碳酸丙烯酯法脫碳工藝工程設計

1、設計說明脫碳工段是合成氨工程中必不可少的工段之一，二氧化碳吸收塔和溶液再生塔是脫碳過程中不可缺少的塔設備。本文權衡眾多合成氨脫碳方法之利弊，最終選擇碳酸丙烯酯脫碳法。首先進行工藝流程分析并根據(jù)工藝參數(shù)及有關標準進行二氧化碳吸收塔和解析塔內(nèi)的物、熱量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生塔等設備利用物理吸收機理、傳質(zhì)傳熱方程、溶液物性數(shù)據(jù)等方面的知識進行塔體的總體結構設計和計算，設計出二氧化碳吸收塔的塔徑為3.4m，塔高為30m，由于解吸塔塔徑過粗，使用兩塔進行解吸，兩塔各操作條件相同，塔徑為2.4m，填料層高度為16m，然后對二氧化碳吸收和解吸塔進行了必要的強度校核；最后對脫碳工段車間結構布置進

2、行合理的設計。本設計作為理論上的準備工作，為分析工藝流程、設備設計上存在的問題、確定問題的根源、提出解決問題的合理方案準備了充分的理論依據(jù)。關鍵詞：碳酸丙烯酯法；脫碳工藝；工程設計Design elucidationDecarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the Synthetic Ammonia, and the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are indispensable tower

3、equipment in the Synthetic Ammonia. This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarboniza-tion are selected finally. The technological process was analyzed, and the material and heat was balanced according to parameters and relevan

4、t standards firstly. The tower body general structure was designed calculation by using physical absorption Mechanism, mass transfer and heat transfer equation, solution -physical data stc secondly.The diameter of absorption tower is 3.4m, the height of tower is 30m, And then the strength of the Car

5、bon dioxide absorption tower is ecked. The decarbonizing section structural arrangement was reasonable design finally. As the theoretical preparation work, this designing prepare sufficient theoretical basis for people to analysis the problems of technological process, equipment design, determined r

6、oot of problems, posing reasonable plan to solve problems.Keywords: Decarbonization process; Carbon dioxide removal with PC method; Proeess design目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc294188249 設計說明 PAGEREF _Toc294188249 h I HYPERLINK l _Toc294188250 Design elucidation PAGEREF _Toc294188250 h II HYPER

7、LINK l _Toc294188251 主要符號說明 PAGEREF _Toc294188251 h i HYPERLINK l _Toc294188252 1引 言 PAGEREF _Toc294188252 h 1 HYPERLINK l _Toc294188253 2概 述 PAGEREF _Toc294188253 h 2 HYPERLINK l _Toc294188254 2.1 氨的發(fā)現(xiàn)與制取 PAGEREF _Toc294188254 h 2 HYPERLINK l _Toc294188255 2.2 氨的用途 PAGEREF _Toc294188255 h 2 HYPERLI

8、NK l _Toc294188256 2.3我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況 PAGEREF _Toc294188256 h 3 HYPERLINK l _Toc294188257 2.4 合成氨生產(chǎn)的典型流程 PAGEREF _Toc294188257 h 3 HYPERLINK l _Toc294188258 2.5 脫碳在合成氨中的作用和地位 PAGEREF _Toc294188258 h 4 HYPERLINK l _Toc294188259 3工藝流程的確定 PAGEREF _Toc294188259 h 6 HYPERLINK l _Toc294188260 3.1脫碳方法概述 PAGER

9、EF _Toc294188260 h 6 HYPERLINK l _Toc294188261 3.2凈化工序中脫碳方法 PAGEREF _Toc294188261 h 6 HYPERLINK l _Toc294188262 3.2.1化學吸收法 PAGEREF _Toc294188262 h 6 HYPERLINK l _Toc294188263 3.2.2物理吸收法 PAGEREF _Toc294188263 h 8 HYPERLINK l _Toc294188264 3.2.3物理化學吸收法 PAGEREF _Toc294188264 h 10 HYPERLINK l _Toc294188

10、265 3.2.4固體吸附 PAGEREF _Toc294188265 h 10 HYPERLINK l _Toc294188266 3.3碳酸丙烯酯（PC）法脫碳工藝基本原理 PAGEREF _Toc294188266 h 10 HYPERLINK l _Toc294188267 3.3.1PC法脫碳技術國內(nèi)外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc294188267 h 10 HYPERLINK l _Toc294188268 3.3.2發(fā)展過程 PAGEREF _Toc294188268 h 10 HYPERLINK l _Toc294188269 3.3.3技術經(jīng)濟 PAGEREF _Toc29

11、4188269 h 11 HYPERLINK l _Toc294188270 3.3.4碳酸丙烯酯法脫碳工藝條件的確定 PAGEREF _Toc294188270 h 11 HYPERLINK l _Toc294188271 3.3.4操作壓力的確定 PAGEREF _Toc294188271 h 12 HYPERLINK l _Toc294188272 3.3.5工藝流程 PAGEREF _Toc294188272 h 12 HYPERLINK l _Toc294188273 4 吸收塔的工藝設計 PAGEREF _Toc294188273 h 14 HYPERLINK l _Toc2941

12、88274 4.1設計依據(jù) PAGEREF _Toc294188274 h 14 HYPERLINK l _Toc294188275 4.1.1碳酸丙烯酯（PC）的物理性質(zhì) PAGEREF _Toc294188275 h 14 HYPERLINK l _Toc294188276 4.1.2比熱計算式 PAGEREF _Toc294188276 h 14 HYPERLINK l _Toc294188277 4.1.3 CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 PAGEREF _Toc294188277 h 14 HYPERLINK l _Toc294188278 4.1.4 CO2在碳酸丙烯酯（PC

