Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проект колонны синтеза карбамида

Реферат

Пояснительная записка 92 с., 16 рис., 10 табл., 12 источников, 12 прил.

КАРБАМИД, КОЛОННА, АММИАК, СИНТЕЗ, УГЛЕАММОНИЙНЫЕ СОЛИ, УГЛЕКИСЛОТА, ФЛАНЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Объектом проектирования является колонна синтеза карбамида.

Целью проектирования является разработка колонны синтеза карбамида с большей пропускной способностью, для повышения производительности.

В результате проектирования предлагается произвести расчеты на прочность и устойчивость узлов и деталей корпуса колоны.

Степень внедрения – спроектированную колонну предлагается внедрить в узел синтеза производства карбамида цеха № 50 «Газохимического завода» ОАО «Газпром нефтехим Салават».

Эффективность предлагаемого проекта колонны синтеза карбамида, определяется повышением производительности и увеличением экономических показателей производства карбамида.

Содержание С.

Нормативные ссылки 6

Введение 7

1 Литературный обзор и патентная проработка 9

1.1 Способы получения карбамида 9

1.2 Классификация колонн синтеза карбамида 11

1.3 Патентная проработка 13

2 Обоснование темы проекта 14

3 Технологическая часть 15

3.1 Описание технологической схемы 15

3.2 Материальный баланс аппарата 17

4 Конструирование и расчет колонны синтеза 19

4.1 Конструкция аппарата 19

4.2 Расчет на прочность цилиндрической обечайки корпуса 21

4.3 Расчет толщины стенки эллиптического днища 22

4.4 Расчет укрепления отверстий 23

4.5 Расчет фланцевых соединений 23

4.6 Расчет весовых характеристик аппарата 24

4.7 Расчет опоры аппарата 28

4.8 Расчет ветровой нагрузки на аппарат 29

4.9 Расчет корпуса аппарата от совместного действия

всех нагрузок 46

5 Монтаж колонны синтеза 52

5.1 Требование к монтажу колонны 52

5.2 Подбор строп 53

5.3 Ремонт аппаратов колонного типа 56

6 Автоматизация 64

6.1 Выбор и обоснование параметров контроля,

регулирования и сигнализации 64

6.2 Выбор и обоснование средств автоматизации 65

6.3 Выбор и обоснование средств контроля

и регулирования технологического процесса 65

6.4 Описание АСУТП 66

7 Безопасность жизнедеятельности и экологичность 68

7.1 Основные опасности производства 68

7.2 Характеристика токсичности, пожаро-

и взрывоопасности вредных веществ 68

7.3 Коллективные и индивидуальные средства защиты 69

7.4 Пожарная безопасность 69

7.5 Электробезопасность и защита от статического

электричества 69

7.6 Характеристика взрывопожароопасности помещений

и блоков установки 70

7.7 Возможные аварийные ситуации и способы их устранения 70

7.8 Экологичность установки 72

7.9 Расчет предохранительного клапана 73

8 Экономика 78

8.1 Расчет производственной мощности 78

8.2 Расчет капитальных затрат 79

8.3 Расчет себестоимости продукции 80

8.4 Расчет основных технико-экономических показателей 84

8.5 Расчет эффективности инвестиционного проекта 86

Заключение 91

Список использованных источников 93

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К

Приложение Л

Приложение М

Приложение Н

Нормативные ссылки

В пояснительной записке использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 81 с.

ГОСТ 24755-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность укрепления отверстий. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 31 с.

ГОСТ 51273-99. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 16 с.

ГОСТ 51274-99. Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 16 с.

ОСТ 26-2002-77. Люки с плоскими крышками стальных сварных сосудов и аппаратов. Конструкция и размеры. – М.: Издательство стандартов, 2000. – 18 с.

ГОСТ 24379.0-80. Болты фундаментные. Общие технические условия. – М.: Комитет стандартизаций и метрологии СССР, 1995. – 8 с.

ГОСТ 24379.1-80. Болты фундаментные. Конструкция и размеры. – М.: Стандартинформ, 2008. – 26 с.

Введение

Мочевина (карбамид) – химическое соединение, диамид угольной кислоты. Белые кристаллы, растворимые в полярных растворителях (воде, этаноле, жидком аммиаке).

Химические свойства:

- формула (NH₂)₂CO;

- относительная молекулярная масса 60,07 а.е.м.

Физические свойства:

- состояние – белые кристаллы без запаха;

- плотность – 1,32 г/см³;

- кристаллическая решетка тетрагональная (а = 0,566 нм, b = 0,4712 нм, ), претерпевает полиморфные превращения.

