年产100吨合成氨铜氨液洗涤与再生工设计.

1、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.12 工艺原理.12.1 醋酸铜氨液的组成.12.2 铜液吸收原理.22.2.1 铜液吸收 CO 的反应原理和特点.22.2.1 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.22.3 铜液再生原理.33 操作条件.44 工艺流程图.55 工艺流程说明.56 工艺计算.6 7 铜洗设备选型.118铜洗设计结束语与体会.12参考文献.121 概述概述合成氨生产

2、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

3、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)3AcCO+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

4、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。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

5、 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

6、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 5

7、00 m3（标）原料气，气体中的 O2含量为 0.1%，它可将 500 0.00140.089322.4kmol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0.08934.8%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。2NH3H2O+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)2

8、S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

9、、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)3AcCOCu(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)CO24NH32NH4Q生成的金属铜在高价铜存在下再被氧化成低价铜： CuCu22CuQ与此同时，高价铜本身也可

10、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

11、 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: 812回流塔进口温度：2538 回流塔出口温度：4055下加热器出口温度：6068 上加热器出口温度：7478再生器出口温度：7478 氨冷器出口温度：815（2）压力铜洗操作压力: 12.015.0 MPa 再生压力: 0.1060.108 MPa铜塔进出口压差0.5 MPa 铜泵进口压力：0.040.12 Mpa（3）成分总铜 2.02.5mol/L 总氨 8.512.5 mol/L总酸总铜 1015%，为 2

12、.23.0 mol/L 残存 CO0.005m3CO/ m3 残存 CO21.5 mol/L 铜比 58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 1/22/3再生器液位 1/22/34 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 1213MPa 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

13、、CO2、H2O 和 O2等即为铜氨液吸收。如果洗涤后气体中COCO210ml/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

14、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4060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 7274，然后流入再生器内。此时，温度升到 7580。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（7580） 。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（515） ，经过滤后，用铜液泵送到铜洗塔。必

15、须着重指出，铜氨液经过再生后，其温度较高，一般为 7580；而回流塔出口铜氨液温度较低，约 4055。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 0.20.25t 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

16、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. 0243201003吨生产 1 吨氨所需的脱碳气量：hm /

17、93.27994 .222353. 021710003（取脱碳气量为 3000m3/h）三、物料衡算 【精炼气中 CO+CO210ml/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 ：kgkmolm661.19024 .227118. 03000330.954 .227118. 0300040.21357118. 030003N2：kgkmolm364.882284 .222353. 03000513.314 .222353. 03000900.7052353. 0300

18、03CO：kgkmolm25.131284 .22035. 03000688. 44 .22035. 0300000.105035. 030003CO2：kgkmolm679.17444 .22003. 03000402. 04 .22003. 0300000. 9003. 030003O2：kgkmolm016. 6324 .220014. 03000188. 04 .220014. 0300020. 40014. 030003CH4+Ar：kgkmolm928.28164 .220135. 03000808. 14 .220135. 030005 .400135. 030003名称成分H2

19、N2COCO2O2CH4+Ar合计含量（%）71.1823.533.50.30.141.35100.00体积（m3）2135.40705.900105.009.004.2040.53000kmol95.33031.5134.6880.4020.1881.808133.929kg190.661882.364131.2517.6796.01628.9281256.898(2)铜液对 CO 的吸收Cu(NH3) 2Ac+CO+NH3=Cu(NH3) 3AcCO11X nco X=nco=4.688kmol实际铜液的物质的量为：kmol584. 67 . 0609. 4cu+=2.04mol/l=2.

20、04kmol/m3(铜液)用于吸收的 CO 的铜液的体积为：3228. 304. 27 . 0609. 404. 27 . 0mnco(3)吸收 O2所需铜液的量： 4Cu(NH3)2Ac+4NH4Ac+ NH3. H2O +O2=4Cu(NH3) 4Ac2+6H2O41Y nO2Y=4 nO2=kmol7376. 01844. 04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：35154. 004. 27 . 042mno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kgmkgmmkg4

21、732/11834/11833332、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+ArE64461067761061001. 3溶解度系 H=OHOHMEp22E（H2）=644 H=6106610627. 8181044. 61000E（N2）=677 H=6106610206. 8181077. 61000E（CH4+Ar）= H= 61001. 35610846. 1181001. 31000 MPap767.12总KPapH310088. 9%18.71767.122KPapN3100041. 3%53.23767.122KPapArCH310

22、172. 0%35. 1767.124 30 . 4 mv铜吸收的 H2的物质的量为：n(H2)=kmolVPHH315. 00 . 410088. 910672. 8362铜吸收的 H2的体积为 V（H2）= n(H2)22.4=0.31522.4=7.056m3吸收的 H2的质量为 mH2= n(H2)M(H2)=0.3152=0.630kg吸收的 N2的物质的量为n(N2)=kmolVPHN0986. 04100041. 310206. 8362铜吸收的 N2的体积为 V(N2)= n(N2)22.4=0.098622.4=2.209m3吸收的 N2的质量为 m(N2)= n(N2)M(

23、N2)=0.0.98628=2.761kg吸收的 CH4+Ar 的物质的量为：n(CH4+Ar)=kmolVPHArCH0127. 0410172. 010846. 1354铜吸收的 CH4+Ar 的体积为 V(CH4+Ar)= n(CH4+Ar)22.4=0.012722.4=0.284 m3吸收的 CH4+Ar 的质量为m(CH4+Ar)= n(CH4+Ar)M(CH4+Ar)=0.012716=0.203kg脱碳气中各组分的部分数据：名称成分H2N2COCO2O2CH4+Ar合计含量（%）71.1823.533.50.30.141.35100E6.441066.771063.01106H

24、8.62710-68.20610-61.84610-5吸收量 kmol0.3150.09864.6090.3950.1840.01275.6143吸收的体积 m37.0562.209103.258.854.130.284125.779吸收的质量 kg0.6302.761129.06217.3845.8880.203155.928剩余的量 kmol95.01531.41440001.7953128.225剩余的体积 m32128.344703.69100040.2162872.251剩余的质量 kg190.013879.60300028.7251098.341精炼气中各组分的部分数据：名称成分H

25、2N2COCO2O2CH4+Ar合计含量74.124.50001.4100（%）体积（m3）2128.344703.69100040.2162872.251kmol95.01531.41440001.7953128.225kg190.013879.60300028.7251098.341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h

26、mh/129.17/013. 0243201003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 4.00.013=0.052 m3/h 原料气 30000.013=39 m3/h7 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=600h=1858013.44填料塔25250.6钢鲍尔环14.330.0130.11216MnR20MnR30CO2-2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

27、段回流填料塔聚丙烯 5050 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2200942916.4上加热器设备规格传热面积1000215下加热器设备规格传热面积1000170/m2/m2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-6BT123W-6BT23W-6BT33W-6BT41介质温度815815315315柱塞直径 mm48485555电机功率 kw电机型号30Y225M-637Y250M-645Y280S-655Y280M-6进口口径 mm出口口径 mm1084568108456810845681084568流量 m3/h681012外形尺寸 mm（LWH）29431240131029301240