氨氣回收系統及監控系統設計

李妍姝

（山西大同大學 煤炭工程學院，大同 037000）

氨氣回收系統及監控系統設計

李妍姝

（山西大同大學 煤炭工程學院，大同 037000）

本文根據氨氣特殊的物理性質，設計了整套氨氣回收系統，將氨氣轉化為液氨，以便重新回收利用，既降低生產成本又保護環境。其次，本文針對回收系統的工藝流程及監控要求，以MCGS為開發平臺，設計監控系統，使得上位機系統具有實時監控、遠程控制等功能。實踐證明，本文所設計的氨氣回收系統滿足了化工處理中對氨氣回收的需求。

液氨處理 噴淋塔 精餾塔 組態軟件

前言

氨氣是化工處理中常用的介質，釋放到空中具有刺激性氣味，并會對人體的眼睛和皮膚造成灼傷。因此，在化工處理后，通常需對氨氣進行回收。本文根據氨氣的物理性質，設計了氨氣的回收系統和監控系統。

1 吸收塔直徑設計

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

式中：Vg為實際運行狀態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 噴淋塔高度設計

噴淋塔的高度主要由三部分構成：噴淋塔吸收區高度、噴淋塔漿液池高度以及噴淋塔除霧區高度。其中，吸收區高度是噴淋塔的主要設計尺寸。

2.1 噴淋塔吸收區高度（h1）

吸收塔的平均容積效率，即單位時間單位體積內的氨氣吸收量，用ζ表示：

式中：C為標準狀態下進口煙氣的質量濃度，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為吸收塔內吸收區的高度，單位m；K0為常數，數值取決于煙氣速度u（m/s）和系統的操作溫度t（℃），有K0=3 600u×273/(273+t)。

在噴淋塔操作溫度為75℃時，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，得噴淋塔內吸收區的高度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間來確定：

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

選擇漿液池的內徑和吸收區內徑相等，即D2=D1=0.61m，則：

2.3 噴淋塔除霧區高度（h3）設計

吸收塔一般均裝備除霧器。在正常的運行狀態下，除霧器出口煙氣中的霧滴濃度應該小于30mg/m3[3]。設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%；除霧器內煙氣的流速為4m/s。因此，除霧區的最終高度確定為：h3=3.5m。

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

氨氣回收系統中噴淋塔的設計，如圖1所示。

圖1 噴淋塔

3 精餾塔的設計

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

精餾塔是使混合氣、液相分離，實現其轉換過程的主要設備。一般，精餾塔設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，塔內安裝多層塔板，塔板上有通孔相連。氣、液兩相在塔內各板間逐級接觸，使得兩相的組成成份發生變化，從而實現混合液的精餾提純。本文選擇板式精餾塔作為氨氣回收系統的精餾設備。

3.1 精餾塔塔徑的計算

根據圓管內流量公式，可以得到塔徑與氣體流量及空塔氣速之間的關系[5]，即

式中：D為精餾塔直徑，單位m；Vs為塔內氣體流量，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）精餾塔有效塔高計算板式塔的有效高度由實際塔板數和板間距共同決定：Z=(NP-1)HT（7）式中：Z為有效高度，單位mm；HT為板間距，取400mm；NP為塔實際層數，取11，于是：Z=(NP-1)HT=(11-1)×400=4 000m（2）精餾塔塔頂的計算

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

（3）精餾塔塔底高度的計算

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

H=Z+H0+h=6.5m

4 氨氣回收系統的設計

混合氣體經過壓縮機進入噴淋塔進行噴淋霧化，與磷酸溶液逆向接觸并發生化學反應和熱量傳遞，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氣和氧氣為主，經頂部出口釋放，實現氨氣的回收。噴淋塔底部的磷酸銨溶液可由泵抽送到除油裝置中，祛油后進入緩存罐，再經換熱器被輸送到解析塔中；磷酸銨在解析塔中經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罐，氨氣則由解析塔頂部離開，經再沸器后進入精餾塔。經過再沸器的氨氣從底部進入精餾塔，和從上部噴射下來的蒸汽逆向流動而充分接觸。經過精餾塔塔板的一層層精餾后，實現氨氣的精餾提純，最后通過冷卻器使氨氣不斷降溫，壓縮到氨氣儲罐中。整套氨氣回收系統的工藝流程，如圖2所示。

