II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МОДЕРНИЗАЦИЯ КОЛОННЫ СИНТЕЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ КАРБАМИДА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рогушина С.В. 1

---

1

Ерофеева Т.Н. 1

---

1

Работа в формате PDF

340.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

 Введение

Мочеви́на (карбамид) — химическое соединение, диамид угольной кислоты. Белые кристаллы, растворимые в полярных растворителях.

Ежегодное производство мочевины в мире составляет примерно 100 миллионов тонн. Одна из характерных черт мировой экономики в последние 2-3 десятилетия – интенсификация сельскохозяйственного производства, чему в немалой степени способствует все более широкое применение минеральных удобрений. За последние 25 лет средняя концентрация питательных веществ в удобрениях повысилась на 5- 11 %.

Карбамид используют в промышленности, транспорте и здравоохранении В фармацевтической промышленности для приготовления успокаивающих и снотворных. Его используют при изготовлении дезинфицирующих средств, в качестве смягчителя, в производстве косметических кремов.

Целью работы является разработка технических решений по модернизации колонны синтеза карбамида.

Для решения данной цели необходимо выполнить ряд задач:

1. Анализировать научно-техническую литературу (новые направления развития науки и техники в области химической технологии неорганических веществ, журналы, статьи, патентная документация);

2. Описать технологическую схему отделения синтеза;

3. Рассчитать материальные и тепловые потоки колонны синтеза карбамида;

4. Провести технико-экономическое обоснование модернизации.

Объектом исследования является узел синтеза карбамида.

Качественные характеристики:

- снизить энергоемкость колонны синтеза карбамида;

- снизить коррозионную активность;

- снизить затраты на обслуживание и ремонт оборудования;

- увеличить срок службы аппарата.

1 Анализ научно-технической литературы

В настоящий момент производства карбамида проектной мощностью 1000 - 1500 т/сут, действующие на территории России и ближнего зарубежья, находятся в эксплуатации 25 - 30 лет, а агрегаты с полным жидкостным рециклом проектной мощностью 250 - 500 т/сут. по 40 - 45 лет. Основным и очень дорогостоящим аппаратом в производстве карбамида является колонна синтеза, поэтому ее техническое и коррозионное состояние определяют эффективность и бесперебойность работы агрегата [7].

Для решения поставленных задач был проведен литературный обзор на основании научных статей из журналов и сборников научных трудов. Литературный обзор приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Литературный обзор

продолжение таблицы 1

Анализируя данные таблицы 1 видно, что за последние годы при проведении коррозионных обследований колонн синтеза наблюдаются коррозионное утонение футеровки и износ сварных швов, близкие к критическим, из-за чего сильно повышается вероятность аварийных остановок.

Актуальной стала задача о создании технологии восстановления работоспособности колонн. Одним из распространенных методов решения этой задачи является частичная замена наиболее изношенных участков футеровки колонн синтеза карбамида.

Проведем патентный поиск, целью которого является нахождение патентов российского и иностранного изданий. Темой поиска является колонна синтеза карбамида.

Патентная информация - информация, содержащаяся в описаниях изобретений, обладает значительными преимуществами перед другими видами информации. Поэтому ее справедливо называют носителем научно – технического прогресса, и используют в разработке высокоэффективной технологии и техники [9].

Таблица 2 - Патентная документация

продолжение таблицы 2

продолжение таблицы 2

Анализ найденной патентной информации позволяет сделать вывод, что основной задачей повышения конверсионного выхода реакторов для синтеза мочевины, повышение производительности и снижение затрат потребляемой энергии реактором является модернизация «in-situ» цель которой заключается в улучшении характеристик реактора.

В настоящее время известно три типа модернизации реактора синтеза, отличающихся друг от друга используемыми в них ситчатыми тарелками.

В реакторе первого типа имеется большое количество расположенных друг над другом ситчатых тарелок, полностью перекрывающие в горизонтальной плоскости все поперечное сечение реактора и имеющих большое количество отверстий для прохода двухфазного потока газа и жидкости. Поскольку жидкость и газ проходят через одни неди те же отверстия, то из-за различного характера протекания через отверстия газа и жидкости их движения через тарелки носит пульсирующий характер и не сопровождается эффективным перемешиванием газа и жидкости. В этом случае коэффициенты массопередачи и теплопередачи низкие, и, следовательно, низок выход конверсии.

