合成氨工艺设计的毕业论文

1、摘 要 在整个合成氨工艺中，精制工序是非常重要的环节。经CO变换和脱硫脱碳后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2，它们会毒害氨合成催化剂。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制工序。本设计采用了工艺上比较成熟的精制方法铜氨液洗涤法。设计中介绍了铜氨液洗涤法的工艺原理、工艺流程及工艺条件的选择、控制。进行了相关的物料衡算和热量衡算，确定了工艺过程中的消耗定额，并计算了主要设备铜洗塔的塔径、塔高等相关参数。关键词 精制工艺 铜氨液 吸收 CO CO2 The Design of the Refining Section in the Production of the 1

2、20 thousand tons Synthetic Ammonia per yearZhang Chao Directed by Lecture Liang Yanan Abstract Refining section is one of the absolutely necessary sections in the synthetic Ammonia. The raw gas after CO conversion and desulfurization, decarburization still contains a small amount of residual CO and

3、CO2. They will poison the ammonia synthesis catalyst. Therefore, the raw gas before entering the synthesis process, must be purified finally, what is called refining process. This design uses a mature refining process which is copper ammonia solution. In the design, describing copper ammonia solutio

4、ns process principles, process and selection of process conditions, control. Working out what related to material balance and heat balance, determining consumption fixing of the process, and calculating the main equipment-copper scrubber towers diameter, the towers higher and other parameters.Key wo

5、rds Refining process Copper ammonia solution absorption CO CO2 目 录摘 要I外文页II1 前言12 背景介绍12.1 合成氨的历史12.2 合成氨的现状12.3 合成氨发展前景13 合成氨的概述23.1 氨的性质23.2 合成氨的生产工艺及主要方法24 合成氨精制工段方法的选择34.1 原料气精制的主要方法34.2 本设计采用的精制方法44.3 铜洗和再生工艺流程简图85 工艺计算85.1 概述85.2 物料衡算95.3 能量衡算166 主要设备的计算226.1 铜洗塔的结构设计226.2 铜洗塔设备计算小结277 设备布置和成本

6、估算277.1 设备的布置原则277.2 本工段设计设备布置规划277.3 成本估算288 安全措施与环境保护288.1 安全生产的特点及重要性288.2 环境保护299 结论2910 附：带控制点的工艺流程图和铜洗塔设备装配图29参考文献：29致 谢29年产10万吨合成氨精制工段工艺设计1 前言氨是重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位；同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于氨的合成。氨主要用于农业，合成氨是氨肥工业的基础，氨本身也是重要的氨素肥料，其他氨素肥料也大多是合成氨、再加工成尿素或各种氨盐肥料，这部分约占70%，称之为“化肥氨”；同时氨也是重要的无机化学和

7、有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30%的比例，称之为“工业氨”。2 背景介绍2.1 合成氨的历史过去制氢是在水煤气发生炉中加水蒸汽使其焦炭气化，氮则以空气形式通入，使氢氮维持正确比例。在本法中吹入蒸汽通过灼热焦炭层生成氢。当焦炭因吸热反应被充分冷却时，即停止通蒸汽而改通空气。通空气燃烧将焦炭层温度升高到下一次水煤气循环所需要的温度。水煤气的净化过程是采用变换，水洗和铜洗微量。直到二次大战末,在欧洲和美国均采用此种造气和净化法。上个世纪三十年代中期，已发展了用烃的催化剂和非催化转化法制氢。而催化转化法完全以法本公司的镍催化剂为基础。是将

8、蒸汽和烃的混合物在730-1000下，在一段转化炉中进行转化，催化剂装在外部加热的管内。在二段转化炉中，氮是以空气形式或富氧空气形式一起导入，这时，烃的残余组份同时转化。经还原的一种镍催化剂可在第一段及第二段车钊七炉中使用。蒸汽转化工艺过程适于转化从天然气到轻油范围内的烃类。烃的非催化裂解是在有外壳的反应器内进行，这时烃与氧在不同压力下气化。以后是净化氢和混合物的工艺过程，脱硫只能在裂解后进行。净化了的气体与氮一起混合而导入合成系统1-5。2.2 合成氨的现状德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的，也被称作直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转

