Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Производство аммиака. 4

Содержание

Введение…………………………………………………………………….7

1 Процесс нанесения лакокрасочного покрытия на изделие промышленного назначения……………………………………………………………….8

1.1 Методы порошковой покраски…………………………………....8

1.2 Порошковые краски: виды и свойства…………………………..10

1.3 Преимущества порошковой покраски перед окраской обычными лакокрасочными материалами………………………………………………….13

1.3.1 Экономические преимущества порошковой краски…….14

1.3.2 Экологические преимущества порошковой краски……..15

1.3.3 Основные преимущества порошковых покрытий по сравнению с красками на растворителях……………………………………………15

1.3.4 Возможные недостатки порошковой окраски…………16

1.4 Краткое описание технологического процесса производства огнетушителя «Буран-2,5» ………………………………………………………..16

1.5 Подготовительные операции, применяемые для подготовки процесса покраски……………………………………………………………….17

1.5.1 Химическое обезжиривание………………………………17

1.5.1.1 Лабомид…………………………………………...18

1.6 Оборудование, применяемое для подготовки процесса

покраски………………………………………………………………………….19

1.6.1 Ванна для обезжиривания………………………………...19

1.6.2 Теплообменный аппарат…………………………… …….20

1.6.3 Калорифер………………………………………………….21

1.6.4 Газодувка и вентиляторы………………………………...21

1.7 Оборудование, применяемое для процесса покраски…………..22

1.7.1 Камера напыления…………………………………………22

1.7.2 Пистолет – распылитель марки «Старт -50»…………….23

1.8 Оборудование, применяемое для заключительного этапа покраски………………………………………………………………………………...24

1.8.1 Камера термической обработки…………………………..24

2 Локальная система очистки воздуха и воды………………………......27

2.1 Основные стадии порошковой окраски…………………………27

2.2 Технология покраски порошковой краской металлоизделий….30

2.3 Окраска порошковыми красками. Область применения……….31

2.4 Здоровье и безопасность………………………………………….31

2.5 Описание технологического процесса…………………………..32

2.6 Оборудование, применяемое для локальной системы очистки воздуха и воды в процессе покраски…………………………………………...33

2.6.1 Оборудование, применяемое для локальной очистки воздуха в процессе покраски……………………………………………………….33

2.6.1.1 Циклон……………………………………………..33

2.6.1.2 Патронный фильтр………………………………..35

2.6.1.3 Возврат порошка в цикл………………………….37

2.6.2 Оборудование, применяемое для локальной очистки воды в процессе покраски…………………………………………………………38

2.6.2.1 Механический фильтр…………………………...38

2.6.2.2 Сепаратор………………………………………….40

3 Материальный баланс процесса……………………………………….41

Заключение………………………………………………………………..46

Приложение А (обязательное)…………………………………………...47

Введениe [1]

Во всех индустриально развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной из основных ведущих отраслей. Такое бурное развитие азотной промышленности диктуется в первую очередь необходимостью удовлетворения неудержимо растущего населения земного шара продуктами земледелия. Без минеральных удобрений, и в первую очередь азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства.

Производству азотных удобрений и их основы, аммиака, в нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. Среднегодовой прирост темпа аммиака за последние 20 лет составлял 10-19%.

Производство аммиака, как известно, отличается большой энергоемкостью. Историю развития производства аммиака можно рассматривать как борьбу за повышение полезного использования электрической, тепловой, и механической энергии. На первых установках производства аммиака к. п. д. не превышал 10-11%. Использование природного газа в производстве аммиака увеличило общий энергетический к. п. д. до 40%. Современные энерготехнологические агрегаты аммиака практически автономны и имеют производительность 450-500 тыс. т. в год и общий энергетический к. п. д.50-52%. Это обеспечено достижениями химической технологии, химического и энергетического машиностроения, металлургической и приборостроительной промышленности.

Цель настоящего курсового проекта: разработать схему производства аммиака, разработать малоотходную схему производства с утилизацией отходов.

Задачи: разработать основные стадии производства аммиака, разработать технологическую схему, рассчитать материальный баланс, выбрать необходимое оборудование.

1 Краткое описание технологического процесса

Производство аммиака

Из нескольких способов связывания молекулярного азота воздуха в виде азотсодержащих соединений основным стал аммиачный метод - получение аммиака из азота и водорода. В отличие от азота, водород в молекулярном виде почти не встречается в природе, тогда как в связанном виде его запасы велики.

