年產(chǎn)5萬(wàn)噸合成氨脫碳工段工藝設(shè)計(jì)

1、邯鄲學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)邯鄲學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題題 目目 年產(chǎn) 5 萬(wàn)噸合成氨脫碳工段工藝設(shè)計(jì)學(xué)學(xué) 生生 安 東指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 梁亞男 講師年年 級(jí)級(jí) 2008 級(jí)專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)業(yè) 應(yīng)用化學(xué)系系 部部 化學(xué)系邯鄲學(xué)院化學(xué)系2012 年 6 月鄭重聲明鄭重聲明本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師梁亞男的指導(dǎo)下獨(dú)立撰寫(xiě)完成的。如有剽竊、抄襲、造假等違反學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和侵權(quán)的行為，本人愿意承擔(dān)由此產(chǎn)生的各種后果，直至法律責(zé)任，并愿意通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接受公眾的監(jiān)督。特此鄭重聲明。畢業(yè)設(shè)計(jì)作者： 年 月 日I摘摘要要 本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)五萬(wàn)噸合成氨脫碳工段的初步的設(shè)計(jì)。脫除原料氣中的CO2，對(duì)以后的合成工段的意義重大，同時(shí)回收的 C

2、O2也可以用于其他化學(xué)物質(zhì)的合成。本設(shè)計(jì)采用改良的熱鉀堿法和兩段吸收兩段再生的工藝流程來(lái)脫除合成氣中的CO2，并對(duì)吸收液進(jìn)行再生。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括生產(chǎn)工藝的比較和確定、能量衡算和物料衡算、主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型。本設(shè)計(jì)的主要設(shè)備為二氧化碳吸收塔。通過(guò)計(jì)算確定采用異徑塔。上段塔徑為 2000mm，填料層高度為 14m；下段塔徑為 2400mm，調(diào)料層高度為 10m。通過(guò)本設(shè)計(jì)方法，能夠使變換氣中二氧化碳的含量降至 1%左右，具有較好的脫除效果，能夠進(jìn)行下一步的繼續(xù)凈化。附帶的圖紙有帶控制工藝流程圖和二氧化碳吸收塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 熱鉀堿法 脫碳 二氧化碳 吸收塔 工藝設(shè)計(jì) IIThe De

3、sign of 50kt/a Synthetic Ammonia Purification Section ProcessAn Dong Directed by Lecturer Liang Ya-nanAbstract This design is an annual output of 50,000 tons of synthetic ammonia decarburization section design. Recovering the carbon dioxide is very important to next manufacturing process, and it can

4、 be used for producting other chemicals. It uses improvement way of hot solution of aqueous potassium carbonate and two process of absorbtion and recovery, this way can remove the carbon dioxide of syngas and recover the absorbed solution. The content of this design mainly includes the choice of mak

5、ing technologe, mass and energy balance, the design of equipments and tubes. The main equipment of this design is carbon dioxide absorption tower. Through the calculation we use different diameter tower. The diameter of the upper part of the tower is 2000mm. The height of the packing layer is 14m. T

6、he diameter of the lower part of the tower is 2400mm and the height of the packing layer is 10m. The design method can reduce the contents of carbon dioxide in transformation gas to about 1%, has better removal effect, and next step can be continue. Besides these, it includes the drawing of controll

7、able technological process, the equipment drawing of the absorbing tower of cabon dioxide.Key words The hot solution of aqueous Decarbonization process Carbon dioxide Absorbing tower Technological design目 錄摘摘要要 .I外文頁(yè)外文頁(yè).II1前言前言.12合成氨的概述合成氨的概述.12.1 氨的發(fā)現(xiàn)和制取.12.2 氨的性質(zhì)和用途.12.3 我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況.22.4 合成氨技術(shù)未來(lái)的

8、發(fā)展趨勢(shì).22.5 合成氨生產(chǎn)工藝介紹.22.6 脫碳單元在合成氨中的作用.43脫碳方法及工藝選擇脫碳方法及工藝選擇.43.1 脫碳方法選擇.43.2 脫碳工藝的選擇.83.3 脫碳工段主要設(shè)備的選擇.123.4 工藝操作條件的選擇.124工藝計(jì)算工藝計(jì)算.134.1 物料衡算及熱量衡算.145熱量衡算匯總表熱量衡算匯總表.236主要設(shè)備計(jì)算主要設(shè)備計(jì)算.246.1 二氧化碳吸收塔.246.2 已知條件.246.3 塔徑計(jì)算.246.4 填料層高度計(jì)算.266.5 塔附屬高度的確定.276.6 液體分布器選擇.276.7 填料層壓降計(jì)算.276.8 二氧化碳吸收塔計(jì)算總結(jié).286.9 二氧化碳

9、再生塔.286.10 操作條件.286.11 塔徑計(jì)算.286.12 填料層高度計(jì)算.307工廠平面設(shè)計(jì)工廠平面設(shè)計(jì).317.1 廠房設(shè)計(jì)要求.317.2 廠房設(shè)計(jì).317.3 廠址的選擇.317.4 總布局主要應(yīng)滿(mǎn)足的要求.318三廢處理三廢處理.328.1 廢水處理.328.2 廢氣處理.328.3 廢渣處理.329 總結(jié)總結(jié).3210 附：帶控制工藝流程圖和二氧化碳吸收塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖附：帶控制工藝流程圖和二氧化碳吸收塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖.32參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).32致致 謝謝.341年產(chǎn) 5 萬(wàn)噸合成氨凈化工段工藝設(shè)計(jì)1前言合成氨是傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)之一，誕生于二十世紀(jì)初期。氨氣是最基本的化工產(chǎn)品之一，

10、用途廣泛，在國(guó)民生產(chǎn)中具有十分重要的地位。合成氨的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程主要包括造氣、凈化、壓縮和合成三個(gè)步驟。其生產(chǎn)主要包括：脫硫、轉(zhuǎn)化、變換、脫碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及輸入氨庫(kù)和氨吸收八個(gè)工藝流程。在合成氨過(guò)程中，脫碳工段處于承前啟后的關(guān)鍵位置，其作用不僅是凈化合成氣，防止經(jīng)變換后的合成氣中含有的大量二氧化碳使后期合成氨催化劑中毒，又能回收 CO2用以制造尿素、純堿、碳酸氫銨等。因此，二氧化碳的脫除和回收利用是脫碳過(guò)程的兩項(xiàng)重要任務(wù)，也在合成氨中占有較重要的地位。本設(shè)計(jì)是年產(chǎn) 5 萬(wàn)噸合成氨脫碳工段初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的目的是為了尋找出一套合理高效的脫碳工藝，獲得純度較高的凈化氣，并提高二氧化碳的