В реакторе второго типа также используется большое количество горизонтальных ситчатых тарелок, расположенных на некотором расстоянии по высоте друг от друга. При этом между внешним краем каждой из этих тарелок и внутренней стенкой реактора имеется кольцевая щель. Однако в этом случае также не удается обеспечить необходимого фактического перемешивания газообразной и жидкой фаз, поскольку жидкая фаза протекает в основном через кольцевую щель между тарелкой и корпусом реактора, а газообразная фаза имеет тенденцию собираться в центральной зоне реактора.

В реакторе третьего типа выполненным по типу реакторов с параллельным течением газообразных и жидкой фаз в одном направлении имеющего вертикальный трубчатый корпус, в котором установлено большое количество расположенных друг над другом горизонтальных ситчатых тарелок, отличающегося тем, что в нем предусмотрено стадия установки по крайней мере на одной из ситчатых тарелок большого количества конструктивно независимых друг от друга колпачков с большим количеством отверстий в верхней части, которые располагаются на заданном расстоянии от ситчатой тарелки, вместе с которой они образуют несколько боковых щелей, которые вместе с отверстиями в колпачках образуют соответствующие каналы для предпочтительного протекания соответственно газовой фазы. Под «колпачком» понимается имеющий соответствующую, по существу выпуклую форму, закрывающий элемент с внутренней полостью, в которую поступает проходящей через тарелку двухфазный поток газа и жидкости.

Преимуществом этого типа является возможность повышения конверсионного выхода, увеличения производительности реактора синтеза и снижение энергии, потребляемой установкой для производства мочевины, за счет установки колпачков по возможности на существующие тарелки [7].

2 Технологическая часть

2.1 Описание технологической схемы

Технологическая схема отделения синтеза в производстве карбамида представлена в Приложении А.

Синтез карбамида из аммиака и диоксида углерода осуществляется в контуре высокого давления при давлении 13,314,5 МПа. Аппаратурное оформление узла включает в себя конденсатор ВД Е-202, колонну синтеза R-201, стриппер Е-201 и скруббер ВД Е-203. Внутренняя часть аппаратов контура ВД, которая непосредственно контактирует с реакционной массой, изготовлена из высоколегированной стали.

Массовая доля компонентов, содержащихся в реакционной массе, поступающей из колонны синтеза R-201 в верхнюю часть стриппера Е-201, составляет: карбамид - не менее 31%, диоксид углерода - не более 20%, аммиак - не менее 29%, вода - не более 20%.

Стриппер Е-201 представляет собой вертикальный, кожухотрубный теплообменник пленочного типа. В верхней части стриппера Е-201 имеется распределительное устройство, обеспечивающее пленочный характер движения жидкости по трубкам. Аппарат работает по принципу противотока: жидкая фаза тонкой пленкой стекает по трубкам вниз, а газовая фаза противотоком поднимается снизу вверх. В межтрубное пространство стриппера из сатуратора пара V-905 подается пар с давлением 1,72,06 МПа.

Диоксид углерода с температурой 90125 , давлением 14,215,2 МПа и массовым расходом не менее 27 т/ч подается в нижнюю часть стриппера Е-201 и поднимается по трубкам вверх, навстречу реакционной массе, поступающей из колонны синтеза R-201.

С паром, подаваемым в межтрубное пространство стриппера Е-201 через распределительный патрубок, поступает необходимое количество тепла для разложения карбамата на аммиак и диоксид углерода в токе свежего диоксида углерода. Давление греющего пара, поступающего в стриппер из сатуратора V-905, регулируется клапаном PIRC 2109 и зависит от нагрузки на установку.

Газы, образующиеся при разложении карбамата, совместно со свежим диоксидом углерода отводятся из верхней части стриппера Е-201 в конденсатор ВД Е-202. Раствор карбамида собирается в нижней части аппарата и через клапан регулятора уровня отводится на стадию рециркуляции.

Стриппинг-процесс ведут таким образом, чтобы массовая доля аммиака в растворе, покидающем стриппер, составляла не более 9,0%.

