Ректификация формалина-сырца

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Общая характеристика производства, его технико-экономический уровень и обоснование основных технологических решений

1.2 Характеристика производимой продукции

1.3 Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов

1.4 Физико-химические основы технологического производства

1.5 Выбор и обоснование технологической схемы производства

1.6 Описание технологического процесса

1.7 Материальный баланс

1.8 Ежегодные нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов

1.9 Ежегодные нормы образования отходов производства

1.10 Нормы технологического режима

1.11 Контроль производства и управление технологическим процессом

1.12 Обеспечение безопасности и жизнедеятельности

1.13 Охрана окружающей среды

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс

2.2 Тепловой баланс

2.3 Технологический расчет основного аппарата

2.4 Гидравлический расчет

2.5 Механический расчет

2.6 Подбор оборудования

Заключение

Список использованной литературы и источников

Приложение А Спецификация технологического оборудования

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: получение студентам общих представлений о производстве формалина в целом, выпуске продукции и организации производственных процессов на промышленных предприятиях профиля направления, о конструкции и характеристиках основных химика – технологических аппаратов.

Полное наименование производства - цех по производству формалина производства формалина и карбамидных смол ОАО "Томского нефтехимического комбината.

Ввод в эксплуатацию I,II технологических ниток - 1985 год и III технологической нитки – 1987 год.

Проектная мощность цеха по производству формалина составляет - 380000 т/год формалина.

Мощность отделения получения катализатора принята из расчета загрузки трех контактных аппаратов 4 раза в год - 6613 кг/год.

В состав цеха по производству формалина входит установка синтеза формальдегида, установка утилизации и термического обезвреживания абгазов, предназначенная для получения промышленной теплофикационной воды от сжигания абгазов и природного газа, отгрузка формалина.

Процесс получения формалина на установке синтеза представлен в виде трех параллельных ниток, состоящих из следующих узлов:

- получение метаноло-воздушной смеси;

- синтез формальдегида;

- абсорбция формальдегида;

- ректификация формалина-сырца

и узлов, выполненных общими для трех ниток:

- сбор и переработка некондиционных и дренируемых продуктов;

- факельная установка;

- очистка газовых выбросов;

- теплопункт;

- получение катализатора.

Продукция завода - формалин технический, метанольный, используется в промышленности в качестве сырья для производства синтетических смол, пластических масс, органических красителей, поверхностно-активных веществ, лаков, лекарственных препаратов, в качестве антисептического средства в медицине и животноводстве, в кожевенной промышленности для дубления кожи, в сельском хозяйстве для протравления семян, для изготовления взрывчатых веществ.

80 % готовой продукции производства формалина перерабатывается внутри предприятия для производства карбамидоформальдегидных смол.

Мебельщики Западной Сибири и предприятия деревообрабатывающей промышленности давно оценили качество продукции завода формалина и карбамидоформальдегидных смол.

На заводе выпускаются такие марки смол, как КФ-Ж и КФ-МТ-15, используемые в производстве фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит в качестве связующих материалов, для пропитки бумаги при выпуске синтетического шпона, а также для приготовления лака, изготовления стержней и форм в металлургической промышленности.

К 1995 году специалистами завода разработана и внедрена в производство новая модификация карбамидной смолы - концентрат карбамидоформальдегидный марки ККФ-1 и ККФ-2. Особенностью этой продукции является малая токсичность, длительный срок хранения (имеет годовую гарантию качества) и, кроме того, из него без труда можно получить различные марки карбамидных смол (КФ-0, КФ-Ж, КФ-МТ-15, КФ-БЖ), а также использовать для производства лаковых бутанолизированных смол марки К-411, К-412 и др. Завод поставляет свою продукцию в Тюмень, Красноярск, Кемерово, на Алтай. В Томской области основным потребителем продукции является завод ДСП.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОИЗВОДСТВА, ЕГО ТЕХНИКО-ЭКЛОНОМИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

Формальдегид – очень реакционноспособный газ, низкой стоимости, поэтому широко используется в областях экономического хозяйства. В настоящее время мощность мирового производства формальдегида оценивается в 15 млн. т./год (в расчете на 37% - ный водный раствор, называемый формалином). Формалин – один из многотонажных продуктов химической промышленности, а благодаря высокой реакционной способности и доступности в последнее время превращается в основной сырьевой источник химической промышленности для различных органических синтезов: поликонденсационных пластмасс и синтетических смол, лакокрасочных продуктов, конструкционных продуктов (материалов) инженерно – технического назначения, пластификаторов, а также прочих химических товаров. В связи с тем, что формалин является сырьевым продуктом, потребность в нем определяется уровнем развития формалинопотребляющих производств.