11、回收率，簡(jiǎn)化工藝流程，降低能耗，達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。設(shè)計(jì)的內(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(shè)備的選型與設(shè)計(jì)以及繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和一張主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。本設(shè)計(jì)主要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是在二氧化碳吸收和再生這個(gè)可逆過(guò)程中溶液的濃度、循環(huán)量的確定、吸收塔和再生塔的設(shè)計(jì)及附屬設(shè)備的合理選擇。2合成氨的概述2.1 氨的發(fā)現(xiàn)和制取氨的發(fā)現(xiàn)和制取氨氣是 1754 年由 J.普里斯特利在加熱氯化銨和石灰的混合物時(shí)發(fā)現(xiàn)的，其反應(yīng)式為：CaCN23H2O（g）2NH3（g）CaCO31784 年 C.L.伯托利確定氨氣是由氫和氮組成的。19 世紀(jì)中葉，煉焦工業(yè)開(kāi)始興起，在生產(chǎn)焦炭過(guò)程中制

12、得了氨1。1909 年德國(guó)化學(xué)家哈伯提出了工業(yè)氨的合成方法，即“循環(huán)法”，這是目前工業(yè)普遍采用的直接合成法。合成氨反應(yīng)式如下：N2+3H22NH3 2.2 氨的性質(zhì)和用途氨的性質(zhì)和用途2.2.1 氨的性質(zhì)氨為無(wú)色氣體，具特有的強(qiáng)烈刺激性氣味。密度為 0.771g/L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，比空氣輕。沸點(diǎn)-33.35，高于同族氫化物 PH3、AsH3等，易液化。熔點(diǎn)-77.7。液氨密度為 0.7253g/cm3，氣化熱大，達(dá) 23.35kJ/mol，是常用的致冷劑。氨極易溶于水，20時(shí) 1 體積水能溶解 702 體積氨氣。液氨是極性分子，似水，可發(fā)生電離，也可溶解一些無(wú)機(jī)鹽，如 NH4NO3、AgI 等。

13、空氣中允許 NH3最高含量規(guī)定為 0.02mg/L，若達(dá) 0.5%則強(qiáng)烈刺激粘膜，引起眼睛和呼吸器官的癥狀。NH3遇Cl2、HCl 氣體或濃鹽酸有白煙產(chǎn)生。氨水可腐蝕許多金屬，一般用于盛放氨水的鐵桶內(nèi)測(cè)應(yīng)涂抹瀝青。NH3的催化氧化是放熱反應(yīng)，反應(yīng)生成 NO，工業(yè)上用于制 HNO3，NH3也可以被氧化生成N2。NH3的另一個(gè)特性就是能使紅色石蕊試紙變藍(lán)。22.2.2 氨的用途NH3是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中應(yīng)用非常廣泛。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，目前世界合成氨的年產(chǎn)量很大，已超過(guò)一億噸。其中 85%的合成氨用做生產(chǎn)化肥，農(nóng)業(yè)上使用的尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯水以及各種含氮混肥等氮肥，都

14、是以氨作為原料的，并且液氨也可直接用作肥料。NH3也是制造炸藥和各種化學(xué)纖維及塑料的重要原料。NH3可以制得硝酸，進(jìn)而用硝酸再制造硝酸銨、硝化甘油、硝基纖維素等。在化纖和塑料工業(yè)中，合成氨可以用作氮源，生產(chǎn)人造絲和己二胺等。氨的其它工業(yè)用途也十分廣泛，例如，NH3能當(dāng)做制冷濟(jì)，用于制冰、空調(diào)等系統(tǒng)。在冶金工業(yè)中可用 NH3來(lái)提煉金屬銅等，在生物化學(xué)和醫(yī)藥方面 NH3可用作生產(chǎn)維生素、磺胺類(lèi)藥物和一些氨基酸等。綜上所述，合成氨在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有的地位十分重要。2.3 我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，而農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)化肥。氮肥

15、是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要量最大的化肥之一，合成氨則是氮肥的主要來(lái)源，因而合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的位置。解放前我國(guó)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(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H 0.6 萬(wàn)噸，到 20 世紀(jì) 50 年代，合成氨單系列裝置的生產(chǎn)能力最大僅為 4 萬(wàn)噸/年，滿(mǎn)足不了市場(chǎng)需求。70 年代，我國(guó)建成了一批中型氮肥生產(chǎn)裝置，合成氨單系列裝置的生產(chǎn)能力達(dá)到 6-12 萬(wàn)噸/年。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，高濃度化肥的市場(chǎng)需求不斷增加，我國(guó)先后引進(jìn)了 30 套以油、天然氣和煤為原料的 30 萬(wàn)噸/年合成氨裝置。除此之外，還自行設(shè)計(jì)制造了以輕油為原料的的年產(chǎn) 30 萬(wàn)噸的合

16、成氨生產(chǎn)裝置。到 1982 年，年產(chǎn)量以達(dá)到 1021.9 萬(wàn)噸，成為世界上合成氨產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。2.4 合成氨技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)合成氨技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)目前合成氨技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀分析，未來(lái)氨合成的生產(chǎn)原理不會(huì)放生本質(zhì)上的變化，其技術(shù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)以“提高運(yùn)行周期、降低生產(chǎn)成本、改善經(jīng)濟(jì)效益”為目標(biāo)，進(jìn)一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行”等方面進(jìn)行技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。大型化、自動(dòng)化、集成化與形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模的生產(chǎn)中心、低能耗與更環(huán)保將是未來(lái)氨的合成裝置的主要發(fā)展方向。單系列合成氨裝置生產(chǎn)能力將有較大的上升空間；以油和煤為原料合成氨工藝，降低能耗將有很大發(fā)展空間，但以天然氣為

17、原料制氨工藝中，生產(chǎn)能耗已經(jīng)接近理論水平，預(yù)計(jì)不會(huì)有更大幅度的下降。在合成氨裝置的技術(shù)發(fā)展中，其研究焦點(diǎn)主要集中在關(guān)鍵性的工序和設(shè)備上，關(guān)鍵工序有合成氣制備 、合成氣凈化、氨合成技術(shù)；關(guān)鍵設(shè)備則主要是合成氣壓縮機(jī)2。2.5 合成氨生產(chǎn)工藝介紹合成氨生產(chǎn)工藝介紹合成氨的主要原料可以分為氣體、液體和固體三種。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，合成氨技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，基本都是由原料氣制備、凈化和氨合成三部分組成。原料氣制備，是指將原料制成含H2和 N2的粗原料氣。對(duì)于煤和焦炭等固體原料，制取合成氣通常采用氣化法；渣油獲得合成氣的3方法主要采用非催化部分氧化法；工業(yè)中還利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法從石腦油和氣態(tài)烴類(lèi)中制取合