Раньше водород извлекали из воды через газификацию угля, недостатки традиционной технологии газификации угля - низкая теплота сгорания получаемого газа, за счет осуществления процесса на воздушном дутье, недостаточная стабильность и управляемость процесса, недостаточная экологическая чистота предприятий подземной газификации углей, прежде всего из-за неполного улавливания соответствующих продуктов; и электролизом воды, при котором, пропуская постоянный ток, на катоде накапливают водород, а на аноде – кислород, следовательно, такая технология делает его слишком дорогим энергоносителем [2].

Сейчас основным источником получения водорода является природный газ, это наиболее оптимальный вариант по технико-экономическим, энергетическим и экологическим показателям.

Функциональная схема производства аммиака показана на рисунке 1.

Опишем по стадиям процесс производства аммиака [3].

1.Очистка природного газа от серосодержащих соединений. Природный газ содержит примеси серосодержащих соединений, кроме того, на стадии извлечения газ одорируют – добавляют этилмеркаптан, обладающий сильным запахом. Одорирование придает специфический запах природному газу, так как в целях безопасности утечка взрывоопасного газа должна ощущаться окружающими. Несмотря на то, что содержание серы невелико, в целях избежания отравления катализаторов, используемых в производстве аммиака, ее содержание не должно превышать 0,5 мг/м³.

Для очистки от малых количеств примесей эффективны сорбционные методы, в которых различные компоненты удаляются специфичными сорбентами. Чтобы избежать многоступенчатой сорбционной сероочистки, все серосодержащие соединения прежде «приводят» в одно состояние – их гидрируют до сероводорода:

RSH + H₂ = H₂S + RH, (1)

C₄H₄S + 4H₂ = H₂S + C₄H₁₀, (2)

CS₂ + 4H₂ = 2H₂S + CH₄. (3)

Процесс проводят при высоких температурах на кобальт-молибдено-вом катализаторе. Выходящий из реактора гидрирования газ содержит серу только в виде сероводорода и направляется в адсорбер, в котором происходит, собственно, очистка газа. Поглотителем сероводорода является оксид цинка:

ZnO + H₂S = ZnS + H₂O. (4)

2.Конверсия метана. Взаимодействие метана с водой протекает на никельсодержащем катализаторе и представлено двумя обратимыми реакциями:

CH₄ + H₂O ↔ CO + 3H₂ – Q₁, (5)

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ + Q₂, (6)

первая из которых – эндотермическая, вторая – экзотермическая. Влияние температуры на эти реакции различно: ее повышение благоприятно скажется лишь на протекании первой. Поскольку сначала нужно обеспечить наиболее полное превращение метана, то температуру процесса целесообразно повышать. При этом равновесие второй реакции сдвинется влево. Конверсия метана протекает с увеличением объема, и, следовательно, низкое давление будет способствовать более полному превращению метана.

Необходима вторая ступень конверсии для протекания экзотермической реакции.

3.Конверсия СО. Высокая температура на стадии конверсии метана не позволяет использовать потенциал СО для получения водорода. Избирательную конверсию СО при низких температурах, исключающую обратное протекание реакции (1.6), проводят, используя специфическое действие катализатора. Селективными катализаторами конверсии СО являются железохромовый и медьсодержащий. Конверсия СО – обратимая экзотермическая реакция:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ + Q. (7)

4.Очистка от оксидов углерода. Конвертированный газ содержит СО₂ и СО. Первая примесь – балласт для синтеза аммиака, вторая – яд катализатора. Эти примеси надо удалить. Удаление сорбцией требует специфичных сорбентов, необходимых в большом количестве, так как содержание достигает 20%. В настоящее время используется два специфических способа очистки от оксидов углерода.

Диоксид углерода абсорбируют водным раствором моноэтаноламина NH₂CH₂CH₂OH:

2RNH₂ + H₂O + CO₂ ↔ (RNH₃)₂CO₃. (8)

Поглощение СО₂ – обратимый процесс. С повышением температуры равновесие сдвигается влево, то есть, возможна регенерация сорбента.

Так как раствор моноэтаноламина не поглощает оксид углерода, выходящий газ содержит СО. Как примесь его не выделяют, а превращают в метан, безвредный для катализатора и инертный в процессе синтеза аммиака, путем реакции, обратной конверсии метана (1.5) – метанированием:

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О. (9)

Процесс проводят при низкой температуре с использованием никелевого катализатора.

5.Синтез аммиака. Синтез аммиака:

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃ + Q (10)

протекает на катализаторе, в качестве которого используют пористое железо с добавками. Данная реакция обратима, протекает с выделением теплоты и уменьшением объема. Понижение температуры и повышение давления сдвигает равновесие реакции в сторону увеличения содержания аммиака.

