Синтез карбамида производительностью 100 тонн. Григорьева Р.Н._ХТбз-1702а_ХТНВ_КР (2). Гранулирование плава карбамида

• Название: Гранулирование плава карбамида
• Анкор: Синтез карбамида производительностью 100 тонн
• Дата: 06.11.2022
• Размер: 0.54 Mb.
• Имя файла: Григорьева Р.Н._ХТбз-1702а_ХТНВ_КР (2).docx
• Тип: Реферат; #773455
• страница: 3 из 4

Выпаривание

Отделение форвыпарки представлено рекуператором (позиция 11) и двумя сепараторами (позиция 12 и позиция 13). Всё отделение работает под давлением (давление около 0,5 кгс/см²), создаваемым эжекторами. Это предусмотрено для максимального снижения образования биурета как нежелательного побочного продукта, так как длительное поддержание высокого давления и высокой температуры ведёт к значительному его образованию.

Плав проходит сепаратор (позиция 12), далее в рекуператор (позиция 11), где разделяется на газ, подающийся на сепаратор (позиция 13), и плав, подающийся в общий сборник (позиция 15). Из сборника плав с концентрацией CO(NH₂)₂ ≥ 72 %. откачивается насосами в отделение выпаривания.

В отделении выпаривания расположены последовательно расположенные друг за другом два испарителя (позиция 18 и позиция 20) и два сепаратора (позиция 19 и позиция 21). Плав из сборника (позиция 15) подаётся на первую ступень в испаритель (позиция 18) и далее в сепаратор (позиция 19), где он нагревается до температуры от 120 ℃ до 130 ℃ под вакуумом от 0,54 до 0,68 кгс/см². При этом раствор CO(NH₂)₂ (плав) достигает концентрации 92 %. Из сепаратора (позиция 19) раствор CO(NH₂)₂ переходит на вторую ступень в испаритель (позиция 20) и далее в сепаратор (позиция 21), где он нагревается до температуры от 135 ℃ до 140 ℃ и окончательно упаривается до 99,8 %.

После упаривания раствор CO(NH₂)₂ из сепаратора (позиция 21) насосами подаётся на верх гранбашни (позиция 22), в грануляторы. Там с помощью грануляторов он разбрызгивается по сечению гранбашни, и за время падения превращается в гранулы. Это происходит за счёт подаваемого снизу потока воздуха, который обеспечивают два вентилятора. Гранулы падают на поверхность охлаждающего аппарата «кипящего слоя» и после остывания с помощью системы транспортёров подаются на фасовку и отгрузку.

В продажу карбамид поступает либо в мешках по 50 кг либо с помощью железнодорожных путей в вагонах по 70 тонн. Технологическая схема производства представлена на рисунке 1



Рисунок 1 – Технологическая схема производства карбамида:

1 – колонна синтеза; 2,5 – ректификационная колонна первой ступени дистилляции; 3 – стриппер-дистиллятор; 4 – дистиллятор низкого давления; 6 – подогреватель второй ступени дистилляции; 7 – сепаратор второй ступени дистилляции; 8 – конденсатор; 9 – сборник второй ступени дистилляции; 10 – промывная колонна; 11 – рекуператор; 12 – сепаратор форвыпарки(первый); 13 – сепаратор форвыпарки (второй); 14 – барботёр; 15 – сборник второй ступени дистилляции; 16 – конденсатор аммиака; 17 – сборник возвратного аммиака; 18 – испаритель первой ступени выпаривания; 19 – конденсатор первой ступени выпаривания; 20 – испаритель второй ступени выпаривания; 20 – конденсатор второй ступени выпаривания; 22 – гранбашня.

3. 
   Расчеты технологических процессов
   

1. 
   Расчёт материального баланса узла синтеза карбамида
   

Таблица 7 – Исходные данные для расчета материального баланса:

	Исходные данные:	Показатели
1	Состав жидкого NH3:
	− NH3	99,6 %
	− Н2О	0,4 %
2	Состав углекислоты газообразной:
	− CO2	97,5 %
	− прочие газы	2,5 %
3	Мольное соотношение компонентов:
	− NH3 : CO2: Н2О	4: 1 : 0,9
4	Давление в колонне синтеза	20 МПа
5	Потери CO(NH2)2 составляют:
	− при дистилляции	5 %
	− при упаривании	1 %
	(в т.ч. безвозвратные потери)	0,5 %
	− при грануляции	1 %
6	Температура в колонне синтеза	190 ℃
7	Температура жидкого NH3	25 ℃
8	Температура CO2	20 ℃
9	Температура раствора УАС	90 ℃
10	Теплота реакции образования твёрдого NH2CO2NH4	38000 ккал/кмоль
11	Теплота конверсии NH2CO2NH4 в CO(NH2)2	-7700 ккал/кмоль
12	Производительность	100 тыс. т/г
13	Степень превращения СО2 в CO(NH2)2	65 %
14	Содержание NH3 в растворе УАС	40 %
15	Плотноть прочих газов	0,73 кг/м3

