Разработка установки получения технического углерода полуактивных марок производительностью 22250 кг/ч по сырью

• Содержание
• Введение
• 1. Общая часть
• 1.1 Назначение установки, её краткая характеристика
• 1.2 Качество сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции. Госты и ту на сырьё и продукты
• 1.3 Описание технологической схемы
• 1.4 Нормы технологического режима
• 1.5 Подбор оборудования
• 1.6 Влияние факторов на выход и качество продуктов
• 1.7 Лабораторный контроль
• 1.8 Описание схемы контроля и автоматического регулирования
• 2. Специальная часть
• 2.1 Материальный баланс потока
• 2.2 Расчёт реактора
• 2.3 Расчет воздухоподогревателя второй ступени
• 2.4 Расчет теплообменного аппарата т-1
• 2.5 Выбор оборудования по гостам, каталогам и нормалям
• 3 Организация производства
• 3.1 Режим работы установки
• 3.2 График сменности
• 3.3 Условия труда
• 3.4 Продолжительность рабочего дня
• 4 Экономическая часть
• 4.1 Расчет капитальных затрат
• 4.2 Калькуляция затрат на себестоимость продукции
• 4.3 Определение потребности в сырье, материалах и энергоресурсах
• 4.4 Фонд оплаты труда промышленно-производственного персонала
• 4.5 Расчет стоимость продукции
• 4.6 Технико-экономические показатели проектируемого производства
• 5 Мероприятия по технике безопасности, пожарной безопасности и охраны окружающей среды
• 5.1 Техника безопасности, охрана труда и противопожарная профилактика
• 5.2 Возможные неполадки в работе установки
• 5.3 Аварийные случаи на установке.
• 5.4 Мероприятия по защите окружающей среды
• Заключение
• Список использованных источников
• Введение
• Технический углерод — один из древнейших химических продуктов в мире. Он производился промышленным путём древними египтянами и римлянами ещё до нашей эры. В 3 веке н.э. китайцы производили высококачественную тушь на основе лампового технического углерода, который образовывался сжиганием масла под опрокинутыми керамическими чашами. Позднее технический углерод получали осаждением из коптящего пламени на поверхности плит из камня, металлических дисков, пластин, валков и, наконец на поверхности стальных каналов. Последнее и дало название «канальный технический углерод», процесс получения которого был запатентован в 1892 году.
• Однако в то время технический углерод использовался в резине только как красящий агент, а не как усиливающий компонент. Открытие явления усиления резины техническим углеродом совершило революцию в резиновой и особенно шинной промышленности. Событие это произошло в Англии, когда англичанин Моут обнаружил существенное усиление прочностных свойств при введении им в резиновую смесь большего количества техуглерода, чем вводилось для окрашивания резины. С тех пор технический углерод заменил окись цинка в качестве основного усиливающего компонента.
• Термин «технический углерод» (сажа) обозначает отдельный класс в промышленных углеродных продуктах. Углерод в нем находится в особой форме (модификации), которая в природных материалах не встречается. В природе известны две кристаллические модификации углерода — алмаз и графит, а среди углеродных соединений есть и аморфные (каменный уголь и др.). Технический углерод отличается высокой дисперсностью и тем, что образуется в газовой фазе при термоокислительном или термическом пиролизе углеводородного сырья, сопровождающемся разложением углеводородов на углерод и водород под действием высокой температуры. Процесс образования дисперсного углерода протекает в аппаратах, обеспечивающих получение соответствующих температурных и газодинамических условий, реакторах.
• Сырьем для производства технического углерода служат жидкие продукты переработки нефти и каменноугольной смолы с молекулярным весом 150—400, выкипающие в пределах 170—500 °С. Плотность сырьевых компонентов и смесей колеблется в пределах 0,84—1,14 г/см³.
• Из процессов переработки нефти в промышленных масштабах используют продукты термического и каталитического крекинга, пиролиза. Ароматизированные нефтяные фракции, не обладающие требуемым углеводородным составом, подвергаются дополнительной переработке с целью повышения в них наиболее ценных ароматических компонентов.
• Термогазойль — газойлевая фракция (200—460 °С) термического крекинга газойлей каталитического крекинга и фенольных экстрактов масляных дистиллятов.
• Тяжелый каталитический газойль является остаточной фракцией продуктов каталитического крекинга газойля прямой гонки, отбензиненной нефти, вакуумного дистиллята и легкого мазута прямой гонки.
• Экстракты каталитического газойля получают из газойля каталитического крекинга на экстракционных установках. В качестве растворителей применяют сернистый ангидрид, фенол, фурфурол и др.
• Термомасло получают путем повторного термического крекинга термогазойля. Иногда в процесс вовлекается (до 30% о-термогазойля) тяжелый газойль каталитического крекинга.
• Тяжелую смолу пиролиза получают пиролизом бензин; на этиленовых производствах. Существуют технологии, когда тяжелую смолу пиролизную (ТСП) бензина смешивают с ТСП дизельного топлива с дальнейшей обработкой.
• При коксовании каменного угля при 1000—1200 °С кроме основного продукта — кокса образуются каменноугольная смола (2—5% массы угля) и другие компоненты. Дальнейшей переработкой каменноугольной смолы выделяют продукты, являющиеся высококачественным сырьем для производства технического углерода.
• Антраценовая фракция и антраценовое масло получают дистилляцией каменноугольной смолы.
• Пековые дистилляты производятся путем окисления и коксования каменноугольного пека.
• Единое коксохимическое сырье получают смешением антраценового, легкосреднего и поглотительного масел с добавлением масляных дистиллятов и антраценовых фракций, являющихся продуктами переработки каменноугольной смолы.
• Каждый из перечисленных видов сырья представляет собой сложную многокомпонентную и относительно высококипящую смесь. Компоненты при укрупненном описании состава и свойств сырья группируют по признакам сходного химического строения. Именно от состава, в первую очередь, зависят технологические свойства сырьевых смесей, используемых в производстве технического углерода, и качество получаемого продукта.
• Целью данного проекта является разработка установки получения технического углерода полуактивных марок производительностью 22 250 кг/ч по сырью.

1. Общая часть

1.1 Назначение установки, её краткая характеристика

Технологический цех № 7 по производству активных и полуактивных марок технического углерода входит в состав предприятия ОАО «Ярославский технический углерод» как самостоятельное структурное подразделение. автоматизация углерод реактор теплообменник

В состав цеха входят 4 технологических потока. Каждый технологический поток представляет собой комплекс последовательно установленного оборудования, обеспечивающего проведение всех технологических процессов производства технического углерода — получения, улавливания, обработки, упаковки и складирования.

Цех построен по проекту Ярославского филиала «Резинопроект». Пятый и шестой технологические потоки введены в эксплуатацию в 1975 году, седьмой и восьмой потоки в июле 1976 г.

По функциональному назначению и территориальному расположению оборудование технологического потока объединено в отделения (участки):

Реакторное отделение — объединяет оборудование, предназначенное для осуществления процесса образования технического углерода.

Отделение улавливания — объединяет оборудование, предназначенное для выделения из аэрозоля технического углерода (принятое на предприятии название — углеродогазовая смесь — УГС) пылящего технического углерода.

Отделение обработки — объединяет оборудование, предназначенное для мокрого гранулирования, сушки и транспортировки гранулированного технического углерода в бункера готовой продукции.

Участок упаковки — объединяет оборудование для упаковки и складирования в объеме всего технологического потока.

Каждый технологический поток является унифицированной линией по производству различных марок технического углерода. Все параметры входных материальных потоков (температуры и давления сырья, газа, воздуха, химически очищенной воды) при этом не изменяются, также параметры настроек схем сигнализации и автоблокировок. При переходе с одной марки технического углерода на другую изменяются только соотношения расходов сырья, газа, воздуха и воды на реакторах в соответствии с технологическими картами.

1.2 Качество сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции. ГОСТы и ТУ на сырьё и продукты

Качество сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции. ГОСТы и ТУ на сырьё и продукты представлены в таблице 1.

Таблица 1- Качество сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции. ГОСТы и ТУ на сырьё и продукты

1.3 Описание технологической схемы

Рисунок 1 — Принципиальная технологическая схема установки получения технического углерода Жидкое сырьё из железнодорожных цистерн, проходя через фильтр грубой очистки А-1, насосом Ц-2 направляется в сырьевой резервуар Е-4 и частично через теплообменник Т-3. Сырье в резервуарах поддерживается при температуре 50−120 °С постоянной циркуляцией через подогреватель Т-6 насосом Ц-5.

Далее насосом Ц-7 сырьё подается в линию подготовки, где подогревается в Т-8 до температуры 120 °C и направляется на удаление влаги во влагоиспаритель Е-9. Паровой конденсат направляется в Е-10, затем откачивается насосом Ц-11 в теплообменнике Т-12.

