合成染料尾气氨氢回收工艺设计

设计题目南京工业大学化学化工学院《化工过程与工艺设计》合成染料尾气氨氢回收工艺设计学生姓名 xxxx 班级、学号0000指导教师姓名xxxxx设计时间2011年6月13日-2011年7月2日课程设计成绩（五级分制） 设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%独立工作能力、综合能力及设计过程表现，20%设计答辩及回答问题情况，10%设计最终成绩（百分制）指导教师签字化学化工学院课程名称 化工过程与工艺设计 设计题目 学生姓名lotus专业 班级学号 00000 设计日期2011年6月_13_日至2011年7月_2_日设计条件：某染料生产工艺中排出的尾气为含氨混合气：其中含空气10%，苯胺1%，饱和水汽，其余为氨（组成均为摩尔分率）温度在40〜60°C之间，常压，氨气量2500吨/年设计任务：拟回收其中的氨，回收率三90%纯度$99.8%排放尾气含氨不大于2g/m3其他设计条件：公用蒸汽压强0.5MPa（表），循环冷却水30C扌旨导教师 xxx 2011年6月5日TOC\o"1-5"\h\z前言 5\o"CurrentDocument"第一部分设计说明书 6\o"CurrentDocument"第一章概述 61.1设计方案的确定 6\o"CurrentDocument"1.1.1吸收剂的选 6\o"CurrentDocument"1.1.2流程选择以及其说明 6\o"CurrentDocument"1.1.3填料的选择 8\o"CurrentDocument"1.2设计方案的特点 9\o"CurrentDocument"第二章原料与产品的性质 9\o"CurrentDocument"2.1原料规格 9\o"CurrentDocument"2.2产品规格 .9\o"CurrentDocument"第三章工艺流程叙述 93.1工艺流程简介 9\o"CurrentDocument"3.2工艺流程简图 10\o"CurrentDocument"第四章安全和工业卫生 11\o"CurrentDocument"4.1氨气安全技术 11\o"CurrentDocument"第五章三废排放及治理方案 12\o"CurrentDocument"第六章车间定员 .12\o"CurrentDocument"第七章主要设备 .13第二部分设计计算书 14第一章物料衡算 14\o"CurrentDocument"1.1进料组成和条件 14\o"CurrentDocument"1.2总的物料衡算 141.3吸收塔物料衡算 .15\o"CurrentDocument"1.3.1吸收塔的原理 151.3.2吸收塔T101物料衡算 151.4闪蒸罐V108物料衡算 .18\o"CurrentDocument"1.4.1闪蒸罐的作用 18\o"CurrentDocument"1.4.2V108的物料衡算 18\o"CurrentDocument"1.5粗精馏塔T102的物料衡算 19\o"CurrentDocument"1.5.1条件要求 201.6精馏塔T103的物料衡算 .21第二章热量衡算 22\o"CurrentDocument"2.1稀氨水换热 .222.2稀粗氨水换热E102 232.3氨气冷凝器E103 232.4水冷凝器E10 24\o"CurrentDocument"第三章设备设计选型 25\o"CurrentDocument"3.1换热器的设计和选型 25\o"CurrentDocument"3.1.1设计条件 253.1.2估算换热面积 253.1.3计算流体阻力 283.1.4计算传热系数及校核传热面积 29\o"CurrentDocument"3.2填料吸收塔的设计选型 30\o"CurrentDocument"3.2.1设计方案的确定 30\o"CurrentDocument"3.2.2填料的选择 303.2.3基础物性数据 303.2.4填料塔的工艺尺寸计算 31\o"CurrentDocument"第三部分附录 34\o"CurrentDocument"3.1主要参考文献及设计手册 34\o"CurrentDocument"3.2设计体会 34第四部分图纸 36一工艺流程图 36设备平面布置图 37设备立面布置图 38刖言靛蓝生产中氨气主要作为一种中间原料使用，并在不同工段排放，本流程涉及的靛蓝生产过程中有三处氨气气体排放：1、 钾钠盐合成工段的排放为间歇过程，含氨气、水、空气和其他少量杂质,常压。2、 钠胺反应尾气主要为含氨氢混合气，平均含氨气25%,含氢气75%,常压。3、 碱融过程放出氨气，总排放量约为8吨氨/天，现有装置已将其压缩冷却为常温液氨。三处的排放比例约为2.05：1：3.51，其排放总量约为5450吨/年，可见其量相当可观。由靛蓝生产产生的尾气回收氨的方法一般有下述几类：第一类是通过压缩冷凝得到液氨并与不凝性气体分离，该类方法适用于高压流程（氨分压较高），或者用于容易与混合物中其他成分分离的场合。第二类是用吸附的方法提纯氨气，由吸附的特点可知，该方法一般用于氨分压很低，或者含很少杂质的场合。第三类是吸收结合精馏的方法，先将氨成分吸收再经过精馏得到纯氨。这类方法要想得到高效分离，一般要求有较高的热源，或者要通过冰机制冷，产生冷却介质来冷却气氨用作精馏塔的回流。由于靛蓝生产过程为间歇操作,各步骤排放物的浓度、温度和流量的变化大，且成分复杂。排放气中既有含氢流股，也有含氧气流股，要避免形成爆炸混合物。此外，中小企业公用蒸汽的压强较低并不够稳定。