【文章內(nèi)容簡介】 因此，氮肥的供應還得繼續(xù)依靠合成氨的生產(chǎn)。 5 第 2章 合成氨尾氣處理氨回收工藝 產(chǎn)品及原料性能 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 化學名稱： 氨氣 分子式： NH3 分子量 ： (3)物理性質(zhì) [18]： 氨氣在標準狀況下的 密度 為 ： 臨界點 133℃ ， 蒸汽壓 (℃ ) 熔點 ℃ 沸點 (1atm) ℃ 溶解性： 極易溶于水 (1:700) 臨界溫度 ， ℃ （ 4） 化學性質(zhì) [18]： 氨在水中的反應可表示為： NH3+H2O=NH3H 2O 氨水在中學化學實驗中三應用 ： ① 用蘸有濃氨水的 玻璃棒檢驗 HCl 等氣體的存在 。 ② 實驗室用它與鋁鹽溶液反應制 氫氧化鋁 。 ③ 配制銀氨溶液檢驗有機物分子中 醛基 的存在。 NH3+HNO3 = NH4NO3 NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 反應實質(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，離子方程式為： 6 8NH3+3Cl2 = N2+6NH4Cl(黃綠色褪去，產(chǎn)生白煙 ) 反應實質(zhì)： 2NH3+3Cl2 = N2+6HCl NH3+HCl = NH4Cl 總反應式： 8NH3+3Cl2 = N2+6NH4Cl 4NH3+3O2=2N2+6H2O 4NH3+5O2=4NO+6H2O（氨氣的催化氧化 ） 的反應 NH3+C=HCN+H2↑(劇毒 氰化氫 ) 取代反應 的一種形式是氨分子中的氫被其他原子或基團所取代，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，例如； COCl2+4NH3= CO(NH2)2+2NH4Cl HgCl2+2NH3=Hg(NH2) Cl +NH4Cl 這種反應與 水解反應 相類似，實際上是氨參與的 復分解反應 ，故稱為氨解反應。 氫氣 氫氣是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。標準狀況下，1升氫氣的質(zhì)量是 ，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 101千帕壓強下，溫度 ℃ 時，氫氣可轉(zhuǎn)變成無色的液體； ℃ 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 化學反應 。但當條件改變時（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的活性（特別是被鈀吸附）。金屬鈀對氫氣的吸附作用最強。當空氣中的 體積分數(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，標準狀況下密度是 /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： ℃ （ ) 熔點： ℃ 密度： kg/m3 7 相對分子質(zhì)量： 液體密度（平衡狀態(tài)， ℃ ）： 169kg/m3 氣體密度 （ ， 0℃ ）： 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 %～ %。 其化學性質(zhì)與 普通氫完全相同 ， 但質(zhì)量大些， 反應速度小一些。 (2) 化學性質(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)生化學反應。 ① 可燃性 (可在氧氣中或氯氣中燃燒 ) 2H2+O2=2H2O（ 化合反應） (點燃不純的氫氣要發(fā)生爆炸 ,點燃氫氣前必須驗純 ) H2+Cl2 =2HCl（化合反應） ② 還原性 (使某些金屬氧化物還原 ) H2+CuO=Cu+H2O（置換反應） 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 %（體積分數(shù)），在標準情況下的氣體密度是 ，氮氣難溶于水，在常溫常壓下， 1體積水中大約只溶解 。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]： 化學式 N2 相對分子質(zhì)量 熔點 ， 210℃ 英文名稱 Nitrogen 沸點， （ 1atm） 時 ， ℃ 臨界溫度 ， ℃ 臨界壓力 ， ， 臨界體積 臨界密度 8 （ 2）化學性質(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 上是不穩(wěn)定的，容易發(fā)生 歧化反應 。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生成氨。 . 氮化鎂 與水反應： 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=2NO2 N2 與 金屬 鋰在 常溫 下就可直接反應 ： 6 Li + N2=2 Li3N N2與鎂條反應： 3Mg+ N2=Mg3 N2 N2與 氫氣 反應制 氨氣 ： N2+3H2=2NH3（可 逆 ） 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)，同時負責將氨水中的氨提純?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）進行換熱，被預熱后的氨水從進料管進入精餾塔的中部。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 9 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。 現(xiàn)場含氨廢水處理送老區(qū)尿素T1002T1003E1002E1003E1004E1005E1006V1002AV1002BV1003P1001A P1001B P1002P1003A P1003B 圖 氨回收 工藝 系統(tǒng)流程圖 10 第 3章 工藝計算 精餾塔的物料衡算 （ 1）已知條件 氨回收精餾塔 年產(chǎn) 990 噸，粗氨水中含氨 17％ ,溜出液中氨的質(zhì)量分數(shù)為 99％ ，釜殘液中氨的質(zhì)量分數(shù)為 ％ ， 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 = 噸 /小時 =125kg/h=（ 125/17） kmol/h= kmol/h F=xF=1817 17?= xD=1817 17?= xW=1817 17?= 其中， xF 、 xD 、 xW 分別為原料、塔頂、塔底中的 氨 的摩爾分數(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 （ 31） F xF =D xD+W xW （ 32） D=WDWF xx xxF ?? )( = 0 0 )0 0 2 (2 5 ? ?= kmol/h W=FD== kmol/h 揮發(fā)組分回收率 %100???? FDxF xD? = %1 0 02 2 5 1 ??? =% （ 33） 相對揮發(fā)度 α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 WD ??、 分別計算結(jié)果如下。 45℃ 時氨和水的飽和蒸汽壓分別為 [23] 195℃ 時氨和水的飽和蒸汽壓分別為 [23] 11 3 9 9 8 1 3 4 9 7 8 9??????BAWBADPPPP?? 所以 45℃ 、 195℃ 下平均相對揮發(fā)度 : ?? = ? = 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=xx )1(1 ?? ??= ? （ 34） q 線方程 泡點進料， q=1， x=， q 線方程即為 x=xF ， 所以 q 線方程為 x= 而 Rmin= 11?? [FDFD xxxx ??? 1 )1(? ] （ 35） = ]2 2 )( 2 [ 1 ? ??? =102 取 R==102= 精餾段操作線方程 精餾段摩爾流量： 液相 L )(s ＝ RD==(kmol/h) 氣相 V )(s =L+D=（ 1+R） D==(kmol/h) 精餾段操作線方程 ： y= 11 ??? RxxRR D （ 36） = 0 4 2 0 4 2 1 0 4 2 ????? x 提餾段操作線方程 提餾段摩爾流量： 液相 L39。 =L+qF=+1=(kmol/h) 氣相 V39。 =V=L+D= 12 由于提餾段操作線方程為： y=39。39。39。 wVWxxVL ? （ 37） 則提餾段操作線方程為： y= ???? xx 塔的工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)計算 物性數(shù)據(jù) 由公式 ρ=A+BT+CT2+D3+ET4 其中 T 單位為 K，其中 常數(shù)為 ： 表 常數(shù)列表 [24] A B C D E 氨 105 103 105 108 水 103 106 —— 精餾段工藝條件 精餾段液體的平均密度 ? L=x0ρA+ (1 x0 )ρB=+=(kg/m3) 精餾段氣體的密度