Произведём пересчёт теплот основных реакций из ккал/кмоль в кДж/кмоль для дальнейшего удобства расчётов и запишем основные уравнения:

Уравнения реакций:

СО2 + 2NH3 ↔ NH2COONH4 + Q(1) (158992 кДж/кмоль),	(9)
NH2COONH4 ↔ CO(NH2)2 + H2O – Q(2) (32216,8 кДж/кмоль).	(10)

По данным ПАО «КуйбышевАзот», производительность установки G' составляет 100000 т/г. Произведём перерасчёт производительности на кг/ч по формуле (11):

,

(11)

где: G – производительность установки, кг/ч;

G' – производительность установки, равная 100000 т/г;

τ – 24 часа в сутках.

.

Учитывая потери CO(NH₂)₂ при дистилляции, упаривании и грануляции, равные 7 %, рассчитаем необходимое количество CO(NH₂)₂ для получения 20833 кг/ч продукта:

,

(12)

где: – теоретическое необходимое количество CO(NH₂)₂, кг/ч.

.

Определим практический расход реагентов, с учетом степени превращения NH₂CO₂NH₄ в CO(NH₂)₂, из заданного мольного соотношения реагентов по формуле (13).

,

(13)

где: m_реаг. – практический расход реагентов, кг/ч;

x_n – мольное соотношение каждого реагента:

x₁ = 4 для NH₃;

x₂ =1 для CO₂;

x₃ = 0,9 для H₂O;

– степень превращения, равная 0,65.

,

,

.

Определим количество NH₃, СО₂, Н₂О возвращающихся в цикл с раствором УАС с помощью уравнений (14) – (17).

,	(14)
,
,
,

где: b – содержание СО₂;

c – содержание Н₂О;

а – содержание NH₃, равное 0,4.

,

(15)

где: m'(CO₂) – масса СО₂ в растворе УАС, кг/ч.

,

(16)

где: m'(NH₃) – масса NH₃ в растворе УАС, кг/ч.

,

(17)

где: m'(Н₂О) – масса Н₂О в растворе УАС, кг/ч.

Рассчитаем количество свежего и возвратного NH₃ без учета NH₃, возвращаемого с УАС по формуле (18):

,

(18)

где: А₁ – количество свежего и возвратного NH₃ без учета NH₃, возвращаемого с УАС, кг/ч.

Рассчитаем количество H₂O, вводимое со свежим и возвратным NH₃ из уравнения (19):

,

(19)

где: В₁ – количество H₂O, вводимое со свежим и возвратным NH₃, кг/ч.

.

В₁ также можно определить из уравнения (20), преоборазовав его в уравнение (21):

,	(20)
,	(21)
.

Приравняем правые части уравнений (19) и (21) для В₁ и решим получившееся уравнение:

,

,

,

,

,

,

.

Рассчитаем количество получаемых УАС по формуле (22):

,

(22)

где: m(УАС) – количество получаемых УАС, кг/ч.

,

,

.

Определим общее количество и объёмы углекислоты, чистого СО₂ и прочих газов, поступающих в колонну синтеза, с помощью формул (23) – (27):

,

(23)

где: q(CO₂) – общее количество углекислоты, кг/ч.

.

,

(24)

где: – объём чистого СО₂ в углекислоте, м³/ч;

V_m – молярный объём, м³/кмоль;

– содержание чистого СО₂.

.

,

(25)

где: V_{прочих газов} – объём прочих газов, поступающих с углекислотой, м³/ч;

– содержание прочих газов.

.

,

(26)

где: m_{прочих газов} – количество прочих газов, поступающих вместе с углекислотой, кг/ч.

.

,

(27)

где: – количество СО₂, поступающего вместе с углекислотой, кг/ч.

.

Количество образующегося NH₂CO₂NH₄ рассчитаем по уравнению (28):

,

(28)

где: m(NH₂CO₂NH₄) – количество образующегося NH₂CO₂NH₄, кг/ч.

.

Рассчитаем количество NH₃, идущее на образование NH₂CO₂NH₄, количество избыточного NH₃ и неразложившегося NH₂CO₂NH₄, а также количество Н₂О, выделившейся при превращении NH₂CO₂NH₄ в CO(NH₂)₂ по формула (29) – (32):

,

(29)

где: m(NH₃)_{на карбамат} – количество NH₃, идущее на образование NH₂CO₂NH₄, кг/ч;

n – стехиометрический коэффициент.

.

,

(30)

где: m(NH₃)_изб. – количество избыточного NH₃, кг/ч.

.

