10万吨合成氨驰放气的氨回收工艺与设备设计

学院毕业设计合成氨驰放气氨回收工艺与设备设计文献综述学生：学号：专业：化学工程与工艺班级：工艺2010.7指导老师：四川理工学院材料与化学工程学院二〇一四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180~240Nm3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AbstractAmmoniaisanimportantchemicalproducts,mainlyfortheproductionofchemicalfertilizers.Inammoniaproduction,willproduceChideflatedcontainingNH3,H2,N2,CH4,ArandothergasesintheChideflatedthem.Theyareusedwithdifferentammoniaprocesses,materials,andoperatingconditionschange.Ingeneral,theproductdoesatonofammoniadischarged180~240Nm3ofChideflated.Inthepast,theseChideflatedburnedasfuelinrecentyears,withthelarge-scaleammoniaplant,itsutilizationChigraduallydeflatedattention.Recyclingnotonlyammonia,hydrogen,nitrogenandotherindustrialgasesintheammoniaChideflated,butalsocanextractvaluableraregasesargon,krypton,andhelium.Inadditiontothegeneralwashingmethodusingammoniaplantammoniawashwaterusedinsoftwaterrequirestheuseofdeoxylater,afterammoniaafterwashingChideflatedcontaintracesofwaterandhydrogen,thuszeolite(silica)adsorption,ANCHIdeflatedammoniacontentlessthan0.1ppm,themoisturecontentbelowthedewpointof-70℃.Packedcolumnusingwaterabsorptionsyntheticammoniareleaseammoniagaswhichisrelativelymaturetechnology.Keyword:Ammonia;Chideflated;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150~250Nm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，其他液体捕沫器填料压板塔壳填料填料支承板液体再分布器填料压板填料支承板气体气体液体设备也很多，如列管式湿壁吸收器、文丘里喷射吸收器、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。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150~250Nm3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%（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20℃2.1.3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，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1/5，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3NH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50ND聚丙烯阶梯环填料。表2.150ND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（2m/3m）空隙率/%个数n/3m堆积密度/（kg/3m）干填料因子/1m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：ρL=998.2kg/m3；粘度为μL=100.50×10-5Pa·s=3.618kg/(m·h)；表面张力为σL=72.6dyn/cm=940896kg/h2；NH3在水中的扩散系数为DL=1.76×10-9m2/s=6.336×10-6m2/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=ΣyiMi=0.08×17+0.92×29=28.04g/mol；混合气体的平均密度为：ρVm=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：μV=1.81×10-5Pa•s=0.065kg/(m•h)；查手册得，在273.15K时，NH3空气中的扩散系数为：DV=1.7×10-5m2/s=0.0612m2/h三气液相平衡数据由手册查得常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为：E=76.99kPa；相平衡常数为：m=E/P=76.99/101.33=0.760；溶解度系数为：H=ρL/EMS=998.2/76.99×18.02=0.725kmol/（kPa•m3）。四物料衡算进塔气相摩尔比为：10.080.087010.08Y出塔气相摩尔比为：20.00020.00020010.0002Y对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：02X(清水)混合气体的平均摩尔质量为：0.08170.922928.04M混合气体流量：2731100041.596(/)29322.4kmolh惰性气体流量：41.596(10.08)38.268(/)Vkmolh最小液气比：12min120.08700.0002000.752(0.0870/0.754)0eYYLVxX11eYxm取实际液气比为最小液气比的1.5倍液气比：min1.51.50.75211.28LLVV吸收剂用量为：0.7523