Расчет колонны синтеза карбамида в условиях ЗАО "Агро-Череповец"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Череповецкий государственный университет»

Инженерно-экономический институт

Кафедра ресурсосберегающих и химических технологий

Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине: «Общая химическая технология»

Расчет колонны синтеза карбамида в условиях ЗАО «Агро-Череповец»

Череповец, 2011

Введение

Удобрения классифицируют по происхождению, составу, назначению, свойствам и другим признакам.

По происхождению удобрения подразделяются на минеральные, органические, органоминеральные и бактериальные. К минеральным или искусственным удобрениям относятся специально производимые на химических предприятиях неорганические вещества, в основном минеральные соли; в то же время к ним причисляются и некоторые органические вещества, например карбамид CO(NH2)2. органические удобрения содержат питательные вещества в основном в виде органических соединений, к которым обычно относятся продукты естественного происхождения (навоз, фекалии, солома, торф и др.). Органоминеральные удобрения - смеси различных органических и неорганических соединений. Бактериальные удобрения содержат некоторые культуры микроорганизмов, способствующих накоплению в гумусовом слое усвояемых форм питательных элементов.

По составу, т.е. по видам питательных элементов, удобрения подразделяются на азотные, фосфорные (фосфатные), калийные (калиевые), магниевые, борные и др. К азотным удобрениям относятся соли аммония (хлорид, сульфат, фосфаты и др.), соли азотной кислоты (кальциевая, калиевая, натриевая селитры) и некоторые амиды (карбамид, цианамид кальция CaCN2 и др.). Фосфорными удобрениями являются соли фосфорных кислот. Калийные удобрения обычно представлены хлоридом калия.

По назначению и срокам внесения удобрения разделяются на основные (предпосевные), вносимые до посева; припосевные, вносимые во время посева, например, в рядки, и подкормки, вносимые в период развития растений (в вегетационный период). [1]

Удобрения должны обладать и хорошими физическими свойствами, т. е. водорастворимые соли не должны быть сильно гигроскопичными и не должны слеживаться при хранении, быть сыпучими, не сдуваться ветром и не слишком быстро смываться дождевой водой. Таким требованиям в наибольшей степени отвечают гранулированные удобрения. Водонерастворимые удобрения усваиваются растениями медленно, поэтому их производят и применяют в порошкообразном виде. [2]

Карбамид (мочевина) среди азотных удобрений занимает второе место по объему производства после аммиачной селитры. Рост производства карбамида обусловлен широкой сферой его применения в сельском хозяйстве. Он обладает большей устойчивостью к выщелачиванию по сравнению с другими азотными удобрениями, то есть менее подвержен вымыванию из почвы, менее гигроскопичен, может применяться не только как удобрение, но и в качестве добавки к корму крупного рогатого скота. Карбамид, кроме того, широко используется для получения сложных удобрений, удобрений с регулируемым сроком действия, а также для получения пластмасс, клеев, лаков и покрытий.

Карбамид СО(NH2)2 (мочевина) или амид карбаминовой кислоты - кристаллическое вещество без запаха. По своим физическим свойствам карбамид, как удобрение, имеет преимущества перед аммиачной селитрой: не взрывоопасен, менее гигроскопичен и менее слеживается. Попадая в почву, на кислых почвах карбамид вначале оказывает нейтрализующее действие, а затем начинает действовать аналогично аммиачной селитре, то есть подкисляет почву. При внекорневой подкормке растений карбамид безопасен, т. к. не вызывает ожогов листьев. В животноводстве карбамид применяют для откормки скота - в качестве добавки к корму, содержащему мало белков и много углеводов. В сычуге жвачных животных микроорганизмы превращают карбамид в белковые соединения.

В промышленности карбамид применяют для приготовления карбамидо-формальдегидных смол, пластических масс, клеев, фармацевтических препаратов, для депарафинизации смазочных масел, для полимеров, перерабатываемых в волокна, в текстильной и бумажной промышленности, в производстве красителей и моющих средств. Его применяют также в деревообрабатывающей и кожевенной промышленности.

карбамид тепловой материальный баланс

Исходные данные для расчета

1) Параметры проведения процесса: Р = 20 МПа, t = 200о С.

2) Источником углекислого газа служит газ, содержащий 97 % СО2, 3 % N2.

3) Избыток NH3 - 125 % от стехиометрического количества.

4) Степень превращения карбамата аммония в карбамид - 60 %.

5) Потери карбамида при дистилляции и упаривании - 7 %.

6) Температура реагентов, поступающих в колонну синтеза: NН3 - 60о С, СО2 - 35о С.

7) Критическая температура NН3 - 139,5 о С.

8) Энтальпия жидкого аммиака, кДж/кг: 939,9 при 132,9 о С и 291,1 при 60 о С.

9) Расчет вести на 50 т/ч карбамида в виде сухого готового продукта.

10) Остальные данные, необходимые для расчета - литературные.

1. Характеристика исходного сырья и готового продукта

Карбамид (мочевина) - диамид угольной или амид карбаминовой кислот CO(NH2)2.

Мочевина открыта И. Руэлем (1773) в моче, идентифицирована У. Праутом (1818), впервые синтезирована Ф. Вёлером (1828) из цианата аммония.

Мочевина образует соединения с неорганическими и органическими веществами, например:

CO(NH2)2 • NH3, CO(NH2)2 • Н3РО4, CO(NH2)2 • H2O2, CO(NH2)2 • CH3OH и др.

