Народно-хозяйственное значение проектируемого производства. Сжатое изложение существа проекта

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Проектирование и расчет  термического обезвреживания промстоков производств пентаэритрита с уротропином

Форма выполнения: дипломный проект

Основная профессиональная образовательная программа по специальности 240113

Химическая технология органических веществ, группаХТОВ-04, очная форма

Губаха 2015

ВВЕДЕНИЕ

Народно-хозяйственное значение проектируемого производства. Сжатое изложение существа проекта

Рациональное использование природных ресурсов и защита окружающей среды от загрязнения производственными выбросами является важнейшей народно - хозяйственной задачей. Для обезвреживания значительной группы жидких, твердых, пастообразных и газообразных промышленных отходов с большим набором и высокой концентрацией органических и минеральных веществ, применяют термические методы. Они заключаются в тепловом воздействии на отходы, при котором происходит окисление или восстановление некоторых вредных веществ с образованием безвредных или менее вредных.

Цель работы анализ и проектирование стадии термического обезвреживания промышленных стоков производств пентаэритрита с уротропином.

Объектом проектирования является - установка термического обезвреживания промышленных стоков (УТОПС), факельная установка цеха пентаэритрита с формалином (уротропином).

Для достижения цели необходимо решшить следующие задачи:

- проанализировать известные в промышленности научно- технические технологии;

- рассчитать термодинамические и кинетические показатели установки;

- описать технологическую схему с элементами автоматизации;

- рассчитать материальный и энергетический баланс;

- выбрать и рассчитать вспомогательный аппарат;

- рассчитать технико - экономические показатели структурного подразделения.

Метод производства заключается в термическом обезвреживании (окислением, сжиганием) загрязненных стоков в циклонной печи и отходящих газов с агрегата формалина (уротропина) на факельной установке.

Такой тип установки предназначен для предотвращения загрязнения воздушного бассейна, почвы, а также водоемов от органических загрязнений, содержащихся в промстоках. Факельная установка предназначена для сжигания токсичных, горючих газов и паров с агрегата формалина (уротропина). Сам процесс термического обезвреживания промышленных стоков основан на осуществлении химических превращений с промышленными отходами для их обезвреживания и перевода токсичных отходов в состояние, нейтральное к окружающей среде. Токсичные компоненты подвергаются окислению, термическому разложению и другим химическим превращениям с образованием безвредных газов (СО2, Н2О, N2).

Промышленные стоки поступают в ёмкости. Более агрессивные стоки поступают в отдельную ёмкость, где по ходу работы смешиваются с менее агрессивными стоками по линии подачи стоков на фильтры. Конечным продуктом в результате термического обезвреживания промстоков являются дымовые газы следующего состава:

Объемная доля оксида углерода - не более 0,02 %

Объемная доля диоксида углерода - не более 5,28 %

Объемная доля кислорода - не более 14,24 %

Метод термического обезвреживания в настоящее время остается наиболее простым, надежным и малоотходным, а в случае использования тепла - дешевым поставщиком энергии.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Анализ известных в промышленности научно - технической и патентной литературе технологий

Современное химическое производство представляет многотоннажное, автоматизированное производство, основой которого является химическая технология, т.е. наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Объекты химической технологии - это вещества и системы веществ, которые участвуют в химическом производстве. Процессы химической технологии - это совокупность разнообразных операций, осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ, в другие вещества.

Химическая технология изучает закономерности проведения химических процессов получения различных по своей природе и назначению продуктов. Химическая технология связана и с экологией, ведь в связи с производством химических продуктов страдает окружающая нас среда. Внедрение новых технологий очень важно, для того чтобы снизить эту нагрузку, связанную с отходами от производства.

Получение дымовых газов из отходов производства с последующим выбросом их в атмосферу является процессом также безвредным, как и обезвреживание промышленных стоков со всей территории предприятия, включая в себя переработку сточных вод городского населения.

Для сжигания требуется топливо. Все виды топлива представляют собой вещества органического происхождения. Поэтому основными составляющими элементами всех видов топлива являются углерод, водород, кислород, азот, сера, которые образуют многочисленные весьма сложные химические соединения. Углерод является основным носителем тепловой энергии топлива. Состав газообразного топлива. Это топливо является смесью различных газов: оксид углерода, двуокиси углерода, или углекислого газа, водорода, азота, кислорода, влаги и др. Метан является главной составляющей частью многих природных газов.

Содержание метана в природных газах может доходить до 93-98%. При сгорании 1 м³ метана выделяется 8558 ккал тепла.

Все существующие виды топлива разделяются на твердые, жидкие и газообразные. Каменный уголь - один из основных видов твердого топлива, который образует за основу классификации каменного угля выход летучих на горючую массу и спекающая способность нелетучего остатка. Определяет возможности использования угля для коксования.

Жидкое топливо. Единственным жидким топливом естественного происхождения, имеющим промышленное значение, является нефть. Сырую нефть как топливо в печах не применяют, а применяют продукт ее переработки - мазут, т. е. остатки, получаемые после отгонки из нефти керосина и бензина.

Газообразное топливо обладает многими преимуществами по сравнению с твёрдым и жидким топливом. Сжигание газа в печах можно осуществлять с теоретически необходимым количеством воздуха. Подогревая газ и воздух, идущий на горение, можно получить высокую температуру горения. Процесс сжигания газа легко поддаётся автоматизации. При сжигании топлива в печи развивается высокая температура. Постепенно по мере прохождения печных газов к дымовой трубе температура их понижается. Некоторая часть тепла расходуется на нагрев кладки, на потери тепла в окружающую атмосферу и теряется с уходящими дымовыми газами.

Применение газообразного топлива улучшает санитарно-гигиенические условия работы установки термического обезвреживания промстоков. В большинстве случаев газообразное топливо значительно дешевле твёрдого и жидкого топлива. Можно заметить по анализу, что печь работает в значительной мере непрерывно, в особенности при температуре выше 850^оС, расходы на оборудование для использования тепла отходящих газов быстро окупаются.

1.2 Технико-экономическое обоснование сырья, энергоресурсов, географической точки строительства, мощности производства

Сырьем являются: промышленные стоки с производства формалина (уротропина), маточник уротропина с ректификационной колонны.

Исходным сырьем для сжигания являются промстоки, поступающие с производства,  формалина (уротропина, кубовая жидкость с ректификационной колонны поз.37, промстоки с аварийных емкостей поз.18, поз.19, с гидрозатвора факельной установки, а также маточник уротропина, который периодически выводится из реактора поз.21.)

Характеристик сырья приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика исходного сырья, материалов

Сырье для принятого метода производства выбирается и обосновывается на основании следующих технологических принципов

- достаточно высокая концентрация по целевому компоненту;

- минимальная себестоимость;

- возможность комплексного использования;

- выбор не пищевого сырья по возможности;

- экологическая безопасность;

- близость используемого сырья;

- благоприятные климатические условия;

- наличие водных ресурсов;

- наличие энергетических ресурсов;

- наличие транспортных путей;

При выборе энергоресурсов следует помнить о необходимости их экономии и шире привлекать к использованию вторичные их источники, используя энерготехнологические системы, различные способы рекуперации тепла, другие виды энергии.

Источником сырья для получения дымовых газов, является природный газ. Природный газ хорошо горит, выделяет энергию, которую также можно применить в производстве. Природный газ поступает с магистрали, проходящей по посёлку Северный, затем, проходя через измерительные приборы, с определёнными параметрами поступает в газораздаточную установку (ГРУ) на предприятии.

В качестве для обоснования географической точке строительства необходимы наличие следующих факторов

- близость используемого сырья

- наличие потребителей

- наличие квалифицированных кадров

- благоприятные климатические условия

- наличие водных ресурсов

- наличие энергетических ресурсов

- наличие транспортных путей

Промышленная площадка предприятия находятся в северной части промышленной зоны г. Губаха на левом коренном склоне реки Косой.

Город Губаха и его промышленная зона, расположен в 100км северо-восточнее г. Перми. На западных склонах среднего Урала в долине между горами, в районе крупнохолмистым рельефам местности.

Климат в районе расположения промышленной площадки предприятия континентальный, но сравнительно коротким летом, с осенними ранними и поздними весенними заморозками.

В холодный период года преобладающее направление ветра Юго-западное, в теплый период года северо-западное.

