Выделение товарного диэтаноламина

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

ВКР-2069635-240401-12-13

Тема: Выделение товарного диэтаноламина

Руководитель

Ф.Р. Гариева

Студент

В.В. Рыбаков

2012 г.



Реферат

Пояснительная записка 175 с., 24 рисунков, 65 таблиц, 18 источников, 2 приложения. ректификация диэтаноламин этаноламин испаритель

ДИЭТАНОЛАМИН, РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА, РЕКТИФИКАЦИЯ, РАСЧЕТ

Цель дипломного проекта заключалась в расчете и проектировании отделения ректификации диэтаноламина цеха получения этаноламинов.

В процессе проектирования выполнен расчет основного и вспомогательного оборудования. Составлен материальный баланс по всем колоннам, определены параметры режима работы колонн (температура верха и низа, давление в колонне), рассчитаны минимальное и действительное флегмовые числа. Проведен расчет испарителя и конденсатора колонны, определены тепловая нагрузка на конденсатор и расход хладоагента, диаметр и высота колонны, проведен расчет колонны на действие ветровых сил, механический расчет. Подобрано стандартное оборудование. Разработаны мероприятия по охране труда, технике безопасности, автоматизации производства, проведена экологическая оценка проектных решений. В проекте по сравнению с аналогом были изменены технические средства автоматизации, а также предложено решение, связанное с отделением (выносом) конденсатора от колонны. Проведенное технико-экономическое обоснование свидетельствует об экономической целесообразности проекта.



Введение

Производство этаноламинов принято в эксплуатацию в сентябре 1969 года.

По состоянию на 1 января 2006 года мощность производства - 12500 т в год.

Производство этаноламинов непрерывного действия, состоит из одной технологической нитки.

Метод производства основан на взаимодействии окиси этилена и аммиака при давлении 11-12 МПа (110-120 кгс/см²) и температуре 115-125 °С в присутствии воды в качестве катализатора в количестве (4,00,5)%.

Производство этаноламинов по его технико-экономическому уровню относится к первой категории.

На производстве была проведена реконструкция, состоящая из двух этапов. На первом этапе были заменены ректификационные колонны, на втором этапе заменили торцевые насосы на центробежные. Ожидается третий этап реконструкции, после которого понизится давление синтеза этаноламинов со 100 до 40 кгс/см².

Сырьем для получения этаноламинов служит аммиак (привозной «Тольятти Азот» «Кировочепецк) и окись этилена (своя окись этилена поступает из цеха 758, также используется привозная окись из Дзержинска и Нижнекамска). В качестве катализатора, ускоряющего реакцию, служит вода (паровой конденсат).

Технологический процесс получения диэтаноламина непрерывный и состоит из следующих основных стадий:

прием исходного сырья (аммиака и окиси этилена) и приготовление исходной смеси;

синтез этаноламинов;

отгонка избыточного аммиака из реакционной смеси;

отгонка воды и остаточного аммиака из смеси этаноламинов;

отгонка моноэтаноламина и получение диэтаноламина марки Б;

отгонка диэтаноламина марки А и триэтаноламина из диэтаноламина марки Б.

Область применения этаноламинов

Моноэтаноламин всех сортов применяется в газовой и нефтяной промышленности для поглощения кислых газов и серосодержащих органических соединений. Моноэтаноламин высшего и первого сорта применяется также в фармацевтической, текстильной, лакокрасочной промышленности, в производстве пластмасс.

Диэтаноламин применяется в органическом синтезе для поглощения кислых и серосодержащих соединений, а также как реактив в аналитической химии, в производстве моющих средств, косметических препаратов, ингибиторов коррозии.

Технический триэтаноламин входит в состав мягчителей для каучука, охлаждающих жидкостей, парфюмерии. Технический триэтаноламин применяется также в качестве абсорбента кислых газов, ингибитора коррозии, вспомогательного материала в производстве цемента и как сырьё в ряде органических синтезов. [1, с. 10]



1. Технико-экономическое обоснование выбранного метода производства. Выбор места строительства

1.1 Химические свойства этаноламинов

Все этаноламины смешиваются с водой, спиртом, ацетоном, этиленхлоргидрином и глицерином, но почти не растворяются в углеводородах, эфире и некоторых альдегидах. Они обладают слабым аммиачным запахом и сильно гигроскопичны. Основной характер этаноламинов выражен слабо, например триэтаноламин имеет константу диссоциации 2,5·10^-4, но все же с большинством кислот они образуют прочные соли за исключением соли абиетиновой кислоты, которая легко гидролизуется водой. С водяным паром этаноламины нелетучи. С пикриновой кислотой они дают пикраты с температурой плавления 159 ⁰С (для моноэтаноламина) и 109 ⁰С (для диэтаноламина).

Одновременное наличие аминной и гидроксильной групп в этаноламинах обусловливает их большую реакционную способность, вследствие чего их можно использовать для синтеза самых разнообразных соединений. Так, если пропускать пары моноэтаноламина при 300 ⁰С над дегидратирующим катализатором (тонко измельченная медь или окись цинка, содержащая 4,5% карбоната натрия), то получается пиразин с выходом до 6 %, вероятно, в результате следующих реакций:

пиразин



Пиразин из продуктов реакции выделяется в виде двойного соединения с сулемой.

Из моноэтаноламина можно получить этиленимин. С этой целью моноэтаноламин нагревают с кислым сернокислым калием до 250 ⁰С. Этиленимин представляет жидкость с температурой кипения 55-56,6 ⁰С, которая, как и окись этилена, обладает большой реакционной способностью.