这些因素都为高效稳定地回收氨氢，并和反应过程良好的匹配带来了一定难度。故相当多染料企业将上述尾气直接排放，导致对大气或水源的严重污染。本课题来源企业是国内靛蓝生产的两大企业之一，要求对原流程进行节能减排和环保改造，将不同工段排放的尾气进行综合设计，得到$99.8%的氨气，使氨气在过程中得到循环使用，既可大量节省原料费用，也从根本上净化了尾气减少了大气污染。同时还可得到较纯的氢气用做燃料（或做合成原料备选）。通过这一流程可达到减排、节能和增效的效果，是一种新的靛蓝生产的绿色工艺路线。化工过程与工艺设计是化工专业课程设计中的一个重要的实践性教学环节，也是化工专业学生较为全面的机械设计训练。结合相应的书本理论基础，包括物理化学、化工原理、化工热力学、化工分离、传递过程、反应工程以及化工工艺学。化工过程与工艺设计的目的是使我们了解化工设计在生产、科研和基本建设中的地位及作用，基本掌握化工设计的基本程序、内容和方法，也将学过的理论知识与生产实际相结合，提高分析问题和解决问题的能力，尤其是工程设计的能力。一要掌握化工设计的基本程序、内容和方法、物料衡算、热量衡算、工艺条件的选取及设备的工艺设计和计算能力。二要完成一个完整的工程工艺设计，提高自身分析问题和解决问题的能力，基本具备编制设计说明书，CAD绘图和工程设计方法和步骤的能力。三要将理论知识与生产实际相结合，运用化工新技术、信工艺解决实际问题的能力。第一部分设计说明书第一章概述1.1设计方案的确定1.1.1吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。选择性吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力，而对混合气体中其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效分离。挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。黏度吸收剂在操作温度下的黏度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。其他所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性，不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低。所以本设计选择用清水作吸收剂，氨气为吸收质。水廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。1.1.2流程选择及流程说明吸收装置的流程主要有以下几种：逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多用逆流操作。并流操作气、液两相均从塔顶流向，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排除液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下操作：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度;对于非等温吸收过程，

为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应当指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。（4） 多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。（5） 串联-并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。列出几种常见的吸收过程如下图一。气体-气体-11液体气休1液休气体'液体气体液体(a)(a)并流{b)(a)(a)并流(b)逆流图一吸收方式用水吸收nh3属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以,本设计选用逆流吸收流程。该填料塔中，氨气和空气混合气体，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。本次设计结合靛蓝生产的工艺特点，综合使用压缩和吸收精馏方案来实现氨气的回收，其实现方式如下：对钾钠盐合成过程的尾气（含氨气、空气、水气、苯胺，氨气、氢气），本工艺采用吸收和精馏的联合操作进行净化回收。本吸收流程的特点是将吸收塔分两段，下段用循环的常温工艺水，上段采用低温工艺水。其中低温工艺水是利用液氨在重沸器中气化产生的冷量将常温工艺水冷却至低于15°C制得。而液氨则来自前述由碱熔尾气回收所得。H1中气化温度控制在OC~7C之间，气化氨的压强为0.3~0.4MPa（表压），产生的气氨与精馏得到的气氨一起用做制取钠胺的反应物，每100kg水从40°C降低到15°C时氨汽化量为7.6kg，通过低温工艺水的流量可以调节氨的气化量，以适应间歇生产的气氨用量变化。3、通过两塔精馏来回收稀氨水中的氨，本精馏流程的特色在于直接用液氨闪蒸罐（C2）的液氨作为精馏塔的回流液，这样做有三个目的：便于快速改变回流液量，以适应过程可能的波动，保证回收的气氨浓度达标。比较设置塔顶冷凝器的间接冷却过程，直接液氨回流节省了冷凝器的投资。避免了使用冰机制冷或用氨间接冷却时损失的温度差。增大了液氨闪蒸灌（C3）中液体的置换，避免了可能的杂质积累。