18、成氣。凈化過(guò)程指的是對(duì)粗原料氣進(jìn)行凈化處理，主要包括變換、脫硫脫碳以及氣體精制三個(gè)過(guò)程，主要目的是除去原料氣中的雜質(zhì)。NH3的合成是指將純凈的氫、氮混合氣壓縮，在高壓和催化劑的作用下反應(yīng)生成 NH3。下面從三個(gè)方面詳細(xì)說(shuō)明合成氨的工藝流程：（1）造氣：因?yàn)榭諝庵泻?71%的氮?dú)?，目前已?jīng)有很多的技術(shù)從空氣中分離出滿(mǎn)足上述反應(yīng)的氮?dú)?，所以造氣就是提供維持該反應(yīng)的氫氣的過(guò)程。最早的造氣工藝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，并且一直沿用至今。二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)了新的造氣原料，例如天然氣、石油重油、石腦油等。由于

19、這些新型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(lái)逐漸取代了煤炭造氣工藝。但從目前能源的儲(chǔ)量、開(kāi)采和消耗走勢(shì)來(lái)看，煤炭造氣可能要重新得到重視。（2）凈化粗合成氣：該過(guò)程主要是對(duì)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(guò)程。對(duì)于半水煤氣，主要含無(wú)機(jī)硫（H2S），有機(jī)硫主要包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CO2），硫醇（RSH），硫醚（RSR）和噻吩（C4H4S）等；天然氣中主要是無(wú)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。這些硫化物不但使產(chǎn)品不純凈，更重要的是它們對(duì)生產(chǎn)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

20、失去活性。脫硫的方法主要分濕法和干法兩類(lèi)。濕法包括物理法、化學(xué)法、物理-化學(xué)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的硫化物，其也分為物理吸附和化學(xué)吸附。但通常干法脫硫裝置設(shè)備龐大復(fù)雜。脫碳是凈化合成氣的另一個(gè)重要步驟，任何方法制取的原料氣都含有 CO 和一定量的 CO2，其體積分?jǐn)?shù)一般為 12%40%。而 CO 在生產(chǎn)過(guò)程中還能被氧化為 CO2，在后續(xù)工段中CO2容易使催化劑中毒，并且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(guò)程中還會(huì)消耗大量 H2生成無(wú)用的氣體 CH4。而回收的 CO2可以在尿素、碳酸氫銨等產(chǎn)品的生產(chǎn)中利用，可見(jiàn)脫碳的意義十分重大。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的題

21、目為合成氨脫碳工段的工藝設(shè)計(jì)，所以不在此對(duì)其贅述，在后面有對(duì)脫碳工段的詳細(xì)介紹?？偟恼f(shuō)來(lái)，對(duì)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(duì)生產(chǎn)中能量的綜合利用和環(huán)境的保護(hù)有重要的影響。脫硫脫碳后還需要對(duì)原料氣進(jìn)行最終凈化，將原料氣中剩余的少量 CO 和 CO2除去，使其總量不超過(guò) 10cm3/m3。最終凈化有銅氨液吸收法、甲烷化法和深冷分離法等。（3）氨的合成：此工序是將純凈的 H2、N2混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成 NH3。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是合成氨生產(chǎn)過(guò)程的最重要的部分。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)庠傺h(huán)的流程

22、。氨合成的反應(yīng)式如下：N2+3H22NH3(g) =-92.4kJ/mol工業(yè)中反應(yīng)壓力一般在 1035MPa 之間，根據(jù)能量利用合理來(lái)取值。近些年來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列的催化劑，但使用比較廣泛的是壽命比較長(zhǎng)，活性良好而且價(jià)廉易得的鐵系催化劑。該催化劑在早期制備時(shí)還加入了促進(jìn)劑。而對(duì)于產(chǎn)品的分離，目前工業(yè)上主要有水吸收法和冷凝法兩種。具體流程圖如下：合成氨除塵脫硫壓縮CO 變換脫除 CO造氣脫除 CO24圖 2.1 合成氨工藝流程2.6 脫碳單元在合成氨中的作用脫碳單元在合成氨中的作用在合成氨過(guò)程中，不論用什么原料及方法造氣，經(jīng)過(guò)變換后的合成氣中都會(huì)有大量的 CO2，原料中烴的分子量越大，合

23、成氣中 CO2就越多。這些 CO2如果不及時(shí)除凈，不僅耗費(fèi)氣體壓縮功，占用設(shè)備體積，而且對(duì)后續(xù)工序有害。此外，CO2還是重要的化工原料。因此合成氨生產(chǎn)中把脫除工藝氣中 CO2的過(guò)程稱(chēng)為“脫碳工段”，在合成氨尿素聯(lián)產(chǎn)的化肥裝置中，它兼有凈化氣體和回收純凈 CO2兩個(gè)作用。因此脫碳單元在合成氨中處于關(guān)鍵位置，起著承前啟后的作用。脫碳運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定與否。3脫碳方法及工藝選擇3.1 脫碳方法選擇脫碳方法選擇3.1.1 脫碳方法簡(jiǎn)介由于 CO2是一種酸性氣體，對(duì)合成氨合成氣中 CO2的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。根據(jù)CO2與溶劑結(jié)合的方式，脫除 CO2的方法可分為三大類(lèi)：化學(xué)

24、吸收法、物理吸收法和物理化學(xué)吸收法。物理吸收法的原理是通過(guò)交替改變 CO2和吸收劑（通常是有機(jī)溶劑）之間的操作壓力和操作溫度以實(shí)現(xiàn) CO2的吸收和解吸，從而達(dá)到分離處理 CO2的目的。在整個(gè)吸收過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而消耗的能量比化學(xué)吸收法要少，通常物理吸收法中吸收劑吸收 CO2的能力隨著壓力增加和溫度降低而增大，反之則減小3。物理吸收法中常用的吸收劑有丙烯酸酯、聚乙二醇、甲醇、乙醇以及噻吩烷等高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑。目前，工業(yè)上常用的物理吸收法有 Fluor 法、Rectisol 法、Selexol 法等4，南化公司研究院于 80 年代初開(kāi)發(fā)成功一種較為先進(jìn)的脫碳技術(shù)NHD 法5，它與國(guó)外的 Se

25、lexol 工藝類(lèi)似，只是二者所用溶劑的組分不同。NHD 溶劑的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系物，脫除CO2效率在物理吸收法中較高。物理吸收法由于 CO2在溶劑中的溶解服從亨利定律，因此僅適用于CO2分壓較高的條件?；瘜W(xué)吸收方法是利用 CO2是酸性氣體，能與堿性化合物反應(yīng)的特性將其吸收。原料氣和化學(xué)溶劑在吸收塔內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，CO2進(jìn)入溶劑形成富液，富液進(jìn)入脫吸塔經(jīng)加熱分解出 CO2，吸收與解吸交替著進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn) CO2的分離和回收。目前工業(yè)中廣泛采用的方法有兩種：熱碳酸鉀法和醇胺法。熱碳酸鉀法包括苯非爾德法、坤堿法、卡蘇爾法等。以乙醇胺類(lèi)作吸收劑的方法有 MEA 法（一乙醇胺）、DEA 法（二

