年产100吨合成氨铜氨液洗涤与再生工设计..doc

化工原理设计作业化工原理设计作业 年产年产 100 吨合成氨铜氨液洗涤与再生工段设计吨合成氨铜氨液洗涤与再生工段设计 姓名 姓名 班级 班级 指导教师 指导教师 提交日期 提交日期 2013 年 06 月 26 日 目 录 1 概述 1 2 工艺原理 1 2 1 醋酸铜氨液的组成 1 2 2 铜液吸收原理 2 2 2 1 铜液吸收 CO 的反应原理和特点 2 2 2 1 铜液吸收其他有害气体的原理和有害气体含量过高的危害 2 2 3 铜液再生原理 3 3 操作条件 4 4 工艺流程图 5 5 工艺流程说明 5 6 工艺计算 6 7 铜洗设备选型 11 8铜洗设计结束语与体会 12 参考文献 12 0 1 概述概述 合成氨生产系统中精炼采用铜洗装置 醋酸铜氨液洗涤法 简称铜洗 是最古老的 方法 早在1913年就开始应用 迄今有近一百年的历史 铜洗法以其工艺成熟 操作 弹性大 长期在中小型合成氨厂占据主导地位 铜洗是在高压低温条件下 用醋酸铜 液吸收来自脱碳后氢氮气中的二氧化碳 一氧化碳 氧和硫化氢等有害气体 制得合 格的铜洗气体吸收气体后的铜液经减压 加温后 再生循环使用 解吸出来的再生气体 及其夹带出来的氨均回收利用 2 工艺原理工艺原理 3 变换气经过净化后仍含有少量的 CO CO2 O2 H 2S 等有害气体 工业上常用铜 洗法精制原料气 2 1 醋酸铜氨液的组成醋酸铜氨液的组成 铜洗法的溶液醋酸铜氨溶液是由醋酸铜和氨通过化学反应后制成的一种溶液 简 称铜液 其组成为 Cu NH3 2Ac 醋酸亚铜络二氨 2 2 铜液吸收原理铜液吸收原理 2 2 1 铜液吸收铜液吸收 CO 的反应原理和特点的反应原理和特点 铜氨液吸收 CO 是在游离氨存在下 依靠低价铜离子进行的 其反应如下 Cu NH3 2Ac CO 液相 NH3Cu NH3 3Ac CO Q 铜氨液吸收 CO 的作用 首先是 CO 与铜氨液接触而被溶解 CO 再和低价铜离子 作用生成络合物 并有热量放出 从以上反应式可以看出铜氨液吸收 CO 的反应有以下特点 铜氨液与 CO 之间的反应是可逆的 按操作条件的不同 反应可以向右或向左 进行 反应向右进行称为吸收 向左则称为解吸 CO 必须首先溶解于铜氨液中才能起化学反应 而 CO 在铜氨液中的溶解度是随 着温度的升高而降低的 所以降低温度有利于 CO 的溶解 同时这一反应是放热的 降低温度有利于反应向右进行 CO 在铜氨液中的溶解度随着压力的增高而增大 所以提高压力有利于 CO 的溶 解 另外 这是个体积缩小的反应过程 对于体积缩小的过程 提高压力是有利的 增加反应物的浓度 有利于该吸收反应进行 因此 增加游离氨量与低价铜离 子的浓度 对吸收一氧化碳是有利的 1 2 2 1 铜液吸收其他有害气体的原理和有害气体含量过高的危害铜液吸收其他有害气体的原理和有害气体含量过高的危害 铜氨液除能吸收 CO 外 还能吸收 CO2 O2 H2S 等有害气体 1 吸收 CO2是依靠铜氨液中的游离氨 反应如下 2NH3 CO2 H2O NH4 2CO3 Q 生成的 NH4 2CO3会继续吸收 CO2而生成 NH4HCO3 NH4 2CO3 CO2 H2O2NH4HCO3 Q 以上两个反应都是放热反应 在吸收过程中会放出大量热量 使铜液温度上升 影响吸收能力 生成的碳酸铵和碳酸氢铵在温度较低时易于结晶 当铜氨液中的醋酸 和氨量不足时 铜液吸收 CO2后又会生成碳酸铜沉淀 所有这些 都将造成设备和管 道堵塞 影响生产 所以 进入铜洗系统的原料气中 CO2的含量不可太高 并且铜液 中应有足够的氨和醋酸含量 此外 由以上反应式可知 若铜液中的 CO2量愈大 游离氨愈少 则吸收后气体 中残留的 CO2也愈多 同时与温度也有关系 低温有利于 CO2的吸收 高温有利于解 吸 若新鲜铜氨液中 CO2含量小于 1 5mol L 则当温度为 10 时 经铜洗后气体中的 CO2含量可低于 10mL m3 2 铜氨液吸收 O2的反应是依靠低价铜进行的 其反应如下 