В расплавленном виде мочевина реагирует со щелочными металлами и их амидами с образованием солей цианамида. При сплавлении с содой разлагается до NaNCO, CO2, NH3 и Н2О; при сплавлении с NH4NO3 в присутствии SiO2 образуется гуанидин; с (СН3СО)2О при 140°С - ацетамид и диацетамид (при 60 °С в присутствии Н2SО4-ацетилмочевина); с хлором на холоду -N-хлор- и N,N' - дихлормочевина NH2CONHCl и CO(NHCl)2; с бромом - циануровая кислота; с NaClO-гидразин; с CS2 (110°C)-NH4SCN и COS. К действию Н2О2 и KMnO4 мочевина устойчива.

При алкилировании мочевины образуются алкилзамещенные мочевины RNHCONH2; при действии спиртов - уретаны NH2COOR; при взаимодействии с карбоновыми кислотами, их ангидридами, хлорангидридами и сложными эфирами - уреиды RCONHCONH2.

Мочевина легко конденсируется с формальдегидом, образуя мочевино формалъдегидные смолы. В некоторых реакциях проявляется таутомерная форма мочевины - изомочевина NH2C(OH)=NH; например: при взаимодействии гидрохлорида цианамида со спиртами образуются О-алкиловые эфиры изомочевины. [4]

Мочевина - конечный продукт белкового обмена у многих беспозвоночных и большинства позвоночных животных (рыб, земноводных, млекопитающих) и человека. Биосинтез мочевины из конечных продуктов распада белков (NH3, CO2) протекает в печени в результате ряда ферментативных реакций, замкнутых в цикл (цикл мочевины, или орнитиновый цикл). Мочевина участвует в регуляции водного режима животных. Из организма выводится почками в виде мочи и потовыми железами (человек выделяет 25-30 г мочевины в сутки). У животных содержится в небольших количествах в мышцах, крови, лимфе, слюне, молоке, слезах, обнаружена в тканях растительных организмов (грибы, некоторые высшие растения).

Карбамид представляет собой твердое кристаллическое вещество с температурой плавления 132,7єС. Хорошо растворим в воде, этаноле и жидком аммиаке, что используется для получения аммиакатов. При нагревании выше 130 єС подвергается термической диссоциации с образованием биурета и выделением аммиака:

2CO(NH2)2 = H2N - CO - NH - СО - H2N + NH3.

Водные растворы карбамида устойчивы до 80єС, при более высокой температуре разлагаются через образование карбоната аммония на аммиак и оксид углерода (IV):

CO(NH2)2 + 2H2O (NH4)2CO3 (NH4)2HCO3 +

CO2 + H2O + 2NH3.

Это исключает возможность длительного нагревания растворов карбамида при атмосферном давлении, например, в процессе выпаривания.

Выпускают карбамид двух марок: А - для промышленности (сырье при изготовлении смол, синтетических волокон, фармацевтических препаратов); Б - для использования в сельском хозяйстве (азотное удобрение). В небольших количествах производится для животноводства и для розничной торговли.

Карбамид - безбалластное высококонцентрированное МУ. Он легко усваивается растениями. Содержание азота в нем в амидной форме составляет 46,6%. По сравнению с нитратом аммония карбамид более богат азотом, меньше слеживается, не взрывоопасен в смесях с органическими веществами и медленнее вымывается из почвы.

Таблица 1

Технические характеристики карбамида (согласно ГОСТ 2081-92)

Технические характеристики	Марка А	Марка Б
	I сорт	высший сорт	I сорт	II сорт
Внешний вид	Белые и слабоокрашенные гранулы
Азота в пересчете на сухое вещество, %, не менее	46,3	46,3	46,3	46,3
Биурета, %, не более
Воды, %, не более: метод высушивания метод Фишера	0,3	0,3	0,3	0,3
	0,6	0,5	0,5	0,6
Гранулометрический состав, массовая доля гранул размером, %: от 1 до 4 мм, не менее от 2 до 4 мм, не менее менее 1 мм, не более		94	94	94
		70	50
		3	5	5
Статическая прочность гранул, кгс/гранулу, не менее		0,7	0,5	0,3
Конденсирующая добавка: Карбамидоформальдегидная смола, %	0,2-0,5

2. Физико-химические основы процесса

В основе получения карбамида лежит взаимодействие аммиака с оксидом углерода (IV) с последующей дистилляцией продуктов синтеза и переработкой полученных растворов. При синтезе карбамида последовательно протекают две обратимых реакции:

образование карбамата аммония:

2NH3 + CO2 NH2 COONH4, ДН = 159,35 кДж. (1)

и дегидратации карбамата аммония до карбамида:

NH2 COONH4 CO(NH2)2 + H2O, ДН = - 28,47 кДж. (2)

Процесс синтеза описывается по суммарной реакции А. И. Базарова:

2NH3 + CO2 = CO(NH2)2 + H2O, ДН = - 110,1кДж.

Он протекает в гетерогенной системе, состоящей из газообразной фазы (аммиак, диоксид углерода, пары воды) и жидкой фазы, включающей расплавленные и растворенные компоненты (аммиак, карбамат аммония, карбонаты аммония, карбамид) и воду.

Скорости реакций 1 и 2 различны. Реакция 1 протекает значительно быстрее реакции 2, поэтому лимитирующей процесс синтеза стадией, от которой и зависит выход продукта, является стадия дегидратации карбамата аммония 2. Состояние равновесия и скорость ее определяются температурой, давлением, соотношением аммиака и диоксида углерода и содержанием воды в реакционной смеси.

Максимальная степень превращения карбамата аммония в карбамид достигается при температуре около 220єС. При этой температуре продолжительность процесса составляет около 60 минут. При понижении температуры для достижения более высокой степени превращения карбамата в карбамид время процесса существенно увеличивается.

Скорость образования карбамата аммония возрастает пропорционально квадрату давления и при давлении 1 МПа протекает практически мгновенно.

