氨回收装置精馏是塔的设计与研究.doc
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1、 990t/a氨回收装置精馏塔的设计与研究The Design and Study of 990t/a Ammonia Recover Unit of The Rectifying Column 目 录摘要IAbstractII引言1第1章 合成氨的生产与发展状况21.1 合成氨的概述21.2 合成氨的化学反应21.3 国内合成氨的生产现状及发展21.3.1 水煤浆气化工艺路线21.3.2 常压气化路线31.4 国外合成氨的发展31.5 合成氨生产的发展前景3第2章 合成氨尾气处理氨回收工艺52.1 产品及原料性能52.1.1 氨52.1.2 氢气62.1.3 氮气72.2 氨回收工艺流程8第
2、3章 工艺计算103.1 精馏塔的物料衡算103.2 相对挥发度的计算103.3 平衡线,q线,精馏段操作线,提馏段操作线方程的确定113.4 塔的工艺条件及相关物性数据计算123.4.1 物性数据123.4.2 精馏段工艺条件123.4.3 提溜段工艺条件123.5 塔板数的计算133.5.1 塔板设计选用数据133.5.2 理论板数的计算133.5.3 实际塔板数的计算143.6 浮阀塔板工艺尺寸的确定与计算153.6.1 塔高的计算153.6.2 塔径D153.6.3 降液管及溢流堰尺寸173.6.4 浮阀数及排列方式183.7 塔板流动性能的校核203.7.1 液沫夹带量校核203.7
3、.2 塔板阻力计算203.7.3 降液管液泛校核213.7.4 液体在降液管内停留时间校核223.7.5 严重液漏校核223.8 塔板负荷性能图223.8.1 过量液沫夹带线223.8.2 液相下限线关系式223.8.3 严重漏液关系式233.8.4 液相上限线关系式233.8.5 降液管液泛线关系式233.9 热量衡算253.9 1 塔顶冷凝器的热量衡算253.9.2 塔底再沸器的热量衡算253.10 浮阀塔工艺设计计算结果汇总26结论28致谢29参考文献30附件132附件233年产990吨氨回收装置精馏塔的设计与研究摘要: 氨是基本化工产品之一,用途很广。氨回收装置是为了适应氨合成工序的工
4、艺需要,回收利用有效成分,实现零排放等要求特设的配套装置。因此,本文设计主要以年产990吨氨为精馏塔的生产目标,对精馏塔进行物料衡算,热量衡算,然后根据物料平衡对氨回收精馏塔进料量、塔顶、塔底出料量进行物料衡算,对氨回收精馏塔的塔高理论上进行了尺寸计算及选择,并且对精馏塔进行了校核。根据热力学定律,对某些设备进行热量衡算,对设备理论上进行了计算及选择,使设备满足设计要求,达到所需要的工艺条件。进料组成:17%;塔底产品组成0.2%;塔顶产品组成99%。操作条件:年工作330天,每天24小时,总工作时间为24330=7920小时。 关键词:氨回收 物料衡算 热量衡算 工艺设计The Design
5、 and Study of 990t/a Ammonia Recover Unit of The Rectifying ColumnAbstract:Ammonia is one of the basic chemical products, uses is very wide. Ammonia recovery unit is in order to meet the needs of ammonia synthesis process technology, recycling use of effective components, to achieve zero emission fo
6、r AD hoc supporting device. Therefore, this article designed mainly with annual output of 990 tons of ammonia rectification columns production goal, for the distillation tower of material balance, heat balance, then according to the material balance of ammonia recovery feed rate of rectification col
7、umn, the top and bottom shoes to carry on the material balance, the ammonia recovery distillation tower is high in theory for size calculation ,selection and the check. According to the laws of thermodynamics, the heat balance for some equipment, the calculation and selection of equipment theory, ma
