Введение 3
Глава 1 Литературный обзор в области использования (применения) технологий производства карбамида 7
1.1 Карбамид, структурная формула, применение в сельском хозяйстве
и промышленности, анализ рынка карбамида 7
1.2 Теоретические основы процесса получения карбамида 16
1.3 Описание существующих технологий производства карбамида 22
1.4 Литературный обзор в области использования (применения)
технологий производства карбамида 36
1.5 Описание принципиальной технологической схемы стадии синтеза
карбамида в ПАО «ТОАЗ» 49
Глава 2 Оптимизация технологии производства карбамида в ПАО «ТОАЗ» 63
2.1 Предложения по оптимизации блока синтеза карбамида 63
2.2 Расчет материального баланса базового и проектного вариантов... 68
2.3 Расчет теплового баланса базового и проектного вариантов 80
2.4 Расчет технико-экономических показателей 96
2.5 Расчет выбросов в атмосферный воздух при внедрении проектного
варианта 97
Заключение 102
Список используемой литературы
Актуальность и научная значимость настоящего исследования:
На сегодняшний день спрос на удобрения азотной группы, в частности, на карбамид является стабильным. Потребность в карбамиде на мировом рынке в последние годы резко возросла. Согласно некоторым экспертным данным, в том числе в распоряжении IFA, мировые мощности по производству карбамида в период в 2014 г. по 2019 г. повысились в среднем на 3 млн тонн в действующем веществе. Также позитивная динамика характерна для производства аммиачной селитры, хлорида калия и др. Таким образом, спрос на данную продукцию и далее будет повышаться.
Чтобы удовлетворить все потребности промышленной и сельскохозяйственной сферы, что вполне очевидно, необходимо уделять внимание развитию и совершенствованию производств.
Однако, современные установки синтеза карбамида с технологической точки зрения практически не имеют резервов по увеличению производительности, кроме увеличения масштабов самих установок. Поэтому даже небольшой прирост производительности на действующих производствах является актуальной задачей.
Без изменений условий и механизма проведения процесса имеется возможность повлиять на состав исходной смеси, в частности на состав поступающего углекислого газа за счёт снижения количества инертов. Инерты в составе углекислого газа предназначены для пассивации оборудования за счёт содержания кислорода, однако примесь азота в составе инертов снижает общую производительность установки.
Объект исследования: технологический процесс производства карбамида ПАО «ТОАЗ».
Предмет исследования: стадия синтеза карбамида.
Цель исследования: повышение технико-экономических показателей при производстве карбамида и снижение воздействия на окружающую среду за счет использования ресурсосберегающих технологий.
Гипотеза исследования:
Оптимизация технологического процесса синтеза карбамида за счет снижения количества азота, поступающего вместе с кислородом для пассивации оборудования, обеспечит повышение технико-экономических показателей при производстве карбамида и сокращение выбросов в окружающую среду за счёт общего снижения количества инертов, поступающих в технологический процесс, что позволит достигнуть цели исследования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ существующих технологий производства и оборудования блока синтеза карбамида в области повышения объемов производства;
- оптимизировать технологию производства карбамида с учетом снижения негативного воздействия на окружающую среду;
- провести расчеты материального и энергетического балансов, расчет технико-экономических показателей.
Теоретико-методологическую основу исследования составили: научные труды отечественных и зарубежных ученых: Владимир Иванович Кучерявый «Синтез и применение карбамида», Давид Михайлович Горловский «Технология карбамида», монография Юрия Андреевича Сергеева «Карбамид: свойства, производство, применение».
Базовыми для настоящего исследования явились также: книга Томашова Н. Д., Черновой Г. П. «Пассивность и защита металлов от коррозии», Скорчеллетти В. В. «Теоретические основы коррозии металлов», Сергеев Ю.А. «Реконструкция агрегатов карбамида с целью увеличения производительности и снижения затрат».
Методы исследования: проведение анализа научных литературных источников, проведение сравнительных анализов существующих технологий, аналитические и расчетные методы.
Опытно-экспериментальная база исследования: опытно-экспериментальные и статистические данные для анализа и расчетов блока синтеза карбамида были представлены специалистами цеха 08К производства карбамида на ПАО «ТОАЗ».