Жидкое сырьё, предварительно нагретое до температуры 130 °C в теплообменнике Т-12, пройдя фильтр тонкой очистки А-15 поступает в сырьевую линию реактора Р — 16 под давлением (1,6 ± 0,4) МПа. В эту же линию предусмотрена подача раствора щелочной присадки для регулирования структурности технического углерода. Подача осуществляется насосом-дозатором Н — 14 из емкости Е — 13.

Сырье четырьмя радиальными форсунками впрыскивается в камеру реакции. Постоянство расхода сырья в реактор поддерживается регуляторами расхода установленными на линии подачи сырья к форсунке. К сырьевой форсунке на пневмозатворы подведён ВВД. Создание необходимой температуры процесса осуществляется путем сжигания природного газа с ВСД в камере сгорания. Природный газ поступает в реактор при температуре 20 °C под давлением от 0,23 до 0,27 МПа, и распределятся на 3 горелки, установленных под углом 120° друг к другу. Постоянство расхода поддерживается автоматически регулятором расхода, установленным на линии подачи природного газа с коррекцией по температуре в камере сгорания. ВСД поступает в реактор предварительно подогретый до 600 °C.

Продукты реакции после прекращения процессов углеродообразования и охлаждения в камере закалки, в которой установлено 4 механические форсунки диаметром 4 мм (охлаждение осуществляется за счет впрыскивания химически очищенной воды (ХОВ) расход которой поддерживается постоянным регулятором с коррекцией по температуре в камере закалки), поступают в общий коллектор. Дальнейшее охлаждение УГС происходит при прохождении через воздухоподогреватель первой ступени Т-17, где отдают часть тепла ВСД (ВСД подогревается от 150 до 600 °С). Затем УГС проходит в 2 параллельно установленных рекуператора Т-18, где за счет рекуперации ее тепла осуществляется подогрев ВСД от 20 до 210 °C, а так же воздуха, идущего на сжигание в камеру обогрева сушильного барабана.

Далее УГС попадает в холодильник-ороситель Т-20, который представляет собой продолжение вертикального коллектора по которому она движется, где окончательно охлаждается до температуры 250 °C за счет испарения ХОВ, впрыскиваемой 4-мя механическими форсунками диаметром 5 мм. Расход ХОВ поддерживается постоянным с коррекцией по температуре на выходе из холодильника. Потом УГС поступает в фильтр отделения улавливания А-22 где происходит улавливание агрегатов частиц образовавшегося технического углерода.

Уловленный технический углерод вентилятором прямого газового транспорта В — 023 направляется в циклон Ц-025. Там большая его часть под действием центробежных сил осаждается и шлюзовым питателем А-26, число оборотов которого определяется редуктором и является постоянным, равномерно подается в мешалку-уплотнитель А-27, а неуловленный вентилятором В-24 (вентилятор обратного газового транспорта) с газовым транспортом направляется обратно на вход рукавного фильтра.

Порядок и время регенерации секций фильтра поддерживается автоматически в соответствии с заданием (время регенерации одной секции — 20 секунд, пауза между регенерациями соседних секций — 40 секунд). При превышении давления на выходе из фильтра открывается аварийная задвижка, и отходящий газ выводится в атмосферу. Очищенный от технического углерода отходящий газ, кроме задействованного в газовом транспорте, мельничным вентилятором В-21 отправляется на дожиг в котельную.

Технический углерод для увеличения его насыпной плотности уплотняется в мешалке-уплотнителе А-27, при этом высвобождается воздух, который отсасывается вентилятором В-44 системы аспирации, вследствие чего мешалка работает под небольшим разряжением. Это необходимо, к тому же, для нормальной работы средств автоматизации, установленных в мешалке. Уровень технического углерода в мешалке поддерживается постоянным за счет изменения подачи его на грануляцию.

Из мешалки технический углерод шлюзовым питателем А-28, частота вращения которого регулируется по уровню в мешалке-уплотнителе, равномерно подается на грануляцию в смеситель-гранулятор А-32. В смеситель-гранулятор А-32 подается ХОВ (предварительно нагретая в котельной до температуры 80 °С) со связующей добавкой (СДБ — лигносульфонат). Раствор СДБ подается насосом-дазатором Н-31 из емкости Е -29. Предусмотрен обогрев мешалки и смесителя-гранулятора дымовыми газами через рубашки. Расход раствора лигносульфоната в гранулятор регулируется автоматически по величине силы тока электродвигателя у ротора смесителя-гранулятора.

Влажные гранулы технического углерода через течку поступают в сушильный барабан А-33 с модернизированной камерой обогрева. В технологическом процессе используется прямоточная схема движения сушильного агента с отсосом газов со стороны выгрузки технического углерода из сушилки. Сушка технического углерода осуществляется дымовыми газами, образующимися при сжигании природного газа в камере обогрева сушильного барабана. Для сжигания природного газа к горелкам вентилятором В-19 подаётся воздух, предварительно подогретый в Т-18. Для уноса паров влаги из полости барабана часть дымовых газов из камеры обогрева просасывается через полость барабана дымососом В-38. Дымовые газы, содержащие технический углерод, из полости барабана направляются в систему доулавливания. Дымовые газы из камеры обогрева выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Высушенный технический углерод из сушильного барабана шлюзовым питателем А-34 подаётся в ковшовый элеватор А-35. Ковшовым элеватором технический углерод подаётся в бункер готовой продукции Е-37.

Из бункера готовой продукции технический углерод загружается в специальные вагоны-хопперы или упаковочными полуавтоматами расфасовывается в мешки с последующей отгрузкой в вагоны или автомашины. Унесенный с топочными газами пылящий технический углерод улавливается, проходя через фильтр доулавливания А-39 и газовым транспортом (в качестве которого используется атмосферный воздух, взятый при регенерации секций фильтра) вентилятором В-40 направляется в циклон доулавливания Ц-45. Там осаждается и шлюзовым питателем А-46, число оборотов которого определяется редуктором и является постоянным, подается в мешалку — уплотнитель, а воздух, проходя через циклон, направляется обратно на вход фильтра. Дымовые газы после очистки на фильтре выбрасываются в атмосферу. Порядок и время регенерации секций фильтра поддерживается автоматически в соответствии с заданием (время регенерации одной секции — 20 секунд, пауза между регенерациями соседних секций — 60 секунд) Аспирационный воздух оборудования и воздух, идущий на охлаждение технического углерода, расход которого определяется температурой технического углерода на выходе из барабана, вентилятором В-44 направляется в циклон Ц-41 отделения аспирации. Там большая часть унесенного с ним пылящего технического углерода улавливается и шлюзовым питателем А-42, число оборотов которого определяется редуктором и является постоянным, равномерно подается в мешалку-уплотнитель.

Неуловленный циклоном технический углерод направляется на вход фильтра отделения аспирации А-43. Для регенерации секций фильтра используется атмосферный воздух, который захватывает уловленный технический углерод и вентилятором В-44 направляется обратно в циклон вместе с аспирационным воздухом из оборудования. Порядок и время регенерации секций фильтра поддерживается автоматически в соответствии с заданием (время регенерации одной секции — 20 секунд, пауза между регенерациями соседних секций — 60 секунд). Движение воздуха через фильтр при фильтрации обеспечивает вентилятор В-47, во всасывающую линию которого подаются и дымовые газы. Дымовые газы используются для обогрева оборудования.

1.4 Нормы технологического режима

Нормы технологического режима представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Нормы технологического режима

1.5 Подбор оборудования

Краткая характеристика технологического оборудования представлена в таблице 3.

Таблица 3 — Краткая характеристика технологического оборудования

1.6 Влияние факторов на выход и качество продуктов

Температура в камере горения поддерживается на уровне 1800−2000°С в зависимости от вида применяемых огнеупоров. Чем выше температура газов полного горения, тем быстрее происходит испарение и пиролиз сырья и тем более однородным получается техуглерод по размерам частиц и агрегатов. С увеличением температуры в камере горения существенно повышается и выход техуглерода из сырья. Во всех случаях необходимо поддерживать в камере горения максимально возможную температуру, исходя из допустимой температуры применения огнеупоров.

Расход природного газа непосредственно связан с температурой в зоне горения. При изменении расхода воздуха изменяется расход газа и температура в камере горения поддерживается на заданном уровне. Необходимо при этом внимательно контролировать соотношение воздух: газ, как это описано в разделе «Основы процессов горения». При искажениях в показаниях пирометра (в случае, например, частичного забивания визирного канала) и при отсутствии контроля за соотношением воздух: газ может произойти оплавление огнеупоров.

Температура подогрева воздуха определяется типом и состоянием применяемого воздухоподогревателя. На ОЗТУ температура воздуха низкого давления поддерживается в пределах 750−820°С.Температура подогрева воздуха существенно влияет на эффективность процесса получения техуглерода. Высокотемпературный подогрев воздуха гарантирует полное сгорание природного газа в камере горения, приводит к значительному сокращению расхода воды, подаваемой в зону закалки реактора, что в свою очередь ведет к снижению влагосодержания отходящих газов и повышению их теплотворной способности. Снижение влагосодержания отходящих газов способствует также улучшению условий эксплуатации рукавных фильтров.