增大T4中液氨回流并相应加大T3送来的浓蒸汽量，可以相应增大气氨的产量以满足生产需要。1.1.3塔填料选择塔填料（简称为填料）是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面，其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面积越大，气液分布也就越均匀，传质效率也越高，它与塔内件一起决定了填料塔的性质。因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。填料的种类主要从传质效率、通量、填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑一下几个方面:传质效率，通量，填料层的压降，填料的操作性能，同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度变化。此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。填料种类很多，根据填料方式不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料又分为（1）拉西环填料（2）鲍尔环填料（3）阶梯环填料（4）弧鞍填料（5）矩鞍填料（6）环矩鞍填料。规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。本课题选用50mm聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数查表得：比表面积a：114.2m2/m3空隙率£:0.927干填料因子①：143.1m-11.2设计方案的特点:一、 对靛蓝生产排放的废气分别采用直接压缩和吸收精馏的两条线，并将回收的氨集中处理和供氨。通过氨回收，靛蓝生产过程可实现氨的循环使用，使过程大大减少或不再补充外部氨。过程操作弹性大，也简化了钠氨岗位用氨的操作。二、 通过重沸器（H1）冷却常温工艺水，使塔顶获得低温工艺水，进而使塔顶排放的氨浓度大大降低，保证了净化效果。本过程不必再另外补充新鲜水，减少了软水消耗和废液的排放。同时通过汽化量的调节，可以改变气氨的供应量，该系统适合靛蓝生产各工段间歇生产的特点。三、 精馏塔顶用液氨喷淋取代塔顶冷凝器进行氨的精馏。该方法简化了冷却系统，特别是当操作压力较低时，节省了冰机的使用，降低压缩功耗。同时，容易配合钠氨岗位的生产，调节产出的气氨。第二章原料与产品的性质2.1原料规格（1） 从钠胺岗位排出的空气/氨气混合气：（含空气10%，苯胺5%，饱和水蒸气，其余为氨气），温度W400°C，压力0.01~0.05MPa，总气量2500吨/年。（2） 公用蒸汽压强：0.5MPa（表）。循环冷却水30C2.2产品规格1、回收尾气中的氨：回收率鼻90% 纯度$99.8%，压强不小于0.2MPa第三章工艺流程叙述钠胺反应的尾气，通过风机送入吸收塔，操作压强为0~0.5Mpa（表压），含氨浓度在8%~50%之间。通过常温工艺水和低温工艺水的两段吸收，氨吸收率$99%，G1被净化成为含氢浓度$99.9%的氢气，含氨小于80ppm，可直接用作燃料或进一步精制成高纯氢。两塔吸收获得的稀氨水送入稀氨水储罐合并，含氨浓度在2%~8%之间。尽管间歇过程来气量和浓度都有变化，所采用的吸收流程完全满足T1的直接排放和T2氢回收的浓度要求，两塔氨的回收率都大于99%。将稀氨水储罐中的稀氨水通过预热器被粗馏塔的塔底出液加热，再进粗馏塔中。离开粗馏塔顶部的气体进入塔顶分凝器中，气体发生部分冷凝，凝液作为粗馏塔回流。离开分凝器的浓氨气温度范围为60~110°C（可由冷却水量和蒸汽压力调节），送入精馏塔（T3）底部。粗馏塔底部通入直接蒸汽，压强范围0.15~0.6Mpa。粗馏塔排出液用做循环工艺水，含氨约为0.03%,通过预热器、水冷器后，温度降至不大于40C,进入工艺水储罐。离开分凝器的浓氨气与精馏塔顶部流下的液体通过精馏作用，在塔顶得到纯氨气（浓度$99.9%）。3.2工艺流程简图见图二图二工艺流程简图第四章安全与工业卫生4・1氨气安全技术氨气无色有刺激性恶臭的气味，熔点-77.7°C，沸点-33.5°C，自燃温度651°C，爆炸下限15.7%，爆炸上限27.4%,易溶于水、乙醇、乙醚。氨气分子式NH3，摩尔质量为17g/mol，氨分子是三角锥形结构没有对称性，密度比空气小，且p氨气：p空气=17：19，氨气可以与水、氯化氢等物质反应。氨气可用于制氮肥、硝酸、铵盐、纯碱、合成纤维、塑料、染料等重要原料，也可以作制冷剂。氨气是一种清洁的可燃气体。作为一种燃料，氨气有三大局限性。第一，氨气本身是一种污染性气体，如果储藏不善泄漏出去，会危害人体健康，对人体的皮肤、呼吸系统和神经系统造成损伤，吸入过多甚至有丧命之忧；第二，制造氨气的成本太高，目前工业上制造氨气是在高温高压的条件下，利用催化剂把氮气和氢气合成氨气；第三，氨气在空气中不能燃烧，需要在纯氧中才能燃烧。在氨气的三大局限性中，最困难的是如何降低制造成本。要降低制造成本，则需要技术上的突破。危害性概述：属危害性类别第2.3类，有毒气体。低浓度氨对粘膜有刺激作用，高浓度可造成组织溶解坏死引起化学性肺炎及灼伤。急性中毒：轻度者表现为皮肤、粘膜的刺激反应，出现鼻炎，咽炎，气管及支气管炎，可有角膜及皮肤灼伤。重度者出现喉头水肿，声门狭窄，呼吸道粘膜细胞脱落，气道阻塞即窒息。如氨溅入眼内，可致晶体混浊，角膜穿孔，甚至失明。氨对周围环境有不利的危害，应严防氨泄漏。