Курсовая работа: Производство карбамида

Курсовой проект

Тема: Производство карбамида.

Содержание

Введение

1. Свойства карбамида и его технические характеристики

2. Область применения карбамида

3. Патентный поиск

4. Технология производства карбамида

5. Конструкция аппарата

6. Технологический расчет

6.1. Материальный баланс

6.2. Тепловой баланс

7. Механические расчеты

7.1. Выбор конструкционного материала и допускаемых напряжений

7.2. Расчет толщины стенки корпуса колонны

7.3. Расчет толщины стенки эллиптического днища корпуса

7.4. Расчет плоской крышки корпуса

7.5. Расчет затвора соединения фланца с плоской крышкой корпуса

7.6. Расчет фланца

7.7. Выбор тарелок. Определение гидравлического сопротивления колонны

7.8. Расчет массы аппарата

7.9. Расчет аппарата на сейсмическую нагрузку

7.10. Расчет опоры аппарата

Заключение

Список использованных источников

Введение

Минеральные удобрения – источник различных питательных элементов для растений и свойств почвы, в первую очередь азота, фосфора и калия, а затем кальция, магния, серы, железа. Все эти элементы относятся к группе макроэлементов («Макрос» по-гречески – большой), так как они поглощаются растениями в значительных количествах. Кроме того, растениям необходимы другие элементы, хотя и в очень небольших количествах. Их называют микроэлементами («Микро» по-гречески – маленький). К микроэлементам относятся марганец, бор, медь, цинк, молибден, йод, кобальт и некоторые другие. Все элементы в равной степени необходимы растениям. При полном отсутствии любого элемента в почве растение не может расти и развиваться нормально. Все минеральные элементы участвуют в сложных преобразованиях органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза. Растения для образования своих органов – стеблей, листьев, цветков, плодов, клубней – используют минеральные питательные элементы в разных соотношениях.

Целью данного проекта является подробное рассмотрение процесса производства минерального удобрения - карбамида, конструирование и расчет колонны синтеза карбамида.

Исходные данные:

Диаметр колонны 2000 мм

Высота колонны 29000 мм

Плотность аммиака 910 кг/м³

Плотность углекислоты 1,98 кг/м³

Плотность карбамида 900 кг/м³

Расход аммиака 6,8·10^-3 м³ /с

Расход углекислоты 2 м³ /с

Расход карбамида 3,6·10^-3 м³ /с

1.Свойства продукта и технические характеристики

Карбамид представляет собой бесцветные кристаллы легко растворимые в воде, спирте, жидком аммиаке, сернистом ангидриде. Температура плавления 132,7°C, плотность 1,33·103 кг/м3.

Карбамид при нормальных условиях пожаро- и взрывобезопасен, не токсичен.

Карбамид упаковывают в клапанные бумажные и полимерные мешки по нормативно-технической документации. Навалом в железнодорожные вагоны типа «хоппер», минераловозы, а также в специализированные металлические контейнеры. Для розничной торговли продукт упаковывают в полиэтиленовые пакеты, массой не более 3 кг. Хранят в закрытых сухих складских помещениях. Контейнеры с карбамидом и транспортные пакеты допускается хранить на открытых площадках.

Транспортируют в упакованном виде и насыпью всеми видами крытого транспорта, кроме воздушного.

Выпускают карбамид двух марок: А – для использования в химической промышленности и животноводстве, и Б – для использования в сельском хозяйстве.

В нижеследующей таблице кратко представлены технические требования к карбамиду согласно ГОСТ 2081–92.

Технические характеристики карбамида (согласно ГОСТ 2081–92)

2.Области применения карбамида

Карбамид является весьма реакционно-способным соединением, образует комплексы со многими соединениями, например с перекисью водорода, которые используются как удобная и безопасная форма «сухой» перекиси водорода. Способность мочевины образовывать комплексы включения с алканами используется для депарафинизации нефти.

При нагревании до 150—160°C карбамид разлагается с образованием биуретана, аммиака, углекислого газа и др. продуктов. В водном растворе гидролизуется до CO2 и NH3, что обуславливает его применения в качестве минерального удобрения. При взаимодействии с кислотами образует соли. При алкилировании образуются алкилмочевины, при взаимодействии со спиртами — уретаны, при ацилировании — уреиды (N-ацилмочевины). Последняя реакция широко применяется в синтезе гетероциклических соединений, например, пиримидинов. Карбамид легко конденсируется с формальдегидом, что обуславливает широкое его применение в производстве смол.

Химические свойства карбамида обуславливают широкое его применение в химической промышленности в синтезе карбамидо-альдегидных (в первую очередь карбамидо-формальдегидных) смол, широко использующихся в качестве адгезивов, в производстве древесно-волокничтых плит (ДВП) и мебельном производстве. Производные мочевины - эффективные гербициды.

Часть производимого карбамида используется для производства меламина. Значительно меньшая доля используется для нужд фармацевтической промышленности.

По своей природе карбамид - это минеральное удобрение, которое используется на всех видах почв под любые культуры. Такая форма удобрений обеспечивает значительную прибавку урожая сельскохозяйтсвенных культур. Выпускается он в этом качестве в устойчивом к слеживанию гранулированном виде. По сравнению с другими азотными удобрениями карбамид содержит наибольшее количество азота (46,2%), что в основном и определяет экономическую целесообразность его использования в качестве удобрения для многих сельскохозяйственных культур на любых почвах.