26、乙醇胺）及 MDEA（N-甲基二乙醇胺）法等6。其中苯菲爾法和活性MDEA 法應(yīng)用最多7。常用的化學(xué)吸收劑有氨水、乙醇胺、催化熱鉀堿液等?；瘜W(xué)吸收法是傳統(tǒng)的5脫除 CO2的方法，脫除后產(chǎn)品氣純度高并且處理量大，目前已經(jīng)得到廣泛深入的研究和應(yīng)用。物理-化學(xué)吸收法是綜合了兩種吸收的方法，將其結(jié)合在一套生產(chǎn)工藝中。比如說(shuō)常用的環(huán)丁砜法，它的吸收劑是環(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(guó)的BASF 公司開(kāi)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。3.1.2 脫碳方法的比較物理吸收法：早期的合成氨廠多采用加壓水洗法進(jìn)行脫碳。加壓水洗脫碳通常在填料塔或篩板塔

27、中進(jìn)行。此法設(shè)備簡(jiǎn)單，但 CO2的凈化能力差，且水洗法的噴淋密度大，動(dòng)力消耗高，因此近年來(lái)合成氨廠的新建脫碳工藝已為其他方法所取代。吡咯烷酮法是以 N-甲基吡咯烷酮作為吸收劑。吡咯烷酮具有對(duì) CO2蒸汽壓較低、粘度較小、沸點(diǎn)較高、溶解度高等優(yōu)點(diǎn)。該方法特別適用于氣壓大于 7MPa 的場(chǎng)合，但由于 N-甲基吡咯烷酮價(jià)格比較貴，因此應(yīng)用不是很廣泛。以聚乙二醇二甲醚為吸收劑的脫碳過(guò)程稱(chēng)為 Selexol 法。聚乙二醇二甲醚具有無(wú)特殊氣味、無(wú)毒、沸點(diǎn)高、冰點(diǎn)低、腐蝕性低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，是一種理想的物理溶劑。但由于聚乙二醇二甲醚價(jià)格昂貴，投資及操作費(fèi)用均較高，因此該法很少在國(guó)內(nèi)應(yīng)用。低溫甲醇法是由

28、德國(guó)林德和魯奇公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，以甲醇作為吸收劑，在 12MPa，溫度為-750的范圍內(nèi)可同時(shí)脫除 CO2和 H2S。CO2可脫至 12E-5，H2S 可脫至 0.1E-6。該法的特點(diǎn)是不會(huì)使原料氣變濕，再生能耗低。此法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用都比較廣泛。碳酸丙烯酯法是以碳酸丙烯酯為吸收劑的脫碳方法。碳酸丙烯酯對(duì) CO2、H2S 的溶解度較大,具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、無(wú)腐蝕、蒸汽壓低、溶解熱低、粘度小等特點(diǎn)。該法對(duì) CO2的回收率比較高,能耗比較低,但是投資費(fèi)用也比較高。此法在國(guó)內(nèi)也有一定的應(yīng)用?？偟膩?lái)說(shuō)，物理吸收法存在諸多不足，例如水洗法操作費(fèi)用高，工藝較老。物理吸收法吸收選擇性也稍差一點(diǎn)，一般適合高含量

29、的 CO2?；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，加入V2O5來(lái)防腐。碳酸鉀水溶液具有強(qiáng)堿性，能與 CO2反應(yīng)生成 KHCO3。生成的 KHCO3在受熱和減壓時(shí)，又可重新放出 CO2，生成 K2CO3，因此可循環(huán)使用。為了提高反應(yīng)速度，吸收需在較高溫度(90110)下進(jìn)行，因此吸收與再生的溫度相近，可簡(jiǎn)化流程，同時(shí)降低了再生能耗，增加了吸收能力。苯菲爾法可以在高溫下運(yùn)行，再生熱低，添加 V2O5用以防腐，但該工藝需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行釩化處理，對(duì)工人的操作水平要求較高?；钚?MEDA 法是指以一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)吸收 CO2后生成穩(wěn)定的

30、胺基甲酸鹽，反應(yīng)熱大，加熱再生較困難，蒸汽消耗較高；N-甲基二乙醇胺(MDEA)與 CO2反應(yīng)生成不穩(wěn)定的碳酸氫鹽，反應(yīng)熱小，加熱后容易再生，蒸汽消耗較低。MDEA 水溶液與 CO2反應(yīng)受液膜控制，反應(yīng)速度較慢。為加快反應(yīng)速度，德國(guó) BASF 公司開(kāi)發(fā)了改良的 MDAE 脫碳工藝，在 MDEA 水溶液中加入少量活化劑組成吸收液，CO2先與活化劑快速反應(yīng)，其生成物再與 MDEA 溶液進(jìn)行反應(yīng)，提高了 MDEA 溶液對(duì) CO2的吸收速度。一般以甲基乙醇胺、哌嗪、咪唑或甲基取代咪唑作為活化劑。因此，化學(xué)吸收法相對(duì)來(lái)說(shuō)較好，其明顯的特點(diǎn)是選擇性好、收率高。如催化熱鉀堿液法的工藝日益完善、成熟，設(shè)備也較

31、為先進(jìn)，能夠滿(mǎn)足脫碳凈化的要求，安裝成本也適合各種規(guī)模的生產(chǎn)，裝置和操作也都不太復(fù)雜，以在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。其工藝的先進(jìn)度主要取決于活化劑的選擇。6物理-化學(xué)吸收法兼?zhèn)湮锢矸ê突瘜W(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，如德國(guó)的 BASF 公司開(kāi)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)，并且加入活化劑，可以調(diào)節(jié)吸收性能。所以說(shuō)此種方法具有很大的發(fā)展?jié)摿?。另外，MDEA 工藝溶解度大，酸氣負(fù)荷高，閃蒸放出的 CO2量多，CO2回收率高，溶液循環(huán)量相對(duì)較小，能耗較低。同時(shí)，MDEA 熱穩(wěn)定性好，不易降解，溶劑揮發(fā)性小，溶液對(duì)碳鋼設(shè)備腐蝕性弱。并且該工藝成熟，操作簡(jiǎn)便，對(duì)工人的素質(zhì)

32、要求相對(duì)較低，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，是優(yōu)先選取的化學(xué)吸收工藝。3.1.3 工藝比較（1）溶液吸收二氧化碳的能力低溫甲醇法 環(huán)丁砜法N.2-甲基吡咯烷酮法含砷熱鉀堿法=聚乙二醇二甲醚法 乙醇胺法有機(jī)胺硼酸鹽催化熱鉀堿法=二乙醇胺催化熱鉀堿法8。（2）消耗能源比較蒸汽：乙醇胺法環(huán)丁砜法含砷熱鉀堿法有機(jī)胺硼酸鹽催化熱鉀堿法二乙醇胺催化熱鉀堿法低溫甲醇法。電：含砷熱鉀堿法有機(jī)胺硼酸鹽催化熱鉀堿法二乙醇胺催人熱鉀堿法 -乙醇胺法 環(huán)丁砜法聚乙二醇二甲醚法 低溫甲醇法N.2-甲基吡咯烷酮法。水：水洗法 含砷熱鉀堿法 有機(jī)胺硼酸鹽催化熱鉀堿法 - 乙醇胺法 環(huán)丁砜法 二乙醇胺催化熱鉀堿法 低溫甲醇法N