Моно- и диэтаноламины могут конденсироваться с б,в-ненасыщенными кислотами, их эфирами или нитрилами. При этом получаются в-оксиалкиламинопроизводные. [2, с. 250]

При повышенной температуре все этаноламины действуют как восстановители, что обусловливается расщеплением их на аммиак и альдегид:

Этаноламины с жирными кислотами дают соли, из которых особенно интересны соли пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот, обладающие характером мыла. Эти мыла почти нейтральны (pH 7,8-8,0), хорошо растворяются в воде, бензоле, толуоле, спиртах, альдегидах, кетонах, скипидаре, в различных нефтяных погонах, причем во всех случаях получаются прозрачные растворы, кроме растворов их в тяжелых минеральных маслах. Консистенция этаноламинового мыла зависит исключительно от кислоты; стеараты этаноламинов - твердые воскоподобные вещества, олеаты - желатинообразные.

Мыла этаноламинов предложено применять в парфюмерной, текстильной и кожевенной промышленности, в качестве моющих и диспергирующих веществ.

Очистка газов водным раствором этаноламинов основана на том, что эти органические основания дают с сероводородом и диоксидом углерода довольно стабильные при низкой температуре соли, которые при нагревании диссоциируют. Поэтому в десорбере этаноламин можно регенерировать и возвращать на абсорбцию. [3, с. 45]

2 HOCH₂ - CH₂NH₂ + H₂S (HOCH₂ - CH₂NH₃)₂S

При нитровании этаноламинов образуются взрывчатые вещества:

Н₂N - CH₂ - CH₂OH + 2HNO₃ HNO₃ · H₂N- CH₂ - CH₂ONO₂ + 2H₂O (2.4) этаноламиндинитрат

НN(CH₂ CH₂OH)₂ + 3HNO₃ HNO₃ · HN(CH₂ CH₂ONO₂)₂ + 3H₂O этаноламинтринитрат

НN(CH₂ CH₂OH)₃ + 4HNO₃ HNO₃ · HN(CH₂ CH₂ONO₂)₃ + 4H₂O этаноламинтетранитрат

При дегидратации диэтаноламина при 175 - 180 ⁰С под действием серной кислоты получается гетероциклическое вещетво - морфолин (тетрагидро-1,4-оксазин):

(2.7)

Морфолин - бесцветная жидкость (температура кипения 128,3 ⁰С; затвердевания - 5 ⁰С; d²⁰₂₀ = 1,0; температура .воспламенения 38 ⁰С) является сильным основанием со сравнтельно невысокой токсичностью. Смешивается с водой во всех отношениях с выделением тепла; образует дигидрат НN(CH₂)₄O·2H₂O. Частично растворим в бензоле, метаноле этаноле, ацетоне и многих других органических растворителях.

Морфолин обладает очень высокой, почти универсальной растворяющей способностью и намного превосходит в этом отношении диоксан, пиридин, бензол. Морфолин нашел также применение как ингибитор коррозии металлов. С жирными кислотами морфолин образует мыла, которые являются хорошими эмульгирующими средствами и применяются в производстве лаков, красок, инсектицидов и гербецидов. Морфолин можно использовать для эффективного выделения ароматических углеводородов С₆, С₇ и С₈ из различных углеводородных смесей и, в частности, из бензинов каталитического риформинга. Он применяется в качестве промежуточного продукта при синтезе эффективных ускорителей вулканизации каучука.

С окисью этилена морфолин образует оксиэтилированные производные

(2.8)

свойства которых меняются с изменением числа присоединенных молекул окиси этилена - от густых жидкостей до твердых воскообразных веществ. Эти соединения находят применение в технике как поверхностно-активные вещества.

Алкилморфолины - N-метилморфолин и N-этилморфолин

N-метилморфолин N-этилморфолин (2.9)



получили применение в качестве катализаторов в производстве пенополиуретанов. Алкилморфолины улучшают качество пенопластов - повышают их прочность при растяжении и изгибе, повышают пластичность и понижают усадку материалов. N-метил- и N-этилморфолины - бесцветные жидкости, смешивающиеся с водой и многими органическими растворителями.

Бензольное производное морфолина - п-бромбензилморфолин

(2.10)

обладает анестезирующим действием, по эффективности равным кокаину, но п-бромбензилморфолин значительно менее токсичен, чем кокаин.

При действии на триэтаноламин тионилхлорида SOСl₂ или пятихлористого фосфора РС1₅ получается трихлортриэтиламин:

N (СН₂СН₂ОН)₃ + 2SOC1₂ N (СН₂СН₂С1)₃

Это - тяжелая маслянистая жидкость, обладающая сильным кожно-нарывным действием, напоминающим действие иприта.

Большое практическое применение приобрели N-алкилированные этаноламины, синтезируемые на основе окиси этилена.

N-Метилдиэтаноламин и N,N-диметилдиэтаноламин используются в синтезе инсектицидов, эмульгаторов и вспомогательных веществ для текстильной промышленности. Сложные эфнры N, N-диметилэтаноламина являяются флотореагентами.

N,N-Диэтилэтаноламин применяется в синтезе новокаина и противомалярийных средств. Эфиры N,N-диэтилэтаноламина жирных кислот служат эмульгаторами масел и восков.

N-(Оксиэтил)-этилендиамин и N,N-диоктилэтаноламнн являются полупродуктами для органических синтезов.

Продукт конденсации N,N-диоктадецилэтаноламина с окисью этилена используют в качестве текстильно-вспомогательного вещеcтва для ацетатного шелка. [4, с. 729].

1.2 Получение этаноламинов

Синтез этаноламинов основан на взаимодействии окиси этилена и аммиака при давлении 11 - 12 МПа (110-120 кгс/см²) и температуре 115-125 °С в присутствии воды в качестве катализатора (в количестве 4,0 0,5%).