В рубце жвачных животных обитают микроорганизмы, способные использовать мочевину для биосинтеза белка, поэтому её добавляют в корма как заменитель белка.

В медицинской практике мочевину чистую используют как дегидратационное средство для предупреждения и уменьшения отёка мозга.

Интересные направления применения карбамида связаны с использованием его для очистки выбросов ТЭЦ и мусоросжигательных установок, где в качестве восстановителя оксидов азота используются продукты термического разложения карбамида. Причем карбамид может применяться как в твердом виде, так и в виде водного раствора. Сегодня данная технология уже внедряется на мусоросжигательных заводах.

Еще одним перспективным направлением использования карбамида является производство продукта AdBlue – 32,5%-го раствора карбамида, используемого для обработки выхлопных газов дизельных двигателей. Применение данного раствора позволяет добиться соответствия состава выхлопных выбросов нормам Euro-4 и Euro-5. В этом случае более предпочтительным является применение приллированного карбамида ввиду его физических свойств.

3. Патентный поиск

3.1 Определение предмета поиска

Этот этап является одной из наиболее ответственных работ при подготовке к патентным исследованиям. При поиске по источникам патентной информации оно обычно сводится к его конкретизации и приближению формулировки предмета поиска к наименованию рубрики МКИ, НКИ. Затруднение иногда вызывает определение предмета поиска в новой области науки и техники.

Для данного исследования предметом поиска являются устройства проведения синтеза карбамида, а также различные конструктивные решения этого устройства.

Из представленной выше информации, можно сделать вывод, что для своего проекта рациональнее выбрать конструирование колонны синтеза аммиака.

3.2 Определение глубины поиска информации

Глубина поиска информации зависит от предмета поиска и источников информации, по которым будет проводиться поиск. Так, если предметом поиска является изобретение, глубина поиска может составлять 10-15 лет. Отраслевую периодику, используемую, в частности, для определения уровня техники в исследуемой области, достаточно просматривать на глубину до 5 лет (без учета прогноза технического уровня).

В данной работе глубина поиска в учебных целях составит 15 лет.

3.3 Выбор источников информации

Научно-технический портал www.ntpo.com http://www.energo-info.ru Роспатент www.fips.ru;

3.4 Определение классификационных рубрик

Поиск производиться по международной классификации изобретений.

Колонны синтеза карбамида.

3.5 Патентная документация, отобранная для последующего анализа

В качестве прототипа своей конструкции выбираем патент RU 2142334. Ниже представлено описание колонны синтеза карбамида, которая наиболее близка к создаваемой конструкции.

4.Технология производства

Синтез карбамида из аммиака и двуокиси углерода протекает по суммарной реакции

2NH₃ + CO₂ → CO(NH₂ )₂ + Н₂ О

и состоит из стадии образования карбамата аммония:

2NH₃ + СО₂ → NH₄ –COO–NH₂

и дегидратации карбамата аммония:

NH₄ –COO–NH₂ → CO(NH₂ )₂ + Н₂ O

Согласно технологической схеме, рассмотренной в данном курсовом проекте, газообразный CO₂ сжимается в четырехступенчатом компрессоре 1 от 1 до 200 атм. при 35°C, а оттуда подается в смеситель 4. В смеситель также под давлением 200 атм. подается жидкий аммиак, а плунжерным насосом 14 – раствор УАС, в виде которого возвращаются в цикл не превращенные в карбамид NH₃ и CO₂ . В смесителе образуется карбомат аммония при давлении 200атм. и температуре 175 °C. Из смесителя реакционная смесь поступает в колонну синтеза 5, в которой при 200 °C и 280 атм. протекает образование карбамида.

Образовавшийся в колонне синтеза плав, содержащий 30-31% карбамида, 21-22% карбамата аммония, 33-34% избыточного аммиака, 14-16% воды направляются на двухступенчатую дистилляцию. Агрегат дистилляции каждой ступени состоит из трех аппаратов: ректификационной колонны, подогревателя и сепаратора.

Плав карбамида, выходящий из колонны синтеза 5, дросселируется от 200 до 20 атм. и поступает в ректификационную колонну 7 агрегата дистилляции первой ступени. Здесь происходит выделение в газовую фазу избыточного аммиака. Затем в подогревателе 8 температура плава повышается до 165 °C. При этом почти полностью выделяется избыточный аммиак и разлагается большая часть карбамата аммония. Образовавшаяся парожидкостная смесь разделяется в сепараторе 9. Газовая фаза из него возвращается в ректификационную колонну 7, а жидкая фаза дросселируется до 3 атм. и направляется на дистилляцию второй ступени.

Газовая фаза из ректификационной колонны 7, содержащая 76% NH₃ , 21-22% CO₂ и около 3% воды, направляется в промывную колонну 6. Здесь NH₃ и CO₂ поглощаются аммиачной водой с образованием раствора аммонийных солей, а газообразный аммиак очищается от двуокиси углерода и направляется в конденсатор первой ступени 13, где конденсируется и возвращается через танк 2 в цикл.

Жидкая фаза, представляющая собой концентрированный раствор аммонийных солей, с температурой 100 °C плунжерным насосом 14 подается под давлением 200 атм. в смеситель 4.

Раствор, поступающий на дистилляцию второй ступени содержит 60-61% карбамида, 4-5% карбамата аммония, 6-7% избыточного аммиака и 29-30% воды. Дистилляция второй ступени протекает также, как и в первой, т. е. вначале раствор проходит через ректификационную колонну 10, а затем в подогревателе 11 нагревается до 145 °C и поступает в сепаратор 12, где происходит разделение газообразной и жидкой фаз. Во второй ступени дистилляции происходит окончательное разложение карбамата аммония и завершается отгонка аммиака и двуокиси углерода.

