CC BY
16
УДК 66.048.3:004.942
Ефимов И. С., Советин Ф. С., Чуднова Т. А., Гартман Т. Н., Панкрушина А. В.
РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДА ТЕХНОЛОГИЯ СТАМИКАРБОН
Ефимов Иван Сергеевич - студент-дипломник кафедры новых материалов и технологий филиала «Угреша»; Чуднова Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук, доцент, исполняющая обязанности ректора филиала «Угреша»; [email protected];
ГБОУ МО «Государственный университет Дубна», филиал «Угреша», Россия, МО, г. Дзержинский, 140090, ул. Акад. Жукова, дом 24
Советин Филипп Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; [email protected];
Гартман Томаш Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и компьютерного проектирования; [email protected];
Панкрушина Алла Вадимовна - кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; [email protected];
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В настоящей работе разработана и реализована компьютерная модель технологической схемы получения карбамида (технология Стамикарбон). Рассчитаны аппараты технологической линии и сама технологическая схема. Намечены пути реконструкции и модернизации данного производства. Ключевые слова: карбамид, реактор, технология, ректификация, колонна, насос
DEVELOPMENT OF THE COMPUTER MODEL OF THE PRODUCTION OF CARBAMIDE STAMICARBON TECHNOLOGY
Efimov I. S.1, Sovetin F.S.2, Chudnova T. A.1,. Gartman T.N.2, Pankrushina A.V.2
1 State University Dubna, Filial Ugresha
2 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this article, the computer model of a technological line of the production of carbamide was developed and realized. The technological line and the complete production were calculated. The reconstruction and modernization paths of this production are outlined.
Key words: carbamide, reactor, technology, distillation, column, pump
Введение
Карбамид является высококонцентрированным азотным удобрением и в сравнении с другими азотными удобрениями содержит наибольшее количество азота. Объём производства карбамида увеличивается в результате расширения и усовершенствования действующих цехов и ввода в эксплуатацию новых установок, разработки новых технологических схем, обеспечивающих повышение эффективности технологических процессов и охрану окружающей среды [1]. Карбамид также используется в производстве лекарственных препаратов и т.д.
Рост производства карбамида связан с разработкой и внедрением в эксплуатацию агрегатов больших единичных мощностей, а также разработкой высокоинтенсивных процессов [1-2].
Проведение модернизации и реконструкции технологических схем и разработок новых, с позиции энерго- и ресурсосбережения не представляется возможным без применения современных комплексов проблемно-ориентированных программ,
позволяющих создавать компьютерные модели технологических схем, создавать так называемые «виртуальные» производства. Кроме того, применение современных комплексов программ позволяет без значительных материальных и
временных затрат проводить вычислительные эксперименты на моделях химических производств в целом [3-6].
Описание технологической схемы получения карбамида как объекта компьютерного моделирования
Технологическая схема производства карбамида как объекта компьютерного моделирования заимствована из [3]. Технологическая схема производства карбамида по технологии Стамикарбон, реализованная в среде комплекса программ ХЕМКАД изображена на рис. 1.
Аммиак и диоксид углерода направляются в реактор синтеза карбамида (рис. 1, модуль 1), где протекает химическая реакция в соответствии уравнению (процесс проводится при 150 С и давлении - 500 бар):
2NHз + СО2 ^ Н^Ч-СаЛШ + Н2О; (1)
Далее реакционная масса направляется в две последовательно связанные ректификационные колонны. В первой ректификационной колонне (рис. 1, модуль 6) отделяется аммиак. Кубовый остаток первой колонны направляется во вторую колонну (рис. 1, модуль 8), а которой разделяются карбамид и вода
©Аммиак на переработку
„
д"';, Смесь карбамида и воды 1б1-
КарБамид
Рис.1 Технологическая схема производства карбамида (технология Стамикарбон), реализованная в среде комплекса программ ХЕМКАД. Обозначения: 1 - модуль химического реактора, 4 - модуль насоса, 5 - модуль
компрессора, 6 и 8 - модули ректификационных колонн.
Описание хода моделирования технологической схемы получения серной кислоты из серы
Реактор синтеза карбамида моделируется модулем стехиометрического реактора посредством задания стехиометрических данных реакции (1) и степени конверсии базового реагента (степень конверсии диоксида углерода - 100 %). Результаты компьютерного моделирования реактора синтеза карбамида представлены в таблице 1.
Первая ректификационная колонна моделируется модулем строгого расчёта процесса ректификации БСББ с использованием алгоритма метода Тиле-Геддеса [7]. Число тарелок - 20, № тарелки питания для потока - 10. Давление на верху колонны - 15 бар. Массовый расход дистиллята -52000 кг/час, паровое число - 5 Результаты компьютерного моделирования первой
ректификационной колонны представлены в табл. 2.