Синтез протекает по следующим основным реакциям:

CH₂ Ї CH₂ + NH₃ > H₂N Ї CH₂ Ї CH₂ Ї OH моноэтаноламин

CH₂ Ї CH₂ Ї OH

CH₂ Ї CH₂ + H₂N Ї CH₂ Ї CH₂ Ї OH > HN

O CH₂ Ї CH₂ Ї OH диэтаноламин

CH₂ Ї CH₂ Ї OH CH₂ Ї CH₂ Ї OH

CH₂ Ї CH₂ + HN > N Ї CH₂ Ї CH₂ Ї OH

O CH₂ Ї CH₂ Ї OH CH₂ Ї CH₂ Ї OH триэтаноламин

Состав этаноламинов в процессе синтеза можно широко варьировать путем изменения соотношения окиси этилена и жидкого аммиака в исходной смеси.

Скорости присоединения первой, второй и третьей молекул окиси этилена одинаковы. Поэтому, даже если в реакцию вводят эквимолярные количества окиси этилена и аммиака, в продуктах реакции все равно содержатся все три этаноламина. Но соотношение количеств этих этаноламинов в конечном продукте зависит от соотношения аммиака и окиси этилена.

Применение избытка окиси этилена приводит к дальнейшей конденсации и образованию оксиэтилированных производных триэтаноламина.

Применение избытка окиси этилена приводит к дальнейшей конденсации и образованию оксиэтилированных производных триэтаноламина.

Реакция образования этаноламинов протекает с выделением тепла, которое отводят охлаждающим рассолом, циркулирующим в межтрубном пространстве колонны 2. Температуру в реакционной массе поддерживают не выше 65 ⁰С. Продукты реакции, вытекающие из нижней части колонны 2, подогревают до 80 ⁰С в аппарате 3 и направляют в отгонную колонну 6. При подогреве до 115 ⁰С из раствора отгоняют в отгонную аммиак, двуокись углерода и часть воды. Из нижней части отгонной колонны отводят водный раствор этаноламинов - этаноламин-сырец. Его подвергают ректификации в двухколонном ректификационном агрегате (колонны 8, 10). [4, с. 728].

1.3 Выбор места строительства

ОАО «Казаньоргсинтез» расположен на окраине города Казани на расстоянии санитарной зоны 1000 м.

Выбор места строительства определяется наличием источников дешевого сырья и вспомогательных материалов, энергетических ресурсов, транспортных связей, потребителей продукции, квалифицированных кадров, благоприятных климатических условий.

Выбор места строительства производства этаноламинов, основанный на взаимодействии окиси этилена и аммиака в присутствии воды в качестве катализатора, является экономичным по следующим причинам:

1 Наличие сырья. Сырьем для получения этаноламинов служит и окись этилена (на заводе производится своя окись этилена, поступающая на синтез этаноламинов из цеха 758, также используется привозная окись из Дзержинска и Нижнекамска) и аммиак (привозной - «Тольятти Азот», «Кировочепецк»)

2 Наличие воды и пара. В качестве катализатора, ускоряющего реакцию, служит вода (паровой конденсат). Вода поставляется из Волги через водозабор, где проходит грубую очистку, хлорируется и подается на завод для технологических нужд. Также на заводе есть цех водоснабжения, обеспечивающий цехи оборотной водой. Пар вырабатывается на ближайшей ТЭЦ и по трубопроводам поступает в цех.

3 Наличие энергоресурсов. Электричество, необходимое для проведения процесса вырабатывается на ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3.

4 Наличие дорог. Дороги полностью обеспечивают доступность цеха со всех сторон.

Производство обладает большим потенциалом квалифицированных трудовых ресурсов. Квалифицированные кадры готовит ФГБОУ ВПО «КНИТУ», ФГБОУ ВПО «КНИТУ-КАИ», КГЭУ, КХТТ.

Город Казань расположен в умеренной климатической зоне, нет случаев значительной сейсмической активности.

Часть источников потребления готовой продукции находится в регионе, часть - в Ближнем Зарубежье, основная часть - на Дальнем Зарубежье. Завод имеет возможность кооперировать с другими производствами.



2. Технологическая часть

2.1 Физико-химические константы, свойства и техническая характеристика исходных, промежуточных и конечных продуктов

Физико-химические константы и свойства исходных, промежуточных и конечных продуктов представлены в таблице 1. [1, с. 8].

Таблица 1 - Физико-химические константы и свойства исходных, промежуточных и конечных продуктов

Наименование констант и свойств	Моноэта- ноламин	Диэтанол- амин	Триэта- ноламин
Эмпирическая формула	C2H7ON	C4H11O2N	C6H15O3N
Молекулярный вес	61,08	105,14	149,19
Удельный вес при 25 °С, 30 °С и 20°С (соответственно) кг/м3	1009,8	1087,1	1127,0
Температура кипения, °С	170-172	270	360
Температура затвердевания, °С	10,5	28,0	21,0
Теплота испарения, ккал/моль	12,1
Растворимость	неограниченно растворяются в воде, этаноле; растворяются в эфире, хлороформе; трудно растворимы в бензоле, лигроине
Показатель преломления nД20	1,4539	1,4776	1,4852
Молекулярная рефракция	16,2	27,3	38,1
Константы электролитической диссоциации	рКа = 9,5	-	рКа = 7,82
Зависимость плотности в г/см3 безводных этаноламинов от температуры, °С	1,0353-0,0008125Т	1,1135- 0,0007318Т	1,1366-0,0006171Т
Теплота образования, ккал/моль	65	112,6	159,5
Вязкость этаноламинов при 20 °С	24,1	380,0	1013,0

Зависимость плотности этаноламинов и их водных растворов от температуры показана в таблице 2. [1, с. 8].