Остающийся раствор, содержащий 70-72% карбамида, из сепаратора 12 дросселируется и поступает в вакуум-испаритель 15, в котором при остаточном давлении 300 мм. рт. ст. происходит его концентрация до 74-76% за счет самоиспарения. Далее этот раствор через сборник 16 и маслоотделитель 17 направляется на переработку в готовый продукт.

Газовая фаза из ректификационной колонны 19, содержащая 55-56% NH₃ , 24-25% CO₂ и 20-21% воды, направляется в конденсатор второй ступени 19 для конденсации водяных паров. Образовавшийся здесь слабый раствор УАС через напорный бак 20 центробежным насосом 21 подается в промывную колонну 6. Газовая фаза из конденсатора 19 и другие отходящие газы, содержащие NH₃ и CO₂ , направляются в абсорбер 22, в котором NH₃ и CO₂ при 40 °C поглощаются раствором аммонийных солей, циркулирующим через холодильник 25.

Образовавшийся в абсорбере 22 раствор УАС подогревается в теплообменнике 26 до 95 °C и подается в десорбер 24. Здесь при 3 атм. и 135 °C с помощью острого пара происходит полное разложение аммонийных солей на NH₃ и CO₂ . Газообразные NH₃ и CO₂ вместе с водяными парами направляются в конденсатор второй ступени, а оставшаяся вода удаляется в канализацию.

Колонна синтеза 5 размещена на открытой площадке, остальное оборудование – в здании.

Рисунок1 – технологическая схема производства карбамида

Полученный раствор карбамида последовательно упаривают в выпарных аппаратах первой и второй ступени 27 и 28 соответственно при температуре 120–125°С и давлении 30–40 кПа и 130–140°С и давлении около 3–5 кПа. Полученный плав карбамида концентрацией 99,7–99,8 масс. % поступает в грануляционную башню 31 и распыляется в ней. Образующиеся мелкие частицы при падении вниз охлаждаются в полом объеме башни потоком воздуха, идущим снизу вверх, и превращаются в гранулы. В нижнюю часть башни засасывается атмосферный воздух, и подается воздух из аппарата для охлаждения гранул «КС» 33. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер 32 и в аппарат кипящего слоя 33 для охлаждения гранул, в который через подогреватель 34 подается сухой воздух. Из аппарата 33 готовый продукт направляется на упаковку.

Товарный карбамид в виде гранул размером 1–4 мм применяют в сельском хозяйстве. Кристаллический карбамид получают в кристаллизаторах.

На современных установках поток воздуха из грануляционных башен

промывается для удаления мелких частиц карбамида и затем выбрасывается в атмосферу.

Рисунок2 – технологическая схема производства карбамида

5. Конструкция аппарата

Конструкция аппарата приведена на рисунке

1-корпус; 2- крышка плоская; 3-днище эллиптическое; 4-опора; 5-тарелки ситчатые; 6-термопара

Рисунок3 – колонна синтеза карбамида.

6. Технологические расчеты

6.1 Материальный баланс

CO₂ + 2 NH₃ = NH₂ COOONH₄ + 38ккал (1)

NH₂ COOONH₄ = H₂ O + NH₂ CONH₂ (2)

1.Теоретический расход аммиака и двуокиси углерода на 1 т 100% - ой мочевины

m(NH3) = n ∙_MNH3 ∙m(CONH₂ )₂ /M_CO(NH2)2 [1 c.244]

где M_NH3 - молярная масса аммиака M_NH3 = 17 кг/кмоль

m(CONH₂ )₂ – масса карбамида m(CONH₂ )₂ = 1000кг

n – стехиометрический коэффициент n = 2

M_CO(NH2)2 – молярная масса карбамида, M_CO(NH2)2 = 60кг/кмоль

m(NH₃ )= 2 ∙17 ∙1000/60 = 566,67 кг

m(CO₂ ) = M_CO2 ∙m(CONH₂ )₂ /M_CO(NH2)2 [1 c.244]

где Μ_CO2 – молярная масса углекислого газа, Μ_CO2 = 44 кг/кмоль.

Следовательно

m(СО₂ ) = 44 ∙1000/60 = 733,33 кг

2. Расход на 1 т. 98% - ой мочевины

m(NH₃ ) = 2 ∙17 ∙1000∙0,98/60 = 555,34 кг

m(CO₂ ) = 44 ∙1000∙0,98/60 = 718,66 кг

3. В колонне синтеза с учетом потерь на 1 т. готовой продукции должно получиться мочевины

980∙1,15 = 1127 кг.