9、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目前中国主要是以煤为主，油气并存的局面。2.3 合成氨发展前景原料路线的变化方向。从世界燃料储量来看，煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后，从煤制氨路线重新受到重视，但是因为以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故，到20世纪末，世界大多数合成氨厂仍以气体燃料为主要原料。节能和降耗。合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、降低氨合

10、成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。现在已提出以天然气为原料的节能型合成氨新流程多种，每吨液氨的设计能耗可降低到约29.3GJ。与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。中国开发的用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺，以及中国、意大利等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺，都有明显的优点6。3 合成氨的概述3.1 氨的性质 氨的物理性质氨气的主要物理性质见下表表3-1 氨气的主要物理性质中文名

11、氨气英文名ammonia分子式NH3相对分子量17.03沸点（）330.0饱和蒸气压（kPa）0.13（145.8）熔点（）10.5相对密度（水=1）0.82燃烧性助燃溶解度89.9 g/100 mL溶解性极易溶于水危险特性腐蚀性爆炸极限15.8%-28%偶极距1.42D外观及性状通常情况下是有刺激性气味的无色气体主要用途做制冷剂及制作化肥 氨的化学性质NH3遇HCl气体或浓盐酸有白烟产生，可与氯气反应。(1)氨水（混称氢氧化铵，NH4OH）可腐蚀许多金属，一般若用铁桶装氨水，铁桶应内涂沥青。(2)氨的催化氧化是放热反应，产物是NO，是工业制硝酸的重要反应，NH3也可以被氧化成N27-8。3.

12、2 合成氨的生产工艺及主要方法 原料气的制备将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。 净化对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。.1 一氧化碳变换过程在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下：CO+H2OH2+CO2由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，

13、并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是制造原料气的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。.2 脱硫脱碳过程各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法

14、(Selexol)等。粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。.3 气体精制过程目前在工业生产中，净化方法主要分为深冷分离法和甲烷化法9。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-1

15、00)条件下用液氮吸收分离少量CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合10。甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。甲烷化反应如下：CO+3H2CH4+H2O H=-206.2kJ/molCO2+4H2CH4+2H2O H=-165.1kJ/mol 氨的合成将纯

16、净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨10。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下11：N2+3H22NH3(g)=-92.4kJ/mol4 合成氨精制工段方法的选择4.1 原料气精制的主要方法原料气经一氧化碳变换和二氧化碳脱除后，尚含有少量一氧化碳和二氧化碳，在送往氨合成系统前，为使它们总的含量少于10ppm，必须进一步加以脱除。脱除少量一氧化碳和二氧化碳有三种方法； 铜氨液吸收法 铜氨液吸收法是最早采用的方法，在高

17、压、低温下用铜盐的氨溶液吸收一氧化碳并生成络合物，然后将溶液在减压和加热条件下再生，由于吸收溶液中有游离氨，故可同时将气体中的二氧化碳脱除： 液氮洗涤法液氮洗涤法是利用液态氮能溶解一氧化碳、甲烷等的物理性质，在深度冷冻的温度条件下把原料气中残留的少量一氧化碳和甲烷等彻底除去，该法适用于设有空气分离装置的重质油、煤加压部分氧分法制原料气的净化流程，也可用于焦炉气分离制氢的流程。 甲烷化法甲烷化法是60年代开发的方法，在镍催化剂存在下使一氧化碳和二氧化碳加氢生成甲烷： 由于甲烷化反应为强放热反应，而镍催化剂不能承受很大的温升，因此，对气体中一氧化碳和二氧化碳含量有限制。该法流程简单，可将原料气中碳