Термические свойства:

- температура плавления – 132,7 °C;

- энтальпия образования – 333,3 кДж/моль.

Мочевина хорошо растворима в полярных растворителях (вода, жидкие аммиак и сернистый ангидрид), при снижении полярности растворителя растворимость падает, нерастворима в неполярных растворителях (алканы, хлороформ).

Растворимость (г в 100 г растворителя):

- в воде – 51,8 (20 °C), 71,7 (60 °C), 95,0 (120 °C);

- в жидком аммиаке – 49,2 (20 °C, 709 кПа), 90 (100 °C, 1267 кПа);

- в метаноле – 22 (20 °C);

- в этаноле – 5,4 (20 °C);

- в изопропаноле – 2,6 (20 °C);

- в изобутаноле – 6,2 (20 °C);

- в этилацетате – 0,08 (25 °C);

- в хлороформе – ~0 (не растворяется).

В промышленности карбамид получают по реакции Базарова:

2NH₃ + CO₂ = NH₂COONH₄ + 125,6 кДж/моль

NH₂COONH₄ = (NH₂)₂CO + H₂O – 15,49 кДж/моль

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.

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 карбамидоформальдегидных 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. В последние годы на мировом рынке минеральных удобрений наблюдается тенденция к насыщению спроса в развитых странах и наращиванию производства в богатых сырьем развивающихся странах.

Минеральные удобрения являются основной составляющей в экспорте химической продукции России, что объясняется низкой покупательной способностью отечественных сельхозпроизводителей и относительно высокими ценами на минеральные удобрения на внешнем рынке.

1 Литературный обзор и патентная проработка

1.1 Способы получения карбамида

В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер осуществил первый синтез карбамида из сульфата аммония и цианата калия. Это было первое органическое вещество, полученное синтетическим путем. Практического значения данные реакции не имели, однако работа Ф. Вёлера положила начало развитию органической химии и позволила разрушить господствовавшее в то время виталистическое представление о жизненных процессах, объяснявшее их наличием в живом организме особой «жизненной силы».

В дальнейшем для получения синтетического карбамида было предложено несколько способов. Большинство из них не нашло практического применения в промышленности из-за серьезных трудностей их реализации. Один из этих способов – цианамидный заключается во взаимодействии цианамида кальция с водой в присутствии двуокиси углерода или серной кислоты

CaCN₂ + Н₂О + СО₂ → CN-NH₂ + CaCO₃

После отфильтровывания карбоната кальция раствор цианамида подкисляют серной кислотой и нагревают до 50-70 °С под давлением 0,1-0,5 МПа. В этих условиях цианамид превращается в карбамид

CN-NH₂ + H₂O → СО(NH₂)₂

Этот процесс, протекающий в освинцованном автоклаве в атмосфере инертного газа, сопровождается образованием побочных продуктов, загрязняющих карбамид. Из-за дороговизны и нерентабельности он не нашел промышленного применения.

Более совершенны и рентабельны способы, по которым в качестве дешевого азотсодержащего сырья используется аммиак (стоимость азота в аммиаке в несколько раз ниже стоимости азота в цианамиде). По одному из них карбамид можно синтезировать из фосгена и аммиака

COCl₂ + 2NН₃ → СО(NH₂)₂ + 2НСl

НСl + NH₃ → NH₄Cl

Синтез карбамида из аммиака и двуокиси углерода протекает по суммарной реакции

2NH₃ + CO₂ ←→ CO(NH₂)₂ + Н₂О

- и состоит из стадии образования карбамата аммония

2NH₃ + СО₂ ←→ NH₄-COO-NH₂

- и дегидратации карбамата аммония

NH₄-COO-NH₂ ←→ CO(NH₂)₂ + Н₂O

Обе последние реакции обратимы, состояние их равновесия и выход карбамида зависят от условии процесса синтеза – температуры, давления, соотношения аммиака и двуокиси углерода, качества исходного сырья, продолжительности реакции и др. В результате многочисленных исследовании установлено влияние различных факторов на процесс синтеза и выбраны его оптимальные условия [7].

Исходные компоненты превращаются в карбамид не полностью, вследствие чего продукты реакции содержат кроме карбамида и воды еще карбамат аммония и аммиак. В промышленном масштабе процесс синтеза карбамида проводится при давлении 13-28 МПа, 170-200 °C и избытке аммиака сверх стехиометрически не обходимого количества.

