年產(chǎn)十萬噸合成氨車間脫二氧化碳工段的初步設(shè)計(jì)

齊齊哈爾大學(xué)課程設(shè)計(jì)PAGE6PAGE24齊齊哈爾大學(xué)課程設(shè)計(jì)1摘要在合成氨的過程中，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(shí)二氧化碳會(huì)使合成氨催化劑中毒。本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)十萬噸合成氨車間脫二氧化碳工段的初步設(shè)計(jì)，采用NHD法的工藝流程來脫除原料氣中的二氧化碳，并對吸收液進(jìn)行再生，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(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括生產(chǎn)工藝的比較和確定，物料衡算和能量衡算，以及Aspen工藝流程模擬和繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。關(guān)鍵詞：合成氨NHD法二氧化碳工藝設(shè)計(jì)AbstractIntheprocessofsyntheticammonia,thetransformationofthesyngasaftercontainedmorecarbondioxide,suchasnotthemout,insyntheticammoniaproductionofcarbondioxidewillmakesyntheticammoniapoisoningcatalyst.Thisdesignistheannualcapacityofonehundredthousandtonsofcarbondioxidetheammoniaworkshoptotakeoffapreliminarydesignofthesection,theNHDprocesstoremovalofthecarbondioxidegasmaterial,andtheregenerationabsorbingliquid,gethighpurityofthepurificationofgas,andimprovetherecoveryofcarbondioxide,theprocessissimplified,reducetheenergyconsumptionandachievehigheconomicefficiencyindex.Themaincontentofdesignincludingproductionprocesscompareandsure,materialcalculationandenergybalancecalculations,andAspenprocesssimulationanddrawwithcontrolpointsofprocessflowdiagram.Keywords:TheNHD;Carbondioxide;technologicaldesign目錄摘要 IAbstract II第1章總論 11.1氨的發(fā)現(xiàn)與制取 11.2氨的用途 11.3我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況 11.4合成氨生產(chǎn)的典型流程 21.5脫碳在合成氨中的作用和地位 3第2章脫碳方法及工藝的選擇 42.1脫碳方法的選擇 42.1.1脫碳方法種類及簡介 2.1.2脫碳方法的比較 42.1.3脫碳方法的確定 52.2脫碳工藝的選擇 62.2.1本設(shè)計(jì)工藝流程原理 2.2.2本設(shè)計(jì)工藝流程簡述 2.3工藝操作條件 72.3.1壓力 72.3.2溫度 8第3章工藝計(jì)算 93.1設(shè)計(jì)條件 93.2物料衡算及熱量衡算 103.2.1物料衡算 13.2.2熱量衡算第4章三廢治理和環(huán)境保護(hù) 154.1三廢產(chǎn)生情況 154.2三廢處理情況 15第5章自動(dòng)控制 165.1自控設(shè)計(jì)原則 165.2自控水平與控制點(diǎn) 16第6章全流程Aspen模擬 17參考文獻(xiàn) 22致謝 23齊齊哈爾大學(xué)課程設(shè)計(jì)第1章總論1.1氨的發(fā)現(xiàn)與制取氨是1754年由J.普里斯特利在加熱氯化銨和石灰混合物時(shí)發(fā)現(xiàn)的，1784年C.L.伯托利確定氨由氫和氮組成。19世紀(jì)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(zhuǎn)化為氨，煤氣中氨含量為8～11g/m3，因而可從副產(chǎn)焦?fàn)t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(jì)初先后實(shí)現(xiàn)了氰化法和直接合成法制氨的工業(yè)方法。1.2氨的用途氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨、氯化銨、氯水以及各種含氮混肥和復(fù)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(dá)到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)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(xué)纖維及塑料。從氨可以制得硝酸，進(jìn)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(jì)，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(xué)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(jì)中占有十分重要的地位。[1]1.3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(dá)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(jìn)了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國自行設(shè)計(jì)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(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。1.4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(xué)反應(yīng)式N2+3H2=2NH3來設(shè)計(jì)工藝。它除了水電解法以外，不管用什么原料得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(dāng)?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(chǔ)存量還比較多，所以本設(shè)計(jì)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，銅氨液除少量二氧化碳、一氧化碳等凈化步驟后可獲得合格的氮?dú)浠旌衔铮缓笤阼F催化劑存在和適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力條件下合成氨。下面從合成原料氣的三個(gè)步驟詳細(xì)論述：（1）造氣：因?yàn)榭諝庵泻?1%的氮?dú)?，目前已?jīng)有很多的技術(shù)從空氣中分離出滿足上述反應(yīng)的氮?dú)猓栽鞖饩褪翘峁┚S持該反應(yīng)的氫氣的過程。最早的造氣就是將煤或焦碳在高溫下與水反應(yīng)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(jì)前半期一直是主流造氣工藝，而且一直沿用至今。二十世紀(jì)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(shè)施投資成本比固態(tài)原料設(shè)施要低很多，所以該工藝自發(fā)明以來就逐漸取代了煤炭造氣工藝。但從目前能源的儲(chǔ)量、開采和消耗走勢來看，煤炭造氣可能要重新被重視。（2）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(jìn)行脫除的過程。對于半水煤氣，主要含無機(jī)硫（H2S），有機(jī)硫包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CO2），硫醇（RSH），硫醚（RSR），噻吩（C4H4S）等；天然氣中主要是無機(jī)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(shè)備有極強(qiáng)烈的腐蝕作用，而且特別容易使催化劑中毒失活。脫碳是凈化合成氣的另有個(gè)重要步驟，因?yàn)槿魏畏椒ㄖ迫〉脑蠚舛己蠧O和一定量的CO2，其體積分?jǐn)?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(shè)備，在甲烷化過程中還會(huì)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?？梢娒撎嫉囊饬x是十分重大的。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的題目就是合成氨脫碳工段的工藝設(shè)計(jì)，所以不在此對其贅述，在后面有對脫碳工段的詳細(xì)介紹?？偟恼f來，對于粗合成氣的凈化是系統(tǒng)而且復(fù)雜的工作，它不僅關(guān)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(hù)有重要的影響。脫硫脫碳后還需要對原料氣進(jìn)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。（3）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(yīng)在較高壓力和催化劑存在下進(jìn)行的由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反應(yīng)氫氮?dú)庋h(huán)的流程。氨合成反應(yīng)式如下：N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol工業(yè)中反應(yīng)壓力在10~35MPa之間，根據(jù)能量利用合理來取值。關(guān)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(jià)廉易得的鐵系催化劑。該催化劑早期制備時(shí)還加入了促進(jìn)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。1.5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?yàn)闊o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(huì)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(shí)二氧化碳與其中的氨生成碳酸氨，而且會(huì)形成晶體堵塞管道和設(shè)備；采用液氨洗滌時(shí)，它容易固化成干冰也會(huì)堵塞管道與設(shè)備；在甲烷化過程中二氧化碳過多會(huì)消耗大量的氫又生成無用的氣體甲烷。又因?yàn)榘春铣晒ば蜓a(bǔ)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?xì)怏w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(wù)，也在合成氨中占有較重要的地位。第2章脫碳方法及工藝的選擇2.1脫碳方法的選擇2.1.1脫碳方法種類及簡介脫碳方法很多，一般采用溶液吸收法，根據(jù)吸收劑的性能不同，主要可分為三大類：一是物理吸收法；二是化學(xué)吸收法；三是物理-化學(xué)吸收法。下面分別簡單介紹三種方法。物理吸收法是利用不同氣體在溶液中溶解度的差異來除去二氧化碳的。一般吸收采用高壓及低溫,解吸時(shí)采用減壓或升溫,減壓解吸所需再生能量相當(dāng)少。該法的關(guān)鍵是選擇優(yōu)良的吸收劑。所選的吸收劑必須對CO2的溶解度大、選擇性好、沸點(diǎn)高、無腐蝕、無毒性、性能穩(wěn)定。典型的物理吸收法有加壓水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、NHD法(Selexol法)、低溫甲醇法(Rectisol法)、碳酸丙烯酯法(Flour法)等。工業(yè)上常用的有水洗法、碳酸丙烯脂法、低溫甲醇吸收法等?；瘜W(xué)吸收方法是利用二氧化碳是酸性氣體，能與堿性化合物反應(yīng)的特性將其吸收。該方法靠減壓閃蒸解吸的二氧化碳有限，通常都需要熱再生法。主要有熱鉀堿法(苯菲爾法、砷堿法及空間位阻法等)和烷基醇胺法(MEA法、DEA法、MDEA法等),其中苯菲爾法和活性MDEA法應(yīng)用最多。常用的化學(xué)吸收劑有氨水、催化熱鉀堿液、乙醇胺。物理-化學(xué)吸收法是綜合了兩種吸收的方法，將其合在一套生產(chǎn)工藝中。比如說常用的環(huán)丁砜法，其吸收劑是環(huán)丁砜和烷基醇胺水溶液，兩者分別是物理吸收和化學(xué)吸收。還有德國的BASF公司開發(fā)的活化MDEA法采用的N-甲基二乙醇胺脫碳也屬于此種方法。2.1.2物理吸收法：早期的合成氨廠中的脫碳多采用加壓水洗法。加壓水洗脫碳常在填料塔或篩板塔中進(jìn)行,此法設(shè)備簡單,但CO2的凈化度差,且水洗的噴淋密度大,動(dòng)力消耗高，因此近年來合成氨廠的新建脫碳工藝已為其他方法所取代。以聚乙二醇二甲醚為吸收劑的脫碳過程稱為NHD法(Selexol法)，該法在1990年獲得中國發(fā)明專利。聚乙二醇二甲醚是一種淡黃色透明的有機(jī)液體,無毒、無特殊氣味、冰點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、腐蝕性低,是一理想的物理溶劑。該法的主要特點(diǎn)：吸收H2S和CO2的選擇性好，凈化度可達(dá)10-6級(jí)；能耗低；無腐蝕性，設(shè)備基本上可用碳鋼；溶劑不起泡、不降解，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好；蒸汽壓低，溶劑損失少；溶劑無毒，對人、畜無害，不污染環(huán)境。低溫甲醇法是由德國林德和魯奇公司聯(lián)合開發(fā)的,吸收劑是甲醇,在1~2MPa,溫度為-75~0℃范圍內(nèi)可同時(shí)脫除CO2和H2S。CO2可脫至1~2E-5,H2S可脫至0.1E-6。該法的特點(diǎn)是不會(huì)加濕原料氣,并且再生能耗低，總的來說，物理吸收法吸收選擇性稍差一點(diǎn)，一般適合高含量的二氧化碳，可以脫除多種組分，而且凈化度很高。物理-化學(xué)吸收法其既有物理法的優(yōu)點(diǎn)又有化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，如德國的BASF公司開發(fā)的活化MDEA法采用的N-甲基二乙醇胺脫碳，其既有物理法的優(yōu)點(diǎn)又有化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，而加入活化劑，可以調(diào)節(jié)吸收性能。所以說此方法具有很大的發(fā)展?jié)摿Α；瘜W(xué)吸收法：苯菲爾法的吸收劑是在K2CO3水溶液中加入二乙醇胺(DEA)作為活化劑,V2O5為緩蝕劑。碳酸鉀水溶液具有強(qiáng)堿性,其與CO2反應(yīng)生成KHCO3,生成的碳酸氫鉀在減壓和受熱時(shí),又可放出CO2,重新生成碳酸鉀,因而可循環(huán)使用。活性MEDA法一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)吸收CO2后生成穩(wěn)定的胺基甲酸鹽，反應(yīng)熱大,加熱再生較困難,蒸汽消耗較高。為加快反應(yīng)速度,德國BASF公司開發(fā)了改良MDAE脫碳工藝過程,其吸收液是由MDEA水溶液和少量活化劑組成,一般使用的活化劑有:哌嗪、甲基乙醇胺、咪唑或甲基取代咪唑。CO2先與活化劑快速反應(yīng),其生成物再與MDEA反應(yīng),提高了MDEA溶液吸收CO2的速度。因此，物理吸收法相對來說較好，如NHD法(Selexol法)能夠滿足脫碳凈化的要求，裝置和操作不太復(fù)雜，安裝成本也比較適合各種規(guī)模的生產(chǎn)，已在工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛。目前此法的工藝日益完善、成熟，設(shè)備也較為先進(jìn)。總的來說，物理吸收法明顯的特點(diǎn)是選擇性好、收率高。2.1.3NHD法(Selexol法)是合成氨工業(yè)上一種典型的物理吸收脫碳方法，目前國內(nèi)外都廣泛的采用此工藝裝置，比較起其他的吸收方法，該工藝能夠滿足脫碳凈化的要求，裝置和操作不太復(fù)雜，安裝成本也比較適合各種規(guī)模的生產(chǎn)。聚乙二醇二甲醚溶劑是一種物理溶劑，稱為Selexol溶劑，能選擇性脫除原料氣中的CO2和H2S。該溶劑本身無毒，對碳鋼等金屬無腐蝕性，并且不起泡，吸收CO2、H2S、COS等酸性氣體的吸收能力強(qiáng)。美國于20世紀(jì)80年代初將此法用于以天然氣為原料的大型合成氨廠，至今世界上已有許多廠采用。我國南京化學(xué)工業(yè)集團(tuán)公司研究院對各種溶劑進(jìn)行篩選，得出用于脫硫和脫碳的聚乙二醇二甲醚較佳組分，即NHD溶劑，并成功地用于以煤為原料制得的合成氣的脫硫和脫碳的工業(yè)生產(chǎn)裝置。NHD溶劑吸收CO2和H2S的能力優(yōu)于國外的聚乙二醇二甲醚，價(jià)格較為便宜。NHD凈化技術(shù)與設(shè)備以全部國產(chǎn)化，目前正在國內(nèi)推廣應(yīng)用。NHD脫碳工藝特點(diǎn)為：國內(nèi)開發(fā)的NHD為多聚乙二醇二甲醚混合物，沸點(diǎn)高、冰點(diǎn)低、蒸汽壓低、揮發(fā)損失小，對CO2、H2S的吸收能力高、熱穩(wěn)定性好，不起泡、不降解、無副反應(yīng)，對碳鋼無腐蝕，對人及生物無毒。該溶劑吸收能力大，故循環(huán)量小，減壓或氣提即可再生，可以降低能耗。2.2脫碳工藝的選擇2.2.1本設(shè)計(jì)工藝流程原理CO2通在NHD溶劑中的溶解度關(guān)系在較寬的壓力范圍內(nèi)都符合亨利定律。H2S等氣體在該溶劑中的溶解度也能較好地符合亨利定律。壓力升高、溫度降低氣體的溶解度增加，呈線性關(guān)系。H2S在NHD中的溶解度約比CO2大8倍，說明當(dāng)H2S與CO2共同存在時(shí)，可以先脫硫后脫碳，溶劑選擇性吸收的性能較好，避免CO2氣在進(jìn)CO2洗滌塔之前就大量吸收掉。H2S與CO2在NHD中的溶解度都遠(yuǎn)大于H2、CO等有用氣體，生產(chǎn)上可以將H2S與CO2等酸性氣體脫除干凈，而有用氣體損失很少。2.2.2（1）流程概述來自NHD脫硫工序的變換氣經(jīng)板式氣體換熱器換熱至15℃后進(jìn)入脫碳塔下部，與從塔頂噴淋而下的NHD脫碳貧液在填料層內(nèi)逆流接觸，從而脫除其中的CO2，脫碳塔頂出來的凈化氣經(jīng)過氣液分離器后進(jìn)入板式氣體換熱器升溫至34℃左右后去甲烷化裝置。脫碳塔底排出的NHD富液經(jīng)水力透平回收能量后去高壓閃蒸槽，其操作壓力1.4Mpa。從高壓閃蒸槽排出的富液在經(jīng)另一臺(tái)水力透平回收能量后進(jìn)入低壓閃蒸槽，其操作壓力為0.18Mpa，從高壓閃蒸氣含氫高達(dá)23%左右，為了充分回收這部分氫氣，通過一臺(tái)閃蒸氣壓縮機(jī)增壓后返回脫硫塔，采取這項(xiàng)指標(biāo)措施后，每天可回收氫氣12600m3，折合NHD約6.3t。低壓閃蒸氣含CO2，98%送尿素裝置。經(jīng)過閃蒸的NHD富液由富液泵打至汽提塔段上部，自上而下與從塔底上升的氮?dú)庠谔盍蠈觾?nèi)逆流接觸進(jìn)行氣提再生，經(jīng)氣提再生后的NHD貧液從汽提塔底排出，經(jīng)脫碳貧液泵升壓后再經(jīng)氨冷卻器冷卻到-5℃左右，然后去脫碳塔頂部循環(huán)使用。脫碳富液再生是通過氣提塔利用空分裝置富余的低壓氮?dú)膺M(jìn)行氣提再生的，其優(yōu)點(diǎn)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，省去空氣水冷，氣水分離及NHD脫水設(shè)備，節(jié)約投資，簡化流程，氣提塔上部設(shè)計(jì)3塊旋流板，頂部設(shè)計(jì)絲網(wǎng)除沫器裝置，以回收放空氣中夾帶的溶液。（2）主要工藝指標(biāo)處理氣量58.55t/h吸收壓力1.7Mpa吸收溫度0-5℃原料氣CO2含量67.19%凈化氣CO2含量≤0.2%低閃氣CO2純度﹥98%NHD溶液循環(huán)量943m3（3）富液、貧液簡單流程簡述①富液流程：吸收二氧化碳的富液從吸收塔底部引出，經(jīng)兩次水力透平回收能量，兩次閃蒸槽后入再生塔上部。②貧液流程：再生塔底部引出的溶液，為經(jīng)氣提再生的貧液，經(jīng)塔底貧液泵升壓后進(jìn)入冷卻器，冷卻到-5℃后進(jìn)入吸收塔上部。2.3工藝操作條件的選擇2.3.1壓力吸收壓力：加壓有利于二氧化碳的吸收，提高吸收壓力，同時(shí)提高了二氧化碳的平衡分壓，這樣就加快了吸收反應(yīng)速度，提高了溶液吸收能力的同時(shí)也提高了溶液凈化度，降低了再生熱的消耗。表2-1不同壓力下聚乙二醇二甲醚溶劑中CO2平衡溶解度（溫度為5℃）CO2分壓/MPa0.81.0平衡溶解度/（m3CO2/m3溶液）46.260.2由表可見，相同條件下，隨著吸收壓力升高，CO2在聚乙二醇二甲醚溶劑中的溶解量增大，溶劑吸收CO2的能力提高。吸收壓力升高，變換氣中飽和水蒸氣含量減少，變換氣帶入系統(tǒng)的水量減少，有利于CO2的吸收，可以提高氣體的凈化度。因此選擇較高壓力對脫碳有利。但壓力過高，設(shè)備投資、壓縮機(jī)能耗都將增加工業(yè)上一般選擇吸收壓力為1.6～7.0Mpa。2.3.2降低溫度，CO2在聚乙二醇二甲醚中的溶解度增大。表2-2不同壓力下聚乙二醇二甲醚溶劑中CO2平衡溶解度溫度/℃-10-552040平衡溶解度/（m3CO2/m3溶液）3728211610.5由表可見，當(dāng)CO2分壓一定時(shí)，隨著吸收溫度的降低，CO2在聚乙二醇二甲醚中的平衡溶解度增大；吸收溫度降低，又可減少H2、N2等氣體的溶解損失。反之，溫度高，氣體中飽和水蒸氣多，帶入脫碳系統(tǒng)的水分增加，溶劑脫碳能力和氣體的凈化度降低。所以降低溫度對吸收操作有利。第3章工藝計(jì)算3.1設(shè)計(jì)條件（1）年合成氨產(chǎn)量：10萬噸（2）變換氣組成：CO2、CO、H2、N2、CH4表3-1變換氣組成成分組分CO2COH2N2CH4合計(jì)體積分?jǐn)?shù)28.622.1452.9615.720.56100（3）進(jìn)工段變換氣壓力為：1.7MPa（4）計(jì)算基準(zhǔn)：100000/（360×24）=11.57tNH3/h（5）變換氣中各組分的比熱[3]表3-2各組分比熱組分CO2COH2N2CH4比熱[kJ/(kg·℃)]0.6530.75410.130.7451.7表3-3主要原料性質(zhì)參數(shù)聚乙二醇二甲醚二氧化碳英文名NHDCarbondioxide分子式CH3O(C2H4O)nCH3CO2分子量250~280(n=2~9)44性質(zhì)描述淡黃色透明液體，PH值為6~8，凝固點(diǎn)-22~-29℃，閃點(diǎn)151℃，蒸氣壓（25℃）<1.33Mpa，密度（25℃）1.031g/L，黏度（25℃）5.810-3Pa·s。NHD溶劑是一種新型高效脫碳溶劑，產(chǎn)品純度高，對高酸度、堿度介質(zhì)和高溫有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。常溫下是一種無色無味氣體，密度比空氣略大，能溶于水，溶解度為0.144g/100g水（25℃）。標(biāo)準(zhǔn)狀況下密度1.977g/L，并生成碳酸，固態(tài)二氧化碳俗稱干冰。沸點(diǎn)-778.5，沒有閃點(diǎn)，不燃，無色無味，無毒性。危險(xiǎn)性溶劑本身無毒不能供給動(dòng)物呼吸，一種窒息性氣體3.2物料衡算及熱量衡算3.2.1物料衡算（1）吸收塔進(jìn)塔前變換氣各組分情況如下：二氧化碳：28.62×44=1259.28g/mol一氧化碳：2.14×28=59.92g/mol氫氣：52.96×2=105.92g/mol氮?dú)猓?5.72×28=440.16g/mol甲烷：0.56×16=8.96g/mol總計(jì)：1259.28+59.92+105.92+440.16+8.96=1874.24g/mol所以，變換氣中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：1259.28/1874.24=67.19%一氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：59.92/1874.24=3.20%氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：105.92/1874.24=5.65%氮?dú)獾馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)：440.16/1874.24=23.48%甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：8.96/1874.24=0.48%總計(jì)：67.19%+3.20%+5.65%+23.48%+0.48%=100%將上述數(shù)據(jù)匯總成如下表格：表3-4變換氣組成成分組分CO2COH2N2CH4合計(jì)體積分?jǐn)?shù)（%）28.622.1452.9615.720.56100組分質(zhì)量(g/mol)1259.2859.92105.92440.168.961874.24質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）67.193.205.6523.480.48100①進(jìn)口變換氣：溫度：15℃壓力：1.7MPa變換氣流量：58.55t②出口凈化氣：溫度：-5℃壓力：1.5Mpa變換氣流量：根據(jù)年產(chǎn)10萬噸氨氣，計(jì)算出氨氣每小時(shí)生產(chǎn)量：100000/360×24=11.57tNH3/hNHD溶劑吸收二氧化碳能力：3.40t/tNH3每小時(shí)吸收二氧化碳的質(zhì)量：Mco2=11.57×3.40=39.34t/h每小時(shí)處理變換氣的質(zhì)量：M=39.34/0.6719=58.55t/h已知工藝要求凈化氣中二氧化碳含量≤0.2%所以，凈化氣的質(zhì)量：M＇=M－Mco2(1－0.002)=58.55－39.34(1－0.002)=58.55－39.26=19.29t/h當(dāng)二氧化碳分壓為0.5，溫度為5℃時(shí)，其在NHD溶液中平衡溶解度為21.1~33.4（m3CO2/m3溶液）[4]該工藝條件下，二氧化碳的密度為1.976kg/m3則有，Vco2=39.34/1.976=1.991103m3/hVNHD=1.991103/33.4~1.991103/21.1=596.11~943.60m3取吸收液量為943.60m3/hNHD的密度為998kg/m3富液：則其量為MNHD+MCO2=943.60998+39.34103(1-0.2%)=941.71103+39.26103=980.97103在氣提塔損失為0.5%，則有貧液：MNHD=941.71103(1－0.005)kg/h=937.00103kg即M進(jìn)=(58.55+941.71)103=1000.26t/hM出=(980.97+19.29)103=1000.26t/hM進(jìn)=M出，物料守衡。（2）氣提塔M進(jìn)=MNHD+0.2%MCO2=943.6×998+39.34×103×0.2%=941.71×103M損=0.5%M進(jìn)=0.005×941.71×103=4.71×103M出=M進(jìn)-M損=941.71×103-4.71×103=937.00×103M進(jìn)=M出+M損，物料守衡。表3-5物料衡算結(jié)果匯總進(jìn)料量(t/h)流出量(t/h)M1M2MM1M2M換熱器58.55058.5558.55058.55吸收塔58.55941.711000.2619.29980.971000.26氣提塔941.740941.74937.000937.003.2.2熱量衡算（1）換熱器變換氣板式換熱器帶入熱：Q11=∑WCpT11=58.55×103×110×(5.65×10.13+23.48×0.745+67.19×0.653+3.20×0.754+0.48×1.7)=7.85×108kJ/hQ12=∑WCpT12=19.29×103×(-5)×(5.65×10.13+23.48×0.745+67.19×0.653×0.2%+3.20×0.754+0.48×1.7)=7.53×106kJ/h所以，Q1=Q11+Q12=7.85×108+0.075×108=7.93×108kJ/h變換氣板式換熱器帶出熱：Q21=∑WCpT21=58.55×103×15×(5.65×10.13+23.48×0.745+67.19×0.653+3.20×0.754+0.48×1.7)=1.07×108kJ/hQ22=∑WCpT22=19.29×103×34×(5.65×10.13+23.48×0.745+67.19×0.653×0.2%+3.20×0.754+0.48×1.7)=5.12×107kJ/h所以，Q2=Q21+Q22=1.07×108＋0.512×108=1.58×108kJ/h即變換氣板式氣體換熱器熱量為Q=Q1－Q2=7.93×108－1.58×108=6.35×108kJ/h此熱量均被板式氣體換熱器中的冷卻介質(zhì)吸收。（2）吸收塔變換氣吸收塔帶入熱：Q11=∑WCpT11=58.55×103×15×(5.65×10.13+23.48×0.745+67.19×0.653+3.20×0.754+0.48×1.7)=1.07×108kJ/hNHD的比熱容為2.11(kJ/kg?K)Q12=∑WCpT12=937.00×103×(-5+273.15)×2.11=5.30×108kJ/h所以，Q1=Q11＋Q12=1.07×108+5.30×108=6.60×108kJ/h吸收塔帶出熱：Q21=∑WCpT21=19.29×103×(-5)×(5.65×10.13+23.48×0.745+67.19×0.653×0.2%+3.20×0.754+0.48×1.7)=7.53×106kJ/hQ22=∑WCpT22=((980.97103)×(5+273.15)×(67.19×0.653×99.8%×2.11)=5.98×108kJ/h所以，Q2=Q21＋Q22=7.52×106+5.98×108=6.06×108kJ/h該工藝吸收塔內(nèi)熱量損失率為8%，則Q損=6.60×108×0.08=5.28×107kJ/h即Q1=Q2+Q損=6.06×108+5.28×107=6.60×108kJ/hQ1=Q2+Q損，能量守衡。（3）氣提塔Q1=∑WCpT12=937.00×103×(-5+273.15)×2.11=5.30×108kJ/h該工藝氣提塔內(nèi)熱量損失率為5%，則Q損=5%×Q1=0.05×5.30×108=2.65×107kJ/hQ2=Q1－Q損=5.30×108－2.65×107=5.03×108kJ/h即Q1=Q2+Q損，能量守衡。表3-6熱量橫算結(jié)果匯總帶入熱(kJ/h)帶出熱(kJ/h)Q1Q2QQ1Q2QQ損換熱器7.85×1087.53×1067.93×1081.07×1085.12×1071.58×1086.35×108吸收塔1.07×1085.30×1086.6×1087.53×1065.98×1086.06×1085.28×107氣提塔5.30×1085.03×1082.65×107齊齊哈爾大學(xué)課程設(shè)計(jì)17第4章三廢治理和環(huán)境保護(hù)工業(yè)“三廢”主要是指廢氣、廢水、廢渣?！叭龔U”對環(huán)境的危害很大，如果不及時(shí)地加以處理直接排放，將會(huì)對環(huán)境造成很大的破壞，因此應(yīng)予以高度重視?！叭龔U”一般都排放到大氣、江河和大地堆放，將會(huì)造成環(huán)境的破壞，通常稱為“公害”，或稱為“環(huán)境污染”。它一般分為五個(gè)方面，即空氣污染、水污染、固體廢棄物污染、放射性污染和噪聲污染。60年代以來，上述污染已影響到人類生活、工作與生產(chǎn)的正常進(jìn)行，成為當(dāng)今世界各國共同關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)、難點(diǎn)和焦點(diǎn)問題，從而提出了“環(huán)境保護(hù)”。環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為我國的一項(xiàng)基本國策。在我國，三廢治理和環(huán)境保護(hù)已納入法制軌道，國家規(guī)定了各種有害物質(zhì)的排放標(biāo)準(zhǔn)，任何企業(yè)都必須達(dá)標(biāo)排放，否則將是違法的。盡量做到原材料的綜合利用，變廢為寶，減少廢物的排放。[5]4.1三廢生產(chǎn)情況廢氣：由閃蒸槽閃蒸出的二氧化碳?xì)庀嘟M分經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)增加返回脫硫塔。廢液：解吸后產(chǎn)生的廢液即NHD吸收二氧化碳過程中產(chǎn)生的冷凝液。廢渣：無廢渣。4.2三廢處理情況廢氣的處理方法通常有吸收法和燃燒法。本設(shè)計(jì)采用回收的方法使廢氣得到利用。廢液的處理方法有控制PH值法、油和油脂的處理和有機(jī)廢水生化處理。在本設(shè)計(jì)廢液為吸收過程中產(chǎn)生的冷凝液，可在閃蒸罐里循環(huán)使用。廢渣的處理方法有焚燒法和安全填埋法。本設(shè)計(jì)無廢渣產(chǎn)生。第5章自動(dòng)控制5.1自控設(shè)計(jì)原則生產(chǎn)部分的控制設(shè)計(jì)原則是安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，力求做到技術(shù)先進(jìn)，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)合理，滿足生產(chǎn)中自動(dòng)化的要求。本設(shè)計(jì)范圍包括溫度、壓力、給料，排放等過程的自動(dòng)控制。生產(chǎn)控制部分設(shè)計(jì)目的在于保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制以保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本。本設(shè)計(jì)采用控制板集中控制，設(shè)計(jì)中采用單回路控制，無負(fù)責(zé)回路。對于所采用的儀表大多是與設(shè)備配套引進(jìn)的，對于無配套的儀表在滿足工藝要求的情況下，主要選取國內(nèi)生產(chǎn)的儀表產(chǎn)品，設(shè)計(jì)中采用的儀表主要是常規(guī)儀表。5.2自控水平與控制點(diǎn)自動(dòng)控制是現(xiàn)代化工廠的發(fā)展趨勢，本次設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中主要有溫度、壓力和流量自動(dòng)控制。在脫碳塔T402塔底流出的富液，經(jīng)水力透平減壓送至高壓閃蒸槽由FIC控制進(jìn)入的富液量，脫碳塔T402塔頂閃蒸出的凈化氣，由塔頂PIC控制脫碳塔內(nèi)壓力。進(jìn)入脫碳塔的貧液由TIC控制溫度。塔上有溫度顯示，壓力顯示。由高壓閃蒸槽經(jīng)水力透平減壓后進(jìn)入低壓閃蒸槽的溶劑通過PIC來實(shí)現(xiàn)壓力控制。由低壓閃蒸槽流出的溶劑進(jìn)入汽提塔通過FIC來控制流量。汽提塔上有PIC調(diào)節(jié)出氣量控制塔內(nèi)壓力，從汽提塔流出的貧液由FIC控制流量。本設(shè)計(jì)中，在生產(chǎn)設(shè)備中安裝自動(dòng)控制設(shè)備，既可以減少勞動(dòng)量，又可以符合生產(chǎn)要求，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，最重要的是減少了人工操作的危險(xiǎn)性，使大規(guī)模的化工生產(chǎn)更人性化。因此，自動(dòng)控制是本車間設(shè)計(jì)中最重要的組成部分。第6章全流程Aspen模擬一．工藝流程模擬圖主要模擬設(shè)備：三個(gè)換熱器，一個(gè)吸收塔，一個(gè)氣提塔，兩個(gè)閃蒸罐，兩個(gè)泵。二．變換氣流股信息1．溫度為110℃，壓力為17bar，質(zhì)量流量為2．各組分及其質(zhì)量分率如下所示：H2-0.0565；N2-0.2348；CO2-0.6719；CO-0.0320；CH4-0.0048三．Selexol溶劑流股信息1．溫度為5℃，壓力為17bar，體積流量為1900m2．組分為聚乙二醇二甲醚四．吸收塔此吸收塔共有20塊塔板，第一塊塔板的壓力為15bar，塔的壓降為0.3bar。五．氣提塔此氣提塔共有15塊塔板，摩爾回流比為0.049，第一塊塔板的壓力為1.8bar，塔的壓降為0.2bar。六．模擬結(jié)果主要流股結(jié)果匯總成如下表格：表6-1流股結(jié)果表流股溫度（℃）壓力（bar）摩爾流量（kmol/h）質(zhì)量流量（kg/h）體積流量（m3/h）能量（MMkcal/h）變換氣進(jìn)110173110.04958550.0005827.931-84.071NHD進(jìn)5178729.2471.940×1061900.000-2012.020NHD出15178653.0851.923×1061899.012-1987.976

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致謝本次設(shè)計(jì)是在各位老師的悉心指導(dǎo)下，同學(xué)們的幫助和我組的共同努力下順利完成的。在此，感謝學(xué)院給了我們這次寶貴的學(xué)習(xí)和鍛煉的機(jī)會(huì)，以及為我們提供了良好的設(shè)計(jì)環(huán)境。要感謝每一位幫助過我們的老師，尤其要感謝的是趙云鵬老師對我們悉心的指導(dǎo)，幫助我們解決了諸多的難題。雖然設(shè)計(jì)的過程中遇到過很多困難，但只有困難才能使我們更加成熟，并且將學(xué)習(xí)的知識(shí)融會(huì)貫通，真正的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，為明年的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)?；贑8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)HYPERLINK"/d