,

(31)

где: m(NH₂CO₂NH₄)_ост. – количество не разложившегося NH₂CO₂NH₄, кг/ч.

.

,

(32)

где: m(H₂O)_доп. – количество Н₂О, выделившейся при превращении NH₂CO₂NH₄ в CO(NH₂)₂, кг/ч.

.

Рассчитаем общее количество Н₂О в колонне синтеза по формуле (33):

,

(33)

где: m(H₂O)_общ. – количество Н₂О, кг/ч.

.

Рассчитаем количество NH₄OH, образующегося при взаимодействии Н₂О и NH₃, количество связывающегося с Н₂О и свободного с NH₃ по формулам (34) – (36) и внесём все полученные результаты в таблицу 8:

,

(34)

где: m(NH₄OH) – количество NH₄OH, кг/ч;

ММ(NH₄OH) – молекулярная масса NH₄OH, кг/кмоль.

.

,

(35)

где: m(NH₃)_связ. – количество NH₃, связывающегося с Н₂О, кг/ч.

.

,

(36)

где: m(NH₃)_связ. – количество свободного NH₃, кг/ч.

.

Таблица 8 – Сводная таблица материального баланса

Приход				Расход
Компонент		кг/ч	%		Компонент	кг/ч	%
NH3, свежий и возвратный:	NH3		36,08		NH2CO2NH4, ост.		21,25
	H2O	112,45	0,28		CO(NH2)2		30,36
CO2, свежий и возвратный:	CO2		20,98		NН4ОH		42,23
	Прочие газы	78,94	0,20		Прочие газы	78,94	0,2
Раствор УАС:	NH3		16,98		NН3, своб.		5,96
	H2O		12,32
	CO2		13,16
Итого:		40133,1	100			40230,6	100

Неувязка составила , её можно объяснить округлением при ведении подсчётов.

2. 
   Расчёт теплового баланса узла синтеза карбамида
   

1. Рассчитаем приходы теплоты с различными компонентами по формулам (37) – (46):

,

(37)

где: Q₁ – количество теплоты, поступающей c жидким NH₃, кДж/ч;

c(NH₃) – теплоёмкость жидкого NH₃ при T₁, равная 4,776 кДж/кг∙℃;

T₁ – температура NH₃, равная 25 ℃.

.

,

(38)

где: Q₂ – количество теплоты, поступающей CO₂, кДж/ч;

c(CO₂) – теплоёмкость CO₂ при T₂; 1,026 кДж/кг∙℃;

T₂ – температура CO₂, равная 20 ℃.

.

,

(39)

где: Q₃ – количество теплоты, поступающей с прочими газами, кДж/ч;

c_{прочих газов} – теплоёмкость прочих газов, равная 1,026 кДж/кг∙℃;

T₃ – температура CO₂, ℃.

.

,

(40)

где: Q₄ – количество теплоты, поступающей с образованием NH₂CO₂NH₄, кДж/ч;

Q(1) – теплота образования твёрдого NH₂CO₂NH₄, кДж/кмоль;

q(NH₂CO₂NH₄)_плав – теплота плавления NH₂CO₂NH₄, равная 77404 кДж/кмоль.

.

,

(41)

где: Q₅ – количество теплоты, поступающей с образованием NH₄OH, кДж/ч;

q_раств – теплота растворения 1 кмоля газообразного NH₃ в 1 кмоле Н₂О, равная 29540 кДж/кмоль;

∆Н(NH₃)_ж – стандартная энтальпия жидкого NH₃, равная 69870 кДж/кмоль;

∆Н(NH₃)_г – стандартная энтальпия газообразного NH₃, равная 46190 кДж/кмоль;

.
Расчитаем количество тепла, поступающего с раствором УАС по формулам (42) – (45) при температуре, равной 95 ℃ и давлении, равном 20 МПа:

,

(42)

где: Q(NH₃)_УАС – количество теплоты, поступающей с NH₃, кДж/ч;

H(NH₃)_УАС – количество теплоты, поступающей с 1 кг NH₃, равное 485 кДж/ч;

.

,

(43)

где: Q(CO₂)_УАС – количество теплоты, поступающей с CO₂, кДж/ч;

H(CO₂)_УАС – количество теплоты, поступающей с 1 кг CO₂, равное 232,2 кДж/ч;

.

,

(44)

где: Q(Н₂О)_УАС – количество теплоты, поступающей с Н₂О, кДж/ч;

H(Н₂О)_УАС – количество теплоты, поступающей с 1 кг Н₂О, равное 434,2 кДж/ч;

.

,

(45)

где: Q₆ – количество теплоты, поступающей с раствором УАС, кДж/ч;

.

Рассчитаем суммарный приход тепла по формуле (46):

,

(46)

где: Q – суммарный приход тепла, кДж/ч.



.