1.2 Классификация колонн синтеза карбамида

Основным аппаратом, конструкция которого в значительной степени определяет количество остальной аппаратуры и схему узла синтеза, является реактор (колонна синтеза). В промышленности применяют два типа колонн синтеза – с защитными стаканами и футерованные [7].

Колонна синтеза карбамида с защитным стаканом. Конструкция колонны синтеза с защитным стаканом показана на рисунке 1.1.

1 – карман для термопары; 2 – штуцер для выхода плава; 3 – штуцер для подачи свежего аммиака; 4 – штуцер для подачи возвратного аммиака; 5 – штуцер для подачи СО₂; 6 – перегородки с прорезями; 7 – наружный стакан;

8 – внутренний стакан

Рисунок 1.1 – Колонна синтеза карбамида с защитным стаканом

1 – штуцер для выхода плава; 2 – штуцер для подачи пара или азота;

3 – карман для термометра; 4 – контрольные отверстия; 5 – коллектор;

6 – штуцер для ввода парожидкостной смеси; 7 – перегородки

Рисунок 1.2 – Футерованная колонна синтеза карбамида

К крышке колонны снизу прикреплена толстая защитная пластина, по периферии также проточенная под прокладку. К пластине приварены пропущенные через крышку штуцера для вывода плава 1 и установки термопар 2, к первому снизу приварена трубка длиной 600 мм для создания газового пространства под крышкой колонны.

Листы футеровки свариваются встык с зазором 5 мм. Под стыками швов в корпусе и днище колонны имеются, пазы (кольцевые или продольные) шириной 120 мм и глубиной 5 мм в, которые заложены подкладки в виде полос из легированной стали сечением 110,5 мм. При сварке стыка подкладка приваривается к футеровке.

1.3 Патентная проработка

В ходе патентного анализа по рубрикам МПК В01J10/00 и С07С273/04 выявлено пять патентов, в которых описаны изобретения, относящие к аппаратам колонного типа, предназначенные для синтеза карбамида (таблица 1.1).

Аналогичное решение цели повышения производительности колонн представлено в патенте RU 2173212 «Колонна синтеза карбамида», патентообладатель ОАО Новомосковская акционерная компания «Азот» (таблица А.1, приложение А).

Таблица 1.1 – Количество патентов по годам

Год	Количество патентов на изобретение
1991	1
1995	1
2001	1
2004	1
2007	1

2 Обоснование темы дипломного проекта

В производстве карбамида ОАО «Газпром нефтехим Салават» газохимического завода цеха № 50 применяются две идентичные колонны синтеза карбамида, в которых происходит смешение аммиака, углекислоты и углеаммонийных солей.

Производство находится в эксплуатации более 35 лет. Поэтому при обследовании данных колонн выявлен ряд недостатков:

- недостаточная пропускная способность;

- разгерметизация фланцевого соединения верхней крышки с корпусом;

- частые простои, связанные с ремонтом корпуса.

Для устранения перечисленных выше недостатков предлагается спроектировать колонну синтеза карбамида.

Замена колонн на новые позволит:

- увеличить нормы производительности;

- повысить экономическую эффективность;

- увеличить срок межремонтного обслуживания.

Таким образом, на основании вышеизложенного сформулирована тема дипломного проекта: «Проект колонны синтеза карбамида».

3 Технологическая часть

3.1 Описание технологической схемы [7]

Жидкий аммиак с давлением не менее 1,1 МПа, с температурой в пределах 0÷30 ^оС из узла приема аммиака поступает на узел приёма аммиака и далее на всас аммиачных насосов высокого давления поз. 12-1,2,3, которыми под давлением не более 20 МПа через подогреватели аммиака поз. 13-1÷4 направляется в колонну синтеза поз. 6-1,2.

Подогрев аммиака в подогревателях поз. 13-1÷4 производится до температуры 60÷85 ^оС, а в период пуска до 140÷170 ^оС. Температура аммиака после подогревателей поз. 13-1÷4 регулируется с помощью клапана TV13-2,4, установленного на линии подачи пара 0,9 МПа в подогреватели, по показаниям TRC13-2,4.

Регулирование расхода аммиака в колонну синтеза осуществляется сбросом избыточного аммиака с нагнетания насоса поз. 12-1,2,3 в танк жидкого аммиака поз. 15 с помощью клапана регулятора FV6-1,2,3-2 установленного на байпасной линии аммиачного насоса поз. 12-1,2,3, по показаниям FRC6-1,2-2. Количество жидкого аммиака, подаваемого в колонну синтеза, контролируется прибором FRC6-1,2-2.