Таблица 2 - Зависимость плотности этаноламинов и их водных растворов от температуры, г/см³

Т,°С	Массовая доля моноэтаноламина в растворе, %
	20	40	60	80	100
10	1,008	1,025	1,032	1,033	1,027
20	1,005	1,020	1,028	1,027	1,019
30	1,002	1,016	1,020	1,018	1,011
40	0,998	1,009	1,013	1,011	1,003
50	0,993	1,003	1,006	1,004	0,994
60	0,987	0,996	0,999	0,995	0,986
70	0,982	0,990	0,991	0,988	0,978
80	0,976	0,983	0,981	0,980	0,970
Т, °С	Массовая доля диэтаноламина в растворе, %
	20	40	60	80	100
10	1,019	1,054	1,080	1,097	1,106
20	1,016	1,047	1,072	1,089	1,099
30	1,013	1,042	1,067	1,082	1,092
40	1,009	1,036	1,060	1,075	1,084
50	1,004	1,029	1,053	1,069	1,077
60	1,000	1,025	1,047	1,064	1,069
70	0,994	1,019	1,040	1,057	1,062
80	0,988	1,013	1,034	1,050	1,055
Т, °С	Массовая доля триэтаноламина в растворе, %
	20	40	60	80	100
10	1,033	1,068	1,100	1,120	1,131
20	1,029	1,060	1,092	1,114	1,124
30	1,024	1,055	1,086	1,107	1,118
40	1,020	1,050	1,080	1,101	1,112
50	1,016	1,044	1,073	1,094	1,106
60	1,011	1,038	1,066	1,087	1,099
70	1,004	1,032	1,059	1,080	1,093
80	0,999	1,026	1,053	1,071	1,087

Зависимость температуры кипения этаноламинов от давления представлена в таблице 3. [1, с. 9].



Таблица 3 - Зависимость температуры кипения этаноламинов от давления

Т, °С	Давление паров этаноламинов, мм рт. ст.
	моноэтаноламин	диэтаноламин	триэтаноламин
30	0,8	0,09	0,049
50	3,3	0,36	0,170
60,6	6,5	-	-
75,0	13,8	1,66	0,710
80,2	18,1	-	-
90,3	31,9	-	-
100,1	50,1	-	2,340
110,3	78,9	-	-
120,1	122,6	-	-
130,1	186,0	-	-
136,1	-	6,6	-
140,0	272	-	-
140,8	-	8,3	-
149,8	388,6	-
151,1	-	14,0
160,1	550,2	-
160,7	-	21,4
170,0	754,0	-
170,9	-	32,0
181,3	-	48,4
200,0	-	83,3
230,0	-	240,0
250,0	-	450,0
268,0	-	751,0

2.2 Техническая характеристика исходного сырья, основных продуктов и вспомогательных материалов. Техническая характеристика побочных продуктов и отходов

Готовыми продуктами производства являются моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин.

Моноэтаноламин представляет собой прозрачную жидкость с аммиачным запахом, не содержащую механических примесей.

Техническая характеристика моноэтаноламина по физико-химическим показателям должна соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 4 ТУ 2423-159-00203335-2004. [1, с. 4].

Таблица 4 - Техническая характеристика моноэтаноламина ТУ 2423-159-00203335-2004

Наименование показателя	Нормы для сортов
	Высший сорт	I сорт	II сорт	III сорт
1 Массовая доля моноэтаноламина, %, не менее	98,8	98,0	95,0	78,0
2 Массовая доля диэтаноламина, %, не более	0,6	1,0	2,0	7,0
3 Массовая доля воды, %, не более	0,6	1,0	3,0	не нормируется
4 Цветность, единицы Хазена, не более	50	-	-	-
5 Плотность при 20 °С, г/см3	1,015-1,018	1,015-1,018	1,015-1,025	1,015 1,050

Диэтаноламин чистый по физико-химическим свойствам должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 5 ТУ 6-09-2652-91 с изменениями № 1, 2, 3.[1, с. 4].

Таблица 5 - Техническая характеристика диэтаноламина чистого ТУ 6-09-2652-91 с Изменениями № 1, 2, 3

Наименование показателя	Норма
1 Внешний вид	Густая вязкая жидкость или кристаллы желтого цвета
2 Массовая доля этаноламинов (в пересчете на 2,2-иминодиэтанол), %, не менее	98
3 Показатель преломления nД20, в пределах	1,4770-1,4790
4 Температура кристаллизации, °С, не ниже	25,7
5 Растворимость в воде	удовлетворяет испытанию



Диэтаноламин представляет собой густую вязкую жидкость или кристаллы желтого цвета.

2.3 Физико-химические основы процесса

Ректификация - процесс многократного испарения жидкости и конденсации паров, сопровождающийся процессами массо- и теплообмена, в результате которого в дистилляте получается легколетучий компонент, в кубе - тяжелокипящий компонент за счет противоточного движения пара и жидкости по колонне. Ректификация осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имею много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.

Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия

Расчет ректиификационной колоны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колоны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадкок.

Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше её свободный объём и, следовательно, выше производительность. Однако вследствии меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуется высокая производительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения.

Давление и температура в колонне ректификации являются основными параметрами технологического режима. Понижение давления по сравнению с атмосферным необходимо при разделении термически нестабильных смесей. В этом случае уменьшается температура процесса, увеличивается относительная летучесть компонентов, улучшается разделение смеси. Это позволяет применить колонну с меньшим флегмовым числом и меньшей поверхностью теплообмена кипятильника колонны, однако, ухудшается конденсация паров, уменьшается температура конденсации в конденсаторе колонны. [5, с.125].

