氨回收装置精馏塔的设计与研究毕业论文

990t/a氨回收装置精馏塔的设计与研究The Design and Study of 990t/a Ammonia Recover Unit of The Rectifying Column 目 录摘要IAbstractII引言1第1章 合成氨的生产与发展状况21.1 合成氨的概述21.2 合成氨的化学反应21.3 国内合成氨的生产现状及发展21.3.1 水煤浆气化工艺路线21.3.2 常压气化路线31.4 国外合成氨的发展31.5 合成氨生产的发展前景3第2章 合成氨尾气处理氨回收工艺52.1 产品及原料性能52.1.1 氨52.1.2 氢气62.1.3 氮气72.2 氨回收工艺流程8第3章 工艺计算103.1 精馏塔的物料衡算103.2 相对挥发度的计算103.3 平衡线，q线，精馏段操作线，提馏段操作线方程的确定113.4 塔的工艺条件及相关物性数据计算123.4.1 物性数据123.4.2 精馏段工艺条件123.4.3 提溜段工艺条件123.5 塔板数的计算133.5.1 塔板设计选用数据133.5.2 理论板数的计算133.5.3 实际塔板数的计算143.6 浮阀塔板工艺尺寸的确定与计算153.6.1 塔高的计算153.6.2 塔径D153.6.3 降液管及溢流堰尺寸173.6.4 浮阀数及排列方式183.7 塔板流动性能的校核203.7.1 液沫夹带量校核203.7.2 塔板阻力计算203.7.3 降液管液泛校核213.7.4 液体在降液管内停留时间校核223.7.5 严重液漏校核223.8 塔板负荷性能图223.8.1 过量液沫夹带线223.8.2 液相下限线关系式223.8.3 严重漏液关系式233.8.4 液相上限线关系式233.8.5 降液管液泛线关系式233.9 热量衡算253.9 1 塔顶冷凝器的热量衡算253.9.2 塔底再沸器的热量衡算253.10 浮阀塔工艺设计计算结果汇总26结论28致谢29参考文献30附件132附件233年产990吨氨回收装置精馏塔的设计与研究摘要: 氨是基本化工产品之一，用途很广。氨回收装置是为了适应氨合成工序的工艺需要，回收利用有效成分，实现零排放等要求特设的配套装置。因此，本文设计主要以年产990吨氨为精馏塔的生产目标，对精馏塔进行物料衡算，热量衡算，然后根据物料平衡对氨回收精馏塔进料量、塔顶、塔底出料量进行物料衡算，对氨回收精馏塔的塔高理论上进行了尺寸计算及选择，并且对精馏塔进行了校核。根据热力学定律，对某些设备进行热量衡算，对设备理论上进行了计算及选择，使设备满足设计要求，达到所需要的工艺条件。进料组成：17%；塔底产品组成0.2%；塔顶产品组成99%。操作条件：年工作330天，每天24小时，总工作时间为24330=7920小时。 关键词：氨回收 物料衡算 热量衡算 工艺设计The Design 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 for 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 column, 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, make 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 designII引 言氨（Ammonia，旧称阿莫尼亚）是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥，除氨水外，诸如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥都是以氨为原料生产的。氨是基本化工产品之一，用途很广。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平1。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料，还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨2。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料3。回收氨有双重意义，首先可将氨制成化肥，其次从净化的观点出发，防止以氨为媒介的腐蚀性介质造成设备的严重腐蚀。氨回收装置是为了适应氨合成工序的工艺需要，回收利用有效成分，实现零排放等要求特设的配套装置。