8、ke the equipment meet the design requirements, meet the need of process conditions. Feed composition:17%; 99%. Operating conditions: years work 330 days, 24 hours a day, total working time for 24330 = 7920 hours.Keywords: Ammonia recovery material calculation heat balance calculations process design
9、II引 言氨(Ammonia,旧称阿莫尼亚)是重要的无机化工产品之一,在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥,除氨水外,诸如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥都是以氨为原料生产的。氨是基本化工产品之一,用途很广。化肥是农业的主要肥料,而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料,其生产规模、技术装备水平、产品数量,都居于化肥工业之首,在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的,因此,合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平1。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料,还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外,液氨本身就是一种高
10、效氮素肥料,可以直接施用,一些国家已大量使用液氨2。可见,合成氨工业是氮肥工业的基础,对农业增产起着重要的作用。合成氨是大宗化工产品之一,世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上,其中约有80%的氨用来生产化学肥料,20%作为其它化工产品的原料3。回收氨有双重意义,首先可将氨制成化肥,其次从净化的观点出发,防止以氨为媒介的腐蚀性介质造成设备的严重腐蚀。氨回收装置是为了适应氨合成工序的工艺需要,回收利用有效成分,实现零排放等要求特设的配套装置。第1章 合成氨的生产与发展状况1.1 合成氨的概述合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。别名氨气,分子式为NH3,英文名:synthetic a
11、mmonia。世界上的氨除少量从焦炉气中回收外,绝大部分是合成的氨。合成氨主要用于制造氮肥和复合肥料。氨作为工业原料和氨化饲料,用量约占世界产量的124。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。液氨常用作制冷剂。1.2 合成氨的化学反应 德国化学家哈伯(F.Haber,1868-1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利,即“循环法”,在此基础上,他继续研究,于1909年改进了合成,氨的含量达到6%以上。这是目前工业普遍采用的直接合成法5。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题,将氨产品从合成反应后
12、的气体中分离出来,未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下:N2+3H22NH3(该反应为可逆反应,等号上反应条件为:“高温 高压”,下为:“催化剂”)合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展,合成氨技术趋于成熟,形成了一大批各有特色的工艺流程,但都是由三个基本部分组成6,即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。1.3 国内合成氨的生产现状及发展我国合成氨工业的发展情况,解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂,解放后合成氨工业有了迅速发展7。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨,而1982年达到1021.9万吨,成为世界上产量最高的国家之一8。近几年
