Разработка технологии получения аммиака

Аппаратами  производства аммиака необходимо управлять  таким образом, чтобы выход аммиака  поддерживался на постоянном, максимально  возможном для данных условий  значении. Выход аммиака определяется температурой и давлением в зоне реакции, свойствами катализатора.

Стабильность  выхода аммиака зависит от состава  исходной смеси, а также от продолжительности  пребывания газа в зоне катализатора.

Основной регулируемый параметр – показатель эффективности процесса. Далее регулированию подлежат параметры, влияющие на материальные и тепловые балансы в объекте.

 

2.2.1 Выбор средств автоматизации

 

При выборе средств  автоматизации предусматривается  установка контрольно-измерительных  приборов, позволяющих контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры (таблица 2).

 

Таблица 2 – Средства автоматизации технологической схемы получения серной кислоты

 

Поз.	Измеряемые параметры	Наименование  и техническая характеристика приборов	Марка	Кол-во	Приме-чание
1	2	3	4	5	6
7-1	Температура	Термоэлектрический термометр	ТХА Метран – 201	1	По месту
7-2	Температура	Показывающий, регистрирующий прибор с регулятором	ДИСК -250	1	На щите
7-3	Температура	Электропреобразователь	ЭПП-63	1	По месту
7-4	Температура	Клапан регулирующий	К-8560	1	В разрыве трубопровода
4-1 6-1 9-1 11-1 12-1	Давление	Датчик давления Предельно-допускаемое  рабочее давление 100МПа	Метран 100	5	По месту
4-2 6-2 9-2 11-2 12-2	Давление	Показывающий, регистрирующий прибор	ДИСК -250	5	На щите
4-3 6-3 9-3 11-3 12-3	Давление	электропреобразователь	ЭПП-63	5	По месту
4-4 6-4 9-4 11-4 12-4	Давление	Регулирующий  клапан	К-8560	5	В разрыве трубопровода
1-1 2-1 3-1 8-1 10-1	Уровень	Радарный уровнемер	УЛМ-11А1	5	По месту
1-2 2-2 3-2 8-2 10-2	Уровень	Показывающий, регистрирующий прибор с регулятором	ДИСК-250	5	На щите
1-3 1-4 2-3 2-4 3-3 3-4 8-3 8-4 10-3 10-4	Уровень	Лампа сигнальная	Л -1	10	Под щитом
1-5 2-5 3-15 8-5 10-5	Уровень	Электропреобразователь	ЭПП - 63	5	По месту
1-6 3-6 5-6 15-6 19-6	Уровень	Регулирующий, предохранительный клапан	PN 16-160	5	В разрыве трубопровода
9-1	Расход	Расходомер	8800D	1	По месту
9-2	Расход	Показывающий, регистрирующий прибор	ДИСК -250	1	На щите
9-3	Расход	электропреобразователь	ЭПП - 63	1	По месту
9-4	Расход	Регулирующий  клапан	PN 16-160	1	В разрыве трубо-провода

 

 

2.2.2 Описание приборов

 

1. Интеллектуальный датчик давления Метран-100. Измеряемые среды: жидкости, пар, газ, в т. ч. газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

- минимальный 0 - 0,04 кПа;

- максимальный 0-100 МПа.

Датчики предназначены  для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый и/или цифровой сигнал. Непрерывная самодиагностика обеспечивает контроль работы датчика и формирует сообщение о неисправностях. Установка «нуля» датчика выполняется нажатием кнопки без разгерметизации корпуса и без нарушения требований взрывозащиты.

2. Лампа сигнальная Л-1 предназначена для световой сигнализации (индикации) (предупреждающей, аварийной, положения и т.д.) работы оборудования в электрических цепях напряжением 230 В переменного тока частоты 50 и 60 Гц. Конструкция лампы неразборная. Работа лампы заключается в свечении при замыкании определенных электрических цепей с целью сигнализации о соответствующих режимах работы оборудования.

3 Показывающий, регулирующий прибор ДИСК-250. Назначение: измерение и регистрация активного сопротивления, силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин. Приборы обеспечивают сигнализацию и регулирование параметров техпроцесса, преобразование входного сигнала в выходной непрерывный токовый сигнал.

Основная погрешность, в % от нормирующего значения, не более

±0,5 по показаниям и преобразованию;

±1,0 по регистрации, регулированию и сигнализации.