Выпускается формалин в виде одного раствора формальдегида с массовой долей 37% соответствующий ГОСТ 1625 – 89, а также концентрированного формалина, используемого для внутреннего потребления в производстве карбосмол, с массовой долей 50%.

Целостность размещения производства формалина на ТНХК обусловлена наличием сырья – производства метанола и наличия формалинопотребляющего производства – производство карбомидных смол.

Обоснование выбора метода производства

Непрерывная ректификация бинарной смеси

Ректификацией называется массообменный процесс разделения жидких гомогенных смесей летучих компонентов путем многократного последовательно повторяющихся процессов испарения и конденсации.

Для практической реализации такого процесса необходимым условием является то, что паровая и жидкая фазы до вступления в контакт между собой должен находиться в неравновесном состоянии. Поскольку давление для фаз остается одинаковыми постоянным, то, следовательно, температуры фаз должны быть разными. При контакте между фазами происходит теплообмен: температура отдает свое тепло жидкости, которая в свою очередь испаряется. В результате такого тепломассообмена образующийся пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость – высококипящим компонентом. Так как системы стремится к равновесию, то температуры образующихся паров и жидкостей выравниваются. Подробное многократное контактирование паров и жидкости на практике осуществляют в ректификационных колоннах, объем которых заполнен контактными устройствами для формирования поверхности и контакты фаз. Как правило, ректификационные колонны, в то время как на каждом отдельном участке формирования поверхности контакта фаз схема взаимодействия могут быть самыми разнообразными. Для обеспечения неравновесных состояний пара и жидкости в нижнюю часть колонны теплоты отбираются.

Исходная смесь, с содержанием низкокипящего компонента хf в количестве F поступает на питающую тарелку (эвапорационное пространство) с температурой tf. На питающей тарелке происходит процесс однократного испарения (ОН), в результате которого образуется паровая фаза, обогащенная НК и жидкая фаза, обогащенная ВК. Жидкая фаза стекает стекающей с питающей тарелки вниз и поступает в куб колонны, где происходит интенсивное испарение. Образующийся пар падает вниз колонны и движется навстречу стекающей жидкости. На всем пути происходит тепломассообмен между паром и жидкостью, так как поступающий на каждую тарелку пар имеет температуру выше, чем жидкость, поступающая на эту тарелку сверху. В результате массообмена на выходе из колонны пар дистиллята содержит главным образом низкокипящий компонент, а жидкость в кубе колонны – в основном высококипящий компонент.

Выходящий пар дистиллята из колонны подвергается процессу дефлегмации с дальнейшим разделение потока на продукт (Р) с содержанием НК хр и жидкую фазу, флегму в количестве (Ф) с содержанием НК хф. Флегма подается на орошение колонны сверху. Высокое содержание НК в потоке флегмы предопределяет, что в верхней части колонны (от питающей тарелки вверх)происходит, главным образом, укрепление паровой фазы низкокипящим компонентом. По этой причине верхняя часть колонны называется укрепляющей или концентрационной. Нижняя же часть колонны (от питающей тарелки вниз) называется исчерпывающей или отгонной частью, поскольку именно в этой части происходит основной отгон НК из жидкости в пар.

В самом общем случае орошение колонны флегмой может осуществляться но различным вариантам. Однако с целью упрощения расчетов в данным методическим указанием предлагается следующий вариант орошения: пар дистиллята состава yG поступает в дефлегматор, где происходит его ионная конденсация и затем образующийся конденсат разделяется на два потока: горячая флегма подается на орошение, а оставшаяся часть конденсата, пройдя через холодильник, выводится из установки и поступает в виде готового продукта Р с содержанием НК хр в реакционную емкость.

Исходная смесь в количестве F содержанием НК хf может подаваться на питающую тарелку в колонну в различных состояниях и при различной температуре. Чаще всего исходная смесь предварительно подогревается в теплообменнике до температуры кипения и подается в виде кипящей жидкости.

В ректификационной колонне могут использоваться различные виды тарелок, в данном случае используются колпачковые тарелки, как наиболее эффективные.

Колпачковая тарелка

Тарелка представляет стальной диск с отверстиями для паровых потоков, приваренных к тарелкам. Сверху над парубком расположены колпачки с прорезями (d = 60-80 мм, длина прорези 15,20,30 мм). Для создания необходимого уровня жидкости на тарелке его снабжают сильной перегородкой. Переливная перегородка образует карман, в который погружается сливное устройство верхней тарелки. Жидкость заполняет тарелку, прорези колпачков погружены в жидкость, пар проходит через патрубки щели колпачков и барбатируют через слой жидкости. Давление газов и жидкости перекрестное. Колпачковые тарелки имеют радиальный или диаметральный перелив.