13、）中的溶解熱 PAGEREF _Toc294188278 h 14 HYPERLINK l _Toc294188279 4.1.5運行時間 PAGEREF _Toc294188279 h 14 HYPERLINK l _Toc294188280 4.2計算依據(jù) PAGEREF _Toc294188280 h 15 HYPERLINK l _Toc294188281 4.2.1 CO2在PC中亨利系數(shù)數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc294188281 h 15 HYPERLINK l _Toc294188282 4.2.2 PC密度與溫度的關系 PAGEREF _Toc294188282 h 16

14、 HYPERLINK l _Toc294188283 4.2.3 PC蒸汽壓的影響 PAGEREF _Toc294188283 h 17 HYPERLINK l _Toc294188284 4.2.4 PC的粘度 PAGEREF _Toc294188284 h 17 HYPERLINK l _Toc294188285 4.2.5工藝流程確定 PAGEREF _Toc294188285 h 17 HYPERLINK l _Toc294188286 4.3物料衡算 PAGEREF _Toc294188286 h 18 HYPERLINK l _Toc294188287 4.3.1各組分在PC中的溶

15、解量 PAGEREF _Toc294188287 h 18 HYPERLINK l _Toc294188288 4.3.2溶劑夾帶量 PAGEREF _Toc294188288 h 19 HYPERLINK l _Toc294188289 4.3.3溶液帶出的氣量 PAGEREF _Toc294188289 h 19 HYPERLINK l _Toc294188290 4.3.4出脫碳塔凈化氣量 PAGEREF _Toc294188290 h 20 HYPERLINK l _Toc294188291 4.3.5計算PC循環(huán)量 PAGEREF _Toc294188291 h 20 HYPERLI

16、NK l _Toc294188292 4.3.6出塔氣體的組成 PAGEREF _Toc294188292 h 20 HYPERLINK l _Toc294188293 4.4計算數(shù)據(jù)總表 PAGEREF _Toc294188293 h 20 HYPERLINK l _Toc294188294 4.4.1混合氣體的定壓比熱容 PAGEREF _Toc294188294 h 21 HYPERLINK l _Toc294188295 4.4.2液體的比熱容 PAGEREF _Toc294188295 h 22 HYPERLINK l _Toc294188296 4.4.3.CO2的溶解熱 PAGE

17、REF _Toc294188296 h 23 HYPERLINK l _Toc294188297 4.4.4出塔溶液的溫度 PAGEREF _Toc294188297 h 23 HYPERLINK l _Toc294188298 4.5 設備計算 PAGEREF _Toc294188298 h 23 HYPERLINK l _Toc294188299 4.5.1 物性數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc294188299 h 24 HYPERLINK l _Toc294188300 4.5.2 脫碳塔泛點速度計算 PAGEREF _Toc294188300 h 26 HYPERLINK l _Toc

18、294188301 4.5.3 脫碳塔塔徑計算 PAGEREF _Toc294188301 h 27 HYPERLINK l _Toc294188302 4.5.4 填料層高度計算 PAGEREF _Toc294188302 h 28 HYPERLINK l _Toc294188303 4.6 輔助設備設計 PAGEREF _Toc294188303 h 32 HYPERLINK l _Toc294188304 4.6.1液體分布裝置 PAGEREF _Toc294188304 h 32 HYPERLINK l _Toc294188305 4.6.2 填料支承裝置 PAGEREF _Toc29

19、4188305 h 32 HYPERLINK l _Toc294188306 4.6.3液體再分布裝置 PAGEREF _Toc294188306 h 33 HYPERLINK l _Toc294188307 4.6.4氣體分布器 PAGEREF _Toc294188307 h 33 HYPERLINK l _Toc294188308 4.6.5床層限制板 PAGEREF _Toc294188308 h 34 HYPERLINK l _Toc294188309 4.6.6 裙座及人孔 PAGEREF _Toc294188309 h 34 HYPERLINK l _Toc294188310 4.

20、7塔體強度校核 PAGEREF _Toc294188310 h 34 HYPERLINK l _Toc294188311 4.7.1筒體強度校核 PAGEREF _Toc294188311 h 34 HYPERLINK l _Toc294188312 4.7.2 封頭設計 PAGEREF _Toc294188312 h 35 HYPERLINK l _Toc294188313 4.7.3 塔裙座高度 PAGEREF _Toc294188313 h 36 HYPERLINK l _Toc294188314 4.7.4 塔體載荷計算 PAGEREF _Toc294188314 h 36 HYPER

21、LINK l _Toc294188315 4.7.5 接管管徑計算 PAGEREF _Toc294188315 h 38 HYPERLINK l _Toc294188316 5 解吸塔的工藝設計 PAGEREF _Toc294188316 h 40 HYPERLINK l _Toc294188317 5.1 確定解吸塔塔徑及相關參數(shù) PAGEREF _Toc294188317 h 40 HYPERLINK l _Toc294188318 閃蒸過程的物料恒算 PAGEREF _Toc294188318 h 40 HYPERLINK l _Toc294188319 5.1.1求取解析塔操作氣速 P

