重油为原料年产8万吨氨车间液氮洗脱一氧化碳工段初步设计毕业论文.doc

大学毕业设计 论文 I 摘摘 要要 本课题是关于以重油为原料年产 8 万吨氨液氮洗脱一氧化碳工段初步设计 液氮 洗工艺对于脱除原料气中的杂质有相当高的效率 尤其适用于以重油和煤为原料的合 成氨工业 当今时代 石油业日趋强盛 并且将长期处于主导地位 故而液氮洗也将 在未来合成氨产业中占据重要地位 本说明书的内容包括应用液氮洗工艺的工厂厂址 的选择 生产规模和生产制度的制定 液氮洗的重要意义 在合成氨工业中的地位 我国未来液氮洗工艺的走势 国内 外研究现状和发展趋势 课题设计依据 液氮洗工艺流程 规模 生产 制度 物料衡 算 热量衡算和设备计算 以及对设备和设备内部结构的选型 最后综合各方面因素对车间各个设备的布置做了详细的安排 并绘制相关图纸 最终完成约 20000 字的设计说明书 并附以液氮洗工艺流程图 氮洗塔设备图和车间 坪里面布置图 关键词 液氮洗 氮洗塔 净化气 液化 一氧化碳 大学毕业设计 论文 II Abstract This issue is on an annual output of heavy oil as raw materials 80 000 tons of ammonia nitrogen monoxide eluted preliminary design section Liquid nitrogen washing process for the removal of impurities in feed gas has a very high efficiency in particular applicable to heavy oil and coal as raw materials of synthetic ammonia industry The contemporary era the increasingly powerful oil industry and a dominant position will be a long time Therefore washing liquid nitrogen ammonia in the future will also occupy an important place in industry The contents of this brochure including the application of liquid nitrogen wash process of the plant site selection scale of production and the development of production systems the importance of washing liquid nitrogen in the ammonia industry status China s future trend of liquid nitrogen wash process both at home and abroad Research and development trends subject design based on liquid nitrogen wash process scale production systems material balance heat balance calculation and equipment as well as the internal structure of devices and equipment selection Taking all factors as the last of the various workshop equipment layout arrangement in detail and draw the relevant drawings 20000 final word about the design specification together with a liquid nitrogen wash process map nitrogen wash tower plans and workshop equipment layout inside Ping KeyKey words words liquid nitrogen wash nitrogen wash tower gas purification liquefaction monoxide 大学毕业设计 论文 1 第 章 总 论 1 1 概述 1 1 1 液氮洗的意义 氨合成主要是以单质氮气和单质氢气为原料 获得原料的方法有多种 常见的方 法是用天然气 煤和石油为原料制取原料气 随着时代的发展 石油业不断壮大 已 经成为并将长期占据燃料的主导地位 因此与石油挂钩的产业都将不断发展 以重油 为原料制取氨气的工艺越来越受到世人的关注 液氮洗工艺正是以重油为原料制取氨 气中的重要部分 且可以使合成气达到相当高的纯度 通过次工艺生产的氮肥质量也 大大提高 也可以充分利用石油炼制过程中的渣油 以达到资源合理应用增大剩余价 值的目的 当今合成氨工业中 液氮洗工艺也已相当成熟 且发展也越来越迅速 在 