氨与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火，高热能引起燃烧爆炸。与氧、氨等能发生剧烈的化学反应。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危害。急救措施：皮肤接触时，立即脱去污染的衣物，用大量流动清水彻底冲洗，或用3%硼酸溶液冲洗。若有灼伤，就医。眼睛接触时，立即提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗至少15分钟，就医。若吸入，迅速脱离现场至新鲜处，保持呼吸畅通，呼吸困难时输氧，呼吸停止时，立即进行人工呼吸，就医。消防措施：切断气源，喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移到空旷处，可用雾状水，泡沫，二氧化碳灭火。包装与储运：储存于阴凉，干燥，通风处，远离火种，热源，防止阳光直射，应与卤素，酸类等分开存放，罐储时要防火防爆技术性措施。第五章三废排放及治理方案三废是扌旨thethreewastes,wastegas,wastewaterandindustrialresidue,废气、废水、固体废弃物的总称。又可称为“放在错误地点的原料”将其回收利用，还可改善环境卫生。我国对它们的排放和处理都有标准和规定。放射性废物处理与处置：在核工业生产和核科学研究过程中，会产生一些具有不同程度放射性的固态、液态和气态的废物，简称为“三废”对“三废”区别不同情况，采取多级净化、去污、压缩减容、焚烧、固化等措施处理、处置。这个过程称为“三废”处理与处置。三废处理应该适应，防止污染。规模比较大的工厂企业，可在河道或湖泊等水源地建立给水基地，当附近无河道，湖泊或水库时可凿深井取水，而规模比较小的工厂且有靠近城市时，也可直接使用城市自来水作为水源。为了节约水源以及减少处理的费用，大量使用冷却水的化工厂应该循环使用冷却水，即把经过换热器的热水送入冷却塔或喷水池降温。经水处理后再用作冷却水，如此循环。非酸性废水理论上可采用共沸的方法去除杂质。碱性废水可采用沉降分离有机物料。要经过净化达到国家标准才能排入河道。在吸收和精馏循环过程中，多余的废水是浓氨水，浓氨水在储存罐中经泵和换热器又重新回到精馏过程中循环，使的氨气的回收率尽量达到最高。用于其他产品的制成的原料。氢气经吸收塔后在塔顶排出，可以用于还原氧化物等作用，不可随便排放。第六章车间定员米用三班倒制，每班两人，每人工作八小时，共需六人。

第七章主要设备工段主要设备如下表所示:主要设备一览表设备位号设备名称设备规格与主要工艺参数氨气吸收T101吸收塔0400X32000 P=0.2MpaV101工艺水储罐V102储罐P101工艺水泵P102稀氨水泵精馏工段T102粗馏塔D=400H=31200T103精馏塔025 D=400P=1.0MpaE103预热器E109再沸器E105分凝器E106氨冷器E104水冷器P104压缩机P109液氨泵V109工艺水池V108液氨储罐第二部分设计计算书第一章物料衡算1・1进料组成和条件空气只考虑氮气和氧气，其其比例为8:2进料中：氮(N2)=10%*0.8=0.08氧(02)=10%*0.2=0.02苯胺(C6H5NH2)=1%,1atm,50°C水的饱和蒸汽压为12.34kPa,PS12.34101.325PS12.34101.325二0.1228二12.28%其余为氨：氨其余为氨：氨（NH3）=1-8%-2%-1%-1%-12.28%=76.72%进料流量计算：2500000F二门03x360x24/.7672°9二24.27Kmoilh1.2总物料衡算图三总物料横算简图总物料平衡:F+HOT=G1+G3+W公用蒸汽作为直接加热粗精馏塔塔釜的热源，其加入量应与排放水量相等，即:HOT=W氨物料平衡：Z=76.72%NH3X<2g/m3G1,NH3X>99.8%G3,NH3X<0.2%W,NH31.3吸收塔的物料衡算1.3.1吸收塔的原理吸收塔(absorptiontower),用以进行吸收操作的塔器，是实现吸收操作的设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。利用气体混合物在液体吸收剂中溶解度的不同，使易溶的组分溶于吸收剂中，并与其他组分分离的过程称为吸收。操作时，从塔顶喷淋的液体吸收剂与由塔底上升的气体混合物在塔中各层填料或塔盘上密切接触，以便进行吸收。伴有化学反应的吸收叫化学吸收。按吸收时气液作用方式吸收塔可分为表面式、膜式、喷淋式和鼓泡式等。塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。1.3.2吸收塔T101物料衡算

H2原料组成 摩尔分数「 摩尔流量kmol/h—氮(N2)NH3-坏1.9416氧(O2)2%0.4854苯胺（C6H5NH2）11%0.2427水（H20）12.28%2.98氨(NH3)76.72%18.62总计 |1I 24.27吸收塔采用30快塔板，水从第一块根据设计要求，吸收塔塔顶尾气中NH3不大于2g/m需知道塔顶比密度计算塔顶尾气体积流量，则可计算出塔顶NH3流量。将数据输入ALSPENPLUS计算得：吸收结果:DISTFEEDNH3H2OWATERMoleFlowkmol/hrNITRO-011.921951271.94160.019648730OXYGE-010.479570420.48540.005829570ANILI-013.38E-350.24270.24270

