氨氣回收系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李妍姝

（山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，大同 037000）

氨氣回收系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李妍姝

（山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，大同 037000）

本文根據(jù)氨氣特殊的物理性質(zhì)，設(shè)計(jì)了整套氨氣回收系統(tǒng)，將氨氣轉(zhuǎn)化為液氨，以便重新回收利用，既降低生產(chǎn)成本又保護(hù)環(huán)境。其次，本文針對(duì)回收系統(tǒng)的工藝流程及監(jiān)控要求，以MCGS為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，使得上位機(jī)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等功能。實(shí)踐證明，本文所設(shè)計(jì)的氨氣回收系統(tǒng)滿足了化工處理中對(duì)氨氣回收的需求。

液氨處理 噴淋塔 精餾塔 組態(tài)軟件

前言

氨氣是化工處理中常用的介質(zhì)，釋放到空中具有刺激性氣味，并會(huì)對(duì)人體的眼睛和皮膚造成灼傷。因此，在化工處理后，通常需對(duì)氨氣進(jìn)行回收。本文根據(jù)氨氣的物理性質(zhì)，設(shè)計(jì)了氨氣的回收系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。

1 吸收塔直徑設(shè)計(jì)

吸收塔是利用磷酸溶液吸收混合氣體中的氨氣的重要設(shè)備。本系統(tǒng)選用的吸收塔為噴淋塔。噴淋塔的主要參數(shù)有直徑和高度。假設(shè)噴淋塔的截面為圓形，則噴淋塔直徑為：

式中：Vg為實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下混合氣體體積流量，0.01177m3/s；u為混合氣體速度，取4m/s。

因此，噴淋塔的直徑為：

2 噴淋塔高度設(shè)計(jì)

噴淋塔的高度主要由三部分構(gòu)成：噴淋塔吸收區(qū)高度、噴淋塔漿液池高度以及噴淋塔除霧區(qū)高度。其中，吸收區(qū)高度是噴淋塔的主要設(shè)計(jì)尺寸。

2.1 噴淋塔吸收區(qū)高度（h1）

吸收塔的平均容積效率，即單位時(shí)間單位體積內(nèi)的氨氣吸收量，用ζ表示：

式中：C為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)口煙氣的質(zhì)量濃度，按給定條件，約為0.0055kg/m3；η為給定的氨氣吸收率，方案要求為99%；h1為吸收塔內(nèi)吸收區(qū)的高度，單位m；K0為常數(shù)，數(shù)值取決于煙氣速度u（m/s）和系統(tǒng)的操作溫度t（℃），有K0=3 600u×273/(273+t)。

在噴淋塔操作溫度為75℃時(shí)，煙氣速度u=4m/s、氨氣吸收率η=0.99，噴淋塔的容積吸收率范圍在5.5～6.5kg/（m3·s）之間[1]，本文取ζ=6kg/（m3·s），并將其代入式（2），有：

于是，得噴淋塔內(nèi)吸收區(qū)的高度h1=10.3m。

2.2 噴淋塔漿液池高度（h2）

漿液池容量V1按照液氣比和漿液停留的時(shí)間來確定：

式中：L/G為液氣比，取為13 L/m3[2]；VN為煙氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)濕態(tài)容積，VN=Vg=0.01177m3/s；t1為漿液停留時(shí)間，取160s。于是，由式（3）可算得噴淋塔漿液池的體積為：

選擇漿液池的內(nèi)徑和吸收區(qū)內(nèi)徑相等，即D2=D1=0.61m，則：

2.3 噴淋塔除霧區(qū)高度（h3）設(shè)計(jì)

吸收塔一般均裝備除霧器。在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，除霧器出口煙氣中的霧滴濃度應(yīng)該小于30mg/m3[3]。設(shè)定最下層沖洗噴嘴距最上層噴淋層的距離為3m，距離最上層沖洗噴嘴的距離為3.5m；霧滴除去率為99.9%；除霧器內(nèi)煙氣的流速為4m/s。因此，除霧區(qū)的最終高度確定為：h3=3.5m。

噴淋塔的總高H（m），等于上述三個(gè)高度的總和，即：H=h1+h2+h3=16 m

氨氣回收系統(tǒng)中噴淋塔的設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 噴淋塔

3 精餾塔的設(shè)計(jì)

精餾是指利用混合物中成分揮發(fā)能力的不同，通過液相和氣相的回流，使氣、液充分相互接觸，使得易揮發(fā)成分不斷從液相往氣相中轉(zhuǎn)移，而難揮發(fā)成分卻由氣相往液相中轉(zhuǎn)移，使混合物得到不斷分離[4]。

