Ульянин А.Н._ХТм-1901а. Совершенствование технологии переработки жидкого плава производства карбамида в пао тоаз
 Скачать 2.11 Mb.
|
|
Глава 2 Оптимизация технологии производства карбамида в ПАО «ТольяттиАзот» 2.1 Предложения по оптимизации узла дистилляции среднего давления На промышленных предприятиях многих отраслей технологические процессы во многом зависят от водоснабжения и способов охлаждения воды, что в свое время влияет на общие затраты, себестоимость и качество продукции. К оборотной воде, задействованной в процессе охлаждения, предъявляются повышенные требования в части температуры. Температура воды «в летний период должна быть не выше 28 о С при нагреве воды в охлаждаемом оборудовании на 8–10 о С. Если будет превышение данного показателя, то это может привести к снижению объемов производимой продукции, а также ухудшению ее качества» [15]. На сегодняшний день выявлена тенденция по ограничению создания водоемов – охладителей, так как их создание требует большой площади под затопление, а в условиях дефицита земли это является не рентабельно, несмотря на простоту в эксплуатации и содержании таких искусственных сооружений. Всё большее распространение получают градирни, позволяющие внедрять оборотные системы водоснабжения. Оборотные системы в сравнении с прямоточными имеют свои особенности: отсутствие зависимости функционирования системы от условий окружающей среды (скорость ветра, его направление, температура, влажность воздуха); отсутствие необходимости в постоянном пополнении воды. «При неудовлетворительном состоянии конструкций охладителей температура воды, возвращаемой в водооборотный цикл, часто превышает 38 28 о С, и предприятия для поддержания требуемого температурного режима прибегают к нежелательному приему – «освежению» системы оборотного водоснабжения, при котором повышают до 10% и более сброс (продувку) из системы теплой воды при одновременном увеличении расхода подпиточной свежей воды из природного источника. Работа оборотных систем в таком режиме не соответствует современным требованиям водосбережения и водоохраны, а целесообразность затрат на их эксплуатацию заметно снижается» [15]. Для промышленных предприятий внедряют системы оборотного водоснабжения, которые зачастую включают водооборотные циклы для охлаждения технологического оборудования, а также агрегаты комплексного оборудования. Водооборотные циклы включают в себя насосную станцию, градирню, систему фильтрации с фильтрами и ингибиторной установкой, а также камеру для охлаждения воды. Если водооборотный цикл не один, то на одном из них устанавливают операторную. Фильтры применятся для отслеживания солевого состава воды, проверки ее химического состава. Вся поступающая вода обрабатывается ингибиторами с целью предотвращения коррозии труб, оборудования и арматуры. Виды градирен Рассмотрим существующие виды градирен и области их применения. «Градирня подбирается с учетом различных факторов: атмосферных условий; уровня понижения температуры; расхода воды; технических расчетов; химического состава воды (рабочей и добавочной); местонахождения оборудования на площадке. 39 В зависимости от температуры, предназначения охлажденной воды и способа отдачи тепла, градирни подразделяют на испарительные, сухие и гибридные. Рассмотрим существующие виды градирен с учетом области их применения. Испарительные (мокрые) градирни (рисунок 11) Оснащены специальным оросителем, отделителем капель, водосборным баком, теплообменниками, вентилятором и коллектором. Среди преимуществ оборудования отмечают высокую экономию потребления электроэнергии (до 80 %), надежность системы, малый расход материалов и минимальные ремонтные траты. К минусам относят сложность промывки и очистки, нарастание водяных отложений на поверхности труб» [15]. Рисунок 11 – Испарительная градирня «Вентиляторная градирня (рисунок 12) Воздух подается с помощью одного или нескольких вентиляторов. С помощью вентиляторной градирни качественно и быстро охлаждают воду. Простота эксплуатации, ремонтопригодность и секционное устройство 40 выгодно отличают такое оборудование. Лишь затраты на электроэнергию являются недостатком агрегата» [15]. Рисунок 12 – Вентиляторная градирня «Градирня открытого типа (рисунок 13) Оборудование работает на основе естественной конвекции воздушных масс и ветра. Устройства эффективно охлаждают воду, при этом требуется минимальное количество электроэнергии. Для открытой градирни требуются большие площади и высокая инерционность» [15]. Рисунок 13 – Градирня открытого типа 41 Градирня закрытого типа (рисунок 14) «Требующая охлаждения жидкость, которая применяется для снятия избыточного тепла, поступает через верхний коллектор в теплообменник и выходит из него через нижний коллектор. В первичном контуре исключены потери воды, так как