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.