Температура сырья оказывает существенное влияние на степень распыливания его механическими форсунками. При повышении температуры сырья уменьшается его вязкость и улучшается степень распыливания сырья (образуются более мелкие капли).

Расход сырья в реактор определяется конструкцией реактора и, прежде всего, диаметром смесительного сопла. Расход должен поддерживаться в соответствии с проектными данными. При пониженных нагрузках реактора по сырью уменьшается расход воздуха в реактор, а, следовательно, и скорость продуктов сгорания природного газа на входе в смесительное сопло. Это, прежде всего, отражается на уровне показателя «красящая способность» (или «сила окраски»), который косвенно характеризует однородность частиц и агрегатов техуглерода.

Расход воды и температура в зоне предварительной закалки оказывают влияние на показатели «йодное число» и «светопропускание толуольного экстракта». При увеличении расхода воды в зону предварительной закалки можно немного понизить йодное число, но при этом снижается температура в зоне предварительной закалки, что может отрицательно сказаться на показателе «светопропускание толуольного экстракта». В современных реакторах в зоне реакции предусматривается несколько отверстий для водяных форсунок, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, с тем, чтобы при начале выпуска определенной марки техуглерода можно было точнее выбрать место установки форсунок. Температура в зоне предзакалки обычно поддерживается в пределах 1200−1250°С .Количество и концентрация присадки, содержащей ион щелочного металла, определяют уровень показателя «абсорбция дибутилфталата». Было установлено, что все ионы щелочных металлов способствуют снижению степени срастания частиц техуглерода в процессе его получения, но влияние их различно. Ионы калия действуют примерно в 10 раз эффективнее, чем ионы натрия. Поэтому для понижения показателя «абсорбция дибутилфталата» используют различные соединения, содержащие калий — гидроокись калия (КОН), хлористый калий (KCL), углекислый калий (К₂С0₃), азотнокислый калий (KN0₃). Чем больше содержание калия в молекуле соединения, тем эффективнее действие такой присадки. Следует отметить, что наличие соединений калия и натрия в сырье крайне нежелательно, так как их присутствие приводит к неконтролируемому снижению показателя «абсорбция ДБФ». Поэтому во всех спецификациях на сырье для получения техуглерода содержание ионов калия и натрия строго нормируется.

1.7 Лабораторный контроль

Лабораторный контроль представлен в таблице 4.

Таблица 4 — Лабораторный контроль

1.8 Описание схемы контроля и автоматического регулирования

В проекте выполнен следующий объем автоматизации:

Температура и давление сырья на входе в реактор контролируется (поз.13−1, 13−2).

Перепад давления на фильтрах контролируется (поз. 15−1,15−2; 16−1, 16−2;4−1,4−2; 22−1,22−1-2).

Суммарный расход сырья контролируется (поз.17−1,17−2).

Расход сырья на реактор к каждой форсунке стабилизируется; регулирующий клапан на линии подачи сырья к соответствующей форсунке (поз.18−1…18−5; 19−1…19−5; 20−1…20−5; 21−1…21−5) при уменьшении расхода сырья ниже установленной нормы включается световая и звуковая сигнализация.

В зону горения подается природный газ и ВСД, температура подаваемого природного газа в зону горения контролируется (поз. 5−1, 5−2) расход стабилизируется (поз. 7−1…7−5) клапаном на линии подачи газа, при понижении расхода природного аза ниже нормы включается световая и звуковая сигнализация.

Давление природного газа контролируется (поз. 6−1, 6−2), при понижении давления газа срабатывает световая и звуковая сигнализация.

Давление газа подаваемого на каждую форсунку контролируется (поз. 8−1,8−2; 9−1,9−2; 10−1,10−2; 11−1,11−2; 12−1,12−2)

ВСД проходит через 3 воздухоподогревателя, температура ВСД поступающего по магистральному трубопроводу контролируется (поз. 21−1, 21−2)

Давление в магистральном трубопроводе контролируется (поз. 22−1,22−2), при отклонении давления от нормы срабатывает световая и звуковая сигнализация Температура ВСД после воздухоподогревателя первой ступени контролируется (поз. 34−1,34−2)

Температура ВСД после воздухоподогревателя третей ступени контролируется (поз. 34−1,34−2)

Температура ВСД после рубашки охлаждения контролируется (поз.24−1,24−2) при температуре отклонившейся от нормы включается световая и звуковая сигнализация.

Расход ВСД проходящий через рубашку охлаждения контролируются и регулируются клапаном на линии ВСД (поз. 32−1,32−5)

ВСД подводимый к первой ступени контролируется и регулируется на линии каждого потока (поз.31−1…31−5;30−1…30−5)

при понижении расхода каждого потока ниже нормы срабатывает световая и звуковая сигнализация.

Температура в зоне горения контролируется (поз. 36−1,36−2) при повышении температуры срабатывает световая и звуковая сигнализация.

Количество присадки подводимого в сырье регулируется изменением числа оборотов двигателя насоса — дозатора, управляемого частотно — регулируемым клапаном (поз.3−1)при останове двигателя срабатывает световая и звуковая сигнализация При достижении нижнего уровня в расходной емкости срабатывает звуковая сигнализация (поз. 2−1,2−2)

Уровень расхода присадки контролируется (поз. 1−1,1−2)

Давление в зоне горения контролируется и сигнализируется (поз.35−1; 35−2)

Расход ВВД контролируется (поз. 23−1; 23−2)

Температура в зоне реакции контролируется, превышение температуры выше нормы включается световая и звуковая сигнализация (поз. 37−1; 37−2)

Давление ХОВ контролируется, при понижении давления ниже нормы включается световая и звуковая сигнализация (поз. 35−1,35−2)

Температура в зоне закалки контролируется и регулируется расходом ХОВ в зону закалки (поз. 38−1; 38−5) при превышении температуры включается световая и звуковая сигнализация.

Температура в зоне закалки дополнительно контролируется (поз.39−1, 39−2).

Расход ХОВ в зону закалки контролируется (поз. 26−1,26−2)при понижении ниже нормы включается световая и звуковая сигнализация Температура УГС после воздухоподогревателя 3,2,1-й ступеней контролируется (поз. 40−1,40−2; 41−1,41−2; 43−1,43−2)

Реактор оснащен двумя электрозадвижками на трубопроводе УГС в фильтр улавливания задвижки регулируется схемой на щите оператора температура контролируется и регулируется изменением подачи ХОВ (поз. 42−1,42−5)

Расход ХОВ на охлаждении УГС в отделение улавливания контролируется (поз. 45−1,45−2)

Давление ХОВ в зону закалки контролируется (поз. 27−1,27−2)

Весь процесс контролируется и управляется с помощью датчиков с унифицированным выходным сигналом, программируемый логический контроллер и универсальная вычислительная аппаратура световой и звуковой сигнализации выведена на щит оператора.

2. Специальная часть

2.1 Материальный баланс потока

Материальный баланс потока производства технического углерода представлен в таблице 5.

Таблица 5 — Материальный баланс реактора получения технического углерода марки N 550

2.2 Расчёт реактора

Расчет реактора для получения технического углерода.

Расчетные данные:

расход сырья Gс=4500кг/ч;

=0,748кг/ м^3;

=1,29 кг/ м^3;

Исходные данные:

углерод в сырье=0,8970 мас. доли;

— содержание углерода в топливе=0,75 мас. доли;

— содержание водорода в сырье=0,0950 мас. доли;

— содержание водорода в природном газе=0,25 мас. доли;

— содержание кислорода в сырье=0,0006 мас. доли;

— содержание кислорода в воздухе среднего давления=0,2315 мас. доли;

— содержание кислорода в топливе=0,0022 мас. доли;

— содержание серы в сырье= 0,0069 мас. доли;

— содержание азота в топливе= 0,03 мас. доли;

2.2.1 Расчет количества и состава потоков, входящих в реактор

Количество сырья поступающего в реактор берем из задания на проектирование G_с = 4500 кг/ч.

Количество топлива, поступающего в реактор на сжигание (G_Т), берем из заводских данных

(1)

где — количество топлива, поступающего в реактор на горение, м³/ч;

— плотность топлива, кг/м³.

Принимаем: =900 м³/ч из заводских данный Количество воздуха среднего давления, поступающего в реактор на горение (G_ВСД), рассчитывают по формуле:

(2)

где — расход воздуха среднего давления на горение, м³/ч;

— плотность воздуха среднего давления, кг/м³.

Принимаем: =14 400 м³/ч из заводских данных Количество влаги, содержащейся в воздухе среднего давления (), рассчитывают по формуле:

(3)

где — количество воздуха среднего давления, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

— абсолютная влажность воздуха, мм рт. ст.

