ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ РЕКОНСТРУКЦИИ КОНВЕКТОРА И АДСОРБЕРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА СГОРАНИЯ-Дипломная работа-Машины и аппараты нефтехимических производств

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ РЕКОНСТРУКЦИИ КОНВЕКТОРА И АДСОРБЕРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА СГОРАНИЯ-Дипломная работа-Машины и аппараты нефтехимических производств
Современные аппараты должны обладать высокой производительностью, характеризоваться достаточной надёжностью и гибкостью в работе, обеспечивать низкие эксплуатационные расходы, иметь небольшую массу и, наконец, быть конструктивно простыми и технологичными в изготовлении. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на эксплуатационные расходы, обеспечивают лёгкость и удобство изготовления аппаратов (в особенности это относится к серийным), их монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а также безопасную эксплуатацию. Кроме перечисленных выше требований проектируемые аппараты должны также отвечать требованиям государственных стандартов, ведомственных нормалей и инспекции Госнадзорохрантруда.
На действующем производстве защитной атмосферы применяются нестандартные аппараты, кторые не так надежны в эксплуатации как серийные, требуют больших затрат при изготовлени и ремонте так как их производство является единичным.
В данном дипломном проекте предлагаю разработать и ввести в производство защитной атмосферы стандартные аппараты - конвертор и адсорбер с новыми характеристиками производительности для улучшения ремонтно-эксплуатационных показателей и увеличения мощности производства защитной атмосферы с 1200 м3/ч до 1300 м3/ч.
Производство азото-водородной защитной атмосферы во всех режимах работы станции осуществляется с помощью установок типа АВУ-400.
Основные стадии и операции технологического процесса, происходящие в установках, представлены в таблице 2.1 и на технологической схеме КБ 2257 Д5 рабочего проекта.
1. На стадии процесса сжигания газа происходит неполное высокотемпературное сжигание природного газа при коэффициенте расхода воздуха равным 0,7 ÷ 0,98 в слое зернистого огнеупорного материала.
Природный газ и сжатый воздух через регуляторы расхода газа и воздуха подаются в горелку камеры сжигания, где происходит их полное смешение. Подготовленная газо-воздушная смесь поступает в слой зернистого огнеупорного материала. Удельная поверхность засыпаемой в камеру сжигания зернистой крошки имеет удельную поверхность, начиная с 350 м2/м" на входе газо-воздушной смеси и заканчивая 50 м2/м3 на выходе из камеры продуктов неполного горения природного газа. На поверхности раскаленных зерен происходит неполное горение газа и температура в слое насадки достигает 1400 ÷ 1800°С (в зависимости от коэффициента расхода воздуха).
При высокой температуре и большой разветвленной поверхности контакта газо-воздушной смеси с насадкой скорости реакций окисления и разложения метана велики и заканчиваются в верхней зоне слоя мелкозернистой насадки.
При недостатке кислорода протекают сложные процессы неполного горения, которые суммарно могут быть записаны в виде следующего выражения:
CH4 + O2 + N2 = CO2 + CO + H2O + H2 + N2. (2.1)
воздух продукты неполного горения
Для снижения остаточного кислорода необходимо плавное снижение температуры продуктов горения до 600 ÷ 800°С. Это достигается применением насадки с малой удельной поверхностью (увеличивая размер зерен).
Из камеры сжигания продукты неполного горения с температурой 600 -800°С поступают в испаритель, который заполнен кольцами типа Рашига из жаропрочной стали. Туда же одновременно через распылитель подается водяной конденсат, происходит испарение конденсата на поверхности колец, охлаждая продукты горения до температуры 200°С и насыщая их парами воды.
2. Продукты неполного горения природного газа с температурой 200 ± 20°С, насыщенные парами воды, поступают в конвертор, где проходит их каталитическая очистка от оксида углерода на поверхности катализатора НТК-4 или КСО по реакции:
CO + H2O = CO2 + H2 + 41,17 кДж. (2.2)
Выделяющаяся при реакции теплота незначительна и компенсируется теплопотерями аппарата (конвертора). Оптимальные условия прохождения этой реакции обеспечиваются поддержанием заданной температуры подаваемой смеси продуктов неполного горения на входе в конвертор, а также избыточными количествами насыщенного водяного пара. За счет реакции конверсии концентрация водорода в газе увеличивается примерно вдвое.
3. После очистки продуктов неполного горения от оксида углерода, газовая смесь направляется в блок охлаждения, состоящий из последовательно включенных по газу:
- агрегата воздушного охлаждения;
- двух газоводяных теплообменников, из которых один (первый) в качестве хладоагента использует охлажденную в градирне воду оборотного водоснабжения. Второй теплообменник охлаждается «захоложенной» водой, циркулирующей в замкнутом цикле.
В процессе охлаждения из газа выделяется конденсат водяного пара, который отводится в каплеуловителях и поступает в систему сбора конденсата.
За счет процесса охлаждения конденсируется и выводится из газовой смеси до 98% всего содержащегося в ней водяного пара и газовая смесь охлаждается до 10°С.
В зависимости от времени года, технологической схемой предусмотрено отключение части теплообменников.
4. Частично обезвоженная путем конденсации газовая смесь далее подвергается окончательной адсорбционной очистке от влаги и диоксида углерода на цеолите марки NaX в блоках адсорбционной очистки, состоящих из трех адсорберов, один из которых постоянно находится в режиме адсорбции, другой - в режиме регенерации, а третий - в режиме выравнивания давления.
Весь цикл работы блока составляет 12 минут и подразделяется на режимы:
- адсорбции (очистки защитной атмосферы) - 4 минуты;
- сброс давления в адсорбере после его работы в режиме адсорбции
(сброс осуществляется с помощью форвакуумного насоса)
минуты;
- регенерации (восстановление активности цеолита), осуществляемой
продувкой адсорбера очищенной защитной атмосферой с одновременным вакуумированием -4 минуты;
- выравнивания давления в адсорбере до рабочего, после его регенерации, с помощью системы стабилизации давления - 2 минуты.
В режиме адсорбции газовая смесь подается в нижнюю часть адсорбера, заполненную металлическими кольцами, которые выполняют роль распределителя потока и аккумулятора отрицательного тепла десорбции. Далее проходя слой цеолита, газовая смесь очищается от паров воды и диоксида углерода. Причем, пары воды адсорбируются первоочередно и преимущественно нижними слоями цеолита. Диоксид углерода адсорбируется во вторую очередь, преимущественно в верхних слоях цеолита.
Очищенная азото-водородная смесь отводится из верхней части адсорбера и подается потребителю. Часть чистой азото-водородной смеси (до 30%) отбирается и подается в другие адсорбера на продувку и заполнение.