33、.2-甲基吡咯烷酮法。3.1.4 脫碳方法的確定熱鉀堿吸收法是合成氨工業(yè)上一種典型的化學(xué)吸收脫碳方法，目前國(guó)內(nèi)外都廣泛的采用此工藝，相對(duì)于其他的吸收方法，該工藝能夠滿(mǎn)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)。由于添加的活化劑不同，熱鉀堿吸收法可以分為多種方法，目前合成氨廠主要采用得有：一是苯菲爾法（又稱(chēng)二乙醇胺改良熱鉀堿法），以二乙醇胺為活性劑；二是氨基乙酸催化熱鉀堿法，以氨基乙酸為活性劑。兩者都是以五氧化二釩為緩蝕劑。其中 DEA 改良熱鉀堿法（又稱(chēng)二乙醇胺法）是世界上廣泛應(yīng)用的胺類(lèi)處理酸性物質(zhì)或氣體的方法。因?yàn)?DEA 不易被 CO2或 CS2降解，其氣相損失

34、少，反應(yīng)速度快，循環(huán)率高。由于該方法達(dá)到了一定經(jīng)濟(jì)性和脫碳要求，所以本設(shè)計(jì)采用此方法。下面詳細(xì)介紹此法。（1）概述：該方法是利用碳酸鉀溶液在高溫下吸收 CO2，反應(yīng)式為CO2K2CO3H2O=2KHCO3。從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，本設(shè)計(jì)采用的操作溫度為 110。因?yàn)樵诟邷貤l件下 K2CO3溶解度增大，可以加大 CO2的吸收量率，CO2吸收速度較快；同時(shí)這個(gè)溫度與 CO2再生溫度相近，可以節(jié)約能量，降低生產(chǎn)成本。此外還給溶液中加入活性劑 DEA 和緩蝕劑，因?yàn)楦邷叵碌?CO2溶解度降低，反應(yīng)速度減慢。而較低的反應(yīng)速度下，K2CO3對(duì)設(shè)備和管道的腐蝕作用會(huì)加快。因此加入活性劑以加快反應(yīng)速度，增大 CO2溶

35、解量。加入緩蝕劑則可以減緩其對(duì)設(shè)備和管道的腐蝕。添加活化劑 DEA 不僅可以提高反應(yīng)速度，而且還會(huì)改變的 CO2平衡分壓，如表 3.1。表 3.1 DEA 含量對(duì)溶液吸收能力的影響7DEA 含量(%)0123相對(duì)吸收系數(shù)0.4131.000.6291.00相對(duì) CO2分壓(MPa)1.941.611.001.00DEA 含量不同，其溶液的吸收能力不同，如不同含量的 DEA 法的溶液吸收能力如下：普通的 DEA 法：使用 20%25%的 DEA 溶液，其對(duì)酸性氣體的吸收能力為 1219m3CO2/ m3溶液。高吸收能力的 DEA 法使用 25%27%的 DEA 溶液，其對(duì)酸性氣體的吸收能力為 3

36、032 m3立方米 CO2/ m3溶液。SNPA 法，使用 25%30%的 DEA 溶液，其對(duì)酸性氣體的吸收能力 3238.4 m3CO2/ m3溶液。（2）純碳酸鉀反應(yīng)機(jī)理及催化熱鉀堿法反應(yīng)機(jī)理純碳酸鉀反應(yīng)機(jī)理：反應(yīng)式： （3-1）323222KHCOOHCOKCO這一反應(yīng)可以分為下列幾步完成： （3-2）OHHOH2 （3-3）23322COKCOK （3-4）32HCOOHCO （3-5）323HCOCOH （3-6）33KHCOHCOK碳酸鉀水溶液吸收 CO2是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可以大致分為以下四個(gè)步驟。氣相中 CO2擴(kuò)散到溶液界面。CO2溶解于界面的溶液層中。溶液中的 CO2在界面液層

37、中與碳酸鉀溶液發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物向液相擴(kuò)散，而反應(yīng)從液相向液面擴(kuò)散。上述各步中除第三步式（3-4）是化學(xué)過(guò)程外，其余均為物質(zhì)傳質(zhì)過(guò)程。整個(gè)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)速度最慢，是整個(gè)吸收過(guò)程的控制步驟。含有二乙醇胺（DEA）的純碳酸鉀水溶液與 CO2的反應(yīng)二乙醇胺（DEA）的分子式：（CH2CH2OH）2NH，簡(jiǎn)寫(xiě)為 R2NH。結(jié)構(gòu)式為： H OHCH 2CH 2NCH2CH 2OH 當(dāng)碳酸鉀溶液中含有少量 DEA 時(shí)，與 CO2反應(yīng)里程如下： （3-7）23322COKCOK （3-8）NCOOHRCONHR222 （3-9）HNCOORNCOOHR22 （3-10）3222HCONHROHNCOOR （

38、3-11）323HCOCOH （3-12）33KHCOHCOK8經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該過(guò)程中反應(yīng)最慢的是式（3-8）這一步，因此這一步就是該過(guò)程的控制步驟。（3）K2CO3溶液的再生：K2CO3溶液吸收 CO2后轉(zhuǎn)變?yōu)?KHCO3溶液 pH 值降低，活性下降不能再吸收 CO2，于是要將溶液再生以恢復(fù)其活性.再生就是驅(qū)逐出 CO2使溶液恢復(fù)吸收能力，以循環(huán)使用。再生的反應(yīng)式為： （3-1）OHCOKCOKHCO232232從上反應(yīng)式可以看出：溫度越高，壓力越低，越有利于 KHCO3的分解，故再生反應(yīng)應(yīng)在高溫以及低壓的條件下進(jìn)行。3.2 脫碳工藝的選擇脫碳工藝的選擇3.2.1 脫碳工藝流程的分類(lèi)及比較熱鉀

39、堿法脫除 CO2的工藝流程一般有：一段吸收一段再生、二段吸收一段再生、兩段吸收兩段再生、多段吸收多段再生四種9。各種工藝流程比較：（1）一段吸收一段再生流程：該流程的特點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少，成本低廉，但是使用該流程凈化度差，凈化氣中 CO2剩余在 5左右，可以用于凈化度要求不高的情況。（2）二段吸收一段再生流程：該過(guò)程由于有少部分溶液經(jīng)冷卻后進(jìn)入吸收塔頂部，凈化度可達(dá)到 CO2含量 1，比起前者凈化度上有一定的提高，但依然不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，再生熱耗較高，僅在一些較低的小規(guī)模裝置上使用。（3）多段吸收多段再生流程：這種工藝凈化度最高，能耗最低，但是設(shè)備繁多，裝置系統(tǒng)極其復(fù)雜，操作要求