未来的工业生产中液氮洗工艺将越来越多的被应用 成为合成氨产业中不可缺少的一 部分 1 1 2 液氮洗在理论中和实际中的价值 重油的主要组成元素是碳和氢 通过对重油的不完全氧化可以得到合成氨所需的 氢气 且含有一些杂质气体 如一氧化碳 二氧化碳 甲烷 硫化氢 氩和二氧化硫 等 当经过甲烷化等一系列净化以后 原料气中仍然含有氢气 一氧化碳和少量甲烷 氩等杂质气体无法除尽 液氮洗过程正好可以完成彻底的近净化过程 可以将杂质基 本除尽 使从氮洗塔出来的净化气中氩气含量小于 0 01 一氧化碳含量小于 5ppm 甲烷含量小于 0 5ppm 使它们对合成氨工段不造成影响 这也能保证产品氨的纯度 在实际生产中 液氮洗的工艺水平直接决定着氨的质量和能量的消耗问题 故不断提 高液氮洗工艺水平有绝对的必要性 完善的液氮洗工艺不仅可以大大提高氮肥的质量 也可以在很大程度上降低按生产过程中的成本 1 1 3 液氮洗的国内外研究水平及现状 关于液氮洗脱一氧化碳工艺 林德公司于 1914 年开发的低温精馏法与次工艺相当 相似 且工艺成熟 这个工艺的特点是适合一氧化碳产量较大的生产 但由于一氧化 碳与氮气沸点相差较小 难以获得较高纯度的产品气 在液氮洗工艺上也不断有一些 新的理念产生 如我国镇海厂使用的冷量平衡概念知道开车取得成功 镇海厂还采取 了借用空分低压液氮补冷线接一条副线 将高压液氮引一股到出塔合成气管道中 以 增长混合距离来加强混合效果 1996 年 5 月 14 日 我国第一次使用自己加工的液氮洗 工序分子筛程控阀阀座密封环 且直至 1998 年 8 月大停前 都未对密封环做任何调整 大学毕业设计 论文 2 其使用过程中一直正常 最常使用周期达到 11 个月 以及浙江大学化工热力学研究室 于 1992 年 3 月高校化学工程学报第六卷第 6 期上发表的 MH 81 方程的改进及应用于 低温液氮洗过程的气 液平衡 通过次方程可以有效的计算低温液氮洗过程的二元气 液平衡 1 2 设计依据 本设计是以齐齐哈尔大学下发的 毕业设计任务书 为准 并结合 齐齐哈尔大 学本科生毕业设计 论文 工作手册 和学院的 化学工程与工艺专业毕业教学环节 文件汇编 以及在 小型氮肥厂工艺设计手册 和 无机工艺化学 查阅的相关参数 完成的 此间查阅了图书馆的大量中外相关资料和网络信息 并结合在大学期间所学 理论知识结合当前该工艺国内外现状综合设计的 且先后在指导教师的指导下进行多 次修改 1 3 厂址选择 1 3 1 厂址选择的原则 作为以重油为原料的氮肥厂 建厂地理位置的合理选定非常重要 厂房必须建在 石油丰富 且农业较发达的地区 初步选定为大庆市萨尔图地区 意义 工厂建在固定的厂址 位置一经确定 就不能移动 厂址选择是否 得当 对工业在各个地区的合理分布 城市和工业区的建设 自然资源的开发利用和 环境保护 都具有深远的影响 同时 也直接关系到拟建企业的建设投资 建设工期和投 产後的经济效益 这是一项政策性强 技术性和经济性要求高的工作 对大型和特大型 建设项目的厂址选择尤为重要 选址原则 一般应考虑 适合全国和地区工业布局以及产品供需安排的要 求 符合城市规划或工业区域规划 尽可能节约占地面积 少占或不占良田 耕地 企业生产所需的资源能够落实 原料 燃料及辅助材料的供应经济合理 有充足可靠的 水源和电源 交通运输条件比较方便 经济 不污染环境 不破坏文物古迹 不妨碍文 化 旅游及其他精神文明建设 对拟建项目留有适当发展馀地 地质条件较好 施工难 度小 建设投资省 项目建成投产後 经济效益良好 选址方法 厂址选择可分两个阶段 首先确定建厂选址的范围 然後具体确定厂址 大学毕业设计 论文 3 最後位置的比较方案 提出选址报告 在中国 选厂工作可由筹建单位单独进行 通 常则是按项目隶属关系 由主管部门组织有关规划 设计 地质 交通及地方有关单位联合 进行 凡在城市辖区内选址的 要取得城市规划部门的同意 并且要有协议文件 不 论单独选厂或联合选厂 都应对比选的各个地点 认真细致地收集有关的自然环境 社 会经济情况 有关的厂矿企业的现状和发展规划等方面资料 经过实地查勘 综合研 究 进行充分的论证 再比较确定 厂址选择即新建项目具体位置的选择是工业布局的最终环节和工业基本建设的前 期工作 也是工业项目可行性研究的组成部分 它根据工业地区布局和新建项目设计 任务书的各项要求 由规划与设计部门共同承担 在实地踏勘及区域性技术经济调查 的基础上 对各地建设条件分析评价 并选择若干个能基本满足建厂要求的厂址方案 作定性与定量相结合的技术经济综合论证 从而确定最优的建设地点和具体厂址 1 3 2 方案比较 根据以上原则和依据 本设计厂址初步拟定为萨尔图地区 萨尔图 蒙古语意为 有月亮的地方 萨尔图区 1980 年 4 月正式建区 全区总面积 548 平方公里 人口 34 万人 流动人口 15 万 随着大庆石油工业和市政建设的不断发展 萨尔图区已逐步成 为大庆市政治 经济 文化 交通和通讯中心 萨尔图区交通发达 区内的大庆火车站 长途客运总站 公共汽车总站为出入大 庆市的旅客和市内居民出行提供了便利的交通条件 301 国道横贯区内 公园桥 铁人 桥 东干线立交桥 双向 8 车道的世纪大道及数十条城乡公路构成了四通八达的交通 网络 快捷便利的交通 为萨尔图区的对外开放和经济发展注入了无限生机 萨尔图区工业发展空间广阔 