На образование этого количества мочевины необходимо

m₁ (NH₃ ) = m(NH₃ ) ∙1,15 = 555,34∙1,15 = 638,64 кг

m₁ (CO₂ ) = m(CO₂ ) ∙1,15 = 718,66∙1,15 = 826,46 кг

4. Практический расход аммиака и углекислоты на 1 т. мочевины (без учета примесей в аммиаке и двуокиси углерода)

m₂ (NH₃ ) = m(NH₃ ) ∙1,15∙n∙100/M_CO(NH2)2 = 555,34∙1,15∙2∙100/60 = 2128,8 кг

m₂ (CO₂ ) = m(CO₂ ) ∙1,15∙100/M_CO(NH2)2 = 718, 66∙1,15∙100/60 = 1377,43 кг

5. В колонне образуется карбамата аммония

m(NH₂ COOONH₄ ) = m₂ (CO₂ ) ∙ M_NH2COOONH4 / M_CO2 [1 c.244]

где M_NH2COOONH4 – молярная масса карбамата аммония

M_NH2COOONH4 = 78 кг/моль

m(NH₂ COOONH₄ ) = 1377,43 ∙78/44 = 2441,8 кг

6. На образование карбамата расходуется аммиака

m₃ (NH₃ ) = m(NH₂ COOONH₄ ) ∙ n ∙ M_{NH 3} / M_{NH 2 COOONH 4} [1 c.245]

m₃ (NH₃ ) = 2441,8 ∙2 ∙17/78 = 1064,37 кг

Остается непрореагировавшего аммиака

m₂ (NH3) - m₃ (NH₃ ) = 2128,8 – 1064,4 = 1064,4 кг

7. Образуется мочевины из карбамата аммония

m(CONH₂ )₂ = m(NH₂ COOONH₄ ) ∙ M_CO(NH2)2 / M_NH2COOONH4 ∙M_CO(NH2)2 /100

m(CONH₂ )₂ = 2441,8∙60∙60/78∙100 = 1127 кг

Остается непрориагировавшего карбамата аммония

m₁ (NH₂ COOONH₄ ) = m(NH₂ COOONH₄ ) ∙ (100- M_CO(NH2)2 /100) [1 c.245]

m₁ (NH₂ COOONH₄ ) = 2441,8 ∙ (100-60/100) = 976,74 кг

8. При превращении карбамата аммония в мочевину по реакции (2) выделится вода

m(H₂ О) = m(NH₂ COOONH₄ ) ∙(М_H2О /M_NH2COOONH4 ) ∙(M_CO(NH2)2 /100) [1 c.245]

m(H₂ О) = 2441,8 ∙18/78 ∙600/100 = 388,09 кг

9. Выделившаяся в колонне вода взаимодействует с избыточным аммиаком с образованием гидрата аммония в количестве:

m(NH₄ OH) = m(H₂ О) ·M_{NH 4 OH} / М_H2О [1 c.245]

m(NH₄ OH) = 338,09 ·35/18 = 657,4 кг

10. На образование гидрата аммония затрачивается аммиака:

m₄ (NH3) = m(NH₄ OH) ·М_NH3 / M_NH4OH [1 c.245]

m₄ (NH3) = 657,4 ·17/35 = 319,31 кг

Остается избыточного аммиака:

m_изб (NH₃ ) = m₃ (NH₃ ) - m₄ (NH3) [1 c.245]

m_изб (NH₃ ) = 1064,4 – 319,31 = 745,09 кг

6.2 Тепловой баланс

1.Приход тепла

1.1 Тепло, поступающее с СО2:

Q₁ = m₂ (CO₂ )·C(CO₂ )·T [1 c.249]

где C(CO₂ ) – теплоемкость СО₂ при Т

C(CO₂ ) = 0,208 ккал/кг ·град; Т = 35°С

Q₁ = 1377,4 ·0,208 ·35 = 10080 ккал

1.2 Тепло, поступающее с жидким аммиаком:

Q₂ = m₂ (NH3) ·С(NH₃ ) ·Т [1 c.249]

где С(NH₃ ) – теплоемкость NH₃ при Т

С(NH₃ ) = 1,054 ккал/кг ·град; Т = 25 °С

Q₂ = 2128,8 ·1,054 ·25 = 56093,9 ккал

1.3 Тепло образования карбамата аммония:

Q₃ = m₁ (NH₂ COOONH₄ )/ M_NH2COOONH4 ·(q₁ – q₂ ) [1 c.249]

где q₁ – теплота образования твердого карбамата аммония из газообразных NH₃ и CO₂

q₁ = 38000 ккал/кг ·моль

q₂ – теплота плавления карбамата

q₂ = 18 500 ккал/кг ·моль

Q₃ = 2441,8/78 ·(38000 – 18500) = 610450 ккал

1.4 Тепло образования гидрата аммония

Q₄ = m(NH₄ OH)/M_{NH 4 OH} ·q₃ [1 c.249]

где q₃ – теплота образования гидрата аммония

q₃ = 2538 ккал/кг ·моль

Q₄ = 657,4/35 ·2538 = 47671 ккал

1.5Суммарный приход тепла

Q_пр = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ [1 c.249]

Q_пр = 108 00+56093,9+610450+47671 = 754295 ккал

2. Расход тепла

2.1 На образование мочевины:

Q₁ = m(CONH₂ )₂ / MCO(NH₂ )₂ · q₄ [1 c.250]

где q₄ – теплота образования мочевины

q₄ = 4400 ккал/кг ·моль

Q₁ = 1127/60 ·4400 = 74300 ккал

2.2 На подогрев образующегося карбамата аммония:

Q₂ = m₁ (NH₂ COOONH₄ ) · С(NH₂ COOONH₄ ) ·(Т_к - Т_см ) [1 c.250]

где С(NH₂ COOONH₄ ) – теплоемкость карбамата аммония

С(NH₂ COOONH₄ ) = 0,466 ккал/кг ·град

Т_к = 200 °С; Т_см = 170 °С

Q₂ = 2441,8 ·0,466 ·(200-170) = 34136,4 ккал

2.3 На подогрев избыточного аммиака:

Q₃ = m_изб (NH₃ ) · C(NH₃ ) ·(Т_к - Т_см ) [1 c.250]

где m_изб (NH₃ ) – избыточная масса аммиака

m_изб (NH₃ ) = 745,09 кг

C(NH₃ ) – теплоемкость аммиака

C(NH₃ ) = 0,54 ккал/кг ·град

Q₃ = 745,09 ·0,54 ·(200 - 170) = 12070,1 ккал

2.4 На подогрев гидрата аммония

Q₄ = m(NH₄ OH) ·(Т_к - Т_см ) [1 c.250]

Q₄ = 657,4 ·(200-170) = 19722 ккал

2.5 На подогрев аммиака от 25 °С до 132,9 °С

Q₅ = m₂ (NH₃ ) · С(NH₃ ) ·(Т* - Т) [1 c.250]

где Т* - температура образования карбамата аммония

Т* = 132,9 °С

Т = 25 °С

Q₅ = 2128,8 ·1,054 ·(132,9 - 25) = 242101,18 ккал

2.6 На подогрев двуокиси углерода от 35 °С до 132,9 °С

Q₆ = m₂ (CO₂ ) · C(CO₂ ) ·(Т* - Т) [1 c.250]

где Т = 35°С

Q₆ = 1377,43·0,208·(132,9 - 35) = 28700 ккал

2.7 Тепло, уходящее с плавом при температуре t_x

Q₇ = m_пр ·С_р · t_x [1 c.251]

С_р = 0,322 ·0,321+0,2785 ·0,466+0,0965 ·1+0,303 ·0,54 = 0,493 ккал/кг·град

Q₇ = 1727·t_x

2.8 Суммарный расход тепла

Q_расх = Q₁ + Q₂ + Q₃ +Q₄ + Q₅ + Q₆ +Q₇ [1 c.251]

Q_расх = 74300+ 34136,4+12070,1+19722+242101,18+28700+1727·tx

Q_пр = Q_расх

780501 = 411020,7+ 1727·t_x

t_x = 199°С, что совпадает с принятой температурой 200°С

7. Механические расчеты

7.1 Выбор конструкционного материала и допускаемые напряжения

Расчетное давление Р = 28 МПа.

Расчетная температура равна температуре внутри аппарата t = 200 °С.

В качестве основного конструкционного материала выбираем сталь 12ХГНМ [2 c.120], толщина листа 4 мм, для которой при 200 °С:

σ_в = 666 МПа, σ_т = 468 МПа [2c.120].

Нормативное допускаемое напряжение:

σ* = min(σ_в /n_в ; σ_т /n_т ) [2 c.120]

n_в = 2,6; n_т = 1,5 – коэффициенты запаса прочности

σ* = min(666/2,6 = 256 МПа; 468/1,5=312 МПа) = 256 МПа

Допускаемое напряжение:

[σ] = ησ* = 1,0·256 = 256 МПа

η = 1,0 – поправочный коэффициент учитывающий условия эксплуатации.

Поправка на коррозию

С = ПТ_а =0,0001·10 = 0,001 м

где П = 0,0001 м/год – скорость коррозии

Т_а = 10 – срок службы аппарата

Давление гидравлических испытаний

Р_ги = 1,25Р[σ]₂₀ /[σ]₂₅₀ = 1,25·28·283/256 = 39 МПа

Принимаем Р_ги = 39 МПа

При 20 °С: σ_в = 736 МПа, σ_т = 540 МПа [1c.120].

σ* = min(736/2,6 = 283 МПа; 540/1,5=360 МПа) = 283 МПа

Допускаемое напряжение:

[σ] = ησ* = 1,0·283 = 283 МПа

7.2 Расчет толщины стенки корпуса аппарата

Рисунок4 – расчетная схема колонны

Расчетный коэффициент толстостенности [3 с.3]:

lnβ = p_p /[σ]φ = 28/(256·1) = 0,1 → β = 1,105

φ = 1 – коэффициент прочности сварного шва

Расчетная толщина стенки [3 с.3]:

s_р = 0,5D(β – 1) = 0,5·2(1,105 – 1) = 0,105 м

Исполнительная толщина обечайки:

s > s_p + C = 0,315 + 0,001 = 0,106

При гидравлических испытаниях

lnβ = p_p /[σ]φ = 39/(256·1) = 0,15 → β = 1,162

s_р = 0,5D(β – 1) = 0,5·2(1,162 – 1) = 0,162 м

s > s_p + C = 0,461 + 0,001 = 0,163 м

Принимаем по ГОСТ 19903–74 s =180 мм.

Тогда коэффициент толстостенности:

β = (D+2s)/(D+2C) = (2,0+2·0,18)/(2,0+ 2·0,001) = 1,179

Допускаемое рабочее давление [3 с.3]:

[p] = [σ]φlnβ = 256·1,0·ln1,179 =42,24 МПа

Условие р < [p] выполняется.

Принимаем толщину внутренней обечайки 20 мм.

7.3 Расчет толщины стенки эллиптического днища корпуса

Внутренняя высота эллиптической части днища:

Н_д = 0,25D = 0,25·2,0 = 0,5 м

Расчетная толщина эллиптического днища [3 с.5]:

s_д.р =

φ = 1,0 – коэффициент прочности сварных соединений

s_д.р = 28·2.0·2,0/[(4·256·1,0 – 70)2·0,5] = 0,113 м

Исполнительная толщина днища

s_д = s_д.р + С = 0,113 + 0,001 = 0,114 м

Принимаем s_д. = 0,12 м

Рабочее допускаемое давление [3 с.6]:

[p] =

= 4·256·1,0/[2,0·2,0/2·0,5(0,12-0,001) + 1] = 30 МПа

Условие р < [p] выполняется.