40、也很高，這樣就導(dǎo)致該工藝的投資很大，因此從經(jīng)濟(jì)和合理性的角度來(lái)考慮，此種工藝還不適合工業(yè)生產(chǎn)。（4）兩段吸收兩段再生流程：目前較為常用的是該流程，這種工藝流程的氣體凈化后一般CO2含量不大于 1%，而且其再生熱耗也比較合理，流程圖如圖 3.1圖 3.1 兩段吸收兩段再生流程其優(yōu)點(diǎn)是：在吸收塔下部用溫度較高的再生溶液吸收，不僅加快了吸收 CO2的反應(yīng)速度，而且節(jié)省再生過(guò)程的熱耗。而在吸收塔的上部用溫度較低的溶液吸收，降低了溶液表面的二氧化碳平衡再生塔吸收塔變換氣9分壓，提高了氣體的凈化度，對(duì)于能量的綜合利用也比較充分。而它的設(shè)備裝置和操作系統(tǒng)在也可以被廣泛接受，所以目前該流程應(yīng)用很廣。3.2.2

41、 設(shè)計(jì)工藝流程的確定通過(guò)以上的比較，目前適于選用的是“兩段吸收兩段再生”流程，所以本設(shè)計(jì)選用此流程。下面簡(jiǎn)單介紹一下該流程。 含 CO228左右的經(jīng)變換的合成氣通過(guò)與再生塔下部的堿液換熱后溫度降低到 125，經(jīng)氣體分布管道進(jìn)入吸收塔底部，此時(shí)該合成氣的壓力是 1.8MPa。在吸收塔頂部和中部分別用 80貧液和 104半貧液進(jìn)行洗滌，出塔時(shí)凈化氣溫度約為 80，CO2含量低于 1。富液從吸收塔底部引出，經(jīng)過(guò)能量回收后進(jìn)再生塔頂部，在塔內(nèi)溶液經(jīng)過(guò)閃蒸出部分水蒸汽和 CO2后，與由再沸器加熱產(chǎn)生的逆流蒸氣接觸，同時(shí)被加熱并放出 CO2，又由塔中部引出半貧液，溫度約 110，經(jīng)半貧液泵送入吸收塔中部，

42、剩下的溶液在再生塔下部繼續(xù)與逆流的蒸汽接觸進(jìn)行再生，再生后的貧液溫度約 120，用貧液泵加壓經(jīng)冷卻到 80左右送入吸收塔頂部。吸收 CO2的過(guò)程中，溫度的控制是非常關(guān)鍵的步驟，它直接影響到 CO2吸收的速度和平衡。溫度過(guò)高，K2CO3的溶解度加大，這樣提高了吸收速度率；但同時(shí)高溫下溶液表面 CO2的平衡分壓增大，導(dǎo)致氣體凈化程度低，不利于對(duì) CO2的吸收。而在“二段吸收二段再生”流程中，吸收塔下段的 CO2分壓較高，平衡溶解度較大，采用部分再生的半貧液在較高的溫度下進(jìn)行初步吸收，而吸收塔上部氣相中的 CO2分壓較低，平衡溶解度也相對(duì)較少，故采用再生貧液來(lái)吸收，這樣就可以提高凈化度。吸收溫度的高

43、低主要通過(guò)改變半貧液和貧液的流量比來(lái)控制，在保證氣體凈化度的前提下盡可能的降低貧液的流量，這樣可以減少熱量消耗，通常貧液與半貧液的流量比為 1:3。3.2.3 本設(shè)計(jì)工藝流程簡(jiǎn)述變換氣、凈化氣流程（1）流程圖如圖 3.2：圖 3.2 變換氣凈化流程（2）流程概述進(jìn)入吸收塔的變換氣來(lái)自變換工段的熱水塔，進(jìn)入變換氣煮沸器殼程，與從再生塔下來(lái)的溶液進(jìn)行熱交換升溫后進(jìn)入變換氣分離器以分離其中冷凝水，同時(shí)，1.8Mpa，125左右的變換氣進(jìn)入CO2吸收塔下部。由下而上與中部、上部噴淋下來(lái)的半貧液和貧液逆流接觸，CO2被溶液吸收。得到凈化的氣體從頂塔出來(lái)，經(jīng)凈化氣冷卻器和分離器，被循環(huán)水冷卻至 40以下并

44、分離出冷凝水，凈化氣中 CO2含量控制在不大于 1.0%，送往壓縮工段。再生氣流程（1）流程圖如圖 3.3變換氣再沸器變換氣分離器凈化氣分離器CO2分離器吸收塔凈化氣冷凝器10圖 3.3 再生氣流程（2）流程簡(jiǎn)單概述在吸收 CO2后的富液，進(jìn)入再生塔再生，由反應(yīng)（3-12），CO2從流體中解吸需要吸收熱量。解吸出來(lái)的 CO2進(jìn)過(guò)再生塔頂部除沫層后，經(jīng)過(guò)除沫層與三層罩板上噴淋而下的流體接觸，從而使 CO2得到再一次凈化。CO2出塔時(shí)的溫度為 98，經(jīng)過(guò)再生氣冷卻系統(tǒng)后為 40左右，再經(jīng)載CO2分離器分離出冷凝液，送往尿素車(chē)間，而冷凝水去回流泵。富液、半貧液、貧液流程（1）流程圖如圖 3.4吸收塔

45、半貧液泵吸收塔貧液冷卻器貧液泵水力透平圖 3.4 富液、半貧液、貧液流程（2）簡(jiǎn)單流程簡(jiǎn)述富液流程：吸收 CO2的富液從吸收塔底部引出，經(jīng)水力透平后送入再生塔上部；后直接經(jīng)大副線(xiàn)送入吸收塔。半貧液流程：由再生塔中部引出的經(jīng)過(guò)部分再生的半貧液經(jīng)自調(diào)閥組后經(jīng)過(guò)濾閥組進(jìn)入半貧液泵，加壓至 2.0MPa 左右，經(jīng)過(guò)自調(diào)閥組進(jìn)入吸收塔中部。貧液流程：由再生塔下部引出的溶液，經(jīng)加熱到 120后進(jìn)入再生塔底部。被再生為貧液，由塔底引入貧液冷卻器管內(nèi)，被冷凝水冷卻到 80-90進(jìn)入貧液泵，加壓到 2.0MPa 左右，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾進(jìn)入吸收塔上部。循環(huán)水流程（1）流程圖如圖 3.5循環(huán)水總管凈化器冷卻器循環(huán)水總管循