2.4 Новые инженерные решения, предлагаемые в проекте

В проекте по сравнению с аналогом были изменены технические средства автоматизации.

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, удлинение сроков межремонтного пробега оборудования. Внедрение специальных автоматических устройств, способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха и водоёмов промышленными отходами.

Комплексная автоматизация процессов химической технологии предполагает не только автоматическое обеспечения нормального хода этих процессов и использованием различных автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации и т.д.), но и автоматическое управление пуском и остановкой аппаратов для ремонтных работ и в критических ситуациях.

Кроме того, в проекте по сравнению с аналогом было предложено решение связанное с отделением (выносом) конденсатора от колонны, тем самым мы сократили капитальные затраты на оборудование, что в свою очередь ведет к снижению себестоимости выпускаемой продукции и повышению производительности труда.

2.5 Описание технологической схемы

Технологический процесс ректификации диэтаноламина непрерывный и состоит из следующих основных стадий:

1 отгонка воды и остаточного аммиака из смеси этаноламинов;

2 отгонка моноэтаноламина и получение диэтаноламина марки Б;

3 отгонка диэтаноламина марки А и триэтаноламина из диэтаноламина марки Б.

Отгонка воды и остаточного аммиака из смеси этаноламинов

Питание в колонну поз. 1 поступает с участка очистки смеси этаноламинов от аммиака. Колонна поз. 1 представляет собой ректификационный аппарат насадочного типа диаметром 500 мм и предназначена для отгонки воды и остаточного аммиака из смеси этаноламинов.

Насадка размещается двумя слоями высотой 3,0 и 3,5 м. Подача питающей жидкости производится через распределительную тарелку на нижний слой насадки.

Режим работы колонны поз. 1

Давление в кубе колонны - не более 0,1 МПа.

Температура в кубе колонны - не более 200 ⁰С

Флегмовое число - 0,8 - 1,3

Колонна поз. 1 оборудована кипятильником поз. 8, конденсатором поз. 4 и хвостовым конденсатором поз. 5.

Тепло, необходимое для процесса ректификации, подводится в кипятильник поз.8, обогреваемый паром давлением 2,3 МПа.

Пары воды, аммиака, выходящие из верхней части колонны поз. 1, поступают в конденсатор поз. 4, охлаждаемый водой оборотного цикла.

Дистиллят колонны поз. 1 стекает в сборник поз. 7. Часть дистиллята из сборника поз. 7 насосом поз. 12 в виде флегмы возвращается в колонну поз. 1, а другая часть откачивается в емкость поз. 11. Не сконденсировавшиеся пары аммиака из конденсатора поз. 4 поступают в хвостовой конденсатор поз. 5, охлаждаемый оборотной водой. Конденсат из конденсатора поз. 5 стекает в сборник поз. 6. Остатки паров аммиака от конденсатора поз. 6 поступают в скруббер на поглощение.

Кубовая жидкость из колонны поз. 1, содержащая обезвоженную смесь этаноламинов, поступает в буферную емкость поз. 10 через холодильник поз. 9, охлаждаемый водой. Предусмотрено охлаждение кубовой жидкости, имеющей температуру до 200 ⁰С, в холодильнике поз. 9 до (100-115) ⁰С.

Буферная емкость поз. 10 оборудована встроенным подогревателем для предотвращения застывания продукта в емкости. Подогрев производится паром 0,3 МПа, для предотвращения контакта этаноламинов с кислородом, углекислотой и влагой воздуха емкость находится под «азотным дыханием».

Кубовая жидкость колонны поз. 1 подается в колонну поз. 2 насосом поз. 13 для отгонки моноэтаноламина и получения диэтаноламина марки Б.

Отгонка моноэтаноламина и получение диэтаноламина марки Б

Практически безводная смесь этаноламинов из емкости поз.10 подается на питание в колонну поз.2 насосом поз. 13. Питающая жидкость, поступающая в колонну, имеет температуру (115-120) ⁰С.

Колонна поз. 2 представляет собой ректификационный аппарат насадочного типа диаметром 1200 мм и предназначена для получения моноэтаноламина по верху колонны и диэтаноламина марки Б в кубовом остатке. Насадка размещается тремя слоями 1,5 м, 3,0 м и 3,5 м. Подача питающей жидкости производится на распределительную тарелку между нижней и средней секциями насадок.

Колонна поз. 2 оборудована двумя пленочными испарителями поз. 18, конденсатором поз. 14, хвостовым конденсатором поз. 15 и барометрическим сборником поз. 16.

Хвостовой конденсатор поз. 15 установлен на линии вакуума перед пароэжекционнымьвакуум-насосом.

Тепло, необходимое для процесса ректификации, подводится к пленочным испарителям паром давлением 2,3 МПа.

Режим работы колонны поз. 2

Остаточное давление верха колонны - не более 40 мм рт.ст.

Температура в кубе колонны - не более 205 ⁰С.

Пары моноэтаноламина, выходящие из верхней части колонны поз. 2, поступают в конденсатор поз. 14, охлаждаемый оборотной водой. Конденсат стекает на «глухую» тарелку, откуда самотеком в сборник дистиллята поз. 17. Часть дистиллята из сборника поз. 17 насосом поз. 22 возвращается в колонну поз. 2 в качестве флегмы, остальная часть, в зависимости от уровня в сборнике поз. 17, откачивается в емкость поз. 20. Во избежание контакта моноэтаноламина с углекислотой и влагой воздуха к емкости поз. 20 подведено «азотное дыхание».

После заполнения емкости поз. 20 моноэтаноламином емкость отключается от приема продукта и ставится на циркуляцию с помощью насоса и через час после начала циркуляции отбирается проба продукта на анализ.