Материал – из Сu, чугуна, керамики, пластмассы.

Достоинства: стабильная работы при разных скоростях газа расходах жидкости, КПД = 75-80%.

Недостатки: сложная конструкция, металлоемкие трудно чистить, дорогое.

Ситчатая тарелка

Тарелка – это диск с отверстиями d = 2-6 мм. Отверстия расположены по вершинам ∆. Газ проходит через отверстия в тарелке и распространяется в жидкости в виде струй пузырьков. При малой ω газа жидкость проваливается сквозь отверстия на нижней тарелке при этом массопередача ухудшается. Поэтому скорость газа должна быть определенной, чтобы держать жидкость на тарелке.

Достоинства: простое устройство, малое гидравлической сопротивление, малая металлоемкость.

Недостатки: может работать в узком диапазоне ω газа, нельзя работать с загрязненными средами.

Обоснование места размещения предприятия

На территории Томской области сосредоточена богатые природные ресурсы: нефть, газ, лес, редкие металлы, торф и др.

Строительство производства формалина было обусловлено:

- Потребностью промышленности в формалине по стране в шести районах Сибири.

- Наличие сырья – производство метанола мощностью 750 тыс.т./год

- Наличие формалинопотребляющего производства карбамидных смол мощностью 200 тыс.т./год

Обеспечение потребности действующего производства в паре, горячей воде на отопление, вентиляцию и горячего водоснабжения, предусмотрено установкой двух водогрейных котлов типа КВГМ – 100 производительностью 100 гкал/ч каждый.

Обеспечение производства в электроэнергии от ГПП – 1 и ГПП – 2, установленных на территории ТНХК.

Водоснабжение производственной водой осуществляется насосной станцией 1 – го подъема (НС – 1), установленный на берегу реки Томь и насосной станцией 2 – го подъема (НС – 2), расположенный на территории ВОС ТНХК. Водоснабжение хозяйственной питьевой водой обеспечивается НСВ – 4, расположенной на территории ВОС ТНХК.

1.2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОИЗВОДИМОЙ ПРОДУКЦИИ

Выпускаемый готовый продукт - формалин технический.

Предусмотрен выпуск товарного формалина, с массовой долей формальдегида 37 %, соответствующего ГОСТ 1625-89, а также концентрированного формалина, с массовой долей формальдегида до 50 %, используемого для внутреннего потребления в производстве карбосмол.

Формалин является водным раствором формальдегида и метанола в воде.

Эмпирическая формула формальдегида: СН2 О.

Структурная формула формальдегида:

Молярная масса 30 кг/моль.

При охлаждении газообразный формальдегид переходит в жидкость, которая кипит при -19 0С, а при -118 0С замерзает, превращаясь в твердое кристаллическое вещество.

Как в жидком, так и в газообразном состоянии формальдегид неустойчив и легко полимеризуется, особенно в присутствии влаги. Поэтому формальдегид транспортируется и хранится либо в растворах, либо в виде полимера. Формальдегид хорошо растворяется в воде и спиртах. В водных растворах формальдегид не сохраняется в мономерной форме, а вступает в химическое взаимодействие с водой с образованием гидратов (метиленгликолей):

СН2 О + Н2 О → СН2 (ОН)2 + Q кДж/кг (1.2)

При обычных температурах водные растворы формальдегида мутнеют, вследствие выпадения в осадок продуктов полимеризации - полиоксиметиленгликолей.

Для предохранения концентрированных растворов формальдегида от полимеризации к ним добавляют стабилизаторы. Основным промышленным стабилизатором служит метанол.

По физико-химическим показателям технический формалин должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 1.

Таблица 1 - Нормы требования технического формалина по физико-химическим показателям

Примечание:

1. Для технического формалина марки ФМ допускается, по согласованию с потребителем, устанавливать норму по показателю 3 не более 10 %.

2. Показатели 5 и 6 определяются по требованию потребителя.

Физические свойства технического формалина зависят от содержания в нем формальдегида и метанола и меняются в пределах:

Плотность, кг/м3 1077-1116

Температура кипения, оС98,9

Удельная теплоёмкость, Дж/(кг*К)3352

Вязкость, сП2,45-2,58

Формалин широко применяется в промышленности для изготовления синтетических смол, пластических масс, органических красителей, различных клеящих материалов, лаков, лекарственных препаратов и других продуктов. Формалин используется также в сельском хозяйстве для протравливания семян, в кожевенной промышленности для дубления кож, в медицине и животноводстве как антисептическое средство и т.п

1.3 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ, МАТЕРИАЛОВ И ПОЛУПРОДУКТОВ

Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов

1.4 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Метод производства формалина из метанола состоит в получении формальдегида на катализаторе "серебро на носителе" при температуре (550-700) °С с последующей абсорбцией его водой и ректификацией.