WATER0.117362182.980356202.862994200AMM0N-011.32E-3518.61994418.6199440MoleFracNITR0-010.763017020.088.86E-0500XYGE-010.190390050.022.63E-050ANILI-011.34E-350.010.001094470WATER0.046592930.12280.914822881AMMON-015.25E-350.76720.083967750TotalFlowkmol/hr2.5188838724.27221.751116200TotalFlowkg/hr71.3005339463.3254553995.080923603.056TotalFlowl/min1160.408139145.3406972.802506260.7384396TemperatureK303.16966313.15338.474598303.15Pressureatm0.910.911VaporFrac10.8797498900LiquidFrac00.1202501111SolidFrac0000Enthalpycal/mol-2655.811-16359.984-63226.584-68150.994Enthalpycal/gm-93.823693-856.97171-3509.4572-3782.955Enthalpycal/sec-1858.2443-110293.56-3894601.6-3786166.4Entropycal/mol-K1.15346508-21.780575-36.913103-38.58265Entropycal/gm-K0.04074926-1.1409141-2.0489001-2.1416625Densitymol/cc3.62E-054.42E-050.050765440.05488012Densitygm/cc0.001024070.000844370.914593260.98868086AverageMW28.306399819.090459618.016057818.01528LiqVol60Fl/min2.1789767320.054361178.042050360.1666659NH3由上表可知：尾气中NH3的排放量为1.32E-35kmol/hr，尾气体积流量为NH32.51888387kmol/hr ，则尾气尾气排放达标。1.32x10人—35xlOOOx17.03g/hr八皿““ ,尾气排放达标。 二0.3984x10-32g/m3<2g/m3，2.51888387x22.4m人3/hr其中的NH3-H20流股为精馏塔的进料流股。1.4闪蒸罐V108物料衡算Wd图五闪蒸简图1・4・1闪蒸罐的作用合成染料尾气经吸收塔后可出去其中大量的氢气，并带走部分空气，但仍含有少量的空气和氢气。设置闪蒸罐的目的是为了防止尾气中仍存在的空起和氢气在后面精馏塔内积聚循环，一方面导致操作负荷增加，另一方面H和O的混合22可能引起爆炸。闪蒸后将H和空气放空。21.4.2V108的物料衡算已知条件：F=273.38+111.14=384.52kmol/h其中各组分的摩尔流量为：NH:11.72+5.52=17.24kmol/h3N:0+0.0053=0.0053kmol/h2H0:261.55+105.61=367.16kmol/h2O:0.036+0=0.036kmol/h2苯胺：0.077+0=0.077kmol/h绝热闪蒸。要求：闪蒸后釜液中N和O的含量降低。22用AspenPlus模拟闪蒸罐操作。进料条件设置：T=363.15K P=1atm闪蒸条件设置：热负荷Q=0P=4atm模拟结果列表如下：闪蒸罐V108工艺参数

FGW温度K363.15373.983346373.983346压强atm133汽化分率0.0235303010总摩尔流量kmol/h384.520.01147953384.50852各组分摩尔流量kmol/hNH317.240.0021269317.2379493H2O367.160.00377956367.157844N20.00530.005288961.1058E-05O20.0360.000282830.03571732苯胺0.0771.2362E-060.07699910各组分摩尔分率NH30.0448350.185280.04483N20.0000140.460732.876E-08H2O0.9548530.329240.95488O20.0000940.024649.289E-05苯胺0.0002000.000112.003E-04焓值cal/mol-64663.307-20475.658-64664.6261.5粗精馏塔T102的物料衡算合成染料尾气经吸收塔后可出去其中大量的氢气，故塔底出来的氨水中氢气的含量很少，所以不用设置闪蒸罐来防止尾气中仍存在的空起和氢气在后面精馏塔内积聚循环，减少经济成本费用。