谭强10万吨合成氨驰放气的氨回收工艺与设备设计

1、 四川理工学院毕业设计 10万吨/年合成氨驰放气氨回收工艺与设备设计文献综述学 生： 谭强学 号：10031062166专 业：化学工程与工艺班 级：工艺2010.7指导老师： 李可彬四川理工学院材料与化学工程学院二一四年 六 月摘要氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。在合成氨生产中，会产生驰放气，在驰放气当中含有NH3,H2,N2,CH4,Ar等气体。它们是随着所采用合成氨流程，原料，以及操作条件不同而变化的。一般来讲每吨氨产品呢个排出180240Nm3的驰放气。过去，这些驰放气作为燃料烧掉，近年来，随着合成氨装置的大型化，其驰放气的综合利用也逐步引起重视。从氨驰放气中不仅回收氨

2、气，氢气，氮气等工业气体，同时还可以提取有价值的稀有气体氩，氪，及氦等。一般氨厂采用水洗法除氨，所采用的洗涤水要求使用脱氧后的软水，经过水洗后的氨驰放气含有微量水分和氢，因而分子筛（硅胶）吸附，使安驰放气中氨含量小于0.1ppm，所含水份的露点在-70以下。采用填料塔清水吸收合成氨驰放气当中的氨是比较成熟的工艺。关键词： 合成氨；驰放气；吸收；精馏 AbstractAmmonia is an important chemical products, mainly for the production of chemical fertilizers. In ammonia production,

3、 will produce Chi deflated containing NH3, H2, N2, CH4, Ar and other gases in the Chi deflated them. They are used with different ammonia processes, materials, and operating conditions change. In general, the product does a ton of ammonia discharged 180 240Nm3 of Chi deflated. In the past, these Chi

4、 deflated burned as fuel in recent years, with the large-scale ammonia plant, its utilization Chi gradually deflated attention. Recycling not only ammonia, hydrogen, nitrogen and other industrial gases in the ammonia Chi deflated, but also can extract valuable rare gases argon, krypton, and helium.

5、In addition to the general washing method using ammonia plant ammonia wash water used in soft water requires the use of deoxy later, after ammonia after washing Chi deflated contain traces of water and hydrogen, thus zeolite (silica) adsorption, ANCHI deflated ammonia content less than 0.1ppm, the m

6、oisture content below the dew point of -70 . Packed column using water absorption synthetic ammonia release ammonia gas which is relatively mature technology.Keyword: Ammonia; Chi deflated; Absorption; Distillation1 绪论1.1关于合成氨驰放气国内外情况简介目前，在合成氨生产工艺中，合成氨驰放气的组成一般为H2，N2,CH4，Ar,NH3等。过去人们常将排出的合成氨驰放气直接排空或直

7、接引入到废气锅炉作为燃料烧掉，驰放气中的氨气排入大气或作为燃料直接烧掉，从而导致系统消耗增加，生产成本居高不下，不符合我国提倡循环经济，清洁生产的发展生产战略。按照我国目前的技术水平，没生产一吨合成氨将产生大约150250Nm的驰放气。根据保守估计，目前我国合成氨的生产能力大约1.5亿吨/年，若将驰放气中的氨气提纯为纯度90%的氨气用于合成氨生产，每年可回收100亿Nm3的驰放气，前景很大。1.2吸收塔简介图1-1 填料塔结构图目前，使用的气体吸收设备大致可分为塔器和其他设备。塔器类主要包括喷淋塔(俗称空塔)、填料塔、板式塔、湍球塔、鼓泡塔等，其他设备也很多，如列管式湿壁吸收器、文丘里喷射吸收

8、器、喷洒式吸收器等。吸收过程的宏观动力学特点是指在有化学反应的吸收中，吸收速率是由扩散控制还是动力学(化学反应)控制，还是两个因素共同控制。在有害气体治理中，处理的是一些低浓度气体，气量大，一般都是选择极快反应或快速反应，过程主要受扩散过程控制，因而选用气相为连续相、液相为分散相的形式较多，这种形式相界面大，气相湍动程度高，有利于吸收。喷淋塔、填料塔、湍球塔、文丘里吸收器等能满足这些要求。因此，在有害气体的治理中，填料塔、喷淋塔等应用较广，在有些场合也应用板式塔及其他塔型1.3填料吸收塔在化学工业中，吸收操作广泛应用于分离石油化工中气体混合物、原料气的精制及从废气回收有用组分或去除有害组分等。

9、吸收操作中填料吸收塔以其生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大和持液量小等优点，而被广泛应用。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象

10、称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。本次设计主要是利用所学的化工原理知识，进行一次填料吸收塔设计，即用水吸收空气中的氨气。2设计部分2.1设计任务书2.1.1设计题目试设计一座填料吸收塔，用与脱除混于10万吨/年合成氨驰放气中的氨气，合成每吨氨能排出150250Nm3驰放气。换算为处理量1000m3/h,其中含氨气为8%(体积分数)，要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%（

11、体积分数），采用清水进行吸收，吸收剂用量为最小用量的1.5倍。2.1.2操作条件（1）操作压力 常压（2）操作温度 202.1.3填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，规格自选2.1.4工作日每年300天，每天24小时连续运行2.1.5厂址自贡地区2.1.6设计内容(1)吸收塔的物料衡算；（2）吸收塔的工艺尺寸计算；（3）填料层压降的计算；（4）液体分布器简要设计；（5）吸收塔接管尺寸计算；（6）绘制生产工艺流程图；（7）绘制吸收塔设计条件图；（8）绘制液体分布器施工图（可根据实际情况先作）；（9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。2.2方案的确定用清水吸收合成氨驰放气氨属中等溶解度的吸收过程，为提高

12、传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，故采用纯溶剂。2.3 填料的类型与选择2.3.1填料的类型 (1) 拉西环拉西环是一外径与高相等的圆环。为了装卸方便，一般直径在75毫米以下的拉西环采用乱堆方式，但是气体阻力较大，直径大于100毫米的拉西环多采用整砌方式，以降低流动阻力。拉西环的流体力学性能及传质规律已有较详细的研究，是最早使用的一种填料。但其容易形成较严重的塔壁偏流和沟流现象，导致传质效率很低。(2) 鲍尔环 鲍尔环的构造是在拉西环的壁上开两排长方形窗口，被切开的环壁形成叶片，一边与壁相连，另一端向环内弯曲，并在中心处与其它叶片相搭。尽管鲍尔环填料的孔隙率和比表面积与拉西环差不多

13、，但由于其管壁上有孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气体流动阻力降低液体分布也较均匀，同种条件下，鲍尔环的气体通量可较拉西环增大50%以上。又由于鲍尔环上的两排窗口交错排列，气体流动通畅，避免了液体的严重沟流及壁流现象。因此鲍尔环较拉西环传质效率高操作弹性大，但价格较高。（3）阶梯环阶梯环是对鲍尔环的改进而发展起来的新型环形填料。其构造与鲍尔环类似，环壁上开有长方形孔，环内有两层交错45度的十字形翅片，阶梯环高度通常只有直径的一半，其一端制成喇叭口形状，因此，在填料层中填料之间呈多点接触，床层均匀且孔隙率大，气体流动阻力降低，生产能力较高，圆筒一端为向外翻卷的喇叭口，其高度约为全高的1

14、/5，而直筒高度为填料直径的一半。由于两端形状不对称，在填料中各环相互呈点接触，增大了填料的空隙率，使填料的表面积得以充分利用，使压降降低，传质效果提高。另还有鞍形类填料，鞍型填料主要有弧鞍形填料、矩鞍形填料和环矩鞍填料。十字环填料 网形填料等。图2.1 几种填料的形状2.3.2填料的选择低浓度吸收，逆流吸收流程，对于水吸收的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用聚丙烯阶梯环填料。表2.1 聚丙烯阶梯环主要参数填料类型公称直径DN/mm外径×高×厚d×h×l比表面积at（/ ）空

15、隙率/%个数n/ 堆积密度 /（kg/ ）干填料因子/ 塑料阶梯环5050×25×1.5114.292.71074054.81432.4工艺计算2.4.1基础物性数据 一 液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，20时水的有关物性数据如下： 密度为：L=998.2kg/m3； 粘度为L=100.50×10-5Pa·s=3.618kg/(m·h)；表面张力为L=72.6dyn/cm=940896 kg/h2；NH3在水中的扩散系数为 DL=1.76×10-9m2/s=6.336×10-6

16、m2/h二 气相物性数据设进塔混合气体温度为：20，混合气体的平均摩尔质量为：MVm=yiMi=0.08×17+0.92×29=28.04g/mol；混合气体的平均密度为：Vm=PM/RT=101.33×28.04/（8.314×293.15）=1.166kg/ m3；混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20空气的粘度为：V=1.81 ×10-5Pas=0.065kg/(mh)；查手册得，在273.15K 时，NH3空气中的扩散系数为：DV=1.7×10-5m2/s=0.0612 m2/h三 气液相平衡数据由手册查得常压下20

17、时NH3在水中的亨利系数为：E=76.99 kPa；相平衡常数为 ：m=E/P=76.99/101.33=0.760；溶解度系数为：H=L /E MS =998.2/76.99×18.02=0.725kmol/（kPam3）。四 物料衡算进塔气相摩尔比为：出塔气相摩尔比为： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：(清水)混合气体的平均摩尔质量为：混合气体流量：惰性气体流量：最小液气比： 取实际液气比为最小液气比的1.5倍液气比： 吸收剂用量为：液气比：V单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s;L单位时间内通过吸收塔的溶解剂，kmol/s;Y1、Y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分

18、的摩尔比，koml/koml;X1、X2分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;2.4.2填料塔的工艺尺寸的计算2.4.2.1塔径的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速气相质量流量为Wv=1.166×1000=1166kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：WL=18×43.166=776.988kg/h其中：L =998.2 kg/m3；V =0.747 kg/m3；g = 9.81 m/s2 = 1.27×108 m/h2L =1.005Pa·s1采用贝恩-霍夫泛点关联式：即 取泛点率为0.6. 即 圆整后取 2.泛

19、点率校核：（在0.5到0.85范围之间）3.填料规格校核： 4.液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为： 所以得故满足最小喷淋密度的要求.2.42.2填料层高度的计算脱吸因数为：273K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数.由,则293K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数293K，101.3kpa下，氨气在水中的扩散系数 (查化工原理附录)气相总传质单元数为：=14.992气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 查化工原理课程设计聚丙烯的临界便面张力值表得表2.3 常见材质的临界表面张力值材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡表面张力, mN /m56617333407520液体

20、质量通量为：气体质量通量为：故 气膜吸收系数由下式计算：液膜吸收系数由下式计算：查化工原理课程设计常见条件形状系数表得表2.4常见填料塔的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45 则=0.12730.2476223×1.451.1=10.578=0.30370.2476223=25.235f =0.733>0.5以下公式为修正计算公式： 则 （H为溶解度系数）；=10.9027由 =0.276m2. 填料层高度的计算由 取上下活动系数为1.4故 取填料层高度为6m,查化工原理散装填料分段高度推荐值表表2.5散装填料分段高度推荐值填料类型h/D

21、H max/m拉西环2.54矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156对于阶梯环填料，取 ，则因为 所以需要分为二段，每段填料层高度h=3m2.4.3流体力学有关参数的计算由埃克特（Eckert）通用关联图计算散装填料的压降横坐标：查表2.6得表2.6 散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环306-11498-金属环矩鞍-13893.47136金属阶梯环-11882-塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-纵坐标：查Ecke

22、rt图得： 填料层压降为： 2.5填料塔内件的类型与设计及其相关计算2.5.1填料支撑装置填料支承装置用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在 设计支承板是应满足下列三个基本条件：（1）自由截面与塔截面之比不小于填料的空隙率；（2）要有足够的强度承受填料重量及填料空隙的液体；（3）要有一定的耐腐蚀性。常用的填料支撑装置有栅板式，孔板型，驼峰型。支撑装置的选择主要依据是塔径，填料种类，塔体及填料的材质，气液流率等。本设计根据需要，选择栅板式支撑板。2.5.2液体分布装置及分布器简要设计1液体分布器的简介 液体分布器的作用：液体分布装置设于填料层顶部，用于将

23、塔顶液体均匀分布在填料表面上。常用的液体分布装置有莲蓬式、盘式、齿槽式及多孔管式分布器等。2液体分布器的简要设计(1).液体分布器的选型该塔液相负荷较大，而气相负荷较低，故选用槽式液体分布器。(2)分布点密度计算按Eckert建议值，D400（塔径D实际为400mm）时，喷淋点密度为330点 ，所以设计取喷淋点密度为330点 。总布液孔数：取布液孔数为65点。布液计算：由，求.其中,为孔流系数，取=0.60；取0.2m（通常情况）. 则 圆整后取由计算得，设计布液点数为65点，直径为5 mm.2.5.3液体再分布装置实践表明，当喷淋液体沿填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原始均匀分布状

24、态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增加、填料主体的流量减小、塔中心的填料不被润湿，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性，降低传质效率。所以，设置再分布装置是十分重要的。液体再分布器分为截锥形再分布器、边圈槽型再分布器、改进截锥形再分布器.本设计选用边圈槽形再分布器，边槽宽度为70mm，溢流管直径为25mm。（a）、（b）截锥式 （c）边圆槽形 （d）改进截锥式图2.2 常用液体再分布器2.5.4填料压紧装置为保证操作中的填料床层均匀一致的结构，放置在高压强降或瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动，在填料装置后于其上方要安装压紧装置。填料压紧装置分为填料压板和床层限制压板两大类，每类又有

25、不同的形式。最常用的有填料压紧栅板、压紧网板、905型金属压板等压紧装置。床层限制板用于金属散板、塑料散板及所有规整填料。填料压板自由放置在填料上，床层限制板则要固定在塔顶上。本设计中根据需要填料塔在填料装填后在其上方安置了填料压紧栅板。2.5.5除沫装置除沫装置安装在液体分布器的上方，用以除去出口气流中的液滴。常用的除沫装置有折流板除沫器、旋流板除沫器及丝网除沫器等。除此之外，填料层顶部常需设置填料压板或挡网，以避免操作中因气速波动而使填料被冲动及损坏。填料塔的气体进口的结构，除考虑防止液体倒灌外，更重要的是要有利于气体均匀地进入填料层。根据除沫装置类型的适用范围，该填料塔选用丝网式。2.5

26、.6吸收塔主要接管尺寸计算1. 气体进料管由于常压下塔气体进出口管气速为1220m/s,故若取气体进出口流速近似为16m/s。由求气体进出口内径为：采用直管进料，由化工原理（修订版·夏清主编·化学工业出版社P237查得选择热轧无缝钢管则（在符合范围内）气体进出口压降 （ 取0 值为0.771 Kg/m3 ） 进口 : =1/2×01.166×=144.25 Pa 出口 ：=0.5×1/2×1.166×=72.13 Pa2液体进料管 由于常压下塔气体进出口管器速可取 13 m/s,故若取液体进出口流速近似为2.6 m/s,则由

27、 。可求出液体进出口内径为 ： 其中， 采用直管进料，由化工原理（修订版·夏清主编·化学工业出版社）P237查得选择38mm×4mm热轧无缝钢管 (在符合范围内)。2.5.7 离心泵的计算与选择计算过程如下： 管内液体流速： 则雷诺数/局部阻力损失：三个标准截止阀全开 ; 三个标准90°弯头 ；管路总压头损失 填料塔压降：P=5003.1 (Pa) 其它阻力压降较小可忽略。扬程流量 查 王志魁 编化工原理P382附表二十二 ，选型号IS50-32-250泵合适，该泵扬程20.5米，流量3.75立方米/小时，转速1450转/分钟。采用“F型耐腐蚀泵”（40

28、F26F）,由化工原理（修订版·夏清主编·化学工业出版社）P364“F型耐腐蚀泵性能表”。2.5.8 塔附属高的确定塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度，塔的底部空间高度以及塔的群坐高度。塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取1.2-1.5。安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。釜液所占空

29、间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。塔底液相停留时间按5min考虑，则塔釜液所占空间为考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取1.5米，所以塔的附属空间高度可以取3.7米。2.5.9人孔公称压力公称直径密封面型标准号常压450 mm平面(FS)HG21515-953 工艺流程图4设计结果汇总课程设计名称水吸收NH填料吸收塔的设计操作条件操作温度 20摄氏度操作压力：常压物性数据液相气相液体密度998.2kg/m3混合气体平均摩尔质量17.969kg/kmol液体粘度3.618kg/(m h)混合气体的平均密度

30、0.747kg/m3液体表面张力940896混合气体的粘度0.065kg/(mh)NH在水中的扩散系数6.336×10-6m2/hNH在空气中的扩散系数0.0612m2/h重力加速度1.27×108m/h2气相平衡数据NH在水中的亨利系数E相平衡常数m溶解度系数H76.99 kpa0.7600.7194kmol/kPam3物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0.05263200040.043280207.9778 kmol/ h239.3428 kmol/ h0.75711.2114工艺数据气相质量流量液相质量流量塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降3735 kg/h4312.957kg/h0.7m12.32330.3307m6m4708.8pa填料塔附件除沫器液体分布器填料限定装置填料支承板液体再分布器丝网式槽式填料压栅板栅板式支撑板边圈槽形5课程设计总结本次课程设计是对化学工程的过程设计及设备的选择的一个深层次的锻炼，也是对实际操作的一个加深理解。在设计过程中遇到的问题主要有：（1）未知条件的选取；(2)文献检索的能力；（3）对吸收过程的理解和计算理论的运用；（4）对实际操作过程中设备的选择和条件的最优化；（5）对工艺流程图的理解以及绘制简单的流程图和