При получении результатов анализа на соответствие техническим условиям, моноэтаноламин из емкости поз. 20 откачивается насосом в емкости склада готовой продукции, в железнодорожную цистерну или в тару потребителя при температуре не более 80 ⁰С.

Не сконденсировавшаяся часть паров из конденсатора поз. 14 поступает в хвостовой конденсатор поз. 15, охлаждаемый оборотной водой. Сконденсировавшаяся в конденсаторе поз. 14 жидкость (этаноламины) самотеком стекает в барометрический сборник поз. 16.

Кубовая жидкость колонны поз. 2 - диэтаноламин марки Б циркулирует через испарители поз. 18 с помощью насосов поз. 21 и поступает в емкость поз. 19. Емкость поз. 19 оборудована встроенными трубными пучками. К ним подведена оборотная вода.

После заполнения емкости поз. 19 диэтаноламином марки Б емкость отключается от приема продукта и ставится на циркуляцию с помощью насоса и через час после начала циркуляции отбирается проба продукта на анализ.

Отгонка диэтаноламина марки А на колонне поз. 3

Диэтаноламин марки Б из емкости поз. 19 насосом поз. 23 подается на питание в колонну поз. 3. Температура питания колонны поз.3 не более 150^оС.

Колонна поз. 3 представляет собой ректификационный аппарат насадочного типа диаметром 1000 мм и предназначена для получения диэтаноламина марки А боковым отбором, триэтаноламина по кубу колонны и отгона легкокипящих компонентов (вода, моноэтаноламин) по верху колонны.

Насадка размещается тремя слоями 3,2 м, 4,2 м и 1,8 м. Подача питающей жидкости под средней секцией, подача флегмы над верхней секцией, боковой отбор расположен между средней и верхней секциями.

Колонна поз. 3 оборудована пленочным испарителем поз. 28, конденсатором поз. 24, хвостовым конденсатором поз. 25.

Режим работы колонны поз. 3

Остаточное давление верха колонны - не более 40 мм рт. ст.

Температура верха колонны - не более 150⁰С.

Температура в зоне бокового отбора - (150-165)⁰С

Температура в кубе колонны - не более 210⁰С

Тепло, необходимое для процесса ректификации, подводится к пленочному испарителю поз. 28, обогреваемому паром давлением 2,5 МПа.

Пары воды, моно- и диэтаноламина, выходящие из верхней части колонны поз. 3, поступают в конденсатор поз. 24, охлаждаемый оборотной водой, стекают в сборник поз. 27. Из сборника поз. 27 часть дистиллята насосом поз. 35 возвращается в виде флегмы в колонну поз. 3, а остальная часть насосом поз. 35 откачивается в емкость поз. 32.

Не сконденсировавшиеся пары из дефлегматора поз. 24 поступают в хвостовой конденсатор поз. 25, охлаждаемый оборотной водой. Оттуда парожидкостная смесь поступает в расширитель, конденсат с нижней части которого стекает в сборник поз. 26.

Конденсат из конденсаторов пароэжекционного насоса через барометрический сборник стекает в химзагрязненную канализацию.

Диэтаноламин с глухой тарелки бокового отбора, расположенной над вторым слоем насадки, стекает в сборник поз. 29 и насосом поз. 34 откачивается в емкость поз. 31.

Циркуляция кубовой жидкости колонны поз. 3 через пленочный испаритель поз. 28 и отбор осуществляется насосом поз. 33.

Кубовая жидкость колонны поз. 3 - триэтаноламин марки Б циркулирует через испарители поз. 28 с помощью насоса поз. 33 и поступает в емкость поз. 30.

В случае отсутствия потребности в наработке триэтаноламина марки А с улучшенными показателями по внешнему виду, кубовая жидкость колонны поз. 3 отбирается в емкости поз. 30.

После заполнения одной из емкостей поз. 30 триэтаноламином марки А, емкость отключается от приема продукта и ставится на циркуляцию насосом для отбора пробы на анализ.

После получения результатов анализа на соответствие техническим условиям, триэтаноламин из емкости поз. 30 насосом откачивается в емкости склада готовой продукции, в железнодорожную цистерну или в тару потребителя.

2.6 Рабочие технологические параметры по основному узлу

Колонна поз. 1 - ректификационная колонна. Представляет собой вертикальный цилиндрический металлический (12Х18Н10Т) аппарат насадочного типа. Предназначена для отгонки воды и остаточного аммиака из смеси этаноламинов

Режим работы колонны поз. 1

Давление в кубе колонны - не более 0,1 МПа.

Температура в кубе колонны - не более 200 °С

Флегмовое число - 0,8 - 1,3

В колонне два слоя насадки высотой 3,5 и 3,0 метра. Насадка «РГН», плотность насадки 300 кг/м³

Диаметр колонны - 500 мм

Высота колонны - 12865 мм

Расчетное давление - 0,7 кгс/см²

Колонна поз. 2 - ректификационная колонна. Представляет собой вертикальный цилиндрический металлический (12Х18Н10Т) аппарат насадочного типа. Предназначена для отгонки воды моноэтаноламина и получения диэтаноламина марки Б.

Режим работы колонны поз. 2

Остаточное давление верха колонны - не более 40 мм рт. ст.

Температура в кубе колонны - не более 205 ⁰С

Количество слоев насадки - 3

В колонне три слоя насадки высотой:

Нижний - 3,5 м Средний - 3 м Верхний - 1,5 м

Рабочее давление - вакуум

Диаметр - 1200 мм

Высота колонны с юбкой - 21795 мм

Колонна поз. 3 - ректификационная колонна. Представляет собой вертикальный цилиндрический металлический (12Х18Н10Т) аппарат насадочного типа. Предназначена для получения диэтаноламина марки А боковым отбором, триэтаноламина по кубу колонны и отгона легкокипящих компонентов (вода, моноэтаноламин) по верху колонны

Режим работы колонны поз.3

Остаточное давление вверху колонны - не более 40 мм рт. ст.