он замкнут. Вода остаётся чистой, не образуя осадка и не корродируя» [15]. Рисунок 14 – Градирня закрытого типа «Башенная градирня (рисунок 15) Это наиболее эффективное оборудование для охлаждения оборотной воды на промышленных предприятиях. В такой градирне тяга для циркуляции воды образуется естественным путем с помощью вытяжной башни. Оборудование способно обеспечивать большой объем охлажденной воды, превышающий необходимый для нужд предприятия. Градирня отличается простотой эксплуатации и минимальными затратами на охлаждение жидкости. Оборудование может быть размещено в непосредственной близости от объекта промышленности. К недостаткам относят сложность конструкции, существенные строительные расходы и высокую инертность» [15]. 42 Рисунок 15 – Башенная градирня Сухая градирня (рисунок 16) «Вода охлаждается посредством теплообменников, вентиляторных устройств и сливных клапанов. Главными ее плюсами является безопасность для окружающей среды: она не загрязняет атмосферу химическими отходами и не увеличивает влажность» [15]. Рисунок 16 – Сухая градирня Гибридная градирня (рисунок 17) «Оборудование используется для мокрого и сухого охлаждения воздушных масс. В процессе работы осуществляется экологический отвод тепла в атмосферу» [15]. 43 Рисунок 17 – Гибридная градирня «Эжекционные градирни (рисунок 18) Принцип работы эжекционной градирни основан на использовании эффекта эжекции, достигаемого с помощью специально разработанных эжекционных форсунок в совокупности с направляющими для водо- воздушных потоков» [15]. Рисунок 18 – Эжекционная градирня «Поперечноточные градирни (рисунок 19) Конструкция поперечноточной градирни предполагает горизонтальное направление потоков воздуха и вертикальное стекание воды. Подача воздуха может происходить с одной или с двух сторон конструкции. Вода подаётся сверху из резервуара и стекает под собственным весом вниз по слою 44 оросителя. За счёт большого количества поступающего воздуха, вода превращается в пар и охлаждается» [15]. Рисунок 19 – Поперечноточная градирня «Противоточные градирни (рисунок 20) Водоохладители, в которых жидкость и воздушный поток двигаются параллельно друг другу, но в противоположных направлениях, называют противоточными. Они делятся на два больших типа: башенные и вентиляторные градирни. Все модели противоточного типа имеют в конструкции трубопровод для подачи воды, ороситель для её разбрызгивания и резервуар для сбора охлаждённой жидкости. Воздух подаётся через естественные отверстия оросителя. Если подача идёт в режиме самотёка – это башенная конструкция, если нагнетается, то вентиляторная градирня» [15]. 45 Рисунок 20 – Противоточная градирня Применение градирен при производстве карбамида С «развитием химической отрасли возникает потребность в оптимизации производственного процесса. Использование оборотных систем водоснабжения позволяет сократить потребление воды, исключить наличие сточных вод, использовать меньшее количество компонентов, необходимых для производственного процесса. Мощность оборудования и необходимый объем воды определяют схему водоснабжения, количество ее контуров и перечень агрегатов. Обслуживание оборотного водоснабжения производится градирнями, насосными станциями (насосами), промышленными баками (ванными, бассейнами), фильтрами. Градирни выполняют охлаждение водной массы после ее использования в производственном процессе. Вода может поступать после охлаждения оборудования, испарения в процессе производства, использования для хозяйственных целей» [15]. «Мощность градирни определяют организация стриппинг-процесса и составляющие узла синтеза. В производстве карбамида градирни выполняют следующие функции: охлаждение оборотной воды; охлаждение сальников насосов» [15]. 46 «При наличии в конструкции градирни брызгоотделителей из схемы внутреннего водооборотного цикла можно исключить оборудование для тонкой очистки сточных вод. Производство карбамида происходит при высоком температурном режиме, что требует установки мощных градирен. Использование башенных градирен не рассматривается из-за химических примесей в воде. Конструкция оборудования должна быть закрытой, а скорость охлаждения воды – максимально высокой. Большую популярность на предприятиях химической отрасли получили вентиляторные градирни. Среди их преимуществ: простые конструкции, обеспечивающие легкость сборки; возможность выдерживать большие гидравлические нагрузки; минимальное испарение воды; быстрое охлаждение воды; развитая поверхность теплообмена. Использование градирен позволяет избежать выбросов NH 3 и CO(NH 2 ) 2 в атмосферу и сделать производство карбамида безопасным для окружающей среды. Преимущества градирен: Высокотемпературный режим производства и насыщенность обрабатываемой воды химическими элементами требуют высокой степени защиты для всех элементов оборудования. Предотвращение коррозии осуществляется за счет использования разработчиками оцинкованной стали, термопластичного покрытия, крепления с помощью болтов без формирования швов» [15]. «Автоматическое управление работой установки позволяет подключать ее к сложным системам водоснабжения. У оператора есть возможность задавать параметры для автономной работы оборудования и управлять им самостоятельно. Химическая промышленность не имеет сезонности, потому предусмотрен в конструкции градирен ТЭН для подогрева поддона, который предотвращает замерзание воды и гарантирует бесперебойную работу оборудования в холодное время года» [15]. 