В конденсатор ВД Е-202 через инжектор ВД J-201 подается жидкий аммиак от насосов Р-102 и раствор углеаммонийных солей из скруббера ВД Е-203, а также реакционная смесь из колонны синтеза R-201 (TIR 2910)). В конденсаторе Е-202 поток смешивается с парогазовой фазой из стриппера Е-201 с образованием карбамата. Конденсатор ВД Е-202 - вертикальный цилиндрический кожухотрубный теплообменник. В верхней части аппарата имеется смесительная камера исходных компонентов.

Процесс конденсации ведется таким образом, чтобы определенная часть исходных компонентов (аммиака и диоксида углерода) не сконденсировалась в конденсаторе Е-202. Эта часть свободного аммиака и диоксида углерода превращается в карбамат в колонне синтеза, компенсируя эндотермичность реакции образования карбамида и поддерживая температурный режим в колонне синтеза в пределах 180185 .

Образовавшийся карбамат и несконденсированные аммиак с диоксидом углерода из нижней части конденсатора Е-202 с температурой 168175 поступают в колонну синтеза R-201.

Колонна синтеза R-201 представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат. Реакционная смесь подводится в колонну R-201 снизу и отводится через переливную воронку из верхней части колонны.

Для улучшения гидродинамического режима колона синтеза по высоте оборудована 10-ю ситчатыми тарелками и в нижней части распределительным устройством, что увеличивает степень контакта жидкой и газовой фазы. Таким образом, колона синтеза работает в режиме реактора идеального вытеснения, а каждая из тарелок – в режиме идеального смешивания.

За время прохождения реакционной смеси через колонну R-201 в течение одного часа при давлении 13,314,5 МПа, температуре 180185 и мольном соотношении (2,73,4):1=NН₃:СО₂ в газовой фазе и (2,93,1):1:0,45 = NН₃:СО₂:Н₂О в жидкой фазе, происходит превращение карбамата аммония в карбамид. Степень конверсии диоксида углерода в карбамид составляет 5560%.

Повышение давления в системе синтеза более 14,5 МПа сигнализируется в ЦПУ. Инерты, непрореагировавшие аммиак и диоксид углерода из верхней части колонны синтеза отводятся в скруббер ВД (поз.Е-203).

Скруббер ВД Е-203 состоит из теплообменной и сепарирующей части. В сепарирующей части происходит разделение реакционной смеси, поступающей из колонны синтеза. Теплообменная часть оборудована центральной трубой, по которой обеспечивается циркуляция раствора в трубном пространстве и тем самым повышается эффективность теплообмена. В сепарирующей части скруббера Е-203 установлена взрывная предохранительная мембрана.

В скруббере ВД Е-203 газовая фаза из колонны R-201, смешиваясь с раствором углеаммонийных солей (УАС) от карбаматных насосов ВД (поз.Р-301) частично конденсируются и поглощаются карбаматом.

Нормальную работу скруббера обеспечивает циркуляция конденсата с температурой на входе в скруббер Е-203 не менее 100 и перепадом температур по выходу и входу конденсата не менее 80.

Газовая фаза из сепарирующей части скруббера Е-203 отводится в абсорбер С-701, а раствор УАС, с температурой 158168 по переливу поступает в инжектор ВД J-201 и далее в конденсатор ВД Е-202 [5].

2.2 Технологические расчеты

Расчет материального и теплового балансов проводим согласно [1, 6].

Целью материального расчёта является определение состава продуктов на выходе из колонны синтеза, теплового баланса - определение прихода и расхода теплоты.

Условие материального баланса

Уравнение материального баланса имеет следующий вид

Условие теплового баланса

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид

Результаты расчета материального и теплового балансов колонны синтеза карбамида представлены в Приложении Б.

3 Расчет экономической эффективности проекта

Целью технико-экономического анализа модернизации колонны синтеза карбамида являются качественные и количественные доказательства экономической целесообразности разработки, а также определение организационно-экономических условий её эффективного функционирования.

Капиталовложения, связанные с модернизацией аппаратов высокого давления, являются затратами потребителя.