4Cu NH3 2Ac 8NH3 4HAc O24Cu NH3 4Ac2 2H2O Q 铜氨液吸收氧以后 便使其中的低价铜氧化成高价铜 铜比因此降低 铜液的吸 收能力也就减弱 由上反应式可看出 一个 O2分子可以使四个 Cu 氧化成 Cu2 若 1m3铜液能处理 500 m3 标 原料气 气体中的 O2含量为 0 1 它可将 500 0 001 40 0893 22 4 kmol 的 Cu 氧化 若每立方米铜氨液中含 Cu 总量为 1 85kmol 则被氧化的 Cu 占 0 0893 4 8 1 85 如果入铜洗塔气体中的氧含量高至 1 则几乎 50 的 Cu 被氧化成 Cu2 所以气体含 氧量愈低愈好 3 铜氨液吸收硫化氢的反应主要是依靠其中的氨水 其反应如下 2NH3 H2O H2S NH4 2S 2H2O Q 除上述反应外 还可能有 H2S 溶解在铜氨液中与低价铜离子起反应生成硫化亚铜 沉淀 2Cu NH3 2Ac H2S Cu2S 2NH4Ac NH4 2S 2 微量硫化氢 是能被铜氨液吸收而除去的 但是 如果原料气中 H2S 含量过高 不仅要多消耗氨 而严重的是 H2S 与铜起反应 生成黑色的硫化亚铜沉淀 堵塞设备 管道和填料层 不仅影响正常生产 还导致铜耗过高 因此 原料气中的 H2S 含量愈 低愈好 2 3 铜液再生原理铜液再生原理 铜氨液吸收了 CO CO2 O2和 H2S 以后 便失去了原有的吸收能力 必须将其解 吸 再生 恢复其吸收能力 再生过程包括以下内容 将 CO CO2 H2S 从铜氨液中 解析出来 将被氧化成的高价铜还原为低价铜 调节铜比 补充所消耗的氨 醋酸和 铜 并将铜氨液冷却至吸收所应维持的温度 其基本原理如下 1 CO CO2 H2S 的解析反应 解析反应是吸收反应的逆过程 其反应式如下 Cu NH3 3Ac COCu NH3 2Ac CO NH3 Q NH4 2CO32NH3 CO2 H2O Q NH4 2S2NH3 H2S Q 温度 压力对再生过程的影响与吸收相反 再生应在高温和低压下进行 2 高价铜被还原为低价铜的反应 高价铜的还原 并不是低价铜氧化的逆过程 而是液相中的一氧化碳先与低价 铜离子作用 将低价铜还原成金属铜 反应过程用离子方程式表示如下 2Cu NH3 3 CO H2O2Cu 金属铜 CO2 4NH3 2NH4 Q 生成的金属铜在高价铜存在下再被氧化成低价铜 Cu Cu2 2Cu Q 与此同时 高价铜本身也可能被 CO 还原成低价铜 2Cu2 CO H2O2Cu CO2 2H Q 以上这些反应的最终结果是高价铜还原成低价铜 CO 则氧化成 CO2 后者好比 CO 的燃烧过程 所以有时称为 湿式燃烧 湿式燃烧的结果 铜液的铜比升高 而残余的 CO 含量降低 但铜比过高时 反应平衡向左移动 会导致金属铜的沉淀析出 因此 维持铜 氨液中一定浓度的 Cu2 无论对 CO 的彻底消除和保持铜氨液稳定 防止金属铜析出 都是必要的 3 补充所消耗的氨 醋酸和铜 并冷却降温 3 铜氨液再生过程中 由于加热温度升高 使铜氨液中的氨 醋酸挥发一部分 必须补充一定量的氨和醋酸 吸收过程中 部分 H2S 与低价铜离子反应生成了 Cu2S 沉淀 降低了铜氨液中总 铜的含量 必须给铜氨液中补充铜 在解吸还原以后 铜氨液需冷却 降温 使其恢复吸收能力 再循环使用 3 操作条件操作条件 4 1 温度 铜液温度 8 12 回流塔进口温度 25 38 回流塔出口温度 40 55 下加热器出口温度 60 68 上加热器出口温度 74 78 再生器出口温度 74 78 氨冷器出口温度 8 15 2 压力 铜洗操作压力 12 0 15 0 MPa 再生压力 0 106 0 108 MPa 铜塔进出口压差 0 5 MPa 铜泵进口压力 0 04 0 12 Mpa 3 成分 总铜 2 0 2 5mol L 总氨 8 5 12 5 mol L 总酸 总铜 10 15 为 2 2 3 0 mol L 残存 CO 0 005m3CO m3 残存 CO2 1 5 mol L 铜比 5 