辖区内有原油年产量 1 500 万吨 占全国原油产量的 1 9 占大庆原油产量 1 4 的大庆油田采油一厂和采油三厂 采油十厂等大型石油骨干 企业和潜油电泵公司 总机械厂等油田专用设备生产企业 有大庆粤海晓雪啤酒有限 公司 大庆塑料彩印公司 美食乐食品有限公司等近百家地方工业企业 奠定了萨尔 图区雄厚的工业基础 萨尔图区农业发展前景无限 辖区内的春雷农业开发公司有土 地总面积 15 万亩 其中草原苇塘面积 90 857 亩 耕地面积 25 125 亩 林地 16 000 亩 水面 22 000 亩 公司畜牧业发展态势良好 已建成 3 个养殖场及占地 900 亩的无公害 蔬菜生产基地 环绿 牌粘玉米已获得国际有机食品认证 完成了 450 亩蔬菜示范园区 的基础设施建设 37 栋 43 型高效节能温室生产的各类蔬菜已经投放市场 萨尔图区将 以建设城市型农业和卫星城镇为目标 努力把春雷地区建设成为我市东城区菜 肉 奶生产基地和城市型农业示范区 地理面貌 萨尔图区位于大庆市北部 东经 125 1 北纬 46 35 萨尔图 蒙古语的音译 大学毕业设计 论文 4 意思是 有月亮的地方 萨尔图区总面积是 548 平方公里 全境南北长 东西狭窄 东以龙凤区为邻 南与红岗区相连 西和让胡路区接壤 北同林甸县搭界 萨尔图区 1980 年 4 月正式建区 现有人口 31 4 万人 流动人口 21 5 万 1 4 设计规模和生产制度 1 4 1 设计规模 以重油为原料年产 80 000 吨氨液氮洗脱一氧化碳工段的初步设计 年开工天数 300 天 即开工 7 200 小时 1 4 2 生产制度 生产制度的制定是实行安全生产的基础 本车间生产欲采用 四班三倒 的制度 同时要求员工要树立 稳定高产 力保安全 的方针 坚持 谁主管 谁负责 的原 则 生产经营必须保障安全需要的原则 实现安全生产 定期组织检查安全生产和劳 动保护工作 发现问题及时解决 一旦发生生产安全事故 必须立即采取措施 并分 析发生事故的原因 提出改进方案 对事故责任者要严肃处理 预防事故重复发生 在生产中发现有重大危险 及时采取措施 清除隐患 安排生产计划时 必须考虑生 产设备装置的能力 防止设备装置超负荷运行考虑水 电 气的平衡 指导和督促工 人执行各项安全生产规章制度和操作规程 经常进行现场检查 纠正违章作业现象 及时清除隐患 认真学习并严格遵守各项安全生产规章制度和操作规程 不违章操作 坚守生产岗位 不串岗 不离岗 保持作业现场及设备清洁 爱护和正确使用防护用 具 严格执行工艺要求 认真填写生产记录 正确分析 判断和处理事故 对从事电 气 压力容器 电梯 机动车驾驶等特殊工种的工人必须进行专业安全技术培训 经 有关部门严格考核并取得上岗证书后方可上岗操作 对特殊工种的在岗人员 必须进 行经常性的安全教育 车间内要保持环境清洁 根据各工位需求 设置物料临时存放 区 并明确临时存放负责人 各种物料码放整齐并远离热源 电源 水源 注意室内 通风 1 5 原料与产品规格 液氮洗是合成氨之前的最后一道工艺 因此要求很高 要求杂质百分含量不能太 高 表 1 1 原料规格 H2COArCH4N2小计 大学毕业设计 论文 5 96 003 000 530 240 23100 00 表 1 2 产品规格 H2ArN2小计 99 78440 00569 2200100 00 其中氩气含量小于 0 01 一氧化碳含量小于 5ppm 甲烷含量小于 0 5ppm 大学毕业设计 论文 6 第 章 工艺设计与计算 2 1 工艺原理 液氮洗是利用一氧化碳 甲烷等杂质沸点氮气接近的特点 通过液氮使其冷凝从 而达到分离目的的工艺 2 2 工艺路线的选择 液氮洗采用高压制冷和冷量循环的工艺路线 所谓高压制冷就是来自空分 1 工段的 高压氮通过液氮冷却器和两个原料气 氮气冷却器 使自身温度降至 188 然后进入 氮洗塔 所谓冷量循环指从氮洗塔出来的净化气温度是 191 再经过节流减压 温 度降至 195 将此低温气体反向通过两个原料气 氮气冷却器以达到给原料气降温 的作用 也可回收净化气中的冷量 然后再将净化气返回低温甲醇洗 最后进入合成 工段 以充分回收冷量 降低成本 2 3 工艺流程简述 液氮洗脱一氧化碳工段处理的是来自低温甲醇洗的原料气 也是合成氨之前的最后 一道净化 来自低温甲醇冲洗工段约 7 5MPa 57 的的原料气主要成分是氢气 但还含有 二氧化碳 一氧化碳 甲烷和氩气等杂质 原料气先通过两个交替使用的分子筛吸附 器吸收掉原料气中的二氧化碳 一面在氮洗时二氧化碳结晶堵塞设备和管道 分子筛 的再生是通过 3 7 MPa 的高温水蒸气加热器将来自空分 2 工段的 0 15 MPa 的低压氮气 加热到 235 然后氮气再将分子筛加热到 215 此温度下氮气便可带走分子筛中吸 附的二氧化碳 使分子筛再生 吸收二氧化碳的液氮通过一个水冷凝器冷却至室温 然后送到低温甲醇洗车间 除去二氧化碳的原料气一次通过两个原料气 氮气冷却器使 大学毕业设计 论文 7 自身温度降至 188 然后从塔底进入氮洗塔 来自空分 1 工段的 40 的高压氮经过 氮气 净化气冷却器和两个原料气 氮气冷却器 原料气的冷却时的两个冷却器 使温度 降至 188 从塔顶进入氮洗塔洗涤原料气 洗涤过程中约 9 22 的液氮挥发进入净 化气 约 192 