故直接进入粗馏塔进行衡算FF图六粗馏简图1.5.1条件要求已知：F1：由吸收塔T101排出液来，高温加压T=353.15K,P=4.3atm总摩尔流量F1=221.7511kmol/h各组分的摩尔流量：NH3：18.6199342kmol/hH20:202.86298kmol/hC6H7N:0.2681858kmol/hF2:来自精馏塔循环液中，T=418.15K, P=4.2atm总摩尔流量F2=126.4367816kmol/h要求：产品纯度y2>=99.8%用ASPENPLUS模拟此粗馏塔流程，结果列于下表粗馏塔精馏工艺参数F2F1L1G1MoleFlowkmol/hrANILI-010.268185820.268185780.022832490.5135391WATER110202.862984203.107716109.755269AMMON-0116.168595818.61992980.0006172434.787908TotalFlowkmol/hr126.436782221.7511203.131166145.056716TotalFlowkg/hr2282.016743996.716993661.179242617.55448TotalFlowl/min16853.317674.087150770.420146452.5928925TemperatureK418.15353.15419.941046352.738195Pressureatm4.24.14.34VaporFrac1000LiquidFrac0111SolidFrac0000Enthalpycal/mol-50661.188-63055.474-65978.635-54987.289Enthalpycal/gm-2806.9197-3498.5266-3660.6558-3047.2243Enthalpycal/sec-1779288.3-3884061.4-3722865.9-2215632.1Entropycal/mol-K-11.713921-36.380381-32.626421-37.321883Entropycal/gm-K-0.6490182-2.018504-1.8101935-2.0682625

Densitymol/cc0.000125030.049885190.0480760.04596841Densitygm/cc0.002256740.899102590.866508470.82950196AverageMW18.048677818.02343718.023719918.0450417LiqVol60Fl/min47.933797578.058212561.136989964.8550199MoleFracANILI-010.00212110.00120940.00011240.00354026WATER0.870.91482290.999884560.75663693AMMON-010.127878890.08396773.04E-060.2398228在饱和蒸汽用量确定的ASPENPLUS模拟计算结果中，粗馏塔的理论塔板数

为12块。F1在第5块板进料，回流比为1.2,D=145.056716kmol/h.1.6精馏塔T103的物料衡算经粗馏塔后，氨气（G1）进入精馏塔精馏，工艺简图如下图所示:G2T103G1L2图七精馏简图由粗馏塔的计算结果G1作为T103的进料，在此基础上，将再沸器改为饱和蒸汽供热，用ASPENPLUS模拟结果如下表。饱和蒸汽供热精馏塔工艺参数FL2G2MoleFlowkmol/hrWATER109.755252109.7552521.31E-25AMMON-0134.787908216.140613718.6472946

ANILI-010.513555630.513555633.20E-35MoleFracWATER0.756636820.868252157.04E-27AMMON-010.23982280.127685211ANILI-010.003540370.004062631.71E-35TotalFlowkmol/hr145.056716126.40942118.6472946TotalFlowkg/hr2617.555732299.98186317.573869TotalFlowl/min66.574198445.30391818.22522327TemperatureC79.588215110.017902-3.538539Pressureatm443.7VaporFrac0.0008184400LiquidFrac0.9991815611SolidFrac000Enthalpycal/mol-55038.965-60032.741-16440.358Enthalpycal/gm-3050.0865-3299.4625-965.34456Enthalpycal/sec-2217714.3-2107973.4-85157.837Entropycal/mol-K-37.471241-35.106921-46.431249Entropycal/gm-K-2.0765385-1.9295133-2.7263489Densitymol/cc0.036314540.046504220.03778477Densitygm/cc0.655297840.846130580.64349594AverageMW18.045050318.194702917.03056LiqVol60Fl/min64.855040348.209905916.6451344同时得到，精馏塔理论塔板数10块，G1第13块板进料，回流比为1.2,D=18.6472946kmol/h由结果可以看出，产品中NH3的纯度＞=99.8%,符合要求。第二章热量衡算2.1稀氨水换热由吸收塔中塔底出来的氨水温度为338.474598K压力为0.91atm,假设粗馏塔的进料温度为353.15K，压力为4atm,换热图如下：

