925
 64,76 кг .
1,3
188
Коэффициент участия горючего газа во взрыве z = 0,5
(см. таблицу 1.2).
Коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения К н , допускается принимать
равным 3.
Тогда избыточное давление взрыва:
64,76  53,20  101,3  0,5 1
  0,16 кПа .
1000  1,212  1,017103  291 3
Ответ. Избыточное давление взрыва P  0,16 кПа . КатегоP 
рия помещения по взрывопожарной и пожарной опасности – А, так как
все горючие газы относятся к этой категории.
189
БЕЛОУСОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ
ЛЕНСКИЙ МАКСИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ И БРОДИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.
НОРМЫ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОМЫШЛЕННОЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
Учебное пособие для выполнения практических работ по курсу
«Основы проектирования предприятий биотехнологической
промышленности» и «Проектирование отрасли и промышленное строительство» для студентов специальностей 070100 и 270500
Редактор Соловьева С.В.
Технический редактор Трутнева Л.И.
Подписано в печать 27.06.2005. Формат 6084 1/16
Усл. п. л.  11,16. Уч.-изд. л.  12,00.
Печать  ризография, множительно-копировальный
аппарат «RISO TR-1510»
Тираж 100 экз. Заказ 2005-41
Издательство Алтайского государственного
технического университета
656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ВЦ БТИ АлтГТУ
Отпечатано в ВЦ БТИ АлтГТУ
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29
190