Температура верха колонны - не более 150⁰С.

Температура в зоне бокового отбора - (150-165)⁰С

Температура в кубе колонны - не более 210⁰С

Установлены три секции насадки:

1 секция (снизу) высотой 3,2 м 2 секция - 4,2 м 3 секция - 1,8 м

Высота с юбкой - 23300 мм

Диаметр - 1000 мм

Давление рабочее - 5 мм.рт. ст.

Температура рабочая - 210 ⁰С

2.7 Описание работы основного аппарата поз.3

Колонна поз. 3 представляет собой ректификационный аппарат насадочного типа диаметром 1000 мм и предназначена для получения диэтаноламина марки А боковым отбором, триэтаноламина по кубу колонны и отгона легкокипящих компонентов (вода, моноэтаноламин) по верху колонны.[1, c. 39]

Насадка размещается тремя слоями 3,2 м, 4,2 м и 1,8 м. Подача питающей жидкости под средней секцией, подача флегмы над верхней секцией, боковой отбор расположен между средней и нижней секциями.

Насадка регулярная сегментная КЦРФ.067355.001ТУ изготавливается в виде набора кольцевых сегментных блоков, которые при сборке плотно заполняют весь рабочий объем колонны. Каждый сегментный блок выполнен в виде пакета из гофрированных листов с перекрестным расположением гофров в смежных листах. Поверхность насадки может иметь специальную обработку в виде пуклёвки или просечки. Такая конструкция выгодно отличается плотной укладкой с исключением зазоров между насадкой и корпусом колонны. Благодаря своей геометрии, сегментная насадка сохраняет исходное равномерное распределение фаз в поперечном сечении колонны при большой высоте слоя насадки.

Режим работы колонны поз. 3

Остаточное давление вверху колонны - не более 40 мм рт. ст.

Температура верха колонны - не более 150⁰С.

Температура в зоне бокового отбора - (150-165) ⁰С

Температура в кубе колонны - не более 210 ⁰С

Колонна поз. 3 оборудована пленочным испарителем поз. 28, конденсатором поз. 24, хвостовым конденсатором поз. 25.

Тепло, необходимое для процесса ректификации, подводится к пленочному испарителю поз. 28, обогреваемому паром давлением 2,5 МПа.

Пары воды, моно- и диэтаноламина, выходящие из верхней части колонны поз. 3, поступают в конденсатор поз. 24, охлаждаемый оборотной водой, стекают в сборник поз. 27. Из сборника поз. 27 часть дистиллята насосом поз. 35 возвращается в виде флегмы в колонну поз. 3, а остальная часть откачивается в емкость поз. 32.

Не сконденсировавшиеся пары из дефлегматора поз. 24 поступают в хвостовой конденсатор поз. 25, охлаждаемый оборотной водой. Оттуда парожидкостная смесь поступает в расширитель, конденсат с нижней части которого стекает в сборник поз. 26. Пары из верхней части расширителя отсасываются пароэжекционным насосом, создающим в системе колонны поз. 3 необходимый вакуум.

Конденсат из конденсаторов пароэжекционного насоса через барометрический сборник стекает в химзагрязненную канализацию.

Диэтаноламин с глухой тарелки бокового отбора, расположенной над вторым слоем насадки, стекает в сборник поз. 29 и насосом поз. 34 откачивается в емкость поз. 31.

После заполнения емкость поз. 31 ставится на циркуляцию и отбирается проба на анализ. После получения результатов анализа на соответствие техническим условиям, диэтаноламин откачивается в емкости склада готовой продукции, в железнодорожную цистерну или в тару потребителя.

Циркуляция кубовой жидкости колонны поз. 3 через пленочный испаритель поз. 28 и отбор осуществляется насосом поз. 33.

Кубовая жидкость колонны поз. 3 - триэтаноламин марки Б циркулирует через испарители поз. 28 с помощью насоса поз. 33 и поступает в емкость поз. 30.

2.8 Технико-технологические расчеты

Расчет и выбор ректификационной колонны поз.3.

Ректификационная колонна поз. 3 представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат насадочного типа и предназначена для получения диэтаноламина марки А боковым отбором, триэтаноламина по кубу колонны и отгона легкокипящих компонентов (вода, моноэтаноламин) по верху колонны. [5, c. 126], [6, c. 327]

Расчет температуры и давления в колонне, флегмового числа, теплового баланса приведен в приложении А.[7, c. 61].

Результаты расчета:

Температура верха колонны 112 ⁰С

Температура куба колонны 188 ⁰С

Температура питания 165 ⁰С

Давление верха колонны 25 мм рт. ст.

Давление куба колонны 31 мм рт. ст.

Флегмовое число 1,031

Диаметр колонны 1,0 м

Высота колонны 16,8 м

Расчет геометрических размеров колонны поз.3

Для расчета геометрических размеров колонны примем, что в ней разделяется двухкомпонентная смесь диэтаноламин - триэтаноламин.

Полученные данные нанесены в виде кривой в координатах - х (рисунок 2). Диаграмма равновесия для смеси диэтаноламин-триэтаноламин в координатах температура t - пара y и жидкости x представлена на рис.3.

