年產(chǎn)噸合成氨銅氨液洗滌與再生工設(shè)計

1、化工原理設(shè)計作業(yè)年產(chǎn)100噸合成氨銅氨液洗滌與再生工段設(shè)計姓名： 班級： 指導(dǎo)教師： 提交日期： 2013年06月26日目 錄1 概述12 工藝原理12.1 醋酸銅氨液的組成12.2 銅液吸收原理22.2.1 銅液吸收CO的反應(yīng)原理和特點22.2.1 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22.3 銅液再生原理33 操作條件44工藝流程圖55 工藝流程說明56 工藝計算6 7銅洗設(shè)備選型118銅洗設(shè)計結(jié)束語與體會12參考文獻121 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

2、作彈性大，長期在中小型合成氨廠占據(jù)主導(dǎo)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 醋酸銅氨液的組成銅洗法的溶液醋酸銅氨溶液是由醋酸銅和氨通過化學(xué)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2.2.1 銅液吸收CO的反應(yīng)原理和特點銅氨液吸收CO是在游離氨存

3、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(xué)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。·C

4、O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。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

5、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(dāng)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(dāng)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

6、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(biāo)）原料氣，氣體中的O2含量為0.1%，它可將 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。

7、2NH3H2O+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(dǎo)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(fù)其吸收能力。再生過程包括以下內(nèi)容：將CO、CO2、H2

8、S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

9、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)CO24NH32NH4Q·生成的金屬銅在高價銅存在下再被氧化成低價銅： CuCu22CuQ·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(dǎo)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

10、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·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(fù)吸收能力，再循環(huán)使用。3 操作條件4（1）溫度 銅液溫度: 812回流塔進口溫度：2538 回流塔出口溫度：4055下加熱器出口溫度：6068 上加熱器出口溫度：7478再生器出口溫度：7478 氨冷器出口溫度：815（2）壓力銅

11、洗操作壓力: 12.015.0 MPa 再生壓力: 0.1060.108 MPa銅塔進出口壓差0.5 MPa 銅泵進口壓力：0.040.12 Mpa（3）成分總銅2.02.5mol/L 總氨8.512.5 mol/L總酸總銅1015%，為2.23.0 mol/L 殘存CO<0.005m3CO/ m3 殘存CO21.5 mol/L 銅比58凈氨塔氨水滴度：由生產(chǎn)科另行下達指標(biāo)（11滴）（4）其他銅洗塔液位控1/22/3再生器液位1/22/34 工藝流程圖5 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1213MPa送至銅氨液洗滌系統(tǒng)。氣體自

12、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COCO210ml/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

13、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4060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7274，然后流入再生器內(nèi)。此時，溫度升到7580。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（7580）。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（515），經(jīng)

14、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7580；而回流塔出口銅氨液溫度較低，約4055。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0.20.25t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

15、加熱下加熱器的管內(nèi)銅液?；亓魉?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：生產(chǎn)1噸氨所需的脫碳氣量：（取脫碳氣量為3000m3/h）三、物料衡算 【精煉氣中CO+CO2&

16、lt;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 ：N2：CO：CO2：O2：CH4+Ar：名稱成分H2N2COCO2O2CH4+Ar合計含量（%）71.1823.533.50.30.141.35100.00體積（m3）2135.40705.900105.009.004.2040.53000kmol95.33031.5134.6880.4020.1881.808133.929kg190.661882.364131.2517.6796.01628.9281256.898(

17、2)銅液對CO的吸收Cu(NH3) 2Ac+CO+NH3=Cu(NH3) 3Ac·CO1 1X nco X=nco=4.688kmol實際銅液的物質(zhì)的量為：cu+=2.04mol/l=2.04kmol/m3(銅液)用于吸收的CO的銅液的體積為：(3)吸收O2所需銅液的量： 4Cu(NH3)2Ac+4NH4Ac+ NH3. H2O +O2=4Cu(NH3) 4Ac2+6H2O4 1Y nO2Y=4 nO2=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：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

18、質(zhì)量為：V總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+ArE644677溶解度系H=E（H2）=644 H=E（N2）=677 H=E（CH4+Ar）= H= 吸收的H2的物質(zhì)的量為：n(H2)=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)=吸收的N2的體積為 V(N2)= n(N2)×22.4=0.0986×22.4=2.

19、209m3吸收的N2的質(zhì)量為 m(N2)= n(N2)×M(N2)×28=2.761kg吸收的CH4+Ar的物質(zhì)的量為：n(CH4+Ar)=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（%）71.1823.533.50.30.141.35100E6.44×

20、1066.77×1063.01×106H8.627×10-68.206×10-61.846×10-5吸收量kmol0.3150.09864.6090.3950.1840.01275.6143吸收的體積m37.0562.209103.258.854.130.284125.779吸收的質(zhì)量kg0.6302.761129.06217.3845.8880.203155.928剩余的量kmol95.01531.41440001.7953128.225剩余的體積m32128.344703.69100040.2162872.251剩余的質(zhì)量kg190.013

21、879.60300028.7251098.341精煉氣中各組分的部分數(shù)據(jù)：名稱成分H2N2COCO2O2CH4+Ar合計含量（%）74.124.50001.4100體積（m3）2128.344703.69100040.2162872.251kmol95.01531.41440001.7953128.225kg190.013879.60300028.7251098.341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4.04732銅液（含溶解的氣體量）4.04887.928合計5988.8985

22、968.112五、消耗定額的計算： 100噸/年 生產(chǎn)能力以生產(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/h7 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=600h=1858013.44填料塔ø25×25×0.6鋼鮑爾環(huán)14.330.0130.11216MnR20MnR30CO2-2表7-2 銅液再生塔的規(guī)格和參數(shù)項

23、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ø1000二段回流填料塔聚丙烯ø50×50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ø2200×942916.4上加熱器設(shè)備規(guī)格傳熱面積/m2ø1000215下加熱器設(shè)備規(guī)格傳熱面積/m2ø1000170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-6BT123W-6BT23W-6BT33W-6BT41介質(zhì)溫度815815315315柱塞直徑mm48485555電機功率kw電機型號30Y225M-637Y250M-645Y280S-655Y280M-6進口口徑mm出口口徑mmø1084ø568ø1084ø568ø1084ø568ø1084ø568流量m3/h681012外形尺寸mm（LWH）294312401310293012401310301512401310301512401310表7-4 銅液水冷器的規(guī)格和參數(shù)項目型式規(guī)格傳熱面積生產(chǎn)能力 圖號水冷器淋灑式排管ø453.5管12排12列120m20.013