Процесс производства аминопластов

Оглавление
Аннотация
Введение
1 Литературный обзор
3 Выбор и обоснование технологической схемы производства
4 Характеристика сырья и готовой продукции
5 Разработка технологической схемы производства
6 Контроль производства
7 Автоматический контроль и регулирование параметров процессов в реакторе
7.1 Функциональная схема
7.2 Система противоаварийной защиты
7.3 Выбор контроллера противоаварийной защиты
8 Процесс автоматизации производства
8.1 Анализ технологического процесса как объекта управления
8.2 Оценка основных решений по автоматизации процессов, существующих на настоящее время
8.3 Постановка задач автоматизации, требования к системе автоматизации технологического процесса, разработка алгоритма управления
8.3.1 Программное управление
8.3.2 Стабилизация температурыпроцесса с использованием систем управления
8.4 Синтез системы автоматического регулирования
8.4.1 Получение передаточной функции теплообменника
8.4.2 Параметрическая оптимизация контура регулирования давления в аппарате воздухоудаления
8.5 Обоснование принятых проектных решений, выбор приборов и средств автоматизации
8.5.1 Предложение по модернизации системы автоматизации
8.5.1.1 Нижний уровень
8.5.1.2 Средний уровень
8.5.1.3 Верхний уровень
8.5.1.4. SCADA система
8.5.2 Описание функциональной схемы автоматизации
8.5.3 Описание схемы внешних проводок и комплекса технических средств
8.5.4 Расчет сужающего устройства
8.5.6 Расчет надежности контура регулирования температуры в реакторе
8.5.6.1 Исходные данные для расчета
8.5.6.2 Расчет вероятностей безотказной работы для всех элементов схемы
8.5.6.3 Расчет показателей надежности контура в целом
8.5.5.4 Вывод по расчету
9 Безопасность и экологичность проекта
9.1 Введение
9.2 Характеристика опасных и вредных производственных факторов
9.3 Санитарно-гигиенические мероприятия
9.3.1 Токсические свойства обращающихся в производстве веществ
9.3.2 Метеорологические условия. Вентиляция. Отопление
9.3.3 Характеристика производственного шума и вибрации
9.3.4 Освещение центрального пульта управления
9.4 Электробезопасность. Защита от статического электричества. Молниезащита
9.5 Пожарная безопасность
9.6 Гигиенические требования к рабе с видеодисплейными терминалами (ВДТ) и персональным ЭВМ (ПЭВМ).
9.7 Основные требования безопасности к разрабатываемым системам автоматизации технологических процессов
9.8 Экологичность проекта
9.9 Безопасность в условиях чрезвычайных ситуаций
9.9.1 Характеристика рассматриваемого производства с точки зрения безопасности в условиях чрезвычайных ситуаций
9.9.2 Организация оповещения работающих об угрозе возникновения чрезвычайной ситуации
9.10 Заключение по главе
10 Расчет экономической эффективности системы автоматизации
10.1 Технико-экономическое обоснование внедрения и модернизации системы управления
10.2 Расчет капитальных затрат
10.2.1 Стоимость оборудования
10.2.2 Труд и заработная плата
10.2.3 Расчет количества и стоимости электроэнергии, расходов на пар и воду
10.3 Составление сметы расходов по содержанию и эксплуатации оборудования
10.4 Расчет основных технико-экономических показателей эффективности проведения реконструкции
Заключение
Список используемой литературы

Процесс производства аминопластов

113·18=2,11 (кг/сут)mсоли=0.113·68=7,48 (кг/сут)2) Входе поликонденсации.mводы=0,90·9015,7·18/1000=142,6 (кг/сут)По таблице [12] равновесные концентрации:– свободный карбамид С=0,097 моль/л;– свободный формальдегид С=1,94 моль/л;– количество формальдегида, израсходованное на образование метилольных групп С=2,67 моль/л;– количество формальдегида, израсходованное на образование межмолекулярных связей С=5,1 моль/л.Средняя степень полимеризации равна n=2,16.Масса свободного карбамида:m=0,097·9015,7·60/1000=52,7 (кг/сут)Масса свободного формальдегида:m=1,94·9015,7·30/1000=523,7 (кг/сут)4. Доконденсация.На стадии конденсации полупродукта с дополнительным количеством карбамида, связывается свободный формальдегид. Из справочных данных [12] равновесные концентрации компонентов исходя из начальных концентраций компонентовVр массы = Vформ + Vкарб + Vр-р щел + Vр-р к-ты =mформ/ρ+ mкарб/ρ+ m р-р щел /ρ+ mр-р к-ты/ρ= 6928,9/1010+2543,5/1335+20,3/1450+20.3/1012+1236/1335=8,8 (м²)Количество карбамидаn=1287,4·1000/60=21457 (моль)Количество формальдегидаn=510,6·1000/30=17020 (моль)По таблице [12] равновесные концентрации:– свободный формальдегид С=0,048 моль/л;– монометилолмочевина С=1,0 моль/л;– диметилолмочевина С=0,225 моль/л;– триметилолмочевина С=0,0.По вышеуказанному:– свободный карбамид 444,5 кг/сут;– свободный формальдегид 13,9 кг/сут;– масса олигомеров 5050,1 кг/сут.5. Нейтрализация с последующим акуумированием.Используя диаграммы кипения жидких смесей [13; 11] определяем содержание компонентов в надсмольных водах и реакционной массе.Массовая доля метанола в реакционной массе:ω=(469/10999,4)·100 %=4,1 %Исходя из массовой доли формальдегида в реакционной массе по диаграмме кипения смеси метанол: вода определяем массовые доли метанола в надсмольных водах и реакционной массе:– массовая доля метанола в надсмольных водах ω=24,6 %.Масса метанола в надсмольных водах:mметанола =1750,6·24,6/100=430,6 кг/сутМасса метанола в кубовом остатке:mметанола =469,0–430,6–1,5=36,9 кг/сутМасса формальдегида определяем аналогично.Таблица № 7. Сводная таблица материальных расчетов.№ п/пНаименование сырьяРасходНа 1 тонну готовой продукциитонн / суткитонн/год1.2.3.4.КарбамидФормалин 37 %Раствор щелочи 42 %Раствор муравьиной кислоты 25 %0,47540, 70820,0060,0024,7547,0820,0640,0211426,22124,619,26,31) Расходные коэффициенты по сырью (РК).РК (карбамид)= 4,75/10=0,468 (т/т)РК (формалин 37 %)= 7,082/10=0, 693 (т/т)РК (раствор щелочи 42 %)=0,064/10=0,006 (т/т)РК (раствор кислоты 25 %)= 0,021/10=0,002 (т/т)2) Годовой расход сырья (Gгод).Gгод = Gсырья · ДGгод (карбамид)= 4,754·300=1426,2 (т/год)Gгод (формалин 37 %) =7,082·300=2124,6 (т/год)Gгод (раствор щелочи 42 %)=0,064·300=19,2 (т/год)Gгод (раствор кислоты 25 %)=0,021·300=6,3 (т/год)Приложение Б- Технологические расчетыОсновной целью технологических расчетов является определение размеров аппаратов или их числа при заданных размерах.Расчет основного аппарата.Наибольшая масса загрузки в реактор составляет mmax = 11000,4 кг. В состав реакционной массы на этот момент входят:а) олигомер 3818,7 кг (ρ= 1410 кг/м³);б) вода 4887,8 кг (ρ= 972 кг/м³);в) метанол 424,5 кг (ρ= 736 кг/м³);г) формальдегид 523,7 кг (ρ= 815 кг/м³);д) карбамид 1317,8 кг (ρ= 1335 кг/м³);е) формиат Na 7,48 кг (ρ= 1135 кг/м³);ж) NaOH 8,7 кг (ρ= 1450 кг/м³).Плотности определены из справочной литературы компонента [10; 11; 14] при 850С.Суточный объем по компонентам равен:где Viсут −объем компонента в реакционной массе.Объем олигомера:Vолиг =3818,7/1410 =2,708 (м³)Объем воды:Vолиг =4887,8/972=5,029 (м³)Объем метанола:Vолиг =424,5/736=0,577 (м³)Объем формальдегида:Vолиг =523,7/815=0,643 (м³)Объем карбамида:Vолиг =1317,8/1335=0,987 (м³)Объем формиата Na:Vолиг =7,48/1135=0,007 (м³)Объем NaOH:Vолиг =8,7/1450=0,006 (м³)Суточный объем реакционной массы равен:=2,708+5,029+0,57+0,643+0,987+0,007+0,006=9,95 (м³)Определяем объем реактора: (м³)− время рабочего цикла аппарата 8 часов.Рабочий объем реактора равен:− коэффициент заполнения, принимаем равным 0,85;(м³)Из нормального ряда по ГОСТ 13372–78 принимаем объем аппарата 4 м³.2) Расчет складских хранилищ карбамида.Суточная массовая производительность по карбамиду равна m =4676 кг/сут. Максимальное время пребывания карбамида на складе = 5 дней.Максимальный объем карбамида на складе равен:(м³)Определяем количество емкостей-хранилищ карбамида.n – количество аппаратов;φ – коэффициент заполнения принимаем равным 0,9;− объем единичной емкости склада карбамида принимаем равным 10 м³.Принимаем количество емкостей 2.3) Расчет мерника для дозирования карбамида.Суточная массовая производительность равна m =4754,5 кг/сутПлотность карбамида равна ρ =1335 кг/м³.Определяем объем мерника карбамида.φ – коэффициент заполнения принимаем равным 0,9.(м³)Из нормального ряда принимаем объем аппарата 2 м³.4) Расчет расходной емкости и мерника для дозирования раствора щелочи.Суточная массовая производительность по раствору щелочи равна Gщел=64,4 кг/сутПлотность раствора щелочи ρ =1451 кг/м³Определяем объем аппарата.φ – коэффициент заполнения принимаем равным 0,9;м³Из нормального ряда принимаем объем аппарата 0,1 м³.Для раствора кислоты принимаем аналогичный аппарат.5) Расчет сборника надсмольных вод.Суточная массовая производительность по надсмольным водам равна Gнадсм=1750,6 кг/сут. По справочным материалам [15] находим плотность смеси вода: формальдегид: метанол ρ=956 кг/м³.φ – коэффициент заполнения принимаем равным 0,9.м³Из нормального ряда принимаем объем аппарата 8 м³.6) Расчет складских хранилищ готового продукта.Суточная массовая производительность продукта Gсмолы=10000 кг/сут. Максимальное время пребывания смолы на складе = 4 дней.Максимальный объем смолы на складе равен:(м³)Определяем количество емкостей-хранилищ.n – количество аппаратов;φ – коэффициент заполнения принимаем равным 0,9;− объем единичной емкости склада принимаем равным 10 м³.Принимаем количество емкостей 4.Расчет складских хранилищ формалина.Суточная потребность в формалине 37 % Gформалина=7082,4 кг/сут. Максимальное время пребывания смолы на складе = 5 дней. По справочным материалам [15] находим плотность смеси вода: формальдегид: метанол ρ=1090 кг/м³.Максимальный объем формалина на складе равен:(м³)Определяем количество емкостей-хранилищ.n – количество аппаратов;φ – коэффициент заполнения принимаем равным 0,9;− объем единичной емкости склада принимаем равным 10 м³.Принимаем количество емкостей 4.Таблица № 8. Спецификация используемых емкостей и хранилищ по ГОСТ 13372–78.№ п/пНаименование оборудованияКоличество, шт.МатериалРазмерыТип1.Реактор синтеза1Нерж. стальDвн=1600 ммHцил=1400 ммТолщина стенки 16 ммIVРН аппарат с рубашкой и нижним спуском, нижнее днище эллиптическое2.Хранилища карбамида2Нерж. стальDвн=2200 ммHцил=2100 ммТолщина стенки 8 ммVIIР аппарат с нижним спуском, нижнее днище коническое3.Хранилища формалина4Нерж. стальDвн=2200 ммHцил=2100 ммТолщина стенки 8 ммVIIР аппарат с нижним спуском, нижнее днище коническое4.Складские емкости смолы4Нерж. стальDвн=2200 ммHцил=2100 ммТолщина стенки 8 ммVIIР аппарат с нижним спуском, нижнее днище коническое5.Мерник дозирования карбамида1Нерж. стальDвн =1200 ммHцил=1500 ммТолщина стенки 8 ммVIIР аппарат с нижним спуском, нижнее днище коническое6.