Наибольшее влияние на выход карбамида оказывает избыток аммиака в исходной смеси сверх стехиометрического количества (NH3 : CO2 - 2 : 1). Избыток аммиака смещает равновесие реакции 1, а также вследствие своего дегидратирующего действия связывает реакционную воду, удаляя ее из сферы реакции, и смещает вправо равновесие реакции 2. Образование карбамата и его дегидратация до карбамида протекают в жидкой фазе, поэтому в реакторе должны быть созданы условия ее существования. Этому способствует увеличение степени заполнения реактора, что приводит к уменьшению объема газовой фазы, и нагрев реакционной смеси до температуры выше эвтектической точки системы «карбамат-карбамид», равной 98єС. Влияние различных факторов на состояние равновесия системы «карбамат-карбамид» можно представить в виде следующей схемы:

Т (за счет экзотермичности реакции 1)

сдвиг влево

сдвиг вправо

Р

(за счет ускоре- (за счет подав- NH3/CO2

ния наступления ления диссоци- (за счет связывания

равновесия ации карбамата воды в реакции 2)

в реакции 2) в реакции 1)

Оптимальный режим процесса синтеза карбамида должен обеспечить: быстрое и полное протекание реакции 1, протекание реакции 2 не менее, чем на 71%. Этим условиям отвечают следующие параметры процесса: температура 180 - 200єС, давление 20 МПа, избыток аммиака 100% сверх стехиометрического количества, то есть мольное отношение NH3 : CO2 - 4: 1.

3. Описание технологической схемы

В результате взаимодействия аммиака и оксида углерода (IV) образуется сложная система, состоящая из целевого продукта карбамида, полупродукта карбамата аммония, воды, карбонатов аммония и избытка аммиака. Для выделения из нее твердого карбамида и утилизации не вступивших в реакцию остальных компонентов и карбамата полученный раствор подвергают дистилляции. В процессе дистилляции отгоняется избыток аммиака и воды и происходит разложение карбонатов аммония (аммонийных солей).

В зависимости от того, возвращаются эти продукты в процесс или после отделения карбамида используются в других производствах (например, для получения нитрата аммония), технологические схемы производства карбамида делятся на две группы:

- без возвращения продуктов дистилляции в цикл (разомкнутая схема, без рецикла);

- с возвращением продуктов дистилляции в цикл (замкнутая схема, с рециклом).

В первом случае весь выделившийся при дистилляции аммиак поглощают азотной кислотой для получения нитрата аммония, при этом производство карбамида комбинируется с производством нитрата аммония.

Во втором случае продукты дистилляции частично (частичный рецикл) или полностью (полный рецикл) возвращаются в цикл на синтез карбамида. Существуют для варианта полного рецикла: газовый рецикл, при котором продукты дистилляции возвращаются в газообразном виде, и жидкостный рецикл, при котором они возвращаются в виде раствора аммонийных солей.

На рисунке 1. представлена принципиальная схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом.



Рисунок 1. Принципиальная схема с полным рециклом

Наиболее экономична технологическая схема с полным жидкостным рециклом, так как в ней не требуется сжатия возвращаемых в цикл горячих газов (аммиака и диоксида углерода), что может вызвать засорение трубопроводов образующимся твердым карбамидом и их коррозию. [4]

На рис. 2. приведена технологическая схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом и двухступенчатой дистилляцией плава мощностью 90 тыс. тонн в год.



Рисунок 2. Технологическая схема производства карбамида полным жидкостным рециклом: 1 - смеситель аммиака, диоксида углерода и раствора аммонийных солей, 2 - промывная колонна; 3 - колонна синтеза; 4, 11 - редукторы; 5 - ректификационная колонна I ступени; 6 - сепаратор; 7, 13 - подогреватели; 8 - выпарные аппараты I и II ступеней; 9, 10, 15 - холодильники-конденсаторы; 12 - ректификационная колонна II ступени; 14 - сепаратор II ступени; 16 - сборник раствора карбамида; 17 - сборник плава; 18 - грануляционная башня; 19 - транспортер

Оксид углерода (IV), очищенный от примесей и сернистых соединений, сжатый до 20 МПа, и жидкий аммиак под давлением 11 МПа поступают в смеситель 1 при температуре 80 - 100єС. Сюда же подается раствор аммонийных солей из промывной колонны 2. В смесителе обеспечивается мольное отношение NH3:CO2:H2O=4,1:1:0,1. Из смесителя смесь, разогревшаяся за сет частичного образования карбамата до 171єС, направляется в нижнюю часть колонны синтеза 3, где заканчивается образование карбамата аммония, и он превращается на 61% в карбамид. Для обеспечения оптимального теплового режима в колонну дополнительно вводят жидкий аммиак. Из верхней части колонны плав после дросселирования в редукторе 4 подается на двухступенчатую дистилляцию. Агрегат дистилляции каждой ступени состоит из трех аппаратов: ректификационной колонны, подогревателя и сепаратора. Сначала плав поступает в ректификационную колонну 1 первой ступени 1, где давление снижается до 2 МПа. В колонну 1 из сепаратора первой ступени 6 подается противотоком газ.