Двуокись углерода из цеха № 54 с давлением не менее 400 мм вод. ст. поступает на всас пятиступенчатого компрессора поз. 3-1÷4, которым сжимается до давления не более 20 МПа и подаётся в колонну синтеза поз. 6-1,2.

Расход двуокиси углерода на каждый агрегат синтеза определяется по расходчику FRC6-1,2-1, установленному на коллекторной линии нагнетания компрессора поз. 3-1÷4 непосредственно в колонну синтеза поз. 6-1,2 и регулируется клапаном FV6-1,2-1 (установленным в компрессорном зале). Также нагрузка на агрегате синтеза может определяться по установленной производительности компрессора (при работе одного компрессора на один технологический агрегат).

Для предотвращения коррозии в аппаратах и трубопроводах узлов синтеза и дистилляции в линию всаса компрессоров подаётся технический воздух. Содержание кислорода в СО₂ поддерживается в пределах 0,5÷0,8 % объёмных, который регистрируется прибором QRА610-1 (поддерживается машинистами установки компрессии).

В колонну синтеза поз. 6-1,2 подаётся также раствор углеаммонийных солей из выносного теплообменника поз. 21-1,2 карбаматными насосами высокого давления поз. 11-1÷4.

Колонна синтеза поз. 6-1,2 представляет собой цилиндрический аппарат, футерованный нержавеющей сталью. В колонне синтеза поз. 6-1,2 установлен отбойник, насадка продольного секционирования и ситчатые тарелки в количестве 10 штук.

Корпус и крышка колонны синтеза имеют отверстия, через которые пропускается осушенный воздух КИП из заводской сети для контроля целостности футеровки с выходом в атмосферу. При появлении пропуска футеровки, продукт, содержащий аммиак попадает в контрольный воздух. Раствор фенолфталеина, с помощью которого производится контроль наличия аммиака в контрольном воздухе, окрашивается в фиолетовый цвет. Имеется возможность подачи в футеровку колонны синтеза азота давлением 0,55 МПа из сети объединения с выходом в атмосферу.

Аммиак и двуокись углерода подаётся в колонну синтеза поз. 6-1,2 в мольном соотношении NН₃:СО₂=3,8÷4,5:1, которое определяется лабораторным методом.

В колонне синтеза поз. 6-1,2 при температуре 180÷195 ^оС под давлением 18÷20 МПа осуществляется реакция синтеза карбамида.

Регулирование давления в колонне синтеза поз. 6-1,2 осуществляется клапаном PV6-1,2-2, установленным на линии выхода плава из колонны синтеза поз. 6-1,2, по показаниям PRCA6-1,2-2. Плав с колонны синтеза поз. 6-1,2 состоящий из аммиака, карбамата аммония, мочевины, воды и инертов дросселируется до давления 1,5÷1,8 МПа и поступает на I ступень узла дистилляции (перегонки).

Для предотвращения подъёма давления в колонне синтеза поз. 6-1,2 предусмотрены схемы сигнализации и блокировки. При повышении давления в колонне синтеза поз. 6-1,2 выше 21 МПа подаётся световой и звуковой сигналы и срабатывает блокировка на остановку аммиачных насосов поз. 12-1,2,3, карбаматных насосов поз. 11-1÷4 и углекислотных компрессоров поз. 3-1÷4 по прибору PRSA6-1,2-3, PRCA6-1,2-2.

С предохранительных клапанов, установленных на линии нагнетания насосов поз. 12-1,2,3, выбросы направлены во всасывающие трубопроводы насосов.

Для разогрева колонн синтеза при подготовке к пуску и для продувки при остановках в верхнюю часть колонн предусмотрена подача пара 0,9 МПа.

Выход парового конденсата из колонн синтеза при разогреве осуществляется через дренажные устройства (вентили), имеющиеся на трубопроводах подачи аммиака, двуокиси углерода, раствора углеаммонийных солей в колонну синтеза поз. 6-1,2.

Выход продувочного пара из колонны синтеза поз. 6-1,2 при остановках осуществляется через линию сброса давления из колонны синтеза на II ступень узла дистилляции (перегонки).

Промывка трубопроводов двуокиси углерода, жидкого аммиака, раствора углеаммонийных солей колонн синтеза поз. 6-1,2 при их остановке и при ликвидации образовавшихся карбаматных «пробок» производится подачей парового конденсата, ХОВ в трубопроводы промывочным насосом поз. 56.

3.2 Материальный баланс

Материальный баланс составляем для колонны синтеза из требований к качеству продуктов и составу сырья, а также получаемых продуктов.