18、的氧化物脱除到10ppm以下，以天然气为原料的新建氨厂，大多采用此法。但甲烷化反应中需消耗氢气，且生成对合成氨无用的惰性组分甲烷。4.2 本设计采用的精制方法由于铜洗法技术成熟，便于操作，为国内中小合成氨厂得主要操作方法，同时考虑到年产量12万吨得要求，本设计采用铜洗法对原料气进行进一步精制。 铜液的吸收原理.1 铜液的组成及配制铜氨液就是乙酸(醋酸)铜氨液，是由乙酸、铜、氨和水通过化学反应后配制成的一种溶液，铜液的主要成分是乙酸亚铜络二氨Cu(NH3)2Ac，乙酸铜络四氨Cu(NH3)4Ac2，乙酸按NH4Ac和未反应的游离氨。由于吸收了空气和原料气中的CO2，溶液中还含有碳酸氢铵NH4HC

19、O3和碳酸铵(NH4)2CO3等成分。其中乙酸亚铜络二氨和游离氨是吸收CO的主要成分。铜在铜液中分别以低价铜离子(以Cu+表示)和高价铜离子(以Cu2+表示)两种形态存在。两者浓度之比(Cu+/Cu2+)称为铜比，两者浓度之和(Cu+、Cu2+)叫做总铜(以Tcu表示)。高价铜离子为蓝色，无吸收CO的能力；低价铜离子是无色的，具有吸收CO的能力。如将铜液置于空气中，则低价铜离子易被空气中的氧气氧化为高价铜离子。由于铜液同时存在着Cu+和Cu2+，所以铜液为蓝色，铜液中铜离子或其他组分的浓度，通常以mol/L表示。氨在溶液中以三种形态存在：一是络合氨，如Cu(NH3)2+，Cu(NH3)42+；

20、二是固定氨，呈NH4+形态，如NH4Ac、NH4HCO3和(NH4)2CO3等；三是游离氨，为物理溶解状态的氨。这三种氨浓度之和称为总氨。由于铜液中有游离氨，所以据偶吸收CO2和H2S的能力。铜氨液常用的配制方法是用氨水、硫酸铜加消石灰和碳酸氢氨。原料用量比例如下：(1) 硫酸铜0.5千克氨水10千克将硫酸铜研碎溶于氨水即可。(2) 硫酸铜0.5千克消石灰1千克碳酸氢氨3.8千克将硫酸铜研碎与碳酸氢氨充分混匀，然后迅速与消石灰充分混匀后，立即用塑料袋装好，或放入瓦瓶或瓦罐内密闭24小时，使其充分反应。使用时加水稀释，加水量以硫酸铜计算为12001500倍，即用0.5千克硫酸铜配成的铜氨液原液或

21、粉剂可加水600750千克。粉剂加水稀释后沿有不少残渣，不能溶解，可弃去。.2 铜液的物理化学性质常用的铜液相对密度约为1.151.25，凝滞点约为-12，冰点在-25左右，比热容约为3.768kL/(kgK)，铜液的年度较大，且随着的温度的降低而迅速增大。铜液呈碱性，pH值一般为910，并且有腐蚀性，特别对人的眼睛有强烈的伤害作用，操作时应严加防护。 铜液成分的选择.1 总铜与铜比在铜比一定时，若铜液中总铜含量增加，低价铜和高价铜均增加。高价铜在一定的条件下能溶解金属铜，并转化为低价铜离子。低价铜离子增加，能提高铜液吸收CO的能力。所以，总铜含量增加，对吸收有利。但是，总铜含量取决于铜在铜液

22、中的溶解度，而且总铜过高，铜液粘度增大，阻力增加，增加动力消耗，又容易造成带液现象。一般总铜含量控制在2.02.5mol/L之间比较适宜12。在总铜含量不变的情况下，提高铜比，即提高低价铜的含量，可以提高铜液吸收CO能力；但铜比过高，会出现金属铜沉淀：2Cu(NH3)2Ac= Cu(NH3)4Ac+Cu(沉淀)这样不仅使溶液中总铜含量下降，减低吸收能力，还会堵塞设备和管道，影响生产。因此当总铜含量在2.02.5mol/L时，实际生产中铜比应控制在57。.2 氨含量铜液中的氨以游离氨、络合氨和固定氨三种形态存在。溶液中总氨增加，游离氨也增加，吸收CO和CO2能力也增加。如果铜液中游离氨不足时，低