расходная емкость раствора щелочи1Нерж. стальDвн =350 ммHцил =260 ммТолщина стенки 4 ммIIР аппарат с рубашкой нижним спуском, нижнее днище эллиптическое7.мерник для дозирования раствора щелочи2Нерж. стальDвн =350 ммHцил =260 ммТолщина стенки 4 ммIIР аппарат с рубашкой нижним спуском, нижнее днище эллиптическое8.мерник для дозирования раствора кислоты1Нерж. стальDвн =350 ммHцил =260 ммТолщина стенки 4 ммIIР аппарат с рубашкой нижним спуском, нижнее днище эллиптическое9.Сборник надсмольных вод1Нерж. стальDвн =2000 ммHцил =1800 ммТолщина стенки 10 ммIVР аппарат с рубашкой нижним спуском, нижнее днище эллиптическоеПриложение В- Тепловые расчетыЦели тепловых расчетов сводятся к определению количества подводимого (отводимого) к реакционному аппарату тепла, в определении расхода теплоносителя или охлаждающего агента, а так же в вычислении соответствующей поверхности теплообмена. Данные расчеты проведены для реактора. Массу аппарата определяем из справочной литературы [16]. Масса аппарата равна 1258 кг. Теплоемкость стали равна 0,5 кДж/кг·К, теплопроводность нержавеющей стали равна 17,5 Вт/м·К. Изолирующий материал − стекловата, теплопроводность λсв =0,06 Вт/м·К, теплоемкость равна 0,53 кДж/кг·К. [14]. Реактор работает в диапазоне температур:Рис. 3. Изменение температуры в реакторе.ΔТ1 =17 − 50СΔТ2 =5 − 500СΔТ3 =50 − 850СΔТ4 =85 − 550ССоставим тепловой баланс для процесса поликонденсации, проводимую в аппарате. Уравнение теплового баланса в общем виде можно записать:Загрузка исходных компонентов в реакторВ связи с тем, что температуры загружаемых реагентов в реактор могут различаться, рассчитываем среднюю начальную температуру реакционной смеси. Формалин 37 % и карбамид при загрузке имеют температуру 17оС (температура в складских помещениях).Растворение карбамида происходит с поглощением теплоты, поэтому температура среды в реакторе, даже при температуре карбамида, равной комнатной, снижается приблизительно на 12–15 оС. Тепловой эффект растворения карбамида равен =118 кДж/кг [15].Тепловой баланс на данной стадии является автотермическим (определяется тепловым эффектом реакции), можно представить:где , масса нагреваемой реакционной системы, аппарата, теплоизоляции; , их теплоемкости; xначальная температура нагревания смеси; t1 – начальная температура реактора и компонентов при загрузке.=9754,5 кг=· + · – теплоемкость карбамида 1,56 кДж/кг*К – теплоемкость формалина, определяется как доля теплоемкостей каждого компонента, а именно: =·+·+· – массовая доля формальдегида 0,37; – его теплоемкость 1,32 кДж/кг·К; – массовая доля воды 0,57; – его теплоемкость 4,18 кДж/кг·К; – массовая доля метанола 0,06; – его теплоемкость 1,63 кДж/кг·К;Массовая доля кислоты незначительна. =0,37·1,32+0,57·4,18+0,06·1,63 кДж/кг·КМасса щелочи пренебрежимо мала.=1,56·0,27+2,97·0,73=2,59 кДж/кг·КИз выше указанных данных можно определить начальную температуру нагревания смеси.9754,5·2,59·(x17)+ 1258·0,5· (x17)= -118·2633,4х =50СРасчет теплоизоляции.Теплоизолирующий материала стекловата λсв =0,06 Вт/м·КПлощадь поверхности аппарата равна:1,6·3,14·1,4+2,98+2,1=12,11 (м²)Разница температур между стенкой аппарата со стороны реакционной массы и стенкой аппарата со стороны внешней среды:=85–40=45 0СТепловой поток через стенку аппарата и изоляцию при Т=850С равен:8 кВт = 8000 ВтТолщину изоляции определяем по формуле [14]:=0,0045 мКоэффициент теплопередачи от нагреваемой жидкости к окружающей среде равен:Принимаем значения коэффициентов теплоотдачи:Нагрев и охлаждение газа α1 =100Нагрев и охлаждение жидкости α2 =400Теплопроводность материала (нержавеющая сталь) λст =17,5 Вт/м·КТолщина стенки аппарата δст =16 мм =0,016 мТолщина изоляции δст =0,0045 мТеплопроводность λсв =0,06 Вт/м*К=12,6 (Вт/м²·К)Первый период. Нагревание смеси.