Виробництво карбаміду

1. Характеристика сировини, допоміжних матеріалів та готової продукції

1.1 Сировина

У виробництві карбаміду сировиною служить рідкий аміак і газоподібний двооксид вуглецю, таблиця 1.1

Рідкий аміак — безбарвна рідина з різким заходом, що сильно переломлює світло.

Найважливіші фізико-хімічні властивості рідкого аміаку (ДЕРЖСТАНДАРТ 6221−90 марка «Б») наведені в таблиці 1.2.

Таблиця 1.1 Характеристика вихідної сировини

Таблиця 1.2 Фізико-хімічні властивості рідкого аміаку

Газоподібний двооксид вуглецю — безбарвний газ, що володіє кислуватим заходом і смаком. При 0С тиску 3,5 МПа газ згущається в безбарвну рідину, а при сильному охолодженні застигає в снігоподібну масу. Застосовуваний у синтезі двооксид вуглецю не нормується. Найважливіші фізико-хімічні властивості CO₂ представлені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 Фізико-хімічні властивості газоподібного двооксиду вуглецю

1.2 Допоміжні матеріали

Допоміжними матеріалами є:

карбамідоформальдегідна смола ТУ-113−03−469−80, що додається в плав карбаміду для запобігання злежування готової продукції.

Основними параметрами якої є:

а) масова частка карбаміду — 20−24%;

б) масова частка формальдегіду — 54−60%.

силікагель гранульований ДЕРЖСТАНДАРТ 3956−76 марка КСМГ, марка КСКГ із наступними параметрами:

а) насипна щільність — 760 г./дм³;

б) масова частка зерен 2,8−7 мм — 94%.

1.3 Готова продукція

Готовою продукцією є карбамід, що відповідає

ДЕРЖСТАНДАРТУ 2081;92Е марки «Б».

Характеристика готової продукції наведена в таблиці 1.4.

Таблиця 1.4 - Характеристика карбаміду

2. Опис технології

2.1 Опис технологічного процесу

Технологічний процес одержання карбаміду складається із слідуючих основних стадій:

— синтез;

— рецикл;

— випарювання, гранулювання;

— абсорбція, десорбція, гідроліз.

Карбамід одержується синтетичним шляхом — із рідкого аміака та дво-кису вуглецю. У вузлі синтезу протікають процеси утворення карбамата амонію, карбаміда, розкладення карбамата амонію, відгонки надлишкового аміака, а також утворення вуглеамонійних солей. Процес утворення карбамата амонію протікає в результаті взаємодії двоокису вуглецю та аміака по реакції:

CO2 + 2NH3 = NH2 — CO — ONH4 + Q (2.1)

Реакція протікає при тиску в системі синтезу 13,4 — 14,7 МПа і температурі 170 — 175 С. Тепло, яке виділяється при реакції утворення карбамата амонію використовується для одержання пару Р = 0,4 МПа.

Процес утворення карбаміду із карбамата амонію протікає в колоні синтезу при температурі 180 — 185 С і тиску 13,3 — 14,7 МПа, мольне спів-відношення системи аміак — двоокис вуглецю — вода відповідно 2,85:1:0,7, при цьму протягом години протікає реакція дегідратації карбамата амонію:

NH2 — CO — ONH4 = CO (NH2) 2 + H2O — Q (2.2)

Реакція ендотермічна, необхідне тепло для протікання реакції утворюється за рахунок процесу утворення карбамата амонію в колоні синтеза, при цьому в реакції з надлишковим аміаком вступає двоокис вуглецю, непрореагувавший при утворенні основної частини карбамата амонію. Степінь конверсії (пере-творення карбамату амонію в карбамід) для даних умов складає 57 — 60%.