23、价铜络氨盐不稳定，将会发生氧化还原反应，析出金属铜沉淀。另外，还会发生亚铜络盐的分解，生成乙酸亚铜沉淀：Cu(NH3)2Ac=CuAc（沉淀）+2NH3当原料气中CO2含量高而铜液中游离氨含量不足时，会发生碳酸铜沉淀，这样降低了吸收能力，严重时会造成设备的堵塞。但氨含量也不能过高，否则在再生时，氨的损失较大。实际生产中铜液中总氨含量控制在8.512.5mol/L，而铜液中的游离氨则控制在22.5mol/L.2 乙酸含量铜液中的乙酸主要形成Cu(NH3)2Ac和Cu(NH3)4Ac2，使铜液稳定，并参加吸收O2的反应。若铜液中HAc含量不足，就会生成碳酸铜氨盐，同时还会生成CuCO3沉淀，降低吸

24、收能力，影响生产。但HAc含量也不能过高，因粗铜液再生时温度较高，HAc易受热分解造成损失。一般铜液中HAc含量超过总铜含量的10%15%较为合适，为2.23.0mol/L，但有些工厂提高到3.5 mol/L。.3 铜液中残余CO和CO2铜液中的残余CO和CO2对气体净化度影响很大。如果铜液在再生过程中不能将溶液中CO和CO2全部释放出来，则铜液中含量过多，会影响其吸收效果。要求再生后的铜液中CO5mol/L，CO21.5mol/L。 铜洗工艺流程：从压缩机来的原料气，其压力为12.5MPa左右，含CO3.5%、CO20.2%，经油分离器，送入铜洗塔底部，气体在塔内与塔顶喷淋下来的铜液逆流接触

25、，气体中CO、CO2、O2及H2S被铜液吸收。出铜洗塔气体中CO+CO2（总称微量）25mL/m3，经铜液分离器，清除所带铜液残液，回压缩机六段。经一氧化碳变换和二氧化碳脱除后的原料气中尚含有少量的CO和CO2。碳化后的原料气，除H2、N2和CH4外，还含有3%左右的CO、0.1%0.2%的O2和微量的H2S等有害气体，这些气体如不彻底清除，就会使氨合成催化剂中毒。因此，精炼工段的主要任务是将碳化来的原料气，通过化学或物理的方法，清除原料气中的CO、CO2、O2、H2S，制成合格的精炼气（微量CO+CO2 25mL/m3）。企业目前采取的精炼方法为铜氨液洗涤法，铜氨液洗涤法是用含铜盐的氨溶液吸

26、收原料气中少量的CO、可使CO的含量降至10mL/m3以下，同时还能去除原料气中少量的CO2、H2S和O2。.1 气体部分由压缩机加压至12.5MPa的原料气经六段油分分离油水后，进入铜洗塔底部与塔顶喷淋下来的铜液逆流接触，是气体中的一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等被铜液吸收，铜洗后的精炼气，由塔顶导出，进入铜液分离器分离夹带的少量铜液后，回压缩工段。.2 铜液部分产生原理铜液吸收气体中的一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等后，从塔底部流出，经减压阀减压后，送至回流塔底部，喷淋而下于再生器解吸出来的再生气逆流相遇。吸收了再生器中80%左右的氨，并回收大部分热量，铜液温度预热到60左右，铜液由回流塔出来从下

27、加热器的底部进入列管内，被管间的热铜液间接加热，沿升列管向上，进入中间还原器再进入上加热器继续用蒸汽在列管外加热后进入再生器，进过再生后的铜液由再生器下侧出来，进入化铜桶，然后进入下加热器，与回流塔下来的铜液逆流换热后，进入氨反应罐，补充气氨，然后部分进入铜液过滤器滤出铜液中的油垢和沉淀物，再经过氨冷气降温进入铜液缓冲罐，通过铜液泵加压后进入铜洗塔循环使用12。.3 铜液吸收原理铜液对CO的吸收：在有游离氨存在的条件下，Cu(NH3)2Ac和CO作用，生成Cu(NH3)AcCO：Cu(NH3)2Ac + CO + NH3 Cu(NH3)AcCO铜液对CO2吸收：2NH3 + CO2 (NH4)

