Производство карбамида с двухступенчатой дистилляцией плава и жидкостным рециклом

Таблица 9 – Материальный баланс синтеза карбамида (на 1 т готового продукта)

Приход			Расход
Исходное сырье	кг	%	Продукты	кг	%
NH3	2509	64	CO(NH2)2	1070	27,3
CO2	1352,87	34,52	NH2COOONH4	1007,26	25,7
N2	56,36	1,43	H2O	320	8,16
			NH3 (изб)	1520	38,8
Всего	3918,23	100	Всего	3918, 26	100

 

5. Выделившаяся вода взаимодействует с избыточным аммиаком, образуя NH4OH, количество которого равно:

m (NH4OH) =                                                         (13)

где M(NH4OH) – молярная масса гидрата аммония, (35 г/моль).

m(NH4OH) = = 622, 22 кг

На образование 622, 22 кг гидрата аммония затрачивается аммиака:

m'''(NH3) = = 302, 22 кг

Остается избыточного аммиака в газовой фазе:

1520 – 302, 22 = 1217, 78 кг

 

6. Невязка составляет:

 

∆ = ∙ 100 = 7,6 ∙10 ̄ 4 (менее 1 %)

 

 

7.2 Расчет теплового баланса колонны синтеза

 

1. Приход теплоты:

 

- Количество теплоты, поступающей с CO2:

 

Q1 = m''(CO2) ∙c (CO2) ∙T,                                                              (14)

 

где с (СO2) – теплоемкость CO2 при T;

T – температура CO2

Q1 = 1352,87 ∙ 1,026 ∙35 = 48581 кДж

- Количество теплоты, поступающей с NH3:

Q2 = m''(NH3) ∙∆H (NH3),                                                                  (15)

где ∙∆H (NH3) – энтальпия жидкого аммиака при 105°С.

Q2 = 2509 ∙ 132,1 = 331438,9 кДж

- Теплота образования карбамата  аммония:

Q3 = ∙ (q1 – q2),                                                         (16)

 

где q1 – тепловой эффект реакции образования и твердого карбамата аммония из газообразного аммиака и двуокиси углерода кДж/моль.

q2 – теплота плавления карбамата аммония кДж/кмоль

Q3 = ∙(159350 – 77456) = 2517988 кДж

- Теплота образования гидрата  аммония:

 

Q4 = ,                                                                            (17)

 

где q3 – тепловой эффект образования гидрата аммония из аммиака и воды, Дж/моль

Q4 = = 188906 кДж

- Суммарный приход теплоты:

Q прих = Q1 +Q2+Q3+Q4                                                                                                                  (18)

Q прих = 48581+331439+2517988+188906 = 3086914 кДж

2. Расход теплоты:

- На образование мочевины:

где q4 – тепловой эффект конверсии карбамата при избытке аммиака

120% от стехиометрического количества, кДж/моль.

 

Q'1 = = 335873 кДж

 

- На подогрев жидкого аммиака  от 105°С до 132,9°С:

Q'2 = m''(NH3) ∙ C(NH3) ∙∆T,                                                             (19)

где C(NH3) – теплоемкость аммиака, кДж/(кг∙К)

Q'2 = 2509 ∙2,47 ∙ (132,9 – 105) = 172902 кДж

- На подогрев двуокиси углерода  от 35°С до 132,9 °С:

Q'2 = m''(CO2) ∙C(CO2) ∙∆T,                                                               (20)

где C(CO2) – теплоемкость двуокиси углерода, кДж/(кг∙К).

Q'3 = 1352,87 ∙ 1,026 ∙ (132,5 – 35) = 135334 кДж

- На подогрев образующегося  карбамата аммония от 132,9 °С до 200°С:

Q'4 = m(NH2COOONH4) ∙ C(NH2COOONH4) ∙∆T,

(21)

где C(NH2COOONH4) – теплоемкость карбамата аммония, кДж/(кг∙К).

Q'4 = 2398,26 ∙ 1,951 ∙ (200 – 132,9) = 313961,2 кДж

- На подогрев избыточного газообразного  аммиака:

Q'5 = m(NH3) газ ∙ С(NH3) газ ∙∆T,

(22)

где C(NH3) газ – теплоемкость газообразного аммиака при t ср = 166,5°С и давлении P = 20 МПа, кДж/(кг∙К).

Q'5 = 1217,78 ∙ 2,47 ∙ (200 – 139,5) = 181978,9 кДж

- На подогрев NH4OH от 139, 5°С до 200°С:

Q'6 = m(NH4OH) ∙C(NH4OH) ∙ ∆T,

(23)

где C(NH4OH) – теплоемкость NH4OH, кДж/(кг∙К).

 Q'6 = 622,22 ∙ 4,187 ∙(200 – 139,5) = 157616,7 кДж

- Теплота, уходящая с плавом мочевины при 200°С:

Q'7 = 3918,26 ∙ Cср ∙ 200

(24)

Определяем среднюю теплоемкость плава мочевины по следующей формуле:

C ср = ,

(25)

где См, С карб, С ам, Св, Саз – концентрации мочевины, карбамата аммония, аммиака, воды, инертного газа (азота);

1, 344; 1,951; 2,470; 4,187; 0,921 – теплоемкости  указанных веществ, кДж/(кг∙К)

C ср = = 2,17 кДж/(кг∙К)

Q'7 = 3918,26 ∙ 2,17 ∙ 200 = 1700524,8 кДж

- Теплопотери в окружающую среду принимаем равными 6,5% от общего количества теплоты, приходящейся в колонну синтеза:

Q' расх = Q'1 + Q'2 + Q'3 + Q'4+ Q'5 + Q'6 + Q'7 = 335980 +172902 +135334 + 313961,2 +181978,9 + 157616,7 + 1700524,8 = 2840573,9 кДж

Q'8 = 2840573,9 ∙ 0,065 = 184637,3 кДж

- Суммарный расход тепла составляет:

Q расх = Q'1 + Q'2 + Q'3 + Q'4 + Q'5 +Q'6 + Q'7 +Q'                                (26)

Q расх = 335980 + 172902 + 135334 +313961,2 + 181978,9 +157616,7 + 1700524,8 + 335980+ 172902+ 135334 + 313961,2 + 181978,9 + 157616,7 + 1700524,8 = 3025211,2 кДж

Полученные данные сведем в таблицу 10.

Таблица 10 – Тепловой баланс колонны синтеза мочевины

Приход			Расход
Поток	кДж	%	Поток	кДж	%
Q1	48581	1,5	Q'1	335873	11,1
Q2	331438,9	10,7	Q'2	172902	5,7
Q3	2517988	81,5	Q'3	135334	4,4
Q4	188906	6,1	Q'4	313961,2	10,3
			Q'5	181978,9	0,6
			Q'6	157616,7	5,2
			Q'7	1700524,8	56,2
			Q'8	184637,3	6,1
Всего	3086917	100	Всего	3025211,2	100

 

Расхождение между вычисленными значениями прихода и расхода теплоты составляет:

∆ = ∙ 100 = 2%                                            (27)

 

8 Техника безопасности и охрана труда

 

По степени воздействия на организм человека карбамид относят к умеренно опасным веществам (3 класс опасности).

Предельно допустимая концентрация карбамида в воздухе рабочей зоны – 10 мг/м³ (максимальная разовая доза).

В организм человека карбамид может проникать через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт, а также может попадать на кожу и в глаза.

Длительное вдыхание пыли карбамида в концентрациях, превышающих предельно допустимую, приводит к развитию хронического воспаления слизистой оболочки трахеи и бронхов, изменениям функции печени и почек. При ингаляционном отравлении наблюдается раздражение слизистой дыхательных путей, затрудненное дыхание; при попадании внутрь – пенистые выделения из носа, синюшность кожи, судороги (при сильном отравлении). При воздействии на кожу – раздражение; на глаза – слезоточение, поражение роговицы.

При попадании в глаза и на кожу необходимо промыть их большим количеством воды. При отравлении ингаляционным путем – необходим свежий воздух, покой, тепло, чистая одежда. Следует тщательно прополоскать нос и рот водой. При попадании внутрь – обильное питье, активированный уголь, солевое слабительное. При необходимости следует обратиться за медицинской помощью.

Все производственные помещения должны быть оборудованы общеобменной принудительной вентиляцией, места возможного пыления – местными отсосами, воздух которых перед выбросом в атмосферу должен направляться на очистку.

При изготовлении и фасовке карбамида должны соблюдаться общие требования пожарной  безопасности и гигиенические требования.

Все работы с карбамидом необходимо проводить с соблюдением мер индивидуальной защиты (специальные костюмы, ботинки или сапоги, резинотрикотажные перчатки, респиратор, ватно-марлевая повязка).

Предельно допустимая среднесуточная массовая концентрация карбамида в атмосферном воздухе населенных мест – 0,2 мг/м³.

Промывание воды после промывки оборудования и коммуникаций должны быть направлены на биоочистные сооружения. Предельно допустимая концентрация карбамида для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение – 80 мг/дм³.

Твердые отходы производства или применения карбамида (после очистки оборудования и коммуникаций, россыпи) должны быть направлены на технологическую переработку или быть реализованы по согласованию с потребителем.

При хранении и транспортировании карбамида необходимо соблюдать меры, исключающие его неконтролируемое попадание в окружающую среду.

Применение карбамида должно соответствовать правилам охраны окружающей среды от вредного воздействия минеральных удобрений. Дозы карбамида – источника амидного азота определяются состоянием почвы, выращиваемыми культурами и не должны приводить к загрязнению почвы, водоемов и окружающей среду, накоплению в почве и сельскохозяйственной продукции.

В производстве карбамида большое значение уделяют технике безопасности. Нарушение правил техники безопасности, отступления от нормального режима работы или нарушения трудовой дисциплины на производстве, приводят к авариям, несчастным случаям, и даже к возможности возникновения профессиональных заболеваний.

 

 

Некоторые процессы в производстве мочевины являются огне- и взрывоопасными. Опасность и вредность отдельных стадий производства определяются:

а) наличием машин и движущихся механизмов; коммуникаций, работающих под давлением, возможностью скопления в каналах и проемах оксида и диоксида углерода, наличием масла и кислорода, применяемого в качестве добавки к экспанзерному газу, а также электрооборудования высокого напряжения.

б) возможностью выделения аммиака из кристаллизующихся растворов; наличием большого количества электрооборудования; машин работающих под высоким давлением (насосы); наличием горячих растворов.

в) возможностью выделения диоксида углерода.

При проведении технологического процесса тщательно следят за работой компрессоров, сжижающих диоксид углерода, не допускается превышение температуры и давления газа на каждой ступени этой машины, контролируется режим смазки маслом цилиндров и подшипников. Не допускается снижение давления масла в трубопроводе после масляного насоса, а также превышение температуры подшипников. Необходимо строго соблюдать нормативы пробела аппаратов. Особое внимание нужно обращать на возможность образования взрывчатой смеси кислорода с инертными газами водородом; оксидом углерода; метаном, выходящим из конденсатора аммиака и хвостового абсорбера. Отбор проб мочевины, замер температуры пульпы производят только при остановленном шнеке. Не разрешается применять шланги, составленные из кусков или изношенные.

Необходимо строго поддерживать уровень жидкого аммиака в сборнике перед аммиачным насосом высокого давления и уровень углеаммонийных солей перед насосом высокого давления, т. к. попадание газа в насосы может вызвать гидравлические удары и привести к нарушению этих машин. Запрещается проводить по ходу чистку и ремонт транспортеров и элеваторов.