Количество углерода, содержащегося в сырье (), рассчитывают по формуле:

(4)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— содержание углерода в сырье, кг/кг сырья.

Количество углерода, содержащегося в природном газе (), поступающем в реактор, рассчитывают по формуле:

(5)

где — количество природного газа, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

— содержание углерода в топливе, кг/кг сырья.

Количество водорода, содержащегося в сырье (), рассчитывают по формуле:

(6)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— содержание водорода в сырье, кг/кг сырья.

Количество водорода, содержащегося в природном газе (), рассчитывают по формуле:

(7)

где — количество природного газа, поступающего в реактор на гонение, кг/ч;

— содержание водорода в природном газе, кг/кг сырья.

Количество водорода, содержащегося во влаге воздуха среднего давления (), рассчитывают по формуле:

(8)

где — количество влаги, содержащейся в воздухе среднего давления, кг/ч;

Количество кислорода, содержащегося в сырье (), рассчитывают по формуле:

(9)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— содержание кислорода в сырье, кг/кг сырья.

Количество кислорода, содержащегося в воздухе среднего давления

(), рассчитывают по формуле:

(10)

где — количество воздуха среднего давления, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

— содержание кислорода в воздухе среднего давления, кг/ кг сырья.

Количество кислорода, содержащегося во влаге воздуха среднего (), давления рассчитывают по формуле:

(11)

где — количество влаги, содержащейся в воздухе среднего давления, кг/ч;

Количество кислорода, содержащегося в природном газе (), поступающем в реактор, рассчитывают по формуле:

(12)

где — количество природного газа, поступающего в реактор нагорение, кг/ч;

— содержание кислорода в топливе, кг/кг сырья.

Количество серы () содержащейся в сырье, рассчитывают по формуле:

(13)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— содержание серы в сырье кг/кг сырья.

Количество азота, содержащегося в природном газе (), поступающем в реактор, рассчитывают по формуле:

(14)

где — количество природного газа, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

— содержание азота в топливе, кг/кг сырья.

2.2.2 Расчет количества и состава потока выходящего из реактора

Количество технического углерода, образующегося в ходе реакции (), рассчитывают по формуле:

(15)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— выход технического углерода, кг/кг сырья.

Количество не сгоревшего топлива (), рассчитывают по формуле:

(16)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

— плотность топлива, кг/м³.

Принимаем: =0,03 м³/кг сырья с последующей проверкой по материальному и тепловому балансам, тогда:

Суммарный объем углеродсодержащих газов (), рассчитывают по формуле:

(17)

где — содержание углерода в топливе, кг/кг сырья;

— содержание углерода в сырье, кг/кг сырья;

— расход топлива, кг/кг сырья;

— выход технического углерода, кг/кг сырья.

Суммарный объем водородсодержащих газов (), рассчитывают по формуле:

(18)

где — содержание водорода в топливе, кг/кг сырья;

— объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

— расход топлива, кг/кг сырья;

— содержание водорода в сырье, кг/кг сырья.

Суммарный объем СО₂ содержащих газов (), рассчитывают по формуле:

(19)

где — вспомогательные коэффициенты, рассчитываемые по формулам (20), (39) соответственно.

(20)

где — константа равновесия водяного пара, рассчитываемая по формуле (22);

— расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

— суммарный объем водородсодержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

(21)

где Т — температура в зоне реакции, К.

(22)

где — константа равновесия водяного пара;

— расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

— суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Суммарный объем СО содержащих газов (), рассчитывают по формуле:

(23)

где — суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Суммарный объем Н₂О содержащих газов (), рассчитывают по формуле

(24)

где — суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

— расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

— суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Суммарный объем Н₂ содержащих газов (), рассчитывают по формуле:

(25)

где — суммарный объем Н₂О содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем водородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Количество СО₂ содержащееся в отходящих газах (), рассчитывают по формуле:

(26)

где — суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

— массовый расход сырья, кг/ч;

— плотность СО₂, кг/м³.

Количество СО содержащееся в отходящих газах (), рассчитывают по формуле:

(27)

где — суммарный объем СО содержащих газов, м³/кг сырья;

— массовый расход сырья, кг/ч;

— плотность СО, кг/м³.

Количество водяных паров, содержащихся в отходящих газах (), рассчитывают по формуле:

(28)

где — суммарный объем водяных паров, м³/кг сырья;

— массовый расход сырья, кг/ч;

— плотность водяных паров, кг/м³.

Количество водорода, содержащееся в отходящих газах (), рассчитывают по формуле:

(29)

где — суммарный объем водорода, м³/кг сырья;

— массовый расход сырья, кг/ч;

— плотность водорода, кг/м³.

Количество углерода, выходящего из реактора с техническим углеродом (), рассчитывают по формуле:

(30)

где — количество образующегося технического углерода, кг/ч;

— содержание углерода в образующемся техническом углероде, кг/кг сырья.

Количество углерода, выходящего из реактора с не сгоревшим топливом (), рассчитывают по формуле:

(31)

где — количество не сгоревшего топлива, кг/ч;

— содержание углерода в топливе, кг/кг сырья.

Количество углерода, выходящего из реактора с двуокисью углерода (), рассчитывают по формуле:

(32)

где — количество образующейся двуокиси углерода, кг/ч;

— содержание углерода в образующейся двуокиси углерода, кг/кг сырья.

Количество углерода, выходящего из реактора с окисью углерода (), рассчитывают по формуле:

(33)

где — количество образующейся окиси углерода, кг/ч;

— содержание углерода в образующейся окиси углерода, кг/кг сырья.

Количество водорода, выходящего из реактора с техническим углеродом (), рассчитывают по формуле:

(34)

где — количество образующегося технического углерода, кг/ч;

— содержание водорода в образующемся техническом углероде, кг/кг сырья.

Количество водорода, выходящего из реактора с не сгоревшим топливом (), рассчитывают по формуле:

(35)

где — количество не сгоревшего топлива, кг/ч;

— содержание водорода в топливе, кг/кг сырья.

Количество водорода, выходящего из реактора с парами воды (), рассчитывают по формуле:

(36)

где — суммарное количество образующихся паров воды, кг/ч;

— содержание водорода в образующихся парах воды, кг/кг сырья.

Количество кислорода, выходящего из реактора с двуокисью углерода (), рассчитывают по формуле:

(37)

где — количество образующейся двуокиси углерода, кг/ч;

— содержание кислорода в образующейся двуокиси углерода, кг/кг сырья.

Количество кислорода, выходящего из реактора с окисью углерода (), рассчитывают по формуле:

(38)

где — количество образующейся окиси углерода, кг/ч;

— содержание кислорода в образующейся окиси углерода, кг/кг сырья.

Количество кислорода выходящего из реактора с парами воды (), рассчитывают по формуле:

(39)

где — суммарное количество образующихся паров воды, кг/ч;

— содержание кислорода в образующихся парах воды, кг/кг сырья.

Количество серы, выходящей из реактора с техническим углеродом (), рассчитывают по формуле:

(40)

где — количество образующегося технического углерода, кг/ч;

— содержание серы в образующемся техническом углероде, кг/кг сырья.

Количество серы, выходящей из реактора с сероводородом (), рассчитывают по формуле:

(41)

где — количество серы выходящей из реактора с сероводородом, кг/ч;

— количество серы поступающее в реактора с сырьем, кг/кг сырья.

Материальный баланс получения технического углерода марки N 550 представлен в таблице 6.

Таблица 6 — Материальный баланс реактора получения технического углерода марки N 550

Примечание: в процессе расчета было принято допущение, что содержание влаги в воздухе равно нулю, а сырье содержало только углерод и водород.

Наличие влаги в воздухе приводит к смещению равновесия реакции. При этом содержание водорода уменьшается, а окиси и двуокиси углерода — увеличивается. Эти изменения не превышают 15%, и это не оказывает заметного влияния на тепловой баланс, так как теплоемкости и теплоты сгорания Н₂ и СО практически одинаковы.

Тепловой баланс получения технического углерода На основе рассчитанного материального баланса рассчитывают тепловой баланс.

2.2.3 Расчет количества тепла входящего в реактор

Количество тепла, образующееся в результате сгорания сырья (), рассчитывают по формуле:

(42)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— содержание углерода в сырье, кг/кг сырья;

— содержание водорода в сырье, кг/кг сырья;

— содержание кислорода в сырье, кг/кг сырья;

— содержание серы в сырье кг/кг сырья.

Количество тепла, образующееся в результате сжигания топлива (), рассчитывают по формуле:

(43)

где — массовый расход топлива, кг/ч;

— удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Количество тепла, поступающее в реактор с сырьем (), рассчитывают по формуле:

(44)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— удельная теплоемкость сырья, кДж/(кг· К) [2];

— температура сырья поступающего в реактор, К.