28、2CO3(NH4)2CO3 + CO2 + H2O 2NH4HCO3 铜液对O2吸收：4Cu(NH3)2Ac + 4NH4Ac + 4NH3H2O + O2 4Cu(NH3)4Ac2 + 6H2O铜液对H2S吸收：2 NH3H2O + H2S (NH4)2S + 2H2O2Cu(NH3)2Ac + 2H2S Cu2S + 2NH4Ac + (NH4)2S 再生部分铜液中有60%左右的一氧化碳、二氧化碳在回流塔中解析出来，与再生器一道，从回流塔上部出来放空或回收，回收时再生气与高位吸氨器打上来的稀氨水混合后送至净氨塔底部下来的脱盐水或稀氨水灾填料层中逆流接触，吸氨后从顶部出进入再生气液分离器分离

29、水份送至脱硫岗位罗茨鼓风机进口。回收的稀氨水通过氨水泵加压进入氨水冷却器、吸氨器、稀氨水槽等循环，达到合格的滴度送到氨回收岗位。.1 铜液再生工艺流程：吸收了原料气中CO等有害物质的铜液温度升到2530，自铜洗塔底部流出，经减压后，依靠本身余压，流到回流塔顶部并向塔内喷洒。在回流塔内与再生器逸出的气体逆流接触，吸收其中大部分氨和热量，温度升至50左右，解析出所吸收的大部分CO和CO2，从回流塔出来的再生气中，含CO约80%，经氨吸收塔回收所带氨后，制成稀氨水送碳化工段使用。纯净的再生气经缓冲罐，去掉水分，回造气罗兹机进口重复使用。铜液从回流塔下侧流出，根据铜液中铜比的高低，铜液进入还原器的下加

30、热器底部或上加热器底部，铜液先在下加热器加热至6068，其中高价铜被还原成低价铜，调节铜比。然后再经上加热器至7275进入再生器。再生器温度控制在78左右，使铜液中的CO、CO2解吸出来。解吸出的气体经回流塔吸收成为再生气回收利用。从再生器下部流出的铜液，根据总铜含量的高低，决定是否先走化铜桶，以提高总铜含量。然后进入水冷器。由于再生过程中氨的损耗，水冷后加入气氨。然后进入氨冷器，继续降温，使铜液的温度降至815，再经铜液过滤器去除杂质，经铜液泵加压后送往铜洗塔循环使用。.2 影响铜液再生的因素1 温度铜液再生的程度主要取决于温度。提高温度有利于解吸反应的进行。但温度过高，CO从溶液中迅速逸出

31、，降低还原作用，同时会使氨和醋酸的消耗增加，并引起副反应的发生，导致铜化合物沉淀。再升温度低，铜液中CO不易解吸，溶液中CO含量增加，影响铜液的吸收能力。兼顾两方面因素，再升温度控制在7678。2 压力再生压力低，对CO和CO2解吸有利；压力高，CO不易解吸，并增加对铜液中高价铜的还原作用，是同比升高。但再生压力过低，会使CO过早解吸，对高价铜的还原能力减弱，铜比不易升高，反而降低铜液的吸收能力。减压下真空再生，流程和操作都比较复杂，因此多用常压再生，以能克服管道和设备阻力达到回收系统为准。再生压力一般控制在38kPa。3 再生时间再生时间愈长，对CO和CO2解吸愈完全，再生后铜液的吸收能力愈

32、强。再生时间可由再生器的液位来控制，一般控制在1/31/2高度，停留时间3040min。4 氨的加入量再生过程中加氨是为了补充是有过程中氨的损耗，以维持其总氨含量在指标范围内。若补充的氨量过多，在再生时蒸发的氨也多，则再生气中氨的分压增大，CO分压相应降低，使铜液中的CO易于解吸，削弱了对铜液的还原作用。若加氨量不足，会使铜液的吸收能力减弱。因此，适宜的加氨量对稳定再生和解吸系统的操作是十分重要的。5 空气的加入量当高价铜还原过度，铜比过高时，可加入空气使部分低价铜氧化为高价铜，降低铜比。但空气中氮约占79%，由于空气的加入，使再生气中CO含量降低，减少了回收价值，并相应提高再生压力。因此，操