的净化气从塔顶流出逆向通过入塔时的两个原料气 氮气冷却器冷却原 料气回收冷量 之后在回到低温甲醇系进一步回收冷量 最后进入合成工段 从塔底 排除的吸收液约 191 先经过气液分离器 以便改善吸收液进入冷却器的分布 有利于传热 再逆 向通过三个冷却器回收冷量 最后作为燃料送去锅炉房 2 4 工艺参数 工厂实行年生产 300 天 即 7200 小时 车间整个流程的消耗率为 0 5 净化气中一氧化碳含量小于 5ppm 塔内操作温度为 83K 塔内操作压力为 3 43Mpa 进入氮洗塔的液氮流量 0 434kmol h 进入氮洗塔的原料气流量 1021 kmol h 计算标准 各物料点每小时流量 kmol h 2 5 物料衡算 2 5 1 物料衡算的意义和作用 计算是化工设计的关键 物料衡算又是化工计算中最基本 最重要的内容之一 是进行化工计算的基础 在化学工程中 为了导出某一过程的基本方程式和建立数 学模型 设计或改造工艺流程和设备 了解和控制生产操作过程 核算生产过程的 经济效益等都要进行物料衡算 在工厂设计中 物料衡算是在工艺流程及工艺参数 确定后即开始的一项化工计算工作 由此 设计工作从定性分析转入定量计算 物料衡算是通过每一道工序的物料变化情况进行平衡计算 从而得到在正常生 产情况下各股物料的量 通过物料平衡 在已知产品生产任务情况下算出所需原材 料 生成的副产物及废物等的生成量 或者在已知原材料投放情况下算出产品 副 产物及废物量 此外 通过物料衡算 不仅可算出原材料消耗定额 并在此基础上 作出能量平衡 算出动能消耗定额 算出生产过程所需热量或冷量 同时为设备选 型和计算提供依据 大学毕业设计 论文 8 物料衡算的结果直接关系到生产成本和车间运输量 对工厂技术经济指标有举 足轻重的影响 2 5 2 物料衡算的方法与步骤 物料衡算是在给定某些物料量的值情况下求解另一些物料的值 众所周知 化工 工艺流程是多种多样的 因而物料衡算中 有的计算过程十分简单 而有的十分复杂 为了有层次 循序渐进地进行物料衡算 且为了避免误差 一般采用下列步骤 收集计算数据 原料 辅料 中间产物及产品的规格 过程中单位时间内的物流量 有关消耗 定额 有关转化率 选择性 单程收率 转化率反映出原料通过反应器后产生化学变化 程度 选择性是指生成目的产物所消耗的原料在全部转化了的原料中所占的比率 单 程收率指得到目的产物的产量占原料量的百分比和有关物理化学常数的相对密度 视 比重 相平衡常数 这些数据一般可以从有关资料中查找 画物料流程图 根据计算任务 画物料流程图或物料衡算方框图 画图的目的是为了物料衡算 时分析问题 便于展开计算以及为建立平衡方程式作好准备 确定衡算范围 在物料衡算中 为便于计算 常常采用划定衡算范围的方法 衡算范围一经划定 便可假想成为一个独立的体系 凡是通过边界体系的物料属于输入项 凡是穿越边界 离开体系的物料属于输出项 选定计算基准 作为计算基准是数量在流程中是已知的 如已知单位时间内原料投放量 则以此 数值为准 采用 顺算法 就能方便地算出单位时间的产品 中间产品以及三废的各 股物料量 若已知产品量 而中间步骤很多 很难一下子算出原料量 此时可采用 倒算法 即有已知产品量从后往前反算出其他各股物料量 经验表明 选用恰当的 基准 可以是计算简便 避免差误 列出输入 输出物料平衡表 此表用来描述和识别所有进入体系和离开体系的物料 表中列出了一直变量和要 求解的未知变量 有时还列出进过导出和计算的有关数据 物料衡算的基础是质量守 恒定律 2 5 3 物料衡算 对于氮洗塔内溶液系统 以单位时间为准 全塔总物料衡算式为 总物料 F B D W 2 1 易挥发组分 D Fxf Bxb 2 2 式中 大学毕业设计 论文 9 F 原料液流量 kmol h B 液氮流量 kmol h D 净化气流量 kmol h W 吸收液流量 kmol h xf 原料液中未被液化吸收的气体摩尔分率 xb 液氮中挥发部分摩尔分率 图 2 1 液氮洗流程无聊点示意图 净化气 5 液氮 2 原料液 1 吸收液 4 氮 洗 塔 3 料计算物料点 见图 2 1 塔原料液的计算 根据每年生产 80000 吨氨 每年生产 7200 小时 每小时生产氨 11 1111 吨 即 6 535 105mol h 合成氨主反应方程 223 32NHNH 2 5 5 32 6 535 10 H N 得 大学毕业设计 论文 10 kmol h 2 2 5 5 9 803 10 mol h980 3 H N 3 则原料液总流量 kmol h 2 2 2 3 1 3 1 980 3 10 1 021 10 96 0 H H N F y 4 原料液中甲烷流量kmol h 2 4 412 2 1 3 1 1 0 24 980 3 102 451 96 0 CH CHH H y NN y 5 原料液中氩气流量kmol h 2 12 3 1 1 1 0 53 980 3 105 412 96 0 Ar ArH Ar y NN y 6 原料液中氮液流量kmol 2 2 212 2 1 3 1 1 0 23 980 3 102 042 96 0 N NH N y NN y 7 原料液中一氧化碳流量 kmol 2 12 3 1 1 1 3 0 980 3 1030 63 96 0 CO COH CO y NN