图八吸收一粗馏换热吸收一粗馏换热工艺数据冷稀氨水热稀氨水温度k338.474598353.15压力MPa0.10.400焓值cal/mol-66035.476-65169.868汽化分率1.15E-051.27E-04热负荷w385286.5722.2稀粗氨水换热E102由粗馏塔中塔顶出来的氨气在进行精馏之前把液氨升温，使其在精馏塔中进一步换热，换热如下图：图九粗馏一精馏换热粗馏一精馏换热工艺数据液氨热稀氨水温度k381.804448353.15压力atm4.004.00焓值cal/mol-60212.695-65168.471汽化分率01热负荷w3765281.32.3氨气冷凝器E103在精馏塔中氨气冷凝为液氨在氨水缓冲罐中循环精馏，把冷凝过程如下图:

图十氨冷凝器氨冷凝器工艺数据氨气液氨温度k253.631571235压力atm3.74.5焓值cal/mol-68736.14-68059.61汽化分率00热负荷w-16854.6152.4水冷凝器E101在粗馏塔中塔底出来的热水需冷却循环回到吸收塔中，冷却过程如下图:图十一水冷却器氨冷凝器工艺数据氨气液氨温度k418.6374306.775802压力atm4.153焓值cal/mol-63836.83-65972.502汽化分率11热负荷w-289357.62第三章设备设计和选型3.1换热器的设计和选型对氨水预热器E103设计与选型3.1.1设计条件稀氨水：质量流量3995.08092kg/h温度t1=65.3245°C,压力4.0atm工艺水：质量流量3661.17924kg/h温度T1=146.79°C,压力4.0atm稀氨水t1 >t2T2< T1工艺水3.1.2估算换热面积査取物性数据稀氨水的定性温度(65.3245+100.3245)/2=82.3245°C工艺水的平均压力为0.40Mpa设工艺水的换热器的温度为105.5C则工艺水的平均温度为(146.79+111.79)/2=129.29°C查得82.3245C时水与氨的物性数据如下表所示82.3245C时水与氨的物性数据介质密度p/(^/m3)比 热 容cp/(Kj/ag・°c))黏度M/(kg/(s・m))热导率入/(W/(m・C))水949.84.23625.57X10—50.6846氨1.6042.301.18X10-50.568查得129.29C时水与氨的物性数据如下表所示129.29C时水与氨的物性数据介质密度p/(婕比 热 容黏度M/热导率入/m3)cp/(Kj/ag•c))(kg/(s•m))/(W/(m•C))水939.84.25622.95X10-50.6856氨2.0692.351.70X10-50.584又稀氨水中含氨4.5%,工艺水中含氨0.1%,经计算得82.3245的稀氨水和129.29°C的工艺水的物性数据如下表稀氨水和工艺水的物性数据介质密度p/(婕/m3)比 热 容Cp/(KJ/(^・°C))黏度M/(kg/(s•m))热导率入/(W/(m•C))稀氨水907.14.14924.47X10-50.6794工艺水938.94.25422.93X10-50.6855⑵热量衡算热负荷已在热量衡算中由AspenPlus算得:Q=196342.243W=7.068X二-KJ/h工艺水出口温度：二— —2 1WnQph=133・5-需船4=104・9C此二值与原设二=105.5C相近，故不再试算，以上物性数据有效。⑶确定换热器的材料及压力等级考虑到腐蚀性不大，本设计采用碳钢材料。本设计中压力稍大于0.40Mpa，为了安全，采用1.0Mpa的公称压力等级。⑷流体通道的选择工艺水走壳程，稀氨水走管程。⑸计算传热温差首先计算逆流时的平均温差△::：：=（△：_+△：J/2=21°C管程为4,壳数为1。P=122—101133.5—101=0.65t—t-2 1首先计算逆流时的平均温差△::：：=（△：_+△：J/2=21°C管程为4,壳数为1。P=122—101133.5—101=0.65t—t-2 1T—ti 1t—t21133・5一112・5=1.0122—101查《化工原理》P175图4-43得屮At二0.82708所以两流体的平均温差At=0.83x21=17Cm⑹选K值，估算传热面积取K=500W/(m^C),则A=Q/KAt二(7.068x105x103)/(500x3600x17)=23.1mm（7）初选换热器型号由于两流体温差小于50C，故可采用固定管板式换热器，由化工原理附录23查得有关参量列于下表换热器参数外壳直径D/mm400管子尺寸/mm申25x2.5公称压强/MPa1管子长/m6公称面积/m40管数n根86管程数Np4管心距t/mm32管子排列方式正三角形按上列数据核算管程、壳程的流速及Re管程流通截面积A=-d2上=土x0.022x86=0.006751m2,管内稀氨水i4in4 4p的流速uWc3600pAci6916.233600x907.1x0.006751=0.3137m/s=2.326x1040.02x0.3137x907.1ei24.47x10-5ei壳程流通截面积A=h(D-nd)0 C0n=1.1xni/2=l.lx86i/2=10.20c取n=10c取折流板间距h=150mm，则Ap=0.15x(0.4-10x0.025)=0.0225壳内工艺流速u0=36oopnAo=7874.18/(3600x93&9x0・0225)=°.10354m/s4(<3当量直径de=x2一do24(<3当量直径de=x2一do2)4兀do=4呼x°032Tx°0252)兀x0.025=0.0202mnupdReO=―0——n_en=8.564xnupdReO=―0——n_en=8.564x10322.93x10-53.1.3计算流体阻力⑴管程流体阻力E^Pi=(^P1+^P2)FNNt0s设管壁粗糙度£为0.1mm,则d=0.1/20=0.005Rei=2.33x104,查的摩擦系数A=0.034△P1=九—匕^!,^P2=3匕仔di2 2△P1+AP2二(九-+△P1+AP2二(九-+3)匕^2d2=(0.034x+3)x907.1x0.313722=589.2Pa符合一般要求⑵壳程流体阻力工△Po=(AP1'+AP2')FsNs△p1'Ffn(N+1)pu20_c B n——0-△P2'N(3.5-2h)pu2=B Dn0TReo二8.564x103>500.