2.2.2 Состав оборудования. Общие и вспомогательные системы

Процессы производства защитной атмосферы из природного газа ведутся на СЗА в соответствующих блоках. Для обеспечения необходимой производительности по защитной атмосфере и для обеспечения надежного резервирования по технологическому оборудованию на СЗА размещено три установки (АВУ-400), одна из которых находится в «горячем» резерве. В состав оборудования СЗА входят:
-блок сжигания природного газа – 3шт.
-конвертор - 3шт.
- аппарат воздушного охлаждения – 3шт.
- теплообменники - 6шт.
- машина холодильная – 3шт.
- блоки адсорбционной очистки – 4шт.
-расходные баки конденсатной системы – 2шт.
-баки-накопители конденсатной системы –1шт.
- бак «захоложенной» воды – 1шт.
- водородный компрессор 2ГМ4 – 2шт.
- насосы вакуумные ВВН2 – 50М – 5шт.
- насосная оборотного водоснабжения
- лаборатория газового анализа,
-лаборатория КИП.
В общей технологической схеме самостоятельно функционируют:
1 - конденсатная система;
2 - система воздушного охлаждения;
3 - система оборотного водоснабжения;
4 - система «захоложенной» воды;
5 - вакуумная и форвакуумная системы;
6 - система стабилизации расхода и давления защитной атмосферы при ее выработке.
1. Конденсатная система предназначена для сбора и подачи водного конденсата, полученного в результате охлажденного продуктов неполного горения в теплообменниках блока охлаждения и влагоотделения перед адсорберами.
В состав системы входят:
- бак для сбора конденсата (бак накопитель);
- два расходных бака (верхние конденсатные баки);
- два водяных насоса;
- конденсатопровод.
Система сбора и подачи конденсата обслуживает все установки АВУ-400.
Сборник конденсата представляет собой емкость объемом 4 м 3 , расположенную ниже уровня технологических агрегатов (в подвальном помещении). К нему подходит конденсатопровод для слива конденсата самотеком, а выходные патрубки соединены с водокольцевыми насосами типа ВК-2/26 КУ2, один из которых является рабочим, а другой - резервным.
Расходные баки представляют собой герметичные емкости по 2,5м3, расположенные на отметке плюс 12,000, что обеспечивает необходимый напор для подачи конденсата в испарители камер сжигания. Верхняя часть баков соединена трубопроводами с патрубками выхода из камер сжигания, благодаря чему конденсат в расходных баках и в линии подачи конденсата в испарители, находится под дополнительным давлением, необходимом для прохождения через узел регулирования расхода конденсата.
2. Система воздушного охлаждения должна обеспечить снижение температуры продуктов горения после конвертора с температуры 220°С до 50°С.
Для этой цели применены аппараты воздушного охлаждения типа АВМ, изготавливаемые Борисоглебским заводом химического машиностроения.
Аппарат воздушного охлаждения устанавливается на открытом воздухе.
3. Система оборотного водоснабжения должна обеспечить:
- охлаждение камер сжигания природного газа;
- охлаждение газовой смеси, проходящей через первые газо-водяные теплообменники;
- охлаждение компрессора, подающего защитную атмосферу на заполнение адсорберов после регенерации цеолита;
- охлаждение конденсаторов холодильных машин;
подачи воды в водокольцевые вакуумные насосы.
Оборотное водоснабжение состоит из :
- градирни, служащей для охлаждения воды;
- насосной, служащей для подачи охлажденной воды на станцию защитных атмосфер и для подачи нагретой воды в градирню на охлаждение
- емкости, служащей для сбора нагретой воды от камер сжигания, теплообменников, компрессора, холодильных машин и вакуумных насосов.
