Технологическая схема производства аммиака из азотоводородной смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Саратовский государственный технический университет

Энгельсский технологический институт

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Системы управления химико-технологическими процессами»

на тему:

«Технологическая схема производства аммиака из азотоводородной смеси»

Выполнила:

студентка з/о группы ТЭП-5

Принял: Апостолов С.П.

Энгельс 2011 год

Содержание

Введение

1. Производство аммиака из азотоводородной смеси

2. Разработка принципиальной технологической схемы производства аммиака со схемой КиПиА

2.1 Описание разработанной технологической схемы

2.2 Контроль и автоматика технологического процесса

2.3 Выбор средств автоматизации

2.4 Описание приборов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Автоматизация производства рассматривается как один из наиболее мощных факторов развития наука и техники. В химической промышленности комплексной механизации и автоматизации уделяется большое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, а также их чувствительностью к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ и т.д.

Автоматизация технологических процессов характеризуется частичной или полной заменой человека-оператора специальными техническими средствами контроля и управления.

История развития автоматизации насчитывает уже более 200 лет. Зарождение относится к периоду промышленной революции конца XVIII - начала XIX в., характеризующемуся переходом от полукустарного производства к промышленному, когда совершенствовались орудия и приемы труда, создавались необходимые условия для механизации процессов. Машины-орудия заменяли ручной труд человека, позволяя резко увеличить производительность труда.

В последние годы произошли значительные изменения в масштабах и уровне автоматизации технологических процессов химических производств. Применяются новейшие измерительные, технические средства и системы управления на электронной основе.

Автоматизацию производства, в том числе и в химической технологии, не следует понимать как простое насыщение контрольно-измерительными приборами и автоматическими устройствами существующих или проектируемых производственных процессов. Проблемы технологии и автоматизации решаются взаимосвязанно, что предопределяется бурным развитием индустрии, созданием новых непрерывных процессов и аппаратов большой единичной мощности.

Измерительные приборы и автоматические устройства обеспечивают оптимальное протекание технологического процесса, недоступное ручному управлению. Поэтому автоматизация позволяет наиболее эффективно использовать все ресурсы химического производства. Непременным условием высокой эффективности автоматизации является механизация основных и вспомогательных производственных процессов.

Механизация, электрификация и автоматизация технологических процессов обеспечивают сокращение доли тяжелого и малоквалифицированного физического труда в химической промышленности, что ведет к повышению ее производительности, непременному экономическому росту. С помощью автоматизации повышается надежность и продлевается срок службы технологического оборудования, облегчаются и оздоровляются условия труда, повышается его безопасность, при этом сокращается текучесть рабочей силы и снижаются затраты на единицу продукции, увеличивается ее количество и повышается качество. производство аммиак азотоводородный автоматизация

Цель данной курсовой работы - разработать технологическую схему производства аммиака из азотоводородной смеси и рассмотреть процесс автоматизации этого производства.

1. Производство аммиака из азотоводородной смеси

Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь (АВС) стехиометрического состава . Так как ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, сырьевая база аммиачного производства определяется вторым компонентом смеси - водородом, который может быть получен разделением обратного коксового газа, газификацией твердого топлива, конверсией природного газа.

Структура сырьевой базы производства аммиака менялась и сейчас свыше 90% аммиака вырабатывается на основе природного газа.

Азотоводородная смесь, независимо от метода ее получения, содержит примеси веществ, некоторые из которых являются каталитическими ядами, вызывающими как обратимое (кислород, оксиды углерода, пары воды), так и необратимое (различные соединения серы и фосфора) отравление катализатора. С целью удаления этих веществ АВС подвергается предварительной очистке, методы и глубина которой зависят от их природы и содержания, то есть от способа производства АВС.