Количество тепла, поступающее в реактор с воздухом (), рассчитывают по формуле:

(45)

где — массовый расход воздуха, кг/ч;

— удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг· К) [11];

— температура воздуха поступающего в реактор, К.

2.2.4 Расчет количества тепла выходящего из реактора

Количество тепла, образующееся в результате сгорания технического углерода (), рассчитывают по формуле:

(46)

где — массовый расход технического углерода, кг/ч;

— содержание углерода в техническом углероде, кг/кг сырья;

— содержание водорода в техническом углероде, кг/кг сырья;

— содержание серы в техническом углероде кг/кг сырья.

Количество тепла, образующееся в результате сгорания топлива (), рассчитывают по формуле:

(47)

где — количество не сгоревшего топлива, кг/ч;

— удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Количество тепла, образующееся в результате сгорания окиси углерода (), рассчитывают по формуле:

(48)

где — количество образующейся окиси углерода, кг/ч;

— удельная теплота сгорания окиси углерода, кДж/кг.

Количество тепла, образующееся в результате водорода углерода (), рассчитывают по формуле:

(49)

где — количество образующегося водорода, кг/ч;

— удельная теплота сгорания водорода, кДж/кг.

Количество тепла, выходящее из реактора с техническим углеродом (), рассчитывают по формуле:

(50)

где — массовый расход технического углерода, кг/ч;

— удельная теплоемкость технического углерода, кДж/(кг· К);

— температура технического углерода, К.

Количество тепла, выходящее из реактора с газообразными продуктами реакции (), рассчитывают по формуле:

(51)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

— суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем Н₂О содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем СО содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем водород содержащих газов, м³/кг сырья;

— объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

— температура в зоне реакции, К.

Потери тепла в окружающую среду (), рассчитывают по формуле:

(52)

где ?t — разность температур между внешней поверхностью реактора и окружающей среды;

F_Р — поверхность реактора, м².

Принимаем, что зимой максимальная разность температур между внешней поверхностью реактора и окружающей среды будет достигать 200 °C, тогда:

Общее количество тепла входящее в реактор ():

(53)

где — количество тепла, образующееся в результате сгорания топлива, МДж/ч;

— количество тепла, образующееся в результате сгорания сырья, МДж/ч;

— количество тепла, поступающее в реактор с сырьем, МДж/ч;

— количество тепла, поступающее в реактор с воздухом, МДж/ч.

Общее количество тепла выходящее из реактора ():

(54)

где — количество тепла, образующееся в результате сгорания технического углерода, МДж/ч;

— количество тепла, образующееся в результате сгорания топлива, МДж/ч;

— количество тепла, образующееся в результате сгорания окиси углерода, МДж/ч;

— количество тепла, образующееся в результате водорода углерода, МДж/ч;

— количество тепла, выходящее из реактора с техническим углеродом, МДж/ч;

— количество тепла, выходящее из реактора с газообразными продуктами реакции, МДж/ч;

— потери тепла в окружающую среду, МДж/ч.

Дисбаланс теплового баланса (?), рассчитывают по формуле:

(55)

2.2.5 Расчет количества воды на закалку и охлаждение продуктов реакции

В процессе реакции не все высокомолекулярные соединения, входящие в состав сырья успевают сразу и полностью разложиться. Во избежание «замасливания» углеродной поверхности этими соединениями температура по окончании формирования дисперсной фазы должна быть снижена до величины в 1173 К — максимально допустимой температуры для рекуперативных подогревателей

2.2.6 Расчет количества воды на закалку и охлаждение продуктов реакции

Максимально допустимая температура для рекуперативных подогревателей 1173 К

Количество тепла, отдаваемое продуктами реакции в зоне закалки (), рассчитывают по формуле:

(56)

где — массовый расход сырья, кг/ч;

— расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

— суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем Н₂О содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем СО содержащих газов, м³/кг сырья;

— суммарный объем водород содержащих газов, м³/кг сырья;

— объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

— выход технического углерода, кг/кг сырья;

— средняя теплоемкость технического углерода в диапазоне температур 1173−1783 К [11];

— средняя теплоемкость атмосферного азота в диапазоне температур 1173−1783 К, кДж/м³ [11];

— разность температур на воде и выходе из зоны предзакалки, К.

Количество тепла, отдаваемое продуктами реакции в зоне закалки, будет равно теплоте испарения воды и нагрева ее паров до конечной температуры охлаждения продуктов реакции в зоне предзакалки, тогда расход воды в зоне закалки () будет равен:

(57)

где — количество тепла, отдаваемое продуктами реакции в зоне закалки, кДж/ч;

— средняя теплоемкость паров воды при температуре 1173 К, кДж/м³ [12];

r_В — Теплота испарения воды при 273 К, кДж/кг,

— конечная температура охлаждения продуктов реакции, К.

2.2.7 Определение размеров зоны реакции и горения реактора

Размер зоны горения принимаем в соответствии с действующими реакторами [1,10]: диаметр — 1,92 м, длина — 0,94 м.

Диаметр реакционного канала принимаю в соответствии с рекомендациями [1,10], равным 0,83 м.

Длину реакционного канала (l_рк), рассчитывают по формуле:

(58)

где D — диаметр реакционного канала, м;

— время испарения капель сырья, с;

V — объем реакционных газов, м³/с.

В соответствии с действующими на ОАО «Ярославский технический углерод» реакторами для получения полуактивных марок технического углерода, общую длину реактора делаем на 1,5 метра больше, предусматривая объем в конце зоны закалки для испарения капель воды. Размер зоны закалки принимаем в соответствии с действующими реакторами: диаметр — 1,1 м, длина — 3,04 м.

К установке принимаем реактор со следующими характеристиками:

— диаметр зоны горения 1,92 м;

— длина зоны горения 0,94 м;

— диаметр реакционного канала 0,83 м;

— длина реакционного канала 6,4 м;

— диаметр зоны закалки 1,1 м;

— длина зоны закалки 3,04 м.

На действующем потоке эксплуатируется реактор со следующими характеристиками:

Габариты 3000- 2100- 9530

Масса — 2800 кг (без массы огнеупора) Расход сырья до 6500 кг/час

2.3 Расчет воздухоподогревателя второй ступени

Предназначен для подогрева ВСД и воздуха, идущего на сжигание природного газа в камере обогрева сушильного барабана, за счет рекуперации тепла УГС. Для расчета примем рекуператор, представляющий собой теплообменник типа «труба в трубе» имеющий дополнительную наружную рубашку. В эту рубашку направляется ВСД, в межтрубное пространство, имеющее оребрение с наружной стороны, направляется УГС, а в трубное пространство — атмосферный воздух.

2.3.1 Тепловая нагрузка аппарата Q и конечная температура охлаждаемого газа

Воздух среднего давления:

Температура начальная t'₁= 70 °C;

Температура конечная t^«₁= 210 °C.

В таблице 7 представлены удельные теплоемкости компонентов.

Таблица 7 — Удельная теплоемкость компонентов.

Тепловая нагрузка рассчитывается по формуле:

(59)

где — - объемный расход (часовой) воздуха, м³/ч;

— объемный расход (часовой) водяного пара, м³/ч;

— удельная объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³· К);

— удельная объемная теплоемкость водяного пара, кДж/(м³· К);

Q₁=(14 069· 1,306+331,4·1,511) · (210−70)=2643 МДж/ч=734,2 кВт

Воздух на сушильный барабан.

Т.к. воздух для сжигания в камере обогрева берется из атмосферы, то расчет ведем на самые неблагоприятные условия — зимние.

Температура начальная t'₁= -15 °С;

Температура конечная t^«₁= 150 °C.

В таблице 8 представлены удельные теплоемкости компонентов.

Таблица 8 — Удельная теплоемкость компонентов.

Тепловая нагрузка рассчитывается по формуле:

(60)

где — - объемный расход (часовой) воздуха, м³/ч;

— объемный расход (часовой) водяного пара, м³/ч;

— удельная объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³· К);

— удельная объемная теплоемкость водяного пара, кДж/(м³· К);

Q₂=(7572· 1,300+178,5·1,489) · (150+15)=1668,6 МДж/ч=463,5 кВт

Тепловая нагрузка на аппарат рассчитывается по формуле:

Q=Q₁+Q₂ (61)

Q=2643+1668,6=4312,6 МДж/ч=1197,7 кВт

Углеродогазовая смесь:

Температура начальная t' ₂= 800 °C;

Температура конечная t'' ₂= ?.

(62)

(63)

(64)

где — Vобъемный расход (часовой) УГС, м³/ч;

Q', Q" - начальное и конечное количество теплоты УГС соответственно, МДж/ч;

G_ТУ — расход технического углерода, кг/ч;

V_ОГ — объемный расход отходящего газа, м³/ч;

V_ВП — объемный расход водяного пара, м³/ч;

c'_i, c" _i— соответственно начальная и конечная удельная теплоемкость (объемная или массовая) отходящего газа, технического углерода и водяного пара.