Диапазон задания  установок регулирования и сигнализации: от 0 до 100% диапазона входного сигнала. Быстродействие – 5с. Время работы диска: 24 ч. Длина шкалы: 560 мм. Питание: 220 В (60 Гц). Мощность: 25 ВА. Масса: не более 13 кг.

4 ТХА-Метран-201

Предназначен  для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных  сред, а также агрессивных, не разрушающих  материал защитной арматуры. Преобразователи имеют разборную конструкцию, состоящую из внутреннего чувствительного элемента, изготовленного на базе кабеля термопарного.

Диапазон измеряемых температур -40…+1000^оС.

          5 Электропневмопреобразователь ЭПП-63 осуществляет переход с электрической ветви ГСП на пневматическую [21].

          6 Клапан PN 16-160

Клапан регулирующий, предохранительный пружинный устанавливают для защиты оборудования от недопустимо высокого давления, рассчитан на работу с различными газами и жидкостями.

Клапан рассчитан  на работу в диапазоне -40 до +425 , с металлическими деталями  и графитовым уплотнением до +560  . Работает при высоких давлениях.

7 Поворотные клапаны-К  8560

Клапан общего назначения с эксцентрическим диском стандарта ANSI, рассчитан на работу с различными газами и жидкостями.

Клапан рассчитан  на работу в диапазоне 0 до +232 , с металлическими деталями  и графитовым уплотнением до +538  .

D_у клапана от 50 до 300 мм.

Условное давление до 10 МПа.

Выполнен из нержавеющей углеродистой стали  ТХА 0515

 

 

 

 

8 Уровнемер УЛМ-11А1

Уровнемер УЛМ-11А1 оптимизирован  для решения общетехнологических  задач бесконтактного измерения  уровня в различных резервуарах  с жидкими продуктами и сыпучими материалами.

диапазон измерения  уровня ................................................ 0,6 ÷ 30м.

рабочая температура  окружающей среды ....................... от -60 до +50⁰С

температура контролируемого  продукта .......................... не ограничена.

9 Расходомер 8800 D

          Максимальный рейтинг давления ANSI 1500

         (PN250) для линий от 25 мм до 200 мм (1-8

         дюймов) и ANSI 900 для линий от 15 до 200 мм

(½-8 дюймов).

         Cтандартное исполнение

         от –40°C до 232 °C

        Высокотемпературное исполнение

         от –200°С до 427 °C

2.3 Описание технологической схемы производства аммиака с использованием средств автоматизации

Давление смеси на выходе из колонны синтеза аммиака (КС-1), давление жидкого аммиака на выходе из насоса (Н-3), давление циркуляционных газов на выходе из сепаратора жидкого аммиака (С-1), давление пара из котла-утилизатора (КУ-1), давление газа из инжектора

(И-1),давление в уравнительном сосуде (УС-1) измеряется датчиками давления 7-1,  11-1,  17-1, 21-1, 23-1,25-1 сигнал подается на прибор индикации и регулирования 7-2, 11-2, 17-2, 21-2, 23-2, 25-2 и отправляется на электропневмопреобразователь 7-3, 11-3, 17-3, 21-3, 23-3,  25-3. Давление регулируется клапанами 7-4, 11-4, 17-4, 21-4, 23-4, 25-4. 

Температура газовой смеси в конденсаторе (К-1)измеряется датчиком 13-1, сигнал подается на прибор индикации 13-2.

Уровень питательной воды в котле-утилизаторе (КУ-1), уровень жидкого аммиака в сепараторе (С-1) жидкого аммиака, уровень аммиака в сборниках жидкого аммиака (Е-1), измеряется уровнемерами 1-1, 3-1, 5-1, 15-1, 19-1,сигнал подается на прибор индикации и регулирования и сигнализации 1-2, 3-2, 5-2, 15-2, 19-2, идет сигнал на лампы 1-3,1-4,3-3,3-4,5-3,5-4,15-3,15-4,19-3,19-4 если происходит повышение уровня, если нет, то направляется на электропневмопреобразователь 1-3, 3-3, 5-3, 15-3, 19-3. Уровень рабочей жидкости регулируется с помощью клапанов 1-4, 3-4, 5-4, 15-4,19-4.

 

 2.4 Обоснование и выбор запорно-регулирующей арматуры

 

Запорно-регулирующая арматура  – ключевой элемент всех технологических систем, основанных на использовании какого-либо носителя (воды, газа, пара), так как позволяет регулировать его поток.

Основные функции  арматуры – это подключение или соединение приборов и труб, предохранение и управление рабочим потоком носителя: перекрытие, балансировка, регуляция давления потока [19].

К запорно-регулирующей арматуре относятся: клапаны, задвижки, вентили и краны. 

Клапан –  устройство, служащее для управления потоком газа или жидкости в машинах или трубопроводах путём изменения проходного сечения. Клапан состоит из корпуса, встроенного в трубопровод, и затвора, перемещающегося внутри корпуса и изменяющего проходное сечение, а следовательно, и пропускную способность. Применяется в трубопроводах с диаметром до 150 мм [16].

Кран - это запорное устройство, в котором подвижная  деталь затвора (пробка) имеет форму  тела вращения с отверстием, которое  при вращении пропускает или перекрывает  рабочий поток.

 Предназначен для управления потоками (открытие и закрытие) жидких и газообразных сред на трубопроводах высокого давления, транспортирующих агрессивные и неагрессивные вещества.

Вентиль – запорное устройство насажено на шпиндель, проходное  сечение перекрывается в горизонтальной плоскости. Предназначен для установки на трубопроводах в качестве запорного и регулирующего устройства; на обратную подводку к отопительным приборам.

Задвижка - трубопроводная арматура, в которой запорный или регулирующий орган перемещается возвратно-поступательно, перпендикулярно направлению потока рабочей среды. Предназначена для установки на трубопроводах для полного отключения и включения потока среды, на технологических линиях в качестве запорного устройства. При выборе арматуры необходимо учитывать следующие параметры:

- условия и особенности технологических процессов;

- вид и физические свойства перекачиваемой рабочей среды;

- характер работы арматуры;

- вид нагрузок в гидравлической системе;

- габаритные размеры и масса;

- вид энергии для привода (ручного или механического действия);

- химическая активность рабочей среды и ее коррозионные свойства;

- долговечность и ремонтопригодность;

- надежность работы в системах;

- экономичность;

- герметичность.

Изучив потенциально опасные объекты производства аммиака, установим клапан на входе в уравнительный сосуд. Этот выбор связан с тем, что в уравнительном сосуде может произойти контакт рабочей среды с жидкостью внутри сосуда, возможно перемешивание, диффузия и, как следствие, проникновение рабочей среды во внутреннюю полость прибора[18].

Регулирующий клапан модели GX Fisherr является современной конструкцией, состоящей из клапана и привода в сборе. Клапан GX предназначен для применения в разнообразных средах таких, как жидкости, газы и пары. Размеры корпуса клапана от Ду 15 до Ду 150, (или от 0.5 до 6 дюймов). При температуре от -40 до +425 °С.

Изучен технологический  процесс производства аммиака, который  состоит из следующих основных стадий: синтез аммиака, испарение танковых, конденсация аммиака.

Разработана принципиальная технологическая схема производства аммиака. Основной процесс происходит в аппарате КСА, где происходит реакция взаимодействия азотоводородной смеси.

Произведена автоматизация  технологического процесса, подобраны  датчики, регулирующие и сигнализирующие приборы.

Выбрана запорно-регулирующая арматура в виде регулирующего клапана модели GX Fisherr на входе в уравнительный сосуд, так как в этом месте может произойти проникновение рабочей среды во внутреннюю полость прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчетная часть

 

3.1 Материальный баланс

 

Материальный  баланс – это вещественное выражение  закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой  системе масса веществ, вступающих во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия.

Применительно к расчету материального баланса  какого-либо производства этот закон  принимает следующую формулировку: масса исходного сырья процесса должна быть равна массе его конечных продуктов. Для периодических процессов  материальный баланс составляется в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени.

Баланс состоит  из “прихода” – общей массы  веществ, поступающих на производство и “расхода”- общей массы материалов, выходящих из производства. Материальный баланс сводится в массовых единицах в таблице. Если приходная и расходная части материального баланса выражается в мольных или для газов в объемных единицах, то должно быть учтено изменение числа молей в процессе. В данном разделе был произведен расчет материального баланса процесса с простой обратимой реакцией, оформленной по циркуляционной схеме с одним потоком рецикла. Для этого необходимо: