Реконструкция основного оборудования отделения абсорбции

АННОТАЦИЯ

Дипломный проект посвящён реконструкции основного оборудования отделения абсорбции производства олеума. Замена морально устаревшего оборудования на новое. В ходе проектирования предложено осуществить замену насадочного олеумного абсорбера на скруббер Вентури более высокой производительности.

Спроектирован олеумный абсорбер, так же плёночный теплообменник.

В ходе проектирования выполнены технологические и прочностные расчеты основного оборудования.

Разработаны мероприятия по охране труда и гражданской обороне. Выполнены технологические и прочностные расчёты основного оборудования.

Разработаны мероприятия по охране труда и гражданской обороне. Выполнены технико-экономические расчёты. В результате предложенных решений предполагается получить годовый экономический эффект рублей в год.

Введение

Производство серной кислоты - одно из важнейших и крупномасштабных производств как в химической промышленности, так и в народном хозяйстве. Это определяется той ролью, которую играет серная кислота во многих отраслях народного хозяйства - в производстве практически всех видов минеральных удобрений, которая является одним из наиболее крупных потребителей серной кислоты (40%), в промышленности органического синтеза (30%), в качестве электролита почти во всех процессах электролиза цветных металлов, в нефтяной, текстильной и других отраслях промышленности.

В большинстве производств серная кислота является основным компонентом. Она самая дешёвая и самая сильная кислота.

Серная кислота является одним из основных продуктов химической промышленности и широко применяется в различных отраслях народного хозяйства. Трудно назвать какое-либо производство, в котором не употреблялась бы серная кислота.

Серная кислота применяется в производстве минеральных удобрений, разнообразных минеральных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т.д. Она находит широкое применение в нефтяной, металлургической и металлообрабатывающей промышленности, используется в качестве водо-отнимающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления металлов и для многих других целей.

За последние годы в процесс производства серной кислоты внесены существенные улучшения.

Мощность агрегатов, применяемых в производстве серной кислоты возросла более чем в 30 раз, а само производство – в 5 раз. С дальнейшим развитием сельского хозяйства в стране потребление минеральных удобрений с каждым годом растёт, что ведёт к увеличению объёма производства серной кислоты. Масштабы производства серной кислоты во всём мире также возрастают. Одновременно с общим увеличением объёма производства серной кислоты расширяется ассортимент продукции сернокислотных заводов, организуется выпуск особо чистой кислоты, 100% серного ангидрида, высококонцентрированных олеума и кислоты, а также увеличивается производство новых продуктов на основе серного ангидрида.

Коренные усовершенствования внесены в производство контактной серной кислоты. В настоящее время строятся мощные сернокислые заводы производительностью для одной системы более 1000 тонн серной кислоты в сутки, оснащенные современной аппаратурой и оборудованные приборами автоматического контроля и регулирования технологического процесса. В качестве катализаторов используется термически стойкая ванадиевая контактная масса в виде гранул и колец , характеризующаяся пониженной температурой зажигания. Основаны новые более простые способы очистки обжигового газа и абсорбции серного ангидрида. Разработаны новые схемы производства серной кислоты из серы, сероводорода, из отработанных кислот различных производств; внедряются способы использования серы топочных и других газов и т.д.

Важнейшей задачей сернокислотной промышленности является непрерывное совершенствование производства путём использования новейших достижений науки и техники, распространения передового опыта внедрения новых приемов и методов работы.

1. Обзор литературных и производственных данных. Технико-экономическое обоснование проекта

Химический состав серной кислоты выражается формулой H₂ SO₄ . Относительная молекулярная масса серной кислоты 98,08. Молекула безводной серной кислоты (моногидрит) представляет собой соединение одной молекулы серного ангидрида с одной молекулой воды. Если в смеси на 1 моль SO₃ приходится больше 1 моля воды, то такая смесь называется водным раствором серной кислоты. Если на 1 моль воды приходится больше чем 1 моль SO₃ , то такая смесь называется олеумом. Она содержит свободный серный ангидрид. Безводная серная кислота содержит 100% H₂ SO₄ или 81,63% SO₃ – 18,37% H₂ O. Это бесцветная маслянистая жидкость не имеющая запаха, с температурой кристаллизации 10,37°С. Плотность при 20°С составляет 1,8305 .

Исходным веществом для производства серной кислоты является сернистый ангидрид, который образуется в результате сжигания серосодержащего сырья: серы, колчедана, отходящих газов цветной металлургии /2/.

Составной частью серного колчедана является сульфид железа FeS₂ , содержащий 53,5% S и 46,5% Fe . Плотность его около 5 г/см³

Флотационный колчедан, удовлетворяющий ГОСТу 444-51 по следующим показателям :

1) Содержание серы в пересчёте на сухой колчедан в %% не менее 45

2) Содержание свинца и цинка (в сумме ) в %% , не более - 1.0

3) Содержание влаги в %% , не более - 3.5

Флотационный колчедан получается как отход при флотационном обогащении сернистых руд содержащих медь. Главной составной частью серного колчедана является двусернистое железо.

Переработка сернистого ангидрида в серную кислоту включает его окисление и последующее присоединение воды:

SO₂ +O₂ +H₂ O=H₂ SO₄

Скорость взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом при обычных условиях очень мала. Поэтому в промышленности эту реакцию проводят на катализаторе (контактный метод производства серной кислоты) или с помощью передатчиков кислорода (нитрозный метод). Сущность нитрозного метода состоит в том, что обжиговый газ после очистки обрабатывается серной кислотой, в которой растворены окислы азота – так называемые нитрозы.

Сернистый ангидрид из обжигового газа поглощается нитрозой, а затем окисляется окислами азота:

SO₂ +N₂ O₃ +H₂ O=H₂ SO₄ +2NO

Недостатки нитрозного метода:

· С его помощью невозможно получить олеум и затруднено получение кислоты с концентрацией выше 75%;

· Кислота загрязнена окислами азота, которые резко изменяют её коррозионные свойства;

· Из-за отсутствия системы очистки, кислота загрязнена окислами As и Se .

В нашей стране широко используют контактный метод получения серной кислоты.

Суть контактного метода состоит в том, что газообразный сернистый ангидрид, проходя вместе с воздухом через катализатор окисляется до серного ангидрида по реакции:

SO₂ +O₂ =SO₃ +Q

Образовавшийся серный ангидрид далее поглощается водой с образованием серной кислоты:

SO ₃ + H ₂ O = H ₂ SO ₄

Горячий обжиговый газ после выделения пыли обрабатывают сравнительно малоконцентрированной и холодной H₂ SO₄ . В этих условиях газ охлаждается и основные нежелательные примеси(серный, мышьяковистый и сернистый ангидриды) образуют туман который затем удаляется в специальных фильтрах. Полнота очистки от тумана легко контролируется по прозрачности газа /2,4/.

После удаления вредных примесей газ освобождается от влаги в сушильных башнях, далее подогревается и поступает в контактный аппарат, где сернистый ангидрид окисляется в серный ангидрид. Выходящий из контактного аппарата газ, обрабатывается серной кислотой, которая абсорбирует серный ангидрид. Отходящие газы удаляются в атмосферу. Таким образом схема производства контактной H₂ SO₄ из колчедана включает в себя четыре основных стадии:

· Получение сернистого газа;

· Очистка газов от примесей;

· Окисление сернистого ангидрида в серный ангидрид на катализаторе;

· Абсорбция серного ангидрида.

Эту схему производства серной кислоты можно назвать классической. Достоинства классической схемы производства контактной серной кислоты – абсолютная надёжность.

Недостатки:

· Громозкость схемы;

· Большие материальные затраты на строительство в целом и очистного отделения в частности.

На установках большой производительности невозможно достичь 100% степени переработки сернистого ангидрида в серный. Это связано с тем, что полученный серный ангидрид продолжает оставаться в зоне реакции, что смещает равновесие реакции, окисление в сторону исходных веществ. В данном проекте рассмотрено отделение абсорбции олеума. Это завершающая стадия процесса получения серной кислоты. Для проведения процесса абсорбции применяют абсорбционные установки, основным элементом которых являются абсорбционные аппараты. Которые классифицируются в зависимости от технологического назначения, давления и вида внутреннего устройства, обеспечивающего контакт газа (пара) и жидкости.

По технологическому назначению абсорбционные аппараты подразделяются на аппараты установок осушки, очистки газа, газораспределения и т.д. В зависимости от внутреннего устройства различают тарельчатые, насадочные аппараты, а так же появившиеся в последнее время скруббер Вентури.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением выше атмосферного. При выборе аппарата следует учитывать технологические требования к процессу и его экономические показатели.

Тарельчатые колонны используют для крупнотонажных производств при относительно малых расходах жидкости, не достаточных для равномерного смачивания насадки, а так же для процессов, сопровождающихся колебаниями температуры, так как периодическое расширение и сжатие корпуса может разрушить хрупкую насадку. На тарелках проще проще установить змеевики для подвода и отвода теплоты. Тарельчатые колонны так же применяют при обработки потоков с твёрдыми примесями /7, с.204/ или при выделении твёрдого осадка.

Плёночные аппараты (к которым относятся так же абсорберы с регулярной насадкой) незаменимы при проведении процесса в условиях разряжения, поскольку их гидравлическое сопротивление самое низкое. Плёночные и насадочные колонны предпочтительнее так же для обработки коррозионных сред и пенящихся жидкостей.

В скруббере Вентури обеспечивается более интенсивное протекание процесса. Степень очистки газа в скруббере Вентури очень высока, так как улавливаются весьма тонкие частицы, продукты возгонки или тумана образующиеся в производстве серной кислоты. При этом возможно удалить из газа 99% загрязнений. Скруббер Вентури прост по устройству не имеет движущихся частей, низкое гидравлическое сопротивление , возможность работы с загрязнёнными газами, лёгкость осмотра, очистки и ремонта.

В качестве абсорбционного аппарата в производстве олеума примем форсуночный скруббер Вентури с центральным вводом жидкости. Основным преимуществом этого аппарата является простота конструкции, небольшие габариты. Выбранный аппарат изготовим из стали 10Х17Н13М2Т ГОСТ 5632-72, которая относится к стойким материалам. Сталь обладает хорошими прочностными свойствами, хорошо сваривается и вальцуется, что говорит о её технологичности. Недостатком этой стали является её высокая стоимость, что не играет большой роли при небольших габаритах аппарата.

Технико-экономическое обоснование проекта

Серная кислота является одним из основных продуктов химической промышленности. Мировое производство серной кислоты достигает примерно 130 млн.т. в год, из них 40 млн.т. в год в США, 28 млн.т. в СНГ и 62 млн.т. во всех остальных странах. Серная кислота широко применяется в разных отраслях народного хозяйства. Она широко используется в производстве различных солей и кислот, всевозможных органических соединений, продуктов, красителей. Особенно большое количество серной кислоты, используется в производстве минеральных удобрений.

В настоящее время кислота производится двумя методами: контактным и башенным.

В данном дипломном проекте отражён контактный метод, достоинством которого является: высокая надёжность системы, высокая степень контактирования, простота системы. Реконструкция осуществляется за счёт замены аппарата на скруббер Вентури. Из-за этого идёт более полная очистка газа от SO₃ в атмосферу.

Процесс замены можно осуществить, изготовив аппарат на одном из заводов нашего города, например на Химмаше, что окажется выгоднее покупки аналогичного за рубежом или в другом городе, так как затраты на доставку из своего города минимальны.

Вновь устанавливаемые аппараты отличаются простотой конструкции и небольшими габаритами, их стоимость, а так же затраты на монтаж и доставку будут невелики. Из-за небольших размеров вновь устанавливаемого оборудования нет необходимости перестройки зданий.

Для проведения замены появятся затраты на демонтаж ликвидируемого оборудования, но с учётом средств от его сдачи в лом, эти затраты частично компенсируются. Ориентировочная оценка вышеуказанных капитальных вложений для установки нового оборудования, взамен морально устаревшего, составит около 15 млн.руб.

Для осуществления замены рассчитаем ожидаемый срок окупаемости дополнительных капитальных вложений по формуле:

, где К₂ – 15млн.руб. – ориентировочные капитальные затраты на реконструкцию; С_б – 419560 руб. себестоимость единицы продукции, С_пр =417595 руб. себестоимость единицы продукции после (ориентировочная), реконструкции годовой выпуск продукции В_П =2800т.

Тогда подставляя численные значения в формулу получим:

Так как срок окупаемости дополнительных капитальных вложений небольшой, то осуществление замены устаревшего оборудования на новое – целесообразно. Продукция олеум используется на заводах выпускающих оборонную продукцию.

2. Химическая технология и автоматизация технологического процесса

Схема производства серной кислоты из колчедана включает четыре основные стадии:

• Получение сернистого газа;

• Очистка газа от примесей;

• Окисление сернистого ангидрида в серный ангидрид на катализаторе;

• Абсорбция серного ангидрида.

Обжиговый газ, полученный в печи, освобождается от пыли в сухом электрофильтре 1 и при температуре ЗОО-400°С поступает в очистное отделение для удаления примесей, снижающих активность контактной массы. В очистном отделении газ охлаждается и промывается серной кислотой, последовательно проходя промывные башни 2 и 3. Меньшая часть поступает в последующую очистную аппаратуру - в мокрый электрофильтр 4, увлажнительную башню 5 и далее во второй мокрый электрофильтр 4. Промывные и увлажнительные башни орошают "на себя" (вытекающая из башни кислота вновь подаётся на их орошение). В этих башнях обжиговый газ нагревает орошающую кислоту, поэтому для её охлаждения предусмотрены оросительные холодильники 14. Охлаждённая кислота снова возвращается на орошение соответствующей башни. Очищенный газ поступает на осушку в башню 6 и пройдя брызгоуловитель 7, газодувкой 8 нагнетается через межтрубное пространство теплообменника 9 в контактный аппарат 10. Кислота орошающая сушильную башню, охлаждается в трубчатом холодильнике 15.

Газодувка расположена примерно в середине сернокислотной системы, следовательно, вся аппаратура и коммуникации до газодувки (по ходу газа) работают при разряжении, а аппараты и трубопроводы, установленные после газодувки - под некоторым избыточным давлением.

В контактном аппарате при окислении SO2 выделяется большое количество тепла, которое используется при нагревании в теплообменнике 9 газа, поступающего на контактирование. Горячий газ из контактного аппарата направляется в трубы теплообменника и нагревает очищенный обжиговый газ, движущийся в межтрубном пространстве, а затем поступает в экономайзер 11 или ангидридный холодильник для дальнейшего охлаждения и использования тепла газа. Охлаждённый в теплообменнике газ подаётся в абсорбционное отделение, где проходит олеумный абсорбер 12 и моногидратный абсорбер 13. При поглощении серного ангидрида в абсорберах и паров воды в сушильных башнях выделяется тепло и орошающая кислота нагревается. Для поддержания постоянной температуры орошения циркулирующая кислота охлаждается в трубчатых холодильниках 15. В результате абсорбции серного ангидрида концентрация кислоты повышается, поэтому для создания стабильной концентрации орошающей кислоты моногидрат (H₂ SO₄ ) разбавляют менее концентрированной сушильной кислотой, а олеум - моногидратом, для чего предусматриваются соответствующие кислотопроводы. Олеум из сборника 16 непрерывно передается на склад готовой продукции.

В результате поглощения сернокислотного тумана, концентрация кислоты, орошающей оросительную башню, повышается. Чтобы концентрация орошающей кислоты была постоянной, в сборник увлажнительной башни добавляют воду, а избыток кислоты из второй промывной башни 3. Избыток же кислоты из второй промывной башни поступает в сборник первой промывной башни 2, а избыток разбавленной серной кислоты, накапливающийся в цикле первой промывной башни, передаётся на склад готовой продукции. Таким образом, на контактных сернокислых заводах обычно получают два вида продукции: олеум - из олеумного абсорбера 12 и разбавленную серную кислоту из первой промывной башни (после выделения из кислоты селена.

2.2. Автоматизация технологического процесса

2.2.1. Анализ технологического процесса и выбор контролируемых и регулируемых параметров

Сушильное и абсорбционное отделение тесно связаны между собой, для повышения концентрации сушильной кислоты используется моногидрат из абсорбционного отделения Е7, избыток сушильной кислоты идёт в абсорбционное отделение. На технологической совмещённой схеме рассмотрено только абсорбционное отделение.

При подаче газа в абсорберы К1 и К2 необходимо замерить его температуру и она не должна превышать 60 °С, а также температуру кислоты подаваемой на орошение, так как отклонение от заданного предела может привести к изменению процесса.

Так же к контролируемым параметрам относится контроль температуры в ёмкостях Е6 и Е7, она не должна превышать 40 °С и сигнального уровня в баке. Отклонение от заданных пределов может привести к росту гидравлического сопротивления в трубопроводах, перегрев ведёт к росту давления.

Так же на схеме измеряется концентрация олеума выходящего из олеумного абсорбера К1, она должна составлять 16-26% свободного SO₃ . При большей концентрации олеума необходима подача моногидрата для разбавления олеума. Таким же образом измеряется концентрация моногидрата, после моногидратного абсорбера К2. При увеличении концентрации моногидрата для его разбавления в сборник моногидрата, добавляют купоросное масло. Измерение концентрации необходимо для нормального протекания процесса.

Так же к контролируемым параметрам относится контроль закисленности воды, охлаждающей в холодильниках Т4, Т5 олеум и моногидрат. Контроль осуществляют для проверки аппарата, в том что в воду не прорывается кислота, которая может нанести вред окружающей среде, а также вызвать коррозию.

2.2.2. Разработка технологической совмещённой схемы и выбор основных средств контроля и регулирования.

После сушильной башни серный ангидрид поступает в ангидридный холодильник Т3, где охлаждается воздухом идущим от центробежного насоса Н8, управление электродвигателем которого происходит по месту. При выходе серного газа из холодильника его температура должна быть не более 120 °С, что регулирует первичный измерительный преобразователь термопара хромель- аллюминевая и подаёт сигнал на щит управления. Пройдя через олеумный абсорбер К1 газ направляют в моногидратные абсорберы К2, предварительно измерив его температуру. Она также измеряется первичным преобразователем и не должна превышать 60 °С. Контроль температуры подаётся на вторичный прибор, расположенный на щите управления. После моногидратных абсорберов температура газа, идущего в бисульфитную башню, не должна превышать 60 °С, фиксируется первичным преобразователем 12 состоящим из хромель-аллюминиевой термопары.

Температура кислоты регистрируется платиновыми термометрами сопротивления, которые устанавливают перед вводом кислоты в абсорбер и выводом олеума в сборник олеума Е6. Температура не должна превашать 40 °С. Данные регистраций температуры подаются на вторичный прибор. Также температура кислоты измеряется перед орошением моногидратных абсорберов и она не должна превышать 40 °С. При выходе моногидрата


29-04-2015, 04:14