Совершенствование технологической схемы производства карбамида с целью снижения производственных потерь карбамида и сырья

УДК 631.85

С.В. Островский

Пермский государственный технический университет

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КАРБАМИДА С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОТЕРЬ КАРБАМИДА И СЫРЬЯ

Проведен анализ производства карбамида. В основу анализа положены данные проекта, регламента, отчетов и данные, представленные руководством цеха и работниками лаборатории. В результате оценки возможных показателей всего производства и его отдельных стадий осуществлена разработка программы, которая позволяет рассчитать полный материальный баланс производства.

С использованием результатов расчетов проведен анализ производства с целью определения возможных потерь сырья и продукта, проанализированы также причины потерь. Намечены мероприятия технического и организационного порядка, которые позволят снизить потери и улучшить технико-экономические показатели производства.

В основу расчета материального баланса положены балансы, представленные в проекте, регламенте и в отчетах НИИКарбамида. Исходные данные скорректированы с учетом данных суточных ведомостей производства карбамида и результатов аналитического контроля производства. В расчетах учтены также значения технологических параметров и статистические данные производства карбамида.

Расчет материального баланса основан на взаимосвязанности технологических потоков и на оценке показателей работы основного оборудования. В результате оценки возможных показателей всего производства и его отдельных стадий осуществлена разработка программы, которая позволяет рассчитать полный материальный баланс производства.

Проведен анализ работы существующей технологической схемы и основного технологического оборудования по стадиям процесса. В основу анализа положены результаты расчета материального баланса производства карбамида. Были составлены схемы потоков основных компонентов сырья и продуктов (аммиака, СО2, воды и карбамида) по стадиям производства.

Анализ потоков аммиака показывает, что наибольшее количество аммиака из плава колонны синтеза выделяется в газовую фазу в первой (88,6 %) и второй колоннах дистилляции (11,3 %).

Несмотря на то, что в третьей колонне выделяется большая часть оставшегося в растворе карбамида аммиака, в нем его остается 0,35 %, что составляет 432 кг/ч. Этот аммиак поступает в установку кристаллизации, где затем практически полностью удаляется с испаренной водой в вакуум-кристаллизаторе. В дальнейшем этот аммиак выделяется в газовую фазу в отделении очистки в отпарных колоннах. По технологической схеме потоки этих газов должны подаваться в абсорбер низкого давления и вторую колонну дистилляции. Однако вследствие того, что эти газы содержат 1001 и 2872 кг/ч воды, их подача вызывает дебаланс воды в отделении регенерации. Это проявляется в завышенном по сравнению с регламентом количестве жидкой фазы из абсорбера низкого давления: 35147 кг/ч вместо 32000 кг/ч по регламенту. Все это приводит к необходимости сброса этих потоков через свечу в атмосферу.

Другой источник потерь аммиака связан с образованием биурета при плавлении высушенных кристаллов карбамида в плавильнике.

По данным материального баланса в потоке влажного карбамида, поступающего в сушилку, количество биурета составляет 108 кг/ч. После сушки и плавления карбамида его содержание повышается до 307 кг/ч, т.е. при плавлении образуется 199 кг/ч биурета. Это соответствует образованию 33 кг/ч аммиака. Этот аммиак отсасывается газодувкой и направляется в пылеулавливающее устройство гранбашни (ЗУМПФ).

Потери аммиака на гранбашне по данным анализов составили

34,5 кг/ч. Это говорит о том, что улавливание аммиака в ЗУМПФе не происходит.

Потери аммиака после аппаратов конечного аммиачного абсорбера и колонны промывки газов сравнительно малы и не превышают суммарно 10 кг/ч.