Процесс получения формалина для одной технологической нитки состоит из следующих стадий:

- получение метаноло – воздушной смеси,

- синтез формальдегида

-абсорбция формальдегида с получением "формалина-сырца",

- ректификация "формалина-сырца".

Общими для всех ниток узлами являются:

-сбор и переработка некондиционных и дренируемых продуктов,

-очистка газовых выбросов,

-сжигание абгазов на факельной установке

-теплоснабжение, сбор и перекачка конденсата

Вспомогательными узлами являются:

- приготовление катализатора,

- складирование и отгрузка формалина,

- термическое обезвреживание отходов.

ХИМИЗМ ПРОЦЕССА.

Образование формальдегида происходит при прохождении метаноло -воздушной смеси через слой катализатора "серебро на носителе" при температуре в зоне контактирования:(550-600) °С при работе в "мягком" режиме, (660-700) °С при работе в "жестком" режиме.

Образование формальдегида осуществляется в результате протекания параллельных реакций простого и окислительного дегидрирования метанола:

СН3 ОН → СН2 О + Н2 - 93,4 кДж/моль (1.3)

СН3 ОН + 1/2 О2 → СН2 О + Н2 О + 147,4 кДж/моль (1.4)

Наряду с этими реакциями в системе протекает целый комплекс побочных превращений.

СН3 ОН + 2/3 О2 → СО2 + 575,1 кДж/моль(1.5)

СН2 О + 1/2 О2 → НСООН + 270,4 кДж/моль(1.6)

НСООН + 1/2 О2 → СО2 + Н2 О + 14,5 кДж/моль(1.7)

НСООН → СО + Н2О - 53,7 кДж/моль(1.8)

СН2 О → СО + Н2 + 1,9 кДж/моль (1.9)

2 СН2 О + Н2 О → СН3 ОН + НСООН + 122,0 кДж/моль(1.10)

Н2+ 1/2 О2 → Н2 О + 241,8 кДж/моль(1.11)

2 СН3 ОН → СН2 (ОСН3 )2 + Н2 О + 131,0 кДж/моль(1.12)

СО + 1/2 О2 → СО2 + 283,0 кДж/моль(1.13)

2 СО → СО2 + С + 172,5 кДж/моль (1.14)

Реакции (3) и (4) являются равновесными. Доля метанола израсходованного по реакции (4) составляет около 60 %, а остальное, по реакции (3).

Превращение метанола в формальдегид происходит в результате контакта молекул спирта с кислородом, хемосорбированным на атомах серебра, т.е. активными центрами катализатора являются поверхностные окислы серебра. Процесс получения формальдегида в целом сопровождается выделением тепла, за счет которого поддерживается необходимая температура в зоне контактирования и равновесие реакции дегидрирования смещается вправо.

Побочные реакции снижают выход формальдегида и определяют состав выхлопных газов (абгазов).

1.5 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Выбор технологической схемы обусловлен мощностью производства формалина и назначением готового продукта. Мощность производства составляет 380 тыс. тонн в год 37% формалина. Процесс оформлен в виде трех технологических ниток, единичной мощности 126 тыс. тонн в год, каждая. С целью снижения металлоемкости и принятых технологических решений ряд узлов выполнен общим для трех ниток: узел подготовки сырья, узел очистки годовых выбросов, узел подготовки сырья, узел очистки, опорожнения, продувки.

Процесс получения формалина (технического) включает в себя следующие стадии:

Подготовка сырья и получения метаноло – воздушной смеси.

Синтез формальдегида.

Получение формалина – сырца (абсорбция формалина).

Ректификация формалина – сырца.

Стандартизация формалина.

Некоторые заводы не включают в технологическую схему процесс ректификации, но как показывает практика затраты на эту стадию полностью себя оправдывают. Во-первых, исключается возможность получения нестандартного продукта; во-вторых, получается возможность получать как безметанольный продукт, так и формалин высокой концентрации.

Исходя из рассмотренных стадий получения технического формалина, характеризуем каждую из них по технологической схеме цеха производства формалина.

1.6 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Ректификация формалина-"сырца"

Формалин-"сырец" с массовой долей метанола до 20% и формальдегида не более 38% из куба абсорбционной колонны поз.К1 насосами поз.Н3/1-2 подается на ректификацию, где вверху отделяется метанол.