Научная новизна исследования заключается в исследовании зависимости степени конверсии двуокиси углерода от содержания инертных примесей в исходном сырье в процессе синтеза карбамида.
Теоретическая значимость исследования заключается в определении оптимального состава инертов с исходными реагентами методом математического моделирования. Основным критерием моделирования является содержание кислорода как пассиватора нержавеющей стали от сернистых соединений.
Практическая значимость исследования заключается в повышении технико-экономических показателей процесса синтеза карбамида и сокращении выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждена расчетами материального и теплового балансов базового и проектного вариантов, расчетом технико-экономических показателей, расчетом выбросов в атмосферный воздух при внедрении проектного варианта.
Личное участие автора заключается в постановке целей, задач, обзора литературных источников по теме исследования, обосновании и представлении теоретической и практической значимости исследования:
- теоретическое исследование влияния кислорода на пассивацию технологического оборудования при синтезе карбамида;
- практическое исследование зависимости степени превращения диоксида углерода и, соответственно, увеличение производительности установки синтеза карбамида от содержания инертных примесей в исходном сырье в процессе синтеза карбамида. Обсуждение, обобщение и интерпретация полученных результатов исследования, подготовка научной публикации и тезисов докладов проводились совместно с научным руководителем.
Апробация и внедрение результатов работы освещалась на научной конференции «Инновации, Наука. Образование» в мае 2021 года по результатам, которой опубликована статья «Оптимизация технологии производства карбамида в ПАО «ТОАЗ» в научном журнале «Наука. Инновации. Образование» номер 34, а также подтверждена техническими показателями на предприятии (ПАО «ТОАЗ»).
На защиту выносятся:
- техническое решение технологии синтеза карбамида, обеспечивающее повышение технико-экономических показателей и снижение воздействия на окружающую среду.
Структура магистерской диссертации: Работа состоит из введения, 2 глав, заключения, содержит 17 рисунков, 16 таблиц, список использованной литературы (49 источников). Основной текст работы изложен на 108 страницах.
Карбамид - вещество, до сих пор широко использующееся в народном хозяйстве и с годами, не теряющее своей актуальности, поэтому до сих в области производства карбамида проводятся исследования и постоянно происходит усовершенствование технологического процесса его производства, что нашло подтверждение в рамках данного диссертационного исследования. Значительное внимание было уделено рассмотрению наиболее эффективных методов производства карбамида, последних достижений в этой области.
Данной работой был рассмотрен процесс применения в качестве пассивирующего агента в производстве карбамида, обогащенной кислородом до 40% фракции установки разделения воздуха, эксплуатируемой на ПАО «ТОАЗ» взамен воздуха с содержанием кислорода 21%.
В теоретической части работы представлен литературный обзор технологий синтеза карбамида, в частности оценены различные подходы к получению максимальной производительности оборудования. Представлен патентный обзор различных технологических решений в области синтеза карбамида. Показано важность защиты оборудования от возможности протекания коррозионных процессов, в том числе роль кислорода в формировании пассивационных защитных пленок.
Во второй главе исследования представлены практические результаты на основании предложенного способа модернизации технологии производства карбамида. По результатам проведенных расчетов материального баланса, теплового баланса, технико-экономического обоснования, реализация данного проекта при небольших капитальных вложениях позволит предприятию повысить производительность установки с одновременным снижением выбросов аммиака в атмосферу одновременно с этим обеспечивая оптимальное содержание кислорода в реакционной смеси, что, соответственно, способствует сохранению коррозионной стойкости металла в ходе технологического процесса.
Таким образом, по результатам проведенной работы:
- выполнен анализ существующих технологий производства и оборудования блока синтеза карбамида в области повышения объемов производства;
- предложен способ оптимизации технологического процесса производства карбамида за счет изменения состава кислорода, поступающего с потоком углекислого газа;
- показана зависимость степени конверсии двуокиси углерода от содержания инертных примесей в исходном сырье в процессе синтеза карбамида;
- определен оптимальный состав инертов с исходными реагентами с учетом снижения негативного воздействия на окружающую среду;
- проведены расчеты материального и энергетического балансов, выполнен расчет технико-экономических показателей;
- практическим результатом оптимизации технологии является увеличении производительности установки карбамида, снижение выбросов аммиака, снижении платы за воздействие на окружающую среду.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