Процес розкладання карбамата амонію і відгонки надлишкового аміака здійснюється при тискі синтезу і температурі 170 — 175 С, яка утворюється за рахунок тепла конденсації пара (Р = 1,7 — 2,0 МПа), що подається в між-трубний простір стріппера:

NH2 — CO — ONH4 = CO2 + 2NH3 — Q (2.3)

Розкладання карбамата амонію по стріппінг-процесу протікає в умовах постійного контактування свіжого двоокису вуглецю з карбамато-карбамідним розчином. Контактування двоокису вуглецю з карбамато-карбамідним роз-чином протікає на внутрішній поверхні трубок, при цьому карбамат-карба — мідний розчин у вигляді плівки стікає по трубам зверху вниз, а протитоком рухається свіжий двоокис вуглецю.

Газоподібний аміак, який виділився при розкладенні карбамату амонія, двоокис вуглецю та пар води захоплюється свіжим потоком двоокису вуглецю, який надходить в стріппер поз. Е-201 і направляється в конденсатор ВТ поз. Е-202. Реакційна суміш з масовою долею карбаміду 54 — 57% після стріппера направляється у вузол рециклу для остаточного розкладу карбамата амонію і відгонки надлишкового аміака.

Із непрореагованих в колоні синтезу газоподібного аміака, двоокису вуглецю і пару води при тиску синтеза і температури 168 — 169 С утворю-ються вуглеамонійні солі (ВАС), при цьому протікають реакції:

NH3 + H2O = NH4OH + Q (2.4)

NH4OH + CO2 = (NH4) 2CO3 + H2O + Q (2.5)

NH4OH + CO2 = NH4HCO3 + Q (2.6)

Реакції екзотермічні, теплота утворення ВАС постійно відводиться циркулюючим конденсатом в холодильнику поз. Е-904.

2.2 Опис технологічної схеми

Синтез карбаміду проводиться в контурі ВТ при тиску не більше 15,5 МПа (PRICAH 2101) і температурі 167 -185 С.

Контур ВТ включає в себе:

конденсатор ВТ поз. Е-202;

колону синтезу поз. R-201;

скрубер ВТ поз. Е-203;

стріпер поз. Е-201.

Внутрішня поверхня обладнання контуру ВТ, яка контактує з реакційним середовищем, футерована високолегірованою сталлю. Стан футеровки контролюється потенціометричним і аналітичним методами.

Процес виробництва карбаміду у вузлі синтезу починається з одержання карбамата амонію в конденсаторі ВТ поз. Е-202. Конденсатор ВТ являє собою вертикальний циліндричний кожухотрубний теплообмінник, в трубках якого утворюється карбамат амонію. Рідкий аміак в конденсатор ВТ подається насосами ВТ поз. Р-102А, В© з температурою не більше 27С, об'ємним видатком не менше 25 м / год через інжектор ВТ поз. I-201 в верхню приймальну камеру конденсатора ВТ, розташовану над трубною дошкою теплобмінника. Введення аміаку в приймальну камеру виконане з опущенням до трубної дошки. Вхідний патрубок має в кінцевій частині пристрій для рівномірного розподілу аміака по трубній дошці. Двоокис вуглецю подається в приймальну камеру конденсатора ВТ із трубної частини стріпера поз. Е-201. В приймальній камері конденсатора ВТ амік та доокис вуглецю рівномірно росподіляється по трубам конденсатора ВТ. В трубному просторі конденсатора аміак та двоокис вуглецю конденсується, утворюючи карбомат, який стікає по трубкам зверху вниз і надходить в нижю камеру, що розташована під трубною дошкою. Із нижньої камери карбамат з температурою 160 — 175 С відводиться в нижню частину колони синтезу поз. R-201.

Теплоутворення карбамата амонію утилізується за рахунок одержання пари низького тиску (НТ), тиском 0,32 — 0,45 МПа в нижньому трубному просторі конденсатора НТ, який надалі використовується на технологічні по-треби.