8 净氨塔氨水滴度 由生产科另行下达指标 11 滴 4 其他 铜洗塔液位控 1 2 2 3 再生器液位 1 2 2 3 4 4 工艺流程工艺流程图图 再 生 器 铜 液 分 离 器 下 加 热 器 压 缩 后 原 料 气 铜 液 油 分 离 器 还 原 器 铜 洗 塔 上 加 热 器 化 铜 桶 水 冷 器 氨 冷 器 精 练 气 至 压 缩 再 生 塔 回 收 塔 5 5 工艺流程说明工艺流程说明 变换气经压缩机压缩 用水 或热钾碱溶液等 除去其中大部分 CO2后 再由压 缩机加压到 12 13MPa 送至铜氨液洗涤系统 气体自铜氨液洗涤塔 简称铜洗塔 的底部进入 自下而上与塔顶喷淋下来的铜 氨液逆流接触 气体中 CO CO2 H2O 和 O2等即为铜氨液吸收 如果洗涤后气体中 CO CO2 10ml m3 即可加压后送往氨合成系统 倘若出铜洗塔气体中的 CO2含量较 高时 还要经过碱洗塔用氨水或碱液吸收 CO2后 才能达到净化要求 吸收气体中 CO 等杂质后的铜氨液 自铜液塔底部经减压至 0 15MPa 自动流到铜氨 液再生系统的回流塔 3 的顶部 与再生器 4 逸出的气体相遇 捕集其中氨及部分 CO2 后 由回流塔底部流至还原器 7 中 还原器的上下两段均上设有蒸汽加热管 底部有 空气加入管 中部有旁通管线 即副线 铜氨液首先经过下加热器 6 加热 随即向 上流 经还原器内几层有孔折板后进入上加热器 5 在必要时 可开用旁通管 使部分 铜氨液不经下加热器而直接进入上加热器 铜氨液经还原器时 溶液中的高价铜在 40 60 温度下被 CO 或金属铜还原成低价铜 经过上加热器加热达到 72 74 然 后流入再生器内 此时 温度升到 75 80 再生器内装有挡板 使铜氨液迂回流动 溶液在器内经固定得停留时间 使被吸收 CO CO2等气体得到充分得解吸 并使 Cu2 氧化除去残余 CO 的 湿法燃烧 反应充分进行 再生器底部有蒸汽加热夹套 用以 维持再生器的温度 75 80 再生后的铜氨液中 残余的含量可降低至溶液以下 然后 铜氨液依次流经水冷器 氨冷器 温度降低到吸收所需温度 5 15 经过 滤后 用铜液泵送到铜洗塔 必须着重指出 铜氨液经过再生后 其温度较高 一般为 75 80 而回流塔出 口铜氨液温度较低 约 40 55 目前国内许多工厂中将此两部分铜氨液在一个换热 器内进行换热 使再生后的铜氨液经换热后先冷却至左右 再去用水冷却 回流塔出 来的铜氨液则被加热后再进入还原器 这样 每生产 1t 氨 可以在铜氨液再生时节省 蒸汽 0 2 0 25t 以及一部分冷却水 在某些合理设计的工艺流程中 铜氨液再生所需的 5 热量 系利用合成塔反应热所副产的蒸汽或热水 或热钾碱法脱 CO2工艺过程中的余 热 因而部需要外供蒸汽 从回流塔出来的气体 经氨吸收塔回收氨后 送到变换系统 为了回收再生器出口热铜液中的余热 该铜液去加热下加热器的管内铜液 回流 塔内填料层分两段 来自减压阀的铜液经过回流塔上段填料层以后 铜液吸收了解吸 气中氨和热量后 进入下加热器管内 被加热到 54 后 又进回流塔下段填料层 进 一步回收再生气中的氨和热量后 再到上加热器管内 其余与原流程相同 为了回收再生热铜液的余热 变换工段采用中变流程的 宜采用二段回流再生 变换工段采用中变串低变流程的 可以采用一段回流再生流程 也可采用二段回流再 生流程 6 6 工艺计算工艺计算 一 概述 生产能力 100 吨 生产制度 320 天 年 24 小时工作制 物料衡算 二 工艺计算 生产能力 hm 129 17013 0 24320 100 3 吨 生产 1 吨氨所需的脱碳气量 hm 93 2799 4 22 2353 0 2 17 1000 3 取脱碳气量为 3000m3 h 三 物料衡算 精炼气中 CO CO2 10ml m3 铜洗塔温度为 35 压力为 12 767Mpa 吸收率为 70 1 铜洗部分 计算基准 1 吨氨 6 原料气 精炼气 铜液 再生 富液 铜 洗 塔 1 原料气的组成和数量 H2 kg kmol m 661 