22、AGEREF _Toc294188319 h 40 HYPERLINK l _Toc294188320 5.1.2求取塔徑 PAGEREF _Toc294188320 h 41 HYPERLINK l _Toc294188321 5.1.3核算操作氣速 PAGEREF _Toc294188321 h 42 HYPERLINK l _Toc294188322 5.1.4核算徑比 PAGEREF _Toc294188322 h 42 HYPERLINK l _Toc294188323 5.1.5校核噴淋密度 PAGEREF _Toc294188323 h 42 HYPERLINK l _Toc29

23、4188324 5.2 填料層高度的計算 PAGEREF _Toc294188324 h 42 HYPERLINK l _Toc294188325 5.2.1建立相應的操作線方程和向平衡方程 PAGEREF _Toc294188325 h 42 HYPERLINK l _Toc294188326 5.2.2利用兩線方程求取傳質(zhì)推動力 PAGEREF _Toc294188326 h 43 HYPERLINK l _Toc294188327 5.2.3傳質(zhì)單元數(shù)的計算 PAGEREF _Toc294188327 h 44 HYPERLINK l _Toc294188328 5.2.4氣相總傳質(zhì)單元

24、高度 PAGEREF _Toc294188328 h 44 HYPERLINK l _Toc294188329 5.2.5塔附屬高度 PAGEREF _Toc294188329 h 48 HYPERLINK l _Toc294188330 5.2.6填料層壓降計算 PAGEREF _Toc294188330 h 49 HYPERLINK l _Toc294188331 5.2.7初始分布器和再分布器設計 PAGEREF _Toc294188331 h 50 HYPERLINK l _Toc294188332 5.2.8氣體分布器 PAGEREF _Toc294188332 h 51 HYPER

25、LINK l _Toc294188333 5.2.9絲網(wǎng)除沫器 PAGEREF _Toc294188333 h 51 HYPERLINK l _Toc294188334 6 車間布置 PAGEREF _Toc294188334 h 52 HYPERLINK l _Toc294188335 6.1 車間布置要考慮的問題 PAGEREF _Toc294188335 h 52 HYPERLINK l _Toc294188336 6.2 廠房布置 PAGEREF _Toc294188336 h 52 HYPERLINK l _Toc294188337 6.2.1 廠房平面布置 PAGEREF _Toc

26、294188337 h 52 HYPERLINK l _Toc294188338 6.2.2 設備布置的安全距離 PAGEREF _Toc294188338 h 52 HYPERLINK l _Toc294188339 6.3 車間內(nèi)輔助室和生活室布置 PAGEREF _Toc294188339 h 53 HYPERLINK l _Toc294188340 7存在的問題及解決方法 PAGEREF _Toc294188340 h 54 HYPERLINK l _Toc294188341 7.1 碳丙法脫碳裝置存在的問題及改造措施 PAGEREF _Toc294188341 h 54 HYPERL

27、INK l _Toc294188342 7.1.1吸收塔堵塔 PAGEREF _Toc294188342 h 55 HYPERLINK l _Toc294188343 7.1.2加強溶劑回收，降低消耗 PAGEREF _Toc294188343 h 55 HYPERLINK l _Toc294188344 7.2改造措施 PAGEREF _Toc294188344 h 55 HYPERLINK l _Toc294188345 7.2.1 吸收塔改造 PAGEREF _Toc294188345 h 55 HYPERLINK l _Toc294188346 7.2.2降低溶劑溫度 PAGEREF

28、_Toc294188346 h 55 HYPERLINK l _Toc294188347 7.3小結 PAGEREF _Toc294188347 h 56 HYPERLINK l _Toc294188348 工藝參數(shù)一覽表 PAGEREF _Toc294188348 h 57 HYPERLINK l _Toc294188349 參考文獻 PAGEREF _Toc294188349 h 58 HYPERLINK l _Toc294188350 致謝 PAGEREF _Toc294188350 h 59 TC o 1-3 主要符號說明符號意義和單位符號意義和單位比熱容 DCO2的擴散系數(shù)T/ cm

29、2 /s純氣體組分的黏度， MPas氣體的摩爾流率kmol/m2h關聯(lián)指數(shù)V氣體質(zhì)量流率，kg/（m2h）表面張力，kg/h2L液體質(zhì)量流率，kg/（m2h）液相傳質(zhì)系數(shù)， kmol/（m3hatm）H0塔附屬高度，m體積傳質(zhì)系數(shù)， kmol/（m3h）傳質(zhì)單元高度，mZ塔高，m填料層壓降，Pa壓力降，Pa液泛氣速，m/s密度，填料的總比表面積，CO2的氣相分壓操作氣速，m/s熱力學溫度，KC腐蝕裕量，mmG入塔氣體的摩爾流率，kmol/（m2s）m2封頭的質(zhì)量，kgn筒體名義厚度，mm填料形狀系數(shù)塔內(nèi)徑，mm填料材質(zhì)的臨界表面張力p鮑爾環(huán)填料的堆積密度，kg/m3g重力加速度，平臺、扶梯質(zhì)量

30、，kgN總布液點數(shù)，個籠式扶梯的單位質(zhì)量，kg/m溶解熱，全塔操作質(zhì)量，kg干填料因子T1塔自振周期，s塔截面積，脈動增大系數(shù)，標準狀態(tài)下溫度，氣體處理量，填料因子，塔頂出塔氣體量，軸向許用壓應力，MPa塔底出氣量，空間距離，溫度，通用氣體常數(shù)粘度，泛點空塔速率，溶解熱，入塔氣體平均分子量，出塔液體溫度，摩爾比1引 言氨的用途很廣，在國民生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。在合成氨的過程中，經(jīng)變換后的合成氣含有較多的二氧化碳，如不將其清除，在合成氨生產(chǎn)時二氧化碳會使合成氨催化劑中毒。此外，二氧化碳是制造尿素、純堿、碳酸氫銨等的重要原料，二氧化碳的脫除和回收利用是脫碳過程的雙重任務，也在合成氨中占有較重要