Температура реакції, а також і степінь конденсації аміаку та двоокису вуглецю, регулюється зміною тиску пари НТ в сепараторах поз. V-201 А, В (регулятором PIRC 2106) і підтримується таким чином, щоб частина аміака та двоокису вуглецю не конденсувалась в конденсаторі.

Несконденсувавшийся аміак і двоокис вуглецю із нижньої камери кон-денсатора ВТ через патрубок, який конструктивно розташований над рівнем карбамата, подається в нижню частину колони синтезу поз. R-201.

В колоні синтезу за час перебування (1 година), при мольному співвідношенні в рідкій фазі аміак та двоокис вуглецю = 2,8 — 3,5:1, при тем-пературі в нижній частині колони синтезу 167 — 185 ⁰С протікає реакція дегідратації карбамата амонію з одержанням карбаміду.

Ендотермічність реакції одержання карбаміду підтримується за рахунок протікання реакції утворення карбамата амонію із аміака та двоокису вуг-лецю, що надходять в колону синтеза із конденсатора ВТ поз. Е-202 (несконденсована частина). Степінь перетворення (конверсії) двоокису вуглецю в карбамід складає 57 — 60%. Газова фаза з температурою не більше 185 С із верхньої частини колони синтезу відводиться в буферну частину скруберу ВТ поз. Е-203. Буферна частина скруберу відділена від сепараційної частини запобіжною мембраною, яка запобігає руйнуванню апарату у випадку вибуху газової суміші під мембраною.

Газова суміш із сепараційної частини відводиться в нижню частину скрубера ВТ, де змішується з розчином ВАС, що надходить із вузла рециклу від карбаматних насосів ВТ поз. Р-301 А, В© і далі через розподільний пристрій направляється в трубний простір скруберу ВТ, де протікає конденсація аміаку та двоокису вуглецю з утворенням розчину ВАС, виходячого із теплообмінної зони скруберу ВТ, надходить в переливну воронку і по центральній переливній трубі постійно циркулює назад в нижню частину скрубера, забезпечуючи ефективність масообмінника і повноту конденсації аміаку та двоокису вуглецю. Основна частина розчину ВАС по лінії переливу з температурою С разом з незначною кількістю карбамату, що надходить із нижньої частини колони синтезу через інжектор ВТ поз.І-201, подається в приємну камеру кон-денсатора ВТ поз. Е-202. Пониження температури розчину ВАС при виході із скрубберу ВТ до 150 С сигналізується в ЦПУ. Тепло конденсації аміака і двоокису вуглецю відводиться охолоджуючим конденсатом, що подається в міжтрубний простір скруберу ВТ. Охолоджуючий конденсат циркулює від насосу поз. Р-906 А (В) через холодильник поз. Е-904.

Несконденсована газова фаза із сепараційної частини клапаном НІRС 2603 дроселюється до тиску 0,55 — 0,6 МПа і відводиться в абсорбер поз. С-701 для подальшого поглинання аміаку.

Реакційна суміш з температурою С із верхньої частини колони синтезу надходить в переливну воронку і по центральній трубі, розташованій всередині колони, ручним клапаном регулятора рівня НІRС 2601 відводиться в стрипер поз. Е-201 для розкладення неперетвореного в карбамід карбамату амонію. Розкладення неперетвореного карбамата здійснюється в трубному просторі стриперу тиском синтезу. В верхній частині стриперу реакційна суміш, що надійшла із колони синтезу, рівномірно розподіляється по трубній дошці і через розподільний пристрій з калібровочними отворами стікає у вигляді плівки в нижню частину стрипера. Назустріч протитоком реакційній суміші через розподільний патрубок, змонтований в нижній частині стриперу, подається двоокис вуглецю з температурою не більше 100 С (ТR 2305) і об'ємним розходом не менше 1300 м/год. В трубному просторі стриперу протікає розклад карбамату і віддувки свіжим двоокисом вуглецю продуктів розкладу (аміаку, двоокису вуглецю, води та інертів), які відводяться із верхньої частини стриперу в конденсатор ВТ поз. Е-202 для конденсації та утворення карбамату.