1902 4 22 7118 0 3000 330 95 4 22 7118 0 3000 40 21357118 0 3000 3 N2 kg kmol m 364 88228 4 22 2353 0 3000 513 31 4 22 2353 0 3000 900 7052353 0 3000 3 CO kg kmol m 25 13128 4 22 035 0 3000 688 4 4 22 035 0 3000 00 105035 0 3000 3 7 CO2 kg kmol m 679 1744 4 22 003 0 3000 402 0 4 22 003 0 3000 00 9 003 0 3000 3 O2 kg kmol m 016 6 32 4 22 0014 0 3000 188 0 4 22 0014 0 3000 20 4 0014 0 3000 3 CH4 Ar kg kmol m 928 2816 4 22 0135 03000 808 1 4 22 0135 03000 5 400135 0 3000 3 名称 成分 H2N2COCO2O2CH4 Ar 合计 含量 71 1823 533 50 30 141 35100 00 体积 m3 2135 40705 900105 009 004 2040 53000 kmol95 33031 5134 6880 4020 1881 808133 929 kg190 661882 364131 2517 6796 01628 9281256 898 2 铜液对 CO 的吸收 Cu NH3 2Ac CO NH3 Cu NH3 3Ac CO 11 X nco X nco 4 688kmol 实际铜液的物质的量为 kmol584 6 7 0 609 4 cu 2 04mol l 2 04kmol m3 铜液 用于吸收的 CO 的铜液的体积为 3 228 3 04 2 7 0 609 4 04 2 7 0 m nco 3 吸收 O2所需铜液的量 4Cu NH3 2Ac 4NH4Ac NH3 H2O O2 4Cu NH3 4Ac2 6H2O 8 41 Y nO2 Y 4 nO2 kmol7376 0 1844 0 4 实际铜液的物质的量为 4 nO2 0 7 1 054kmol 用于吸收 O2的铜液的体积为 3 5154 0 04 2 7 0 4 2 m no 铜液的总体积为 3 228 0 5154 3 7434m3 取铜液的总体积为 4 0 m3 铜液的总质量为 V总 kgmkgmmkg4732 11834 1183 333 2 出塔气部分 CO CO2 O2 全部溶解 部分气体的亨利系数表 物质 H2N2CH4 Ar E 6 44 6 10 6 77 6 10 6 1001 3 溶解度系 H OH OH ME p 2 2 E H2 6 44 H 6 10 6 6 10627 8 181044 6 1000 E N2 6 77 H 6 10 6 6 10206 8 181077 6 1000 E CH4 Ar H 6 1001 3 5 6 10846 1 181001 3 1000 MPap767 12 总 KPapH 3 10088 9 18 71767 12 2 KPapN 3 100041 3 53 23767 12 2 KPap ArCH 3 10172 0 35 1767 12 4 3 0 4 mv 铜 吸收的 H2的物质的量为 9 n H2 kmolVPH H 315 0 0 410088 9 10672 8 36 2 铜 吸收的 H2的体积为 V H2 n H2 22 4 0 315 22 4 7 056m3 吸收的 H2的质量为 mH2 n H2 M H2 0 315 2 0 630kg 吸收的 N2的物质的量为 n N2 kmolVPH N 0986 0 4100041 3 10206 8 36 2 铜 吸收的 N2的体积为 V N2 n N2 22 4 0 0986 22 4 2 209m3 吸收的 