y 8 液氮流量的计算 根据 表 2 1 83K 温度下 洗涤 150m3含 6 气体所需的液氮的最小体积 m3 压力 MPa1 1761 962 553 434 90 所需液氨体 积 m3 1513141718 可知 在 83K 3 43MPa 时 1 m3CO 被完全吸收所需液氮体积 m3 m3 一氧化碳体积为 150 0 06 9m3 2 9 17 1 889 1500 06 V 液氮 该课题中气体均视为理想气体 则 大学毕业设计 论文 11 2 10 COCOCO PVnRT 得 2 11 3 43 10 98 314 83 CO n 一氧化碳的总物质的量 kmol 2 12 44 74 CO n 则 83K 3 43MPa 下吸收每摩尔 CO 所需液氮体积 m3 2 13 3 1 889 3 800 44 74 10 CO CO V n 液氮的密度为 0 808 103Kg m3 则在 83K 3 43MPa 时完全吸收 1molCO 需要液氮的物 质的量 kmol 2 14 2 34 2 0 808 103 800 10 1 907 10 28 N n 则每小时吸收原料液中所有一氧化碳所需液氨流量 kmol 2 15 2 24 12 1 907 103 063 100 33387 NCO NnN 理论 实际生产过程中将会有 9 22 挥发进入净化气 以及一些物料损失 故实际液氮进料 量取理论量的 130 即 kmol h 2 16 0 33387 130 0 434B 塔内物料计算 氮洗塔内氢气流量 kmol h 2 17 22 31 980 3 HH NN 氮洗塔内甲烷流量 kmol h 2 18 44 31 2 451 CHCH NN 氮洗塔内氩气流量 kmol h 2 19 31 5 412 ArAr NN 氮洗塔内一氧化碳流量 kmol h 2 20 31 30 63 COCO NN 氮洗塔内氮气流量 kmol h 2 21 222 312 2 0420 4342 476 NNN NNN 氮洗塔内总物质流量kmol h 2 22 242 333333 1023 HCHArCON NNNNNN 总 塔内物质各组成的摩尔分率 2 23 2 2 3 3 3 980 3 y 100 100 95 81 1023 H H N N 总 大学毕业设计 论文 12 2 24 4 4 3 3 3 2 451 y 100 100 0 24 1023 CH CH N N 总 2 25 3 3 3 50412 y 100 100 0 53 1023 Ar Ar N N 总 2 26 3 3 3 30 63 y 100 100 2 99 1023 CO CO N N 总 2 27 2 2 3 3 3 2 476 y 100 100 0 26 1023 N N N N 总 即氮洗塔内物质初混合时组成如下 表 2 2 氮洗塔内物质初混合时组成摩尔分率 H2COArCH4N2小计 95 812 990 530 240 26100 00 出塔净化气物料计算 氮洗过程中 9 22 的液氮挥发进入净化气 约 1 的 H2被吸收 净化气中氩气含 量小于 0 01 一氧化碳含量小于 5ppm 甲烷含量小于 0 5ppm 可忽略 则净化气组 成 kmol h 2 28 2 5 99 980 3870 5 H N kmol h 2 29 53 0 01 0 01 5 4120 5412 ArAr NN kmol h 2 30 22 53 9 22 9 22 2 4760 2228 NN NN 则净化气组成如下表 表 2 3 出氮洗塔净化气主要组分摩尔分率 H2ArN2小计 99 97140 00560 02231000 0000 6 吸收液物料计算 kmol h 2 31 22 43 1 1 980 3 980 3 HH NN 大学毕业设计 论文 13 kmol h 2 32 43 99 99 99 99 5 412 5 4114 ArAr NN kmol h 2 33 43 30 63 COCO NN kmol h 2 34 44 43 2 451 CHCH NN kmol h 2 35 22 43 1 9 22 2 248 NN NN 吸收液总物质的量 Kmol h 2 36 4 9 803 5 411430 63 2 451 2 248 50 53N 总 吸收液个组成的摩尔分率如下 2 37 2 2 4 4 4 9 803 100 100 19 329 50 53 H H N y N 总 2 38 4 4 4 5 4114 100 100 10 710 50 53 Ar Ar N y N 总 2 39 4 4 4 30 63 100 100 60 62 50 53 CO CO N y N 总 2 40 4 4 4 4 4 2 451 100 100 43851 50 53 CH CH N y N 总 2 41 2 2 4 4 4 2 248 100 100 4 44 50 53 N N N y N 总 2 6 热量衡算 2 6 1 热量衡算的意义和作用 同物料衡算一样 能量衡算也是化工计算中一种基本计算 它不仅对生产工艺条 件的确定 设备设计是不可缺少的 且在实际生产中分析生产问题 评价技术经济效 果等方面的工作也是很需要的 对于新设计的车间 