47 Проедем анализ составных частей градирни. «Каркас – один из самых важных элементов, от этого зависит время ввода градирни в эксплуатацию (скорость строительства или монтажа), сколько лет она прослужит так как работает в повышенной влажности, вибронагрузках, обмерзания в зимний период. Для удобства изготавливают модульные железные градирни, металл которых оцинкован и покрыт порошковой краской со вех сторон, а модульная сборка позволяет собрать градирню за 1-2 дня.Водораспределительная система, отвечает за подачи воды в градирню, тут стоит обратить внимание на материал изготовления водопровода, в градирнях используется водопровод из материала ПНД, который зарекомендовал себя как материал устойчивый к высоким температурным и вибрационным нагрузкам. Форсунки – форсунки необходимы для распыления воды, сопла используемые в градирнях специально разработанные с учетом удобства крепления для быстрого монтажа в случаях необходимости, высокой степенью орошения, и самое важное так как в воде часто находиться большое количество грязи, к самоочищению» [15]. Ороситель – элемент градирни, где проходит процесс, при испарении воды происходит ее процесс охлаждении воды, поэтому грамотно подобранный ороситель позволяет пропустить максимальный объем и достичь высокий перепад по температурам между входящей водой и охлажденной. В градирнях используется пленочно-капельный ороситель, который имеет большую площадь для охлаждения, при изготовлении он не сваривается, а имеет сборную конструкцию, именно эта конструкция позволяет легко его обслуживать. Водоуловитель – для снижения потерь воды, капельного уноса в процессе работы градирни, на градирнях рекомендовано ставить капле уловитель, не все производители градирен используют данный элемент, в градирнях используется каплеуловитель из плотного ПВХ материала, а форма изготовлена таким образом, что капля, попадая на него, меняет направления движения 3 раза, процент капельного уноса в градирнях составляет 0,001%. 48 Электродвигатель – входит в состав вентилятора, которым воздух либо нагнетается или вытягивается. Двигатели с верхним расположение в градирне находятся в среде с влажностью 100%, т.к. вытягивают насытившийся влагой воздух из градирни, поэтому должны иметь высокую защиты от влаги и качественное исполнения. В градирнях устанавливаются двигатели российских производителей, которые изготавливаются с учетом эксплуатации в суровых условиях нашей страны, и доступности ЗИП в случае необходимости. Рабочее колесо – вторая составляющая вентилятора, которая и направляет воздушный поток в градирне, они бывают двух видов по расположению, осевые и центробежные, первые устанавливаются как правило на градирни с верхним расположение и вытягивают воздух за счет лопастей, вторые наоборот используются только в нижнем расположении и нагнетают воздух высоким напором (выглядят по форме как «беличье колесо). Для эксплуатации в зимний период рекомендуется использование градирни с нижним центробежным вентиляторов, т.к. он нагнетает сухой воздух с улицы и не подвергается обмерзанию при использовании при отрицательных температурах в отличии от вентилятора с верхним расположением. Жалюзи – в градирнях предусмотрены воздухозаборные окна, для исключения попадания различных предметов в градирню, устанавливают жалюзи, они расположены таким образом, что эффективно распределяют воздушный поток, а также имеют удобные крепления для снятия в случаях осмотра и обслуживание, некоторые производители устанавливают не съемные жалюзи, что в свою очередь затрудняет профилактические осмотры. Бассейн – для сбора охлажденной воды необходима ёмкость, если градирня строительная, то бассейн изготавливается в виде бетонной чаши что требует больших финансовых и временных ресурсов. Изготавливаются модульные градирни и бассейн сразу входит в состав градирни, тем самым 49 снижает стоимость подготовительных затрат для заказчика, а также в разы сокращает время на запуск градирни. 