Проект колонны синтеза карбамида

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
	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 ρн, 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

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 В.

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

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 Г.

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