46、環(huán)水總管凈化器冷卻器循環(huán)水總管再生塔尿素車(chē)間冷凝水去回流再生氣水冷器CO2分離器11圖 3.5 循環(huán)水流程（2）流程簡(jiǎn)單概述循環(huán)水來(lái)自總管，從凈化氣冷卻器的下部進(jìn)入，上部出來(lái)進(jìn)入循環(huán)水總管。軟水系統(tǒng)（1）軟水系統(tǒng)流程圖如圖 3.6圖 3.6 軟水系統(tǒng)流程（2）流程簡(jiǎn)單概述從熱電站來(lái)的軟水，經(jīng)過(guò) CO2脫鹽水換熱器后，回?zé)犭娬緶u爐給水使用。冷凝水系統(tǒng)（1）冷凝水系統(tǒng)流程圖如圖 3.7蒸汽煮沸器冷凝水閃蒸槽自調(diào)節(jié)閥組貧液冷卻器冷凝水總管冷凝水槽冷凝水來(lái)自銅洗槽圖 3.7 冷凝水系統(tǒng)流程（2）流程簡(jiǎn)單概述從蒸汽煮沸器出來(lái)的蒸汽冷凝后進(jìn)入冷凝水閃蒸槽，經(jīng)閃蒸回收蒸汽，降溫后，閃蒸槽經(jīng)自調(diào)閥進(jìn)入冷凝水槽

47、，在此匯合來(lái)自銅洗的冷凝水并一起進(jìn)入冷凝水泵進(jìn)口總管。由熱電站來(lái)的脫鹽水來(lái)調(diào)節(jié)和補(bǔ)充，經(jīng)泵加壓的大部分冷凝水經(jīng)自調(diào)閥組送往冷凝水槽。另外在泵出口總管設(shè)有排放管，必要時(shí)經(jīng)自調(diào)閥組進(jìn)行排放。蒸汽系統(tǒng)（1）蒸汽系統(tǒng)流程圖如圖 3.8變換氣分離器凈化氣分離器軟水回電站12低壓蒸汽增濕器活性碳過(guò)濾地下溶液槽一、二、三、四級(jí)噴射器再沸器再生塔圖 3.8 蒸汽系統(tǒng)流程（2）流程簡(jiǎn)單概述電站來(lái)的低壓蒸汽經(jīng)濕器以后分成三條線(xiàn)。一條進(jìn)入再沸器；另外一條進(jìn)入閃蒸器的第一，第二，第三級(jí)噴射器，噴射后的蒸汽直接進(jìn)入再生塔作汽提氣；最后一條同往地下槽，用于貯槽加熱，過(guò)濾活性碳再生作用。3.3 脫碳工段主要設(shè)備的選擇脫碳工

48、段主要設(shè)備的選擇3.3.1 主要設(shè)備種類(lèi)的選擇 脫碳工段的主要設(shè)備為吸收塔和再生塔，可以分為篩板塔和填料塔兩種。篩板塔體積龐大，生產(chǎn)強(qiáng)度較低。而填料塔就體現(xiàn)出了它的優(yōu)點(diǎn)，所以大多數(shù)工廠采用填料塔。本設(shè)計(jì)同樣選用填料塔。常用的填料有不銹鋼、碳鋼、聚丙烯制成的鮑爾環(huán)和陶瓷制的馬鞍形填料。由于熱鉀堿溶液能將陶瓷中的 SiO2侵蝕出來(lái)，因而必須要選擇優(yōu)質(zhì)的陶瓷做填料。目前還有塑料做的填料，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕耐腐蝕，缺點(diǎn)是不適于高溫操作，所以要用玻璃纖維來(lái)加強(qiáng)，而且使用溫度不能超過(guò) 120。綜合考慮，本設(shè)計(jì)決定采用金屬鮑爾環(huán)填料。3.3.2 主要設(shè)備裝置的選擇吸收塔：由于采用兩段吸收，進(jìn)入上塔的溶液量?jī)H為全塔

49、溶液量的 1/4 到 1/3，同時(shí)氣體中大部分的 CO2又都在塔的下部吸收。因此在形狀上，吸收塔呈現(xiàn)上小下大。上下塔內(nèi)均裝有填料，為了使溶液能均勻的潤(rùn)濕填料表面，除了在填料上層裝有液體分布器外，上下塔的填料又分為兩層，兩層填料間也安裝有液體分布器。每層填料都置于波紋狀態(tài)多孔支板上。氣體由上面和側(cè)面進(jìn)入填料而液體由波紋的下孔流出，這樣的氣體分布均勻。填料采用金屬鮑爾環(huán)，大部分用碳鋼制作，只在每層填料的上層和最下層采用不銹鋼制作的。下部設(shè)有消泡劑，防止液體產(chǎn)生旋渦將氣體帶入再生塔內(nèi)，在吸收塔富液出口管上裝有防渦流擋板。3.4 工藝操作條件的選擇工藝操作條件的選擇3.4.1 壓力 吸收壓力：根據(jù)吸收

50、反應(yīng)式（3-1），可以知道加壓有利于 CO2的吸收。提高吸收的壓力，同時(shí)提高了 CO2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，生產(chǎn)裝置中吸收壓力的凈化度和吸收能力的影響如表 3.2 所示。表 3.2 吸收壓力的凈化度和吸收能力的影響氣量 m3/h壓力 kg/cm2凈化度 CO2%吸收能力 m3/m3131006.00.30.510.01006.30.30.511.010012.50.20.315.510012.20.20.316.510015.50.10.317.010015.10.10.217.0實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng) CO2分壓低于 12

51、kg/cm2（絕壓）時(shí)，采用熱鉀堿法來(lái)吸收 CO2是不經(jīng)濟(jì)的，此時(shí)再生所消耗的熱量大大增加，所以壓力越高越有利于吸收。但是對(duì)于合成氨廠的脫碳工序來(lái)說(shuō)，氣體的壓力是由前后各工序來(lái)決定的。因此系統(tǒng)吸收的壓力一般為 1420kg/cm2。再生壓力:其是影響再生度和再生蒸汽的重要因素。再生壓力降低，再生蒸汽中 CO2的分壓也低，而液體中 CO2的濃度隨著液面上 CO2的減小而迅速降低，這樣有利于 CO2解吸。再生壓力降低可以減少再生時(shí)的熱量消耗，但是再生壓力也不能任意降低，要能夠解吸出來(lái)的 CO2送到下一工序，一般控制在 1840kPa。3.4.2 溫度碳酸鉀溶液在較高的溫度吸收 CO2有許多優(yōu)點(diǎn)：一