Основная стадия процесса синтеза аммиака из азотоводородной смеси описывается уравнением:

Однако так как преобладающим методом получения АВС является конверсия метана воздухом и водяным паром, химическая система производства аммиака включает помимо этой реакции несколько реакций воздушной и паровой конверсии:

и последующего превращения оксида углерода (II) в оксид углерода (IV):

После удаления оксида углерода (IV) из газовой смеси и коррекции ее состава получают АВС с содержанием азота и водорода в отношении 1: 3.

Температура и давление влияют на состояние системы и скорость синтеза аммиака противоположным образом, то есть существует противоречие между термодинамикой и кинетикой процесса. Поэтому, выход аммиака и удельная производительность катализатора зависят в первую очередь от этих параметров, а также от состава и объемной скорости газовой смеси, и активности катализатора и конструкции реактора.

Состав азотоводородной смеси выбирается на сколько возможно более близким к стехиометрическому, что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак.

Определяющим параметром в производстве аммиака из азотоводородной смеси является давление синтеза. На стадиях компрессии газа, синтеза аммиака и конденсации его из АВС капитальные и энергоматериальные затраты с повышением давления снижаются до определенного предела. Оптимальным является давление 32 МПа.

2. Разработка принципиальной технологической схемы производства аммиака со схемой КиПиА

Принципиальная технологическая схема определяет условия ведения технологического процесса, его параметры, включает типы аппаратов, в которых осуществляется технологический процесс, их взаимное расположение в соответствии с компоновкой оборудования.

В данном разделе представлено описание технологической схемы производства аммиака из азотоводородной смеси, дано описание схем контроля параметров процесса и представлена спецификация на контрольно-измерительные приборы, позволяющие контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры.

2.1 Описание разработанной технологической схемы

В данной курсовой работе приведена технологическая схема современного производства аммиака при среднем давлении производительностью 1360 т/сутки. Режим ее работы характеризуется следующими параметрами:

· температура контактирования 450-550°C,

· давление 32 МПа,

· объемная скорость газовой смеси 4 • 10⁴ нм³/м³•ч,

· состав азотоводородной смеси стехиометрический.

Процесс производства можно разделить на пять стадий: фильтрация, охлаждение, синтез, конденсация и сбор.

Азотоводородная смесь компримируется до 32 МПа поршневым компрессоом1 и подаётся в масляный фильтр 2, который служит для очистки сжатого газа от смазочного масла. Там же производится очистка непрореагировавшей азотоводородной смеси после компрессора 8. Смесь после фильтра подаётся в межтрубное пространство конденсационного теплообменника 3. Охлаждение и конденсация части аммиака, содержащегося в смеси, осуществляется встречным потоком холодного газа из аммиачного испарителя 4. Сконденсировавшийся аммиак собирается в ёмкости 9, а азотоводородная смесь поступает на синтез в колонну 5. Синтез протекает в присутствии катализатора по следующей схеме:

Реакция образования аммиака обратима и идёт с выделением тепла. Обычно, реакцию проводят при температуре 500°С. Выход аммиака в этом случае составляет 12-18%.

Колонна синтеза состоит из катализаторной коробки и трубчатого теплообменника. Исходная азотоводородная смесь перед катализаторной коробкой нагревается в трубчатом теплообменнике (до температуры, необходимой для начала реакции) за счёт тепла, выделившегося при синтезе смеси предыдущей порции. Часть исходной смеси может подаваться в нижнюю часть колонны помимо теплообменника, что позволяет осуществлять регулирование температуры.

Контактный газ после колонны синтеза поступает в водяной холодильник 6, где охлаждается до 30...35°С. При этом аммиак, содержащийся в газе, конденсируется. В сепараторе производится отделение жидкого аммиака от непрореагировавшей азотоводородной смеси, которая направляется в линию всасывания циркуляционного компрессора 8, обеспечивающего компенсацию потерь давления в аппаратах и возможность возврата смеси в смеситель 2.

Жидкий аммиак дросселируется до 2…2,5 МПа и отводится в ёмкость 9, где из него выделяются растворённые газы.