33、作中应尽量少用加空气的办法来调节铜比。 铜液工艺岗位工艺指标.1 压力（MPa）减压后蒸汽压力：0.1-0.4 MPa 空压机出口压力：0.4 MPa再生压力：200-700mm水柱 酮塔压力：12.5MPa.2 温度（）回流塔进口温度：25-38 回流塔出口温度：40-55下加热器出口温度：60-68 上加热器出口温度：74-78再生器出口温度：74-78 氨冷器出口温度:8-15电机温升: 65.3 成分精炼气微量CO+CO225ppm再生后铜液：TCU2：2.22.5mol/L TNH3 ：9mol/L； HAC：2.32.7mol/L 残余CO2 2.0 mol/L ； 铜比58净氨塔

34、氨水滴度：由生产科另行下达指标（11滴）.4 其他铜塔液位：料位计3070% 净氨塔液位：1/34/5处 电机电流：额定电流 分析结果：1次/小时过滤器、缓冲罐排气、油分排油：1次/2小时铜分排放、铜塔液位计检查：1次/半小时4.3 铜洗和再生工艺流程简图净化气铜洗塔铜液分离器回流塔铜液泵过滤器再生器化铜桶水冷器还原器氨冷器精炼气贫液富液再生气气氨5 工艺计算5.1 概述生产能力 12万吨/年生产制度 330天/年（24小时工作制）生产能力：生产1吨氨所需的脱碳气量：（取脱碳气量为3000m3/h）5.2 物料衡算 【精炼气中CO+CO225mL/m3，铜洗塔温度为35，压力为12.767MP

35、a。】 吸收率为70% 铜洗部分计算基准1吨氨.1 原料气的组成和数量H2 ：N2：CO：CO2：O2：CH4+Ar：名称成分H2N2COCO2O2CH4+Ar合计含量（%）72.0623.582.590.270.141.36100.00体积（m3）2161.80707.477.708.14.2040.83000kmol96.50931.5803.4690.3620.1881.821133.929kg193.018884.24097.1315.9116.01629.1361225.451.2 铜液用量的计算(1) 铜液对CO的吸收Cu(NH3) 2Ac+CO+NH3=Cu(NH3) 3AcCO

36、1 1X nco X=nco=3.469kmol实际铜液的物质的量为：Cu+=2.04mol/l=2.04kmol/m3(铜液)用于吸收的CO的铜液的体积为：(2) 铜液对O2的吸收 4Cu(NH3)2Ac+4NH4Ac+ NH3.H2O +O2=4Cu(NH3) 4Ac2+6H2O4 1Y nO2Y=4 nO2=实际铜液的物质的量为：4 n/0.7=1.074kmol用于吸收O2的铜液的体积为：(3) 铜液的总体积为：2.429+0.526=2.955m3取铜液的总体积为3.0 m3铜液的总质量为：V总.3 气体计算【CO， CO2， O2 全部溶解】部分气体的亨利系数表：物质H2N2CH4

37、+ArE6.446.77溶解度系H=E（H2）=6.44 H=E（N2）=6.77 H=E（CH4+Ar）= H= 吸收的H2的物质的量为：n(H2)=吸收的H2的体积为 V= n22.4=0.23922.4=5.354m3吸收的H2的质量为 m= nM=0.2392=0.478kg吸收的N2的物质的量为n(N2)=吸收的N2的体积为 V= n22.4=0.074122.4=1.660m3吸收的N2的质量为 m= nM=0.0.74128=2.075kg吸收的CH4+Ar的物质的量为：n=吸收的CH4+Ar的体积为 V(CH4+Ar)= n(CH4+Ar)22.4=0.0096322.4=0.