4. Система «захоложенной» воды предназначена для охлаждения газовой смеси до температуры плюс 8-Н2°С во вторых газо-водяных теплообменниках В состав системы входят:
- расходный бак «захоложенной» воды;
- два водяных насоса;
- три парокомпрессионных холодильных машины;
- трубопроводы.
Расходный бак «захоложенной» воды представляет собой емкость 8м\ куда по трубопроводу сливается вода из газо-водяных теплообменников. Из бака вода забирается водокольцевыми насосами (один из них рабочий, другой - резервный) и подается под давлением в испарители холодильных машин, где охлаждается до плюс 8-М0°С и далее поступает во вторые газо-водяные теплообменники.
Разводка трубопроводов воды и расположение запорной арматуры обеспечивают возможность поочередного использования холодильных машин, а также их одновременную работу, в зависимости от температуры «захоложенной» воды. Бак и трубопроводы «захоложенной» воды имеют тепловую изоляцию.
5. Вакуумная и форвакуумная системы предназначены для создания вакуума в адсорберах во время их регенерации.
В состав системы входят:
- пять вакуумных насоса марки ВВН2-50М, из них три вакуумных
насоса работают на вакуум, один на форвакуум и один резервный;
- вакуумная запорная арматура;
- вакуумопроводы.
Назначение форвакуумной системы - убрать из адсорбера избыточное давление и создать небольшой вакуум ( порядка минус 0,4 - 0,6 кГ/см) после его работы в режиме очистки защитной атмосферы.
Этот этап по циклограмме работы вакуумных клапанов составляет 2 минуты.
После создания предварительного вакуума форвакуумной системой, подключается основная вакуумная система, а форвакуумная отключается. В адсорбере создается вакуум до минус 0,9 кГ/см. Одновременно с подключением вакуумной системы осуществляется продувка адсорбера очищенной защитной атмосферой, отбираемой со следующего адсорбера блока, работающего в режиме очистки защитной атмосферы.
Эта операция носит название вакуумно-продувочная регенерация.
6. Система стабилизации расхода и давления защитной атмосферы при ее выработке.Учитывая, что адсорбера после их регенерации находятся под вакуумом, а заполнение их осуществляется очищенной защитной атмосферой с выходных трубопроводов, находящихся под избыточным давлением, происходит кратковременный увеличенный отбор защитной атмосферы на заполнение адсорберов, что приводит к колебанию расхода защитной атмосферы, подаваемой в ванну расплава и, соответственно, давления.
Проектной документацией разработана система стабилизации расхода и давления защитной атмосферы при ее выработке.
Суть ее работы состоит в том, что с выходных трубопроводов ( с одного, двух или трех) идет постоянный отбор защитной атмосферы с расходом, необходимым для заполнения работающих адсорберов после их регенерации.
Отбор защитной атмосферы осуществляется компрессором (проектом предусмотрено два компрессора: один рабочий, другой резервный) и подается в существующие аммиачные емкости под давлением 8 кГ/см . Из емкостей защитная атмосфера через регуляторы расхода подается в адсорбера для заполнения их до рабочего давления.
Технологической схемой предусмотрен резервный вариант работы системы стабилизации без компрессоров через емкости.
Переключение адсорберов с одного на другой режим осуществляется согласно разработанной циклограмме, которая также обеспечивает равномерную нагрузку на вакуумные и форвакуумные насосы.
При переходе на резервный блок адсорбционной очистки вакуумные клапана должны работать по циклограмме заменяемого блока.