Вторая ректификационная колонна моделируется модулем строгого расчёта процесса ректификации БСББ с использованием алгоритма метода Тиле-Геддеса. Число тарелок - 20, № тарелки
питания для потока - 10. Давление на верху колонны - 15 бар. Массовый расход дистиллята - 34500 кг/час, паровое число - 7 Результаты компьютерного моделирования второй ректификационной колонны представлены в табл. 3.
Таблица 1. Результаты компьютерного моделирования реактора синтеза карбамида
Свойство потока Входной поток Выходной поток
контактного контактного
аппарата аппарата
Температура; С 86 150
Давление; бар 500 500
Общий расход; 130165 130165
кг/час
Массовая доля
компонента;
масс.%
]]Нз 65.98 39.81
СО2 33.81 -
Ш]]-СО-]ЧН2 - 46.13
Н2О; 0.21 14.04
Таблица 2. Результаты компьютерного моделирования первой ректификационной колонны
Свойство потока Поток питания Выходные потоки ректификационной колонны
Дистиллят Кубовый остаток
Температура; С 150 38 182
Давление; бар 500 15 15
Общий расход; кг/час 130165 52000 78165
Массовая доля компонента; масс.%
]]Нз 39.81 99.49 0.12
СО2 - -
Ш]]-СО-]ЧН2 46.13 - 76.83
Н2О; 14.04 0.51 23.05
Диаметр колонны; м 5
Высота колонны; м 10
Таблица 3. Результаты компьютерного моделирования второй ректификационной колонны
Свойство потока Поток питания Выходные потоки ректификационной колонны
Дистиллят Кубовый остаток
Температура; С 182 182 255
Давление; бар 15 15 15
Общий расход; кг/час 78165 34500 43665
Массовая доля компонента; масс.%
NHз 0.12 0.27 -
СО2 - -
76.83 47.51 100
Н2О; 23.05 52.22 -
Диаметр колонны; м 5
Высота колонны; м 10
Для разработки компьютерной модели полной многостадийной крупнотоннажной технологической схемы производства карбамида использовался метод обеспечения сходимости рециклов - метод простых итераций [8]. Также использовано методическое обеспечение для решения задач блочного компьютерного моделирования крупнотоннажных, энерго- и ресурсоёмких химико-технологических систем, разработанное в работах [9-10].
Заключение
1. Разработаны и реализованы компьютерные модели аппаратов технологической схемы получения карбамида
2. Разработана компьютерная модель производства карбамида по технологии Стамикарбон
3. Намечены пути модернизации данной технологической схемы.
Авторы приносят искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Балояну Бабкену Мушеговичу за научно-методические консультации при проведении данной работы
Список литературы
1. Вольфкович С.И. Общая химическая технологий. М.:ГНТИ химической литературы. 2009. 848 С.
2. Кононов А. В., Стерлин В. Н., Евдокимова Л. И. Основы технологии комплексных удобрений. М.: «Химия», 1988. 320 с.
3. Кафаров В. В. Принципы создания безотходных химических производств. М.: «Химия». 1982. 288 с.
4. Кулов Н. Н. Гордеев Л. С. Математическое моделирование в химической технологии и
биотехнологии // Теоретические основы химической технологии. 2014. Т. 48. № 3. С. 243-248.
5. Зиятдинов Н. Н. Моделирование и оптимизация химико-технологических систем // Теоретические основы химической технологии. 2017. Т. 51. № 6. С. 613-617.
6. Гартман Т. Н., Советин Ф. С. Аналитический обзор современных пакетов моделирующих программ для компьютерного моделирования химико-технологических систем // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. № 11 (140). С. 117-120.
7. Гартман Т. Н., Клушин Д. В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. М: «Академкнига», 2008. 415 с.
8. Дворецкий С. И., Кормильцин Г. С., Калинин В. Ф. Основы проектирования химических производств. М.: «Машиностроение-1». 2005. 280 с.
9. Советин Ф.С., Гартман Т. Н., Шакина Э.А., Шумакова О. П., Царёва Е. В. Алгоритм разработки компьютерных моделей сложных химических производств с применением комплексов моделирующих программ // Химическая промышленность сегодня. № 2. 2018. С. 49-56.
10. Советин Ф. С. Разработка и применение методического обеспечения блочного компьютерного моделирования энергоресурсоёмких химико-технологических систем c применением инструментальных комплексов программ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.13.18 и 05.17.08. М. РХТУ им. Д. И. Менделеева. 2011.
