年產(chǎn)100噸合成氨銅氨液洗滌與再生工設(shè)計..doc

化工原理設(shè)計作業(yè)化工原理設(shè)計作業(yè) 年產(chǎn)年產(chǎn) 100 噸合成氨銅氨液洗滌與再生工段設(shè)計噸合成氨銅氨液洗滌與再生工段設(shè)計 姓名 姓名 班級 班級 指導教師 指導教師 提交日期 提交日期 2013 年 06 月 26 日 目 錄 1 概述 1 2 工藝原理 1 2 1 醋酸銅氨液的組成 1 2 2 銅液吸收原理 2 2 2 1 銅液吸收 CO 的反應(yīng)原理和特點 2 2 2 1 銅液吸收其他有害氣體的原理和有害氣體含量過高的危害 2 2 3 銅液再生原理 3 3 操作條件 4 4 工藝流程圖 5 5 工藝流程說明 5 6 工藝計算 6 7 銅洗設(shè)備選型 11 8銅洗設(shè)計結(jié)束語與體會 12 參考文獻 12 0 1 概述概述 合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中精煉采用銅洗裝置 醋酸銅氨液洗滌法 簡稱銅洗 是最古老的 方法 早在1913年就開始應(yīng)用 迄今有近一百年的歷史 銅洗法以其工藝成熟 操作 彈性大 長期在中小型合成氨廠占據(jù)主導地位 銅洗是在高壓低溫條件下 用醋酸銅 液吸收來自脫碳后氫氮氣中的二氧化碳 一氧化碳 氧和硫化氫等有害氣體 制得合 格的銅洗氣體吸收氣體后的銅液經(jīng)減壓 加溫后 再生循環(huán)使用 解吸出來的再生氣體 及其夾帶出來的氨均回收利用 2 工藝原理工藝原理 3 變換氣經(jīng)過凈化后仍含有少量的 CO CO2 O2 H 2S 等有害氣體 工業(yè)上常用銅 洗法精制原料氣 2 1 醋酸銅氨液的組成醋酸銅氨液的組成 銅洗法的溶液醋酸銅氨溶液是由醋酸銅和氨通過化學反應(yīng)后制成的一種溶液 簡 稱銅液 其組成為 Cu NH3 2Ac 醋酸亞銅絡(luò)二氨 2 2 銅液吸收原理銅液吸收原理 2 2 1 銅液吸收銅液吸收 CO 的反應(yīng)原理和特點的反應(yīng)原理和特點 銅氨液吸收 CO 是在游離氨存在下 依靠低價銅離子進行的 其反應(yīng)如下 Cu NH3 2Ac CO 液相 NH3Cu NH3 3Ac CO Q 銅氨液吸收 CO 的作用 首先是 CO 與銅氨液接觸而被溶解 CO 再和低價銅離子 作用生成絡(luò)合物 并有熱量放出 從以上反應(yīng)式可以看出銅氨液吸收 CO 的反應(yīng)有以下特點 銅氨液與 CO 之間的反應(yīng)是可逆的 按操作條件的不同 反應(yīng)可以向右或向左 進行 反應(yīng)向右進行稱為吸收 向左則稱為解吸 CO 必須首先溶解于銅氨液中才能起化學反應(yīng) 而 CO 在銅氨液中的溶解度是隨 著溫度的升高而降低的 所以降低溫度有利于 CO 的溶解 同時這一反應(yīng)是放熱的 降低溫度有利于反應(yīng)向右進行 CO 在銅氨液中的溶解度隨著壓力的增高而增大 所以提高壓力有利于 CO 的溶 解 另外 這是個體積縮小的反應(yīng)過程 對于體積縮小的過程 提高壓力是有利的 增加反應(yīng)物的濃度 有利于該吸收反應(yīng)進行 因此 增加游離氨量與低價銅離 子的濃度 對吸收一氧化碳是有利的 1 2 2 1 銅液吸收其他有害氣體的原理和有害氣體含量過高的危害銅液吸收其他有害氣體的原理和有害氣體含量過高的危害 銅氨液除能吸收 CO 外 還能吸收 CO2 O2 H2S 等有害氣體 1 吸收 CO2是依靠銅氨液中的游離氨 反應(yīng)如下 2NH3 CO2 H2O NH4 2CO3 Q 生成的 NH4 2CO3會繼續(xù)吸收 CO2而生成 NH4HCO3 NH4 2CO3 CO2 H2O2NH4HCO3 Q 以上兩個反應(yīng)都是放熱反應(yīng) 在吸收過程中會放出大量熱量 使銅液溫度上升 影響吸收能力 生成的碳酸銨和碳酸氫銨在溫度較低時易于結(jié)晶 當銅氨液中的醋酸 和氨量不足時 銅液吸收 CO2后又會生成碳酸銅沉淀 所有這些 都將造成設(shè)備和管 道堵塞 影響生產(chǎn) 所以 進入銅洗系統(tǒng)的原料氣中 CO2的含量不可太高 并且銅液 中應(yīng)有足夠的氨和醋酸含量 此外 由以上反應(yīng)式可知 若銅液中的 CO2量愈大 游離氨愈少 則吸收后氣體 中殘留的 CO2也愈多 同時與溫度也有關(guān)系 低溫有利于 CO2的吸收 高溫有利于解 吸 若新鮮銅氨液中 CO2含量小于 1 5mol L 則當溫度為 10 時 經(jīng)銅洗后氣體中的 CO2含量可低于 10mL m3 2 銅氨液吸收 O2的反應(yīng)是依靠低價銅進行的 其反應(yīng)如下 4Cu NH3 2Ac 8NH3 4HAc O24Cu NH3 4Ac2 2H2O Q 銅氨液吸收氧以后 便使其中的低價銅氧化成高價銅 銅比因此降低 銅液的吸 收能力也就減弱 由上反應(yīng)式可看出 一個 O2分子可以使四個 Cu 氧化成 Cu2 若 1m3銅液能處理 500 m3 標 原料氣 氣體中的 O2含量為 0 1 它可將 500 0 001 40 0893 22 4 kmol 的 Cu 氧化 若每立方米銅氨液中含 Cu 總量為 1 85kmol 則被氧化的 Cu 占 0 0893 4 8 1 85 如果入銅洗塔氣體中的氧含量高至 1 則幾乎 50 的 Cu 被氧化成 Cu2 所以氣體含 氧量愈低愈好 3 銅氨液吸收硫化氫的反應(yīng)主要是依靠其中的氨水 其反應(yīng)如下 2NH3 H2O H2S NH4 2S 2H2O Q 除上述反應(yīng)外 還可能有 H2S 溶解在銅氨液中與低價銅離子起反應(yīng)生成硫化亞銅 沉淀 2Cu NH3 2Ac H2S Cu2S 2NH4Ac NH4 2S 2 微量硫化氫 是能被銅氨液吸收而除去的 但是 如果原料氣中 H2S 含量過高 不僅要多消耗氨 而嚴重的是 H2S 與銅起反應(yīng) 生成黑色的硫化亞銅沉淀 堵塞設(shè)備 管道和填料層 不僅影響正常生產(chǎn) 還導致銅耗過高 因此 原料氣中的 H2S 含量愈 低愈好 2 3 銅液再生原理銅液再生原理 銅氨液吸收了 CO CO2 O2和 H2S 以后 便失去了原有的吸收能力 必須將其解 吸 再生 恢復其吸收能力 再生過程包括以下內(nèi)容 將 CO CO2 H2S 從銅氨液中 解析出來 將被氧化成的高價銅還原為低價銅 調(diào)節(jié)銅比 補充所消耗的氨 醋酸和 銅 并將銅氨液冷卻至吸收所應(yīng)維持的溫度 其基本原理如下 1 CO CO2 H2S 的解析反應(yīng) 解析反應(yīng)是吸收反應(yīng)的逆過程 其反應(yīng)式如下 Cu NH3 3Ac COCu NH3 2Ac CO NH3 Q NH4 2CO32NH3 CO2 H2O Q NH4 2S2NH3 H2S Q 溫度 壓力對再生過程的影響與吸收相反 再生應(yīng)在高溫和低壓下進行 2 高價銅被還原為低價銅的反應(yīng) 高價銅的還原 并不是低價銅氧化的逆過程 而是液相中的一氧化碳先與低價 銅離子作用 將低價銅還原成金屬銅 反應(yīng)過程用離子方程式表示如下 2Cu NH3 3 CO H2O2Cu 金屬銅 CO2 4NH3 2NH4 Q 生成的金屬銅在高價銅存在下再被氧化成低價銅 Cu Cu2 2Cu Q 與此同時 高價銅本身也可能被 CO 還原成低價銅 2Cu2 CO H2O2Cu CO2 2H Q 以上這些反應(yīng)的最終結(jié)果是高價銅還原成低價銅 CO 則氧化成 CO2 后者好比 CO 的燃燒過程 所以有時稱為 濕式燃燒 濕式燃燒的結(jié)果 銅液的銅比升高 而殘余的 CO 含量降低 但銅比過高時 反應(yīng)平衡向左移動 會導致金屬銅的沉淀析出 因此 維持銅 氨液中一定濃度的 Cu2 無論對 CO 的徹底消除和保持銅氨液穩(wěn)定 防止金屬銅析出 都是必要的 3 補充所消耗的氨 醋酸和銅 并冷卻降溫 3 銅氨液再生過程中 由于加熱溫度升高 使銅氨液中的氨 醋酸揮發(fā)一部分 必須補充一定量的氨和醋酸 吸收過程中 部分 H2S 與低價銅離子反應(yīng)生成了 Cu2S 沉淀 降低了銅氨液中總 銅的含量 必須給銅氨液中補充銅 在解吸還原以后 銅氨液需冷卻 降溫 使其恢復吸收能力 再循環(huán)使用 3 操作條件操作條件 4 1 溫度 銅液溫度 8 12 回流塔進口溫度 25 38 回流塔出口溫度 40 55 下加熱器出口溫度 60 68 上加熱器出口溫度 74 78 再生器出口溫度 74 78 氨冷器出口溫度 8 15 2 壓力 銅洗操作壓力 12 0 15 0 MPa 再生壓力 0 106 0 108 MPa 銅塔進出口壓差 0 5 MPa 銅泵進口壓力 0 04 0 12 Mpa 3 成分 總銅 2 0 2 5mol L 總氨 8 5 12 5 mol L 總酸 總銅 10 15 為 2 2 3 0 mol L 殘存 CO 0 005m3CO m3 殘存 CO2 1 5 mol L 銅比 5 8 凈氨塔氨水滴度 由生產(chǎn)科另行下達指標 11 滴 4 其他 銅洗塔液位控 1 2 2 3 再生器液位 1 2 2 3 4 4 工藝流程工藝流程圖圖 再 生 器 銅 液 分 離 器 下 加 熱 器 壓 縮 后 原 料 氣 銅 液 油 分 離 器 還 原 器 銅 洗 塔 上 加 熱 器 化 銅 桶 水 冷 器 氨 冷 器 精 練 氣 至 壓 縮 再 生 塔 回 收 塔 5 5 工藝流程說明工藝流程說明 變換氣經(jīng)壓縮機壓縮 用水 或熱鉀堿溶液等 除去其中大部分 CO2后 再由壓 縮機加壓到 12 13MPa 送至銅氨液洗滌系統(tǒng) 氣體自銅氨液洗滌塔 簡稱銅洗塔 的底部進入 自下而上與塔頂噴淋下來的銅 氨液逆流接觸 氣體中 CO CO2 H2O 和 O2等即為銅氨液吸收 如果洗滌后氣體中 CO CO2 10ml m3 即可加壓后送往氨合成系統(tǒng) 倘若出銅洗塔氣體中的 CO2含量較 高時 還要經(jīng)過堿洗塔用氨水或堿液吸收 CO2后 才能達到凈化要求 吸收氣體中 CO 等雜質(zhì)后的銅氨液 自銅液塔底部經(jīng)減壓至 0 15MPa 自動流到銅氨 液再生系統(tǒng)的回流塔 3 的頂部 與再生器 4 逸出的氣體相遇 捕集其中氨及部分 CO2 后 由回流塔底部流至還原器 7 中 還原器的上下兩段均上設(shè)有蒸汽加熱管 底部有 空氣加入管 中部有旁通管線 即副線 銅氨液首先經(jīng)過下加熱器 6 加熱 隨即向 上流 經(jīng)還原器內(nèi)幾層有孔折板后進入上加熱器 5 在必要時 可開用旁通管 使部分 銅氨液不經(jīng)下加熱器而直接進入上加熱器 銅氨液經(jīng)還原器時 溶液中的高價銅在 40 60 溫度下被 CO 或金屬銅還原成低價銅 經(jīng)過上加熱器加熱達到 72 74 然 后流入再生器內(nèi) 此時 溫度升到 75 80 再生器內(nèi)裝有擋板 使銅氨液迂回流動 溶液在器內(nèi)經(jīng)固定得停留時間 使被吸收 CO CO2等氣體得到充分得解吸 并使 Cu2 氧化除去殘余 CO 的 濕法燃燒 反應(yīng)充分進行 再生器底部有蒸汽加熱夾套 用以 維持再生器的溫度 75 80 再生后的銅氨液中 殘余的含量可降低至溶液以下 然后 銅氨液依次流經(jīng)水冷器 氨冷器 溫度降低到吸收所需溫度 5 15 經(jīng)過 濾后 用銅液泵送到銅洗塔 必須著重指出 銅氨液經(jīng)過再生后 其溫度較高 一般為 75 80 而回流塔出 口銅氨液溫度較低 約 40 55 目前國內(nèi)許多工廠中將此兩部分銅氨液在一個換熱 器內(nèi)進行換熱 使再生后的銅氨液經(jīng)換熱后先冷卻至左右 再去用水冷卻 回流塔出 來的銅氨液則被加熱后再進入還原器 這樣 每生產(chǎn) 1t 氨 可以在銅氨液再生時節(jié)省 蒸汽 0 2 0 25t 以及一部分冷卻水 在某些合理設(shè)計的工藝流程中 銅氨液再生所需的 5 熱量 