2.2 Контроль и автоматика технологического процесса

Автоматизация производства - процесс в развитии промышленности, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.

Главной задачей при разработке системы управления является выбор параметров, участвующих в управлении, т.е. регулируемых, контролируемых и сигнализируемых. При этом необходимо получить наиболее полное представление об объекте, имея минимально возможное число выбранных параметров. Таким образом, разрабатывается стратегия управления технологическим объектом.

Успешному достижению цели управления способствует не только правильный выбор вышеперечисленных параметров, но и выбор автоматических устройств для реализации стратегии управления.

Аппаратами производства аммиака необходимо управлять таким образом, чтобы выход аммиака поддерживался на постоянном, максимально возможном для данных условий значении. Выход аммиака определяется температурой и давлением в зоне реакции, свойствами катализатора. Стабильность выхода аммиака зависит от состава исходной смеси, а также от продолжительности пребывания газа в зоне катализатора.

Основной регулируемый параметр - показатель эффективности процесса. Далее регулированию подлежат параметры, влияющие на материальные и тепловые балансы в объекте.

2.3 Выбор средств автоматизации

При разработке аппаратурно-технологической схемы процесса предусматривают установку контрольно-измерительных приборов, позволяющих контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры (таблица 2).

Необходимо подобрать такую схему регулирования параметров, чтобы изменение регулирующего воздействия сопровождалось широким диапазоном изменения регулируемого параметра, но чтобы инерционность выбранного контура регулирования была минимальной.

Исходя из этого, в данной работе выбираются следующие контуры регулирования:

1. Регулирование расхода азотоводородной смеси

2. Стабилизация температуры охлаждённого газового аммиака (после испарителя 4 и холодильника 6)

3. Стабилизация давления в ёмкости 9 за счёт изменения расхода выделенных газов

4. Регулирование материального баланса в конденсаторе 3, в сепараторе 7 и в ёмкости 9, за счёт изменения отбора веществ из аппаратов.

Таблица 1. Анализ технологических параметров

Приборы и средства автоматизации технологического процесса получения аммиака

Таблица 2.

2.4 Описание приборов

Контур 1:

Поддержание расхода азотоводородной смеси на уровне 1000м³/час.

Время пребывания газа в контактной зоне определяется расходом азотоводородной смеси, который измеряется диафрагмой 1-1 (ДКС-0,6-200). Преобразователь расхода 1-2 (13ДД11) и корневой преобразователь 1-3 (ПФ1.17) преобразуют сигнал в пневматический унифицированный - 0,02…0,1 МПа. Вторичный регистрирующий прибор 1-4 (ПВ10.1П) запоминает текущее состояние пневмосигнала, а регулирующее устройство 1-5 (ПР3.31) вырабатывает регулирующее воздействие по ПИ-закону на клапан с пневмоприводом 1-6 (25ч38нж(НЗ)), который изменяет скорость прохождения азотоводородной смеси по трубопроводу. Расход смеси, таким образом, стабилизируется.

Контур 2:

Регулирование уровня жидкости в теплообменнике.

Материальный баланс в конденсаторе 3 поддерживается регуляторами уровня путём изменения отбора веществ. Буйковый уровнемер 2-1 (УБ-П) измеряет уровень жидкого вещества в теплообменнике 3, а выходной пневмосигнал подаётся на вторичный регистрирующий прибор 2-2 (ПВ10.1). Далее, аналогично контуру 1, вырабатывается регулирующее воздействие от прибора 2-3 (ПР31.3) на пневмоклапан 2-4 (25ч38нж(НЗ)). Таким образом, уровень жидкости в теплообменнике поддерживается на постоянном уровне.

Контур 3:

Выработка корректирующего воздействия.