Ректификация метанольного формалина ведется в колонне поз.К2 под вакуумом. Проведение ректификации под вакуумом позволяет снизить температуру, что предотвращает повышение кислотности формалина за счет уменьшения протекания реакции Канницарро:

2СН20 + Н20 → СН30Н + НСООН (1.15)

Ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 1000 мм, высотой 12000 мм и 26-ю колпачковыми тарелками с радиальным сливом.

Вакуум в ректификационной колонне поз. К2 создается вакуум-насосом поз. Н7/1-2 и поддерживается в кубе (-0,22 ч - 0,60)кгс/см2, а вверху колонны (-0,44ч -0,70)кгс/см2.

Обогрев колонны поз.К2 осуществляется через кипятильник поз. Т7 паром давлением 2кгс/см2. Температура формалина в кубе колонны поз. К2 поддерживается (75-95)оС, вверху колонны поз.К2 - (40-50) оС, в укрепляющей части (60-70) оС, в исчерпывающей - (70-80) оС.

Формалин -"сырец" из абсорбционной колонны поз.К1 расходом (10-21) м3/ч, некондиционный формалин, подаваемый из стандартизаторов с расходом до 8 м3/ч поступает на 34, 42, 52 тарелки ректификационной колонны.

Пары метанола и формальдегида нагретые внизу колонны поднимаются вверх, а сверху (навстречу парам) подается почти чистый жидкий метанол. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация формалина из формалина-"сырца" и частичное испарение метанола. Таким образом, стекающая жидкость обогащается формальдегидом, а поднимающиеся пары обогащаются метанолом, в результате чего выходящие из колонны пары представляют собой почти чистый метанол. Эти пары поступают в аппараты воздушного охлаждения поз. Х5/1-2, где охлаждаются до температуры не более 50оС, конденсируются и отделяются в газоотделителе поз. Х6 от жидкости. Жидкий метанол сливается в емкость поз.Е5, а газовая фаза дополнительно охлаждается в теплообменнике поз.Т9 оборотной водой и поступает в газоотделитель поз.Х7. Жидкая фаза после газоотделителя поз. Х7 сливается в емкость поз.Е5, а несконденсировавшиеся пары и инертны направляются к вакуум-насосу поз.Н7/1,2.

Выбросы от вакуум-насоса поз.Н7 направляются в верхнюю часть абсорбционной колонны поз.К1, где отмываются водой от большей части метанола, и вместе с выхлопными газами абсорбционной колонны поступают на сжигание.

Метанол из емкости поз. Е5 с массовой долей формальдегида до 6% и метанола не менее 92 % насосом поз.Н6/1,2, с расходом (5-15)м3/ч, подается в виде флегмы в колонну поз.К2, а избыток, с расходом до 6,5 м3/ч, направляется в процесс через смеситель поз.Х2 для получения метаноло-воздушной смеси.

Уровень в емкости поз.Е5 поддерживается (30-70)% отбором метанола, направляемого в смеситель поз.Х2.

Формалин массовой долей метанола не более 8% и формальдегида не более 50% забирается из куба колонны поз.К2, насосом поз.Н7/1-2, охлаждается в холодильнике поз.Т8 до температуры (40-65)оС и поступает в стандартизаторы.

Уровень в кубе колонны поз. К2 поддерживается (30-70)% отбором формалина в стандартизаторы.

В случае выхода из строя вакуум-насосов поз. Н7/1,2 ректификацию можно вести непродолжительное время под азотного дыханием с давлением 0,3 кгс/см2, но при этом возрастает кислотность формалина, и температура в кубе колонны поз. К2 будет (95-110)оС, а вверху - (60-66)оС.

Емкости поз.Е5 и газоотделители поз.Х7 соединены с "азотным дыханием" давлением 0,3 кгс/см2.

1.7 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Материальный баланс в таблице 3.

Таблица 3 – Материальный баланс

1.8 ЕЖЕГОДНЫЕ НОРМЫ РАСХОДА ОСНОВНЫХ ВИДОВ СЫРЬЯ, МАТЕРИАЛОВ И ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Ежегодные нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов в таблице 4.

Таблица 4 – Ежегодные нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов.

1.9 ЕЖЕГОДНЫЕ НОРМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Ежегодные нормы образования отходов производства в таблице 5.

Таблица 5 – Ежегодные нормы образования отходов производства

1.10 НОРМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА

Нормы технологического режима в таблице 6.

Таблица 6 – Нормы технологического режима