3.1.1 Назначение конвертора
Конвертор предназначен для каталитической очистки продуктов неполного сгорания природного газа от окиси углерода и обогащения их водородом.

3.1.2 Конструкция конвертора
Конвертор представляет собой цилиндрический сосуд из нержавеющей стали диаметром 1,2 м, высотой 4 м, разделенный по высоте пополам решеткой из нержавеющей стали. Конвертор заполняется низкотемпературным катализатором. В боковой поверхности конвертора имеются два люка для выгрузки катализатора. Сверху конвертор закрывается крышкой на фланцевом соединении. Вход продуктов горения, насыщенных водяным паром, осуществляется в верхнюю часть конвертора. Отвод очищенных от окиси углерода продуктов горения осуществляется снизу через патрубок в боковой поверхности конвертора. По высоте конвертора установлены 4 термоэлектрических термометра типа ХК для контроля температуры катализатора. Снаружи конвертор имеет тепловую изоляцию из шамота-легковеса.
 
3.1.3 Описание технологического процесса конверсии окиси углерода
Продукты неполного сгорания природного газа с температурой 160-270oС, насыщенные парами воды, поступают из блока сжигания в конвертор. Каталитическая очистка продуктов неполного сгорания природного газа от окиси углерода происходит на поверхности катализатора по реакции конверсии окиси углерода водяным паром:

     кат.
СО + Н2О     СО2 ÷ 9,6 ккал.

После конвертора продукты сгорания подаются в блок воздушного охлаждения.


3.2 Описание работы блока адсорбционной очистки

3.2.1 Назначение, состав блока адсорбционной очистки

Блок предназначен для очистки конвертированных продуктов сгорания
природного газа от углекислого газа и паров воды.
Блок адсорбционной очистки состоит из следующих основных узлов:
-трех адсорберов;
-фильтров;
-вакуумной системы;
-щит системы автоматического управления вакуумной запорной арматурой.