Этот контур служит для измерения температуры охлаждённого аммиака после аммиачного испарителя 4. Термоэлектрический преобразователь 3-1 (ТХА-0179) преобразует данные о температуре в электрический сигнал. Далее этот сигнал приводится к унифицированному с помощью нормирующего преобразователя 3-2 (Ш79). Аналоговый преобразователь 3-3 (ЭПП) преобразует электросигналв унифицированный пневматический. Этот пневмосигнал будет являться корректирующим в контуре 4.

Контур 4:

Регулирование уровня жидкости в аммиачном испарителе.

С помощью уровнемера 4-1 (УБ-П) измеряется уровень жидкости внутри аммиачного испарителя 4 и регистрируется с помощью прибора 4-2 (ПВ10.1). Устройство регулирования соотношения 4-3 (ПР3.33-М) принимает два стандартных пневмосигнала: от прибора 4-2 и от прибора 3-3 контура 3, причём сигнал от 3-3 рассматривается, как корректирующее воздействие на регулирование уровня в аммиачном испарителе. Далее, управляющее воздействие формируется аналогично контуру 1.

Контур 5:

Регулирование давления в сливной ёмкости.

Преобразователь измерительный давления 5-1 (13ДИ30) служит для измерения давления в сливной ёмкости 9. Его выходной сигнал (унифицированный пневматический) подаётся на регистрирующий прибор 5-2 (ПВ10.1П), а Управляющее воздействие на клапан 5-4 формируется аналогично контуру 1. Таким образом, за счёт изменения расхода выделенных газов, стабилизируется давление внутри ёмкости 9.

Контуры 6, 7 и 9: - см. описание работы контура 2.

Контур 8: - см. описание работы контура 3.

Заключение

Результатом данной работы является разработанная схема автоматизации производства аммиака.

Необходимо заметить, что все элементы схемы в основном являются пневмоустройствами, работающими со стандартным пневмосигналом 0,02…0,1 МПа.

Некоторые элементы схемы дублируются по 8…9 раз, например регистрирующий прибор ПВ10.1П, станция управления ПР3.31 и пневмоклапан 25ч38нж(НЗ). Это позволяет, при реализации схемы на производстве, закупать партию одинаковых устройств вместо нескольких различных. Преимущества от такого подхода к проектированию схемы - это, во-первых, снижение затрат на приобретение и амортизацию купленных устройств, а во-вторых, в случае поломки одного из них, можно будет без особого труда тут же заменить его на такой же работоспособный прибор. Поэтому, при проектировании схемы преимущественно выбирались самые распространённые средства автоматизации.

При выборе приборов и средств автоматизации учитывались условия функционирования приборов и систем (степень пожаро- и взрывоопасности процесса, агрессивность среды и т.п.), предельные значения и диапазон изменения параметров процесса, требования к точности контроля и регулирования, быстродействию, надежности и другие факторы.

Схема выполнена на листе формата А3.

Список использованной литературы

1. Бородин И.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов. - М.: КолосС, 2004. - 344 с.

2. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учеб.для техникумов. - М.: Химия, 1985. - 352 с.

3. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник/ Под ред. В.В. Черенкова. - Л.: 1987.

4. Аналоговые и цифровые регуляторы и исполнительные механизмы в системах автоматизации технологических процессов: Метод. Указания / Под ред.: Харазова В.Г. ЛТИ им. Ленсовета. - Л., 1992. - 60 с.

5. Проектирование систем автоматизации химических производств. Структурные схемы и схемы автоматизации: Метод. Указания / Под ред.: Беляева Д.В. ЛТИ им. Ленсовета. - Л., 1989. - 44 с.

6. Приборы и средства автоматизации технологических процессов: Метод. Указания / Под ред.: Харазова В.Г. ЛТИ им. Ленсовета. - Л., 1990. - 56 с.

7. Макаренко В.Г. Схемы автоматизации: Учеб.-метод. пособие к курсовому и дипломному проектированию/Юж.-Рос.гос.техн.ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999. - 47с.

Размещено на Allbest.ru