Тепло, необхідне для проведення стрипінг-процесу, утворюється за рахунок конденсації насиченої водяної пари з тиском не більше 2,06 МПа. Пар в міжтрубному просторі стрипера поз. Е-201 надходить із сатуратора ВТ поз. V-905. Реакційна суміш з температурою С, з масовою долею карбаміду не менше 54%, двоокису вуглецю не більше 10%, аміаку — 6−8%, інше вода. Ця вода із нижньої частини стриперу клапаном регулятором рівня LIRC 2503 відводиться в ректифікаційну колону поз. С-303 для остаточного розкладу карбамата амонію. Вузол абсорбції призначений для вловлювання аміаку із скрубера ВТ поз. Е-203. Газова суміш із скруберу ВТ надходить по гріючому трубопроводу в нижню частину абсорберу поз. С-701

2.3 Технологічний режим процесу синтезу карбаміду

Показники технологічного режиму виробництва карбаміду наведені нижче:

Тиск аміаку, МПа

рідкого, що надходить зі складу…1,18 — 1,57

рідкого після компримування…1,67 — 1,96

газоподібного, що надходить в колону синтезу…. 19,6

Температура, С

аміака, що надходить в колону синтезу… до 90

двоокису вуглецю на виході із газгольдеру…15 — 35

Добавка кисню (по відношенню до СО₂), %…0,5 — 0,8

Тиск СО₂, що надходить в колону синтезу, МПа… 19,62

Вологість СО₂ після сушки, г/м, не більше …1

Мольне співвідношення реагентів в колоні синтезу

NH₃:CO₂:H₂O… (3,8-4):1: (0,5-0,8)

Тиск в колоні синтезу, МПа… 17,66 — 19,62

Температура в колоні синтезу, С……185 — 195

Тривалість процесу синтезу, хв…30 — 40

Тиск плаву на виході із колони після дроселювання,

МПа…1,57 — 1,96

Температура плаву після дроселювання, С…120

3. Характеристика обладнання

3.1 Апаратурне оформлення процесу виробництва карбаміду

карбамід теплообмінник технологічний

Вузол синтезу має слідуюче обладнання: колону синтезу, компресори та насоси, що забезпечують стиснення та подачу реагентів, а також теплообмінники, фільтри, буферні сосуди та ін.

Основним апаратом, конструкція якого в значному степені визначає кількість останньої апаратури та схему вузла синтезу, є реактор (колона синтезу). В промисловості застосовують два типа колон синтезу — із захисними стаканами та футеровані.

В даній технологічній схемі застосовується футерована колона синтезу. Колона являє собою циліндричний аппарат, вмістимістю 125 м, із верхньою кришкою, необхідною для періодичного огляду та ремонту футеровки. Остання виконана із листової сталі типу АІSI 316L товщиною 5 мм.

По висоті колони змонтовано десять тарілок, що забеспечують напрямленність переміщення реакційної суміші знизу вверх.

Змішування реагентів проводиться до колони в інжекторі. Перевагою футерованих колон являється повне використання об'єму апарата високого тиску для проведення синтезу. Недоліки цієї конструкції - важкість і тривалість ремонту футеровки, а також необхідність дотримання зазначеного температурного режиму при розігріванні та охолоджені колони для уникнення деформації та розриву футеровки.

Інжектор виготовлений із вуглецевої низьколегірованої сталі та фу-терований листовою хромонікельмолібденовою сталлю. Для кращого змі-шування аміака, двоокису вуглецю та розчину вуглеамонійних солей інжектор має спеціальну насадку. Практика експлуатації виробництв карбаміду з рідинним рециклом, де застосовуються подібні інжектори, показала, що конструкція надійна, так як насадка та футеровка змішувачів сприятливі сильному ерозіонно-корозіонному зносу.