Таким образом, по данным нашего анализа выявлены потери аммиака в количестве 462 кг/ч. По данным же анализов, выполненных заводской лабораторией, эти потери только на свече составляют 970 кг/ч, хотя эти данные, по оценке лаборатории, завышены. Если принять достоверной нашу оценку прямых потерь аммиака и учесть оценку общих потерь аммиака по расходному коэффициенту, то недостающие потери аммиака в количестве 383 кг/ч можно отнести за счет потерь карбамида в эквивалентном количестве 675 кг/ч.

Анализ потоков карбамида показывает возможность потерь карбамида на стадии очистки стоков в количестве 256 кг/ч.

Потери карбамида на гранбашне по данным анализов составили

14,5 кг/ч, а потери в отделении грохочения по данным цеха 26,25 кг/ч. Таким образом, обнаруженные потери карбамида составляют 296,7 кг/ч. Необнаруженные потери продукта составляют 378,3 кг/ч (0,5 % от выработки). Суммарные потери аммиака с газовой фазой после первой и второй отпарных колонн составляют 399 кг/ч.

Анализируя работу основного оборудования производства карбамида, следует отметить следующее. В результате реконструкции повышена на 20 % производительность колонны синтеза. Однако по данным отчета показатели отделения дистилляции несколько снизились -уменьшилась степень отгонки аммиака и СО2 и увеличилась степень отгонки воды. Это связано с увеличением нагрузки на аппараты отделения дистилляции. В целом аппараты дистилляции справляются с повышенной нагрузкой, однако при этом приходится увеличивать возврат раствора УАС в колонну синтеза с 1112 до 1372 кг/т карбамида, т. е. на 21 %.

Увеличение степени отгонки воды приводит к увеличению количества возвращаемой в колонну синтеза воды и, в целом, приводит к напряженному балансу по воде всего производства.

Вследствие снижения степени отгонки аммиака в первой и второй колоннах дистилляции увеличивается нагрузка по выделению аммиака на газосепаратор, что приводит к увеличению остаточного его содержания в растворе карбамида, поступающем на кристаллизацию. В конечном итоге за счет этого увеличивается нагрузка по аммиаку на отпарные колонны. Для достаточно полной отпарки аммиака на эти колонны увеличивается тепловая нагрузка, а это приводит к увеличению потока воды с газом из этих колонн с 35 до 52 кг/т карбамида.

Из баланса производства по воде следует, что по реакции синтеза карбамида в технологии образуется 19890 кг/ч воды. По цеховым данным в схему дополнительно вводится вода из ПСВ - 6000 кг/ч, на промывку карбамида - 400 кг/ч, в конечный аммиачный абсорбер -1200 кг/ч и в колонну промывки газов - 3000 кг/ч, т.е. всего 30490 кг/ч. Удаляется на гранбашне через 0Б-304 25860 кг/ч. Следовательно, дебаланс по воде составляет 2840 кг/ч.

Основные факторы, оказывающие определяющее влияние на величину потерь продукции и сырья, таковы:

1. Узким местом производства карбамида после проведенной реконструкции и увеличения мощности стало отделение дистилляции.

2. Снижение степени отгонки в отделении дистилляции аммиака и СО2 и увеличении степени отгонки воды привело к увеличению возврата не прореагировавших компонентов в колонну синтеза и к напряженному балансу производства по воде.

3. Снижение степени отгонки аммиака в газосепараторе приводит к увеличению поступления аммиака в кристаллизатор и затем в отделение очистки стоков.

4. Вследствие увеличения количества воды, возвращаемой в колонну синтеза с раствором УАС, снижается степень превращения СО2. Это также приводит к увеличению нагрузки на отделение дистилляции и, в первую очередь, на первую дистилляционную колонну.