Предварительно задаваясь t'₃ и определив теплоемкость, вычисляем t^«₃. Найденное значение должно совпадать с принятым.

В таблице 9 представлены удельные теплоемкости компонентов.

Таблица 9 — Удельная теплоемкость компонентов.

* - удельная теплоемкость кДж/(кг· К)

Конечное количество теплоты УГС

Q^«=(19 470,6· 1,426+2610,0·1,294+7458,2·1,668) · 675−4312,6=

=25 104 МДж/ч=6973,34 кВт.

Конечная температура рассчитывается по формуле:

(65)

Конечная температура УГС была принята правильно.

2.3.2 Расчет температурного режима

Подогрев ВСД.

Температурная схема движения теплоносителей приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Температурная схема потоков в теплообменнике

?t_б = 495 °C, ?t_м = 465 °C, тогда среднюю разность температур между холодным и горячим теплоносителями (), рассчитывают по формуле:

Средняя температура горячего газа (УГС):

t_срУГС=(675+565)/2=620 ^оС.

Средняя температура холодного газа (ВСД) расчитывается по формуле:

t_срВСД = t_срУГС — ?t_ср (66)

t_срВСД =620−480=140 ^оС.

Подогрев воздуха на сжигание в камере обогрева сушильного барабана. Температурная схема движения теплоносителей приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Температурная схема потоков в теплообменнике

?t_б = 580 °C, ?t_м = 525 °C, тогда среднюю разность температур между холодным и горячим теплоносителями (), рассчитывают по формуле:

2.3.3 Физические параметры рабочих сред

Воздух среднего давления

Плотность ВСД при 140 °C (?_всд), рассчитывают по формуле:

Плотность смеси рассчитываем по формуле:

Динамическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Вязкость смеси рассчитываем по формуле:

Кинематическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплопроводности среды рассчитываем по формуле:

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

Углеродогазовая смесь:

Плотность УГС при 620 °C (?_угс), рассчитывают по формуле:

Динамическая вязкость среды находим по формуле:

Вязкость смеси находим по формуле:

Кинематическую вязкость среды находим согласно формуле:

Коэффициент теплопроводности среды находим по формуле :

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

Воздух на сжигание в камере обогрева сушильного барабана.

Плотность ВСД при 67,5 °С (?_всд), рассчитывают по формуле:

Плотность смеси рассчитываем по формуле:

Динамическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Вязкость смеси рассчитываем по формуле:

Кинематическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплопроводности среды рассчитываем по формуле:

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

2.3.4 Определение ориентировочной поверхности теплообмена и подбор подогревателя воздуха

Задаемся коэффициентом теплопередачи 20 Вт/(м²К), тогда требуемая поверхность теплопередачи (F), рассчитывают по формуле:

F_op1=734 242,73/ (20 480)=76,5 м²;

F_op2=463 501,73/ (20 552)=41,98 м².

F_oбщ =76,5 + 41,98 = 118,48 м².

Выбираем воздухоподогреватель со следующими характеристиками :

диаметр трубы D₁ = 630×4 мм.

диаметр кожуха D₂ = 920×4 мм.

диаметр рубашки D₃ = 1200×4 мм.

высота H = 10 400 мм.

количество n = 2.

суммарная поверхность теплообмена:

— в системе теплоносителей «ВСД — УГС «F₁ = 110 м²;

— в системе теплоносителей «воздух на барабан — УГС «F₂ = 65 м².

Наружная поверхность кожуха имеет оребрение для интенсификации теплообмена:

— высота ребра h = 65 мм;

— шаг ребра t = 289 мм;

— число ребер n = 36 мм.

2.4 Расчет теплообменного аппарата Т-1

Теплообменный аппарат предназначен для окончательного подогрева сырья перед его подачей в реактор. В качестве греющего агента используется насыщенный водяной пар с давление 1,0 МПа и температурой 179,0 °С.

Тепловую нагрузку на подогреватель (Q), рассчитывают по формуле:

Количество водяного пара для нагрева сырья (G_п), рассчитывают по формуле:

Температурная схема потоков в теплообменнике Т-009 приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Температурная схема потоков в теплообменнике

Из рисунка 9 видно, что? t_б = 74 °C, ?t_м = 49 °C, тогда среднюю разность температур между холодным и горячим теплоносителями (), рассчитывают по формуле:

Требуемая поверхность теплопередачи (F), рассчитывают по формуле:

Запас поверхности теплообмена составляет:

Выбираем теплообменник с плавающей головкой по ГОСТ 14 246–79:

Число ходов — z = 2;

Диаметр трубок — d = 20?2 мм;

Диаметр кожуха — D = 500 мм.

Длина трубок — 3 м;

Поверхность теплопередачи — 38,0 м²;

Количество — 2.

2.5 Выбор оборудования по ГОСТам, каталогам и нормалям

В результате расчетов получили аппараты со следующими характеристиками:

1) реактор для получения полуактивной марки ТУ:

— диаметр зоны горения 1,92 м;

— длина зоны горения 0,94 м;

— диаметр реакционного канала 0,83 м;

— длина реакционного канала 6,4 м;

— диаметр зоны закалки 1,1 м;

— длина зоны закалки 3,04 м.

2) Воздухоподогреватель второй ступени:

диаметр трубы D₁ = 630×4 мм.

диаметр кожуха D₂ = 920×4 мм.

диаметр рубашки D₃ = 1200×4 мм.

высота H = 10 400 мм.

количество n = 2.

суммарная поверхность теплообмена:

— в системе теплоносителей «ВСД — УГС «F₁ = 110 м²;

— в системе теплоносителей «воздух на барабан — УГС «F₂ = 65 м².

Наружная поверхность кожуха имеет оребрение для интенсификации теплообмена:

— высота ребра h = 65 мм;

— шаг ребра t = 289 мм;

— число ребер n = 36 мм.

3) Теплообменник для подогрева сырья насыщенным водяным паром:

Число ходов — z = 2;

Диаметр трубок — d = 20?2 мм;

Диаметр кожуха — D = 500 мм.

Длина трубок — 3 м;

Поверхность теплопередачи — 38,0 м²;

Количеств-2 шт.

На производстве эксплуатируются аппараты со следующими характеристиками:

Реактор:

Габариты 3000- 2100- 9530

Масса — 2800 кг (без массы огнеупора)

Расход сырья до 6500 кг/час

Воздухоподогреватель:

Поверхность теплообмена — 350 м²

Теплообменник:

Поверхность теплопередачи — 38,0 ?2 м²

Следовательно, аппараты с нагрузкой справляются и замене не подлежат.

3. Организация производства

3.1 Режим работы установки

Режим работы установки характеризуется периодичностью работы, числом смен в сутки, и продолжительностью рабочей смены в часах.

Основное производство проектируемой установки работает по непрерывному режиму, в три смены, по восемь часов.

Годовой фонд времени работы оборудования (Т_р) при непрерывном производстве равен календарному фонду, за вычетом времени нахождения оборудования в планово-предупредительном ремонте (Тппр) и времени технически неизбежных простоев (Ттр).

Тппр + Ттр = 12 дней в год.

Т_р = 365 — 12 = 353 дня = 8472 ч.

3.2 График сменности

График сменности приводится в таблице 10.

Таблица 10 — График сменности

3.3 Условия труда

Условия труда подразделяются на нормальные, вредные. Характер условий труда определяется свойствами сырья, материалов и получаемой продукции, а также воздействием их на организм человека. На потоке условия труда вредные, вследствие использования газов, и других веществ, являющихся наркотическими ядами.

3.4 Продолжительность рабочего дня

Продолжительность рабочего дня определяется продолжительностью рабочей недели, графиком сменности, условиями труда. На основании трудового законодательства в нашей стране принята продолжительность рабочей недели 40 часов, при восьми часовом рабочем дне.

4. Экономическая часть

4.1 Расчет капитальных затрат

4.1 Исходная информация для технико-экономических расчётов

Исходная информация для технико-экономических расчётов представлена в таблице 11. В таблице содержатся данные, взятые на предприятии, где проходила производственная практика (участок «Производство технического углерода» ОАО «Ярославский технический углерод»), из нормативно-справочных материалов.

Таблица11 — Исходная информация для технико-экономических расчётов

Сметная стоимость проектируемого объекта равна сумме капитальных вложений в оборудование, здания и сооружения.

Расчёт сметной стоимости проектируемого объекта производится на основе рассчитанной стоимости технологического оборудования и структуры ОПФ участка. Последняя принимается на основе усредненной структуры ОПФ сажевой промышленности.

Стоимость неучтённого технологического оборудования принимается в размере 1% от стоимости технологического оборудования.

Таблица12 — Расчёт стоимости технологического оборудования

Таблица 13 — Расчёт сметной стоимости проектируемого объекта

На основании таблицы 13 составляется сводная смета капитальных затрат в проектируемый объект, определяется укрупнённая структура ОПФ и годовая сумма амортизационных отчислений (см. таблица 14).