38、216 m3吸收的CH4+Ar的质量为m(CH4+Ar)= n(CH4+Ar)M(CH4+Ar)=0.012716=0.154kg脱碳气中各组分的部分数据：名称成分H2N2COCO2O2CH4+Ar合计含量（%）72.0623.582.590.270.141.36100吸收量kmol0.2390.07413.4690.3620.1880.009634.342吸收的体积m35.3541.66077.708.14.20.21697.23吸收的质量kg0.4782.075131.2515.9116.0160.154155.884剩余的量kmol96.27031.50590001.8114129.58

39、7剩余的体积m32156.446705.74000040.5842902.77剩余的质量kg192.54882.16500028.9821103.687精炼气中各组分的部分数据：名称成分H2N2COCO2O2CH4+Ar合计含量（%）74.324.30001.4100体积（m3）2156.446705.74000040.5842902.77kmol96.27031.50590001.8114129.587kg192.54882.16500028.9821103.687.4 铜洗塔中的物料衡算进料出料物质体积（m3）质量（kg）物质体积（m3）质量（kg）原料气30001225.451精炼气29

40、02.771103.687铜液3.03549铜液（含溶解的气体量）3.03704.844合计4774.4514808.571 铜液再生部分 .1 已知条件回流塔压力（Pa）5883.99再生器压力（Pa）6864.66下加热器铜液出口温度（0C）64上加热器铜液出口温度（0C）78再生器铜液出口温度（0C）78水冷器铜液出口温度（0C）38氨冷器铜液出口温度（0C）10.2 回流塔物料衡算表5-2 再生气量的含量成分H2N2COCO2O2CH4+Ar小计NH3H2O含量（m）5.3541.66077.708.14.20.21697.23XYNH3 、H2O的气体由再生器出来，在回流塔中是不等问

41、吸收，计算比较复杂，为计算简化起见，该气量用其平衡分压（35）时求得，计算结果为近似值。根据安托宁公式：式中A，B，C为常数，t为摄氏温度查资料得氨的常数为：A=1850，B=7.896，C=273 水的常数为A=2150，B=8.47，C=273P(NH3)=77.536mmHg=10337.15PaP(H2O)=30.867mmHg=4115.26Pa实际吸收平衡的80%，气相中氨和水蒸气分压分别为：气相中氨和水蒸气的含量分别为:成分H2N2COCO2O2CH4+ArNH3H2O合计体积（m3）5.3541.66077.708.14.20.21614.2425.67117.142%4.57

42、11.41766.336.9153.5850.18412.1584.840100原氨干基%5.5071.70779.918.334.320.222100每生产1吨氨，需向铜液补充氨量为：每生产1吨氨，需向铜液补充水量为：铜液减压后在回流塔的解吸气量计算因H2、N2、Ar、CH4、CO在低压下铜液中溶解度极低，设其进回流塔后解吸50%，各组分的解吸量为：H2 5.35450%=2.677m（标）N2 1.66050%=0.830m（标）O2 4.250%=2.1 m（标）CH4+Ar 0.21650%=0.108m（标）CO 77.7050%=38.85m（标）所以，共解吸气量的体积为：44.5

43、65 m（标）解吸气的物质的量为：解吸气的平均相对分子质量为:解吸气的质量为：m=nM=1.99024.41=48.576kg铜洗塔来的冷铜液在回流塔中，一方面被预热，另一方面吸收有再生器来的H2O、NH3、和CO2，故不会有这三种气体从铜液中解吸。从再生器进入回流塔的气量：H2=2.677m（标）N2=0.830m（标）O2 4.2-2.1=2.1 m（标）CH4=0.108m（标）=38.85小计 44.565 m（标）H2O、NH3、和CO2的气量计算：由式 P(NH3)=421.697mmHg=56221.66Pa由式 P(H2O)=221.309mmHg=29505.45Pa由式 P

44、(CO2)=227.510mmHg=30332.18Pa因为式所采用铜液含CO2量为2.2176mol/L本计算才赢铜液含CO2量为0.96mol/L。所以 近似取CO2的平衡分压为：30332.180.5=15166.09Pa取实际分压为平衡分压的90%，各组分实际分压为：NH3 56221.660.9=50599.49PaCO2 15166.090.9=13649.48 PaH2O 29505.450.9= 26554.91Pa再生器压力 6864.66 PaH2O、NH3、和CO2各组分的解吸气量为：再生气进入回流塔的气体气量：成分H2N2COCO2O2CH4+ArNH3H2O合计体积（

