Проект узла выпарки производства аммиачной селитры мощностью 450. 
000тыс. 
тонн в год

В отделении выпаривания воды при производстве аммиачной селитры могут быть проведены следующие мероприятия для улучшения состояния окружающей среды:

выпаренная вода может подвергаться очистке и возвращаться в процесс (замкнутая система водоснабжения);воду для охлаждения фланцев также можно использовать многократно, так как потребность в её химической чистоте отсутствует. Использование воды будет осуществляться за счет её охлаждения в холодильниках.

использование терморегуляторов предохранит от взрывоопасного перегревания нагревателя выпарной установки;

периодически проверяться состояние всех линий и трубопроводов во избежание утечек;

осуществляться контроль за оборудованием и системами автоматизации. Защита атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод

Также, немаловажна стабильность в соблюдении нормативов ПДВ, которая является результатом планомерной работы и совершенствования технологии производства и технологического оборудования, постоянным обновлением технологического состояния газоочистных и пылегазоулавливающих установок, проведением мониторинга, систематического контроля, соблюдением установленных плановых показателей по каждому оборудованию в соответствии требований СУОС. Необходимо осознавать ответственность за последствия своей деятельности для окружающей среды, понимая необходимость сохранения благоприятной окружающей среды. Для этого необходимо:

обеспечивать соответствие производства и продукции требованиям природоохранного законодательства Российской Федерации;

обеспечить соответствие продукции международным экологическим требованиямпостоянно улучшать показатели экологической эффективности и стремиться к предотвращению загрязнения окружающей среды;

снижать загрязнения атмосферного воздуха и водных объектов, внедряя и совершенствуя сооружения по очистке отходящих газов и сточных вод;стремиться к снижению образования отходов, совершенствуя технологические процессы производства магния и магниевых сплавов, а также вовлекая отходы в повторное использование;

выполнять правила обращения с отходами для снижения загрязнения почв.

4ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ4.1 Расчет материального баланса процесса выпарки нитрата аммония

Запишем основные исходные данные для проектирования оборудования с максимальной нагрузкой:

Производительность: 450 000 тыс. тонн/год.Фонд рабочего времени: 8520 часов. Массовая доля аммиачной селитры в исходном растворе: 60%.Массовая доля аммиачной селитры в плаве: 99%.Температура горячего воздуха: 175−200 °С.Объемный расход горячего воздуха: 12 000;24000 нм3/ч, Давление насыщенного пара: 1,18−1,57 МПа (12−16 кгс/см2). Температура раствора в аппарате: 110 — 130 оС. Рассчитаем часовую производительность аппарата по аммониевой селитре при непрерывной работе:

где — годовая произвоительность оборудования, тыс.

тонн/год;Т — фонд рабочего времени, 8520 часов.

т/чМассовое содержание воды в получаемой аммиачной селитре:%Масса примесных веществ в готовом продукте составляет:

где — массовая доля нитрата аммония в плаве, 99,7% (по ТР).т/чМасса чистой аммиачной селитры:

т/чКоличество воды, выпариваемой из 60% раствора нитрата аммония т: где — массовая доля нитрата аммония в растворе, 60%.т/чОтсюда масса подаваемого раствора составит:

т/чКоличество подаваемого в систему (в нагреватель) пара составляет, согласно производственным данным, 550кг/ч на 1 т раствора аммиачной селитры. Для составления материального баланса процесса выпарки нитрата аммония дополнительно, вычислим количество выпариваемой воды. При среднем давлении поступающего пара, равном 1,40 МПа (14 кгс/м2), теплота конденсации сокового пара 1957,73 кДж/кг. Следовательно, количество тепла, отдаваемого соковым паром: кДж 1065,52 МДжСоковый пар, выходящий из выпарных аппаратов первой ступени при давлении 0,1МПа (1 кгс/м2), имеет энтальпию 2675,43 кДж/кг. Поэтому количество испаренной в первой ступени воды равно:

кг 400 кг

Это соответствует количеству воды, которое необходимо удалить из раствора на каждую его тонну (40% воды), для упаривания его до концентрации плава аммониевой селитры (NH4NO3).Кроме того, с учетом практических потерь тепла подаваемого в систему пара, принятых равными 5%, где k-это коэффициент потерь, 1,05.кг= 0,578 тСледовательно, часовой расход пара составит:

тСоставим материальный баланс выпарки аммиачной селитры. Масса продувочного воздуха составит:

где — часовой объемный расход воздуха, 20 000 нм3/ч, — плотность воздуха при н.у., 1,295 кг/м3.кг/ч = 25,9 т/чТаблица 4.1 Материальный баланс выпарки аммиачной селитры

ПРИХОДРАСХОДНаименованиет/ч%Наименованиет/ч%1. Раствор NH4NO3 в т. ч88,0353,431. ПлавNH4NO3, в т. ч.:52,8232,06NH4NO352,6631,96NH4NO352,6631,96Н2О35,2121,37Примесныевещества+ Н2О0,160,10Примесныевещества+ Н2О0,160,102. Вода выпарная35,2121,372. Пар из нагревателя Т1050,8330,853. Сконденсированный пар48,4129,383. Воздух горячий продувочный, нм3/ч25,915,724.Потери пара2,421,47 5. Воздух горячий продувочный, нм3/ч25,915,72ИТОГО164,76 100ИТОГО164,76 100

Суточный материальный баланс процесса выпарки аммиачной селитры рассчитан в результате умножения данных таблицы 4.1 на корректирующий коэффициент 24 (по количеству часов в сутках).Таблица 4.2 — Суточный материальный баланс процесса выпарки

ПРИХОДРАСХОДНаименованиет%Наименованиет%1. Раствор NH4NO3 в т. ч2112,7253,581. ПлавNH4NO3, в т. ч.:1267,68 769,41NH4NO31263,8431,96NH4NO31263,84 767,08Н2О845,0421,3Примесные вещества+Н2О3,842,33Примесные вещества+Н2О3,840,322. Вода выпарная845,4 512,892. Пар из нагревателя Т101 219,9230,753. Сконденсированный пар1161,84 705,173. Воздух горячий продувочный, нм3/ч621,6015,674.Потери пара58,0835,25 5. Воздух горячий продувочный, нм3/ч621,6377,28ИТОГО3954,24 100ИТОГО3954,2 424 004.

2Тепловой баланспроцесса выпарки аммиачной селитры

С раствором аммиачной селитры поступает:

где С1 — теплоемкость раствора NH4NO3, кДж/(кг.К).где = 1741,63 Дж/кг, 1741,63 Дж/кг. кДж 370,78 МДжПриход теплоты с соковым паром, поступающим из аппарата ИТН: кДж 785,4 МДжРасход теплоты с упаренным раствором аммиачной селитры составляет: где 1,989 — теплоемкость 85%-ного раствора NH4NO3, кДж/(кг К).Температура кипения раствора, содержащего 85% NH4NO3 при давлении 25,0 кПа (0,25 кгс/м2), где — температура насыщенного водяного пара при 25,0 кПа (0,25 кгс/м2), равная 60 0С; - температурная депрессия; она определяется как разность между температурой кипения 85%-ного раствора (0С) и воды при 98,07 кПа (1 кгс/м2) и равна:

146,5 — 100 = 46,5 0С — коэффициент температурной депрессии, равной 0,763 при 60 0С. Следовательно:

0С кДж 208,92МДжРасход теплоты с соковым паром, уходящим из первой ступени выпарки: кДж 785,4МДжгде 2617 — энтальпия насыщенного водяного пара при 25,0 кПа (0,25 кгс/м2), кДж/кг.Теплопотери в первой ступени выпарки определяем по разности между приходом и расходом: кДж 161,8 МДжПо отношению к приходу тепла это оставляет: %что соответствует произведенным данным. Таблица 4.3 — Тепловой баланс выпарки раствора аммиачной селитры

ПриходМДжРасход МДжс раствором 60%-ной NH4NO3…370,78с упаренным раствором 60%-ной NH4NO3…208,92с соковым паром из ИТН…785,40с соковым паром из первой ступени…

785,38теплопотери…161,8Всего…1156,18Всего…1156,184.

3 Расчет и подбор технологического оборудования

Растворимость нитрата аммония при температуре осаждения составляет 52,5 кг на 100 кг воды. Следовательно, для осаждения (без учета потерь) 2973 кг из 6691 кг бихромата аммония. Следовательно, в маточном растворе останется при расчете без учета потерь на различных стадиях [18]: кг

Определим, сколько требуется упарить воды для поддержания в растворенном виде. Для растворения 3718 кг бихромата аммония требуется:

кг

Следовательно, требуется упарить:

кг

Давление греющего пара Рг.п. = 0,28 МПа. Давление в аппарате Ра =0,01МПа бар. Температура исходного раствора t1 = 25 °C, температура конденсата вторичного пара tв.п.к. = 25 °C, теплопотери составляют 5%. Высоту аппарата в условиях цеха примем равной Н= 4 м. Время упаривания раствора для новой высокоэффективной установки примем равным 25 минутам = 1500 с. Охлаждение смеси производится в течение 20 минут. Расход пара на однокорпусную выпарную установку D, кг/с:где ср — средняя теплоёмкость раствора, Дж/(кг.К); GH — массовый расход раствора, кг/с; t1, и tкип — температуры раствора до сгущения и температура кипения, °С; и — энтальпии греющего и вторичного пара, Дж/кг; ск и св — теплоёмкости конденсата для греющего и вторичного пара, Дж/(кг.К);tк — температура конденсата; х — тепловые потери. Величина ct = i' при искомой температуре. Количество воды W, кг/с, выпаренной в однокорпусной выпарной установке.

кг/сНаходим энтальпию греющего и вторичного пара по таблице насыщенных паров. При Рг.п. = 2,8 бар, = 2726,7 Дж/кг, tп = 130 оС. Температура конденсата tK: tк= tгп — (2…3), где tп — температура греющего пара. tк= 130 — (2…3) = 127,5 °CТемпература конденсата tв.п.к. = 35 °Ctв.п.к. = tвп — (2…3) tвп. = tв.п.к + (2…3) tвп. = 35 + (2…3) = 38 °C = кДж/кг, Рв.п. = 0,005 МПаТеплоёмкость конденсата и воды находим по таблице свойств воды на линии насыщения, ск = 4,254 кДж/(кг.К), св =4,22 кДж/(кг.К).Удельный расход пара d, кг/кг

Температурная депрессия равна∆Т = ∆Т1 + ∆Т2 + ∆Т3, где ∆Т1 — физико-химическая депрессия; ∆Т2 — гидростатическая депрессия; ∆Т3 — гидравлическая депрессия. Физико-химическую депрессию рассчитываем по формуле:

где хк — конечная концентрация продукта, %.Гидростатическая депрессия рассчитывается следующим образом. Дополнительное давление в середине столба жидкости в кипятильных трубках аппарата для пароводяной смесигде — плотность суспензии при температуре t, где р20 — плотность суспензии при 20 ° Скг/м3кг/м3ПаОбщее давление в аппарате: МПаПо таблице насыщенных паров находим температуру tоб = 104,2 oC. Значение гидростатической депрессии ∆T2 будет равно. oCГидравлическую депрессию принимаем равной ∆T3 = 1 °C. Тогда температура кипения раствора.°С°ССредняя теплоёмкость раствора складывается из теплоемкостей основных компонентов — дихромата аммония и воды [26, 27]: Дж/кгкг/скг/кг

Рассчитаем расход пара в течение 1 цикла:

кг/цикл

Рассчитаем расход пара в течение 1 часа:

кг/цикл

Полученное значение расхода греющего пара в целом соответствует значению расхода пара для исправной базовой установки. Рассчитаем поверхность нагрева по формуле:°СЗначение К для свободного движения конденсирующегося пара по отношению к жидкости составляет 300 — 1200

Вт/(м2.К). Выберем значение К=450 Вт/(м2.К) [28]. м2С учетом возможных потерь площади при загрязнении [28]: м2Габаритные размеры аппарата:

мСогласно ГОСТ 11 987;81 «Аппараты выпарные трубчатые стальные. Типы, основные параметры и размеры», подберем выпарной аппарат с указанными геометрическими характеристиками и удельной площадью теплообмена, и приведем его характеристики в таблице 7.

1.Таблица 7.1 — Основные характеристики выпарного аппарата [29]Поверхность теплообмена (номинальная) при диаметре трубы 38×2 и длине

Диаметр греющей камеры D, не менее

Диаметр аппарата D1, не более

Диаметр циркуля-ционной трубы D, не более

Высота аппарата, Н, не более

Высота парового пространства Н1, не более

Условное давление паров, МПаМасса, не болееl=4000l=6000 В камерев аппарате125 140 120 022 007 000 856 526 848,014 — 1,60,0054 — 1,610 000

Для создания вакуума используются эжекторныйводнокольцевой вакуумный насос ВВНЭ 2−0,75, создающий разряжение 5 — 10 кПа. Таблица 7.2 — Основные характеристики вакуумного насоса [30]Модель

Давление всасывания, абс., кПаПроизво-дительность, м3/мин.Расход воды, л/мин.Эл.двигатель, кВтЧастота вращ. об./мин.Масса, кг

ВВНЭ 2−0,755 — 100,753 315 001 054.

4 Расчет и выбор вспомогательных аппаратов4.

4.1 Расчет обечайки

Выберем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора нитрата аммония в интервале изменения концентраций от 6 до 30%. В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х17. Скорость коррозии её менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности λст = 25,1 Вт/(м∙К) [9]. Главным элементом корпуса рассчитываемого выпарного аппарата является обечайка. В химическойтехнологии наиболее распространены цилиндрические отличающиеся простотой изготовления обечайки. Для них также характерны рациональный расход материала и достаточная прочность. Цилиндрические обечайки из стали, сплавов из основы цветных металлов и иных материалов при избыточном давлении среды в аппарате до 10 МПа изготовляют вальцовкой листов с последующей сваркой стыков. Определим толщину стенок сварной цилиндрической обечайки корпуса рассчитанного выпарного аппаратас внутренним избыточным давлением Р = 0,5 МПа, при условиях: материал обечайки — сталь Х18Н10Т, проницаемость П ≤ 0,1 мм/год, запас на коррозию Ск = 1 мм; среда — насыщенный водяной пар с абсолютном давлением 0,3 МПа и температурой407,6 К.

Внутренний диаметр обечайки Dв = 1,8 м, отверстия в обечайке укреплённые, сварной шов стыковой двухсторонний (φш = 0,95). Допускаемое при 150 °C напряжение для стали данной марки составляет σд = 236 МН/м2. С учётом запаса на коррозию толщина обечайки рассчитывается по формуле: (4.1)где D — наружный или внутренний диаметр обечайки, м; σд — допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МН/м2. Коэффициент φ учитывает ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукреплённых отверстий. При отсутствии неукреплённых отверстий φ = φш, причём для стальных обечаек принимают φш =0,7 — 1,0, в зависимости от типа сварного шва. Прибавка толщины с учётом коррозии Ск определяется формулой (41), а полученное суммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значения добавлением Сокр.

0,0006 = 0,04мГраницей применимости формулы (4.1) является условие:(4.2)Следовательно, условие выполняется.

4.4. 2 Расчёт ёмкостей

Рассчитаем две ёмкости: для исходного и упаренного раствора. Определим объём ёмкости для начального раствора.(4.3)где τ - время, τ = 4 часа; ρ - начальная плотность аммиачной селитры при 15 °C, ρ = 1065,5 кг/м3.м3По ГОСТ 9931– — 79выберем ёмкость ГЭЭ, исполнение 2 — горизонтальная с эллиптическим днищем и крышкой. V = 50 м³, Dв = 3000 мм; l = 7380 мм; Fв = 74,9 м2[1]. Рассчитаем ёмкость для упаренного раствора (ρ = 1182 кг/м3):(4.4)м3По ГОСТ 9931– — 79 выбираем ёмкость ГЭЭ, исполнение 2 — горизонтальная с эллиптическим днищем и крышкой. V = 16 м³, Dв = 2200 мм; l = 4480 мм; Fв = 33,8 м² [1]. Ёмкости выбираются из расчёта 4 часа непрерывной работы при отсутствии поступления раствора + 20% - запас на переполнение ёмкости.

4.4. 3 Подбор фланцевих соединений

В химической технологиисреди разъёмных неподвижных соединений наибольшее распространение получили фланцевые соединения. При конструировании аппаратов применяют стандартные и нормализованные фланцы по ГОСТ 12 815–67-ГОСТ 12 839−67, ГОСТ 1233–67-ГОСТ 1235−67.Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости от рабочиего параметра аппарата. Так, при температуре t ≤ 300 °C и давлении Р≤ 2,5 МПа и числе циклов нагружения до 2000 В период эксплуатации используются плоские приварные фланцы, скрепленные болтами. Таблица 5 -Основные размеры фланцевого соединения [10]D, мм

Ру, Мпа

Размеры, мм

Число отверстий zDφDБD1D2D3haa1sd18000,6 193 018 901 848 185 974 554 624,514102368

Болты подбираются по ГОСТ 7798– — 70 из стали 12Х18Н10Т [10]. ЗАКЛЮЧЕНИЕВпредставленной курсовой работе были рассмотрены теоретические основы процесса выпаривания и принцип действия выпарных аппаратов. Выпариванием называют процесс концентрирования раствора нелетучего вещества в результате полного или частичного испарения жидкого летучего растворителя. Процесс выпаривания применяется как с целью частичного удаления из системы растворителя, так и с целью полного выделения растворенного вещества из раствора в результате параллельно протекающей в недостатке растворителя кристаллизации. В данном проекте рассмотрена технологическая схема и произведен расчет многокорпусной вакуум-выпарной установки с естественной циркуляцией раствора в корпусах, работающей при прямоточном движении греющего пара и раствора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ГОСТ 9931–85 Корпусы цилиндрические стальных сварных сосудов и аппаратов[Текст]. — Госстандарт СССР, 1985. ГОСТ 11 987;81 Аппараты выпарные трубчатые стальные. Типы, основные параметры и размеры[Текст]. — Госстандарт СССР, 1981

Дытнерский, Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию [Текст] / Ю. И. Дытнерский, — М.: Химия, 1983. — 270 с. Багров И.

В., Шаханов В. Д., Чулкова Э. Н. Процессы и аппараты химической технологии. Тепловые и массообменные процессы[Текст] / Под ред. проф. Л. Я.

Терещенко. — СПб.: С.-Петерб. государственный университет технологии и дизайна, 1998. — 103 с. Кузнецова Л. Н., Селянина Л. П., Третьяков С.II.

Расчет выпарных установок: Учебное пособие[Текст]. — Архангельск: Изд-во АГТУ, 2004. — 72 с. Справочник химика, т V, М.: Химия, 1968.

— 976 с. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. Изд. 2-е, испр. и доп[ Текст]. — Л.: Химия, 1978.

— 420 с. Воробьёва, Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств [Текст].

— М.: Химия, 1975. — 816 с. Лащинский, А. А. Конструирование сварочных химических аппаратов [Текст].

— Л.: Машиностроение, 1981. — 382 с.