故f=5.0R-0.228=5.0x(8.564x103)-0.228=0.63430 e0管子排列为正三角形排列，取F=0.5挡板数NB=l/h-l=39Pl'=(0.5x0.6343x10x40x938.9x0.103542)/2=638.5PaP2'=(39x(3.5-2x0.15/0.4)x938.9x0.103542)/2=539.8Pa取污垢校正系数Fs=1.0则工△Po=(638.5+539.8)x1.0x1=1178.3Pa<0.02MPa故管壳程压力损失符合要求。3.1.4计算传热系数及校核传热面积⑴管程对流给热系数aiRei=2.326x104Pri=Cpcx|jc/入c=4.149x10^3x24.47x10^-5/0.6794=1.494Ai=0.023(入c/ai)xRe「0.8Pr「0.4=0.023x(0.6794/0.02)x(2.326x10'4厂0.8x1.494P.4=2856.6W/(m?・°C)壳程对流给热系数a0Reo=8.564x10^3Pro二Cpxhxjh/入h=4.254x10^3x22.93x10=5/0.6855=1.423壳程采用弓形折流板，故ao=0.36(入h/de)Reo"0.55xPro"(1/3)x(j/jw厂0.14=0.36x(0.6855/0.0202)x8564^0.55x1.423,1/3)x1.0=1999.9W/(m?・°C)⑶计算传热系数取污垢热阻Rsi=0.30m'・C/KW,Rso=0.50m'・C/KW以管外面积为基准则K计=1/(d0/aidi+Rsixdo/di+bxdo/入dm+Rso+1/ao)=1/(25/(2856.6x20)+0.3x10,-3)x25/20+2.5x10,-3)x25/(0.6855x22.5)+0.5x10,-3)+1/1999.9)=270.5W/(m?・°C)⑷计算传热面积A需二Q/K计Atm=196342.243/(270.5x21)=34.56所选换热器实际面积为A=nndol=86x3.14x0.025x6=40.51(A-A需)/A需二(40.51-34.56)/34.56=17.22%可见，所选换热器面积余量适当，说明所选换热器型号可行。安全系数A供/A需=40.51/34.56=1.173.2填料吸收塔的设计选型对吸收塔T101进行设计与选型3.2.1设计方案的确定用水吸收氨气属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率,选用逆流吸收流程。3.2.2填料的选择对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常采用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料鲍尔环填料的综合性能较好，应用广泛，故选用D25聚丙烯鲍尔环填料。N3.2.3基础物性数据液相物性数据查手册得，5°C时水的有关物性数据如下：密度p=999.8kg/m3L1粘度》 =154.66x10-5Pa.sL1表面张力O =74.88x10-3N/mL1查手册得，40C时水的有关物性数据如下：密度p=992.2kg/m3L2粘度》=65.32x10-5Pa.sL2表面张力O =69.63x10-3N/mL2

所以p=l/5p+4/5p =1/5x999.8+4/5x992.2=994.4kg/m3TOC\o"1-5"\h\zL L1 L2|j=1/5》+4/5p =1/5x154.66x10-5P+4/5x65.32x10-5=87.66*10-5Pa.sL L1 L2a=1/5a+4/5a =1/5x74.88x10-3+4/5x69.63x10-3=70.94x10-3N/mL L1 L2氨气在水中的扩散系数为D=1.76x10-9m/sL气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为M=EyM=0.08x28+0.02x32+0.01x93+0.1228x18+0。7672x17=19.0628g/molrm ii混合气体的平均密度p=PM/RT=101.3x19.0628/(8.314x313.15)=6.0071kg/m3rm rm3.2.4填料塔的工艺尺寸计算⑴塔径计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速气相质量流量为W=24.27kmol/h=462.654156kg/hv液相质量流量为W=200kmol/h=3600kg/hLEckert通用关联图的横坐标为：W/W(p/p)0.5=3600/462.654156(0.2246/994.1)0.5=0.116959LvvL查图得：pv 07gpLL查表得@=260m-1F0.07