6.Очистка дымовых газов. Для осуществления процесса конверсии метана требуется большое количества тепла, которое получается в процессе сжигания смеси природного газа и воздуха. Проведя сероочистку всего природного газа можно сказать, что дымовые газы будут состоять из оксидов углерода, оксидов азота и паров воды. Охладив смесь, будет возможно отделение жидкой фазы. Оксиды азота абсорбируются водой с получением азотной кислоты по реакциям:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂, (11)

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂. (12)

Таким образом, в ходе производства аммиака образуется целевой продукт аммиак и побочные продукты – азотная кислота, диоксид углерода.

1.2 Выбор оптимального варианта утилизации диоксида углерода

Существует несколько способов утилизации диоксида углерода в описываемом производстве.

1. Производство соды аммиачным методом. Сырьем являются углекислый газ, насыщенный хлорид натрия и аммиак. Суммарную реакцию процесса можно записать в виде:

NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O = NaHCO₃ + NH₄Cl. (13)

Важную роль в данном производстве играет гидроксид кальция, который необходим для регенерации аммиака по реакции:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2H₂O + 2NH₃. (14)

Достоинства данного метода заключаются в том, что получается питьевая сода, которая применяется для производства моющих средств.

Недостатки метода состоят в том, что необходимо дополнительное сырье и получается отход производства – раствор хлорида кальция, который необходимо утилизировать каким-либо образом, что создает дополнительные технико-экономические и экологические трудности [2].

2. Производство аммиачной селитры. Сырьем для данного производства является аммиак и азотная кислота. Реакция процесса выглядит следующим образом:

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃ (15)

Возможно также производство известковой аммиачной селитры - добавлением к нитрату аммония карбоната кальция. Добавление мела влияет на некоторые физические и химические свойства удобрения, тем самым, улучшая его качество.

Недостатки данного метода состоят в том, что данное производство не решает полностью проблему утилизации диоксида углерода.

Достоинства метода – производство концентрированного азотного удобрения, утилизация побочного продукта – азотной кислоты [4].

3. Производство карбамида. Сырьем для производства карбамида служат аммиак и диоксид углерода. Синтез карбамида протекает в две стадии. В первой стадии происходит образование карбаминовокислого аммония (карбамата):

2NH₃ + CO₂ ↔ NH₂COONH₄ – Q, (16)

далее карбамат дегидратируется с образованием карбамида:

2COONH₄ ↔ (NH₂)₂CO + H₂O – Q. (17)

Образование карбамата аммония в оптимальных условиях протекает почти полностью и с большей скоростью. Дегидратация же карбамата происходит медленно, не полностью и ускоряется лишь в жидкой фазе. Для увеличения выхода карбамида наряду с повышением температуры используют избыток аммиака сверх стехиометрического, который препятствует образованию побочных продуктов.

Для улучшения экономических показателей процесса, не вступившие во взаимодействие аммиак и диоксид углерода, как правило, используют для производства других продуктов или снова возвращают в процесс.

Данный вариант является самым оптимальным, поскольку полностью удовлетворяет задаче – утилизации диоксида углерода, процесс не требует дополнительного сырья, а продукт является наиболее ценным азотным удобрением, легко усваиваемым растениями [2].

2 Описание технологической схемы процесса [5]

Исходным сырьем для производства аммиака является природный газ, поступающий из сети под давлением 10 – 12 кгс/см² с температурой минус 40 – плюс 35 °С. Природный газ проходит два последовательно соединенных фильтра (на схеме не указаны) грубой и тонкой очистки. Природный газ проходит сепаратор (на схеме не указан), где из него выделяется жидкий конденсат, содержащий жидкие углеводороды. Отсепарированный газ отправляется на нагнетатель с приводом от паровой конденсационной турбины (на схеме не указаны). После нагнетателя природного газа газ с давлением не более 45 кгс/см² и температурой не более 200 °С направляется на сероочистку. Газовая смесь поступает в подогреватель 1, где нагревается до температуры 370 - 400 °С дымовыми газами, образующимися при сжигании топливного газа. В подогретую газовую смесь добавляется азотоводородная смесь и все это поступает в реактор гидрирования 2, где образуется сероводород. Далее газовая смесь проходит через адсорбер 3, где при температуре 360 - 390 °С поглощается сероводород. После сероочистки газовая смесь на два потока: один для технологических целей, другой на сжигание в качестве топлива в топку 6 с воздухом. Технологический газ поступает на конверсию метана.

