Бурдин Е.С. _ЭРТбз_1101. Модернизация процесса очистки конвертированного газа от со на примере цеха а оао Тольяттиазот
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тольяттинский государственный университет ИНСТИТУТ ХИМИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ Кафедра Рациональное природопользование и ресурсосбережение 18.03.02 «Энерго-, ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии код и наименование направления подготовки) БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА на тему Модернизация процесса очистки конвертированного газа от СО на примере цеха А ОАО «Тольяттиазот» Студент Е.С. Бурдин ИО. Фамилия) (личная подпись) Руководитель В.С. Гончаров ИО. Фамилия) личная подпись) Допустить к защите завкафедрой Рациональное природопользование и ресурсосбережение к.п.н., М.В.Кравцова ______________ (ученая степень, звание, ИО. Фамилия ) (личная подпись) г. Тольятти 2016 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тольяттинский государственный университет ИНСТИТУТ ХИМИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ Кафедра Рациональное природопользование и ресурсосбережение УТВЕРЖДАЮ Завкафедрой «РПиР» _____________ М.В.Кравцова (подпись) (ИО. Фамилия) г. ЗАДАНИЕ на бакалаврскую работу Студент Бурдин Евгений Сергеевич 1. Тема Модернизация процесса очистки конвертированного газа от СО на примере цеха А ОАО «Тольяттиазот». 2. Срок сдачи студентом законченной выпускной квалификационной работы 02.06.2016 3. Исходные данные к выпускной квалификационной работе Технологический регламент цеха А. 4. Содержание выпускной квалификационной работы 4.1 Анализ основных проблем по повышению качества производительности и улучшения экологии. на ОАО «Тольяттиазот». 4.2 Исследование технологического процесса и модернизация отделения очистки газа от CO 2 ОАО «Тольяттиазот». 4.3 Экологичность и эффективность работы. 5. Дата выдачи задания «16» марта 2016 года Руководитель бакалаврской работы (подпись) В.С. Гончаров ИО. Фамилия) Задание принял к исполнению подпись Е.С. Бурдин ИО. Фамилия федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тольяттинский государственный университет ИНСТИТУТ ХИМИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ Кафедра Рациональное природопользование и ресурсосбережение УТВЕРЖДАЮ Завкафедрой «РПиР» _____________ М.В.Кравцова (подпись) (ИО. Фамилия) г. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН бакалаврской работы Студента Бурдин Евгений Сергеевич по теме Модернизация процесса очистки конвертированного газа от СО на примере цеха А ОАО «Тольяттиазот» Наименование раздела работы Плановый срок выполнения раздела Фактический срок выполнения раздела Отметка о выполнении Подпись руководителя Введение Анализ основных проблем по повышению качества производительности и улучшения экологии. на ОАО «Тольяттиазот» Исследование технологического процесса и модернизация отделения очистки газа от CO 2 ОАО «Тольяттиазот» 10.04.2016 Экологичность и эффективность работы 24.05.2016 Заключение Руководитель бакалаврской работы подпись) В.С. Гончаров (ИО. Фамилия) Задание принял к исполнению подпись) Е.С. Бурдин ИО. Фамилия) АННОТАЦИЯ Бакалаврскую работу выполнил Бурдин Е.С. Тема работы Модернизация процесса очистки конвертированного газа от СО на примере цеха А ОАО «Тольяттиазот». Научный руководитель Гончаров В.С. Цель бакалаврской работы – повышение эффективности технологии очистки конвертированного газа от СО 2 Цель достигается путем решения следующих задач 1. Провести анализ существующей технологии отделения очистки конвертированного газа от СО 2. Определить оптимальные варианты технологического и аппаратурного оформления процесса. 3. Провести расчет основных элементов оборудования, подтверждающий возможность модернизации. Краткие выводы по бакалаврской работе В работе было проанализировано состояние отделения очистки от СО агрегата синтеза аммиака ОАО «Тольяттиазот», и разработано технологическое решение по её совершенствованию. Бакалаврская работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников. Во введении обосновывается актуальность проводимого исследования, описывается цель, задачи, объект и предмет исследования. Впервой главе проанализирована варианты технологических решений очистки конвертированного газа от СО на агрегате синтеза аммиака. Во второй главе разработано технологическое решение по совершенствованию технологии очистки конвертированного газа от СО на агрегате синтеза аммиака А ОАО «Тольяттиазот». В третьей главе рассмотрены аспекты экологичности предлагаемых технологических решений. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 60 источников. Общий объем работы, без приложений 53 страницы машинописного текста, в том числе таблиц -4, рисунков – графической части - 6 листов СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА .............................................................................................................. 9 1.1 Физико-химические свойства и применение аммиака ............................... 9 1.2 Общая характеристика производства аммиака ......................................... 10 1.3 Аналитический обзор методов очистки конвертированного газа от СО .............................................................................................................................. 12 1.3.1 Водная очистка газов от СО под давлением ...................................... 13 1.3.2 Щелочная очистка газа от СО ............................................................. 15 1.3.3 Очистка газа от СО методом низкотемпературной абсорбции метанолом ........................................................................................................ 17 1.3.4 Очистка газа растворами этаноламинов .............................................. 17 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ КОНВЕРТИРОВАННОГО ГАЗА ОТ CO 2 ...................................... 23 2.1 Описание технологической схемы ............................................................. 23 2.3 Модернизированный процесс очистки от СО конвертированного газа поташным раствором по методу «Бенфилд» .................................................. 28 2.4 Конструктивный расчет сепаратора ........................................................... 33 2.5 Прочностные расчеты основного оборудования ...................................... 34 ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТА . 46 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 48 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 49 7 ВВЕДЕНИЕ Применение соединений азота в качестве удобрений определяет их решающее значение для сельского хозяйства, следовательно, и для жизни человека в целом. Без минеральных удобрений, ив первую очередь азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства, ас ростом интенсивности сельского хозяйства растет дефицит в связанном азоте в обрабатываемых почвах [12,35]. Продуктом производства является синтетический аммиак. Синтетический аммиак является сырьем для получения азотной кислоты. При взаимодействии аммиака с углекислым газом под давлением получается высококонцентрированное удобрение - синтетический карбамид. С азотной кислотой аммиак образует очень ценное удобрение аммиачную селитру. Аммиак применяется в медицине, холодильной технике ив качестве удобрения [3]. Технология синтеза аммиака многостадийна, энергозатратна и как следствие имеет большой потенциал для модернизации и совершенствования. Модернизация отдельных стадий и аппаратов может привести к снижению экономических затрат и повышению экологической эффективности производства [42]. Важной стадией технологического процесса синтеза аммиака является стадия очистки конвертированного газа от СО поташным раствором по методу «Бенфилд». Модернизация процесса может быть выполнена путем реконструкции регенератора с целью разделением потока СО. Для этого необходимо установить второй сепаратор, после изменения газы десорбции будут выводиться из регенератора двумя потоками чистая и грязная фракции [51,8]. Чистая фракция составляет около 85% от общего количества СО и поступает к потребителю, а грязная фракция с содержанием горючих до 5% выводится из верхней части регенератора, охлаждается в воздушном 8 холодильнике и поступает во вновь установленный сепаратор для отделения конденсата и через клапан поступает