31、的地位。本課題是年產(chǎn)九萬噸合成氨廠脫碳工段的初步設計。設計的目的是為了尋找出一套合理的脫碳工藝，獲得純度較高的凈化氣，提高二氧化碳的回收率，簡化流程，降低能耗，達到較高的經(jīng)濟效益指標。設計內(nèi)容主要包括生產(chǎn)工藝的確定和比較，物料衡算和能量衡算，設備的選型與設計和管道尺寸設計以及繪制帶控制點的工藝流程圖和一張主體設備結構圖。由于脫碳分離過程中，溶液吸收和再生是可逆過程，所以溶液的濃度、循環(huán)量以及吸收和再生的溫度、壓力都需要進行合理的選擇，這就是本課題所要解決的關鍵問題。在本設計中，主要是參考相關資料進行選擇。本次設計力求以理論為基礎，貼近實際為目標，爭取讓設計更合理。但由于本人水平有限，經(jīng)驗不足，

32、時間有限，資料收集不全面等因素，本次設計難免有疏漏甚至錯誤，敬請老師批評指正。2概 述2.1 氨的發(fā)現(xiàn)與制取1898年，德國A.弗蘭克等人發(fā)現(xiàn)空氣中的氮能被碳化鈣固定而生成氰氨化鈣（又稱石灰氮），進一步與過熱水蒸氣反應即可獲得氨： CaCN23H2O（g）2NH3（g）CaCO3在合成氨工業(yè)化生產(chǎn)的歷史中，合成氨的生產(chǎn)規(guī)模（以合成塔單塔能力為依據(jù)）隨著機械、設備、儀表、催化劑等相關產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展而有了極大提高。50年代以前，最大能力為200噸/日，60年代初為400噸/日，美國于1963年和1966年分別出現(xiàn)第一個600t/d和1000t/d的單系列合成氨裝置，在60-70年代出現(xiàn)1500-3

33、000t/d規(guī)模的合成氨。世界上85%的合成氨用做生產(chǎn)化肥，世界上99%的氮肥生產(chǎn)是以合成氨為原料。雖然全球一體化的發(fā)展減少了用戶的選擇范圍，但市場的穩(wěn)定性卻相應地增加了，世界化肥生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是越來越集中到那些原料豐富且價格便宜的地區(qū)。19世紀中葉，煉焦工業(yè)興起，生產(chǎn)焦炭過程中制得了氨。煤中的氮約有20%25%轉化為氨，煤氣中氨含量為811g/m3，因而可從副產(chǎn)焦爐氣中回收氨。但這樣回收的氨量不能滿足需要，促使人們研究將空氣中的游離態(tài)氮變成氨的方法，20世紀初先后實現(xiàn)了氰化法和直接合成法制氨的工業(yè)方法。2.2 氨的用途氨是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。除液氨可直接氯水以及

34、各種含氮混肥和復肥，都是以氨作為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學纖維及塑料。從氨可以制得硝酸，進而再制造硝酸銨、硝化甘油、硝基纖維素等。在化纖和塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素等作為氮源，生產(chǎn)己二胺、人造絲等產(chǎn)品。氨的其它工業(yè)用途也十分廣泛，例如，用作制冰、空調(diào)等系統(tǒng)的制冷濟，在冶金工業(yè)中用來提煉礦石中的銅等金屬，在醫(yī)藥和生物化學方面用作生產(chǎn)磺胺類藥物、維生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。所以說合成氨在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，

35、例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況 解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸，而1982年達到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。近幾年來，我國引進了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設備。我國自行設計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術和設備都很先進。2.4 合成氨生產(chǎn)的典型流程目前企業(yè)大多采用直接合成氨法生產(chǎn)氨，即根據(jù)化學反應式N2+3H2=2NH3來設計工藝。它除了水電解法以外，不管用什么原料得

36、到的粗原料氣中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而這些不純物都是氨合成催化劑的毒物。因此，在把粗原料氣送去氨合成以前，需要把這些雜質(zhì)除去。這樣氨合成生產(chǎn)的原料氣過程就包括下述主要步驟。一是造氣：即制備含有氫、氮和一氧化碳的粗原料氣。二是凈化：采用適當?shù)姆椒ǔピ蠚庵袣洹⒌酝獾碾s質(zhì)。主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。三是壓縮和合成：將純凈的氮、氫混合氣體壓縮到高壓，在鐵催化劑與高溫條件下合成氨。由于我國煤炭目前儲存量還比較多，所以本設計采用以煤炭為原料來制取合成氨的粗原料氣。以煤炭為原料制取粗原料氣合成氨的流程是采用間歇的流化床氣化法生產(chǎn)半水煤氣，經(jīng)過變換，脫碳，銅氨液除少