В колонне первой ступени проходит выделение карбамида из реакционной смеси, разложение карбамата аммония и образование из аммиака диоксида углерода и воды водного раствора аммонийных солей. Плав из колонны 1, пройдя подогреватель 7, поступает при температуре 160 єС в сепаратор первой ступени 6, в котором разделяются жидкая и газообразная фазы. Газы возвращаются в колонну 1 и оттуда в нижнюю часть промывной колонны 2. Верхняя часть промывной колонны орошается жидким аммиаком и аммиачной водой, поступающей в виде конденсата из выпарного аппарата 8 через холодильник-конденсатор 9. В промывной колонне из газа вымывается диоксид углерода и образуется водный раствор аммонийных солей, а газообразный аммиак отводят из верхней части колонны и после сжижения в холодильнике-конденсаторе 10 возвращают в процесс. Водный раствор аммонийных солей перекачивается в смеситель 1 и оттуда в колонну синтеза 3. Раствор карбамида из сепаратора первой ступени 6 дросселируется до давления 0,3 МПа в редукторе II и подается в ректификационную колонну второй ступени 12, откуда поступает в подогреватель 13 и сепаратор 14. В колонне второй ступени происходят дальнейшее разложение карбамата до аммиака и диоксида углерода и образование водного раствора карбоната и бикарбоната аммония. Из нижней части сепаратора 14 выходит 70% раствор карбамида, а из верхней - парогазовая смесь, содержащая аммиак, диоксид углерода и пары воды, которая поступает в нижнюю часть ректификационной колонны 12. Газовая смесь из колонны 12 охлаждается в холодильнике-конденсаторе 11 и в виде раствора аммонийных солей подается в нижнюю часть промывной колонны 2. Раствор карбамида из сепаратора второй ступени 14 собирается в сборнике 16 и подается на упаривание последовательно в вакуум-аппараты первой и второй ступеней при температуре 140єС и давлении 0,003 МПа. Полученный плав карбамида концентрацией около 0,998 мас. дол. поступает через сборник плава 17 в грануляционную башню 18 и распыляется в ней. Образовавшиеся гранулы при температуре около 70єС транспортером 19 подают на операции классификации, охлаждения и упаковки. Выход карбамида в расчете на диоксид углерода составляет около 91%. [6]

В последние годы в производстве карбамида был внедрен стриппинг-процесс, в котором разложение карбамата аммония в плаве ведут при давлении, близком к давлению синтеза, путем продувки плава сжатым диоксидом углерода. В этих условиях карбамат аммония диссоциирует за счет снижения парциального давления аммиака и сдвига равновесия реакции 1 влево. На принципе стриппинг-процесса в настоящее время работают установки большой единичной мощности 1000 - 1100 т/сут. Технологическая схема подобного процесса представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 3. Технологическая схема стриппинг-процесса: 1 - конденсатор высокого давления; 2 - колонна синтеза; 3 - отдувочная колонна; 4 - инжектор; 5 - скруббер; 6 - редуктор; 7 - ректификационная колонна; 8 - редуктор; 9 - сборник раствора; 10 - холодильник- конденсатор; 11 - выпарной аппарат; 12 - гранулятор; 13 - транспортер

Из конденсатора высокого давления 1 в нижнюю часть колонны синтеза 2 поступают водный раствор карбамата аммония, аммонийных солей, аммиак и диоксид углерода. Образовавшийся плав направляется в отдувочную колонну 3, обогреваемую паром, в которую противотоком поступает под давлением 11 МПа диоксид углерода. Из колонны 3 парогазовая смесь, содержащая свежий диоксид углерода, поступает в конденсатор высокого давления 1, куда через инжектор 4 вводится жидкий аммиак. Он одновременно служит рабочим телом в инжекторе, подающем в конденсатор раствор аммонийных солей из скруббера 1 и часть плава из колонны синтеза. В конденсаторе образуется карбамат, а тепловой эффект реакции используют для выработки пара. Непрореагировавшие в колонне синтеза газы и пары воды поступают в скруббер высокого давления 5, в котором конденсируются и через инжектор 4 направляются в конденсатор высокого давления 1. Водный раствор карбамида, выходящий из отдувочной колонны 3, содержит до 1% карбамата аммония. Для его разложения раствор дросселируют в редукторе 6 до давления 0,3 - 0,6 МПа и направляют в верхнюю часть ректификационной колонны 7. В ней жидкая фаза в виде 70% раствора карбамида стекает вниз и после снижения давления до 0,1 МПа в редукторе 8 собирается в сборнике раствора 9. Водяные пары, выходящие из ректификационной колонны 7, конденсируются в холодильнике-конденсаторе 10, растворяя содержащиеся в них аммиак и диоксид углерода, и полученный раствор аммонийных солей направляется в скруббер 2. Раствор карбамида из сборника 9 поступает в выпарной аппарат 11 и после упаривания в грануляционную башню 12, откуда в виде гранул направляется транспортером 13 на склад.

Стриппинг-процесс производства карбамида позволяет использовать тепловой эффект реакции образования карбамида, упростить технологическую схему, сократить количество оборотной воды и, в целом, является поэтому более экономичным, чем обычный.

Дальнейшее совершенствование производства карбамида заключается в создании интегральных схем, объединяющих производство карбамида, аммиака и нитрата аммония, повышении единичной мощности установок, внедрении технологических схем со стриппинг-процессом. [6]

В данном курсовом проекте мы рассматриваем технологическую схему в условиях ЗАО «Агро-Череповец». На данном производстве используется технологическая схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом и применением процесса стриппинга:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. технологическая схема производства карбамида с полным жидкостным рециклом и применением процесса стриппинга: 1 - колонна синтеза; 2 - скруббер высокого давления; 3, 6, 8, 11 - холодильники; 4, 10 - насосы; 5 - абсорбер низкого давления; 7 - конденсатор низкого давления; 9 - скруббер; 12 - грануляционная башня; 13 - конвейер; 14, 15 - выпарные аппараты; 16 - сборник; 17 - подогреватель; 18 - ректификационная колонна; 19 - стриппер; 20 - конденсатор высокого давления; 21 - инжектор

Водный раствор карбамата аммония и углеаммонийных солей, газообразные СО2 и NH3 из конденсатора высокого давления 20 поступают под давлением 14--14,5 МПа в нижнюю часть колонны синтеза карбамида 1, где при 180--185°С и примерно в течение часа заканчивается образование карбамата и протекает синтез карбамида. Степень конверсии СО2 в карбамид составляет 57%. Жидкая реакционная смесь (плав) поступает в стриппер 19 и стекает по трубкам вниз. Противотоком плаву подают сжатый в компрессоре до давления 14--14,5 МПа диоксид углерода, к которому для образования пассивирующей пленки и уменьшения коррозии оборудования добавлен воздух в количестве, обеспечивающем в смеси концентрацию 0,5--0,8 об. % кислорода.