2.2 Расчет материального баланса Оптимальное мольное отношение NH 3 :CO 2 :H 2 O=(3,2-3,6):1:(0,5-0,7) Степень конверсии в карбамид – 60%; Потери мочевины при дистилляции и упаривании – 2,5% Количество инертных газов в смеси +воздух – 0,87% Расчет составляем на 1000 кг карбамида в виде готового продукта (сухого) Вычисляем необходимые количества аммиака и двуокиси углерода. Стехиометрические количества аммиака и двуокиси углерода по реакциям (2.1, 2.2, 2.3): (2.1) (2.2) ( ) (2.3) Составляют на 1000 кг карбамида (по реакции): NH 3 СО 2 , где 17, 60 и 44 – молекулярные массы аммиака, карбамида и двуокиси углерода. Учитывая, что аммиак в производстве используется с избытком, рассчитаем его количество применительно к производству: NH 3 на 1000 кг карбамида. 50 С учетом 2,5% потерь карбамида при дистилляции и упаривании плава в колонне должно образоваться карбамида, поэтому на образование этого количества вещества расходуются следующие количества реагентов, кг: NH 3 кг СО 2 кг С учетом степени превращения, образующегося карбамата аммония в карбамид практический расход реагентов составит, кг: NH 3 количество в пересчете на 62608 кг карбамида СО 2 количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество инертных газов, поступающих в колонну синтеза с двуокисью углерода, кг: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Находим количества карбамата аммония и мочевины, кг: в колонне образуется карбамата аммония – , где 44, 78 – молекулярные двуокиси углерода и карбамата аммония. Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Из 2220,73 кг карбамата аммония образуется карбамид – 51 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Выделяется воды Количество в пересчете на 62608 кг карбамида При степени превращения карбамата аммония в карбамид 60%, количество разложившегося карбамата составляет: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Определяем количество аммиака, уходящего с продуктом реакции, кг: На образование карбамата аммония расходуется аммиака – Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Остается непрореагировавшего аммиака – Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Выделившаяся вода взаимодействует с избыточным аммиаком, образуя NH 4 OH, количество которого равно 52 где 35 и 18 – молекулярные массы NH 4 OH и H 2 O. Количество в пересчете на 62608 кг карбамида На образование 597,9 кг NH 4 OH затрачивается аммиака: кг Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Остается избыточного аммиака в газовой фазе: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Полученные результаты, приведенные к производительности агрегата 62608 кг/ч плава карбамида, и представим на схеме потоков (потоки №1, 2, 3). Образовавшийся плав карбамида в таком соотношении поступает на дистилляцию высокого давления, где из плава отгоняется избыточный аммиак и разлагается часть карбамата аммония, не превращенного в карбамид. Разлагается карбамат аммония по реакции: (2.4) Степень разложения карбамата и гидроксида аммония – 80%; Степень отгонки свободного (избыточного) аммиака – 30%. Степень отгонки инертных газов – 80% 53 NH 3 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида CO 2 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Выделение аммиака также будет происходить по реакции: (2.5) NH 3 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида H 2 O Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество отгоняемого свободного аммиака: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Таким образом, общее количество отгоняемого аммиака составит: 54 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество оставшегося аммиака после дистилляции составит: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество, оставшегося карбамата: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество оставшейся воды: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество отгоняемых инертных газов: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Результаты расчета потоков 4, 5 внесены в таблицу. Далее рассчитаем дистилляцию среднего давления. Степень отгонки – 95%; Степень разложения карбамата аммония – 70%; 55 Количество аммиака и углекислого газа, отгоняемого из разложившегося карбамата аммония: NH 3 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида CO 2 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество, оставшегося карбамата аммония: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество свободного аммиака, отгоняемого после дросселирования: Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Выделение аммиака при разложении гидроксида аммония: NH 3 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида H 2 O Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Количество оставшегося аммиака после дистилляции составит: 56 Количество в пересчете на 62608 кг карбамида Расчетные параметры и схема потоков показаны на рисунке 21. Рисунок 21 – Расчетные параметры и схема потоков |