Фактический коэффициент толстостенности

β = (D+2s)/(D+2C) = (2,0+2·0,12)/(2,0+ 2·0,001) = 1,12

Высота отбортовки днища [3 с.6]

h_o > 0,5D(β – 1) = 0,5·2,0(1,12 – 1) = 0,12 м

Принимаем h_o = 0,12 м

Рисунок5 – Днище эллиптическое

7.4 Расчет толщины стенки плоской крышки корпуса

Толщину плоской крышки определяют по следующей формуле [4 с.132]:

где D_а – наружный диаметр крышки;

D_б – диаметр окружности центров шпилек;

d_ош – диаметр отверстия под крепежную шпильку;

F – расчетное усилие;

(Расчет данных величин см. в следующем пункте).

Имеем D_а = 3020 мм; D_б = 2700 мм; d_ош = 158 мм; D_ср = 1100 мм;

Рисунок 6 – Крышка плоская

7.5 Расчет затвора соединения фланца с крышкой

Выбираем затвор с двухконусным обтюратором. Размеры обтюратора:

D_cp = 2200 мм; h= 85 мм; h₂ = 42 мм; h_cp = 64,0 мм; α = 30º [2 c.146],

Рисунок7 – Конструкция двухконусного затвора

Равнодействующая внутреннего давления на крышку [5 с.2]:

F_p = πD_cp ² p_p /4 = π2,2² ·28/4 = 53,4 МПа

Равнодействующая внутреннего давления на обтюраторное кольцо [5 с.2]:

F_o = 0,5πk₃ p_p D_cp h_cp tgα

k₃ = 1,0 – коэффициент, учитывающий влияние предварительной затяжки.

при р_р > 24,52 МПа

F_o = 0,5π1,0·28·2,2·0,064tg30º = 3,6 МПа

Расчетное усилие для затвора [5 с.2]:

F = F_o +F_p = 53,4+3,6= 57 МПа

Расчетный диаметр шпилек [5 с.5]

d_с.р =

k₄ = 1 – коэффициент учитывающий тангенциальные напряжения, возникающие в шпильке при ее затяжке.

k₅ = 1,3 – при контролируемой затяжке

d_м = 18 мм – для шпилек с резьбой более М85

n = 12 – число шпилек.

[σ] – допускаемое напряжение для шпилек

Материал шпилек – сталь 34ХН3М, для которой предел текучести

σ_т = 680 МПа, тогда нормативное допускаемое напряжение [3 с.6]:

σ* = σ_т /n_т = 680/1,5 = 453 МПа

Допускаемое напряжение для шпилек

[σ] = ησ* = 1,0·453 = 453 МПа

η = 1,0 – поправочный коэффициент.

d_{c . p} = (4·1,0·1,3·57/π12·453+0,018² )^1/2 = 0,131 м.

Принимаем шпильки М150

Диаметр окружности центров шпилек:

D_б = D+d_p +2a = 2000+150+2·285 = 2720 мм

a > 0,5d_p = 0,5·150 = 75 мм → а = 285 мм

Наружный диаметр фланца:

D_a = D_б +2d_p = 2720+2·150 = 3020 мм

Конструкция шпильки приводится на рисунке

Рисунок8 – Конструкция шпильки

7.6 Расчет фланца

Рисунок9 – конструкция фланца

D_ф =3020 мм

D_к =2200 мм

D_б =2720 мм

h₁ =308 мм

h=230 мм

Усилия, возникающие от температурных деформаций

,

где f_б - расчетная площадь поперечного сечения болта

f_б =0,018 м² [6, табл.5]

Е_б ^t -модуль продольной упругости материалов болтов при расчетной температуре

Е_б ^t =1,97∙105 МПа.

α_ф , α_б –коэффициенты линейного расширения материалов приварного фланца и болтов при расчетной температуре соответственно.

α_ф =13,1∙10-6

α_б =11,2∙10-6

t_ф - расчетная температура фланца

t_ф = 0, 96∙ t

t_б =0, 96 ∙200=192 °C

=0,3

=0,95

Тогда

МН.

Болтовая нагрузка

в условиях монтажа до подачи внутреннего давления

,

где к_ж - коэффициент жесткости фланцевого соединения

к_ж =1,26

Подставляем значения:

в рабочих условиях

где М – внешний изгибающий момент

М=0

.

Приведенный изгибающий момент.

,

=

Условие прочности болтов.

МПа

- условие выполняется.

МПа

- условие выполняется.

Расчет усилий, возникающих во фланце.

Максимальное напряжение в сечении S₀ .

,

где Т=1,8 [5, чертеж 3]

D*=D

МПа.

Максимальное напряжение в сечении S₀ .

,

где f=1,03 [5, чертеж 6]

МПа.

Окружное напряжение в кольце фланца.

МПа.

Условие прочности.

,

где МПа.

МПа

- условие выполняется.

Требование к углу поворота фланца.

,

где - допустимый угол поворота фланца.

- условие выполняется.

7.7 Выбор тарелок

Определение гидравлического сопротивления колонны

Для уменьшения продольного перемешивания реакционной смеси, применяют секционирование аппарата установкой массообменных перегородок.

Для данного аппарата согласно [7 c.217] выбираем ситчатые тарелки ТС – Р.