на выхлоп в атмосферу. Эта модернизация приведет к тому, что 1) Будет получена прибыль от сбыта диоксида углерода 2) Конвертированный газ будет содержать меньше СО 3) Уменьшится коррозия аппаратуры 4) Уменьшится концентрация вводимых реагентов 5) Процесс абсорбции будет протекать качественнее Очистка газов в химической промышленности до сих пор является сложной и актуальной проблемой, имеющей ряд аспектов. Технологические аспекты, заключающиеся в переходе химических производств к новым способами системам газоочистки, основанным на последних достижениях мировой науки и техники, модернизации малоэффективных установок разделения газов, создании высокоэффективной аппаратуры и схем удаления газообразных и аэрозольных примесей из газовых потоков, унификации и стандартизации газоочистного оборудования и т. д. Экологические аспекты заключаются в снижении до санитарных норм удельных выбросов загрязняющих вредных веществ в атмосферу ликвидации залповых выбросов вредных веществ, связанных с обслуживанием и авариями оборудования создании замкнутых газовоздушных систем и безотходных технологий и т. д. Цель бакалаврской работы – повышение эффективности технологии очистки конвертированного газа от СО 2 Цель достигается путем решения следующих задач 1. Провести анализ существующей технологии отделения очистки конвертированного газа от СО 2. Определить оптимальные варианты технологического и аппаратурного оформления процесса. 3. Провести расчет основных элементов оборудования, подтверждающий возможность модернизации. 9 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА 1.1 Физико-химические свойства и применение аммиака Огромные количества аммиака используются в химической промышленности для получения азотной кислоты и аммиачной селитры. Широкое применение имеют и аммонийные соли. Жидкий аммиак применяют в качестве теплоносителя в промышленных холодильных машинах (хладагент R717) [39]. Газообразный аммиак легкорастворим вводе при охлаждении дои обычном давлении или при давлении в 7 атмосфер при комнатной температуре аммиак сгущается в жидкость. Обычно готовят насыщенный водный раствор аммиака, который содержит около 33% NH3, в этом растворе в небольшом количестве содержится и легко диссоциирующий гидроксид аммония (NH4OH = NH3+ H2O), при нагревании водного раствора до кипения из него улетучивается весь аммиак. Безводный аммиак представляет собой слабую кислоту, водных растворах он обладает щелочными свойствами, образуя с кислотами аммонийные соли, например хлорид аммония (нашатырь NH3+ HCl = NH4Cl (1) В воздухе горит плохо. В присутствии кислорода горение происходит по реакции 4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6H 2 O + Q (2) При окислении в присутствии катализатора образуются окислы азота и вода по реакции 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O + Q (3) Аммиак хорошо растворяется вводе, образуя гидроксид аммония NH 3 + H 2 O NH 4 OH + Q (4) В результате исследований коррозийной стойкости сталей в среде 10 жидкого аммиака установлены следующие закономерности - К примесям, способствующим развитию процесса коррозионного растрескивания, относятся воздух и смесь углекислого газа и кислорода. Аммиак, не содержащий этих примесей, коррозионного растрескивания сталей не вызывает независимо от наличия или отсутствия в нем воды. - Углекислый газ и кислород в отдельности неспособны вызывать коррозионное растрескивание сталей. Опасно лишь их совместное присутствие. - Вода является эффективным ингибитором коррозии. Ингибирующее действие воды проявляется при концентрации ее в жидком аммиаке 0,1% вес. Аммиак содержащий менее 0,1% вес воды способен вызывать коррозийное растрескивание стали при наличии в аммиаке смеси СО и О [5]. В производстве аммиака агрегатов фирмы «Кемико» при нормальной эксплуатации не должны содержаться смесь примесей СО и О. Попадание воздуха или смеси СО и О в жидкий аммиак возможно при наличии не плотностей в аппаратах и трубопроводах, уменьшении давления в аппаратах, работающих при небольшом избыточном давлении (расширительные сосуды холодильных установок на t = -34° С, Р < 0,02 кгс/см 2 ) [40]. Жидкий аммиак воздействует с медью, алюминием, цинком и их сплавами, особенно в присутствии воды растворяет обычную резину. Стали, у которых температура перехода из пластической зоны в хрупкую выше температуры хранения аммиака, могут подвергаться хрупкому разрушению при наличии концентрации напряжения. 