N2的质量为 m N2 n N2 M N2 0 0 986 28 2 761kg 吸收的 CH4 Ar 的物质的量为 n CH4 Ar kmolVPH ArCH 0127 0410172 0 10846 1 35 4 铜 吸收的 CH4 Ar 的体积为 V CH4 Ar n CH4 Ar 22 4 0 0127 22 4 0 284 m3 吸收的 CH4 Ar 的质量为m CH4 Ar n CH4 Ar M CH4 Ar 0 0127 16 0 203kg 脱碳气中各组分的部分数据 名称 成分 H2N2COCO2O2CH4 Ar 合计 含量 71 1823 533 50 30 141 35100 E6 44 1066 77 106 3 01 106 H8 627 10 68 206 10 6 1 846 10 5 吸收量 kmol 0 3150 09864 6090 3950 1840 01275 6143 吸收的体积 m3 7 0562 209103 258 854 130 284125 779 吸收的质量 kg 0 6302 761129 06217 3845 8880 203155 928 剩余的量 kmol 95 01531 41440001 7953128 225 剩余的体积 m3 2128 344703 69100040 2162872 251 剩余的质量 kg 190 013879 60300028 7251098 341 精炼气中各组分的部分数据 名称 成分 H2N2COCO2O2CH4 Ar 合计 10 含量 74 124 50001 4100 体积 m3 2128 344703 69100040 2162872 251 kmol95 01531 41440001 7953128 225 kg190 013879 60300028 7251098 341 吸收塔中的物料衡算吸收塔中的物料衡算 进料出料 物质 体积 m3 质量 kg物质体积 m3 质量 kg 原料气 30001256 898 精炼气 2872 2511098 341 铜液 4 047324 04887 928 合计 5988 898 铜液 含溶解 的气体量 5968 112 五 消耗定额的计算 100 吨 年 生产能力hmh 129 17 013 0 24320 100 3 吨 以生产 1 吨氨 铜液 4 0 m3 吨 氨 原料气 3000m3 吨 氨 消耗定额 铜液 4 0 0 013 0 052 m3 h 原料气 3000 0 013 39 m3 h 7 7 铜洗设备选型铜洗设备选型 表 7 1 铜洗塔的规格及参数 项目规格 mm 压力 MPa 塔型筛板规格填料高 度 m 生产能 力 t h 空塔气 速 m s 主要材 料 图号 铜洗 塔 d 600 h 18580 13 44填料 塔 25 25 0 6 钢鲍尔环 14 330 0130 11216MnR 20MnR 30CO 2 2 表 7 2 铜液再生塔的规格和参数 项目规格项目规格 回流塔 设备规格 填料规格 填料数量 1000 二段回流填料塔 聚丙烯 50 50 鲍尔环 上 2 5m 下 2 0m 再生器 型式 设备规格 传热面积 m2 槽式 2200 9429 16 4 11 上加热器 设备规格 传热面积 m2 1000 215下加热器 设备规格 传热面积 m2 1000 170 生产能力0 013 t h 图号P903BT610 表 7 3 铜液泵的规格和参数 项目 数目3W 6BT1 23W 6BT2 3W 6BT3 3W 6BT4 1 介质温度 8 158 153 153 15 柱塞直径 mm48485555 电机功率 kw 电机型号 30 Y225M 6 37 Y250M 6 45 Y280S 6 55 Y280M 6 进口口径 mm 出口口径 mm 108 4 56 8 108 4 56 8 108 4 56 8 108 4 56 8 流量 m3 h681012 外形尺寸 mm L W H 2943 1240 13102930 1