能量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷 而对于已经 投产的车间 进行能量衡算是为了更加合理的利用能量 进而从技术上 管理上制定 出节能的措施 以最大限度降低单位产品的能耗 在化工生产中 能量衡算概括起来应用于以下几个方面 确定功率 如流体输送 搅拌 过滤 粉碎等单元操作中所需功率 大学毕业设计 论文 14 确定热量或冷量 如蒸发 蒸馏 冷凝 冷却 闪蒸等所需热量或冷量 确定供热速率或放热速率 如化学反应中 由于热效应 使体系温度的上升或下 降 需确定的一个合适温度 确定节能措施 充分利用余热 降低总能耗而采取相应措施 2 6 2 热量衡算的方法和步骤 分析各股物料之间热平衡关系 必须根据各股物料走向及变化具体分析热 量间关系 然后借助热平衡建立各热量之间的数学关系式 收集数据 必须弄清过程中存在的热量形式 从而确定需要收集的物性数 据 要注意数据的准确性 以保证结果的可靠性 标绘能量衡算示意图 确定衡算范围 选定计算基准 列出输入 输出热量平衡表 2 6 3 热量衡算 热量计算的依据 液氮进入氮洗塔时温度为 188 工艺气温度入口温度为 188 净化气出塔温 度为 192 吸收液出塔温度为 191 查 188 至 191 各物质的比热容相差不大 可取其相等 即在 3 43 MPa 下 各物质的比热容如下 表 2 4 3 43 MPa 83K 时液氮洗常见物质的比热容 组分N2COH2CH4Ar 比热容 kJ kmol 33 02229 11229 42738 03821 402 氮洗塔热量衡算 出塔净化气带出的热量 2 42 555 5p Qn C t 由于出塔净化气中氢气占 99 9714 其余成分携带热量极少 可忽略 故 2 55H nN 2 5ppH CC kJ 2 43 22 6 55 192 970 529 427 192 5 483 10 HpH QNC 吸收液出塔时带出的热量 大学毕业设计 论文 15 242 444444HArCOCHN QQQQQQ 2244 44444 HpHArpArCOpCOCHpCH NCNCNCNCt 9 803 29 4275 4114 21 40230 63 29 1122 451 38 0382 2480 33 022 191 kJ 2 44 2 195 105 液氮入塔时带入到热量 22 222 22ppNN Qn C tnCt 理论 kJ 2 45 0 43433 022 1882072 710 工艺气入塔时代入热量 242 111111HCOArCHN QQQQQQ 224422 111111 HpHCOpCOArpArCHpCHNpN NCNCNCNCNCt 9 803 29 42730 63 29 1125 412 21 4022 451 38 0382 476 33 022 188 kJ 2 46 6 5 643 10 氮洗塔中热量总衡算式 2 47 QQQQ 入出消耗损失 液氮与工艺气代入热量 Q入 挥发进入净化气的氮气挥发热 Q消耗 氮洗塔氮洗过程中损失的热量 Q损失 净化气与吸收液带出的热量Q出 kJ 2 48 6 21 2072 710 5 643 1056 4573QQQ 入 查 无机工艺化学 知 液氮的汽化热为 5577 6 kJ kmol kJ 2 49 22 4 5 0 2228 5577 6 1 243 10 NN QNQ 消耗汽化热 大学毕业设计 论文 16 QQQQ 入出损失消耗 kJ 2 50 545 57 625101 243 10 1 043 10 56 4573 热损失率 2 51 1 043 100 100 0 018 56 4573 Q Q 损失 损失 入 0 018 0 05 故该热量损失在允许范围之内 电能的消耗 合成氨过程中 电能的消耗大约 200kwh t 氨 第 章第 章 设备选型设备选型 3 1 选型原则 3 1 1 原则 所谓设备选型即是从多种同类型等设备中选出最理想 最节省成本的设备 合理 选择设备 可使有限的资金发挥最大的经济效益 设备选型应遵循的原则如下 生产上适用 所选购的设备应与本企业扩大生产规模或开发新产品等需求 相适应 技术上先进 在满足生产需要的前提下 要求其性能指标保持先进水平 以利提高产品质量和延长其技术寿命 经济上合理 一即要求设备价格合理 在使用过程中能耗 维护费用低 并且回收期较短 设备选型首先应考虑的是生产上适用 只有生产上适用的设备才能发挥其投资效 果 其次是技术上先进 技术上先进必须以生产适用为前提 以获得最大经济效益为 大学毕业设计 论文 17 目的 最后 把生产上适用 技术上先进与经济上合理统一起来 一般情况下 技术 先进与经济合理是统一的 因为技术一上先进的设备不仅具有高的生产效率 而且生 产的产品也是高质量的 但是 有时两者也是矛盾的 例如 某台设备效率较高 但 可能能源消耗量很大 或者设备的零部件磨损很快 所以 根据总的经济效益来衡量 就不一定适宜 有些设备技术上很先进 自动化程度很高 适合于大批量连续生产 但在生产批量不大的情况下使用 往往负荷不足 不能充分发挥设备的能力 而且这 类设备通常价格很高 维持费用大 从总的经济效益来看是不合算的 因而也是不可 取的 3 1 2 考虑的主要问题 设备的主要参数选择 生产率 