Часть причин образования «узких» мест производства уже было отмечено. Из более глубоких причин следует отметить те, которые связаны с самим синтезом карбамида. Известно, что основные показатели производства карбамида тесно связаны со степенью превращения СО2 в колонне синтеза. Эта величина зависит как от условий равновесия, так и от кинетики процесса синтеза. Проведенная реконструкция колонны синтеза позволила улучшить кинетические характеристики процесса. Вследствие этого лимитирующим стало равновесие. Оптимальные условия, обеспечивающие наибольший равновесный выход карбамида, довольно хорошо известны. Так, для производства карбамида на данном предприятии условия следующие: соотношение аммиак/СО2, равное 4, температура синтеза 200-205 оС и давление 200-220 атм. Важным фактором является также соотношение Н2О/СО2, которое должно быть ниже 0,5. Именно некоторые из этих параметров нарушились после реконструкции.

Так, оценка значения равновесной степени превращения СО2 по теоретическим закономерностям (Горловский Д.М., Альтшулер Л.Н., Кучерявый В.И. Технология карбамида. Л.: Химия, 1981) показывает, что при температуре 202 оС, давлении 220 атм, соотношениях КН3/С02 = = 3,64 и Н2О/СО2 = 0,69 равновесная степень превращения СО2 составляет 0,65 (рис. 1). Это привело к снижению реальной степени превращении СО2 до 0,63 (см. рис. 1).

С этим, на наш взгляд, связано также возникновение дебаланса по воде и сохранение довольно высоких потерь основного сырьевого компонента аммиака.

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

XV

Рис. 1. Зависимость равновесной степени превращения от соотношения Н2О/СО2: температура 202 оС, давление 220 атм, КН3/С02 = 3,64

Расчет степени отгона летучих компонентов на стадии дистилляции показал, что реальная степень отгона в условиях первой дистилля-ционной колонны (температура 136 оС, давление 17,7 атм) составляет 0,579, а теоретическая - 0,603. Для второй дистилляционной колонны (температура 122 оС, давление 3,3 атм) реальная - 0,142, теоретическая - 0,627. Это еще раз подтверждает, что нагрузка на первую колонну значительно выше, чем на вторую.

Нами разработаны предложения по изменению технологических схем и аппаратурному оформлению стадий производства с целью минимизации производственных потерь карбамида и сырья.

Предложения, направленные на реализацию задачи минимизации возникающих производственных потерь карбамида и сырья, могут быть организационного и технического характера.

Предложение организационного характера связано с режимом функционирования приямка сточных вод (ПСВ). Необходимо перейти от режима непрерывного расходования раствора из ПСВ к режиму накопления в нем раствора, последующего перекачивания этого раствора в буферную емкость и дальнейшим срабатыванием его по мере накопления. Тем самым будет разгружена первая отпарная колонна и уменьшится возврат аммиака в ЗУМПФ.

Предложения технического характера следующие. Первое предложение связано с разработкой схемы более эффективного использования газов после первой и второй отпарных колонн.

Количество аммиака в газах после отпарных колонн непосредственно связано с содержанием аммиака в растворе карбамида после газосепаратора, который поступает на установку кристаллизации, т.е. определяется технологическим режимом газосепаратора.

Выпаренный в кристаллизаторе водяной пар вместе с почти всем аммиаком раствора карбамида поступает в систему поверхностных конденсаторов и далее в виде загрязненного конденсата перерабатывается в отпарных колоннах.

Отпарные колонны работают на предельных режимах, что требует для достижения требуемой степени отпарки аммиака повышенного расхода тепла и приводит к образованию газов с повышенным содержанием водяного пара.

Поэтому предлагается провести модернизацию схемы утилизации этих газов в технологии с тем, чтобы не допустить сброса в атмосферу и сократить потери и, следовательно, расход аммиака в производстве.

Это может быть достигнуто введением в технологическую схему дополнительно конденсатора-сепаратора, клапана сброса давления и промежуточной емкости, которые обеспечат получение потоков газа и жидкости и дальнейшую их более эффективную утилизацию. Расчет материального баланса этой системы показывает, что в результате охлаждения газового потока в количестве 4700 кг/ч со 140 до 80 оС получается парогазовая смесь. Эта смесь делится на газовую фазу в количестве 801 кг/ч с содержанием 57,9 % КИ3 и жидкую фазу в количестве 3892 кг/ч с содержанием 5,6 % КН3. Далее жидкая фаза дросселируется с давления 3,4 атм до давления 1 атм при этом температура понижается до 62 оС и образуется газ в количестве 186 кг/ч и жидкость в количестве 3712 кг/ч, содержащая 2,5 % КН3.