系利用合成塔反應(yīng)熱所副產(chǎn)的蒸汽或熱水 或熱鉀堿法脫 CO2工藝過程中的余 熱 因而部需要外供蒸汽 從回流塔出來的氣體 經(jīng)氨吸收塔回收氨后 送到變換系統(tǒng) 為了回收再生器出口熱銅液中的余熱 該銅液去加熱下加熱器的管內(nèi)銅液 回流 塔內(nèi)填料層分兩段 來自減壓閥的銅液經(jīng)過回流塔上段填料層以后 銅液吸收了解吸 氣中氨和熱量后 進入下加熱器管內(nèi) 被加熱到 54 后 又進回流塔下段填料層 進 一步回收再生氣中的氨和熱量后 再到上加熱器管內(nèi) 其余與原流程相同 為了回收再生熱銅液的余熱 變換工段采用中變流程的 宜采用二段回流再生 變換工段采用中變串低變流程的 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 工藝計算工藝計算 一 概述 生產(chǎn)能力 100 噸 生產(chǎn)制度 320 天 年 24 小時工作制 物料衡算 二 工藝計算 生產(chǎn)能力 hm 129 17013 0 24320 100 3 噸 生產(chǎn) 1 噸氨所需的脫碳氣量 hm 93 2799 4 22 2353 0 2 17 1000 3 取脫碳氣量為 3000m3 h 三 物料衡算 精煉氣中 CO CO2 10ml m3 銅洗塔溫度為 35 壓力為 12 767Mpa 吸收率為 70 1 銅洗部分 計算基準 1 噸氨 6 原料氣 精煉氣 銅液 再生 富液 銅 洗 塔 1 原料氣的組成和數(shù)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 名稱 成分 H2N2COCO2O2CH4 Ar 合計 含量 71 1823 533 50 30 141 35100 00 體積 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 銅液對 CO 的吸收 Cu NH3 2Ac CO NH3 Cu NH3 3Ac CO 11 X nco X nco 4 688kmol 實際銅液的物質(zhì)的量為 kmol584 6 7 0 609 4 cu 2 04mol l 2 04kmol m3 銅液 用于吸收的 CO 的銅液的體積為 3 228 3 04 2 7 0 609 4 04 2 7 0 m nco 3 吸收 O2所需銅液的量 4Cu NH3 2Ac 4NH4Ac NH3 H2O O2 4Cu NH3 4Ac2 6H2O 8 41 Y nO2 Y 4 nO2 kmol7376 0 1844 0 4 實際銅液的物質(zhì)的量為 4 nO2 0 7 1 054kmol 用于吸收 O2的銅液的體積為 3 5154 0 04 2 7 0 4 2 m no 銅液的總體積為 3 228 0 5154 3 7434m3 取銅液的總體積為 4 0 m3 銅液的總質(zhì)量為 V總 kgmkgmmkg4732 11834 1183 333 2 出塔氣部分 CO CO2 O2 全部溶解 部分氣體的亨利系數(shù)表 物質(zhì) 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 總 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 銅 吸收的 H2的物質(zhì)的量為 9 n H2 kmolVPH H 315 0 0 410088 9 10672 8 36 2 銅 吸收的 H2的體積為 V H2 n H2 22 4 0 315 22 4 7 056m3 吸收的 H2的質(zhì)量為 mH2 n H2 M H2 0 315 2 0 630kg 吸收的 N2的物質(zhì)的量為 n N2 kmolVPH N 0986 0 4100041 3 10206 8 36 2 銅 吸收的 N2的體積為 V N2 n N2 22 4 0 0986 22 4 2 209m3 吸收的 N2的質(zhì)量為 m N2 n N2 M N2 0 0 986 28 2 761kg 吸收的 CH4 Ar 的物質(zhì)的量為 n CH4 Ar kmolVPH ArCH 0127 0410172 0 10846 1 35 4 銅 吸收的 CH4 Ar 的體積為 V CH4 Ar n CH4 Ar 22 4 0 0127 22 4 0 284 m3 吸收的 CH4 Ar 的質(zhì)量為m CH4 Ar n CH4 Ar M CH4 Ar 0 0127 16 0 203kg 脫碳氣中各組分的部分數(shù)據(jù) 名稱 成分 H2N2COCO2O2CH4 Ar 合計 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 吸收的體積 m3 7 0562 209103 258 854 130 284125 779 吸收的質(zhì)量 kg 0 6302 761129 06217 3845 8880 203155 928 剩余的量 kmol 95 01531 41440001 7953128 225 剩余的體積 m3 2128 344703 69100040 2162872 251 剩余的質(zhì)量 kg 190 013879 60300028 7251098 341 精煉氣中各組分的部分數(shù)據(jù) 名稱 成分 H2N2COCO2O2CH4 Ar 合計 10 含量 74 124 50001 4100 體積 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 進料出料 物質(zhì) 體積 m3 質(zhì)量 kg物質(zhì)體積 m3 質(zhì)量 kg 原料氣 30001256 898 精煉氣 2872 2511098 341 銅液 4 047324 04887 928 合計 5988 898 銅液 含溶解 的氣體量 5968 112 五 消耗定額的計算 100 噸 年 生產(chǎn)能力hmh 129 17 013 0 24320 100 3 噸 以生產(chǎn) 1 噸氨 銅液 4 0 m3 噸 氨 原料氣 3000m3 噸 氨 消耗定額 銅液 4 0 0 013 0 052 m3 h 原料氣 3000 0 013 39 m3 h 7 7 銅洗設(shè)備選型銅洗設(shè)備選型 表 7 1 銅洗塔的規(guī)格及參數(shù) 項目規(guī)格 mm 壓力 MPa 塔型篩板規(guī)格填料高 度 m 生產(chǎn)能 力 t h 空塔氣 速 m s 主要材 料 圖號 銅洗 塔 d 600 h 18580 13 44填料 塔 25 25 0 6 鋼鮑爾環(huán) 14 330 0130 11216MnR 20MnR 30CO 2 2 表 7 2 銅液再生塔的規(guī)格和參數(shù) 項目規(guī)格項目規(guī)格 回流塔 設(shè)備規(guī)格 填料規(guī)格 填料數(shù)量 1000 二段回流填料塔 聚丙烯 50 50 鮑爾環(huán) 上 2 5m 下 2 0m 再生器 型式 設(shè)備規(guī)格 傳熱面積 m2 槽式 2200 9429 16 4 11 上加熱器 設(shè)備規(guī)格 傳熱面積 m2 1000 215下加熱器 設(shè)備規(guī)格 傳熱面積 m2 1000 170 生產(chǎn)能力0 013 t h 圖號P903BT610 表 7 3 銅液泵的規(guī)格和參數(shù) 項目 數(shù)目3W 6BT1 23W 6BT2 3W 6BT3 3W 6BT4 1 介質(zhì)溫度 8 158 153 153 15 柱塞直徑 mm48485555 電機功率 kw 電機型號 30 Y225M 6 37 Y250M 6 45 Y280S 6 55 Y280M 6 進口口徑 mm 出口口徑 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