В результате снижения парциального давления аммиака начинается разложение карбамата с одновременным поглощением тепла. Температура в стриппере, равная 160°С, поддерживается за счет обогрева межтрубного пространства водяным паром (давление 2,5 МПа). Газы, выходящие из верхней части аппарата, вместе со свежим СО2 поступают в конденсатор высокого давления 20. Сюда же поступает жидкий аммиак и раствор углеаммонийных солей, подаваемые инжектором 21. В конденсаторе образуется карбамат; выделяемое тепло используется для испарения конденсата, поступающего в межтрубное пространство аппарата 20, и получения пара давлением 0,3 МПа.

Из верхней части колонны синтеза непрерывно выходят непрореагировавшие газы, поступающие в скруббер высокого давления 2, в котором большая их часть конденсируется, образуя водный раствор карбамата и углеаммонийных солей. Выделяющееся тепло отводят в холодильнике 3. Полученный в скруббере раствор подают инжектором 21 в аппарат 20, а затем в колонну синтеза. Газы, несконденсировавшиеся в аппарате 2, дросселируются и поступают на окончательное улавливание в абсорбер низкого давления 5.

Водный раствор карбамида, содержащий также 4 -- 5 мас. % карбамата, после аппарата 19 дросселируется до давления 0,3 МПа; при этом часть карбамата разлагается. Газожидкостная смесь поступает на верх ректификационной колонны 18; жидкая фаза стекает по насадке вниз противотоком газопаровой смеси, поднимающейся снизу вверх. Тепло, необходимое для полного разложения карбамата, передается раствору в подогревателе 17, обогреваемом водяным паром. В колонне 18 поддерживается температура 130--140°С. Из верхней части ее выходят NН3, СО2 и водяные пары. В конденсаторе низкого давления 7, охлаждаемом водой, водяные пары сжижаются, в них почти полностью растворяются аммиак и диоксид углерода. Полное поглощение аммиака завершается в скруббере 9, орошаемом аммиачной водой, и в системе кислой абсорбции, на схеме не показанной. Полученный раствор углеаммонийных солей насосом высокого давления 10 возвращают в скруббер 2 для последующей переработки в карбамид.

Из нижней части колонны 18 при 130--135°С выходит 70%-ный водный раствор карбамида. После снижения давления до атмосферного, раствор насосом 4 подают в выпарные аппараты первой и второй ступени 15 и 14, где он упаривается до концентрации 99,8%. Температура на первой ступени выпарки 125--135°С и давление 33--40 кПа, температура на второй ступени 135--140°С и давление 3 кПа.

Плав карбамида насосом 4 подают в грануляционную башню 12. Перед распылением к плаву добавляют карбамидоформальдегидную смолу (5 кг/т), что позволяет получить неслеживающийся гранулированный карбамид, который можно транспортировать к потребителю навалом, не упаковывая в мешки. Для охлаждения и кристаллизации гранул карбамида в нижнюю часть башни поступает воздух, идущий противотоком частицам карбамида. Воздух, уходящий из башни, тщательно промывается в верхней ее части от пыли циркулирующим раствором карбамида.

В целях защиты окружающей среды большое внимание уделяется глубокой очистке газов, выбрасываемых в атмосферу, от диоксида углерода и особенно от аммиака в абсорбере низкого давления 5, скруббере 9 и в аппаратуре кислой абсорбции, а также очистке воздуха, выходящего из грануляционной башни, от пыли. Предусмотрена также очистка сточных вод до санитарных норм перед их сбросом.

Охлажденные гранулы карбамида системой конвейеров подают в бункеры-накопители станции отгрузки и загружают насыпью в железнодорожные вагоны. При отсутствии железнодорожных вагонов карбамид конвейерами направляют на склад. Карбамид, хранящийся на складе, перед отправкой потребителю подают на классификаторы для отсева некондиционного карбамида (размером менее 1 мм и более 4 мм), который растворяется и в виде 50%-ного раствора возвращается на упаривание и грануляцию. [2]

4. Контроль и автоматизация

Управление технологическим процессом осуществляется из ЦПУ (центральный пункт управления), куда выведены приборы, замеряющие температуру, давление, количество и концентрацию в соответствующих технологических узлах производства. Предусмотрены дистанционное регулирование необходимых параметров технологического процесса, пуск и остановка производства из ЦПУ, а также сигнализация отклонений от заданных значений' технологических параметров и блокировки, отключающие подачу тех или иных компонентов и останавливающие соответствующие узлы производства при возникновении аварийных ситуаций. Так, в хранилище жидкого аммиака, откуда он поступает на производство карбамида, поддерживается постоянным уровень аммиака путем регулирования его количества, поступающего из заводской сети. Регулируя количество жидкого аммиака -- хладоагента, испаряющегося в аммиачном холодильнике, поддерживают постоянной температуру жидкого аммиака, идущего в плунжерный насос. Температура жидкого аммиака до инжектора стабилизируется путем изменения количества пара» подаваемого в подогреватель аммиака. Поскольку для пассивации сталей к диоксиду углерода добавляют кислород, возможно образование взрывоопасной смеси в конденсаторах аммиака и в аппаратуре абсорбции. Поэтому необходимо тщательно контролировать содержание горючих газов в диоксиде углерода, не допуская концентрации их выше допустимой (0,05 об. %).