设备的生产率一般用设备单位时间 分 时 班 年 的产品产量来表 示 水泵以扬程和流量来表示 但有些设备无法直接估计产量 则可用主要参数来衡 量 如车床的中心高 主轴转速 压力机的最大压力等 设备生产率要与企业的经营 方针 工厂的规划 生产计划 运输能力 技术力量 劳动力 动力和原材料供应等 相适应 不能盲目要求生产率越高越好 否则生产不平衡 服务供应工作跟不上 不 仅不能发挥全部效果反而造成损失 因为生产率高的设备 一般自动化程度高 投资 多 能耗大 维护复杂 如不能达到设计产量 单位产品的平均成本就会增高 工艺性 机器设备最基本的一条是要符合产品工艺的技术要求 把设备满足生产 工艺要求的能力叫工艺性 例如 金属切削机床应能保证所加工零件的尺寸精度 几 何形状精度和表面质量的要求 需要坐标镗床的场合很难用铣床代替 加热设备要满 足产品工艺的最高和最低温度要求 温度均匀性和温度控制精度等 除上面基本要求 外 设备操作控制的要求也很重要 一般要求设备操作轻便 控制灵活 产量大的设 备自动化程度应高 进行有害有毒作业的设备则要求能自动控制或远距离监督控制等 设备的可靠性和维修性 设备的可靠性 可靠性是保持和提高设备生产率的前提条件 人们投资购置设备 都希望设备能无故障地工作 以期达到预期的目的 这就是设备可靠性的概念 可靠性在很大程度上撒于设备的设计与制造 因此 在进行设备选型时必须考虑 设备的设计制造质量 随着产品的不断更新对设备的可靠性要求也不断提高 设备的设计制造商应提供 产品设计的可靠性指标 方便用户选择设备 设备的维修性 同样 人们希望投资购置的设备一旦发生故障后能方便地进行维 大学毕业设计 论文 18 修 即设备的维修性要好 设备的操作性 设备的操作性 设备的操作性属人机工程学范畴内容 总的要求是方便 可靠 安全 符合人机 工程学原理 通常要考虑的主要事项如下 设备的环保与节能 工业 交通运输业和建筑业等行业企业设备的环保性 通常是指其噪声振动和有 害物质排放等对周围环境的影响程度 在设备选型时必须要求其噪声 振动频率和有 害物排放等控制在国家和地区标准的规定范围内 设备的能源消耗是指其一次能源或二次能源消耗 通常是以设备单位开动时间的 能源消耗量来表示 在化工 冶金和交通运输行业 也有以单位产量的能源消耗量来 评价设备的能耗情况 在选型时 无论哪种类型的企业 其所选购的设备必须要符合 国家 节约能源法 规定的各项标准要求 设备的经济性 设备选择的经济性 其定义范围很宽 各企业可视自身的特点和需要而从中选择 影响设备经济性的主要因素进行分析论证 设备选型时要考虑的经济性影响因素主要 有 初期投资 对产品的适应性 生产效率 耐久性 能源与原材料消耗和维护修理 费用等 设备的初期投资主要指购置费 运输与保险费 安装费 辅助设施费 培训费 关税费等 在选购设备时不能简单寻求价格便宜而降低其他影响因素的评价标准 尤 其要充分考虑停机损失 维修 备件和能源消耗等项费用 以及各项管理费 总之 以设备寿命周期费用为依据衡量设备的经济性 在寿命周期费用合理的基础上追求设 备投资的经济效益最高 3 2 氮洗塔的选型 表 3 1 83K 时氮洗塔所需理论板数 压力 Mpa压力 Mpa压力 Mpa压力 Mpa 理论板数667 根据表 3 1 选定 83K 3 43 MPa 下氮洗塔的塔板数可选定为 7 液氮洗操作压力为 3 43 MPa 故塔体材料可选不锈钢 筛板塔结构简单 造价低 板上页面落差小 气体压降小 生产能力大 气体分 大学毕业设计 论文 19 散均匀 传质效率极高 其缺点傻筛孔易堵塞 不易处理易结焦 粘度大的物质 液 氮和进入氮洗塔的原料液 粘度都较小 不会堵塞筛孔 且要求效率较高 故本设计 的塔板选用筛板 3 3 塔体主要尺寸计算计算 3 3 1 塔径计算 入塔液氮体积流量 nM LS 3 1 m s10617 2 1084 94210 10808 0 2887 333 56 3 2 22 液氮 NN S MN L 塔内气体体积流量 3 2 4 22 5总 N VS 净化气中氢气占 99 9714 故可近似取 2 55H NN 总 即 3 3 4 22 4 22 2 5 5 H S NN V 总 由式 2 28 知 Kmol h 3 4 5 870 2 5 H N 则 L h 7 3 10173 2 4 22 10 5 870 S V m3 s 3600 1 1010173 2 37 m3 s 3 5 036 6 则 3 6 4 5 103357 4 036 6 10617 2 S S V L 大学毕业设计 论文 20 3 7 V VV L LL V L V Mn V Mn 式中 液氮密度 kg m3 塔内气体密度 kg m3 每小时入塔液氮物质的量 kmol 氮气的分子量 g mol 每小时塔内上升气体的物质的量 kmol 塔内上升气体的分子量 g mol 塔内气体以氢气为主 占 99 9714 故取Kmol g mol 5 870 2 5 HV Nn2 2 HV MM kmol g mol 带入式 3 7 33387 0 2 2 NL Nn28 L M 得 3 8 6996 1111 036 6 10705 9 10617 2 2833378 0 5 5 2 22 22 S HH S NN V L V MN L MN 则 3 9 014 