Таблица14 — Сводная смета капитальных вложений в проектируемый объект

4.2 Калькуляция затрат на себестоимость продукции

Для определения себестоимости необходимо рассчитать потребность в материальных ресурсах, расходы на оплату труда и социальные нужды, накладные расходы.

4.3 Определение потребности в сырье, материалах и энергоресурсах

Для определения потребности в сырье и материалах составляется общий материальный баланс процесса на основе материальных балансов отдельных его стадий. Общий материальный баланс представлен в таблице 15.

Таблица 15 — Общий материальный баланс процесса

На основе общего материального баланса рассчитываются нормы расхода сырья и материалов, и определяется годовая потребность в этих ресурсах. Потребность в сырье представлена в таблице 16.

Таблица 16 — Потребность в материалах

Теоретический расход определяется на основе производственных данных. Размер потерь принимается: 1% для жидких и 2% для сыпучих материалов.

Расчёт расхода энергосредств ведётся для каждого вида энергоресурсов. Годовая потребность в электроэнергии на технологические нужды приведена в таблице 16. Годовая потребность в сжатом воздухе ВД и СД на технологические нужды приведена в таблице 17. Годовая потребность в химочищенной воде на технологические нужды приведена в таблице 18. Годовая потребность в газовом топливе на технологические нужды приведена в таблице 20. Значения чисел в графе «Итого» таблиц 17−20 не будут совпадать со значениями чисел в графе «Потребность» таблицы 21, так как в таблицах 17−20 приводится не всё технологическое оборудование. Отсутствует таблица по годовой потребности в водяном паре и речной воде.

Таблица 17 — Годовая потребность в электроэнергии

Таблица 18 — Годовая потребность в сжатом воздухе ВД и СД

Таблица 19 — Годовая потребность в химически очищенной воде

Таблица 20 — Годовая потребность в газовом топливе

Составляется сводная таблица потребности в энергоресурсах (см. таблицу 21).

Таблица 21 — Сводная потребность в энергоресурсах

4.4 Фонд оплаты труда промышленно-производственного персонала

Фонд оплаты труда (ФОТ) зависит от численности промышленно-производственного персонала (ППП) и от принятых тарифных условий оплаты труда, стимулирующих и компенсирующих надбавок.

Определение состава и численности рабочих.

Численность рабочих зависит от количества рабочих в смену (принимается на основе производственных данных) и режима работы установки. Основное производство и основные рабочие работают по непрерывному режиму. Чередование времени работы и времени отдыха основных рабочих регламентируется графиком сменности.

— продолжительность рабочего дня: 8 часов;

— продолжительность рабочей смены: 7,7 часов;

— продолжительность рабочей «недели»: 36 часов;

— норма рабочего времени: 36 • 50 = 1800 часов в год;

— количество бригад: 5.

На основе графика сменности определяется:

— количество выходных дней в году: 146 дней (4 • (365 / 10)) = 146;

— фактически отрабатываемое количество часов в году: (6 (365 / 10)) 7,7 = = 1686,3 часов;

— количество дней недоработки по графику за год по сравнению с нормой: (1800 — 1686,3) / 7,7 = 15 дней.

Вспомогательные рабочие, обслуживающие основное производство, работают в одну смену по прерывному графику на основе пятидневной рабочей недели. При этом продолжительность смены составляет 8 часов (при сорокачасовой рабочей неделе).

На основании выбранного графика сменности и принятого режима работы составляется баланс рабочего времени одного рабочего в год. Баланс рабочего времени одного рабочего в год приводится в таблице 21.

Таблица 22 — Баланс рабочего времени одного рабочего в год

Состав и численность основных рабочих определяется для участка, которая является объектом проектирования. Состав и численность основных рабочих приводится в таблице 23.

Таблица 23 — Состав и численность основных рабочих

Состав и численность вспомогательных рабочих приводится в таблице 24.

Таблица 24 — Состав и численность вспомогательных рабочих

Определение состава и численности руководителей, специалистов и служащих. Состав и численность этих категорий ППП определяется для всего участка на основе производственных данных. Состав и численность руководителей, специалистов и служащих приводится в таблице 24.

Таблица 25 — Состав и численность руководителей, специалистов и служащих

Расчёт годового фонда оплаты труда (ФОТ) рабочих.

Расчёт годового ФОТ рабочих приводится в таблице 26.

Для аппаратчика уплотнения (звеньевого), аппаратчика уплотнения премия составляет 80%, для аппаратчика приготовления пасты и аппаратчика получения техуглерода премия составляет 35%, для аппаратчика уплотнения (дневного) премия составляет 40%, для электрогазосварщика, слесарь-ремонтника премия составляет 50%. Тарифная ставка берётся из производственных данных. За вредные условия работы тариф за нормальные условия работы надо умножить на коэффициент который равен 1,2. Процент дополнительной платы труда за основной отпуск составляет для сменных рабочих 14%, для дневных 11%. Процент дополнительной платы труда за учебный отпуск составляет для сменных рабочих 1%, для дневных 0,9%. Проценты дополнительной платы рассчитываются как отношение продолжительность отпуска к полезному фонду времени. Отчисления на социальные нужды составляют 26% (от графы «всего»).

Таблица 26 — Годовой фонд оплаты труда рабочих

Расчёт годового ФОТ руководителей, специалистов, служащих и вспомогательных рабочих на окладе.

Расчёт годового ФОТ данных категорий ППП приводится в таблице 27

Таблица 27 — Годовой ФОТ руководителей, специалистов, служащих и вспомогательных рабочих

Расчёт премии в таблице 27 производится исходя из того, что её процент составляет 25% (для всех), а у ЕСН ставка 26%.

Смета расходов на содержание и эксплуатацию оборудования (РСЭО) приводится в таблице 28

Таблица 28 — Смета расходов на содержание и эксплуатацию оборудования

Смета расходов на участке приводится в таблице 29

Таблица 29 — Смета цеховых расходов на установке

4.5 Расчет стоимость продукции

Для расчёта себестоимости продукции (на участке) составляется проектная калькуляция таблица 30 в которой определяются затраты по каждой статье на годовой выпуск продукции. Для нефтеперерабатывающих предприятий затраты определяются только на годовой выпуск. Объектом проектирования является продукция не реализуемая потребителю.

Таблица 30 — Калькуляция себестоимости техуглерода (или эксплуатационные затраты на производство продукции на проектируемых стадиях)

4.6 Технико-экономические показатели проектируемого производства

Для обобщающей технико-экономической характеристики проектируемого объекта и выводов по проекту необходимо составить таблицу технико-экономических показателей проектируемого производство.

При составлении сводной таблицы часть показателей переносится из предыдущих разделов проекта, а другие рассчитываются непосредственно при составлении таблицы 31. Основные технико-экономические показатели проектируемого производства приводятся в таблице 31.

Таблица 31 — Основные технико-экономические показатели проектируемого производства

Пример расчета:

Фондоотдача ФО = ПМ / КЗ=38 124/46 257 000= 0,82 т/тыс. руб Фондоемкость ФЕ= КЗ/ПМ=46 257 000/38 124= 1213,33руб/т Произв. труда ПТ= ПМ/Ч.раб.= 38 124/44= 866,45 т/чел

5. Мероприятия по технике безопасности, пожарной безопасности и охраны окружающей среды

5.1 Техника безопасности, охрана труда и противопожарная профилактика

Ведение технологического процесса производства технического углерода и режим эксплуатации технологического оборудования должны соответствовать требованиям, установленным правилами по технике безопасности производства техуглерода, настоящим регламентом и инструкциями, утвержденными в установленном порядке.

К производству технического углерода предъявляются следующие основные требования по технике безопасности и санитарии:

— соблюдение инструкций по обслуживанию, пуску и остановке аппаратов, а также инструкций по технике безопасности производства ремонтных работ;

— соблюдение графика планово-предупредительного ремонта оборудования икоммуникаций;

— обеспечение герметичности технологического оборудования;

— постоянный контроль температуры углеродогазовой смеси, поступающей в фильтры для улавливания технического углерода;

— контроль за содержанием кислорода в отходящих газах фильтра улавливания ФР-5000;

— бесперебойная работа вентиляционных установок;

— периодический контроль за состоянием воздушной среды на содержание СО в промышленных помещениях, на запыленность в отделении обработки и упаковки технического углерода;

— соблюдение всех противопожарных инструкций.

Соблюдение установленных правил техники безопасности обеспечит безопасную работу в производстве технического углерода.

К самостоятельной работе на предприятии допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинское обследование, не имеющие медицинских противопоказаний и получившие вводный инструктаж по технике безопасности, пожарной безопасности, инструктаж у начальника цеха, первичный инструктаж на рабочем месте, обучение безопасным методам работы и сдавшие экзамен комиссии на допуск к самостоятельной работе.

