«Синтез карбамида» - Курсовая работа

Содержание

Введение 3

1 Теоретические аспекты проблемы производства карбамида 5

1.1 Литературный обзор 5

1.2 Физико-химические основы процесса синтеза карбамида 7

1.2 Характеристика сырья и продуктов процесса 13

1.3 Описание технологии получения карбамида ПАО «Тольяттиазот» 14

1.4 Особенности аппаратурного оформления процесса 15

1.5 Аналитический контроль процесса 21

2 Исследовательская часть 22

2.1 Патентный поиск 22

2.2 Предлагаемый способ модернизации 25

3 Расчетная часть 29

3.1 Выбор конструкционного материала и допускаемые напряжения 29

3.2 Расчет толщины стенки корпуса аппарата 30

3.3 Расчет толщины стенки эллиптического днища корпуса 31

3.4 Расчет толщины стенки плоской крышки корпуса 32

3.5.Расчет затвора соединения фланца с крышкой 33

3.6 Расчет массы аппарата 35

4 Расчет экономической эффективности проекта 39

Заключение 40

Список литературы 42

Приложения 45

Введение

Карбамид - самая популярная форма твердого азотного удобрения, особенно в развивающихся регионах мира. Продукт широко продается на международном рынке. Цены на карбамид могут заметно и часто колебаться в зависимости от цен на зерновые культуры, что влияет на спрос. Около 80- 85% продукции используется в качестве удобрений. Более 40% всего производимого в мире продовольствия удобряется карбамидом.

Карбамид также все чаще используется в промышленности для производства карбамидоформальдегидных смол, меламина и кормов для скота. Он также используется для производства клеев и красок, ламинатов, формовочных смесей, бумаги и текстиля.

Рост потребления мочевины обусловлен, в частности, увеличением численности населения планеты, наличием располагаемого дохода и изменениями в рационе питания. Кроме того, хотя площадь пахотных земель увеличивается, объем пахотных земель на душу населения сокращается в результате роста численности населения. В результате для удовлетворения растущих потребностей в продовольствии потребуется больше удобрений.

В 2019 году наибольший объем потребления карбамида приходится на производство удобрений. Остальная часть приходилась на промышленное применение, в первую очередь это производство карбамидоформальдегидных смол и меламина, корма для скота (животных), а также экологические и другие виды применения.

Ожидается, что мировые производственные мощности по производству карбамида увеличатся примерно с 210 млн. тонн до примерно 300 млн. тонн к 2030 году. Мировой спрос на карбамид, по прогнозам, к 2023 году составит около 183 млн. тонн.

Таким образом, растущие темпы производства карбамида требуют поиска возможности модернизации существующих производств, а также изучения новых технологий.

Одним из крупнейших предприятий по производству карбамида в Российской Федерации является ПАО «Тольяттиазот».

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.

Выдержка из текста работы

1 Теоретические аспекты проблемы производства карбамида

1.1 Литературный обзор

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.

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.

1.2 Физико-химические основы процесса синтеза карбамида

Карбамид - это органическое белое соединение, производимое по всему миру в различных формах и размерах из аммиака и углекислого газа. Чаще всего оно используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения, но также возможно его использование в качестве промежуточного продукта при производстве меламина и, таким образом, нашло применение в производстве пластмасс.

В связи с повышенным спросом в отрасли сельского хозяйства карбамид начали коммерчески производить в 20-х годах прошлого века. До сегодняшнего времени промышленная технология была несколько раз модернизирована и перетерпела несколько капитальных ремонтов.

Изначально мочевина производилась по "одноразовому" методу, при котором все непрореагировавшие материалы отбраковывались, а общая конверсия CO2 в мочевину не превышала 75%. На сегодняшний день благодаря технологиям разделения и рециклинга, данный показатель достигает 99%.

Карбамид имеет долгую и интересную историю. Впервые он был открыт в 1727 году голландским ученым Германом Боерхаве, когда ему удалось выделить это соединение из мочи. А столетие спустя, в 1828 году, мочевина впервые была синтезирована в химической лаборатории. Реакция, открытая Фридрихом Вёлером, стала важной вехой в химии, поскольку теперь стало возможным получить органическое соединение из двух неорганических веществ без участия живых организмов. Обнаруженная Вёлером реакция заключалась в следующем:

Исследования по синтезу мочевины непрерывно развиваются с момента ее первого открытия. В начале 20 века мочевина была коммерчески синтезирована гидратацией цианамида кальция:

После изобретения в 1913 году процесса Хабера-Боша, в котором аммиак синтезируется из водорода и атмосферного азота в промышленных масштабах, аммиак и двуокись углерода стало легче получать. В связи с этим разработали новый способ синтеза карбамида. Новая схема, изобретенная в 1922 году, известна как процесс Бош-Мейзера. В этом процессе аммиак и углекислый газ реагируют в два обратимых этапа (рисунок 1).

Заключение

В представленной работе предложена возможность оптимизации узла синтеза карбамида на предприятии ПАО «Тольяттиазот». А именно, замена тарелок действующего реактора на высокоэффективные чашеобразные тарелки.

В работе рассматриваются основные физико-химические закономерности процесса получения карбамида. На установке ПАО «Тольяттиазот» синтез осуществляется при температуре 180-190оС, давлении 14-16 МПа и соотношении аммиак: диоксид углерода 2,95-4. Конверсия диоксида составляет не менее 60%.

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 Gприх = 198239,01 кг. Произведя расчёт теплового баланса получили количество теплоты на входе в колонны Qприх = 265233,16 МДж и количество теплоты на выходе из колонны синтеза карбамида Qрасх = 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 литературы

1. Meessen, J. H. Urea. In Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co: Weinheim, 2012; Vol. 37, pp 657-695.

2. Urea Production and Purification. CHBOST-09/ University of Groningen, 2016. – P. 233.

3. J. C. Copplestone, C. M. Kirk. Ammonia and urea production / Chemicals-A-Ammonia and Urea. URL: https://nzic.o**g.nz/app/uploads/2017/10/1A.pdf (дата обращения: 01.05.2022).- Режим доступа: свободный

4. Production of urea and urea ammonium nitrate / Best Available Techniquesfor Pollution Prevention and Controlin the European Fertilizer Industry. Booklet No. 5 of 8. URL: http://www.productst**ardship.eu/fileadmin/user_upload/user_upload_prodstew/d ocuments/Booklet_nr_5_Production_of_Urea_and_Urea_Ammonium_Nitrate.pdf (дата обращения: 03.05.2022).-Режим доступа: свободный

5. Островский С.В. Совершенствование технологической схемы производства карбамида с целью снижения производственных потерь карбамида и сырья / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2009 г. – С. 5-12.

+ еще 20 источников