第1章 合成氨的生产与发展状况1.1 合成氨的概述合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。别名氨气，分子式为NH3，英文名：synthetic ammonia。世界上的氨除少量从焦炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。合成氨主要用于制造氮肥和复合肥料。氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的124。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。液氨常用作制冷剂。1.2 合成氨的化学反应 德国化学家哈伯(F.Haber，1868-1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成，氨的含量达到6%以上。这是目前工业普遍采用的直接合成法5。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：N2+3H22NH3(该反应为可逆反应,等号上反应条件为:“高温 高压”,下为:“催化剂”)合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成6，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。1.3 国内合成氨的生产现状及发展我国合成氨工业的发展情况，解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展7。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一8。近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备9。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。我国油、气资源少，煤炭资源丰富，随着科技的进步以煤为原料的氨厂仍有发展前景。提出了煤基合成氨工艺的选择原则，以煤为原料制氨的总体流程选择,大体上可分为水煤浆气化工艺路线及常压气化路线10。 1.3.1 水煤浆气化工艺路线美国德士古水煤浆气化技术是较完善的煤气化技术，其气化温度高达13501450 ，气化压力从3. 92MPa 到 6. 37MPa 。该流程特点是以煤（主要用烟煤）为原料，制成水煤浆，配置大型空分装置，其氧气供气化，氮气在氮洗配入合成气之中，气化后饱含水的合成气先进入变换（耐硫催化剂）使CO与 H2O反应为 H2和CO2。经甲醇洗（Rectisol ）脱除CO2和 H2S，再经液氮洗脱除微量CO、CO2及其它杂质，配以N2制成纯净的净化合成气去氨合成工序。1.3.2 常压气化路线常压气化一般以无烟块煤或焦炭为原料，用空气或富氧空气气化，经常压脱硫、低压段压缩、变换脱 CO2、净化、高压段压缩去氨合成。1.4 国外合成氨的发展近几年来，世界合成氨工业的技术进展主要有以下几方面：英国ICI公司采用LCA工艺流程，在英国的SevernsNe氨厂建了两套并列的产量各为450吨天，但只有一套公用工程系统的合成氨装置11 。美国凯洛格公司对氨厂的某些工艺单元及设备的传统构型进行了改革，开发出了合成氨生产的4种新技术，即用于氨合成回路的KAAP工艺，用于工艺气转化换热的KRES系统，以计算机为基础的氨厂节能降耗动态控指KDAC技术和公用工程蒸汽系统的冷凝液汽提KICS技术12。由于生态和环保的原因，今后发达国家化肥用量将减少，世界合成氨生产能力将缓慢增长。1.5 合成氨生产的发展前景目前，化学模拟生物固氮的重要研究课题之一，是固氮酶活性中心结构的研究13。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成。铁蛋白主要起着电子传递输送的作用，而含二个钼原子和二三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N2或其他反应物（底物）分子，并进行反应的活性中心所在之处。关于活性中心的结构有多种看法，目前尚无定论。从各种底物结合物活化和还原加氢试验来看，含双钼核的活性中心较为合理14。我国有两个研究组于19731974年间，不约而同地提出了含钼铁的三核、四核活性中心模型，能较好地解释固氮酶的一系列性能，但其结构细节还有待根据新的实验结果精确化15。