Рисунок 2 - Диаграмма равновесия для смеси диэтаноламин-триэтаноламин в координатах состав пара y - состав жидкости x

Рисунок 3 - Диаграмма равновесия для смеси диэтаноламин-триэтаноламин в координатах температура t - пара y и жидкости x



Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению:

(3.1) [5, c.126]

Расчет скорости пара и диаметра колонны.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

L_в = DRМ_верх/М_D (3.2) [5, c.126]

L_н = DRM_ниж/М_D+F*M_ниж / М_F , (3.3) [5, c.126]

где М_D и M_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси; М_В и М_Н - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

М_верх = М_МЭАх_ср.в+М_ДЭА(1- х_{ср. в}),

М_ниж = М_МЭАх_ср.н+М_ДЭА(1- х_{ср. н});



где М_МЭА и М_ДЭА- мольные массы моноэтаноламина и диэтаноламина соответственно;

х_{ср в} и х_{ср н} - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны:

кмоль/кмоль смеси

кмоль/кмоль смеси

Тогда

кг/кмоль

кг/кмоль

Мольная масса исходной смеси:

кг/кмоль

Подставим рассчитанные величины в выражения для средних массовых расходов, получим:

кг/с

кг/с

Средние массовые потоки пара в верхней G_В и нижней G_Н частях колонны:



где М_В и М_Н - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны.

М_В = М_ДЭА•y_{ср в}+М_ТЭА•(1- y_{ср в})

М_Н = М _ДЭАв•y_{ср н}+М_ТЭА•(1- y_{ср н}),

Тогда

М_В = 105,14•0,963+149,19•(1- 0,963) =106,7 кг/кмоль

М_Н = 105,14•0,677+149,19•(1- 0,677) = 119,4 кг/кмоль

Подставив численные значения, получим:

кг/c

кг/c

Для ректификационных колон, работающих в плёночном режиме при атмосферном

давлении, рабочую скорость можно принять на 20-30% ниже скорости захлебывания.

Предельную фиктивную скорость пара, при которой происходит захлёбывание колонны находим по формуле:

(3.7) [5, c.127]

где с_x, с_y - средние плотности жидкости и пара, кг/м³;

м_x, м_y - вязкости жидкости и пара, ;

L, G - средние массовые расходы жидкости и пара;

щ - предельная скорость паров, м/с;

a - удельная поверхность насадки м²/м³;

- свободный объём насадки ме ³/м³.

Найдем плотности жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н:

t_в = 272 °C t_н = 300°C

Тогда

(3.8) [5, c.128]

кг/м³

кг/м³

Плотности диэтаноламина и триэтаноламина при температуре смеси близки:

с_ДЭА = с_ТЭА = 1107 кг/м³

Вязкость жидких смесей находим по уравнению:

lgм_x = x_cplgм_ДЭА + (1-x_cp)lgм_ТЭА (3.9) [5, c.128]

где м_ДЭА, м_ТЭА - вязкости жидких ди- и триэтаноламина при температуре смеси.

Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней части колонны равна соответственно:



lgм_xв = x_cp.вlgм_ДЭА + (1-x_cp.в)lgм_ТЭА

lgм_xв = 0,855•lg 0,987+(1-0,855)·lg 1,022

м_xв = 0,992 мПа·с

lgм_xн = x_cp.нlgм_ДЭА + (1-x_cp.н)lgм_ТЭА

lgм_xн = 0,421•lg 0,891+(1-0,421)lg 0,898

м_xн = 0,895 мПа·с

Для регулярной сегментной насадки Инжехим КЦРФ.067355.001ТУ,

Толщина ленты 1 мм

Угол наклона гофр 45⁰

Удельная поверхность а = 400 м²/м³

Свободный объём е = 0,439 м³/м³

Насыпная плотность 200 кг/м³

Предельная скорость паров в верхней части колонны

щ_пв:

щ_пв = 0,335 м/с

Аналогично предельная скорость паров в нижней части колонны

щ_пн:

щ_пн = 0,328 м/с

Примем рабочую скорость щ на 30% ниже предельной:

щ_в = 0,7 · 0,335 = 0,234м/с

щ_н =0,7 · 0,328 = 0,229 м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

(3.10) [5, c.128]

м

м

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах укрепляющей и исчерпывающей частей колонны (вследствие различия скоростей и расходов паров), изготовляют колонну единого диаметра, равного большему из рассчитанных. Выберем стандартный диметр обечайки колонны из таблицы стандартных диаметров:d_ст=1,0 м

При этом действительные рабочие скорости пара будут равны:

что составляет соответственно 64,5 и 68,3 от предельных скоростей.

Расчет высоты насадки

Высоту насадки рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

(3.11) [5, c.128]

где n_oy- общее число единиц переноса по паровой фазе;

h_oy - общая высота единицы переноса, м.

m - средний коэффициент распределения в условиях равновесия

m_cp.в = 1,157

m_cp.н = 1,220

По графику находим общее число единиц переноса в верхней n_{oy в} и нижней n_{oy н} частях колонны:

(3.12) [5, c.128]

(3.13) [5, c.128]

Число единиц переноса в верхней n_{oy в} части колонны:

= 4,585 - 1,537 = 3,048

Число единиц переноса в нижней n_{oy н} части колонны:

= 1,537 - 1,204 = 0,333

Общую высоту единиц переноса найдем по уравнению аддитивности:

(3.14) [2, c.129]

где h_x и h_y - частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах; m - средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости:

для верней части колонны

для нижней части колонны

(3.15) [5, c.129]

Рассчитаем вязкость паров в верхней и нижней части колонны:

(3.16) [5, c.129]

где µ_ДЭА и µ_ТЭА - вязкость паров ди- и триэтаноламина при средней температуре верхней части колонны, мПа·с; y_в - средняя концентрация паров,

(3.17) [5, c.127]

тогда получим:

- верх колонны

Аналогично для нижней части колонны:



- низ колонны

Рассчитаем коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20°С

(3.18) [5, c.129]

где А, В- коэффициенты, зависящие от свойств р...