0 6996 111110403357 4 2 1 V L S S V L 根据史密斯关联图取最接近的值 0 02 即0 02 2 1 V L S S V L 把板上液层高度取m 由设计者选定 一般取 0 05 0 1 05 0 L h L h 根据0 02 m 查史密斯关联图 2 1 V L S S V L 05 0 L h 得 m s 025 0 20 C 则 3 10 2 0 20 20 CC 式中 由关联图查出的物质表面张力为 20mN m 的负荷系数 m s 83K 时液氮表面张力 mN m 大学毕业设计 论文 21 83K 时液氮的负荷系数 m s 83K 时 液氮的表面张力为mN m 带入式 3 10 2 1016 7 得 m s 3 11 051 0 20 1016 7 025 0 20 2 0 2 2 0 20 CC 塔内最大允许空塔速度 3 12 1 V L V VL F CCu 式中 塔内最大允许空塔速度 m s 83K 时液氮的负荷系数m s 塔内气相相对密度 kg m3 液氮相对密度 kg m3 由式 3 8 知 带入式 3 12 6996 1111 V L 得 m s 3 13 700 1 16996 1111051 0 F u 空塔速度通常取最大允许空塔速度的 0 6 0 8 倍 本氮洗塔取 3 14 F uu8 0 式中 适宜的空塔速度 则氮洗塔空塔塔径 3 15 u V D S 785 0 式中 空塔塔径 m 塔内气体体积流量 m3 s 根据式 3 14 3 14 知 m3 s 带入式 3 15 036 6 S V F uu8 0 得 氮洗塔空塔塔径 m 3 16 376 2 700 1 785 0 036 6 D 大学毕业设计 论文 22 3 3 2 塔高计算 塔体总高度计算式 3 17 BFTTD HHSHHSNHH 2 式中 塔体总高度 m 塔顶空间高度 m 开有人孔的塔板间距 m 进料段空间高度 m 塔底空间高度 m 关于塔体主要尺寸的取定如下 塔径空间高度 D H 塔径空间高度的作用是安装塔板和开人孔的需要 也使液滴自由沉降 减少塔顶 出口气中液滴夹带 塔顶空间高度 一般取 1 0 1 5m 本塔取 D H m 3 17 5 1 D H 塔板间距 T H 塔板间距的大小与液气雾沫密度相关 间距越大 可允许气体流速较高 塔径可 较小 反之 塔径要增大 根据板间距与塔径关系表 可确定此塔塔板间距 表3 2 板间距与塔径关间系 塔径 mmD300 500500 800800 16001600 2400 板间距 mm T H200 250 300250 300 350 300 350 400 450 500 400 450 500 600 根据上表 该氮洗塔塔板间距可取 mm 0 6m 3 18 600 T H 设有人孔的塔板间距 T H 人孔直径一般为 450mm 550mm 凡设有人孔的塔板间距应等于或大于 T H 600mm 对于易结垢 结焦的物料 因需经常清洁物料 每隔 4 6 块塔板设一人孔 对于无需经常清洁的物料 可每隔 8 10 块塔板设一人孔 该氮洗塔除塔顶空间和塔底 空间外只需设一人孔 大学毕业设计 论文 23 即 1 S 取 mm 0 65m 3 19 650 T H 进料板空间高度 F H 进料板空间高度取决于进料口的结构形式和物料状态 一般比大 有时要大 F H T H 一倍 为了防止进料直冲塔板 常在进料口安装防冲设施 如防冲板 入口堰 缓冲管等 故取 m 3 20 25 2 5 15 15 1 TF HH 塔底空间高度 B H 塔底空间具有储槽的作用 要保证塔底有 10 15 分钟的储量 故 取 2 5m 3 21 B H 塔板数 N 的选定 根据表 3 1 知 该氮洗塔塔板数该取 7 即 N 7 3 22 将式 3 18 3 19 3 20 3 21 3 22 带入式 3 17 得塔体总高度 BFTTD HHSHHSNHH 2 5 225 2 65 0 16 0 127 5 1 m 3 23 30 9 3 3 3 塔内部结构计算及确定 人孔大小 人孔直径一般为 450 550mm 本塔选定为 500mm 共 3 个人孔 塔顶空间和塔底 空间各一个 中间一个 筛板 筛孔一般为 3 5mm 本氮洗塔由于液氮和原料各组分皆不易结焦 故取孔 孔径mm 即可 筛孔在筛板上成正三角形分布 0 4d 溢流堰计算 该氮洗塔的溢流堰选用平流堰 溢流堰长的确定 w l 大学毕业设计 论文 24 按标准取溢流堰长 0 66D 即 w l m 3 24 568 1 376 2 66 0 66 0 Dlw 出口堰高的确定 w h 出口堰一般取 0 03 0 05m 该氮洗塔取 0 04m 3 25 w h 降液管的宽度与降液管面积的确定 d w f A 由 D 0 66 w l 查 降液管的宽度和面积 图 化工原理课程设计 得 0 124 3 26 d wD 3 27 0722 0 Tf AA 由式 3 16 知m 带入式 3 26 得376 2 D 0 295m 3 28 d w 由式 3 27 得 2 4 0722 0 0722 0 DAA Tf m2 3 29 325 0 376 2 4 14 3 0722 0 2 降液管底隙高度 降液管底隙高度取m 04 0 D h 筛孔数 n 的计算