1.2 Общая характеристика производства аммиака ОАО «Тольяттиазот» является крупнейший в мире производитель аммиака, признанный лидер отрасли в стране и за рубежом. Основной вид деятельности — выпуск минеральных удобрений аммиака, карбамида и КФК. 11 Проектная мощность производства аммиака составляет 450 тыс.т/год - 1360 т/сутки после проведения реконструкции по ому этапу по проекту фирмы «Аммониа Казале». Фактическая мощность за 2013 год агрегат А - 435000 тыс. тонн ( данные за 2013 г. Проектировщик технологической части и строительной части проекта - фирма «Кемико», США. Проекты компрессии азота и подвода этого газа к аммиачному производству разработаны Тольяттинским филиалом ГИАП. Проект по приему и транспортировке производимого аммиака и сбора аммиачной воды на время пуска выполнен Новомосковским филиалом ГИАП на основании техдокументации по складу аммиака, закупленного у фирмы СМР (Франция) [14]. Для каждого производства, состоящего из двух агрегатов аммиака, фирмой предусмотрен один отдельно расположенный энергетический блок, состоящий из трех вспомогательных котлов и одной установки деминерализованной воды. Исходным сырьем для производства аммиака является природный газ. Основными стадиями производства являются - сжатие природного газа до давления не более 43 кгс/см2; - очистка природного газа от сернистых соединений - паровая каталитическая конверсия метана в трубчатой печи - паровоздушная конверсия остаточного метана в шахтном конверторе; - двухступенчатая конверсия окиси углерода на среднетемпературном и низкотемпературном катализаторах - очистка газа от СО поташным раствором по методу Бенфилд; - тонкая очистка азотоводородной смеси от окиси и двуокиси углерода путем их гидрирования - сжатие очищенной азотоводородной смеси до давления не более 280 кгс/см2; - синтез аммиака при давлении не более 280 кгс/см2. 12 Для получения продукционного аммиака в жидком виде предусмотрена аммиачная холодильная установка. Для сжигания газов, содержащих вредные и горючие компоненты, выбрасываемых из агрегата в пусковой период, при ремонтах и нарушениях технологического режима, предусмотрена специальная факельная установка. Для охлаждения технологических потоков и конденсации пара турбин, применено воздушное охлаждение. Все оборудование для производства аммиака принято водной технологической нитке. Основное оборудование (реакторы, компрессоры и др) установлено без резерва и рассчитано на непрерывную работу в течение года (331 день. Технологические процессы полностью автоматизированы. Управление агрегата сосредоточено водном центральном пункте управления. Компоновка оборудования решена с максимальным выносом аппаратов вне здания. В здании располагаются только компрессоры, насосы расположены в насосной закрытого типа. Продукция производства - аммиак, выдается на склад аммиака в жидком виде [45]. 1.3 Аналитический обзор методов очистки конвертированного газа от СО Диоксид углерода (СО, СО) - это кислотный оксид, способный в небольшом количестве растворяться вводе и взаимодействующий со щелочами, растворами солей, обладающие щелочными свойствами, карбонатами натрия и калия, органическими соединениями, которые содержат гидроксильные группы (этанолы) и при пониженной температуре и повышенном давлении растворяются в спиртах (ацетоне, метаноле и других органических растворителях). В углеводородном конвертированном газе содержатся балластные и зловредные вещества, которые могут погубить катализаторы, подвергнуть к 13 коррозии и засорению аппаратуры. Для выделения этих примесей углеводородные газы проходят процесс очистки. В процессе производства синтетического аммиака газы очищаются от сернистых соединений, CO 2 и CO. Различают три вида степени очистки грубую, среднюю и тонкую. Для лучшего достижения требуемой очистки, особенно высокой степени, обычно применяется несколько последовательных ступеней очистки, на каждой ступени создаются