Начальная температура t1 =50С. Конечная температура t2 =650С. Время нагревания 0,5 часа.Уравнение теплового баланса на данной стадии можно записать следующим образом: тепло для нагрева реакционной смеси тепло, необходимая для нагрева реактора тепло, необходимая для нагрева изоляции=12,6·18·12,11·0,5=1373 Дж=1,373 кДж- потери пренебрежимо малы.λ – теплота парообразования 2359 кДж/кг [14]. =9754,5·2,59·(65–5)+1258·0,5·(65–5)+0,054·0,53 (65–5)+1,373=1553592 кДжВторой период. Экзотермическая реакция, приводящая к нагреванию реакционной смеси от t2 =650С до t3 =850С. Время пребывания 3,5 часа. Тепловой эффект реакции взаимодействия карбамида и формальдегида равен -25,14 кДж/кг [12].В реактор за второй период загружено: раствор щелочи 43,7 кг (теплоемкость с=3,49 кДж [17]; карбамид, вторая загрузка 1265,1 кг (теплоемкость 1,56 кДж/кг*К)Масса прореагировавшего карбамида 4311 кг.Тепловой баланс на данной стадии можно описать:Потери тепла на данной стадии равны.=12,6·68·12,11·3,5=36315,5 Дж =36,316 кДж тепловой эффект растворения карбамида равен =118 кДж/кгтепловой эффект реакции взаимодействия карбамида и формальдегида равен -25,14 кДж/моль:11063,3·2,59·(65–5)+1258·0,5·(65–5)+0,054·0,53 (65–5)+ +4311·(-25,14)+1265,1·118+36,3=1797918 кДжТретий период. Вакуумирование.На данной стадии проводится отгонка надсмольных вод. Температура реакционной смеси изменяется от t3 =850С до t4 =550С. Время пребывания 1 час. Уравнение теплового баланса на данной стадии можно записать следующим образом: тепло, необходимое для отгонки надсмольных вод.Теплота парообразования надсмольных вод:=2359·0,75+1110·0,25=2047 (кДж/кг)Теплоемкость надсмольных вод равна 3,54 кДж/кг·КТеплоемкость реакционной массы равна 1,9 кДж/кг·КРеакционная масса составляет 9214,1 кгКоличество отогнанных надсмольных вод 1750,6Потери тепла составляют:=12,6·53·12,11·1=8087 Дж=8,087 кДж=9214,1·1,9·(55–85)+1258·0,5·(55–85)+0,054·0,53 (55–85)+ +1750,6·2047+8,087=3039412 (кДж)Общее уравнение: тепло, необходимая для нагрева реакционной смеси; тепло, необходимая для нагрева реактора; тепло, необходимая для нагрева изоляции; общие теплопотери; тепло поглощенное при растворении карбамида; тепло, необходимое для отгонки надсмольных вод; тепло выделевшееся в ходе реакции поликонденсации; тепло, подводимое или отводимое от реактора.Общие тепловые затраты определяются=1553592+1797918+3039412=6390922 кДжОбщее количество греющего пара:- количество греющего пара;λ – теплота парообразования 2359 кДж/кг; – теплоемкость воды 4,18 кДж/кг·К.Температура конденсата 900С, разность температур 100С.=6390922/(10·4,18+2359)=2662 кгНаиболее напряженным является первый период. По нему определяем поверхность теплообмена для реактора.Для определения поверхности теплопередачи теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи К. Для плоской чистой стенки его можно рассчитать по уравнению:Принимаем значения коэффициентов теплоотдачи:турбулентное движение воды вдоль оси труб α1 =1000;нагрев и охлаждение жидкости α2 =400;теплопроводность материала (нержавеющая сталь) λст =17,5 Вт/м·К;толщина стенки аппарата δст =16 мм =0,016 м. (Вт/м²·К)Теплопередающая поверхность рассчитывается по формуле:Тепловая нагрузка аппарата:=863,1 кВтСредняя разность температур между теплоносителями:=67,5–27,5=40 (м²)Примем поверхность теплообмена 100 м².