Стоимость (цена) приобретения материалов и комплектующих на модернизацию, транспортные расходы по их доставке, стоимость произведённых строительно-монтажных работ на месте эксплуатации учитываются в стоимости основного средства.

При определении капитальных затрат на модернизацию оборудования, следует учесть балансовую стоимость, затраты на демонтаж узлов, направления использования демонтированных узлов и деталей.

К накладным расходам относят: затраты на электроэнергию, затраты на управление производством и его обслуживание, затраты на социально бытовые нужды и прочие [8].

Результаты расчетов представлены в Приложении В.

Срок окупаемости с учётом факторного времени – показатель, характеризующий продолжительность периода, в течение которого сумма чистых доходов, дисконтированных на момент завершения инвестиций, равной сумме инвестиций.

где инвестиции руб;

увеличение прибыли после модернизации.

Заключение

Проведёный обзор научно-технической литературы показал, что основным и очень дорогостоящим аппаратом в производстве карбамида является колонна синтеза, поэтому ее техническое и коррозионное состояние определяют эффективность и бесперебойность работы агрегата.

Модернизация для действующей колонны синтеза карбамида предлагает вариант без изменения технологии синтеза, с использованием существующего оборудования и сохранением производительности аппарата.

Она даёт возможность для предпочтительного раздельного протекания газообразной и жидкой фаз и их последующего оптимального перемешивания друг с другом. Позволяет сократить рециркуляцию непрореагировавших продуктов на 7-10 % при значительном увеличении производительности колонны синтеза и снижении затрат энергии на установке для производства карбамида. Преимущества данной модернизации достигаются при небольших дополнительных затратах за счёт установки колпачков на существующем оборудовании.

В ходе выполнения работы был произведен расчёт материального баланса колонны, в результате получены следующие данные: количество продукта на выходе из колонны составляет 198239,01 кг. Произведя расчёт теплового баланса получили количество теплоты на входе в колонны 265233,16 МДж и количество теплоты на выходе из колонны синтеза карбамида 262266,26 МДж.

Проведенные экономические расчёты показали, что в результате модернизации колонны синтеза карбамида с помощью изготовления и установления на ситчатых тарелках «колпачков» приведёт к снижению затрат за счет уменьшения затрат на фонд оплаты труда, затрат на электроэнергию, обслуживание и ремонт оборудования. Таким образом, цель, поставленная в работе выполнена, все коэффициенты подтверждают высокую рентабельность и целесообразность данного мероприятия.

Список используемых источников

1. Атрощенко В.И., Гелперин И.И. Методы расчетов по технологии синтеза связанного азота. 2-е изд. Киев, 1978 - 312с.

2. ГОСТ 7.32-81 «Отчет о научно-исследовательской работе. Общие требования, правила оформления».

3. Кучерявый В. И., Лебедев В.В. Синтез и применение карбамида. Изд-во: «Химия», 1970 – 448 с.

4. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. – Л.: Химия, 1989. - 327с.

5. Постоянный технологический регламент производства мочевины проектной мощностью 184 тыс т./год, А.В. Григорьев, АО «ФосАгро - Череповец» 2012. - 559с.

6. Расчеты по ТПНВ / Под ред. Проф. М. Е. Позина – Л.: Химия, 1977. - 496с.

7. Синева К. Н., Рябов В. Ф. и др. Производство карбамида. – М.: Химия, 2003 – 270 с.

8. Управление затратами на предприятии: учеб. пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. / Под общ. ред. Г.К. Краюхина. – СПб.: ИД «Бизнес-пресса», 2006. – 352 с.

9. Интернет ресурсы:

1. http://allpatents.ru - патентная информация;

2. http://metallicheckiy-portal.ru - центральный металлический портал РФ;

3. http://www.findpatent.ru - патентная информация.

Приложение А

Технологическая схема отделения синтеза производства карбамида

Приложение Б

Материальный баланс получения плава карбамида

Тепловой баланс колонны синтеза карбамида

Приложение В

Материальные затраты на модернизацию колонны синтеза карбамида

Затраты на модернизацию колонны синтеза карбамида

Структура дополнительной валовой прибыли

продолжение Приложения В

Расчёт показателей эффективности модернизации

20