3.2.2 Конструкция адсорбера

Адсорбер представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 1,2 м,
высотой 2,7 м. В нижней части адсорбера имеется распределитель потока, который представляет собой слой засыпанных колец из стальных труб диаметром 25-50 мм. Кроме распределения потока слой колец снижает температуру продуваемого через него газа в режиме адсорбционной очистки за счет того, что в режиме адсорбции поглощенных цеолитом веществ, слой охлаждается. Над распределителем потока расположена решетка с металлической сеткой. Такая же решетка установлена и в верхней части адсорбера. Между решетками засыпан цеолит NаХ. На боковой поверхности адсорбера расположены два люка для выгрузки цеолита. Сверху адсорбер закрывается крышкой на фланцевом соединении. Объем цеолита в адсорбере составляет 2,5 м3, вес цеолита – 1,5 т.
Фильтр представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 0,3 м и
высотой 1,0 м. К съемной крышке фильтра приварена труба с просверленными в ее боковой поверхности отверстиями, которая обтягивается технической байкой. Два фильтра устанавливаются параллельно и могут поочередно отключаться для проведения профилактического обслуживания и ремонта.
Вакуумная система состоит из вакуумных насосов и вакуумопроводов с вакуумной запорной арматурой.
Для создания вакуума в вакуумной системе применяется водокольцевые вакуумные насосы типа ВВН-50. Возможно применение масляных вакуумных насосов типа НВЗ-500. Эксплуатировать вакуумные насосы необходимо в соответствии с прилагаемыми при поставке инструкциями по эксплуатации. Вакуумные насосы с помощью вакуумопроводов подсоединены к единому вакуумному коллектору. Адсорберы также подсоединяются трубопроводами к вакуумному коллектору с помощью вакуумных клапанов, установленных на трубопроводах.
Щит системы автоматического управления вакуумной запорной  арматурой установлен в щитовой и служит для переключения вакуумной запорной арматуры в соответствии с заданной циклограммой. Предусмотрена возможность ручного управления вакуумной запорной арматурой. На передней панели щита расположены сигнальные лампочки для индикации положения рабочих органов вакуумных клапанов («Открыто» или «Закрыто»).
 3.2.3 Описание технологического процесса адсорбционной
очистки

Полный цикл работы каждого адсорбера блока состоит из трех режимов:
-рабочего;
-регенерации с продувкой защитной атмосферой;
-заполнения.
В рабочем режиме охлажденные конвертированные продукты сгорания
подаются в нижнюю часть адсорбера. Проходя через слой цеолита, они очищаются от паров воды и углекислого газа. Очищенная азото-водородная защитная атмосфера отводится из верхней части адсорбера, проходит через фильтр, где удаляются унесенные из адсорбера частицы цеолита и подается потребителю. Часть чистой азото-водородной смеси подается в другие адсорбера на продувку и заполнение.
В режиме регенерации в адсорбере создается вакуум путем соединения его нижней части с вакуумной системой через открытый вакуумный клапан. В верхнюю часть адсорбера через расходомерную диафрагму и регулирующий вентиль подается очищенная защитная атмосфера в количестве 60-100 нм3/ч для продувки слоя цеолита.
В режиме заполнения в адсорбере происходит восстановление давления до рабочего. Подача защитной атмосферы на заполнение осуществляется в верхнюю часть адсорбера через расходомерную диафрагму и регулирующий клапан. Расход защитной атмосферы на заполнение устанавливается таким, чтобы рабочее давление в отрегенерированном адсорбере восстанавливалось к моменту окончания времени режима заполнения.
При выполнении дипломного проекта была выполнена следующая работа:
1) Проанализированы существующие на сегодняшний день способы производства защитной атмосферы для процесса формирования стекла и выбран наиболее оптимальный, отвечающий условиям современного рынка день и развитию современной химической промышленности;
2) Были проведены технологические расчёты, в результате которых были определены режим работы проектируемых конвертора и адсорбера и их основные размеры - диаметр и высота, а также диаметры технологических штуцеров;
3) Проведены расчёты на прочность и жёсткость элементов аппаратов, подтверждающие работоспособность разработанной конструкции. Расчёты выполнены в соответствии с действующей в химическом машиностроении нормативно-технической документацией;
4) Проведены технико-экономические расчёты. За счёт увеличения производственной мощности и реконструкции конвертора и адсорбера годовой экономический эффект согласно расчётам составляет 250997,17 грн;
5) Разработана система автоматизации, обеспечивающая нормальный режим работы технологических аппаратов;
6) Разработаны чертежи проектируемого конвертора и адсорбера. Конструкция аппаратов разработана в соответствии с действующей в химическом машиностроении нормативно-технической документацией;
7) Предусмотрены мероприятия по гражданской обороне, охране труда и технике безопасности, промышленной экологии.
В данном дипломном проекте были разработаны аппараты, отвечающие отечественным стандартам