Конденсатор ВТ являє собою вертикальний циліндричний кожухо-трубний теплообмінник, в трубках якого утворюється карбамат амонію. Він складається із приймальної і нижньої камер та трубної дошки.

Стрипер — вертикальний кожухотрубний теплообмінник плівчатого типу. В верхній частині реакційна суміш, що надійшла із колони синтезу, рівномірно розподіляється по трубній дошці та через розподільний пристрій з колібровочними отворами у вигляді плівки стікає в нижню частину стрипера.

3.2 Специфікація основного технологічного обладнання

Специфікація основної технологічної апаратури процесу синтезу кар-баміду представлена у вигляді таблиці (таблиця 3.1).

Таблиця 3.1 — Специфікація технологічного обладнання синтезу карбаміду

4. Організація виробництва

4.1 Організація управління цехом

карбамід теплообмінник технологічний

Основними задачами управління цехом виробництва карбаміду є створення умов, що забезпечують виконання планових завдань, підвищення якості та ефективності виробництва, повне та ефективне використання матеріальних, трудових та фінансових ресурсів, механізація та автоматизація праці. Для реалізації цих задач в цеху існує лінійна організаційна структура управління. Схема управління цехом представлена на мал. 4.1.

Керівником цеху є начальник цеху, він підпорядкований безпосередньо директору заводу. Відділи заводоуправління не можуть давати йому безпосередніх розпоряджень.

Начальник цеху здійснює технічне та господарче керівництво і несе відповідальність за виконання виробничих завдань. Начальник цеху відповідає за якість продукції, ритмічність роботи усіх підрозділів цеху, здійснює контроль за витрачанням матеріальних та фінансових ресурсів цеху. Він відповідає також за техніку безпеки та охорону праці, за підбір та використання кадрів, стан документації, обліку та звітності.

Заступник начальнику цеху підпорядкований безпосередньо начальнику цеху і здійснює технологічне керівництво цеху.

Інженер-технолог підпорядкований заступнику начальника цеху, несе відповідальність за справну роботу обладнання та своєчасне виконання ремонтів.

Механік здійснює контроль за ремонтом механічного обладнання й устаткування та його станом. Він безпосередньо відповідає за стан ремонтної служби цеху та забезпечує відповідний стан діючого механічного обладнання. До його функцій входять: забезпечення безаварійної та надійної роботи всіх видів обладнання, здійснення технічного нагляду за обладнанням. Йому підпорядковуються майстри, які безпосередньо керуються роботами по нагляду, та експлуатації та ремонту обладнання. Майстрам, в свою чергу, підпорядковані слюсарі.

Енергетик та майстер по КВПтаА очолюють дані служби та відповідають за роботу електрообладнання: засобів КВПтаА. Вони ведуть відповідну документацію.

Начальник зміни безпосередньо організовує виробничий процес. Усі розпорядження цехової адміністрації передаються працівникам тільки через начальника зміни, який відповідає за їх виконання. Він повинен слідкувати за своєчасним забезпеченням працівників сировиною та матеріалами, інструктувати та здійснювати допомогу працівникам у виконанні завдань, слідкувати за дотриманням працюючими встановлених режимів та правил техніки безпеки, забезпечувати високу якість продукції та попереджувати брак. Також він відповідає за стан трудової дисципліни, за повне та продуктивне використання робочого дня.

Для організації змінної роботи використовують графік змінності. Графік змінності - це графічне зображення днів роботи і відпочинку, порядку переходу робітників із зміни в зміну.

В умовах безперервної роботи цеху виробництва карбаміду застосовують трьохзмінну працю по 8 годин трьох змін. Кожна зміна, після трьох днів роботи має 24 години відпочинку.

4.2 Штатний розклад цеху

Таблиця 4.1 — Штатний розклад цеху виробництва карбаміду