37、量二氧化碳、一氧化碳等凈化步驟后可獲得合格的氮氫混合物，然后在鐵催化劑存在和適當?shù)臏囟?、壓力條件下合成氨。下面從合成原料氣的三個步驟詳細論述： = 1 * GB3 造氣：因為空氣中含有71%的氮氣，目前已經(jīng)有很多的技術從空氣中分離出滿足上述反應的氮氣，所以造氣就是提供維持該反應的氫氣的過程。最早的造氣光陰就是將煤或焦碳在高溫下與水反應生成水煤氣或半水煤氣，這種混合氣體就是原料氣。這種工藝在二十世紀前半期一直是主流造氣工藝，而且一直沿用至今。二十世紀六十年代出現(xiàn)了以天然氣、石油重油、石腦油等新的造氣原料。由于天然氣、油田氣、石油這樣的原料可以用管道輸送，其設施投資成本比固態(tài)原料設施要低很多，所以

38、該工藝自發(fā)明以來就逐漸取代了煤炭造氣工藝。但從目前能源的儲量、開采和消耗走勢來看，煤炭造氣可能要重新被重視。 = 2 * GB3 凈化粗合成氣：主要是對合成氣中的硫化物、碳的氧化物等有害雜質(zhì)進行脫除的過程。對于半水煤氣，主要含無機硫（H2S），有機硫包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CS2），硫醇（RSH），硫醚（RSR），噻吩（C4H4S）等；天然氣中主要是無機硫（H2S）。天然氣、石油重油、石腦油等中的硫化物的含量因產(chǎn)地不同而不同。但是這些硫化物不但使產(chǎn)品不純凈，更重要的是它們對設備有極強烈的腐蝕作用，而且特別容易使催化劑中毒失活。脫硫的方法歸納起來分濕法和干法兩類。濕法包括物理法、化學法

39、、物理-化學法三種，但濕法脫硫精度不及干法。干法脫硫適合脫出低量或微量，其也有物理吸附和化學吸附之分。通常干法脫硫裝置設備龐大復雜。脫碳是凈化合成氣的另有個重要步驟，因為任何方法制取的原料氣都含有CO和一定量的CO2，其體積分數(shù)一般為12%40%。而CO在生產(chǎn)過程中還可能被氧化為CO2，而在后續(xù)工段中CO2容易使催化劑中毒，容易在某些低溫工段固化成干冰堵塞管道設備，在甲烷化過程中還會消耗大量H2生成無用氣體CH4。而對CO2加以回收可以在尿素、碳酸氫銨等產(chǎn)品的生產(chǎn)中利用。可見脫碳的意義是十分重大的。因為本設計的題目就是合成氨脫碳工段的工藝設計，所以不在此對其贅述，在后面有對脫碳工段的詳細介紹。

40、總的說來，對于粗合成氣的凈化是系統(tǒng)而且復雜的工作，它不僅關系產(chǎn)品質(zhì)量，也對生產(chǎn)中能量的綜合利用，環(huán)境的保護有重要的影響。脫硫脫碳后還需要對原料氣進行最終凈化，將原料氣中少量的CO和CO2除去，使其總量不超過10cm3/m3。最終凈化有銅氨液吸收法、深冷分離法和甲烷化法。 = 3 * GB3 氨的合成：將純凈的氫、氨混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在下進行的由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反應氫氮氣循環(huán)的流程。氨合成反應式如下：N2+3H22NH3(g) =-92.4kJ/

41、mol工業(yè)中反應壓力在10-35MPa之間，根據(jù)能量利用合理來取值。關于催化劑，人們已經(jīng)開發(fā)出一系列催化劑，但比較廣泛使用的是壽命比較長，活性良好而且價廉易得的鐵系催化劑。該催化劑早期制備時還加入了促進劑。對于產(chǎn)品的分離，目前工業(yè)上有兩種方法：水吸收法和冷凝法。2.5 脫碳在合成氨中的作用和地位脫碳也就是二氧化碳的脫除和回收，它屬于原料氣的凈化階段。因為無論是固體燃料還是以烴類為原料制得的原料氣經(jīng)一氧化碳變換后都含有15%40%的二氧化碳。而在合成氨生產(chǎn)過程中經(jīng)過變換后氣體一般含有21%30%的二氧化碳。它不僅會使氨合成催化劑中毒，而且給清除少量一氧化碳的過程帶來困難。例如：采用銅氨液洗滌法時

42、二氧化碳與其中的氨生成碳酸氨，而且會形成晶體堵塞管道和設備；采用液氨洗滌時，它容易固化成干冰也會堵塞管道與設備；在甲烷化過程中二氧化碳過多會消耗大量的氫又生成無用的氣體甲烷。又因為按合成工序補充氣中必須滿足CO和CO2含量小于20PPm。此外，二氧化碳又是制造尿素、碳酸氫氨、純堿的原料。因此，在合成系統(tǒng)前不但必須將二氧化碳氣體清除干凈而且還必須回收利用。二氧化碳的脫除和回收利用是脫碳過程的雙重任務，也在合成氨中占有較重要的地位。3工藝流程的確定3.1脫碳方法概述由變換工序來的低變氣進脫碳系統(tǒng)的吸收塔，經(jīng)物理吸收或者化學吸收法吸收二氧化碳。出塔氣中二氧化碳含量要求小于0.1%。為了防止氣體夾帶出