52、、提高碳酸鉀在溶液中的溶解度，增加溶液吸收 CO2的能力；二、較高的溫度可加快吸收 CO2的速度；三、吸收和再生在相近的溫度下進(jìn)行，可以減少能量損失，充分利用熱量。但是溫度不是可以任意提高的，我們必須考慮溶液蒸發(fā)損失，設(shè)備的承受能力等不利因素。實(shí)際操作中一般控制在100到 130。由于 CO2的析出反應(yīng)要在不吸收條件下進(jìn)行，再生塔得溫度一般控制在溶液沸點(diǎn)附近約 105110。受沸點(diǎn)的影響，煮沸器出口溶液為 115左右，蒸汽溫度為 150，壓力為 0.4MPa。3.4.3 溶液的濃度碳酸鉀溶液的濃度：增加碳酸鉀溶液的濃度可以提高吸收 CO2的能力，同時(shí)可減少溶液循環(huán)量，提高氣體的凈化度，但是隨著

53、溶液濃度的升高，設(shè)備和管道也會(huì)加快腐蝕。低溫操作，溶液會(huì)析出碳酸鉀結(jié)晶堵塞設(shè)備管道。因此通常把濃度定在 25%30%（質(zhì)量百分比）。3.4.4 活化劑的濃度活化劑采用 DEA，乙二醇胺。表 3.3 列出了加入 DEA 后碳酸鉀溶液的平衡分壓和吸收影響值。表 3.3 DEA 對(duì)碳酸鉀溶液的平衡分壓和吸收影響值DEA 含量%(質(zhì)量)012314相對(duì)吸收系數(shù)0.4130.6921.00相對(duì) CO2分壓1.941.611.004工藝計(jì)算工藝計(jì)算條件（1）年合成氨產(chǎn)量：5 萬(wàn)噸（2）干變換氣組成和噸氨耗氣量(耗損量 10%)：表 4.1 干氣變換氣組成成分組分CO2COH2N2CH4合計(jì)組成（%）28.

54、431.2052.3816.981.01100體積流量 m31225.6551.732258.17732.0343.544311.13摩爾流量 kmol54.722.31100.8132.681.94192.46（3）進(jìn)工段變換氣壓力為： 1.8MPa（4）計(jì)算基準(zhǔn)： 50000/（33024）=6.31tNH3/h（5）鉀堿液比熱： 3.3kJ/(kg)（6）變換氣中各組分的比熱kJ/(kg) 10表 4.2 各組分比熱組分CO2COH2N2CH4H2O比熱kJ/(kg)0.6530.75410.130.7451.74.2（7）以下計(jì)算均以每小時(shí)產(chǎn) 1t 合成氨為基準(zhǔn)計(jì)算。則干氣流量為 43

55、11.13m3/h=4.31 km3/h4.1 物料衡算及熱量衡算物料衡算及熱量衡算4.1.1 變換氣再沸器（1）物料衡算進(jìn)口變換氣：溫度：170 壓力：1.8MPa 干氣流量：4.31km3/h出口變換氣：溫度：125 壓力：1.8MPa 干氣流量：4.31km3/h170飽和水蒸汽壓：0.792MPa；125飽和水蒸汽壓：0.232MPa5取變換氣中水蒸汽飽和系數(shù)為：a=0.8170時(shí)變換氣含濕量：aP水/(P0aP水)M/22.4=0.80.792/(1.80.80.792)18/22.4=0.437kg 蒸汽/m3干氣125時(shí)變換氣含濕量：aP水/(P0aP水)M/22.415=0.8

56、0.232/(1.80.80.232)18/22.4=0.092kg 蒸汽/m3干氣冷凝水流量：0.4370.092=0.345kg 蒸汽/m3干氣則流量為：0.345kg 蒸汽/ m3干氣4.31km3/h=1.49kg/h（2）熱量衡算表 4.3 170及 125水的熱焓170水125水液體熱焓（kJ/kg）719.29525.02蒸汽熱焓（kJ/kg）2773.32716.4汽化熱（kJ/kg）2054.02191.8帶入熱變換氣再沸器帶入熱 Q1=WCpT1 其中 Cp=流量/22.4=(4.31103/22.4)170(0.2843440.650.012280.7540.523821

57、0.130.1698280.7450.0101161.7)=0.747106kJ/h飽和水蒸汽帶入熱 Q2=WH=0.4374.311032773.3=5.22106kJ/h故總帶入熱 Q11=Qi= Q1 Q2=(0.7475.22)106=5.967106kJ/h帶出熱變換氣再沸器帶出熱 Q1=WCpT1=(4.31103/22.4)125(0.2843440.650.012280.7540.5238210.130.1698280.7450.0101161.7)=0.55106kJ/h飽和水蒸汽帶出熱 Q2=WH=0.0924.311032716.4=1.08106kJ/h冷凝水帶出熱 Q

58、3=WH=1.49103525.02=0.78106kJ/h則總帶出熱 Q12=Qi= Q1Q2Q3=(0.551.080.78)106=2.41106kJ/h所以變換氣再沸器熱量為16Q=Q11Q12=(5.9672.41) 106=3.557106kJ/h4.1.2 變換氣分離器（1）進(jìn)口變換氣：干氣流量 4.31km3/h 含濕量 0.437kg 蒸汽/m3干氣（2）出口變換氣：干氣流量 4.31km3/h 含濕量 0.092kg 蒸汽/m3干氣（3）分離冷水量：4.31103(0.4370.092)=1.487103kg/h4.1.3 二氧化碳吸收塔（1）操作條件9進(jìn)塔氣溫度： 125

59、 出塔氣溫度： 80出塔溶液(富液)溫度： 120下段進(jìn)塔溶液(半貧液)溫度： 104 上段進(jìn)塔溶液(貧液)溫度： 80（2）出塔濕氣流量干原料氣量： 4.31km3/h125飽和蒸汽壓： 0.23MPa水蒸汽流量V水=V干aP水/(P0aP水)=4.311030.80.232/(1.80.80.232)=0.496km3/h進(jìn)塔濕氣含量V濕 =V干V水=4.310.496=4.806km3/h（3）溶液組分9貧液轉(zhuǎn)化度 Fc1=0.25半貧液轉(zhuǎn)化度 Fc2=0.43富液轉(zhuǎn)化度 Fc3=0.83(此數(shù)據(jù)為 Kel1099 原始設(shè)計(jì)值，本次計(jì)算也依此為準(zhǔn))Fc=M(KHCO3)/(M(K2CO3

60、)+M(KHCO3) (4-l)式中 M 為單位體積溶液中 K2CO3、KHCO3的摩爾濃度貧液與半貧液的流量比 0.250.75=13溶液中碳酸鉀含量為 398.4g/L則溶液的摩爾濃度為 398.4/138=2.89mol/L由反應(yīng) K2CO3CO2H2O=2KHCO3Q 知1mol K2CO3可以吸收 1mol CO2，則每立方米溶液完全吸收的 CO2量為： 2.8922.4=64.74m3CO2/m3溶液溶液的平均轉(zhuǎn)化度Fc=0.25(Fc3Fc1)0.75(Fc3Fc2)=0.44517則平均每立方米溶液吸收的 CO2量為64.740.445=28.81m3CO2/m3溶液（4）CO