Соотношение [Ог]: [С02] поддерживается постоянным по показаниям автоматического газоанализатора. Отношение [1ЧН3]: [С02] перед колонной синтеза регулируется с помощью клапана на байпасе насоса жидкого аммиака высокого давления. При аварийном снижении уровня жидкого аммиака в расходном хранилище либо при прекращении подачи диоксида углерода срабатывают блокировки, останавливающие производство карбамида. Дистанционно регулируют давление и уровень раствора в колонне синтеза и автоматически поддерживают уровень раствора карбамида в стриппере. Автоматически регулируют температурный режим в ректификационной колонне и уровень жидкости в ней, температурный режим в конденсаторе низкого давления, температуру, уровни н значение вакуума в выпарной установке первой и второй, ступени. [2]

Установка контроля и автоматизации должны отвечать требованиям:

-- «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ);

-- «Указаний по проектированию электроустановок систем автоматизации производственных процессов» МСН 205-69/ММС -- СССР;

-- «Правил безопасности во взрывоопасных и взрыво-пожаро-опасных химических и нефтехимических производствах (ПБВХП-74).

Анализаторные помещения, в которых установлены измерительные преобразователи и другие приборы и средства автоматизации во взрывобезопасном исполнении, могут встраиваться во взрывоопасные и взрывопожароопасные помещения и наружные установки. При этом должно быть исключено постоянное пребывание работающих в анализаторных помещениях.

В помещении газоанализаторов не разрешается устанавливать электрические приборы, не относящиеся непосредственно к газоанализаторам.

Помещения для газоанализаторов должны быть обеспечены отдельной системой постоянно действующей механической вентиляции.

Система вентиляции должна иметь резервный вентилятор, включающийся автоматически при отключении работающего.

В случае, когда анализируемый газ отбирается из аппарата или трубопровода, в котором давление превышает требуемое для газоанализаторов, на линии отбора газа до места ввода его в помещение газоанализаторов предусматриваются:

1) отключающий запорный орган (количество определяется давлением);

2) ручное или автоматическое редуцирующее устройство;

3) предохранительные устройства для сброса избытка газа в атмосферу при повышении его давления выше необходимого для каждого типа газоанализатора.

Предохранительные устройства устанавливаются изолированно для каждого газоанализатора.

Устанавливать общее предохранительное устройство на группу газоанализаторов запрещается.

Перечень устанавливаемых в производствах контрольно-измерительных и регулирующих приборов, аварийной и предупредительной сигнализации, а также параметров, входящих в систему блокировки, должен вноситься в утвержденные для каждого производства технологические регламенты.

Устанавливаемая на трубопроводах запорная и регулирующая арматура, диафрагмы и первичные измерительные приборы должны быть легко доступны для обслуживания и иметь площадки для обслуживания при расположении этих приборов выше 1,8 м.

Автоматические отсекатели должны иметь автоматическую сигнализацию положения. Сигнализация должна выноситься на центральный щит управления.

В производственных помещениях, в местах, где возможно выделение взрывоопасных газов и паров, должны устанавливаться автоматические сигнализаторы наличия горючих газов в воздухе помещений, сблокированные с включением системы аварийной вентиляции.

Для нужд КИП и приборов автоматического регулирования должны предусматриваться специальные установки и сети сжатого воздуха с параметрами, соответствующими ГОСТ 11882-66. Отбор воздуха для технологических нужд из сети сжатого воздуха для нужд КИПиА не допускается.

Сети сжатого воздуха должны иметь буферные емкости, обеспечивающие запас сжатого воздуха для работы приборов не менее 1 ч.

Монтаж импульсных труб в блоках глубокого охлаждения следует производить согласно «Техническим условиям на монтаж оборудования установок разделения воздуха для получения кислорода, азота и редких газов».

Максимальное удаление исполнительного органа от командного прибора при пневматической системе управления должно быть таким, чтобы время поступления импульса не превышало допустимого.

Все помещения взрывоопасных и взрыво-пожароопасных производств должны быть обеспечены телефонной связью, громкоговорящими устройствами или переносными устройствами связи. Телефонные аппараты или извещатели, а также громкоговорящие устройства и другие устройства связи в этих помещениях должны быть выполнены в соответствии со средой помещения. [7]

5. Материальный баланс колонны синтеза карбамида

1. Вычисляем необходимые количества аммиака и двуокиси углерода. [8]

Стехиометрические количества аммиака и двуокиси углерода на 50000 кг мочевины составляют:

где - молярная масса аммиака (17 г/моль);

- масса карбамида (50000 кг);

n - стехиометрический коэффициент;

- молярная масса карбамида, (60 г/моль).

где молярная масса углекислого газа, (44 г/моль).

С учетом 7 % потерь мочевины при дистилляции и упаривании плава:

50000 - 100 %

х - 7 %

Т.е. в колонне должно образоваться 53500 кг мочевины для получения 50000 кг готового продукта.

На образование этого количества мочевины расходуются следующие количества реагентов:

С учетом степени превращения образующегося карбамата аммония в мочевину и заданного избытка аммиака практический расход реагентов составит:

где 1,25 - коэффициент, учитывающий избыток аммиака;

60 - степень превращения карбамата аммония в мочевину, [г] = %. [8]

2. Вычисляем количество инертных газов, поступающих в колонну синтеза с двуокисью углерода [9]:

При составлении расчета принимаем, что инертные газы - это 100 %-й азот.

где 3 и 97 - содержание СО2 и N2 в газе, служащем источником углекислого газа, %.

3. Находим количество карбамата аммония и мочевины:

• в колонне образуется карбамата аммония:

где - молярная масса карбамата аммония, (78 г/моль).