Из тепловых расчетов определены:поверхность теплообмена для реактора 100 м²общее количество греющего пара 2662 кгТаблица № 9. Сводная таблица материальных расчетов№ п/пНаименование сырьяРасходНа 1 тонну готовой продукциитонн / суткитонн/год1.Греющий пар0,2662,66798,61) Расходный коэффициент (РК).РК (греющий пар)= 2,662/10=0,266 (т/т)2) Годовой расход (Gгод).Gгод = Gпара · ДGгод (греющий пар)= 2,662·300=798,6 (т/год)Приложение Д - Описание внутрицехового транспортаВ транспортные средства на данном производстве обеспечивают транспортировку сырья и готовой продукции.Транспортные средства, подающее твердое сырье.Транспортировка карбамида осуществляется по транспортной системе, включающей в себя два ленточных конвейера и узел пересыпки:– 1й конвейер поз. Х201 производительностью 0,75 т/час проходит по существующему складу карбамида до узла пересыпки;– 2й конвейер поз. Х202 производительностью 0,75 т/час проходит по верхней отметке реакторного отделения;– ковшовый элеватор поз. Н201 производительностью 0,75 т/час, включенный в узел пересыпки;– шнековый питатель поз. Н201, включенный в основную линию подачи карбамида;– два шнековых питателя поз. Н202Н203, включенных в вспомогательные схемы подачи карбамида.Производительность шнековых питателей поз. Н201Н203 регулируется изменением скорости вращения в пределах Q=0,5÷0,75 т/час.Подача карбамида в реактор поз. С301 осуществляется из бункера поз. В201 шнековым питателем поз. Н204, производительность максимальная 15 м³/ч.Оборудование для подачи жидкого сырья.Для подачи в реактор небольших количеств жидкого сырья, используются дозирующие насосы поз. Р102, Р105 производительностью до 10 л/час. Насосы для перекачки щелочи поз. Р103Р104 в расходные емкости поз. В103–104 производительностью 0,5 м³/ч.В реактор предусмотрен трубопровод подачи формальдегидного сырья от насоса из складских емкостей ФА 37 % расположенных на открытом пространстве. Производительность насоса 30 м³/ч.Так же для транспортировки сырья и вспомогательных материалов используются автопогрузчики, передвижные ручные тележки и подъемник грузоподъемностью 0,5 т габариты платформы 1500х1500 мм.Готовая смола подается на склад готовой продукции по трубопроводу насосом поз. Р701 производительностью 10 м³/ч.Приложение Е - Безопасность жизнедеятельности и охрана труда при производствеТаблица № 10. Данные по характеристике пожароопасных и токсических свойств сырья, полупродуктов, готовой продукции и отходов производстваНаименование сырья, полупродуктов, готовой продукции (вещества% масс), отходов производствКлассОпас-ности (ГОСТ12.1.07–76)Агре-гатное состо-яние при н уПлот-ностьпаров (газа) повоздухуУдель-ныйвес длятвердых и жидких веществг/см³Температура, ºСКипе-нияПлав-ленияСамо-вос-пламе-ненияВос-пла-мене-нияВспыш-ки1 Формалин (формальдегид 37–55 %)2ж1,031,09898,0-426-85 (37 %)77 (55 %)2 Формальдегид2г1,03-минус19,5-430--3 Карбамид3ж1,1931,193При78 C-133---4 Едкий натр (42 % раствор)2ж-1.8341358---5 Муравьиная кислота2ж1,61,22100,68,460083711 Формалин (формальдегид 37–55 %) ПДК в воздухе рабочей зоны производственных помещений, 0,5 (по формальдегиду) мг/м³. Токсичность обусловлена наличием формальдегида.Токсичен при вдыхании, попадании на кожу и вовнутрь, оказывает сильное воздействие на центральную нервную систему.Хроническое отравление выражается в расстройствах пищеварения, зрения. При отравлениях наблюдаются головные боли, сердцебиение, бессонница.