氨回收裝置精餾塔的設(shè)計與研究

1、 990t/a氨回收裝置精餾塔的設(shè)計與研究The Design and Study of 990t/a Ammonia Recover Unit of The Rectifying Column 目 錄摘要IAbstractII引言1第1章 合成氨的生產(chǎn)與發(fā)展?fàn)顩r21.1 合成氨的概述21.2 合成氨的化學(xué)反應(yīng)21.3 國內(nèi)合成氨的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展21.3.1 水煤漿氣化工藝路線21.3.2 常壓氣化路線31.4 國外合成氨的發(fā)展31.5 合成氨生產(chǎn)的發(fā)展前景3第2章 合成氨尾氣處理氨回收工藝52.1 產(chǎn)品及原料性能52.1.1 氨52.1.2 氫氣62.1.3 氮氣72.2 氨回收工藝流程8第

2、3章 工藝計算103.1 精餾塔的物料衡算103.2 相對揮發(fā)度的計算103.3 平衡線，q線，精餾段操作線，提餾段操作線方程的確定113.4 塔的工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)計算123.4.1 物性數(shù)據(jù)123.4.2 精餾段工藝條件123.4.3 提溜段工藝條件123.5 塔板數(shù)的計算133.5.1 塔板設(shè)計選用數(shù)據(jù)133.5.2 理論板數(shù)的計算133.5.3 實際塔板數(shù)的計算143.6 浮閥塔板工藝尺寸的確定與計算153.6.1 塔高的計算153.6.2 塔徑D153.6.3 降液管及溢流堰尺寸173.6.4 浮閥數(shù)及排列方式183.7 塔板流動性能的校核203.7.1 液沫夾帶量校核203.7

3、.2 塔板阻力計算203.7.3 降液管液泛校核213.7.4 液體在降液管內(nèi)停留時間校核223.7.5 嚴(yán)重液漏校核223.8 塔板負(fù)荷性能圖223.8.1 過量液沫夾帶線223.8.2 液相下限線關(guān)系式223.8.3 嚴(yán)重漏液關(guān)系式233.8.4 液相上限線關(guān)系式233.8.5 降液管液泛線關(guān)系式233.9 熱量衡算253.9 1 塔頂冷凝器的熱量衡算253.9.2 塔底再沸器的熱量衡算253.10 浮閥塔工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總26結(jié)論28致謝29參考文獻(xiàn)30附件132附件233年產(chǎn)990噸氨回收裝置精餾塔的設(shè)計與研究摘要: 氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣。氨回收裝置是為了適應(yīng)氨合成工序的工

4、藝需要，回收利用有效成分，實現(xiàn)零排放等要求特設(shè)的配套裝置。因此，本文設(shè)計主要以年產(chǎn)990噸氨為精餾塔的生產(chǎn)目標(biāo)，對精餾塔進(jìn)行物料衡算，熱量衡算，然后根據(jù)物料平衡對氨回收精餾塔進(jìn)料量、塔頂、塔底出料量進(jìn)行物料衡算，對氨回收精餾塔的塔高理論上進(jìn)行了尺寸計算及選擇，并且對精餾塔進(jìn)行了校核。根據(jù)熱力學(xué)定律，對某些設(shè)備進(jìn)行熱量衡算，對設(shè)備理論上進(jìn)行了計算及選擇，使設(shè)備滿足設(shè)計要求，達(dá)到所需要的工藝條件。進(jìn)料組成：17%；塔底產(chǎn)品組成0.2%；塔頂產(chǎn)品組成99%。操作條件：年工作330天，每天24小時，總工作時間為24330=7920小時。 關(guān)鍵詞：氨回收 物料衡算 熱量衡算 工藝設(shè)計The Design

5、 and Study of 990t/a Ammonia Recover Unit of The Rectifying ColumnAbstract：Ammonia is one of the basic chemical products, uses is very wide. Ammonia recovery unit is in order to meet the needs of ammonia synthesis process technology, recycling use of effective components, to achieve zero emission fo

6、r AD hoc supporting device. Therefore, this article designed mainly with annual output of 990 tons of ammonia rectification columns production goal, for the distillation tower of material balance, heat balance, then according to the material balance of ammonia recovery feed rate of rectification col

7、umn, the top and bottom shoes to carry on the material balance, the ammonia recovery distillation tower is high in theory for size calculation ,selection and the check. According to the laws of thermodynamics, the heat balance for some equipment, the calculation and selection of equipment theory, ma

8、ke the equipment meet the design requirements, meet the need of process conditions. Feed composition:17%; 99%. Operating conditions: years work 330 days, 24 hours a day, total working time for 24330 = 7920 hours.Keywords: Ammonia recovery material calculation heat balance calculations process design

9、II引 言氨（Ammonia，舊稱阿莫尼亞）是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，除氨水外，諸如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥都是以氨為原料生產(chǎn)的。氨是基本化工產(chǎn)品之一，用途很廣?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著氮肥工業(yè)的水平1。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料，還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。此外，液氨本身就是一種高

10、效氮素肥料，可以直接施用，一些國家已大量使用液氨2?？梢姡铣砂惫I(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料3?；厥瞻庇须p重意義，首先可將氨制成化肥，其次從凈化的觀點出發(fā)，防止以氨為媒介的腐蝕性介質(zhì)造成設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕。氨回收裝置是為了適應(yīng)氨合成工序的工藝需要，回收利用有效成分，實現(xiàn)零排放等要求特設(shè)的配套裝置。第1章 合成氨的生產(chǎn)與發(fā)展?fàn)顩r1.1 合成氨的概述合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。別名氨氣，分子式為NH3，英文名：synthetic a

11、mmonia。世界上的氨除少量從焦?fàn)t氣中回收外，絕大部分是合成的氨。合成氨主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料。氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的124。硝酸、各種含氮的無機(jī)鹽及有機(jī)中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料生產(chǎn)。液氨常用作制冷劑。1.2 合成氨的化學(xué)反應(yīng) 德國化學(xué)家哈伯(F.Haber，1868-1934)從1902年開始研究由氮氣和氫氣直接合成氨。于1908年申請專利，即“循環(huán)法”，在此基礎(chǔ)上，他繼續(xù)研究，于1909年改進(jìn)了合成，氨的含量達(dá)到6%以上。這是目前工業(yè)普遍采用的直接合成法5。反應(yīng)過程中為解決氫氣和氮氣合成轉(zhuǎn)化率低的問題，將氨產(chǎn)品從合成反應(yīng)后

12、的氣體中分離出來，未反應(yīng)氣和新鮮氫氮氣混合重新參與合成反應(yīng)。合成氨反應(yīng)式如下：N2+3H22NH3(該反應(yīng)為可逆反應(yīng),等號上反應(yīng)條件為:“高溫 高壓”,下為:“催化劑”)合成氨的主要原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料。經(jīng)過近百年的發(fā)展，合成氨技術(shù)趨于成熟，形成了一大批各有特色的工藝流程，但都是由三個基本部分組成6，即原料氣制備過程、凈化過程以及氨合成過程。1.3 國內(nèi)合成氨的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況，解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展7。1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸，而1982年達(dá)到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一8。近幾年

13、來，我國引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備9。我國自行設(shè)計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。我國油、氣資源少，煤炭資源豐富，隨著科技的進(jìn)步以煤為原料的氨廠仍有發(fā)展前景。提出了煤基合成氨工藝的選擇原則，以煤為原料制氨的總體流程選擇,大體上可分為水煤漿氣化工藝路線及常壓氣化路線10。 1.3.1 水煤漿氣化工藝路線美國德士古水煤漿氣化技術(shù)是較完善的煤氣化技術(shù)，其氣化溫度高達(dá)13501450 ，氣化壓力從3. 92MPa 到 6. 37MPa 。該流程特點是以煤（主要用煙煤）為原料，

14、制成水煤漿，配置大型空分裝置，其氧氣供氣化，氮氣在氮洗配入合成氣之中，氣化后飽含水的合成氣先進(jìn)入變換（耐硫催化劑）使CO與 H2O反應(yīng)為 H2和CO2。經(jīng)甲醇洗（Rectisol ）脫除CO2和 H2S，再經(jīng)液氮洗脫除微量CO、CO2及其它雜質(zhì)，配以N2制成純凈的凈化合成氣去氨合成工序。1.3.2 常壓氣化路線常壓氣化一般以無煙塊煤或焦炭為原料，用空氣或富氧空氣氣化，經(jīng)常壓脫硫、低壓段壓縮、變換脫 CO2、凈化、高壓段壓縮去氨合成。1.4 國外合成氨的發(fā)展近幾年來，世界合成氨工業(yè)的技術(shù)進(jìn)展主要有以下幾方面：英國ICI公司采用LCA工藝流程，在英國的SevernsNe氨廠建了兩套并列的產(chǎn)量各為4

15、50噸天，但只有一套公用工程系統(tǒng)的合成氨裝置11 。美國凱洛格公司對氨廠的某些工藝單元及設(shè)備的傳統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行了改革，開發(fā)出了合成氨生產(chǎn)的4種新技術(shù)，即用于氨合成回路的KAAP工藝，用于工藝氣轉(zhuǎn)化換熱的KRES系統(tǒng)，以計算機(jī)為基礎(chǔ)的氨廠節(jié)能降耗動態(tài)控指KDAC技術(shù)和公用工程蒸汽系統(tǒng)的冷凝液汽提KICS技術(shù)12。由于生態(tài)和環(huán)保的原因，今后發(fā)達(dá)國家化肥用量將減少，世界合成氨生產(chǎn)能力將緩慢增長。1.5 合成氨生產(chǎn)的發(fā)展前景目前，化學(xué)模擬生物固氮的重要研究課題之一，是固氮酶活性中心結(jié)構(gòu)的研究13。固氮酶由鐵蛋白和鉬鐵蛋白這兩種含過渡金屬的蛋白質(zhì)組合而成。鐵蛋白主要起著電子傳遞輸送的作用，而含二個鉬原子和二

16、三十個鐵和硫原子的鉬鐵蛋白是絡(luò)合N2或其他反應(yīng)物（底物）分子，并進(jìn)行反應(yīng)的活性中心所在之處。關(guān)于活性中心的結(jié)構(gòu)有多種看法，目前尚無定論。從各種底物結(jié)合物活化和還原加氫試驗來看，含雙鉬核的活性中心較為合理14。我國有兩個研究組于19731974年間，不約而同地提出了含鉬鐵的三核、四核活性中心模型，能較好地解釋固氮酶的一系列性能，但其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還有待根據(jù)新的實驗結(jié)果精確化15。國際上有關(guān)的研究成果認(rèn)為，溫和條件下的固氮作用一般包含以下三個環(huán)節(jié)：(1)絡(luò)合過程。它是用某些過渡金屬的有機(jī)絡(luò)合物去絡(luò)合N2，使它的化學(xué)鍵削弱；(2)還原過程。它是用化學(xué)還原劑或其他還原方法輸送電子給被絡(luò)合的N2，來拆開N2中

17、的NN鍵；(3)加氫過程。它是提供H+來和負(fù)價的N結(jié)合，生成NH3。目前，化學(xué)模擬生物固氮工作的一個主要困難是，N2絡(luò)合了但基本上沒有活化，或絡(luò)合活化了，但活化得很不夠。所以，穩(wěn)定的雙氮基絡(luò)合物一般在溫和條件下通過化學(xué)還原劑的作用只能析出N2，從不穩(wěn)定的雙氮絡(luò)合物還原制出的NH3的量相當(dāng)微少。因此迫切需要從理論上深入分析，以便找出突破的途徑。固氮酶的生物化學(xué)和化學(xué)模擬工作已取得一定的進(jìn)展，這必將有力地推動絡(luò)合催化的研究，特別是對尋找催化效率高的合成氨催化劑，將是一個有力的促進(jìn)。雖然使用“無機(jī)”氮的生物農(nóng)業(yè)將會有所發(fā)展，但是，在以后的1520年內(nèi)，生物技術(shù)(如固定氮工藝)還不可能取代合成氨作為化

18、學(xué)肥料的主要來源16?，F(xiàn)今所有的合成氨消費中，只有13是用在化學(xué)和工業(yè)應(yīng)用上，其他87都用于生產(chǎn)化肥17。因此，氮肥的供應(yīng)還得繼續(xù)依靠合成氨的生產(chǎn)。第2章 合成氨尾氣處理氨回收工藝2.1 產(chǎn)品及原料性能2.1.1 氨(1)生產(chǎn)規(guī)模本裝置以稀氨水為原料，通過蒸氨精餾塔提煉出純度較高的液氨。生產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)990噸氨的氨回收精餾塔。(2)氨產(chǎn)品化學(xué)名稱：氨氣分子式：NH3分子量：17.031 (3)物理性質(zhì)18：氨氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度為：0.771g/L臨界點 133，11.3atm蒸汽壓 506.62kPa(4.7)熔點 -77.7沸點101.325kPa(1atm) -33.5溶解性： 極易溶于

19、水(1:700)臨界溫度 405.65K，-132.5（4）化學(xué)性質(zhì)18：a.跟水反應(yīng)氨在水中的反應(yīng)可表示為：NH3+H2O=NH3H2O氨水在中學(xué)化學(xué)實驗中三應(yīng)用：用蘸有濃氨水的玻璃棒檢驗HCl等氣體的存在。實驗室用它與鋁鹽溶液反應(yīng)制氫氧化鋁。配制銀氨溶液檢驗有機(jī)物分子中醛基的存在。b.跟酸反應(yīng)NH3+HNO3 = NH4NO3NH3+CO2+H2O=NH4HCO3反應(yīng)實質(zhì)是氨分子中氮原子的孤對電子跟溶液里具有空軌道的氫離子通過配位鍵而結(jié)合成離子晶體。若在水溶液中反應(yīng)，離子方程式為：8NH3+3Cl2 = N2+6NH4Cl(黃綠色褪去，產(chǎn)生白煙)反應(yīng)實質(zhì)：2NH3+3Cl2 = N2+6H

20、ClNH3+HCl = NH4Cl總反應(yīng)式：8NH3+3Cl2 = N2+6NH4Clc.在純氧中燃燒4NH3+3O2=2N2+6H2O4NH3+5O2=4NO+6H2O（氨氣的催化氧化）d.與碳的反應(yīng)NH3+C=HCN+H2(劇毒氰化氫)e.取代反應(yīng)取代反應(yīng)的一種形式是氨分子中的氫被其他原子或基團(tuán)所取代，生成一系列氨的衍生物。另一種形式是氨以它的氨基或亞氨基取代其他化合物中的原子或基團(tuán)，例如；COCl2+4NH3= CO(NH2)2+2NH4ClHgCl2+2NH3=Hg(NH2) Cl +NH4Cl這種反應(yīng)與水解反應(yīng)相類似，實際上是氨參與的復(fù)分解反應(yīng)，故稱為氨解反應(yīng)。2.1.2 氫氣氫氣是

21、無色并且密度比空氣小的氣體（在各種氣體中，氫氣的密度最小。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1升氫氣的質(zhì)量是0.0899克，相同體積比空氣輕得多）。因為氫氣難溶于水，所以可以用排水集氣法收集氫氣。另外，在101千帕壓強(qiáng)下，溫度-252.87時，氫氣可轉(zhuǎn)變成無色的液體；-259.1時，變成雪狀固體。常溫下，氫氣的性質(zhì)很穩(wěn)定，不容易跟其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)條件改變時（如點燃、加熱、使用催化劑等），情況就不同了。如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強(qiáng)的活性（特別是被鈀吸附）。金屬鈀對氫氣的吸附作用最強(qiáng)。當(dāng)空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%-75%時，遇到火源，可引起爆炸。 (1)物理性質(zhì)19：無色無味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀況下密度是0.09

22、克/升(最輕的氣體)，難溶于水。在-252，變成無色液體，-259時變?yōu)檠┗罟腆w。分子式： H2沸點： -252.77（20.38K)熔點：-259.2密度：0.09 kg/m3相對分子質(zhì)量：2.016液體密度（平衡狀態(tài)，-252.8）：169kg/m3氣體密度（101.325kPa，0）：0.0899kg/m3重氫在常溫常壓下為無色無嗅無毒可燃性氣體，是普通氫的一種穩(wěn)定同位素。它在通常水的氫中含0.0139%0.0157%。其化學(xué)性質(zhì)與普通氫完全相同，但質(zhì)量大些，反應(yīng)速度小一些。 (2) 化學(xué)性質(zhì)19：氫氣常溫下性質(zhì)穩(wěn)定，在點燃或加熱的條件下能多跟許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?？扇夹?可在氧氣中或

23、氯氣中燃燒)2H2+O2=2H2O（化合反應(yīng)）(點燃不純的氫氣要發(fā)生爆炸,點燃?xì)錃馇氨仨汄灱?H2+Cl2 =2HCl（化合反應(yīng)）還原性(使某些金屬氧化物還原)H2+CuO=Cu+H2O（置換反應(yīng)）2.1.3 氮氣（1）物理性質(zhì)：氮在常況下是一種無色無味的氣體，且通常無毒。氮氣占大氣總量的78.12%（體積分?jǐn)?shù)），在標(biāo)準(zhǔn)情況下的氣體密度是1.25g/L，氮氣難溶于水，在常溫常壓下，1體積水中大約只溶解0.02體積的氮氣。氮氣是難液化的氣體，氮氣在極低溫下會液化成無色液體，進(jìn)一步降低溫度時，更會形成白色晶狀固體。在生產(chǎn)中，通常采用黑色鋼瓶盛放氮氣。其他物理性如下20：化學(xué)式 N2 相對分子質(zhì)量

24、28.013 熔點 63.15K，-210英文名稱 Nitrogen沸點，101.325kPa（1atm）時 77.35K，-195.8臨界溫度 126.1K，-147.05臨界壓力 3.4MPa，33.94bar，33.5atm臨界體積 90.1cm3/mol臨界密度 0.3109g/cm3（2）化學(xué)性質(zhì)20：由氮元素的氧化態(tài)-吉布斯自由能圖也可以看出，除了NH4+離子外，氧化數(shù)為0的N2分子在圖中曲線的最低點，這表明相對于其它氧化數(shù)的氮的化合物來講，N2是熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。氧化數(shù)為0到+5之間的各種氮的化合物的值都位于HNO3和N2兩點的連線（圖中的虛線）的上方，因此，這些化合物在熱力學(xué)上是

25、不穩(wěn)定的，容易發(fā)生歧化反應(yīng)。在圖中唯一的一個比N2分子值低的是NH4+離子。由氮元素的氧化態(tài)-吉布斯自由能圖和N2分子的結(jié)構(gòu)均可以看出，單質(zhì)N2不活潑，只有在高溫高壓并有催化劑存在的條件下，氮氣可以和氫氣反應(yīng)生成氨。.a.氮化物反應(yīng)氮化鎂與水反應(yīng)：Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3在放電條件下，氮氣才可以和氧氣化合生成一氧化氮：N2+O2=2NO一氧化氮與氧氣迅速化合，生成二氧化氮2NO+O2=2NO2b.氮和活潑金屬反應(yīng)N2 與金屬鋰在常溫下就可直接反應(yīng)：6 Li + N2=2 Li3NN2與鎂條反應(yīng)：3Mg+ N2=Mg3 N2 c.氮和非金屬反應(yīng)N2與氫氣反應(yīng)制氨氣：N2+

26、3H2=2NH3（可逆）2.2 氨回收工藝流程氨回收精餾塔的生產(chǎn)任務(wù)是將中繼槽的貯槽氣和液氨球罐的貯罐氣進(jìn)行回收做成濃氨水，吸收氨后的尾氣并入燃燒氣管網(wǎng)，同時負(fù)責(zé)將氨水中的氨提純?yōu)楹细竦囊喊碑a(chǎn)品輸送至液氨球罐。A、生產(chǎn)工藝流程21由吸收塔的底部出來的氨水（氨回收不開時可直接回到氨水槽）進(jìn)入溶液換熱器的管間與再沸器冷凝液（或精餾塔底部出口殘液）進(jìn)行換熱，被預(yù)熱后的氨水從進(jìn)料管進(jìn)入精餾塔的中部。在塔內(nèi)自上而下與再沸器出來升騰的蒸汽逆流接觸，氨水中的氨經(jīng)過塔板逐漸被提取變成純度很高的氣氨，由精餾塔頂部出來進(jìn)入塔頂冷凝器管間，氣氨被冷凝成液氨回收至塔頂液氨貯槽內(nèi)，貯槽內(nèi)的合格液氨一部分由泵送至精餾塔頂

27、回流，以控制塔頂溫度。另一部分用泵輸送至液氨球罐內(nèi)。下圖就是氨回收系統(tǒng)工藝流程圖，其中T1002代表氣氨吸收塔，E1002代表換熱器，E1003代表水冷器，E1004釜殘液冷卻器，E10105代表精餾塔塔底再沸器，T1003代表氨回收精餾塔，E1006代表精餾塔塔頂冷凝器，V1003代表液氨儲槽，P1001A和P1001B分別代表兩個并聯(lián)的循環(huán)泵，P1002代表外送泵，V1002A和V1002B分別代表兩個并聯(lián)的氨水儲槽，P1003A和P1003B分別代表兩個并聯(lián)的回流泵。 圖2.1 氨回收工藝系統(tǒng)流程圖第3章 工藝計算3.1 精餾塔的物料衡算（1）已知條件氨回收精餾塔年產(chǎn)990噸，粗氨水中含

28、氨17,溜出液中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99，釜殘液中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2，氨的摩爾質(zhì)量MA=17 kg/kmol，水的摩爾質(zhì)量MB=18 kg/kmol，年工作日以330天計，每天24小時，則：990噸/330天=3噸/天=0.125噸/小時=125kg/h=（125/17）kmol/h=7.353 kmol/h F=7.353/0.17=43.253 kmol/hxF=0.224xD=0.99xW=0.002其中，xF 、 xD 、 xW分別為原料、塔頂、塔底中的氨的摩爾分?jǐn)?shù)。F、D、W分別原料液及塔頂液、塔底液的摩爾流量，kmol/h。F=D+W （3-1）F xF =D xD+W xW （3-2

29、）D=9.719 kmol/hW=F-D=43.253-9.719=33.534 kmol/h揮發(fā)組分回收率=99.2% （3-3）3.2 相對揮發(fā)度的計算把氨-水系統(tǒng)視為理想溶液。塔頂及塔底產(chǎn)品的揮發(fā)度分別計算結(jié)果如下。45時氨和水的飽和蒸汽壓分別為1789.8Kpa和9.34Kpa23195時氨和水的飽和蒸汽壓分別為18134.6Kpa和1399.7Kpa23所以45、195下平均相對揮發(fā)度:=54.53.3 平衡線，q線，精餾段操作線，提餾段操作線方程的確定氣液平衡線方程 y= （3-4）q線方程泡點進(jìn)料，q=1，x=0.224，q線方程即為x=x，所以q線方程為 x=0.224而 Rm

30、in= （3-5） = =6.9510-2取R=1.5Rmin=1.56.9510-2=0.10425精餾段操作線方程精餾段摩爾流量：液相LRD=0.104259.719=1.013(kmol/h)氣相V=L+D=（1+R）D=1.104259.719=10.732(kmol/h)精餾段操作線方程： y= （3-6） =提餾段操作線方程提餾段摩爾流量：液相L=L+qF=1.013+143.253=44.266(kmol/h)氣相V=V=L+D=10.732kmol/h由于提餾段操作線方程為： y= （3-7）則提餾段操作線方程為： y=3.4 塔的工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)計算3.4.1 物性數(shù)據(jù)

31、由公式=A+BT+CT2+D3+ET4 其中T單位為K，其中常數(shù)為：表3.1 常數(shù)列表24ABCDE氨1114.71-2.4692510-5-5.7533510-31.4180210-5-1.3339310-8水1166.29-1.358891.8101810-3-2.2449610-63.4.2 精餾段工藝條件精餾段液體的平均密度 L=x0A+ (1- x)B=704.990.99+100.000.01=698.94(kg/m3)精餾段氣體的密度 =(kg/m3) （3-8）精餾段氣體的體積流量 VV=(m3/s) （3-9）精餾段液體的體積流量 VL=(m3/s)3.4.3 提溜段工藝條件

32、液相平均摩爾質(zhì)量：M=0.0117+0.99100.00=17.99(kg/kmol)塔底溫度tm=195，查得25A=704.99kg/m3，B =100.00 (kg/m3)=+ (1-xw) =704.990.002+100.00（1-0.002）= 101.21( kg/m3)=0.464 (kg/m3) V=(m3/s) V=(m3/s)3.5 塔板數(shù)的計算3.5.1 塔板設(shè)計選用數(shù)據(jù)表3.2 塔板設(shè)計選用數(shù)據(jù)摩爾流量（kmol/h）氣相液相精餾段10.7321.013提餾段10.73244.266表3.3 塔板設(shè)計選用數(shù)據(jù)體積流量（m3/s）氣相液相精餾段0.0806.844提餾段

33、0.1092.187由上述計算可得以下結(jié)果汽塔的平均蒸汽流量 =(V+V)/2=(0.080+0.109)/2=0.0945(m3/s)汽塔的平均液相流量 （V+V）/2=(6.844+2.187) /2=1.097(m3/s)氣相平均密度(0.632+0.468)/2=0.55(kg/m3)液相平均密度(698.94+101.21)/2=400.075(kg/m3)3.5.2 理論板數(shù)的計算最少理論板數(shù) （3-10）應(yīng)用吉利蘭關(guān)聯(lián)求理論板數(shù)N （3-11） （3-12）由得： （3-13）先求精餾段最少理論塔板數(shù) 1.241 （3-14） 4.938 （3-15）其中故提餾段理論板數(shù)3.5.

34、3 實際塔板數(shù)的計算查得塔頂溫度，塔底溫度，進(jìn)料溫度。全塔平均溫度在溫度下查液體黏度共線圖的26mPas，mPas又所以(mPas)(mPas)全塔效率 （3-16）其中54.5對于浮閥塔，總板效率相對值在1.1到1.2之間，本設(shè)計取1.1。因此實際塔板數(shù)： 取10塊 取12塊(含塔釜)故實際塔板數(shù) 進(jìn)料板在第11塊。3.6 浮閥塔板工藝尺寸的確定與計算3.6.1 塔高的計算塔高Z=HD+（N-2-S）HT+SHT+HF+H （3-17）已知實際塔板數(shù)為N=22塊，取板間距HT=0.3(m)。由于料液清潔無須經(jīng)常清洗，可取每隔7塊板設(shè)一個人孔，則人孔數(shù)目S=22/7-1=2個。取人孔兩板之間的

35、距離=0.8m，取塔第一塊塔板與上封頭之間的距離為0.8m，上封頭高0.5m，則HD=0.8+0.5=1.3m，塔的最后一塊塔板與下封頭之間的距離為2.0m，從下封頭與裙座之間的距離2.0m，則HW=2.0+2.0=4m，進(jìn)料處板空間高度HF=1.0(m)，所以，全塔高度(帶裙座) Z=1.3+(22-2-2)0.3+20.8+1.0+4=13.3(m) 3.6.2 塔徑D由于液體流量和塔徑都不太大，故選用單溢流弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰，因精餾段和提餾段氣相流量相差不大，為便于制造，取兩端塔徑相等。欲求塔徑應(yīng)先求出空塔氣速u，而u=（安全系數(shù)） （3-18）C可由Smith關(guān)聯(lián)圖查出，橫標(biāo)的數(shù)值

36、為：=0.313 （3-19）表3.4 塔板間距HT與塔徑的經(jīng)驗關(guān)系27塔徑(m)0.3 0.50.5 0.80.8 1.61.6 2.02.0 2.42.4塔板間距HT(m)0.20.30.3 0.350.35 0.450.45 0.60.5 0.80.6由表可知，取板間距HT=0.3(m)，取清液層高度hL =0.06(m)。液滴高沉降高度：HThL0.3-0.060.24(m) 由液汽流動參數(shù)FLV及液滴高沉降高度(HT-hL)，查Smith關(guān)聯(lián)圖28可得液相表面張力20 mN/m時的氣相負(fù)荷因子：C20 =0.035。 圖3.1 Smith關(guān)聯(lián)圖全塔的平均溫度為111.5，在111.5

37、時液體表面張力29：(mN/m)=16.5(mN/m)(mN/m)=56.9(mN/m) 平均液體表面張力經(jīng)計算當(dāng)t=111.5時，=0.40=23.04(mN/m) （3-20）根據(jù)公式校正得： C=C20 ()=0.035()=0.036 （3-21）液泛氣速： =0.036 =0.97(m/s) （3-22）取設(shè)計泛點率為0.6。計算空塔氣速u u=0.6=0.60.97=0.582(m/s) （3-23）氣相通過時塔截面積 A=(m2) （3-24）塔截面積為氣相流通截面積A與降液管面積之和，取=0.7。由計算塔徑D (m2) （3-25） D=(m) （3-26）按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整為D(

38、外徑)=0.5m，壁厚取0.10m。實際塔截面積 (m2)實際氣相流通面積 A=(m2)實際空塔氣速u=(m/s) （3-27）3.6.3 降液管及溢流堰尺寸1.降液管尺寸由以上設(shè)計結(jié)果得弓形降液管所占面積1.96-1.78=0.18(m2) （3-28）由 /2.0 （3-29）即 =1-/2.00.5=0.0715(m)選平凹形受液盤，考慮降液管底部阻力和液封，取底隙hb=0.03(m)。2.溢流堰尺寸由以上數(shù)據(jù)確定堰長 =0.35(m) （3-30）堰上方液頭高度=2.84E() （3-31）因為不大，E可近似取為1( 的單位為m3/s)。故 =2.84 =0.0014(m)堰高由選取清

39、液層確定 =-=0.06-0.0014=0.0586(m) （3-32）堰流強(qiáng)度 =11.28（m3/ s） （3-33）降液管底隙液體流速 =0.0032(m/s) （3-34）驗算液體在降液管中停留時間 =49.2 (s) （3-35）故降液管可用。3.6.4 浮閥數(shù)及排列方式（1）.浮閥數(shù)選取型浮閥，重型，閥孔直徑=0.039m，初選閥孔動能因子=10，計算閥孔氣速 =1.35（m/s） （3-36）每層板上的閥孔個數(shù) n=58.7 59(個) （3-37）（2）浮閥排列方式取塔板上液體進(jìn)出口安定區(qū)寬度=50mm，取邊緣區(qū)寬=50mm。 =-(0.05+0.0715)=0.129(m)r

40、=-0.05=0.2(m)有效傳質(zhì)區(qū)面積 （3-38） =20.129=0.813(m2)開孔所占面積(m2)采用等邊三角形錯排方式，其孔心距t用下式計算 t =(m) （3-39）根據(jù)估算提供孔心距進(jìn)行布孔，并按實際可能的情況進(jìn)行調(diào)整來確定浮閥的實際個數(shù)n，t取100mm，則實際安排浮閥個數(shù)n=94個，并重新計算塔板的參數(shù)：閥孔氣速 (m/s) （3-40）動能因子 （3-41）塔板開孔率 （3-42）3.7 塔板流動性能的校核3.7.1 液沫夾帶量校核為控制液沫夾帶量ev過大，應(yīng)使泛點F15(s) 故所夾帶氣體可以釋出。3.7.5 嚴(yán)重液漏校核當(dāng)閥孔的動能因子低于5時將會發(fā)生嚴(yán)重液漏，故液

41、漏點的孔速可取的相應(yīng)孔流氣速 (m/s)穩(wěn)定系數(shù) （3-54）故不會發(fā)生嚴(yán)重液漏。 3.8 塔板負(fù)荷性能圖3.8.1 過量液沫夾帶線已知物系性質(zhì)及塔盤結(jié)構(gòu)尺寸，同時給定泛點率等于時，即可表示出氣液相流量之間的關(guān)系 對于直徑在0.9m以下的塔，則得: 為一次線性方程，由兩點即可確定，當(dāng)時，m3/s，取m3/s時，有m3/s。 由此兩點作過量液沫夾帶線。3.8.2 液相下限線關(guān)系式對于平直堰，其堰上液頭高度必須大于0.006m，取m，即可確定液相流量的下限線取E=1.0，代人，求得(m3/h) 則(m3/s)可見該線為垂直軸的直線，該線記為。3.8.3 嚴(yán)重漏液關(guān)系式因為動能因子時，會發(fā)生嚴(yán)重漏液

42、，故取，計算相應(yīng)氣流量式中， (m3/s)此為以平行軸的直線，為漏液線，也稱之為氣相下限線，該線記為。3.8.4 液相上限線關(guān)系式 為了使降液管中液體所夾帶的氣泡有足夠時間分離出，液體降液管中的停留時間不應(yīng)小于3.5s，取=5s為液體在降液管中停留時間下限，則降液的最大流量為(m3/s)該線為一平行軸的直線，記為。3.8.5 降液管液泛線關(guān)系式 當(dāng)塔降液管內(nèi)泡沫層上升至上一層塔板時，即發(fā)生了降液管液泛。根據(jù)降液管液泛的條件，得以下降液管液泛情況下的關(guān)系： 聯(lián)立解得： （3-55）式中均為的函數(shù)關(guān)系，整理即可獲得表示降液管液泛線的關(guān)系式，其中已確定的各量有HT=0.3m，hW =0.0586m，H=0，=0.5。 取E=1 由得： 由表中數(shù)據(jù)作出降液管的液泛線，并記為。表3.6 的液泛線數(shù)據(jù)0.000870.001083.096001.3270/s 3 2 操作線 B 0.75 A 操作點 0 0.0870.30.60.91.08(1.0x/s) 圖3.2 塔板負(fù)荷性能圖將以上，條線標(biāo)繪在同一直角坐標(biāo)系中，塔板的負(fù)荷性能圖如圖3.2所示。將設(shè)計點標(biāo)繪在圖中，如操作點所示，由原點及操作點做操作線，操作線交嚴(yán)重漏液線于A，液沫夾帶線于B。分別從圖中A、B兩點讀得氣相流量的下限及上限，并求得該塔的操作彈性。操作彈性=/=2.0/