2. 
   Рассчитаем расходы теплоты с различными компонентами по формулам (47) – (57):
   

,

(47)

где: – расход тепла на образование CO(NH₂)₂, кДж/ч;

Q(2) – теплота конверсии NH₂CO₂NH₄ в CO(NH₂)₂, кДж/кмоль.

.

,

(48)

где: – расход тепла на подогрев реагирующей части NH₃ от 25 до 132,4 °С, кДж/ч;

T' – критическая температура NH₃, ℃.

.

,

(49)

где: – расход тепла на подогрев CO₂ от 20 до 132,4 ℃, кДж/ч.

.

,

(50)

где: – расход тепла на подогрев CO₂ из УАС от 95 до 132,4 °С, кДж/ч;

Т₄ – температура раствора УАС, ℃.

.

,

(51)

где: – расход тепла на подогрев NH₂CO₂NH₄, превращающегося в CO(NH₂)₂ от 132,4 до 190 ℃, кДж/ч;

с(NH₂CO₂NH₄) – теплоёмкость NH₂CO₂NH₄, равная 1,948 кДж/кг∙℃.

T'' – температура в колонне синтеза, ℃.

.

,

(52)

где: – расход тепла на подогрев избыточного газообразного NH₃, кДж/ч;

с(NH₃) – теплоёмкость газообразного NH₃, равная 2,47 кДж/кг∙℃.

.

,

(54)

где: – расхода тепла на подогрев NH₄OH от 132,4 до 190 ℃, кДж/ч;

с(NH₄OH) – теплоёмкость NH₄OH, равная 4,187 кДж/кг∙℃.

,

(55)

где: с(CO(NH₂)₂) – теплоёмкость плава CO(NH₂)₂, кДж/кг∙℃;

ω(х) – содержание каждого компонента в потоке продуктов, %:

ω(NH₃) – содержание NH₃;

ω(NH₄OH) – содержание NH₄OH;

ω(NH₂CO₂NH₄) – содержание NH₂CO₂NH₄;

ω(CO(NH₂)₂) – содержание CO(NH₂)₂;

ω_{прочих газов} – содержание прочих газов.

.

,

(56)

где: – расход тепла, уходящего вместе с расплавом CO(NH₂)₂, кДж/ч;

m_{общ.,прод.} – общая масса продуктов, равная 73419,61 кг/ч.

.

,

(57)

где – потери окр среды, кДж/ч.

.
Посчитаем общий расход теплоты по формуле (58):

,

(58)

где: Q' – суммарный расход тепла, кДж/ч.



Таблица 9 – Сводная таблица теплового баланса

Приход			Расход
Компонент	кДж/ч	%		Компонент	кДж/ч	%
		4,99				16,465
		0,5				10,628
		0,004				2,46
		73,79				0,51
		1,428				4,47
		19,288				0,86
						10,288
						52,58
						1,739
Итого:		100		Итого:		100

Дефицит тепла посчитаем по формуле (59):

,

(59)

где: Q_деф – дефицит тепла, кДж/ч.

.

Для ликвидации этой неувязки осуществляем предварительный нагрев NH₃. Найдём энтальпию NH₃ при данных условиях по формуле (60):

,

(60)

где: H – энтальпия NH₃, кДж/кг.

.

Данной энтальпии соответствует температура, равная 50 ℃.

3. 
   Расчёт гранулятора барабанного типа
   

Исходные данные:

1. 
   Производительность по готовому продукту: .
   
2. 
   Средний диаметр гранул продукта: .
   
3. 
   Средний диаметр частиц ретура: .
   
4. 
   Воздухосодержание ретура: .
   
5. 
   Содержание жидкой фазы в шихте, соответствующее началу
   

гранулообразования: .

6. 
   Растворимость карбамида при 20℃: .
   
7. 
   Насыпная плотность готового продукта: .
   
8. 
   Коэффициент заполнения барабана: Ф=15%.
   
9. 
   Диаметр гранул, соответствующее началу гранулообразования: .
   
10. 
    Скорость подъема частиц слоя .
    
11. 
    Время пребывания карбамида в грануляторе: .
    

Содержание жидкой фазы в гранулируемой шихте определяется:



где: m и n для карбамида равны соответственно 68 и 1,7:





Из вышеуказанного уравнения рассчитываем воздухосодержание шихты:







Относительное количество ретура:






Объемный расход шихты через гранулятор:





Задаваясь соотношением длины и диаметра барабана , определяем диаметр барабана:





Принимаем D=1,9 м.

Длина барабана при этом будет:





Осевая скорость перемещения карбамида в барабане:





Действительное время пребывания в грануляторе:





По найденным размерам барабана определяем его угловую скорость:





Н а рисунке 2 спроектирован гранулятор барабанного типа
Рисунок 2 – Проектируемый гранулятор барабанного типа