Рабочее сечение тарелки 2,822

Диаметр отверстия 3 мм

Шаг между отверстиями 8 мм

Относительное свободное сечение тарелки 5,4%

Масса 120 кг

Общее количество тарелок 30

Ситчатые тарелки обеспечивают достаточно малый размер пузырьков по всей высоте колонны. Разрушают воздушные пробки, способствуют сохранению высокой величины площади контакта между газовой и жидкой фазами.

Определим гидравлическое сопротивление колонны.

Исходные данные:

Объемный расход аммиака V_{NH 3} = 6,8·10^-3 м³ /с

углекислоты V_СО2 = 2 м³ /с

карбамида V_пл = 3,6·10^-3 м³ /с

Плотность аммиака ρ_{NH 3} = 910 кг/м³

углекислоты ρ_СО2 = 1,98кг/м³

карбамида ρ_пл = 900 кг/м³

Диаметр аппарата в = 2000мм

Диаметр тарелок в = 1800мм

Скорость плава

,

где с = 0,05

м/с

,

где α = 80º

м²

м²

Площадь отверстий

м²

Скорость плава через отверстия

м/с

Сопротивление тарелки

Н/м²

Найдем сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения

,

где σ – поверхностное натяжение жидкости (Н/м)

σ = 70 ·10^-3 Н/м

Н/м²

Общее сопротивление

Н/м²

Сопротивление колонны

,

где п – число тарелок

Н/м²

Проверим условие:

- условие не выполняется.

Следовательно, уменьшаем число тарелок.

Примем, что п = 20

Тогда Н/м²

- условие выполняется.

7.8 Расчет массы аппарата

Масса корпуса аппарата

m_к = 0,785(D_н ² -D_вн ² )Нρ

где D_н = 2,36 м – наружный диаметр корпуса;

D_вн = 2,00 м – внутренний диаметр корпуса;

Н = 29 м – высота цилиндрической части корпуса

ρ = 7800 кг/м3 – плотность стали

m_к = 0,785(2,362-2,02)29·7800 = 845503 кг

Общая масса аппарата.

Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, фланцев и т.д.) составляет 10% от основной массы аппарата, тогда

m = 0,1(m_к + m_вс + m_д + m_кр ) = 657771 кг = 6,45 МН

Масса аппарата заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

m_в = 1000(0,785D_к ² · H_ц.к + V_д + V_кр ) =

= 1000(0,785·2,02·18,3 +0,26 + 1,42) = 66914 кг

Максимальный вес аппарата

m_max = m + m_в = 657771 + 66914 = 724685 кг = 7,10 МН

7.9.Расчет аппарата на сейсмическую нагрузку

Рисунок10 – расчетная схема аппарата

Отношение H/D = 32/2,0 = 16 > 15, следовательно, расчетная схема принимается в виде консольного стержня с жесткой заделкой. Условно разбиваем по высоте аппарат на 4 участка по 8 метров, вес участка принимается сосредоточенным в середине участка.

Период свободных колебаний:

,[8 c.2]

где Е – модуль продольной упругости Е = 2·10⁵ МПа

I – экваториальный момент инерции площади сечения верхней части корпуса аппарата относительно центральной оси (м⁴ )

= 3,14/64·[(2+2·0,18)4 – 24] = 0,74 м⁴

Тогда

Т = 1,8·32·(7,1·106·32/9,81·2·1011·0,74)^0,5 = 1 с^-1

Величина сейсмической силы в середине i-го участка.

При Н/D > 15

где К_с = 0,05 – сейсмический коэффициент при 8 балах [2 c.693];

β = 0,55 - коэффициент динамичности;

G_i – сила тяжести i-го участка.

Принимаем, что масса аппарата распределена по высоте равномерно, тогда

G_i = 7,10/4 = 1,78 МН

Предварительно рассчитываем суммы

∑G_i x² _i = 1,78(4,02+12,02+20,02+28,02) = 2393 МН·м²

∑G_i x⁴ _i = 1,78(4,04+12,04+20,04+28,04) = 1,41·106 МН·м ⁴

Сейсмическая сила в середине каждого участка

Р₁ = 0,05·0,55·1,78·28,02·2393/1,41·106 = 0,0648 МН

Р₂ = 0,05·0,55·1,78·20,02·2393/1,41·106 = 0,0330 МН

Р₃ = 0,05·0,55·1,78·12,02·2393/1,41·106 = 0,0118 МН

Р₄ = 0,05·0,55·1,78·4,02·2393/1,41·106 = 0,0014 МН

Расчетный изгибающий момент в нижнем сечении опоры аппарата от сейсмической нагрузки при учете первой формы колебаний

= 0,0648·28,0+0,0330·20,0+0,0118·12,0+0,0014·4,0 = 2,616 МН·м

Расчетный изгибающий момент в том же сечении опоры с учетом влияния высших форм колебаний

М_с1 = 1,25М_с = 1,25·2,616 = 3,270 МН·м

Условие устойчивости:

, [8 c.2]

где N – суммарная осевая нагрузка

,

где к – коэффициент, учитывающий вес внутренних устройств

γ – удельный вес материала

N = 0,804 МН

[8 c.7]

где - эмпирический коэффициент

= 1/1+15,3[215·106/2·1011(2/0,18-0,001)]² = 1,53

[М] = 0,785·1,53·145·10⁶ ·2² ·(0,18-0,001) = 125,2 МПа

N = 3,14·2·(1,18 – 0,001) ·1·145·10⁶ = 163 МН

0,804/163 + 3,27/125,5 = 0,03

0,03‹1 – условие выполняется.