Промышленная площадка предприятия имеет форму неправильного многоугольника, протяженность территории промышленной площадки с севера на юг составляет 1,9 км, с запада на восток 1,3 км. Общая площадь территории составляет 205 га. Протяженность периметра ограждений составляет 7.9 км.

Проектная мощность установки уротропина составляет примерно 15200 тонн в год. В качестве вспомогательных энергоресурсов на производстве используется электроэнергия и вода.Силовая энергия (380В) расходуется на работу компрессорных машин и насосов. Световая энергия (220В) идет на бытовые нужды завода. Источником этих видов энергии является ГРЭС им. Кирова в г. Губаха. Энергия проходит заводскую подстанцию и направляется в цеха. Источником водных ресурсов служит река Косьва и Широковское водохранилище, из которого ведется водозабор.

1.3 Термодинамический (теоретический) и кинетический анализы и физико-химическая оптимизация основного химико-технологического процесса

Применяемый способ обезвреживания промстоков и токсичных, горючих газов и паров - проведение термохимического процесса в промышленных химических печах и на факельной установке при высоких температурах.

Обезвреживание промышленных стоков в циклонной печи происходит по следующим реакциям:

2СН₃ОН + 3О₂ = 2СО₂ + 4Н₂О

СН₂О + О₂= СО₂ + Н₂О

(СН₂)₆N₄ + 9О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 2N₂

По данным реакциям можно вычислить энтальпию и энтропию, а также проследить эти значения при изменении температуры.

Вычислим энтальпию первой реакции при стандартной температуре. Энтальпия - это количество теплоты, которое выделяется или поглощается, при необратимом протекании реакции, когда единственной работой является только работа расширения.

a. ∆Н₂₉₈= ∑ ∆Н_прод. -∑∆Н_исх.                                                       (1)

∆Н₂₉₈= (2*(-201)+(3*0))=-1 755+402= -1353 кДж/моль, т.к ∆Н. <0, значит –Q= ∆Н.

Из реакции видно, что тепло выделяется, реакция является экзотермической.

Вычислим энтальпию при температуре процесса, в котором происходит горение, т.е при Т=973К

∆H_Т2=∆Н_Т1+∆а*(Т₂-Т₁)+∆в*10³/2*(Т²₂-Т²₁)+∆с*10^-5*(1/Т₁-1/Т₂)                   (2)

∆H_Т2= 1353000+18022,5-34317-8825=-1 378кДж/моль.

Сравниваем значения и видим, что с увеличением температуры, энтальпия уменьшается.

Вычисляем энтропию реакции. Энтропия - это мера непорядочности состояния системы, т.е отражает движение частиц вещества

Вычислим энтропию при стандартной температуре:

S₂₉₈=∑∆S_прд.-∑∆S_исх.в.                                                                       (3)

S₂₉₈= ((2*214)+(4*189))-((2*240)+3*205))=1184-1095=89 кДж/моль*К.

Проследим за изменение энтропии при изменении температуры:

∆S^*_T2= ∆S₂₉₈+ ∆а*lnТ/298+ ∆в*10^-3(Т-298)+∆с*10⁵/2(1/298²-1/Т²)          (4)

∆S^*_T2= 89+32,04-60-17,65=43,4 Дж/моль*К.

С увеличением температуры, значение энтропии уменьшается, реакция не может идти в обратном направлении.

Рассмотрим второе уравнение реакции, проделаем с ним всё то же, что и с предыдущим.

Находим энтальпию реакции при стандартной температуре:

∆Н = (-393,5+242)-(-116)= -519,5 кДж/моль

Реакция экзотермическая, т.к ∆Н.< 0, т.е Q=∆Н тепло выделяется.

Изменение энтальпии с изменением температуры:

∆Н_Т2 = -159500+15660-0,21+2685,7= -141,15кДж/моль

Вывод: при увеличении температуры, энтальпия увеличивается в данном типе реакции.

Энтропия реакции при стандартной температуре:

∆S = (189+214)-(219+205)= -21Дж/моль*К

Энтропия при данной температуре, при которой проходит реакция:

∆S = -21+30,2-28+5,9= -12,9Дж/моль*К

При увеличении температуры энтропия увеличивается.

Для реакции №3 для уротропина данных нет, но т.к это реакция горения, реакция будет экзотермической.

Вывод: поскольку реакция идет с выделением теплоты, равновесие будет смещаться вправо при съеме образующегося тепла.