• из 115916,51 кг карбамата аммония образуется мочевины:

• выделяется воды:

При степени превращения карбамата аммония в мочевину 60 %, количество разложившегося карбамата составляет:

4. Определяем количество аммиака, уходящего с продуктом реакции [9]:

• на образование карбамата аммония расходуется аммиака:



• остается непрореагировавшего аммиака:

Таблица 2.

Материальный баланс синтеза карбамида (на 50 т готового продукта)

Приход	Расход
Исходное сырьё	кг	%	Продукты	кг	%
NН3	126319,6	65,20		53500	27,6
СО2	65388,8	33,75		48388,8	25
N2	2022,31	1,05	Н2О	16049,97	8,28
			NН3(изб)	75791,89	39,12
Всего	193730,71	100	Всего	193730,66	100

5. Выделившаяся вода взаимодействует с избыточным аммиаком, образуя NН4ОН, количество которого равно:

где - молярная масса гидрата аммония, (35 г/моль).

На образование 31208,27 кг гидрата аммония затрачивается аммиака:



Остается избыточного аммиака в газовой фазе:

6. Невязка составляет:

7. Тепловой баланс колонны синтеза карбамида.

1. Приход теплоты [9]:

• Количество теплоты, поступающей с СО2:

(1)

где - теплоемкость при Т;

Т - температура .

• Количество теплоты, поступающей с NН3:

(2)

где - энтальпия жидкого аммиака при 60оС.

• Теплота образования карбамата аммония:

где - тепловой эффект реакции образования твердого карбамата аммония из газообразного аммиака и двуокиси углерода, кДж/кмоль; [9]

- теплота плавления карбамата аммония, кДж/кмоль.

• Теплота образования гидрата аммония:

где q3 - тепловой эффект образования из аммиака и воды, кДж/кмоль.

• Суммарный приход теплоты:

Qприх = Q1+ Q2+ Q3+ Q4 (5)

Qприх = 2348111,81 + 36771635,56 + 121703418,8 + 9474830,77 = 170297997 кДж

2. Расход теплоты [9]:

• На образование мочевины:

где - тепловой эффект конверсии карбамата при избытке аммиака 125 % от стехиометрического количества, кДж/кмоль.

• На подогрев жидкого аммиака от 60оС до 132,9оС:



где - теплоемкость аммиака, кДж/(кг • К).

• На подогрев двуокиси углерода от 35оС до 132,9оС:

где - теплоемкость двуокиси углерода, кДж/(кг • К).

• На подогрев образующегося карбамата аммония от 132,9оС до 200оС:

где - теплоемкость карбамата аммония, кДж/(кг • К).

• На подогрев избыточного газообразного аммиака:

где - теплоемкость газообразного аммиака при tср = 166,5оС и давлении Р = 20 МПа, кДж/(кг • К).

• На подогрев NH4ОН от 139,5оС до 200оС:

где С() - теплоемкость , кДж/(кг • К).

• Теплота, уходящая с плавом мочевины при 200оС:

Определяем среднюю теплоемкость плава мочевины по следующей формуле:

где См, Скарб, Сам, Св, Саз - концентрации мочевины, карбамата аммония, аммиака, воды, инертного газа (азота);

1,344; 1,951; 2,470; 4,187; 0,921 - теплоемкости указанных веществ, кДж/(кг • К).

• Теплопотери в окружающую среду принимаем равными 5 % от общего количества теплоты, приходящейся в колонну синтеза:

Q'расх = Q1+ Q2+ Q3+ Q4 + Q5 + Q6 + Q7 = 16948800 + 22745486 + 7010791 + 13682263,2 + 9060780,5 + 7905476,1 + 84079123,8 = 161432720,6 кДж

• Суммарный расход тепла составляет:

Qрасх = Q1+ Q2+ Q3+ Q4 + Q5 + Q6 + Q7 + Q8 (14)

Qрасх = 16948800 + 22745486 + 7010791 + 13682263,2 + 9060780,5 + 7905476,1 + 84079123,8 + 8793266,5 = 180225987 кДж

Таблица 3. Тепловой баланс колонны синтеза мочевины

Приход	Расход
Поток	кДж	%	Поток	кДж	%
Q1	2348111,81	1,4	Q1	16948800	9,9
Q2	36771635,56	21,6	Q2	22745486	13,5
Q3	121703418,8	71,5	Q3	7010791	4,2
Q4	9474830,77	5,5	Q4	13682263,2	8,1
			Q5	9060780,5	0,5
			Q6	7905476,1	4,8
			Q7	84079123,8	49,5
			Q8	8793266,5	5,2
Всего	170297997	100	Всего	170225987	100

Расхождение между вычисленными значениями прихода и расхода теплоты составляет:

6. Характеристика колонны синтеза

Наибольший интерес среди твердых азотных удобрений вызывает карбамид, что обусловлено высоким содержанием азота (46%), лучшими физическими свойствами по сравнению с другими азотосодержащими удобрениями, эффективностью применения в сельском хозяйстве и промышленности.

Одним из основных аппаратов в технологии получения карбамид является реактор синтеза карбамида. Который по гидродинамическому режиму приближен к реакторам идеального вытеснения (РИВ). Движения потока в РИВ является поршнеобразным, при котором все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и позади них и полностью вытесняя находящиеся впереди них частицы потока. Для таких реакторов характерно плавное изменение концентраций исходных реагентов и продуктов реакции по всей длине аппарата.

В реальных реакторах имеются отклонения от режима идеального вытеснения. В реакторах для синтеза карбамида эти отклонения часто связаны с конструкцией используемых тарелок. Существуют два основных типа таких контактных устройств. Первый - перфорированные ситчатые тарелки. Для таких тарелок характерно течение жидкой и газовой фаз через одни и те же отверстия. В результате распределение движения этих потоков происходит случайным образным, что приводит к образованию застойных зон и степень конверсии оксида углерода (IV) в карбамид снижается.