43、脫碳液，脫碳后的液體進人洗滌塔，用軟水洗去液沫后再進入甲烷化換熱器。脫碳塔出來的富液經(jīng)換熱器后，減壓送至二氧化碳再生塔，用蒸汽加熱再沸器，再脫去二氧化碳。由再生塔頂出來的CO2，經(jīng)空冷器和水冷器，氣體溫度降至40，再經(jīng)二氧化碳分離器除去冷凝水，送到尿素車間作原料。再生后的脫碳液（貧液），先進溶液空冷器，冷卻至65左右，由溶液循環(huán)泵加壓，再經(jīng)溶液水冷器冷卻至40后，送入二氧化碳吸收塔循環(huán)使用。3.2凈化工序中脫碳方法在合成氨的整個系統(tǒng)中，脫碳單元將為系統(tǒng)關鍵主項，脫碳工序運行的好壞，直接關系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置和尿素裝置的能力。CO2是一種酸性氣體，對合成氨合

44、成氣中CO2的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。根據(jù)CO2與溶劑結合的方式，脫除CO2的方法有化學吸收法、物理吸收物理法和化學吸收法三大類。3.2.1化學吸收法化學吸收法即利用CO2是酸性氣體的特點，采用含有化學活性物質(zhì)的溶液對合成氣進行洗滌，CO2與之反應生成介穩(wěn)化合物或者加合物，然后在減壓條件下通過加熱使生成物分解并釋放CO2，解吸后的溶液循環(huán)使用。化學吸收法脫碳工藝中，有兩類溶劑占主導地位，即烷鏈醇胺和碳酸鉀?；瘜W吸收法常用于CO2分壓較低的原料氣處理。 = 1 * GB3 烷鏈醇胺類的脫碳工藝有： = 1 * GB2 -乙醇胺(monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，ME

45、A)法； = 2 * GB2 甲基二乙醇胺（methyl diethanolamine，CH3N(CH2CH2OH)2，MDEA）法；活化MDEA法（即aMDEA工藝）。（2）碳酸鉀溶液作吸收劑的脫碳工藝，即熱鉀堿脫碳工藝有：無毒G-V法；苯菲爾法；催化熱鉀堿（Cata carb）法；Flexsorb法2。1）MEA法MEA法是一種比較老的脫碳方法。吸收過程中，MEA與CO2發(fā)生反應生成碳酸化合物，經(jīng)過加熱即可將CO2分解出來。該法的最大優(yōu)點是可以在一個十分簡單的裝置中，把合成氣中的CO2脫除到可以接受的程度。但它本身存在兩個缺點：（1） CO2能與吸收反應生成的碳酸化合物發(fā)生進一步反應生成酸

46、式碳酸鹽，該鹽較穩(wěn)定，不易再生；（2） CO2能與MEA發(fā)生副反應，生成腐蝕性較強的氨基甲酸醋，容易形成污垢。2）甲基二乙醇胺MDEAMDEA法脫碳過程中，CO2與甲基二乙醇胺(MDEA，一種叔胺)生成的碳酸鹽穩(wěn)定性較差，分解溫度低，且無腐蝕性。相對其它工藝，MDEA法有以下優(yōu)點：（1）能耗和生產(chǎn)費用低；（2）脫碳效率高，凈化氣中CO2含量可小于100ppm；（3）使用范圍廣，可用于大、中、小各型合成氨廠；（4）溶劑穩(wěn)定性好；（5）溶劑無毒、腐蝕性極小；（6）能同時脫硫。由于MDEA具有以上優(yōu)點，所以不需要毒性防腐劑，設備管道允許采用廉價碳鋼材料，不需要鈍化過程，耗熱低，設備管道不需要伴熱盤管

47、，能達到很好的節(jié)能效果3。在MDEA溶液中添加少量活化劑即為MDEA法，活化劑為瞇哇、甲基咪哇等，濃度約為2-5%。活性MDEA工藝開發(fā)于20世紀60年代末，第一套活化MDEA脫碳工藝裝置是1971年在德國BAFS公司氨三廠投入使用在此后的幾年里，另有8套裝置采用了活化MDEA，這些裝置的成功使用，使得MDEA工藝自1982年后備受歡迎。我國在大型裝置中使用MDEA脫碳工藝，烏魯木齊石化公司化肥廠屬于首例4。BAFS公司推出的MDEA脫碳工藝，主要用于對原來MEA工藝的改造，近幾年我國一些研究單位正在對這方面進行積極的研究。3）低熱耗苯菲爾法相對上述脫除CO2的吸收劑溶液，碳酸鉀溶液更價廉易得

48、，并具有低腐蝕，操作穩(wěn)定，吸收CO2能力較強等特性。但碳酸鉀溶液本身吸收CO2的速度緩慢，需要添加一些活化劑。其中如無毒G-V法工藝就是由意大利Giammaro-Vetrocoke公司所開發(fā)，最初使用的活化劑和緩蝕劑為As2O3，但對人體有毒。后來有人用氨基乙酸取代As2O3，消除了毒性，成為無毒G-V法。我國棲霞山化肥廠就采用了這種工藝。由美國聯(lián)碳公司開發(fā)的低熱耗苯菲爾法，用二乙醇胺(DEA)作活化劑，V2O5作為腐蝕防護劑。我國于20世紀90年代相繼以布朗工藝建了4套裝置，即錦西天然氣化工廠、建峰化肥廠、四川天華公司化肥廠和烏魯木齊石化總廠第二化肥廠，規(guī)模都是日產(chǎn)氨1000噸。低熱耗苯菲爾