После сероочистки газ направляется в подогреватель 4, где смешивается с паром в соотношении пар:газ не менее 3,0:1, и нагревается засчет тепла дымовых газов до температуры не более 520 °С. Подогретая парогазовая смесь направляется в трубчатую печь 5, в которой равномерно распределяется по реакционным трубам, где осуществляется процесс паровой конверсии природного газа при температуре не более 830 °С. После трубчатой печи конвертированная парогазовая смесь поступает в шахтный конвертор 7, где смешивается с воздухом давлением не более 35 кгс/см² и температурой не выше 60 °С. Количество воздуха для процесса подбирается таким образом, чтобы обеспечить соотношение H₂ : N₂= 3 : 1. Газ проходит через подогреватель, где нагревается до 500°С, далее осуществляется процесс конверсии в нижней части конвертора, температура на выходе не более 1010 °С. Конвертированная парогазовая смесь охлаждается в паровом котле 8 до температуры 330 – 380 °С и отправляется на конверсию окиси углерода.

Конвертированный газ после парового котла поступает в конвертор СО первой ступени 9, где при температуре на выходе не более 450 °С происходит конверсия окиси углерода. Далее газ поступает в паровой котел 8, где охлаждается до 340 °С. В конверторе СО второй ступени 10 происходит конверсия водяным паром, температура на выходе не более 260 °С. Далее конвертированный газ охлаждается до 120 °С в теплообменнике 4 и поступает на стадию моноэтаноламиновой очистки.

Очистка газа от двуокиси углерода осуществляется раствором моноэтаноламина. Температура процесса абсорбции 40 – 60 °С, при повышении температуры и снижении давления происходит выделение двуокиси углерода, на чем основан процесс регенерации раствора моноэтаноламина. Конвертированный газ проходит вначале нижнюю секцию абсорбера 12, затем верхнюю и очищается до объемной доли СО₂ не более 0,03%. Далее газ направляется на метанирование, а отделенный от газа раствор самотеком стекает вниз колонны. Далее раствор подогревается в теплообменнике 4.Газовый конденсат поступает в верхнюю часть отпарной колонны 11, в которой при температуре в нижней части не более 132 °С и давлении не более 1,8 кгс/см² из газового конденсата удаляется диоксид углерода. Отгонка осуществляется с применением пара давлением 3,5 кгс/см² и температурой 293 °С, который подается в нижнюю часть колонны. Выделившиеся из газового конденсата пары поднимаются вверх, а очищенный газ подается в холодильник 13 и далее вновь подается сверху колонны 12. Доочистка газа от окисей углерода производится путем метанирования. Конвертированный газ поступает в верхнюю часть метанатора 14, где подогревается до 280 – 320 °С, и далее поступает в реакционную зону, температура газа на выходе составляет не более 380 °С.

После очистки азотоводородная смесь направляется на компрессор 15, где сжимается до давления не более 51 кгс/см² и с температурой не более 165 °С, далее газ поступает в холодильник 17, где охлаждается до температуры 60 °С. Далее смесь поступает в сепаратор 18, в котором отделяют газовый конденсат, откуда снова поступает в холодильник 19, в котором нагревается до 150 °С, и в теплообменник 4, где нагревается до 195 °С и направляется в колонну синтеза 20. Далее смесь охлаждается в теплообменнике 4, холодильнике 13, холодильнике 10 до температуры 22 – 40 °С, при этом происходит конденсация части аммиака из газовой смеси. Аммиак отделяется в сепараторе 18, а оставшаяся газовая смесь, содержащая 7 – 12% аммиака поступает на компрессор 15, откуда в холодильник 17 и далее через сепаратор 18 снова на синтез аммиака.

Выделяющийся на стадии моноэтаноламиновой очистки диоксид углерода направляется на производство карбамида.

Диоксид углерода, сжатый в компрессоре 21 до 20 МПа и аммиак подаются подается в колонну синтеза 22, далее плав поступает в дистилляционную колонну 23 и далее через подогреватель 24, где нагревается до 190 °С и разделяется на жидкую и газовую фазы. Жидкая фаза подается на выпарку в выпарной аппарат 25, откуда поступает в сборник плава 26 и подается на грануляцию в башню 27, где получается гранулированный карбамид.

Отходящие дымовые газы из подогревателя 1 охлаждаем в паровом котле 8, теплообменнике 4 и разделяем на жидкую и газовую фазы в сепараторе 18. Газообразная фаза проходит скруббер Вентури 28, где улавливаются оксиды азота, а диоксид углерода направляем также на производство карбамида.

3 Материальный баланс процессов

3.1 Материальный баланс стадии синтеза аммиака

Процесс синтеза аммиака протекает по реакции

N₂+ 3H₂ ↔ 2NH₃ (10)

, (1)

Где - расход азота;

- производительность по аммиаку, 1420 т/сут;

- молярная масса азота, 28000 т/кмоль;

- молярная масса аммиака, 17000 т/кмоль;

т/сут.