наиболее результативные и экономичные условия работы [24]. В природном и конвертированном газе присутствует двуокись углерода. В конвертированном газе содержание СО высокое, оно составляет в зависимости от исходного сырья и метода конверсии 20 -30 % объёмных. Существует несколько способов очистки газа от двуокиси углерода, которые применяются в производстве - Водная очистка газов от СО под давлением. - Щелочная очистка газа от СО. - Очистка газа от СО методом низкотемпературной абсорбции метанолом. - Очистка газа растворами моноэтаноламина и диэтаноламина. - Очистка конвертированного газа горячим раствором поташа по методу «Бенфилд». 1.3.1 Водная очистка газов от СО под давлением В данном способе очистка газа основана на различной растворимости вводе двуокиси углерода. Растворимость двуокиси углеродов при невысоких парциальных давлениях вводе невелика, нос повышением давления она увеличивается. Растворенная двуокись углерода при дальнейшем уменьшении давления выделяется из раствора. При высоком содержании двуокиси углерода в газе водная очистка газа под давлением весьма эффективна. Этот способ позволяет многократно использовать оборотную воду и отличается простотой очистки. С растворением двуокиси углерода вводе растворяются одновременно и другие компоненты конвертированного газа азот, окись углерода, водород, сернистые соединения. Соотношение между концентрацией газа, растворённого в жидкости, и его равновесным парциальным давлением p над поверхностью жидкости описывается законом Генри: р = m рх х, (5) где х - мольная доля компонента в жидкой фазе m рх - коэффициент константа) Генри, изменяющийся при изменении температуры (размерность его та же, что и р. Для расчёта растворимости СО вводе под давлением применяется эмпирическое уравнение ЯД. Зельвенского: m рх = 1245 а (6) где m рх - константа фазового равновесия, бар р - парциальное давление СО в газовой смеси, бара и b - постоянные, зависящие от температуры, значения которых приведены ниже Таблица 1 - Значения a,b зависящие от температуры Т, С 0 25 50 a 1,84 0,775 0,425 b 0,0265 0,00428 0,00159 Увеличение коэффициента Генри (константы фазового равновесия) при изменении температуры свидетельствует об уменьшении растворимости двуокиси углерода в этих условиях. Растворимость двуокиси углерода в практических расчётах лучше выражать в объёмах газа (приведенного к нормальным физическим условиям, поглощённых одним объёмом воды. Когда происходит растворение двуокиси углерода вводе, одновременно начинают растворяться и другие компоненты конвертированного газа азот, водород, сернистые соединения, окись углерода. Растворение азота и водорода вводе может стать причиной их потери, это следует учитывать при проведении водной очистки газа [56]. 15 В технической оборотной воде, используемой для водной очистки от двуокиси углерода, содержатся растворённые соли, которые понижают растворимость двуокиси углерода в технической воде по сравнению с чистой. Для экономного процесса водной очистки существенное значение имеет расход воды на очистку и расход энергии на подачу этой воды. Расход воды на очистку конвертированного газа от двуокиси углерода зависит от степени извлечения СО, температуры, общего и парциального давления СО 2 в газовой смеси доочистки. Если конвертированный газ в процессе конверсии углеводородов или газификации топлива получают при атмосферном давлении, то перед водной очисткой газ компримируют. Существует несколько факторов, от которых зависит выбор давления для водной очистки от двуокиси углерода. С повышением давления увеличивается растворимость двуокиси углерода вводе и понижается количество воды, требуемой для промывки, почти обратно пропорционально давлению. Расход энергии на подачу воды при этом снижается. С другой стороны, работа сжатия двуокиси углерода от начального низкого давления до давления абсорбции с увеличением давления возрастает. Общий расход энергии практически не зависит от давления приводной промывке газа в пределах 1-3 МПа. Нос повышением давления понижаются размеры абсорбера и увеличивается степень очистки газа от двуокиси углерода, поэтому рационально конвертированный газ компримировать до 3 МПа. |