精餾塔是使混合氣、液相分離，實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換過程的主要設(shè)備。一般，精餾塔設(shè)備可以分為板式精餾塔和填料精餾塔。其中，板式精餾塔通常為圓形筒體，塔內(nèi)安裝多層塔板，塔板上有通孔相連。氣、液兩相在塔內(nèi)各板間逐級(jí)接觸，使得兩相的組成成份發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)混合液的精餾提純。本文選擇板式精餾塔作為氨氣回收系統(tǒng)的精餾設(shè)備。

3.1 精餾塔塔徑的計(jì)算

根據(jù)圓管內(nèi)流量公式，可以得到塔徑與氣體流量及空塔氣速之間的關(guān)系[5]，即

式中：D為精餾塔直徑，單位m；Vs為塔內(nèi)氣體流量，單位m3/s；U為空塔氣速，單位m/s；則最大空塔氣速umax為：

式中：C為汽相負(fù)荷因子，單位m/s；ρL、ρV分別為液相密度和汽相密度，單位kg/m3。

選取空塔氣速u=0.8umax=0.8×0.9=0.72 m/s，則精餾塔的塔徑為：

于是，選取精餾塔徑為1m。

3.2 精餾塔塔高的計(jì)算

板式精餾塔的塔高由有效段、塔頂和塔底三部分組成。（1）精餾塔有效塔高計(jì)算板式塔的有效高度由實(shí)際塔板數(shù)和板間距共同決定：Z=(NP-1)HT（7）式中：Z為有效高度，單位mm；HT為板間距，取400mm；NP為塔實(shí)際層數(shù)，取11，于是：Z=(NP-1)HT=(11-1)×400=4 000m（2）精餾塔塔頂?shù)挠?jì)算

塔頂空間HD的作用是提供安裝踏板和開設(shè)人孔所需的空間，也可以使氣體中的液滴自由沉降。通常取其經(jīng)驗(yàn)值1～1.5m，本文選取HD=1m。

（3）精餾塔塔底高度的計(jì)算

塔底空間h的作用是中間儲(chǔ)存溶液，塔底的溶液通常具有10～15min的儲(chǔ)存量，以便保證塔底的溶液不會(huì)過低。本文選擇塔底有10min的儲(chǔ)存量，以保證系統(tǒng)可以正常工作。因此，h=1.5m。所以，精餾塔的塔高為：

H=Z+H0+h=6.5m

4 氨氣回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

混合氣體經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)入噴淋塔進(jìn)行噴淋霧化，與磷酸溶液逆向接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞，吸收混合氣體中的氨氣，從而生成磷酸銨顆粒，并隨磷酸溶液下降到噴淋塔底部；吸收后的混合氣體以氮?dú)夂脱鯕鉃橹鳎?jīng)頂部出口釋放，實(shí)現(xiàn)氨氣的回收。噴淋塔底部的磷酸銨溶液可由泵抽送到除油裝置中，祛油后進(jìn)入緩存罐，再經(jīng)換熱器被輸送到解析塔中；磷酸銨在解析塔中經(jīng)過蒸汽加熱后分解成氨氣和磷酸。磷酸溶液由解析塔底部被回收利用輸送到磷酸儲(chǔ)罐，氨氣則由解析塔頂部離開，經(jīng)再沸器后進(jìn)入精餾塔。經(jīng)過再沸器的氨氣從底部進(jìn)入精餾塔，和從上部噴射下來的蒸汽逆向流動(dòng)而充分接觸。經(jīng)過精餾塔塔板的一層層精餾后，實(shí)現(xiàn)氨氣的精餾提純，最后通過冷卻器使氨氣不斷降溫，壓縮到氨氣儲(chǔ)罐中。整套氨氣回收系統(tǒng)的工藝流程，如圖2所示。

圖2 氨氣回收系統(tǒng)圖

5 基于組態(tài)軟件的氨氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件是近年來在工控自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型技術(shù)，可用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控方面。它提供了監(jiān)控層的軟件開發(fā)平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，通過靈活的組態(tài)方式，可使用戶快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能[6]。

氨氣回收監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)回收系統(tǒng)中的氨氣吸收噴淋塔、解析塔和精餾塔等進(jìn)行集中監(jiān)控，通過監(jiān)控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，采集各種信號(hào)，最終以圖形或動(dòng)畫的方式直觀呈現(xiàn)化工處理現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，以便對(duì)工作流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

文中氨氣回收監(jiān)控系統(tǒng)包括了一個(gè)主控制系統(tǒng)，還包含噴淋塔氨氣吸收系統(tǒng)、磷酸銨解析系統(tǒng)和氨氣精餾塔系統(tǒng)等分系統(tǒng)。另外，本系統(tǒng)還通過實(shí)時(shí)趨勢(shì)、數(shù)據(jù)顯示等功能，顯示整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。

5.1 主控制系統(tǒng)

氨氣回收監(jiān)控主控制系統(tǒng)的畫面按照系統(tǒng)的工藝流程，將整個(gè)回收控制現(xiàn)場(chǎng)的所有系統(tǒng)完整繪制出來，使用戶能夠清楚了解各個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。主控制系統(tǒng)的畫面，如圖3所示。