1.4 Описание технологической схемы с элементами автоматического контроля и регулирования

Промстоки поступают в емкость поз.Е-1/1,2,3. При выводе маточника уротропина его перекачивают в емкость поз.Е-1/3, а затем постепенно добавляют в расходную емкость поз.1/1,2,3 для усреднения. Емкость поз.Е-1/1,3. Уровень в емкости поз.1/1,3 в пределах 10% (600) – 90% (5400) измеряется датчиком уровня «OPTIFLEX 1300» данные обрабатываются микропроцессорным контроллером Ломиконт. Показания технических измерений выводятся на дисплей ПЗВМ. При достижении мax или мin уровня выводиться световая, звуковая сигнализация и аварийное сообщение.

Уровень в емкости поз. 1/2 в пределах 10% (600) – 80% (4800) измеряется датчиком уровня «OPTIFLEX 1300» данные обрабатываются микропроцессорным контроллером Ломиконт. Показания технических измерений выводятся на дисплей ПЗВМ.

Температура промышленных стоков в пределах 5 – 60 в емкости поз. 1/1,2,3 измеряется термометром сопротивления, данные обрабатываются микропроцессорным контроллером Ломиконт. Показания технических измерений выводятся на дисплей ПЗВМ.

Промстоки из емкости поз. Е-1/1,2,3 непрерывно поступают через фильтр поз.2/3,4,5 где очищаются от механических примесей, во всасывающую линию насоса поз.9/1-2, поз.30/1-2, поз.30 и подаются через форсунки в циклонную печь поз.7/1-3 для сжигания.

Загрязнение фильтра определяется по перепаду давления перед и после фильтра не более 0,1 кг с/см², который измеряется техническим манометром по месту.

Давление нагнетания насосов поз.9/1, поз.30/1 не менее 4 кгс/см² измеряется техническим манометром МТИ-1216 по месту.

Давление в линии нагнетания насосов поз 9/2, поз. 30/2, поз. 30 не менее 5 кг с/ см² измеряется техническим манометром по месту и контрольным электроконтактным манометром на нагнетательном трубопроводе выход сигнала обрабатывается микропроцессорным контроллером Ломиконт.

Далее промстоки поступают в циклонную печь поз.7/1-3. При температуре (800–1000)⁰С и коэффициенте избытка воздуха a=1,1 происходит полное выгорание органики, содержащейся в промстоках, до углекислого газа и воды, а вода, находящаяся в стоках, испаряется и перегревается до температуры 1000⁰С.

Температура в циклонной печи поз.7/1-3 в пределах (800-1000)⁰С измеряется термопарой ТХА-0816, преобразователем Ш-9322, преобразовывается в контроллере Л-112 и регулируется с помощью регулирующего клапана 25нж40нж, установленного на линии подачи природного газа в циклонную печь поз.7/1-3. Командный сигнал на клапан подается через электропневмопреобразователь ЭП-3121. Показания выводятся на дисплей ПЭВМ. При понижении температуры в циклонной печи поз.7/1-3 менее 800⁰С срабатывает световая и звуковая сигнализация.

Для процесса горения природного газа к горелкам от вентилятора поз.6/1-4 подается первичный воздух в соотношении: 1 часть природного газа и 10 частей воздуха, а для полного сгорания промстоков в зону горения циклонной печи подается вторичный воздух.

При давление воздуха менее 100 кгс/м² срабатывает световая и звуковая сигнализация и одновременно закрываются отсечные клапаны на линиях подачи природного газа и промстоков в циклонную печь поз.7/1-3.

Давление первичного воздуха в пределах (150-500) кгс/м². Расход первичного воздуха в пределах (2000-5000) нм³/час

Температура первичного воздуха после рекуператора поз.13/1-3 в пределах (150-400)⁰С.

Давление вторичного воздуха измеряется в пределах (300-450)кгс/м² .Расход вторичного воздуха в пределах (900-2500)нм³/час

Для контроля пламени горелок на циклонной печи поз.7/1-3 установлен сигнализатор пламени СП-1. При погасании пламени в циклонной печи поз.7/1-3 срабатывает световая и звуковая сигнализация, и одновременно закрываются отсечные клапаны на линиях подачи природного газа и промстоков в циклонную печь поз.7/1-3.

Работа горелок с перегрузкой или на малых нагрузках опасна: в первом случае возможен отрыв пламени от горелок, а во втором – проскок пламени. При отрыве пламени горение газа может прекратиться и произойдет загазование топки. При проскоке пламени в горелку возможны хлопки, может произойти затухание пламени и загазование топки или горение газа будет происходить внутри горелки, что приведет к перегреву горелки и выходу её из строя.

В результате сгорания органики, испарения и перегрева воды промстоков образуются дымовые газы.

Дымовые газы по газоходу отводятся из циклонной печи поз.7/1-3 в рекуператор поз.13/1-3.

Через рекуператор поз.13/1-3 потоки дымовых газов и воздуха протекают одновременно и непрерывно. Дымовые газы проходят по трубному пространству, а воздух по межтрубному, при этом дымовые газы охлаждаются от температуры (700-1000)⁰С до температуры не более 700⁰С, нагревая воздух для эффективного горения природного газа в циклонной печи поз.7/1-3.

После рекуператора поз.13/1-3 дымовые газы, поступают в скруббер поз.18/1-3, где за счет большого объема аппарата, охлаждаются от температуры (400-700)⁰С, до температуры (250-500)⁰С и далее дымососом поз.23/1-3 выбрасываются в атмосферу, через дымовую трубу поз.25 с температурой (200-300)⁰С.

Топливом для сжигания отходящих газов является природный газ, поступающий из газовой сети предприятия.

Розжиг факела осуществляется при помощи запального устройства, установленного на площадке обслуживания факельной установки.

В запальное устройство подается природный газ и воздух, при смешивании, которых образуется газовоздушная смесь.

Подача воздуха осуществляется по трубопроводу, на котором установлен регулятор давления непрямого действия РДУК-2.

Отходящие газы с агрегата формалина (уротропина), поступающие из корпуса 1389 на всас компрессора ВНК-150/0,7, попадают в ресивер поз.33 линейного тип

предназначенный для уменьшения пульсации во всасывающем коллекторе компрессора и частичного отделения жидких фракций, содержащихся в отходящих газах. 

Отходящие газы после компрессора ВНК-150/0,7 поступают в коллектор и далее в нижнюю часть (сепаратор) факельной установки.

Для отбора проб имеется точка отбора конденсата из сепаратора.

Из сепаратора отходящие газы поступают в лабиринтное уплотнение, после чего попадают непосредственно в ствол факела и далее сжигаются на оголовке факела.

В зимний период эксплуатации факельной установки для предотвращения замерзания конденсата днище сепаратора и лабиринтное уплотнение обогреваются теплофикационной водой.

Общий расход природного газа на УТОПС и факельную установку не более 1200 нм³/час. Давление природного газа на УТОПС и факельную установку не более 6 кгс/см²

На линии природного газа установлен огнепреградитель ОП-100 для предотвращения распространения пламени по газопроводу и уменьшению последствий от создавшейся аварийной ситуации.

Давление воздуха в пределах (3,0-6,0)кгс/см² до регулятора РДУК-2, поступающего на смешение с природным газом в запальное устройство, измеряется техническими манометрами МТИ-1216, установленными по месту.

Расход природного газа в линию отходящих газов стабилизируется при помощи дроссельной шайбы с диаметром отверстия 3,2 мм.

Расход азота, подаваемого в линию отходящих газов, стабилизируется при помощи дроссельной шайбы с диаметром отверстия 6 мм.

Температура на оголовке факела измеряется в пределах (80-1100)⁰С тремя термопарами ТХА-0806, многоканальным измерительным цифровым преобразователем Ш-711/1И. Показания выводятся на дисплей ПЭВМ.

Автоматизация процесса

Автоматизация технологического процесса – совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.

Контроль и управление технологическим процессом сжигания промстоков на установке термического обезвреживания промстоков осуществляется АСУТП на базе логического микропроцессорного контроллера «Ломиконт Л-112» и ПЭВМ.

В таблице 2 указанна автоматизация технологического процесса.

Таблица 2 - Контрольно измерительные приборы

Продолжение таблицы 2

Возможные неполадки в работе и способы их ликвидации приведены в таблице.3

Таблица 3 – неполадки, причины их возникновения и устранение.