13、来,我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备9。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料,生产中能量损耗低、产量高,技术和设备都很先进。我国油、气资源少,煤炭资源丰富,随着科技的进步以煤为原料的氨厂仍有发展前景。提出了煤基合成氨工艺的选择原则,以煤为原料制氨的总体流程选择,大体上可分为水煤浆气化工艺路线及常压气化路线10。 1.3.1 水煤浆气化工艺路线美国德士古水煤浆气化技术是较完善的煤气化技术,其气化温度高达13501450 ,气化压力从3. 92MPa 到 6. 37MPa 。该流程特点是以煤(主要用烟煤)为原料,
14、制成水煤浆,配置大型空分装置,其氧气供气化,氮气在氮洗配入合成气之中,气化后饱含水的合成气先进入变换(耐硫催化剂)使CO与 H2O反应为 H2和CO2。经甲醇洗(Rectisol )脱除CO2和 H2S,再经液氮洗脱除微量CO、CO2及其它杂质,配以N2制成纯净的净化合成气去氨合成工序。1.3.2 常压气化路线常压气化一般以无烟块煤或焦炭为原料,用空气或富氧空气气化,经常压脱硫、低压段压缩、变换脱 CO2、净化、高压段压缩去氨合成。1.4 国外合成氨的发展近几年来,世界合成氨工业的技术进展主要有以下几方面:英国ICI公司采用LCA工艺流程,在英国的SevernsNe氨厂建了两套并列的产量各为4
15、50吨天,但只有一套公用工程系统的合成氨装置11 。美国凯洛格公司对氨厂的某些工艺单元及设备的传统构型进行了改革,开发出了合成氨生产的4种新技术,即用于氨合成回路的KAAP工艺,用于工艺气转化换热的KRES系统,以计算机为基础的氨厂节能降耗动态控指KDAC技术和公用工程蒸汽系统的冷凝液汽提KICS技术12。由于生态和环保的原因,今后发达国家化肥用量将减少,世界合成氨生产能力将缓慢增长。1.5 合成氨生产的发展前景目前,化学模拟生物固氮的重要研究课题之一,是固氮酶活性中心结构的研究13。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成。铁蛋白主要起着电子传递输送的作用,而含二个钼原子和二
16、三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N2或其他反应物(底物)分子,并进行反应的活性中心所在之处。关于活性中心的结构有多种看法,目前尚无定论。从各种底物结合物活化和还原加氢试验来看,含双钼核的活性中心较为合理14。我国有两个研究组于19731974年间,不约而同地提出了含钼铁的三核、四核活性中心模型,能较好地解释固氮酶的一系列性能,但其结构细节还有待根据新的实验结果精确化15。国际上有关的研究成果认为,温和条件下的固氮作用一般包含以下三个环节:(1)络合过程。它是用某些过渡金属的有机络合物去络合N2,使它的化学键削弱;(2)还原过程。它是用化学还原剂或其他还原方法输送电子给被络合的N2,来拆开N2中
17、的NN键;(3)加氢过程。它是提供H+来和负价的N结合,生成NH3。目前,化学模拟生物固氮工作的一个主要困难是,N2络合了但基本上没有活化,或络合活化了,但活化得很不够。所以,稳定的双氮基络合物一般在温和条件下通过化学还原剂的作用只能析出N2,从不稳定的双氮络合物还原制出的NH3的量相当微少。因此迫切需要从理论上深入分析,以便找出突破的途径。固氮酶的生物化学和化学模拟工作已取得一定的进展,这必将有力地推动络合催化的研究,特别是对寻找催化效率高的合成氨催化剂,将是一个有力的促进。虽然使用“无机”氮的生物农业将会有所发展,但是,在以后的1520年内,生物技术(如固定氮工艺)还不可能取代合成氨作为化
18、学肥料的主要来源16。现今所有的合成氨消费中,只有13是用在化学和工业应用上,其他87都用于生产化肥17。因此,氮肥的供应还得继续依靠合成氨的生产。第2章 合成氨尾气处理氨回收工艺2.1 产品及原料性能2.1.1 氨(1)生产规模本装置以稀氨水为原料,通过蒸氨精馏塔提炼出纯度较高的液氨。生产规模:年产990吨氨的氨回收精馏塔。(2)氨产品化学名称:氨气分子式:NH3分子量:17.031 (3)物理性质18:氨气在标准状况下的密度为:0.771g/L临界点 133,11.3atm蒸汽压 506.62kPa(4.7)熔点 -77.7沸点101.325kPa(1atm) -33.5溶解性: 极易溶于
19、水(1:700)临界温度 405.65K,-132.5(4)化学性质18:a.跟水反应氨在水中的反应可表示为:NH3+H2O=NH3H2O氨水在中学化学实验中三应用:用蘸有浓氨水的玻璃棒检验HCl等气体的存在。实验室用它与铝盐溶液反应制氢氧化铝。配制银氨溶液检验有机物分子中醛基的存在。b.跟酸反应NH3+HNO3 = NH4NO3NH3+CO2+H2O=NH4HCO3反应实质是氨分子中氮原子的孤对电子跟溶液里具有空轨道的氢离子通过配位键而结合成离子晶体。若在水溶液中反应,离子方程式为:8NH3+3Cl2 = N2+6NH4Cl(黄绿色褪去,产生白烟)反应实质:2NH3+3Cl2 = N2+6H
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