国际上有关的研究成果认为，温和条件下的固氮作用一般包含以下三个环节：(1)络合过程。它是用某些过渡金属的有机络合物去络合N2，使它的化学键削弱；(2)还原过程。它是用化学还原剂或其他还原方法输送电子给被络合的N2，来拆开N2中的NN键；(3)加氢过程。它是提供H+来和负价的N结合，生成NH3。目前，化学模拟生物固氮工作的一个主要困难是，N2络合了但基本上没有活化，或络合活化了，但活化得很不够。所以，稳定的双氮基络合物一般在温和条件下通过化学还原剂的作用只能析出N2，从不稳定的双氮络合物还原制出的NH3的量相当微少。因此迫切需要从理论上深入分析，以便找出突破的途径。固氮酶的生物化学和化学模拟工作已取得一定的进展，这必将有力地推动络合催化的研究，特别是对寻找催化效率高的合成氨催化剂，将是一个有力的促进。虽然使用“无机”氮的生物农业将会有所发展，但是，在以后的1520年内，生物技术(如固定氮工艺)还不可能取代合成氨作为化学肥料的主要来源16。现今所有的合成氨消费中，只有13是用在化学和工业应用上，其他87都用于生产化肥17。因此，氮肥的供应还得继续依靠合成氨的生产。第2章 合成氨尾气处理氨回收工艺2.1 产品及原料性能2.1.1 氨(1)生产规模本装置以稀氨水为原料，通过蒸氨精馏塔提炼出纯度较高的液氨。生产规模：年产990吨氨的氨回收精馏塔。(2)氨产品化学名称：氨气分子式：NH3分子量：17.031 (3)物理性质18：氨气在标准状况下的密度为：0.771g/L临界点 133，11.3atm蒸汽压 506.62kPa(4.7)熔点 -77.7沸点101.325kPa(1atm) -33.5溶解性： 极易溶于水(1:700)临界温度 405.65K，-132.5（4）化学性质18：a.跟水反应氨在水中的反应可表示为：NH3+H2O=NH3H2O氨水在中学化学实验中三应用：用蘸有浓氨水的玻璃棒检验HCl等气体的存在。实验室用它与铝盐溶液反应制氢氧化铝。配制银氨溶液检验有机物分子中醛基的存在。b.跟酸反应NH3+HNO3 = NH4NO3NH3+CO2+H2O=NH4HCO3反应实质是氨分子中氮原子的孤对电子跟溶液里具有空轨道的氢离子通过配位键而结合成离子晶体。若在水溶液中反应，离子方程式为：8NH3+3Cl2 = N2+6NH4Cl(黄绿色褪去，产生白烟)反应实质：2NH3+3Cl2 = N2+6HClNH3+HCl = NH4Cl总反应式：8NH3+3Cl2 = N2+6NH4Clc.在纯氧中燃烧4NH3+3O2=2N2+6H2O4NH3+5O2=4NO+6H2O（氨气的催化氧化）d.与碳的反应NH3+C=HCN+H2(剧毒氰化氢)e.取代反应取代反应的一种形式是氨分子中的氢被其他原子或基团所取代，生成一系列氨的衍生物。另一种形式是氨以它的氨基或亚氨基取代其他化合物中的原子或基团，例如；COCl2+4NH3= CO(NH2)2+2NH4ClHgCl2+2NH3=Hg(NH2) Cl +NH4Cl这种反应与水解反应相类似，实际上是氨参与的复分解反应，故称为氨解反应。2.1.2 氢气氢气是无色并且密度比空气小的气体（在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1升氢气的质量是0.0899克，相同体积比空气轻得多）。因为氢气难溶于水，所以可以用排水集气法收集氢气。另外，在101千帕压强下，温度-252.87时，氢气可转变成无色的液体；-259.1时，变成雪状固体。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时（如点燃、加热、使用催化剂等），情况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性（特别是被钯吸附）。金属钯对氢气的吸附作用最强。当空气中的体积分数为4%-75%时，遇到火源，可引起爆炸。 (1)物理性质19：无色无味的气体，标准状况下密度是0.09克/升(最轻的气体)，难溶于水。在-252，变成无色液体，-259时变为雪花状固体。分子式： H2沸点： -252.77（20.38K)熔点：-259.2密度：0.09 kg/m3相对分子质量：2.016液体密度（平衡状态，-252.8）：169kg/m3气体密度（101.325kPa，0）：0.0899kg/m3重氢在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体，是普通氢的一种稳定同位素。它在通常水的氢中含0.0139%0.0157%。其化学性质与普通氢完全相同，但质量大些，反应速度小一些。 (2) 化学性质19：氢气常温下性质稳定，在点燃或加热的条件下能多跟许多物质发生化学反应。可燃性(可在氧气中或氯气中燃烧)2H2+O2=2H2O（化合反应）(点燃不纯的氢气要发生爆炸,点燃氢气前必须验纯)H2+Cl2 =2HCl（化合反应）还原性(使某些金属氧化物还原)H2+CuO=Cu+H2O（置换反应）2.1.3 氮气（1）物理性质：氮在常况下是一种无色无味的气体，且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%（体积分数），在标准情况下的气体密度是1.25g/L，氮气难溶于水，在常温常压下，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。氮气是难液化的气体，氮气在极低温下会液化成无色液体，进一步降低温度时，更会形成白色晶状固体。在生产中，通常采用黑色钢瓶盛放氮气。其他物理性如下20：化学式 N2 相对分子质量 28.013 熔点 63.15K，-210英文名称 Nitrogen沸点，101.325kPa（1atm）时 77.35K，-195.8临界温度 126.1K，-147.05临界压力 3.4MPa，33.94bar，33.5atm临界体积 90.1cm3/mol临界密度 0.3109g/cm3（2）化学性质20：由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图也可以看出，除了NH4+离子外，氧化数为0的N2分子在图中曲线的最低点，这表明相对于其它氧化数的氮的化合物来讲，N2是热力学稳定状态。氧化数为0到+5之间的各种氮的化合物的值都位于HNO3和N2两点的连线（图中的虚线）的上方，因此，这些化合物在热力学上是不稳定的，容易发生歧化反应。在图中唯一的一个比N2分子值低的是NH4+离子。由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图和N2分子的结构均可以看出，单质N2不活泼，只有在高温高压并有催化剂存在的条件下，氮气可以和氢气反应生成氨。.a.氮化物反应氮化镁与水反应：Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3在放电条件下，氮气才可以和氧气化合生成一氧化氮：N2+O2=2NO一氧化氮与氧气迅速化合，生成二氧化氮2NO+O2=2NO2b.氮和活泼金属反应N2 与金属锂在常温下就可直接反应：6 Li + N2=2 Li3NN2与镁条反应：3Mg+ N2=Mg3 N2 c.氮和非金属反应N2与氢气反应制氨气：N2+3H2=2NH3（可逆）2.2 氨回收工艺流程氨回收精馏塔的生产任务是将中继槽的贮槽气和液氨球罐的贮罐气进行回收做成浓氨水，吸收氨后的尾气并入燃烧气管网，同时负责将氨水中的氨提纯为合格的液氨产品输送至液氨球罐。A、生产工艺流程21由吸收塔的底部出来的氨水（氨回收不开时可直接回到氨水槽）进入溶液换热器的管间与再沸器冷凝液（或精馏塔底部出口残液）进行换热，被预热后的氨水从进料管进入精馏塔的中部。在塔内自上而下与再沸器出来升腾的蒸汽逆流接触，氨水中的氨经过塔板逐渐被提取变成纯度很高的气氨，由精馏塔顶部出来进入塔顶冷凝器管间，气氨被冷凝成液氨回收至塔顶液氨贮槽内，贮槽内的合格液氨一部分由泵送至精馏塔顶回流，以控制塔顶温度。另一部分用泵输送至液氨球罐内。下图就是氨回收系统工艺流程图，其中T1002代表气氨吸收塔，E1002代表换热器，E1003代表水冷器，E1004釜残液冷却器，E10105代表精馏塔塔底再沸器，T1003代表氨回收精馏塔，E1006代表精馏塔塔顶冷凝器，V1003代表液氨储槽，P1001A和P1001B分别代表两个并联的循环泵，P1002代表外送泵，V1002A和V1002B分别代表两个并联的氨水储槽，P1003A和P1003B分别代表两个并联的回流泵。 图2.1 氨回收工艺系统流程图第3章 工艺计算3.1 精馏塔的物料衡算（1）已知条件氨回收精馏塔年产990吨，粗氨水中含氨17,溜出液中氨的质量分数为99，釜残液中氨的质量分数为0.2，氨的摩尔质量MA=17 kg/kmol，水的摩尔质量MB=18 kg/kmol，年工作日以330天计，每天24小时，则：990吨/330天=3吨/天=0.125吨/小时=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分别为原料、塔顶、塔底中的氨的摩尔分数。F、D、W分别原料液及塔顶液、塔底液的摩尔流量，kmol/h。F=D+W （3-1）F xF =D xD+W xW （3-2）D=9.719 kmol/hW=F-D=43.253-9.719=33.534 kmol/h挥发组分回收率=99.2% （3-3）3.2 相对挥发度的计算把氨-水系统视为理想溶液。塔顶及塔底产品的挥发度分别计算结果如下。45时氨和水的饱和蒸汽压分别为1789.8Kpa和9.34Kpa23195时氨和水的饱和蒸汽压分别为18134.6Kpa和1399.7Kpa23所以45、195下平均相对挥发度:=54.53.3 平衡线，q线，精馏段操作线，提馏段操作线方程的确定气液平衡线方程 y= （3-4）q线方程泡点进料，q=1，x=0.224，q线方程即为x=x，所以q线方程为 x=0.224而 Rmin= （3-5） = =6.9510-2取R=1.5Rmin=1.56.9510-2=0.10425精馏段操作线方程精馏段摩尔流量：液相LRD=0.104259.719=1.013(kmol/h)气相V=L+D=（1+R）D=1.104259.719=10.732(kmol/h)精馏段操作线方程： y= （3-6） =提馏段操作线方程提馏段摩尔流量：液相L=L+qF=1.013+143.253=44.266(kmol/h)气相V=V=L+D=10.732kmol/h由于提馏段操作线方程为： y= （3-7）则提馏段操作线方程为： y=3.4 塔的工艺条件及相关物性数据计算3.4.1 物性数据由公式=A+BT+CT2+D3+ET4 其中T单位为K，其中常数为：表3.1 常数列表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 精馏段工艺条件精馏段液体的平均密度 L=x0A+ (1- x)B=704.990.99+100.000.01=698.94(kg/m3)精馏段气体的密度 =(kg/m3) （3-8）精馏段气体的体积流量 VV=(m3/s) （3-9）精馏段液体的体积流量 VL=(m3/s)3.4.3 提溜段工艺条件液相平均摩尔质量：M=0.0117+0.99100.00=17.99(kg/kmol)塔底温度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 塔板数的计算3.5.1 塔板设计选用数据表3.2 塔板设计选用数据摩尔流量（kmol/h）气相液相精馏段10.7321.013提馏段10.73244.266表3.3 塔板设计选用数据体积流量（m3/s）气相液相精馏段0.0806.844提馏段0.1092.187由上述计算可得以下结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)气相平均密度(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 理论板数的计算最少理论板数 （3-10）应用吉利兰关联求理论板数N （3-11） （3-12）由得： （3-13）先求精馏段最少理论塔板数 1.241 （3-14） 4.938 （3-15）其中故提馏段理论板数3.5.3 实际塔板数的计算查得塔顶温度，塔底温度，进料温度。全塔平均温度在温度下查液体黏度共线图的26mPas，mPas又所以(mPas)(mPas)全塔效率 （3-16）其中54.5对于浮阀塔，总板效率相对值在1.1到1.2之间，本设计取1.1。因此实际塔板数： 取10块 取12块(含塔釜)故实际塔板数 进料板在第11块。3.6 浮阀塔板工艺尺寸的确定与计算3.6.1 塔高的计算塔高Z=HD+（N-2-S）HT+SHT+HF+H （3-17）已知实际塔板数为N=22块，取板间距HT=0.3(m)。由于料液清洁无须经常清洗，可取每隔7块板设一个人孔，则人孔数目S=22/7-1=2个。取人孔两板之间的距离=0.8m，取塔第一块塔板与上封头之间的距离为0.8m，上封头高0.5m，则HD=0.8+0.5=1.3m，塔的最后一块塔板与下封头之间的距离为2.0m，从下封头与裙座之间的距离2.0m，则HW=2.0+2.0=4m，进料处板空间高度HF=1.0(m)，所以，全塔高度(带裙座) Z=1.3+(22-2-2)0.3+20.8+1.0+4=13.3(m) 3.6.2 塔径D由于液体流量和塔径都不太大，故选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，因精馏段和提馏段气相流量相差不大，为便于制造，取两端塔径相等。欲求塔径应先求出空塔气速u，而u=（安全系数） （3-18）C可由Smith关联图查出，横标的数值为：=0.313 （3-19）表3.4 塔板间距HT与塔径的经验关系27塔径(m)0.3 0.50.5 0.80.8 1.61.6 2.02.0 2.42.4塔板间距HT(m)0.20.30.3 0.350.35 0.450.45 0.60.5 0.80.6由表可知，取板间距HT=0.3(m)，取清液层高度hL =0.06(m)。液滴高沉降高度：HThL0.3-0.060.24(m) 由液汽流动参数FLV及液滴高沉降高度(HT-hL)，查Smith关联图28可得液相表面张力20 mN/m时的气相负荷因子：C20 =0.035。 图3.1 Smith关联图全塔的平均温度为111.5，在111.5时液体表面张力29：(mN/m)=16.5(mN/m)(mN/m)=56.9(mN/m) 平均液体表面张力经计算当t=111.5时，=0.40=23.04(mN/m) （3-20）根据公式校正得： C=C20 ()=0.035()=0.036 （3-21）液泛气速： =0.036 =0.97(m/s) （3-22）取设计泛点率为0.6。计算空塔气速u u=0.6=0.60.97=0.582(m/s) （3-23）气相通过时塔截面积 A=(m2) （3-24）塔截面积为气相流通截面积A与降液管面积之和，取=0.7。由计算塔径D (m2) （3-25） D=(m) （3-26）按标准塔径圆整为D(外径)=0.5m，壁厚取0.10m。实际塔截面积 (m2)实际气相流通面积 A=(m2)实际空塔气速u=(m/s) （3-27）3.6.3 降液管及溢流堰尺寸1.降液管尺寸由以上设计结果得弓形降液管所占面积1.96-1.78=0.18(m2) （3-28）由 /2.0 （3-29）即 =1-/2.00.5=0.0715(m)选平凹形受液盘，考虑降液管底部阻力和液封，取底隙hb=0.03(m)。2.溢流堰尺寸由以上数据确定堰长 =0.35(m) （3-30）堰上方液头高度=2.84E() （3-31）因为不大，E可近似取为1( 的单位为m3/s)。故 =2.84 =0.0014(m)堰高由选取清液层确定 =-=0.06-0.0014=0.0586(m) （3-32）堰流强度 =11.28（m3/ s） （3-33）降液管底隙液体流速 =0.0032(m/s) （3-34）验算液体在降液管中停留时间 =49.2 (s) （3-35）故降液管可用。3.6.4 浮阀数及排列方式（1）.浮阀数选取型浮阀，重型，阀孔直径=0.039m，初选阀孔动能因子=10，计算阀孔气速 =1.35（m/s） （3-36）每层板上的阀孔个数 n=58.7 59(个) （3-37）（2）浮阀排列方式取塔板上液体进出口安定区宽度=50mm，取边缘区宽=50mm。 =-(0.05+0.0715)=0.129(m)r=-0.05=0.2(m)有效传质区面积 （3-38） =20.129=0.813(m2)开孔所占面积(m2)采用等边三角形错排方式，其孔心距t用下式计算 t =(m) （3-39）根据估算提供孔心距进行布孔，并按实际可能的情况进行调整来确定浮阀的实际个数n，t取100mm，则实际安排浮阀个数n=94个，并重新计算塔板的参数：阀孔气速 (m/s) （3-40）动能因子 （3-41）塔板开孔率 （3-42）3.7 塔板流动性能的校核3.7.1 液沫夹带量校核为控制液沫夹带量ev过大，应使泛点F15(s) 故所夹带气体可以释出。3.7.5 严重液漏校核当阀孔的动能因子低于5时将会发生严重液漏，故液漏点的孔速可取的相应孔流气速 (m/s)稳定系数 （3-54）故不会发生严重液漏。 3.8 塔板负荷性能图3.8.1 过量液沫夹带线已知物系性质及塔盘结构尺寸，同时给定泛点率等于时，即可表示出气液相流量之间的关系 对于直径在0.9m以下的塔，则得: 为一次线性方程，由两点即可确定，当时，m3/s，取m3/s时，有m3/s。 由此两点作过量液沫夹带线。3.8.2 液相下限线关系式对于平直堰，其堰上液头高度必须大于0.006m，取m，即可确定液相流量的下限线取E=1.0，代人，求得(m3/h) 则(m3/s)可见该线为垂直轴的直线，该线记为。3.8.3 严重漏液关系式因为动能因子时，会发生严重漏液，故取，计算相应气流量式中， (m3/s)此为以平行轴的直线，为漏液线，也称之为气相下限线，该线记为。3.8.4 液相上限线关系式 为了使降液管中液体所夹带的气泡有足够时间分离出，液体降液管中的停留时间不应小于3.5s，取=5s为液体在降液管中停留时间下限，则降液的最大流量为(m3/s)该线为一平行轴的直线，记为。