49、工藝是由美國聯(lián)碳公司在傳統(tǒng)苯菲爾工藝基礎上開發(fā)的，采用了節(jié)能新技術。國內(nèi)在20世紀70年代引進的13套大型化肥裝置中，有10套采用苯菲爾脫碳工藝。從1985年起，己有7套進行了用低熱耗苯菲爾工藝改造。國內(nèi)新建的以天然氣為原料的大型合成氨裝置，脫碳系統(tǒng)也多采用低熱耗苯菲爾工藝，如錦天化廠、建峰廠、天華公司等。中海石油化學有限公司合成氨裝置脫碳系統(tǒng)采用改良型苯菲爾流程5。苯菲爾法可在高溫下運行，再生熱低，添加的V2O5可防腐蝕，但該工藝需對設備進行釩化處理，要求工人的操作水平較高，并且浪費溶劑，能耗大，特別蒸汽用得多，有效氣體損失也大，運行成本高等缺點。3.2.2物理吸收法物理洗滌是CO2被溶劑吸

50、收時不發(fā)生化學反應，溶劑減壓后釋放CO2 (不必加熱)，解吸后的溶液循環(huán)使用。相對化學吸收法，物理洗滌法的最大優(yōu)點是能耗低， CO2不與溶劑形成化合物，減壓后絕大部分CO2被閃蒸出來，然后采用氣提或負壓實現(xiàn)溶劑的完全再生。這就使得工藝投資省、能耗低、工藝流程簡單。物理吸收法主要有Selxeol法、Elour法、變壓吸附法及低溫甲醇法等6。物理吸收法常用于高CO2分壓的原料氣處理。NHD法NHD法被認為是目前能耗最低的脫碳工藝之一，該法使用的溶劑為聚乙二醇二甲醚的混合物，其分子式為CH3-O-（CH2-CH2-O)n-CH2，式中n=2-8。NHD是兗礦魯南化肥廠與南京化學工業(yè)集團公司研究院、杭

51、州化工研究所共同開發(fā)成功的一種物理吸收硫化氫和二氧化碳等酸性氣體的高效溶劑7。NHD氣體凈化技術改造系脫除酸性氣體的物理吸收新工藝，適合于合成氣、天然氣、城市煤氣等的脫硫脫碳。NHD具有對設備無腐蝕，對CO2、H2S等酸性氣體的吸收能力強、蒸汽壓低，揮發(fā)性小、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好、不會起泡，無腐蝕性等優(yōu)點，并且該法在NHD的再生過程中幾乎不需要能量，通常利用空分裝置富余的低壓氮氣在氣提塔進行脫碳富液的氣提再生，其優(yōu)點是減少利用空氣氣提帶來系統(tǒng)內(nèi)NHD溶液含水量的富集，省去了空氣水冷、氣水分離及NHD脫水設備，節(jié)約了投資，簡化了流程8。碳酸丙烯酯法(PC)法碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯為吸收劑的脫

52、碳方法。其原理是利用在同樣壓力、溫度下，二氧化碳、硫化氫等酸性氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度比氫、氮氣在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多來脫除二氧化碳和硫化氫而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是隨壓力升高和溫度的降低而增加的，CO2等酸性氣體在碳丙溶劑中溶解量一般可用亨利定律來表達，因而在較高的壓力下，碳酸丙烯酯吸收了變換氣中的二氧化碳等酸性氣體，在較低的壓力下二氧化碳能從碳酸丙烯酯溶液中解吸出來，使碳酸丙烯酯溶液再生，重新恢復吸收二氧化碳等酸性氣體的能力。碳酸丙烯酯法具有溶解熱低、粘度小、蒸汽壓低、無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕、流程操作簡單等優(yōu)點。該法CO2的回收率較高，能耗較低，但投資費用較高。適用于吸

53、收壓力較高、CO2凈化度不很高的流程，國內(nèi)主要是小型廠使用。用碳丙液作為溶劑來脫除合成氨變換氣中CO2工藝是一項比較適合我國國情的先進技術，與水洗工藝比較，除具有物理吸收過程顯著的節(jié)能效果外，在現(xiàn)有的脫碳方法中，由于它能同時脫除二氧化碳、硫化氫及有機硫化物，加上再生無需熱能，能耗較低等優(yōu)勢，在國外合成氨和制氫工業(yè)上已得到泛應用。圖3.1 碳酸丙烯酯脫碳流程變壓吸附氣體分離凈化技術，簡稱PSA（Pressure Swing Adsorption）。變壓吸附法是近幾年才用于合成氣凈化的，它屬于干法，采用固體吸附劑在改變壓力的情況下，進行（加壓）吸附CO2或（減壓）解吸。變壓吸附法分離氣體混合物的基

54、本原理是利用某一種吸附劑能使混合氣體中各組份的吸附容量隨著壓力變化而產(chǎn)生差異的特性，選擇吸附和解吸再生兩個過程，組成交替切換的循環(huán)工藝，吸附和再生在相同溫度進行?？捎么朔ǜ脑煨⌒桶睆S，將低能耗，在大型氨廠使用顯得困難。為了達到連續(xù)分離的目的，變壓吸附脫碳至少需要兩個以上的吸附塔交替操作，其中必須有一個吸附塔處于選擇吸附階段，而其它塔則處于解吸再生階段的不同步驟。在每次循環(huán) 中，每個吸附塔依次經(jīng)歷吸附、多次壓力均衡降、逆向放壓、抽空、多次壓力均衡升、最終升壓等工藝步驟。目前，此種類型的裝置在全國合成氨廠已廣泛采用。如四川什邡某氮肥廠為天然氣富氧造氣，變換氣脫碳采用我公司近年來開發(fā)的節(jié)能型變壓吸附

55、脫碳新工藝，多塔進料，多次均壓，并實現(xiàn)了吸附塔和真空泵的新組合，同時對吸附劑、程控閥門、控制系體回收率大大提高，能耗進一步降低，裝置投資也有所減少。低溫甲醇洗法低溫甲醇洗工藝（Rectisol Process）系由德國林德公司（Linde）和魯奇公司（Lurgi）開發(fā)，是利用甲醇溶劑對各種氣體溶解度的顯著差別，可同時或分段脫除H2S、CO2和各種有機硫等雜質(zhì)，具有氣體凈化度高、選擇性好、溶液吸收能力強，操作費用低等特點，是一種技術先進、經(jīng)濟合理的氣體凈化工藝。自1954年Lurgi公司在南非Sasol建成世界上第一套工業(yè)規(guī)模的示范性裝置以來，目前有100余套裝置投入運行，尤其是大型渣油氣化和煤

56、氣化裝置的氣體凈化均采用低溫甲醇洗工藝。低溫甲醇(Rectisol)法具有一次性脫除CO2，溶液便宜易得，能耗低，適用范圍廣泛等特點。但該法投資很大，我國鎮(zhèn)海煉化廠大化肥等四家以重油和煤為原料的合成氨裝置使用了低溫甲醇法脫除CO2。3.2.3物理化學吸收法物理化學吸收法脫除CO2工藝主要有環(huán)丁砜(Sulfinol)法和常溫甲醇(Amisol)法，物理化學吸收法常用于中等CO2分壓的原料氣處理。環(huán)丁砜法中所使用的溶劑由是環(huán)丁礬、二異丙醇胺與水組成，能同時吸收CO2和硫的化合物，且吸收速度快，凈化度高，但再生耗熱多，目前只有一些中小型廠使用。常溫甲醇法是在甲醇中加入了二乙醇胺，當CO2分壓升高時，

57、以其在甲醇中溶解的物理吸收為主；當CO2分壓較低時，以其與二乙醇胺發(fā)生化學反應的化學吸收為主，該法應用范圍廣，凈化率高，但對H2S和CO2的選擇性較差，己很少使用。3.2.4固體吸附固體吸附是CO2在加壓時被吸附在多孔狀固體上，減壓時吸附的CO2被解吸，亦稱變壓吸附。3.3碳酸丙烯酯（PC）法脫碳工藝基本原理3.3.1PC法脫碳技術國內(nèi)外現(xiàn)狀PC為環(huán)狀有機碳酸酯類化合物，分子CH3CHOCO2CH2，該法在國外稱Fluor法。PC法是南化集團研究院等單位于20世紀70年代開發(fā)的技術，1979年通過化工部鑒定。據(jù)初步統(tǒng)計，已有150余家工廠使用PC技術，現(xiàn)有裝置160余套，其中大型裝置兩套，其余

58、為中小型裝置。大部分用于氨廠變換氣脫碳?？偯撎寄芰s300萬噸合成氨/年，其中配尿素型應用較多，占60%左右，至今該法仍是聯(lián)堿、尿素、磷銨等合成氨廠使用最廣的脫碳方法，其開工裝置數(shù)為MDEA、NHD法總和的數(shù)倍。3.3.2發(fā)展過程PC技術的應用，主要經(jīng)歷了兩個階段：第一階段始于70年代末，兩個小氮肥廠用PC法代替水洗法脫CO2的工業(yè)試驗裝置獲得成功，取得了明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。加之PC法在工藝上與水洗法相似，改造費用低，很快在一些小氮肥企業(yè)中推廣應用；第二階段，20世紀90年代以來，隨著小化肥改變碳銨單一產(chǎn)品結構，適應市場需要，采用脫碳增氨轉產(chǎn)尿素或聯(lián)醇等方法，以提高經(jīng)濟效益，增強小化肥的

59、竟爭能力。為此，需要增設一套變換氣脫碳裝置，由于PC技術為典型的物理吸收過程，流程簡單，投資少，節(jié)能明顯，技術易于掌握。因此，很快得到了推廣，并擴大了應用范圍，技術上也趨于成熟。3.3.3技術經(jīng)濟由于碳丙脫碳純屬物理過程，因而它的能耗主要消耗在輸送流體所須的電能。碳丙溶劑對CO2等酸性氣體的吸收能力較大，一般為同條件下水吸收能力的4倍。因此，代替水洗法脫除變換氣中CO2不但滿足銅洗要求，而且回收CO2的濃度和回收率也能滿足尿素、聯(lián)堿生產(chǎn)的要求。與水洗法相比可節(jié)省電耗150-250KWh/tNH3，可節(jié)省操作費10-25元/t NH3。因而應用碳丙脫碳的廠家均可獲得明顯的節(jié)能效果。但這種效果隨著

60、工藝配置、設備、操作狀況，處理規(guī)模和目的的不同而差異較大。碳丙脫碳與幾種脫碳方法的能耗比較如表3.1表3.1 幾種脫碳方法的能耗比較表方法名稱加壓水洗苯菲爾法位阻胺法改良MEDA法NHD法PC法能耗28473558-54423349-418718841047-125612563.3.4碳酸丙烯酯法脫碳工藝條件的確定操作溫度的確定溫度對各種工藝氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度影響較大，操作溫度的升高，會使二氧化碳、硫化氫等氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度下降，對吸收過程很不利，由于氫、氮等氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度隨溫度的升高而增加，所以又增加氮氣體的溶解性損失，溶劑的再生則反之。 提高操作溫度則會使溶劑中