畫面中，各模擬量測(cè)點(diǎn)通過數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)測(cè)量值。除此之外，在主控制系統(tǒng)的畫面上還有其他兩個(gè)區(qū)域：控制塊區(qū)域負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，控制器區(qū)域包含了控制邏輯中的各個(gè)PID調(diào)節(jié)功能，通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕調(diào)出相應(yīng)的對(duì)話框。

5.2 分系統(tǒng)

分系統(tǒng)主要包括噴淋吸收塔、磷酸銨解析塔和氨氣精餾塔。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，每個(gè)分控制系統(tǒng)都用一個(gè)畫面表示，其中包含了相應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程圖、實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示、相關(guān)參數(shù)的動(dòng)畫顯示和控制器調(diào)用按鈕。如果需要對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以通過控制器按鈕實(shí)現(xiàn)。

圖3 主控制系統(tǒng)畫面

例如：磷酸溶液的濃度比對(duì)氨氣回收效果有著直接影響，是一個(gè)重要的參數(shù)。磷酸溶液的濃度低，則氨氣回收的時(shí)間增長(zhǎng)；濃度高時(shí)，又會(huì)影響系統(tǒng)的生產(chǎn)安全。應(yīng)用組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)噴淋塔入口處混合氣體中氨氣的濃度和噴淋塔出口處磷酸銨的濃度，如圖4所示。

圖4 噴淋塔出口磷酸銨密度

磷酸銨解析塔是氨氣回收系統(tǒng)的重要組成部分，經(jīng)過解析塔的過熱蒸汽與磷酸銨接觸，提供給磷酸銨分解所需要的能量，實(shí)現(xiàn)磷酸銨的分解。磷酸銨溶液在高溫下分解為氨氣和磷酸溶液，其中磷酸溶液從解析塔的底部回收再循環(huán)利用；而氨氣則從解析塔的頂部流向精餾塔，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)工序。解析塔控制中的主要控制對(duì)象是噴淋塔內(nèi)部的溫度，溫度的高低決定了磷酸銨分解的比重。磷酸銨分解的徹底不但可以提高氨氣回收的效率，也會(huì)影響磷酸溶液的濃度。此項(xiàng)指標(biāo)亦可由控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示。

精餾塔系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)氨氣的精餾提純，最終決定了氨氣回收系統(tǒng)的最終氨氣純度。含氨氣20%的混合氣體在精餾塔內(nèi)經(jīng)過提純、精餾后轉(zhuǎn)化為純度為99.9%的氨氣，再經(jīng)過冷卻器、壓縮機(jī)后進(jìn)入液氨儲(chǔ)罐，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)回收氨氣并循環(huán)使用的目的。監(jiān)控系統(tǒng)也可由圖線形式顯示氨氣在精餾塔入口處的濃度和氨水中氨氣的濃度。

6 結(jié)論

本文根據(jù)氨氣回收的基本原理，結(jié)合氨氣回收系統(tǒng)的工業(yè)要求，對(duì)吸收塔的直徑、塔高進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并設(shè)計(jì)了蒸餾塔的直徑、塔高等參數(shù)，建立了完整的回收系統(tǒng)流程圖。另外，文中按照氨氣回收系統(tǒng)的控制要求，選擇利用MCGS工控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)氨氣回收系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，完成了整個(gè)氨氣回收系統(tǒng)的監(jiān)控功能、實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示等功能。通過這種方式實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以在線模擬氨氣回收系統(tǒng)的各種工作情況，對(duì)于真正的回收系統(tǒng)的監(jiān)控有著很好的輔助功能。

[1]李蔭堂，董韶峰，李軍.煙氣脫硫噴淋塔的容積吸收率[J].環(huán)境技術(shù)，2003，（6）：32-34.

[2]吳忠標(biāo).大氣污染控制工程[M].北京，科學(xué)出版社，2002：154.

[3]煉油與石油化學(xué)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].2007：354.

[4]王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：245.

[5]王國(guó)勝.化工原理[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2013：217.

[6]黎昕，馬雪梅，余志剛，樸洪燮.組態(tài)王6.0電力版在水電站的應(yīng)用[J].東北水利水電，2004，242（22）：11-12.

Design of Ammonia Recovery System and Monitoring System

LI Yanshu
(School of Coal Engineering, Datong University, Datong 037000)

According to the special physical properties of ammonia, the design of ammonia recovery system, the ammonia into liquid ammonia in order to re-use, both to reduce production costs and protect the environment. Secondly, according to the technological process and monitoring requirements of the recovery system, this paper designs the monitoring system with MCGS as the developing platform, which makes the upper computer system have the functions of real-time monitoring and remote control. Practice has proved that the design of ammonia recovery system to meet the chemical treatment of ammonia gas recovery needs.

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