45、m3）2.6770.8338.8536.9682.10.108137.0671.929290.522含量%0.920.28613.37212.7250.7230.03747.17724.759100计算得：m=287.409kg铜液在回流塔中吸收CO2、NH3、和H2O的气量NH3 137.06-14.242=122.818mCO2 36.968-8.1=31.868mH2O 71.929-5.67=66.259m合计 220.945 m m=209.05kg 回流塔物料衡算结果：进料出料物质体积（m3）质量kg物质体积（m3）质量kg解吸阀来的解吸气24.4148.576再生气117.142

46、137.22铜液量3656.308铜液量3865.358再生器来的解吸气290.522287.409合计3992.2934002.578结论：忽略计算误差，回流塔总物料平衡。.3 加热器和再生器物料衡算进料出料物质体积（m3）质量kg物质体积（m3）质量kg进再生器的铜液量3865.385出再生器的铜液量3533.635出再生器的解吸气量290.522287.409合计3865.3853821.044其中，出再生器铜液量计算如下：出再生器铜液量=进铜洗塔铜液量-补充水量=3549-10.809-4.566=3533.635kg结论：忽略计算误差，上加热器和再生器的总物料平衡.4 水冷器和氨冷器

47、物料衡算水冷器的物料衡算进料出料物质体积（m3）质量kg物质体积（m3）质量kg铜液量3533.635铜液量3544.444补充氨量10.809合计3544.4443544.444氨冷器的物料衡算进料出料物质体积（m3）质量kg物质体积（m3）质量kg铜液量3544.444铜液量3549补充水量4.566合计35493549结论：结果证明，水冷器和氨冷器总物料平衡。5.3 能量衡算 铜洗部分.1 入热Q入 铜液带入热： Q1=mcT=35493.20010=113568kJ式中 3.200铜液在10时平均比热容，kJ/(kg)。气体带入热：Q2=nCpT=300022.429.5835=138

48、656.25kJ式中 29.58气体在35时的恒压平均热熔，kJ/（kmol）。吸收热： Q3= = =208349.58kJ式中 52754CO吸收热kJ/kmol。 70129CO2吸收热kJ/kmol。Q入= Q1+ Q2+ Q3=113568+138656.25+208349.58=460573.83KJ.2 出热Q出铜液带出热：铜液出塔温度为26.3 Q4=mcT=3704.8443.195T=11837.104TkJ=311315.84kJ式中 3.195铜液在26.5时平均比热容，kJ/(kg)。气体带出热：令气体出塔温度为14.1 Q5= nCpT=2902.7722.481.

49、6814.1=149244.88kJ式中 81.68在气体在14.1时的恒压平均热熔，kJ/（kmol）。Q出= Q5+ Q4=149244.88+311315.84=460560.72kJQ出Q入 结论: 忽略计算误差，铜洗塔部分能量守恒。 铜液再生部分.1 回流塔的热量衡算(1)入热铜液带入热： Q1=mcT=3656.3083.19526.3=307234.08kJ式中，3.195铜液在26.3时的平均比热容，kJ/（kg）。干气带入热 Q2=减压后解吸的干燥气体带入热+再生器进入回流塔的干燥气体带入热 = = =28978.59kJ式中，29.182铜液解吸气在26.3时的恒压平均热熔

50、，kJ/（kmol）。 36.065再生器解吸气在78时的恒压平均热熔，kJ/（kmol）。水蒸气带入热： Q3=mI=VMI/Vm =71.929182639.822.4 =152580.68 kJ式中，2639.878时水的饱和蒸汽焓，kJ/kg。NH3溶解热： Q4=nQ溶解热=VVmQ溶解热 =122.81822.435295 =193520.35KJ式中，35295NH3溶解热，kJ/kmol。CO2溶解热： Q5=nQ溶解热=VVmQ溶解热 =31.86822.470129 =99771.03kJ式中，70129CO2溶解热，kJ/kmol。Q入= Q1 +Q2+ Q3+ Q4+ Q5=307234.08+289