Колонна синтеза предназначена для синтезирования компонентов таких как аммиак, углекислота, углеамонийные соли.

Таблица 3.1 – Материальный баланс

Наименование продуктов	До замены колонны		После замены колонны
Наименование продуктов	т	%	т	%
Взято:
Аммиак	140488	43,49	210980,17	43,49
СО₂	182528	56,51	274143,24	56,51
Итого:	323016	100	485123,41	100
Получено:
Карбамид, всего	242080	74,95	363600	74,95
В том числе в 100% азоте	111841,0	-	167983,2	-
Побочный продукт	0	0	0	0
Реакционная вода	61524	19,05	92416	19,05
Технологические потери, в том числе: - реакционная вода - выбросы в атмосферу	19412 12843 6569	6 3,98 2,02	29107,41 19308 9799,41	6 3,98 2,02
Итого:	323016	100	485123,41	100

4 Конструирование и расчет колонны синтеза

4.1 Конструкция аппарата [3]

Базовый (внутренний) диаметр аппарата D = 1300 мм, высота аппарата от поверхности земли Н = 24000 мм. Рабочее давление р = 20 МПа, рабочая температура t = 200 ^оС.

Среда в аппарате – плав карбамида - ЛВЖ, класс опасности 3, относится к 1 группе.

Аппарат установлен вне помещений на фундаменте высотой Н = 400 мм. Минимальная температура холодной пятидневки – 25 ^оС ниже нуля. Ветровой район – 5.

Конструкция аппарата представлена на рисунке 4.1. Диаметры условных проходов штуцеров указаны в таблице 4.1. Схема насадки представлены на рисунке 4.2. Основные параметры насадки занесены в таблицу 4.2.

Таблица 4.1 – Таблица диаметров штуцеров

Обозначение	Назначение	Количество	Условный проход, мм
А	Вход аммиака	1	80
Б	Вход углекислоты	1	80
В	Вход углеамонийные соли	1	80
Г	Выход плава крбамида	1	80
Д	Вход пара	1	80
Е	Вход воздуха	1	60

Таблица 4.2 – Основные параметры насадки

Размеры (диаметр, высота, толщина стенки), мм

Свободный объем

ε, м³/м³

Насыпная плотность насадки ρ_н, кг/м³

10×10×1,5

0,7

700

1 – корпус; 2 – крышка плоская; 3 – днище эллиптическое;

4 – опора; 5 – тарелки ситчатые; 6 – термопара

Рисунок 4.1 – Колонна синтеза карбамида

Рисунок 4.2 – Керамическое кольцо Рашига

Схемы распределительных тарелок представлены на рисунках 4.3 и 4.4.

Рисунок 4.3 – Схема ситчатой тарелки типа ТС-Р и Р-2

Рисунок 4.4 – Схема распределительной тарелки типа ТС-РЦ и ТС-РБ

4.2 Расчёт на прочность цилиндрической обечайки корпуса

Расчёт выполнен по программе «ARENA», разработанной в соответствии с ГОСТ 14249-89 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность». Результаты расчета представлены в приложении Б.

Исходные данные:

- внутренний диаметр аппарата D = 1300 мм;

- расчётное давление р_R = 23 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва φ_р = 1;

- допускаемое напряжение [σ] = 173,4 МПа;

- сумма прибавок с = 1 мм.

Схема цилиндрической обечайки приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Схема цилиндрической обечайки

4.3 Расчёт толщины стенки эллиптического днища

Исходные данные:

- внутренний диаметр аппарата D = 1300 мм;

- расчётное давление р_R = 23 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва φ_р = 1;

- допускаемое напряжение [σ] = 173,4 МПа;

- сумма прибавок с = 1 мм.

Схема эллиптического днища приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Схема эллиптического днища

4.4 Расчёт укрепления отверстий

Исходные данные:

- внутренний диаметр аппарата D = 1300 мм;

- расчётное давление р_R = 23 МПа;

- исполнительная толщина стенки s= 120 мм;

- допускаемое напряжение = 183 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва φ = 1,0;

- прибавка на коррозию с_s = 1 мм;

- длина штуцера l = 100 мм;

- условный диаметр штуцера D_у = 80 мм;

- исполнительная толщина стенки штуцера s₁ = 22 мм.

Схема укрепления отверстия штуцера в днище приведена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Схема укрепления отверстия штуцера в днище

4.5 Расчет фланцевых соединений

Проект колонны синтеза карбамида 📙 Дипломная → 🆔 15121