7.10 Расчет опоры аппарата

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.

Рисунок11 – Опора аппарата

Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры S= 20 мм.

Материал опоры сталь Ст 3 ГОСТ 380-88

σ_в = 380 МПа; σ_т = 220 МПа; Е = 2,10·10⁵ МПа; [σ] = 146 МПа

Диаметр опоры равен 2,80 м.

Размеры опорного кольца.

Внутренний диаметр кольца принимаем D₂ = 2,65 м

Наружный диаметр кольца принимаем D₁ = 3,12 м

Опорная площадь кольца

F = 0,785(D₁ ² – D₂ ² ) = 0,785(3,122 – 2,652) = 2,13 м²

Момент сопротивления опорной площади кольца

W = π(D₁ ⁴ – D₂ ⁴ )/32D₁ = π(3,124 – 2,654)/32·3,12 = 1,43 м⁴

Напряжение сжатия в стенке опоры с учетом отверстия для лаза

d = 0,5м

σ_с = G_max /[π(D+S) – d](s - c) =

= 7,10/[π(2,80+0,020) – 0,5](0,020-0,001) = 44,7 МПа

Напряжение на изгиб в стенке опоры

σ_и = М/π(D + s)2(s - c) =

= 3,270/π(2,80+0,020)2(0,020-0,001) = 6,9 МПа

Отношение

D/2(s - c) = 2,82/2(0,020– 0,001) = 74

по этой величине по графику [2c.418] находим коэффициенты:

k_и = 0,08; k_c = 0,06

K_c = 875σ_т k_c /E = 875·220·0,08/2,1·105 = 0,073

Kи = 875σ_т k_и /E = 875·220·0,06/2,1·105 = 0,055

Допускаемые напряжения на сжатие и изгиб в обечайке опоры

[σ_с ] = К_с Е(s - c)/D = 0,073·2,10·10⁵ (0,020 – 0,001)/2,80 = 104 МПа

[σ_и ] = К_и Е(s - c)/D = 0,055·2,10·10⁵ (0,020 – 0,001)/2,80 = 78 МПа

Устойчивость цилиндрической опоры

= 44,7/104 +6,9/78 = 0,52 < 1

устойчивость обеспечена.

Максимальное напряжение на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва φ_ш = =0,7

=

7,10/0,7π(2,80+0,020)(0,020 – 0,001) + 4·3,270/0,7π(2,80+0,020)2(0,020– 0,001) = 99,6 МПа < [σ_с ]

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца

7,10/2,13+ 3,270/1,43 = 5,6 МПа < 10 МПа

Номинальная расчетная толщина опорного кольца при l = 0,1 м

1,73·0,1(5,6/146)^0,5 = 0,034 мм

с учетом прибавки на коррозию принимаем округляя размер s = 0,036 м

Наименьшее напряжение на опорной поверхности кольца:

при максимальной силе тяжести аппарата

7,10/2,13 – 3,270/1,43 = 1,05 МПа

при минимальной силе тяжести аппарата

6,45/2,13 – 3,270/1,43 = 0,74 МПа

Расчетным является наибольшее по абсолютной величине значение σ – при максимальной силе тяжести аппарата.

Общая условная расчетная нагрузка на фундаментные болты

Р_б = 0,785(D₁ ² – D₂ ² ) ·σ = 0,785(3,122 – 2,652)1,05·10⁶ = 1,76 МН

Принимаем количество фундаментных болтов z = 8, тогда нагрузка на один болт

Р_б1 = 1,76/8 = 0,22 МН

Расчетный внутренний диаметр резьбы фундаментных болтов

(4·0,22/π·453)^0,5 + 0,001 = 0,026 м

принимаем болты М42, у которых d₁ = 35,6 мм

Диаметр болтовой окружности

D_б = в + 2S + 0,12 = 2,80+ 2·0,020+ 0,12 = 2,96 м

Принимаем D_б = 3,00 м.

Заключение

колонна синтез карбамид

В данной работе проведены технологические расчеты колонны синтеза карбамида, работающей при давлении 28МПа, обеспечена ее герметичность за счет введения в конструкцию двухконусного обтюратора. Рассчитана толщина стенки корпуса колонны (0,18 м), а также эллиптического днища (0,12 м) и плоской крышки (0,55 м), проведена оптимизация размеров колонны методом последовательной частной оптимизации. Элементы аппарата рассчитаны на прочность и сейсмическую нагрузку. Также выполнены следующие чертежи:

- технологическая схема производства карбамида (2 листа формата А1);

- колонна синтеза карбамида (2 листа формата А1);

Список использованных источников

1. Атрощенко В.И., Гелперин И.И. Методы расчетов по технологии синтеза связанного аммиака. 320с

2. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник/ Хисматуллин Е.Р., Королев Е.М., Лившиц В.И. и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.

3. ГОСТ 25215-82: «Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища. Нормы и методы расчета на прочность».

4. Ложкин А.Ф., Рябчиков Н.М., Ведерников С.А.: Учебное пособие. Пермь. Пермский Политехнический институт, 1978 – 137с.

5. ГОСТ 26303-84: «Сосуды и аппараты высокого давления. Шпильки. Методы расчета на прочность».

6. ОСТ 26373-78 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений».

7. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И.: Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированиию – М: Химия, 1991 – 496с.

8. 51273-99: «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность».