合成氨原料氣脫碳與再生工藝的設(shè)計說明

1、畢 業(yè) 設(shè) 計題目：12萬噸/年合成氨脫碳及再生工序工藝設(shè)計系 別： 化學化工系專 業(yè)： 煤炭深加工與利用 姓 名： 會軍學 號： 111308128指導教師： 曉燕城建學院2011年 5月 14日城建學院 畢業(yè)設(shè)計任 務(wù) 書題 目12萬噸/年合成氨原料氣脫碳及再生工藝設(shè)計系 別化學化工系專業(yè)煤炭深加工與利用班級1113081學號28學生會軍指導教師曉燕發(fā)放日期2011年3月6日城建學院?？飘厴I(yè)設(shè)計任務(wù)書一、主要任務(wù)與目標：設(shè)計題目：12萬噸/年合成氨原料氣脫碳及再生工藝設(shè)計原料氣組成：組成CO2COH2N2CH4含量/%0.20.2620.3320.1910.015工藝條件：氣液兩相的入塔溫

2、度均為25；吸收塔操作壓力1.4MPa，解吸塔操作壓力常壓；吸收劑的入塔濃度根據(jù)操作情況選??；設(shè)計目標：經(jīng)脫碳后二氧化碳含量1.0%；再生段二氧化碳回收率³93%。二、主要容與基本要求：主要容1 明確設(shè)計任務(wù)，查閱文獻資料；2 確定設(shè)計方案：通過技術(shù)及經(jīng)濟篩選、對比，選定技術(shù)先進、經(jīng)濟效益好的設(shè)計方案；3 明確已知條件、工藝參數(shù)及計算基準；4 工藝計算部分5 穩(wěn)定性及機械強度計算6 工藝流程圖繪制7 主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制基本要求工藝設(shè)計要做到：符合國家的經(jīng)濟政策和技術(shù)政策，合理運用國家的財富和資源；工藝上可靠，經(jīng)濟上合理；盡可能吸收最新科技成果，力求技術(shù)先進，經(jīng)濟效益更大；不造成環(huán)境

3、污染；同時符合了國家工業(yè)安全與衛(wèi)生要求。三、計劃進度：1接受設(shè)計任務(wù)：1.0天2收集資料：5.0天3制定設(shè)計方案提交設(shè)計開題報告：5.0天4設(shè)計計算：15.0天5設(shè)計圖紙繪制：15.0天6編制說明書：7.0天7答辯：2.0天合計：50.0天四、主要參考文獻：1 小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 化學工業(yè)2 塔設(shè)備設(shè)計 科學技術(shù)3 化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ) 化學工業(yè)4 化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊 化學工業(yè)5 化工工藝設(shè)計手冊 化學工業(yè)6 化工過程設(shè)計 化學工業(yè)7 化工設(shè)備設(shè)計 化學工業(yè)8 化工設(shè)備手冊 化學工業(yè)指導教師（簽名）： 年 月 日教研室審核意見： （建議就任務(wù)書的規(guī)性；任務(wù)書的主要容和基本要求的明

4、確具體性；任務(wù)書計劃進度的合理性；提供的參考文獻數(shù)量；是否同意下達任務(wù)書等方面進行審核。）教研室主任簽名： 年 月 日注：任務(wù)書必須由指導教師和學生互相交流后，由指導老師下達并交教研室主任審核后發(fā)給學生，最后同學生畢業(yè)論文等其它材料一起存檔。成績評定成績評定說明一、答辯前每個學生都要將自己的畢業(yè)設(shè)計在指定的時間內(nèi)交給指導，教師，由指導教師審閱，寫出評語并預評分。二、答辯工作結(jié)束后，答辯小組應舉行專門會議按學校統(tǒng)一的評分標準和評分辦法，在參考指導教師預評結(jié)果的基礎(chǔ)上，評定每個學生的成績。系對專業(yè)答辯小組提出的優(yōu)秀和不及格的畢業(yè)設(shè)計，要組織系級答辯,最終確定成績，并向?qū)W生公布。三、各專業(yè)學生的最后

5、成績應符合正態(tài)分布規(guī)律。四、具體評分標準和辦法見河南城建學院畢業(yè)設(shè)計工作條例。五、答辯小組評分包括兩部分：（1）學生答辯情況的得分和評閱教師評分；（2）指導教師對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的評分畢業(yè)設(shè)計成績評定班級 姓名 學號綜合成績： 分（折合等級 ）答辯小組組長簽字 年 月 日答辯小組評定意見一、評語（根據(jù)學生答辯情況及其論文質(zhì)量綜合評定）。二、評分（按下表要求評定）評分項目答 辯 小 組 評 分評 閱 教 師 評 分合計（40分）完成任務(wù)情 況（5分）畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量（5分）表達情況（5分）回答問題情 況（5分）質(zhì) 量（正確性、條理性、創(chuàng)造性、實用性）（10分）成果的技術(shù)水平（科學性、系統(tǒng)

6、性）（10分）評分答辯小組成員簽字 年 月 日 畢業(yè)答辯說明1、答辯前，答辯小組成員應詳細審閱每個答辯學生的畢業(yè)設(shè)計，為答辯做好準備，并根據(jù)畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量標準給出實際得分。2、嚴肅認真組織答辯，公平、公正地給出答辯成績。3、指導教師應參加所指導學生的答辯，但在評定其成績時宜回避。4、答辯中要有專人作好答辯記錄。指導教師評定意見一、對畢業(yè)設(shè)計的學術(shù)評語（應具體、準確、實事）： 簽字： 年 月 日二、對畢業(yè)設(shè)計評分按下表要求綜合評定。（1）理工科評分表評分項目（分值）工作態(tài)度與 紀 律（10分）畢業(yè)設(shè)計（論文）完成任務(wù)情況與水平（工作量與質(zhì)量）（20分）獨 立工作能力（10分）基礎(chǔ)理論和基本技能（1

7、0分）創(chuàng) 新能 力（10分）合 計（60分）得分（2）文科評分表評分項目（分值）文獻閱讀與文獻綜述（10分）外文翻譯（10分）論文撰寫質(zhì)量（10分）學習態(tài)度（10分）論證能力與創(chuàng)新（20分） 合 計（60分）得分 指導教師簽字： 年 月 日摘要二氧化碳的吸收再生過程主要是由吸收、閃蒸和氣提三部分組成。本次設(shè)計選用的脫碳劑是聚乙二醇二甲醚（NHD），屬于物理吸收法。主要的設(shè)備是吸收塔和氣提塔。在計算的過程中，首先根據(jù)所給的物料組成和工藝條件進行物料恒算和熱量恒算，再進行塔設(shè)備的計算、校核及輔助設(shè)備的計算或選型。吸收段的計算結(jié)果如下：二氧化碳的脫除量2909.4，NHD的用量184.2；塔底流出的

8、富液帶出的熱量14269139.99kJ/h，溶液溫度升高了5；塔徑為1.6m，填料層高度為13.47m，塔壓降為3002.7Pa。解吸段的計算結(jié)果如下：閃蒸出的二氧化碳的量2735.7，二氧化碳的回收率為94%，溶液帶出的熱量10142141.09kJ/h，閃蒸的容積為0.26。氣提出的二氧化碳的量157.15，氮氣的用量1105.2；塔底流出的貧液帶出的熱量6022054.3kJ/h，溶液溫度為26；上段塔徑1.4m，下段塔徑1.5m，填料層高度為5.7m，塔壓降為2021.4Pa。關(guān)鍵詞 吸收、閃蒸、氣提ABSTRACTThe decarbon and regeneration of c

9、arbon dioxide process is primarily composed by three parts: absorption, flash vaporization and gas stripping. This design uses polyethylene glycol dimethl ether (NHD) to decarbon, which is the physical absorption method. The main device is absorption column and stripper. In the process of calculatio

10、n, firstly make material constant calculation and heat constant calculation, and then is the calculation of tower equipment, checking and ancillary equipments calculation or selection. Absorption segments results are as follows: The amount of carbon dioxide removel is 2909.4m³/h and the amount

11、of NHD is 1 84.2m³/h; the heat of liquid-rich flow from tower bottom is 14269139.99kJ/h and the temperature of solution rises 5; the tower diameter is 1.6m, the height of packing layer is 13.47m and the column pressure dropping is 3002.7Pa. The desorption segments results are as follows: The am

12、ount of carbon dioxide flashes is 2735.7m³/h, the recovery rate of carbon dioxide is 94%, the heat brought out from solution is 10142141.09kJ/h and the volume of flash trough is 0.26m³. The amount of carbon dioxide stripped out is 157.15m³/h and the amount of nitwgen is 1105.2m³/

13、h; the heat of barren liquor from tower bottom is 6022054.3kJ/h and the temperature of solution is 26; the upper column diameter is1.4m, the lower column diameter is 1.5m and the column pressure dropping is 2 021.4Pa. Key Words: absorption，flash，stripping1總論121.1概述121.2文獻綜述131.3設(shè)計任務(wù)的依據(jù)151.4主要原材料及公用工

14、程情況152 生產(chǎn)方案的確定172.1脫碳及再生的方法172.2 NHD的脫碳原理182.2.1 NHD溶劑的物理性質(zhì)182.2.2 計算的熱力學基礎(chǔ)182.2.3計算的動力學基礎(chǔ)192.3 脫碳及再生工藝參數(shù)的選定202.3.1 脫碳流程的選擇202.3.2氣提劑的選擇202.3.5 脫碳再生操作壓力的選定212.3.6脫碳塔氣液比的確定222.3.7 冷凝器的位置及選定232.3.8腐蝕及材料選擇233 脫碳再生生產(chǎn)流程說明244 吸收過程的工藝計算264.1物料恒算274.2熱量恒算294.2.1原料氣帶入的熱量304.2.2單位時間氣體的溶解熱304.2.3進塔溶液帶入的熱量304.2

15、.4凈化氣帶出的熱量314.2.5塔底富液帶出的熱量314.3吸收塔的工藝設(shè)計324.3.1 塔徑及氣速的計算324.3.2填料層高度的計算334.3.3塔厚度的計算354.3.4塔壓降的計算35l4.3.5輔助設(shè)備的計算和選型354.3.6塔體的強度校核385 解吸過程的工藝計算425.1物料恒算425.1.1閃蒸過程的物料恒算425.1.2氣提過程的物料恒算435.2熱量恒算435.2.1閃蒸過程的熱量恒算435.2.2氣提過程的熱量恒算445.3氣提塔的工藝設(shè)計455.3.1塔徑及氣速的計算455.3.2 填料層高度的計算465.3.3塔厚度的計算485.3.4塔壓降的計算485.3.5

16、輔助設(shè)備的計算和選型485.3.6塔體的強度校核50主要符號說明54致56參考文獻571總論1.1概述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、氯化銨以及各種含氮復，都是以氨為原料的。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。 合成氨的主要原料可分為固體原料、液體原料和氣體原料。經(jīng)過近百年的發(fā)展，合成氨技術(shù)趨于成熟，形成了一大批各有特色的工藝流程，但都是由三個基本部分組成，即原料氣制備過程、凈化過程以及氨合成過程。 對粗原料氣進行

17、凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫、脫碳過程以及氣體精制過程。CO2不是合成氨合成的原料氣，故需要在凈化階段除去；但CO2在常溫常壓下是無色無臭氣體，在常溫下加壓即可液化或固化，安全無毒，使用方便，加上其含量非常豐富，因此隨著地球能源的日益緊，現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，CO2的利用越來越受到人們的重視。許多國家都在研究把CO2作為“潛在碳資源”加以綜合利用。它的應用可分為物理應用和化學應用。1)物理應用：CO2作為人工降雨劑，可解決干旱地區(qū)的農(nóng)田灌溉問題；在食品工業(yè)中作為冷凍劑，可保證魚類、肉類、奶類的長期保鮮和低溫運輸，同時用作清涼飲料的添加劑。CO2在焊接工藝中作為絕緣劑

18、和凈化劑，用來提高焊接質(zhì)量；作為萃取劑可以從香料和水果中提取香精，從咖啡里提取堿。另外，CO2還可用于醫(yī)用局部麻醉、大型鑄鋼防泡劑和滅火劑。超臨界液態(tài)CO2因其特殊的性質(zhì)，還可用于貴重機械零件的清洗劑和超臨界萃取劑。 2)化學應用：二氧化碳用于制造純堿、輕質(zhì)碳酸鹽、化肥(碳酸氫銨、尿素)以及脂肪酸和水酸及其衍生物已有成熟的工藝，作為一種重要的有機合成原料，其應用也在不斷研究開發(fā)。在催化劑存在下，它可以被氫還原成甲烷、甲醇、甲醛、甲酸；它與H2一起代替甲醇參與芳烴的烷基化，得到包括加氫和甲基轉(zhuǎn)移的產(chǎn)物；它與不飽和烴反應生成酯、酸或酯類。另外，它還能與不飽和烴、胺類、環(huán)氧化合物及其它化合物發(fā)生二元

19、、三元共聚反應，生成交聯(lián)、接枝、嵌段等高分子聚合物，如聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯、聚脲等。脫碳工藝分大的說，有濕法和干法兩種。干法目前主要就是變壓吸附，濕法目前就比較多，現(xiàn)比較常用的有MDEA、苯菲爾熱鉀堿、低溫甲醇洗、碳丙、DEA、NHD等。在實際應用中，根據(jù)原料路線、生產(chǎn)工藝的不同進行選擇。一般以煤為原料的選低溫甲醇洗、碳丙、NHD較多，這兩年選變壓吸附的也不少(因為其CO2相對于氨較富余，比較節(jié)能)；一般以天然氣為原料的選擇MDEA、苯菲爾熱鉀堿，選變壓吸附的較少(因為其CO2相對于氨較少，氨多碳少)。1.2文獻綜述用于CO2脫除的物理吸收方法很多，目前在工業(yè)上應用廣泛，技術(shù)先進，投資省，能

20、耗低的方法如下： ·  低溫甲醇洗(Rectisol)法 ·  常溫甲醇洗(Amisol)法 · MDEA法(物理化學吸收) · Selexol法(國外常用) · NHD法(國新開發(fā))·  碳酸丙烯酯法常溫甲醇洗對CO2不能選擇吸收，而且甲醇消耗大，能耗較高，大型廠也沒有使用經(jīng)驗，因此不宜采用。碳丙(PC)，用于脫硫尚缺少大廠實踐經(jīng)驗，用于脫CO2始于六十年代美國弗絡(luò)系(Fcour)公司，但在國不少氨廠中使用經(jīng)驗表明，其凈化度差，溶劑揮發(fā)損失較大，國不少氨廠已轉(zhuǎn)向其他凈化方法，新建廠已很少采用。 MDEA

21、和Selexol，均屬國外技術(shù)，如使用須付給國外技術(shù)使用費和軟件費。與低溫甲醇法方法相比，均為國外引進技術(shù)，NHD為國自行開發(fā)的技術(shù)，其吸收能力為碳丙的1.15倍，在工程設(shè)計中應優(yōu)先考慮自有技術(shù)。這里用低溫甲醇法和NHD兩種方法相比較進行選定。(1)  低溫甲醇洗又稱冷法凈化工藝，是利用甲醇溶液在-60低溫下洗滌變換氣，溶解分離混合氣中的CO2。低溫下甲醇對CO2溶解度較大，因此循環(huán)溶液量小，耗電較少。其最主要的優(yōu)點是凈化度高，脫CO2能力強，一般的凈化度CO2 10ppm。同時分離出足夠尿素生產(chǎn)使用的CO2(純度達98.5%)，它與液氮洗(-190深冷操作)配套，均在低溫

22、下操作，減少低溫復熱的過程，使流程簡化、設(shè)備減少。 該法的不足之處是低溫操作(-60)，因此需要補充-40以下的低溫冷量較大，此部分冷量折能耗較大，且甲醇溶劑蒸汽壓高，揮發(fā)損失較大，因此，尤其是在甲醇再生蒸餾過程中蒸汽消耗較大。所以此法的冷、熱能量消耗較高。低溫甲醇洗法是在低溫條件下操作，設(shè)備及配管、儀表、閥門材質(zhì)要求高，不但造價高，而且國不易解決，需要引進的圍大。該法工藝技術(shù)屬國外工程公司專利技術(shù)，盡管國已引進投產(chǎn)四套低溫甲醇洗裝置，有的國工程公司也從事了一些配套工作，但真正設(shè)計這樣大型裝置還是要引進技術(shù)，因此技術(shù)費、引進設(shè)備費要高于國的技術(shù)和設(shè)備。另外甲醇本身有毒，揮發(fā)損失大，對人和環(huán)境均

23、有污染。 (2) NHD凈化工藝是國八十年代以后開發(fā)成功的新技術(shù)，具有九十年代的水平，該工藝在常溫(-510)條件下操作，設(shè)備材質(zhì)大部分為碳鋼，國可以解決，價格也便宜。NHD工展出1，在P=3.5MPa壓力下，溶液對CO2選擇吸收能力強，溶液循環(huán)量不大，能耗較低。NHD溶劑物化性能穩(wěn)定，蒸氣壓低，揮發(fā)損失小，無氣味、無毒、不腐蝕、不分解。該工藝能耗低、消耗低、成本低。 NHD工藝技術(shù)是國化工研究院開發(fā)，化工部第一已在魯南化肥廠期工程凈化系統(tǒng)成功的設(shè)計了一套年產(chǎn)810萬噸氨裝置，現(xiàn)已投產(chǎn)三年多，運行十分穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上還可以進一步優(yōu)化設(shè)計，降低能耗，節(jié)省投資。從后面的技術(shù)比較可以清楚看出本技術(shù)的

24、優(yōu)越性。 (3)  低溫甲醇洗與NHD都是先脫硫后脫碳，脫硫后的溶劑采用熱再生，脫CO2后的溶劑均采用汽提，因此二者流程是相似的。低溫甲醇洗脫硫與脫碳是用同一個高的吸收塔分為兩段，上段脫二氧化碳，下段脫硫，上塔吸收CO2的溶劑一部分去下塔脫S；NHD目前的流程是脫S和脫CO2溶劑分開各自成立系統(tǒng)循環(huán)，但低溫甲醇洗額外增加一個甲醇水蒸餾塔。低溫甲醇洗吸收溫度是-60，NHD脫CO2吸收溫度10，因此流程中換熱部分低漸甲醇洗比NHD要復雜得多，總的來說NHD流程比低溫甲醇洗流程簡單，同時，值得注意的是工廠如果沒有空分裝置，則低溫甲醇洗的氣提用氮氣將無法解決，而相反NHD可以用空

25、氣作氣提劑。1.3設(shè)計任務(wù)的依據(jù) 我的設(shè)計是參照以下兩方面制定的：1根據(jù)國家計委、國家科委及國產(chǎn)化辦公室頒發(fā)的“七五”重點科技專題，引進技術(shù)消化吸收一條龍計劃，采用NHD凈化工藝，解決德士古煤漿氣化技術(shù)的酸性氣脫除，NHD凈化技術(shù)合同編號7576。 2 NHD脫硫脫碳基礎(chǔ)設(shè)計是根據(jù)一九九年八月，由南化公司研究院與化工部第一簽定的國產(chǎn)化一條龍子項合同引進技術(shù)消化吸收一條龍子項76，30萬噸/年氨廠，NHD脫硫脫碳基礎(chǔ)設(shè)計及 九年十月南化研究院第029號便函。1.4主要原材料及公用工程情況NHD是化學工業(yè)公司研究院近年來開發(fā)的一種優(yōu)良的物理吸收溶劑。它的主要組分為聚乙二醇二甲醚(國外稱Selexo

26、l), 是一種有機溶劑。它具有沸點高，冰點低，蒸汽壓低，對CO2氣體有很強的選擇吸收性，能適合于以煤(油)為原料，酸氣分壓較高的合成氣等的氣體凈化，脫碳時需消耗少量冷量，屬低能耗的凈化方法。其化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性好，揮發(fā)損失小，對碳鋼設(shè)備亦無腐蝕性。灑落地下時可被生物降解，對人及生物環(huán)境無毒害，因此NHD氣體凈化技術(shù)為清潔生產(chǎn)工藝。 根據(jù)化工部“七五”國家重點科技攻關(guān)計劃合成氨一條龍中“7576NHD凈化技術(shù)的研究”合同，即采用NHD物理溶劑法脫除合成原料氣中的硫化物和二氧化碳，并選擇一個中型廠使用此項技術(shù)，然后提供大型廠使用，“七五”為油頭和煤頭大型廠凈化技術(shù)作準備，提出氣液平衡數(shù)據(jù)和工業(yè)化

27、基礎(chǔ)設(shè)計。 1988年批準的魯南化肥廠二期擴建工程為年產(chǎn)8萬噸合成氨，造氣部分引進德士古煤漿氣化技術(shù)，其它部分由國配套。由于煤氣中硫化物和二氧化碳含量較高，經(jīng)多方研究認可選用了NHD溶劑脫除合成氣中二氧化碳的工藝，于1992年投產(chǎn)。 在氣液平衡數(shù)據(jù)的測定和魯化廠年產(chǎn)8萬噸生產(chǎn)裝置的基礎(chǔ)上，提供了大型廠設(shè)計參數(shù)，進行此項年產(chǎn)30萬噸合成氨NHD脫硫脫碳基礎(chǔ)設(shè)計，條件是以德士古煤漿氣化氣經(jīng)中低溫耐硫變換后的氣體為原料在2MPa壓力下將含CO2 43%，的變換氣凈化至CO2 0.1%，每噸氨總能耗99萬大卡，溶劑損耗0.5公斤南化集團公司研究院開發(fā)的NHD凈化技術(shù)，目前已在20多家氨廠、甲醇廠、醋酸

28、廠的脫硫、脫碳裝置上得到成功應用。作為一種典型的物理吸收過程，NHD技術(shù)適合于硫化物和二氧化碳含量高的煤制氣凈化，因此在化肥工業(yè)、煤化工、碳一化學領(lǐng)域具有廣闊的前景，適合我國國情。2 生產(chǎn)方案的確定2.1脫碳及再生的方法一種凈化氣體的過程，指脫除混合氣體中的二氧化碳，主要見于合成氨生產(chǎn)原料氣或煤氣的處理。脫除原料氣中二氧化碳的方法，分為3類。(1) 物理吸收法 最早采用加壓水脫除二氧化碳，經(jīng)過減壓將水再生。此法設(shè)備簡單，但脫除二氧化碳凈化度差，出口二氧化碳一般在2(體積)以下，動力消耗也高。近20年來開發(fā)有甲醇洗滌法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等，與加壓水脫碳法相比，它們具有凈化度高、能耗

29、低、回收二氧化碳純度高等優(yōu)點，而且還可選擇性地脫除硫化氫，是工業(yè)上廣泛采用的脫碳方法。(2) 化學吸收法 具有吸收效果好、再生容易，同時還能脫硫化氫等優(yōu)點。主要方法有乙醇胺法和催化熱鉀堿法。后者脫碳反應式為：為提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸鉀溶液中添加某些無機或有機物作活化劑，并加入緩蝕劑以降低溶液對設(shè)備的腐蝕。此外，還有氨水吸收法。在碳酸化法合成氨流程中，采用氨水脫除變換氣中的二氧化碳，同時又將氨水加工成碳酸氫銨。(3) 物理化學吸收法 以乙醇胺和二氧化四氫噻吩(又稱環(huán)丁砜)的混合溶液作吸收劑，稱環(huán)丁砜法。因乙醇胺是化學吸收劑，二氧化四氫噻吩是物理吸收劑，故此法為物理與化學效果相結(jié)合

30、的脫碳方法。對于二氧化碳的再生，再生方法是NHD溶液的采用多級減壓閃蒸和汽提法(加熱汽提，惰性氣汽提)，一般若凈化度要求不高，可采用多級減壓閃蒸，若凈化度要求高須采用惰性氣汽提或加熱汽提法。 對于合成氨原料氣的脫碳及再生，我想用物理吸收法，這樣在吸收二氧化碳后，只需經(jīng)過閃蒸和氣提，就可以實現(xiàn)二氧化碳的再回收，所用的吸收劑是NHD,氣提吹掃的惰性氣體選用氮氣。2.2 NHD的脫碳原理2.2.1 NHD溶劑的物理性質(zhì) NHD溶劑的主要成分是聚乙二醇二甲醚，分子式為，式中n=28，平均分子量為250270。其物理性質(zhì)(25)見表1：表1 NHD的物理性質(zhì) 2.2.2 計算的熱力學基礎(chǔ) NHD溶劑在脫

31、碳過程具有典型的物理吸收特征。 二氧化碳氣體在工藝氣體中分壓不太高時，它在NHD溶劑中的平衡溶解度能較好地服從亨利定律： 當氣相壓力不高時，氣相中各組分的分壓可按道爾頓分壓定律來描述： 在一定時，提高氣相總壓P，可溶氣體在NHD溶液中的濃度，將增大，此時實行氣體吸收過程。若氣體i為二氧化碳，即為脫碳過程。反之，對已經(jīng)溶解了大量二氧化碳的NHD溶劑，在溫度及不變的情況下，降低氣相總壓，氣體i從溶液中釋放出來，形成閃蒸過程。閃蒸后的NHD溶液中還有少量的氣體i，此時可往溶液中鼓入不含氣體i的空氣等惰性氣體，繼續(xù)降低氣相中i的濃度，可進一步降低溶液中i氣體的濃度,達到溶液再生的目的，使之重復用于吸收

32、。在二氧化碳氣體與NHD溶劑之間進行傳質(zhì)過程的同時，氫氣、氮氣、甲烷、一氧化碳等氣體與NHD溶劑吸收和解吸，但與二氧化碳氣體的溶解度相比，這些氣體在NHD溶劑中的溶解度要小得多(表2)表2 各種氣體在NHD溶劑中的溶解度由于硫化氫和有機硫在前面的脫硫工段已經(jīng)脫除了大部分，剩下的含量很少，故可以可作NHD只吸收二氧化碳，其它氣體則為惰性氣體。2.2.3計算的動力學基礎(chǔ)通過對NHD溶劑吸收的傳質(zhì)研究，測得系統(tǒng)的擴散系數(shù) 系統(tǒng)的液膜傳質(zhì)系數(shù)與溫度的關(guān)系式： NHD溶劑吸收的速率方程式可以寫成： NHD溶劑吸收時的傳質(zhì)阻力主要是在液相，對此物理溶解過程有： 在過程速率主要取決于在NHD液相中的擴散速率

33、情況下，則上式可簡化為 提高氣相壓力對無明顯影響，但提高了，從而增大了吸收的推動力，也增大?？梢姡岣呶諌毫μ岣呶账俾适怯欣?。 若降低吸收溫度，則一方面提高了H值(即提高了值)，另一方面溫度降低會使同樣的液相濃度的平衡分壓降低，吸收的推動力將增大。因此降低吸收溫度，會極增加吸收速率。由于NHD溶劑吸收CO2是個液膜控制過程，因此在傳質(zhì)設(shè)備的選擇和設(shè)計上，應采取提高液相湍動、氣液逆流接觸、減薄液膜厚度及增加相際接觸面積等措施，以提高傳質(zhì)速率。2.3 脫碳及再生工藝參數(shù)的選定2.3.1 脫碳流程的選擇 鑒于聚乙二醇二甲醚脫除CO2是個典型的物理吸收過程，從1965年至今二十多年來，世界上幾

34、十個工業(yè)裝置都采用吸收閃蒸氣提的溶液循環(huán)過程，其中閃蒸操作可分為幾級，逐級減壓，高壓閃蒸氣中含有較多的氫氣等有用的氣體，一般讓它返回系統(tǒng)予以回收，或做燃料用，低壓閃蒸氣含CO2可達到93%以上，常用之于尿素生產(chǎn)。經(jīng)閃蒸、氣提等手段再生的溶液充作半貧液進入脫碳塔中部，用以吸收進口氣體部分CO2。進入脫碳塔頂?shù)呢氁簛碜詿嵩偕?，由于這部分溶液的再生更徹底，溫度也不高，因此降低了塔頂CO2 的平衡分壓，保證了凈化氣中CO2含量小于1.0%的指標。NHD溶劑的飽和蒸汽很低，氣相中帶走的溶劑損耗極少。因此，不設(shè)溶劑洗滌回收裝置。2.3.2氣提劑的選擇本設(shè)計采用氮氣作為氣提氣，因此，解決了溶液中硫化物的氧

35、化析硫問題，改善了整個系統(tǒng)的可操作性，更是脫碳塔以預飽和CO2的溶液作貧液這種先進工藝的采用的先決條件。2.3.3塔型的選擇NHD溶劑吸收二氧化碳的傳質(zhì)速度較慢，而且低溫操作下的溶劑粘度大，流動性差。所以需要較大的氣液傳質(zhì)界面。因此，我們選用了操作彈性較大的填料塔。在國外已經(jīng)運轉(zhuǎn)的聚乙二醇二甲醚氣體凈化工業(yè)裝置，也多采用填料塔。同樣，解吸過程也采用填料塔。 關(guān)于填料，可以根據(jù)發(fā)展情況，考慮選用50×25碳鋼階梯環(huán)，也可使用50×25玻纖增強聚丙烯階梯環(huán)，但必須有低溫長期使用的經(jīng)驗后方可使用。由于此次設(shè)計的溫度不低，故為選用聚丙烯階梯環(huán)。2.3.4 脫碳再生操作溫度的選定在吸

36、收壓力及進脫碳塔氣的CO2濃度為定值時，二氧化碳在聚乙二醇二甲醚中的平衡溶解度隨溫度降低而升高。圖1 吸收溫度對脫碳氣中CO2 含量的影響所以，降低脫碳溫度，有利于加大吸收能力，減少溶液循環(huán)量和輸送功率，也有利于提高凈化度。更由于溶劑蒸汽壓隨溫度降低而降低，可使系統(tǒng)的溶劑損耗減少，但低溫下的溶劑粘度大，傳質(zhì)慢，增加了填料層高度和冷量損失。 據(jù)計算，脫碳負荷，填料層高度，吸收壓力等條件均相同時，脫碳貧液溫度為25時，凈化度為0.2%，貧液溫度降低到-1，凈化度可達0.06%。在這里脫碳塔的操作溫度選27。對于二氧化碳的再生，其操作溫度選常溫，25。2.3.5 脫碳再生操作壓力的選定 吸收的壓力越

37、高，越有利于物理溶劑的吸收能力的提高。以下是兩套不同吸收壓力的工業(yè)裝置的運行數(shù)據(jù)： 從表中可以看出，2.7MPa的吸收壓力明顯優(yōu)于1.7MPa。但合成氨廠的脫碳壓力往往由壓縮機型及流程總體安排所決定，只要脫碳系統(tǒng)的二氧化碳的分壓達到0.4MPa以上，用NHD脫碳都可以獲得良好的綜合技術(shù)經(jīng)濟指標。所以，我這次設(shè)計吸收壓力為1.4MPa，二氧化碳的分壓為0.42MPa。 解吸的操作壓力我選常壓，即一個大氣壓，這樣有利于設(shè)備的運行。2.3.6脫碳塔氣液比的確定在其它工藝條件不變時二氧化碳凈化度隨著氣液比的增大而降低。下表中模式數(shù)據(jù)顯示了這種影響。從該表中看到，在吸收再生條件均相近的情況下，吸收塔氣液

38、比越小，凈化度越高。(吸收壓力均在2.52.8MPa，吸收溫度均在2634，氣提空氣/溶劑在18.223.6)。如表3所示：表 3序 號氣  液  比溶劑吸收CO2能力m3(標)/m3CO2mol%進塔氣凈化氣143.211.025.60.1249.812.926.20.4354.014.226.00.4462.016.227.21.4若要保證一定的CO2凈化度，則氣液比提高所產(chǎn)生的不利影響，需通過提高填料層高度來彌補。下表列出了在某工藝條件下，將CO2由進口的41.73%脫到0.5%的對比數(shù)據(jù)。如表4所示：表 4序  號ABCDEF

39、GH氣液比80.778.984.273.769.266.063.561.9脫碳能力m3(標)/m363.555.744.734.429.929.226.825.2凈化度CO2%0.0200.0160.7130.0860.0530.0200.0170.0152.3.7 冷凝器的位置及選定 脫碳操作溫度接近于常溫，所以進塔溶液需要冷凍措施。我們選用液氨為冷源，使溶液溫度保持在25左右。 根據(jù)國外同類型運轉(zhuǎn)工廠的經(jīng)驗，冷凝器的位置有兩種，一種冷卻貧液，一種是冷卻富液。兩種方法各有千秋。用冷凝器冷卻貧液的有美國奧馬哈氨廠，西德的一些工廠以及TVA的有關(guān)報價材料。它的優(yōu)點是，控制進脫碳塔貧液溫度比較直接

40、，經(jīng)冷卻后的低溫管道較短，其它設(shè)備操作溫度均稍高，這樣有利于氣提過程及減少冷量損失。缺點是傳熱溫差小，溶劑損耗大。另一種冷卻富液，即冷卻剛出脫碳塔的富液。采用這種冷凝器位置的有加拿大希爾哥頓公司氨廠，加拿大工業(yè)公司氨廠等。它的優(yōu)點是傳熱溫差大，有利于減少傳熱面積。(因為整個脫碳系統(tǒng)中，富液溫度最高)整個脫碳系統(tǒng)操作溫度都較低，溶劑損耗少。然而帶來的缺點是不利于解吸過程，低溫管道設(shè)備多，冷量損失就大。 本次設(shè)計脫碳系統(tǒng)的半貧液冷卻采用第一種位置，貧液是由熱再生塔來，經(jīng)溶液換熱后再用氨冷卻，屬于第一種位置。2.3.8腐蝕及材料選擇NHD溶劑本身無腐蝕性，并能在有些原來的腐蝕的脫碳系統(tǒng)抑制腐蝕，這是

41、因為NHD溶劑吸收了水分，減輕了CO2對碳鋼的腐蝕。但在高溫和有二氧化碳和水蒸汽存在的情況下，對設(shè)備有一定的腐蝕作用。因此，脫碳系統(tǒng)的大部分設(shè)備脫碳塔、氣提塔，閃蒸槽等都可用低合金鋼鋼制作，僅部分件，如除沫器，液體分布器，填料支承及壓板等，采用不銹鋼材料。 管道間墊片可用石棉，機械密封材料可選用硅橡膠，聚丙烯和聚四氟乙烯，一般的高分子材料慎用。 NHD溶劑是油漆的溶劑，管道和設(shè)備表面不能使用涂料，偶爾接觸NHD溶劑的設(shè)備防腐涂層可用環(huán)氧樹脂漆。3 脫碳再生生產(chǎn)流程說明脫碳工藝流程如圖3.1所示。 圖 3.11換熱器 2、6、13氣液分離器 3、7風機 4吸收塔 6、7、11溶液泵 8、14氣體

42、緩沖罐 9氣提塔 12閃蒸槽變換氣加壓至1.4MPa后先經(jīng)過分離器分離夾帶霧沫后，進入板翅式綜合氣體換熱器，與凈化氣、高壓閃蒸氣、低壓閃蒸氣換熱降溫，經(jīng)進塔分離器分離，進入脫碳塔，氣體由下向上與從塔頂噴淋下來的溶液逆流接觸，混合氣體的二氧化碳被溶劑吸收，脫除到1.0%以下，凈化氣經(jīng)霧沫分離器分離掉夾帶的少量霧沫后，進入翅式氣體換熱器回收冷量，經(jīng)裝有EAC-2的精脫硫罐脫除掉殘余總硫，加壓送聯(lián)醇系統(tǒng)。 從脫碳塔底部出來的NHD富液，經(jīng)減壓后進入閃蒸槽，將大部分溶劑中吸收的二氧化碳氣體閃蒸解吸出來，送尿素合成塔。自閃蒸槽底部出來的溶劑，經(jīng)富液泵提壓后送至氣提塔頂部。溶劑自塔頂噴淋下來，與從下部送入

43、的氮氣逆流接觸，進行傳質(zhì)換熱，并將溶液中殘留的二氧化碳氣提出來。出氣提塔的解吸氣經(jīng)分離器回收少量夾帶NHD霧沫后，入空氣冷卻器，與羅茨風機送來的空氣進行間接熱交換，之后，解吸氣放空。 從氣提塔出來的貧液則經(jīng)泵加壓和流量調(diào)節(jié)后，進入氨冷管間，被液氨蒸發(fā)器冷卻后再送入脫碳塔頂部去吸收原料氣中的二氧化碳，如此循環(huán)使用，當循環(huán)溶劑吸水超標后，可部分送脫水塔進行脫水處理，脫水后的溶劑經(jīng)溶液換熱降溫后送至氣提塔。 4 吸收過程的工藝計算已知條件：進口氣體組成：組成CO2COH2N2CH4合 計含量/%0.20.2620.3320.1910.015100.00工藝參數(shù)： 原料氣壓力：常壓；進脫碳塔氣體溫度：

44、25；脫碳塔操作壓力：P=1.4MPa；脫碳塔操作溫度：t=27；進脫碳塔溶液含二氧化碳的量：0.001進脫碳塔溶液溫度：25；閃蒸槽操作壓力：常壓；閃蒸槽操作溫度：25； 進氣提塔氮氣溫度：30； 氣提塔操作壓力：26.66kpa； 氣提塔操作溫度：25； 年工作日330天，其余數(shù)據(jù)根據(jù)生產(chǎn)實際情況自定。設(shè)計目標：出脫碳塔凈化氣組分中CO2含量1.0%；再生氣組分中CO2%回收率93%脫碳塔壓差；氣提塔壓差。4.1物料恒算原料氣在通過吸收塔的過程中，二氧化碳氣體不斷被吸收，故氣體總量沿塔高而變，液體也因其中不斷溶入二氧化碳組分，其含量也沿塔高而變，但是塔的惰性氣體量和溶劑量是不變的。進塔氣的

45、的平均摩爾質(zhì)量為 進塔氣的摩爾流量： 進塔氣中的流量： 惰性氣體的流量： 則原料氣中各組分的物質(zhì)的量為： kmol/h 其中惰性氣體的物質(zhì)的量為：進塔氣中的摩爾比為：出塔氣中的摩爾比為：進塔溶液中的摩爾比為：塔操作壓力下的分壓為： 以煤為原料的變換氣中在25，0.42MPa下在碳酸丙烯的溶解度為13.8（標）。NHD在同樣條件下的溶解度是碳酸丙烯的1.15倍，則在25，0.42MPa下NHD的溶解度為（標） 凈化氣的流量為： 凈化氣摩爾流量為：凈化氣中的流量為： 則被NHD吸收的流量為： 被NHD吸收的摩爾流量為：則吸收所需的NHD的量為：其摩爾流量為：取NHD中的雜質(zhì)含量為0.5%，則真實所

46、需的NHD為：其摩爾流量為： 根據(jù)全塔的物料恒算，求出在液相中的摩爾比為其摩爾分數(shù)為： 從塔底流出的富液量為：凈化氣各組分含量由求出，列表4.1表 4.1組成CO2COH2N2CH4合 計含量%132.441.123.641.86100.004.2熱量恒算全塔的熱量平衡式為: 4.2.1原料氣帶入的熱量當氣體壓力不高時，有其中氣體的比熱容，而，查將數(shù)據(jù)代入可得氣體中各組分的比熱容，列表4.2表 4.2 組分CO2COH2N2CH48.82311.4297.31811.28310.021 原料氣帶入的熱量為：4.2.2單位時間氣體的溶解熱 單位時間氣體的溶解熱為 式中為二氧化碳溶于NHD的溶解熱

47、， 4.2.3進塔溶液帶入的熱量進塔溶液帶入的熱量 式中為NHD的比熱容， 4.2.4凈化氣帶出的熱量由工程上操作可知氣體出塔溫度與操作溫度相同，則 其中氣體的比熱容，而， 查將數(shù)據(jù)代入可得氣體中各組分的比熱容，列表4.3 組分CO2COH2N2CH48.94912.3676.89512.14710.826 凈化氣帶出的熱量為： 4.2.5塔底富液帶出的熱量塔底富液帶出的熱量 式中，為單位時間已溶氣體的焓，則由可以求出富液帶出的熱量為富液的溫度為： 溶液溫度升高了5。4.3吸收塔的工藝設(shè)計4.3.1 塔徑及氣速的計算塔氣體的密度 將進塔氣換成操作壓力下的體積流量，中壓以下由可知,則 塔氣體的質(zhì)

48、量流量為塔氣體的質(zhì)量流量為采用埃克特通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速，其橫坐標為 查圖得縱坐標為 27時， 水的密度， 則 查表知：DN50塑料階梯環(huán)，解得 擬定操作空塔氣速 由 圓整取塔徑為1.6m。校核： 故所選填料規(guī)格適宜。取 最小噴淋密度操作噴淋密度>符合生產(chǎn)要求。此時，實際操作空塔氣速 泛點率為 經(jīng)校核D=1.6m符合要求。 4.3.2填料層高度的計算取純?nèi)軇┑牧髁繛樽钚×髁康?.8倍，則 由 的吸收因數(shù) 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為： NHD的擴散系數(shù) 溶解度系數(shù)H與相平衡常數(shù)m的轉(zhuǎn)換： NHD系統(tǒng)的液膜擴散系數(shù)與溫度的關(guān)系為 對于物理的溶解過程，有,在該系統(tǒng)有 氣相總體積吸收系數(shù)為氣相總傳質(zhì)單

49、元高度為：填料層高度為：4.3.3塔厚度的計算 本塔選用GB6654.16MnR低合金鋼，查得t=27時的許用壓力，低合金鋼單面腐蝕裕度取，采用雙面對接焊縫，局部探傷，取，則筒體的設(shè)計厚度為 圓整后取10mm，負偏差， 則塔體的名義厚度塔體的有效厚度4.3.4塔壓降的計算在計算塔徑時，由Ecken關(guān)聯(lián)圖可知其橫坐標為1.523，填料的降壓因子，則縱坐標由Ecken關(guān)聯(lián)圖可知填料，則 全塔的填料層降壓為l 4.3.5輔助設(shè)備的計算和選型 吸收塔氣體的進料管管徑進塔氣流速為 查得氣體在中壓下的流速為15m/s，則管徑查表選用的無縫鋼管，其徑 重新核算氣體在管的流速 液體輸送管管徑進液管選用碳鋼管，則其管徑其