3.8.5 降液管液泛线关系式 当塔降液管内泡沫层上升至上一层塔板时，即发生了降液管液泛。根据降液管液泛的条件，得以下降液管液泛情况下的关系： 联立解得： （3-55）式中均为的函数关系，整理即可获得表示降液管液泛线的关系式，其中已确定的各量有HT=0.3m，hW =0.0586m，H=0，=0.5。 取E=1 由得： 由表中数据作出降液管的液泛线，并记为。表3.6 的液泛线数据0.000870.001083.096001.3270/s 3 2 操作线 B 0.75 A 操作点 0 0.0870.30.60.91.08(1.0x/s) 图3.2 塔板负荷性能图将以上，条线标绘在同一直角坐标系中，塔板的负荷性能图如图3.2所示。将设计点标绘在图中，如操作点所示，由原点及操作点做操作线，操作线交严重漏液线于A，液沫夹带线于B。分别从图中A、B两点读得气相流量的下限及上限，并求得该塔的操作弹性。操作弹性=/=2.0/0.757= 2.64 3.9 热量衡算3.9 1 塔顶冷凝器的热量衡算塔顶氨蒸气的摩尔潜化热28(kJ/kmol)塔顶水蒸气的摩尔潜化热28(kJ/kmol)所以塔顶上的摩尔潜化 (kJ/mol) （3-58）冷凝器的热负荷 (kJ/h) （3-59）冷凝介质的消耗量 (kg/h) （3-60）式中 CPC冷凝介质的比热，kJ/（kg）；t1，t2分别为冷凝介质进出冷凝器的温度，。3.9.2 塔底再沸器的热量衡算塔底氨蒸气的摩尔潜化热28 (kJ/kmol)塔底水蒸气的摩尔潜化热28(kJ/kmol)所以塔底上升的摩尔潜化热 (kJ/kmol)再沸器的热负荷 (kJ/h)加热介质的消耗量 (kJ/h) （3-61）rR加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。3.10 浮阀塔工艺设计计算结果汇总表3.7 设计结果汇总序号项目符号单位计算数据(精馏段/提馏段）1平均温度tm111.52气相流量Vm/s0.09453液相流量Lm/s 1.0974实际塔板数N-225有效高度Zm13.36塔径Dm0.57板间距HTm0.38溢流形式（降液管）-单溢流弓形9堰长lm0.3510堰高hwm0.058611板上液层高度hm0.0612堰上液层高度hm0.001413底隙高度hm0.0314安定区宽度 bm0.05015边缘区宽度bm0.05016开孔区面积A m7.1617阀孔直径dm0.03918浮阀数目N-9419孔中心距tm0.10020开孔率%-0.05321空塔气速m/s0.05322阀孔气速m /s0.84223稳定系数K-2.2524停留时间s49.225负荷上限-m3 /s液泛夹带26负荷下限-m3 /s漏液控制27气相负荷上限Vs(max)m3 /s2.028气相负荷下限Vs(min)m3 /s0.75729操作弹性j-2.64结 论由计算可知，990t/a氨回收装置精馏塔符合设计要求，塔径0.5m，塔高13.3m，塔效0.496，理论板层数10.759块，实际塔板数22块。可以解决我国化工行业对环境的污染问题，并回收尾气中的有效资源，实现资源的高效利用，有利于环境的保护和资源的节约。并且精馏塔操作弹性为2.64较为理想，对于精馏塔的负荷性能图，其操作点位于区域中间，不易发生漏液，也不易发生雾沫夹带，其设计结果较好。关于节能型方案的选择，在流程中，加热原料液需水蒸汽作为加热介质，而塔顶出来的蒸汽需冷却水介质，若采用节能型方案，用塔顶蒸汽来加热原料到一定的温度，同时塔顶蒸汽也被部分冷凝，这样即节省了加热介质水蒸汽又节省了冷却水。该设计主要是合成氨的尾气处理中氨的回收工艺设计，其工艺流程图见图纸。30参考文献1 张林茂氨回收系统节能措施与优化操作J化工设计. 2011（1）：47-50.2 江镇海合成氨工艺简介J化工中间体2004，1(7) ：36-32.3 合成氨的工艺J化工文摘2001（2）：28-30.4 饶兴鹤合成氨生产现状及进展J化工生产与技术，2002，9(5)：32-365 李明，李斌国内外尿素合成氨生产技术进展J化工文摘，2004(4)：44-466 罗承先世界合成氨单体中期供需预测J石油化工要闻，2003（5）：7-107 安宏伟，李永华. 合成氨产业的现状及发展建议J西部煤化工. 2012（02）：38-42.8 汪家铭我国合成氨煤制气技术现状及发展前景J河南化工. 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