, (2)

Где - расход водорода;

- производительность по аммиаку, 1420 т/сут;

- молярная масса водорода, 2000 т/кмоль;

- молярная масса аммиака, 17000 т/кмоль;

т/сут.

Таблица 1 – Материальный баланс стадии синтеза аммиака

Приход		Расход
Статья баланса	т/сут	Статья баланса	т/сут
Азот Водород	1169,4 250,6	Аммиак	1420
Итого:	1420	Итого:	1420

3.2 Материальный баланс стадии конверсии метана

Процесс конверсии метана протекает по суммарной реакции

CH₄ + 2H₂O ↔ CO₂ + 4H₂, (18)

, (3)

Где - расход метана;

- производительность по водороду, 250,6 т/сут;

- молярная масса метана, 16000 т/кмоль;

- молярная масса водорода, 2000 т/кмоль;

т/сут

, (4)

Где - расход воды;

- производительность по водороду, 250,6 т/сут;

- молярная масса воды, 18000 т/кмоль;

- молярная масса водорода, 2000 т/кмоль;

т/сут

, (5)

Где - расход диоксида углерода;

- производительность по водороду, 250,6 т/сут;

- молярная масса диоксида углерода, 44000 т/кмоль;

- молярная масса водорода, 2000 т/кмоль;

т/сут

Таблица 2 – Материальный баланс стадии конверсии метана

Приход		Расход
Статья баланса	т/сут	Статья баланса	т/сут
Метан Вода	501,2 1127,7	Углекислый газ Водород	1378,3 250,6
Итого:	1628,9	Итого:	1628,9

3.3 Материальный баланс производства карбамида

Суммарную реакцию производства карбамида можно записать следующим образом:

2NH₃ + CO₂ = (NH₂)₂CO + H₂O (19)

Возьмем за основу производительность по карбамиду 1500 т/сут.

, (6)

Где - расход аммиака;

- производительность по карбамиду, 1500 т/сут;

- молярная масса аммиака, 17000 т/кмоль;

- молярная масса карбамида, 60000 т/кмоль;

т/сут

(7)

Где - расход диоксида углерода;

- производительность по карбамиду, 1500 т/сут;

- молярная масса диоксида углерода, 44000 т/кмоль;

- молярная масса карбамида, 60000 т/кмоль;

т/сут

, (8)

Где - расход воды;

- производительность по карбамиду, 1500 т/сут;

- молярная масса воды, 18000 т/кмоль;

- молярная масса карбамида, 60000 т/кмоль;

т/сут

Таблица 2 – Материальный баланс производства карбамида

Приход		Расход
Статья баланса	т/сут	Статья баланса	т/сут
Аммиак Углекислый газ	850 1100	Карбамид Вода	1500 450
Итого:	1950	Итого:	1950

4 Выбор основного оборудования

4.1 Колонна синтеза аммиака [6]

Рисунок 3 – Колонна синтеза аммиака

1 – корпус; 2 – насадка.

Колонна состоит из корпуса высокого давления и внутренней насадки. Производительность колонны 450 000 т/год, емкость корпуса 96,6 м³, общая высота 31,45 м, масса колонны с насадкой 510 т.

Преимущества данной колонны по сравнению с аппаратами высокого давления других конструкций – большая надежность в эксплуатации, более высокий коэффициент использования металла, меньшая стоимость.

4.2 Абсорбер [7]

Рисунок 4 – схема тарельчатой колпачковой колонны

1 – тарелки; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная трубка.

Выбран аппарат данной конструкции для моноэтаноламиновой очистки конвертированного газа для предотвращения уноса моноэтаноламина с углекислым газом на синтез.

4.3 Трубчатая печь [7]

Рисунок 5 – Трубчатая печь

1 – шахта; 2 – трубчатка; 3 – топочная камера; 4 – выносная топка; 5 – воздушный канал; 6 – окно; 7 – боров; 8 – вентилятор.

На рисунке 5 изображена трубчатая печь для непрерывного нагревания газообразных или жидких продуктов. Она состоит из шахты 1 (где помещена трубчатка 2), топочной камеры 3 и выносной топки 4. Для понижения температуры газов в топочном пространстве по каналу 5 при помощи вентилятора 8 нагнетается воздух. В топочной камере горячие газы поднимаются снизу вверх и через окно 6 поступают в шахту 1, где, проходя сверху вниз, отдают свое тепло трубчатке и уходят в боров7.

4.4 Выпарной аппарат [7]