圖2 氨氣回收系統圖

5 基于組態軟件的氨氣回收系統設計

組態軟件是近年來在工控自動化領域興起的一種新型技術，可用于自動控制系統的監控方面。它提供了監控層的軟件開發平臺和開發環境，通過靈活的組態方式，可使用戶快速構建工業自動控制系統的監控功能[6]。

氨氣回收監控系統主要是對回收系統中的氨氣吸收噴淋塔、解析塔和精餾塔等進行集中監控，通過監控系統與控制系統進行通信，采集各種信號，最終以圖形或動畫的方式直觀呈現化工處理現場的數據，以便對工作流程進行實時監控。

文中氨氣回收監控系統包括了一個主控制系統，還包含噴淋塔氨氣吸收系統、磷酸銨解析系統和氨氣精餾塔系統等分系統。另外，本系統還通過實時趨勢、數據顯示等功能，顯示整個監控系統。

5.1 主控制系統

氨氣回收監控主控制系統的畫面按照系統的工藝流程，將整個回收控制現場的所有系統完整繪制出來，使用戶能夠清楚了解各個系統之間的關系以及整個系統的運行狀態。主控制系統的畫面，如圖3所示。

畫面中，各模擬量測點通過數碼管顯示實時測量值。除此之外，在主控制系統的畫面上還有其他兩個區域：控制塊區域負責整個系統的啟動與停止，控制器區域包含了控制邏輯中的各個PID調節功能，通過點擊相應的按鈕調出相應的對話框。

5.2 分系統

分系統主要包括噴淋吸收塔、磷酸銨解析塔和氨氣精餾塔。在該監控系統中，每個分控制系統都用一個畫面表示，其中包含了相應系統的工藝流程圖、實時趨勢顯示、相關參數的動畫顯示和控制器調用按鈕。如果需要對相應的參數進行調節，可以通過控制器按鈕實現。

圖3 主控制系統畫面

例如：磷酸溶液的濃度比對氨氣回收效果有著直接影響，是一個重要的參數。磷酸溶液的濃度低，則氨氣回收的時間增長；濃度高時，又會影響系統的生產安全。應用組態監控系統可監測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的重要組成部分，經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，實現磷酸銨的分解。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利用；而氨氣則從解析塔的頂部流向精餾塔，準備進行下一個工序。解析塔控制中的主要控制對象是噴淋塔內部的溫度，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，也會影響磷酸溶液的濃度。此項指標亦可由控制系統動態顯示。

精餾塔系統的功能是實現氨氣的精餾提純，最終決定了氨氣回收系統的最終氨氣純度。含氨氣20%的混合氣體在精餾塔內經過提純、精餾后轉化為純度為99.9%的氨氣，再經過冷卻器、壓縮機后進入液氨儲罐，最終實現系統回收氨氣并循環使用的目的。監控系統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 結論

本文根據氨氣回收的基本原理，結合氨氣回收系統的工業要求，對吸收塔的直徑、塔高進行了設計計算，并設計了蒸餾塔的直徑、塔高等參數，建立了完整的回收系統流程圖。另外，文中按照氨氣回收系統的控制要求，選擇利用MCGS工控組態軟件設計氨氣回收系統的監控系統，完成了整個氨氣回收系統的監控功能、實時動畫顯示等功能。通過這種方式實現的監控系統，可以在線模擬氨氣回收系統的各種工作情況，對于真正的回收系統的監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].環境技術，2003，（6）：32-34.

[2]吳忠標.大氣污染控制工程[M].北京，科學出版社，2002：154.

[3]煉油與石油化學工業大氣污染物排放標準[S].2007：354.

[4]王志魁，劉麗英，劉偉.化工原理[M].北京：化學工業出版社，2011：245.

[5]王國勝.化工原理[M].大連：大連理工大學出版社，2013：217.

[6]黎昕，馬雪梅，余志剛，樸洪燮.組態王6.0電力版在水電站的應用[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.

liquid ammonia treatment, spray tower, distillation tower, configuration software