Для тарелок второго типа характерно наличие кольцевого пространства между перфорированной частью тарелки и стенкой реактора. В этом пространстве осуществляется преимущественно движение жидкой фазы, в то время как в перфорированной части тарелки в центре реактора происходит движение газовой фазы. Скорость движения жидкости в кольцевом пространстве значительно ниже скорости газа, однако даже при такой скорости у границы стенки реактора возможно образование байпасных каналов. При образовании таких каналов часть жидкости течет вдоль стенки реактора, не смешиваясь с остальной частью жидкой фазы. В результате нарушается равномерное распределение концентрации компонентов смеси по длине аппарата, и степень конверсии СО2 в карбамид падает.

Для тарелок обоих типов также характерно наличие эффекта обратного перемешивания. Оно связано с неидеальной структурой потока, а также с наличием пульсаций в жидкой фазе, что приводит к перемещению некоторого количества жидкой фазы против направления движения поршня. В результате, в нижней части реактора происходит увеличение концентрации карбамида, что приводит к нарушению равновесия реакции дегидратации и также вызывает снижение степени конверсии оксида углерода (IV). [10]

Колонна (см. эскиз) состоит из стандартного сосуда 3 высокого давления, внутри сосуда с крышкой 1 установлены 2 стакана 4 и 5, изготовленные из стали 10Х17Н13М2Т или 10Х17Н13М3Т. Для удобства изготовления и монтажа каждый стакан выполняют из двух частей, соединенных фланцами. Наружный стакан опирается днищем на нижнюю крышку колонны. Для центровки его в корпусе колонны к нему приварены бобышки.

Для лучшего смешивания реагентов в стакане установлены пять перегородок с направляющими лопастями 6, которые придают движущемуся потоку вращательное движение.

Внутренний стакан установлен четырьмя лапами на кольцо 2, закрепленное в верхней части колонны.

Синтез мочевины протекает при давлении 20 МПа и температуре 185 - 200оС в жидкой фазе. Для этого жидкий аммиак подается под давлением 20 МПа при температуре 60 - 70оС. Он поднимается в кольцевом зазоре между стенкой корпуса и стаканом 4, а затем, проходя между стенками стаканов, заполняет внутренний стакан. Одновременно во внутренний стакан вводится углекислый газ, который благодаря наличию полок и лопастей интенсивно смешивается и реагирует с аммиаком. Образующийся плав мочевины поднимается и выводится сверху. [11]

Корпус и крышка колонны изготовлены из углеродистой низколегированной стали. В связи с коррозийной активностью среды современные колонны синтеза футерованы изнутри листами хромоникельмолибденовой стали 0Х17Н16М3Т или стали 0Х17Н3М3Т, отличающейся от предыдущей марки пониженным содержанием никеля. Обе стали устойчиво работают в режиме синтеза карбамида в течение длительного времени. [2]



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выводы

В ходе курсового проекта по заданным условиям рассчитали материальный и тепловой баланс колонны синтеза карбамида (на 50 т/ч мочевины в виде сухого готового продукта), работающей при Р = 20 МПа, а также выполнили механические расчеты и выбор вспомогательного оборудования.

Рассчитали толщину стенки корпуса колонны (180 м), эллиптического днища (0,10 м) и высоту стенки плоской крышки (240 м).

Провели введение в классификацию удобрений, рассмотрели физико-химические основы процесса, дали характеристику исходного сырья и готового продукта, описание технологической схемы и колонны синтеза. По регламенту изучили общие требования к производству карбамида, а именно: правила техники безопасности, контролю и автоматизации производства.

Список использованной литературы

1. М. Е. Позин. Технология минеральных удобрений. - Л.: Химия, 1989. - 327с.

2. Мельников Е. Я., Салтанова В. П., Наумова А. М., Блинова Ж. С. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений. - М.: Химия, 1983-432 с.

3. Синева К. Н., Рябов В. Ф. и др. Производство карбамида. - М.: Химия, 2003 - 270 с.

4. Горловский Д. М., Альтшулер Л. Н., Кучерявый В. И. Технология карбамида. - Л.: Химия, 1981 - 320 с.

5. Кучерявый В. И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. Изд-во: «Химия», 1970 - 448 с.

6. Основы проектирования химических производств: Учебник для вузов / Под ред. А. И. Михайличенко. - М.: ИКЦ “Академкнига”, 2005. - 332с.

7. Инструкция по охране труда и рабочему месту аппаратчика производства мочевины (старшего) ИОТРМ-01-ПМ (ТС). ООО ПК «Агро-Череповец» Производство мочевины. 2007 г.

8. Расчеты по ТНВ / Под ред. Проф. М. Е. Позина - Л.: Химия, 1977. - 496с.

9. Атрощенко В.И., Гелперин И.И. Методы расчетов по технологии синтеза связанного азота. 2-е изд. Киев, 1978 - 312с.

10. Материалы XI региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо - Кавказскому региону». Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2007 - 278 с.

11. Криворот А. С. Конструкции и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. Учебное пособие. М., «Машиностроение», 1976 - 376 с.

12. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И.: Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию - М: Химия, 1991 - 496с.

13. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник / Хисматуллин Е.Р., Королев Е.М., Лившиц В.И. и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.

14. ГОСТ 25215-82: «Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища. Нормы и методы расчета на прочность».

15. Технология важнейших отраслей промышленности / Под ред. А. М. Гинберга. М.: Высшая школа, 1985.

16. Кукин П.П., Лапин В.Л., Пономарев Н.Л. Безопасность технологических процессов производств (Охрана труда). - М.: Высш. шк., 2001. - 319 с.

Размещено на Allbest.ru