Основные правила безопасной работы

— строго соблюдать нормы технологического режима в соответствии с настоящим регламентом;

— категорически запрещается вести технологический режим с повышением содержания кислорода в углеродогазовой смеси;

— все трубопроводы, подающие продукты с высокой температурой должны быть изолированы (свыше 45 ^оС)

— запрещается нагрузка трубопроводов всякого рода тяжестями, использование их в качестве опорных конструкций;

— категорически запрещается работать на неисправном оборудовании, ремонтировать его на ходу;

— все вращающиеся узлы и механизмы должны быть оборудованы ограждениями;

— при проверке состояния смазки и работы оборудования при необходимости дополнительного освещения пользоваться переносной лампой напряжением не более 12 в, имеющей металлическую сетку и шнур с вилкой, или аккумуляторной лампой во взрывозащищенном исполнении;

— не допускать скопления технического углерода на пускателях, электрошкафах, электродвигателях, своевременно производить их уборку;

— следить за исправностью заземления электродвигателей и электропусковой аппаратуры;

— исправная работа приточно-вытяжной и аварийной вентиляции;

— при замене сырьевых и водяных форсунок в реакторе аппаратчик должен находиться сбоку от отверстия и работать в защитных очках и рукавицах;

— перед зажиганием горелок на реакторе необходимо проверить давление газа и воздуха на линиях, продуть газовые линии, реактор продуть воздухом в атмосферу в течение 15 минут;

— при зажигании горелки в реактор должно поступать количество воздуха, обеспечивающее полное сгорание газа и исключающее отрыв пламени;

— форсунки на холодильниках должны иметь качественный распыл;

— для нормального ведения процесса сушки осуществлять контроль за полным сгоранием природного газа в сушильном барабане.

5.2 Возможные неполадки в работе установки

Возможные неполадки в работе установки представлены в таблице 32.

Таблица 32 — Возможные неполадки в работе установки

Перечень средств КИП и, А при отказе которых необходима остановка отдельных видов оборудования (снятие технологического потока с режима).

По реакторному отделению:

— контроль температуры в зоне закалки (основной и дублирующий одновременно);

— контроль расхода природного газа;

— контроль расхода ВСД.

По отделению улавливания:

— контроль температуры на входе в фильтр улавливания (основной и дублирующий одновременно);

— система управления регенерацией секций фильтра;

— контроль давления на входе в фильтр улавливания.

По отделению обработки:

— контроль давления газов на входе в фильтр доулавливания;

— контроль температуры газов на входе в фильтр доулавливания (основной и дублирующей одновременно);

— система управления регенерацией секций фильтра;

— контроль температуры технического углерода на выходе из сушильного барабана.

5.3 Аварийные случаи на установке

Характеристика технологического процесса производства технического углерода

Процесс получения, улавливания и обработки технического углерода является закрытым, непрерывным и поточным.

В целом производство является пожароопасным, на отдельных стадиях взрывоопасным. Имеется возможность загрязнения воздушной среды на рабочих местах пылью технического углерода, парами углеводородов и вредными отходящими газами.

Газы, сопутствующие образованию технического углерода, имеют в своем составе окиси углерода, водород, метан, сероводород и могут образовывать взрывоопасные концентрации с воздухом.

Технический углерод — горючее вещество, способное при достижении критической температуры к самовозгоранию.

Нарушение норм технологического режима, работа на неисправном оборудовании, нарушение герметичности могут вызвать загорание технического углерода и газов в потоке, запыленность и загазованность производственных помещений, привести к авариям и несчастным случаям.

Реакторное отделение характеризуется значительным количеством тепловыделений и незначительным — паров углеводородов и окиси углерода. Источником тепловыделений служат поверхности реакторов, воздухоподогревателей, трубопроводов. При нарушении сырьевых линий в воздушную среду могут выделяться пары углеводородов. Вредные газообразные вещества и окись углерода могут выделяться также при замене сырьевых и водяных форсунок.

Повышенную опасность в отделении представляют:

— розжиг реактора;

— установка и снятие заглушек на газовых и сырьевых линиях, замена запорной арматуры;

— замена сырьевых и водяных форсунок в реакторе;

— неизолированные части оборудования, трубопроводов;

— электрооборудование с нарушенной электроизоляцией;

— утечка сырья через фланцевые и сальниковые соединения, утечка газа через неплотности.

Отделение улавливания Отделение улавливания характеризуется значительным количеством газо-тепло-пылевыделений. Основной вредностью участка улавливания является окись углерода. Газопылевыделения образуются при нарушении герметичности взрывных клапанов, прокладок люков транспортных систем, повышении давления в аппаратах улавливания, при пропуске газа через фланцы, шибера, сальники вентиляторов газотранспорта и мельничных вентиляторов.

Газы, сопутствующие образованию активных марок технического углерода, содержат до 16% горючих компонентов.

Содержание О₂ в отходящих газах после реактора должно быть не более 1,3% об.

Усредненный состав отходящих газов:

Н₂ — 8 — 12%

СО — 7 — 9%

СО₂ — 2 — 3%

СН₄ — отс.

N₂ — 25 — 30%

О₂ — до 0,6%

Н₂О — 40 — 45%

Источниками тепловыделений служат поверхности трубопроводов газового транспорта, корпусов рукавных фильтров.

Отделение оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, которая постоянно должна находиться в работе.

Повышенную опасность в отделении улавливания представляют:

— крепление и замена рукавов в секциях фильтра улавливания;

— неизолированные части оборудования, трубопроводов;

— электрооборудование с нарушенной электроизоляцией;

— движущиеся и вращающиеся механизмы;

— повышенное содержание О₂ в углеродогазовой смеси.

Отделение обработки и участок упаковки характеризуются выделением пыли и тепла от поверхности оборудования. Источниками тепловыделений при гранулировании технического углерода являются бункеры-уплотнители, смесители-грануляторы, сушильные барабаны БСК-40.

Источниками пылевыделений могут быть бункеры-уплотнители, грануляторы, упаковочные полуавтоматы, элеваторы, магнитные сепараторы, классификаторы.

Основной вредностью отделения обработки и участка упаковки является пыль технического углерода, которая может выделяться:

— через неплотности в бункерах-уплотнителях;

— через торцевые уплотнения грануляторов;

— через неплотности установки фланцевых соединений шлюзовых затворов;

— через слабо подтянутые прокладки винтовых конвейеров и других транспортных устройств;

— через лючки для отбора проб технического углерода;

— при упаковке технического углерода;

— при проведении ремонтных работ оборудования;

— при чистке забившихся наклонных коробов подачи технического углерода.

Повышенную опасность в отделении обработки представляют:

— розжиг газовых горелок камеры обогрева сушильного барабана;

— неизолированные части оборудования и трубопроводов;

— электрооборудование с нарушенной изоляцией;

— движущиеся и вращающиеся механизмы.

Аппаратчик о всех неполадках обязан немедленно сообщить сменному мастеру Основные опасности производства представлены в таблице 33

Таблица 33 — Основные опасности производства

5.4 Мероприятия по защите окружающей среды

Мероприятия по защите окружающей среды представлены в таблице 34

Таблица 34 — Мероприятия по защите окружающей среды

Заключение

В результате дипломного проектирования была разработана технологическая схема с элементами автоматизации установки получения технического углерода производительностью 4500 кг/ч по сырью.

Представлено обоснование выбора технологической схемы, составлен материальный баланс установки.

Произведён расчёт основных аппаратов. В результате этого расчёта был сделан вывод, что аппараты с данной нагрузкой справляются и замены не требуют.

Выбраны приборы и средства автоматизации и проведена комплексная автоматизация технологической схемы процесса получения углеродогазовой смеси. Рассчитаны основные технико-экономические показатели производства технического углерода. Также были разработаны методы охраны труда.

В ходе проекта был выполнен чертёж реакторного блока с элементами автоматизации и чертёж общего вида реактора и теплообменника с плавающей головкой.

Список использованных источников

1. Дытнерский, Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Ю. И. Дытнерский, Г. С. Борисов, В. П. Брыков. — М.: «Химия», 1991. — 496 c.

2.Рид, Р. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. — Л.: Химия, 1982. — 592 с.

3. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. — Л: «Химия», 1987. — 576 с.

4. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию.

5 Регламент цеха № 7 ОАО «ЯТУ»

6. ГОСТы:

6.1. Единая система конструкторской документации ЕСКД. Основные положения.

6.2. Единая система конструкторской документации ЕСКД. Общие правила выполнения чертежей.

6.3. ГОСТ 2.312−72. ЕСКД. Условные изображения и обозначения швов сварных соединений.

6.4. ГОСТ 2.701−84. ЕСКД. Схемы, виды и типы. Общие требования к выполнению.

6.5. ГОСТ 2.784−70. Условные цифровые обозначения трубопроводов для жидкостей и газов.