Переработку образовавшихся потоков газа и жидкости предлагается осуществлять по схеме, представленной на рис. 2. По этой схеме предусматривается подача жидкости из сепаратора в колонну промывки газов вместо технологического конденсата.

Ориентировочные характеристики дополнительного конденсатора-сепаратора: поверхность теплообмена около 60-90 м2, расход охлаждающей воды 150 м3/ч при температуре охлаждающей воды на входе 25 оС и выходе 45 оС, расчетное давление в межтрубном пространстве 4-5 атм, температура 135-150 оС, расчетное давление в трубах до 5 атм, температура до 70 оС. Характеристики емкости: объем 2-3 м3, расчетное давление до 1,5 атм, температура до 80 оС. Характеристики центробежного насоса: производительность 4-5 м3/ч, среда слабощелочная, температура до 80 оС.

Рис. 2. Схема переработки газов после колонн отпарных с использованием полученных потоков в абсорбере колонне промывки газов

Второе предложение по снижению выбросов и потерь аммиака в производстве карбамида связано с корректировкой технологического режима работы газосепаратора с целью увеличения отгонки аммиака из раствора карбамида.

Для решения этой задачи необходимо увеличить расход инертного газа (воздуха), подаваемого в газосепаратор с газом через газодувку.

Расчет показывает, что если увеличить расход воздуха с этим газом на 200 м3/ч и одновременно подвести дополнительное количество тепла в нижнюю часть газосепаратора, то можно увеличить отдувку аммиака из раствора карбамида на 20-25 %. Подачу дополнительного воздуха на всас газодувки можно осуществить через имеющийся клапан.

Подвод дополнительного количества тепла целесообразно осуществить путем дополнительного нагревания раствора карбамида, подаваемого из сборника в газосепаратор, - с 57 оС до температуры 9095 оС, что обеспечит дополнительный подвод тепла в нижней части газосепаратора и снижение содержания аммиака в растворе карбамида до 0,2 %. Для нагревания необходим дополнительный кожухотрубчатый теплообменник. В качестве теплоносителя можно использовать кон-

денсат из сборника. При расходе конденсата в количестве 10 м3/ч и его охлаждении со 135 до 70 оС потребуется теплообменник с поверхностью теплообмена 10-15 м2.

Кроме положительного эффекта по отдувке аммиака из раствора карбамида применение дополнительно подсасываемого воздуха позволит повысить давление в абсорбере БЛ-402 до атмосферного, что положительно скажется на работе этого абсорбера.

Третье предложение предусматривает схему выделения воды из газов после первой и второй отпарных колонн с последующим использованием жидкой фазы в дополнительной небольшой отпарной колонне с целью получения чистого конденсата, направляемого во второй оборотный цикл воды. Газы же после отпарной колонны направляются в газосепаратор. Расчет показывает, что с этой целью достаточно применить насадочную колонну диаметром 0,5 м, высотой 10 м и с кубом, имеющим поверхность теплообмена 50 м2.

Четвертое предложение направлено на оптимизацию работы колонны синтеза и отделения регенерации. Суть его заключается в том, чтобы уменьшить количество раствора углеаммонийных солей (РУАС), подаваемое в колонну синтеза с целью повышения степени превращения СО2 до 65-66 % за счет уменьшения соотношения Н2О/СО2 и небольшого увеличения соотношения КН3/С02. Для достижения этого предлагается часть потока (около 20 %) слабого РУАС из абсорбера низкого давления подавать в первую отпарную колонну, а остальное количество - в абсорбер высокого давления.

Получено 17.06.2009