[優(yōu)秀畢業(yè)設計]年產(chǎn)40萬噸合成氨脫碳工段的設計

1、年產(chǎn)40萬噸合成氨脫碳工段的設計 摘要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。合成氨廠無論使用何種原料制成原料氣，經(jīng)變 換后，都含有大量的二氧化碳。這些二氧化碳如果不在合成氨工序前及時除凈，氨的合成就無法進行下去；另一方面，二氧化碳本身是制取尿素、碳酸氫銨等產(chǎn)品的原料，也可加工成干冰、食品級二氧化碳。二氧化碳吸收塔的設計具有回收二氧化碳的功能。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

2、收機理、傳質傳熱方程、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；然后對二氧化碳吸收和解析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The Design of the Decarbonization Section in the Production of the 40 thousand tons Synthetic Ammonia per year Abstract:Decarbonizing

3、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 equipment in the Synthetic Ammonia. Whether the ammonia plant use what raw materials to make feed gas, it contains large a

4、mount Carbon dioxide after transformation. The ammonia can not be synthesized if these Carbon dioxide are not removable in time. the other hand, the Carbon dioxide is the raw material of the urea and ammonium bicarbonate etc,it can be processed carbon dioxide ice, food grade Carbon dioxide. Designin

5、g Carbon dioxide absorption tower is function to recovery Carbon dioxide.This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarboniza-tion is selected finally. The technological process was analyzed, and the material and heat was balanced

6、 according to parameters and relevant 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. And then the strength of the Carbon dioxide absorption tower and

7、the solution regeneration tower are checked. The decarbonizing section structural arrangement was HYPERLINK :/dict reasonable design finally. As the theoretical preparation work, this designing prepare sufficient theoretical basis for people to analysis the problems of technological process, equipme

8、nt design, determined root 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 _Toc263448924 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc263448924 h 1 HYPERLINK l _Toc263448925 合成氨工業(yè)概況 PAGEREF _Toc263448925

9、 h 1 HYPERLINK l _Toc263448926 我國合成氨工業(yè)發(fā)展概況 PAGEREF _Toc263448926 h 1 HYPERLINK l _Toc263448927 發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc263448927 h 1 HYPERLINK l _Toc263448928 合成氨生產(chǎn)工藝簡述 PAGEREF _Toc263448928 h 2 HYPERLINK l _Toc263448929 合成氨工業(yè)中脫碳單元的作用 PAGEREF _Toc263448929 h 2 HYPERLINK l _Toc263448930 脫碳方法概述 PAGEREF _Toc2

10、63448930 h 2 HYPERLINK l _Toc263448931 凈化工序中脫碳方法 PAGEREF _Toc263448931 h 2 HYPERLINK l _Toc263448932 化學吸收法 PAGEREF _Toc263448932 h 2 HYPERLINK l _Toc263448933 物理吸收法 PAGEREF _Toc263448933 h 3 HYPERLINK l _Toc263448934 物理化學吸收法 PAGEREF _Toc263448934 h 5 HYPERLINK l _Toc263448935 固體吸附 PAGEREF _Toc263448

11、935 h 5 HYPERLINK l _Toc263448936 碳酸丙烯酯（PC）法法脫碳工藝基本原理 PAGEREF _Toc263448936 h 5 HYPERLINK l _Toc263448937 法脫碳技術國內外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc263448937 h 5 HYPERLINK l _Toc263448938 發(fā)展過程 PAGEREF _Toc263448938 h 5 HYPERLINK l _Toc263448939 技術經(jīng)濟 PAGEREF _Toc263448939 h 5 HYPERLINK l _Toc263448940 工藝流程 PAGEREF _Toc

12、263448940 h 5 HYPERLINK l _Toc263448941 存在的問題及解決的辦法 PAGEREF _Toc263448941 h 6 HYPERLINK l _Toc263448942 1.3.6 PC法脫碳技術發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc263448942 h 6 HYPERLINK l _Toc263448943 工藝設計的意義和目的 PAGEREF _Toc263448943 h 7 HYPERLINK l _Toc263448944 第二章 物、熱量恒算 PAGEREF _Toc263448944 h 8 HYPERLINK l _Toc263448945

13、計算依據(jù)CO2的PC中的溶解度關系 PAGEREF _Toc263448945 h 8 HYPERLINK l _Toc263448946 2.2 PC的密度與溫度的關系 PAGEREF _Toc263448946 h 8 HYPERLINK l _Toc263448947 2.3 PC的蒸汽壓 PAGEREF _Toc263448947 h 9 HYPERLINK l _Toc263448948 2.4 PC的黏度 PAGEREF _Toc263448948 h 9 HYPERLINK l _Toc263448949 物料衡算 PAGEREF _Toc263448949 h 9 HYPERL

14、INK l _Toc263448950 各組分在PC中的溶解量 PAGEREF _Toc263448950 h 9 HYPERLINK l _Toc263448951 2.5.2 溶劑夾帶量 PAGEREF _Toc263448951 h 9 HYPERLINK l _Toc263448952 2.5.3 溶液帶出的氣量 PAGEREF _Toc263448952 h 9 HYPERLINK l _Toc263448953 出脫碳塔凈化氣量 PAGEREF _Toc263448953 h 9 HYPERLINK l _Toc263448954 計算PC循環(huán)量 PAGEREF _Toc26344

15、8954 h 10 HYPERLINK l _Toc263448955 入塔液中CO2夾帶量 PAGEREF _Toc263448955 h 10 HYPERLINK l _Toc263448956 帶出氣體的質量流量 PAGEREF _Toc263448956 h 10 HYPERLINK l _Toc263448957 驗算吸收液中凈化氣中CO2的含量 PAGEREF _Toc263448957 h 10 HYPERLINK l _Toc263448958 出塔氣的組成 PAGEREF _Toc263448958 h 10 HYPERLINK l _Toc263448959 熱量衡算 PA

16、GEREF _Toc263448959 h 10 HYPERLINK l _Toc263448960 混合氣體的定壓比熱容 PAGEREF _Toc263448960 h 10 HYPERLINK l _Toc263448961 液體的比熱容 PAGEREF _Toc263448961 h 11 HYPERLINK l _Toc263448962 2.6.3 CO2的熔解熱 PAGEREF _Toc263448962 h 11 HYPERLINK l _Toc263448963 出塔溶液的溫度 PAGEREF _Toc263448963 h 11 HYPERLINK l _Toc2634489

17、64 第三章 結構設計 PAGEREF _Toc263448964 h 12 HYPERLINK l _Toc263448965 確定吸收塔塔徑及相關參數(shù) PAGEREF _Toc263448965 h 12 HYPERLINK l _Toc263448966 求取泛點氣速和操作氣速 PAGEREF _Toc263448966 h 12 HYPERLINK l _Toc263448967 求取塔徑 PAGEREF _Toc263448967 h 12 HYPERLINK l _Toc263448968 核算操作氣速 PAGEREF _Toc263448968 h 12 HYPERLINK l

18、_Toc263448969 核算徑比 PAGEREF _Toc263448969 h 12 HYPERLINK l _Toc263448970 校核噴淋密度 PAGEREF _Toc263448970 h 12 HYPERLINK l _Toc263448971 填料層高度的計算 PAGEREF _Toc263448971 h 13 HYPERLINK l _Toc263448972 建立相應的操作線方程和向平衡方程 PAGEREF _Toc263448972 h 13 HYPERLINK l _Toc263448973 利用兩線方程求取傳質推動力 PAGEREF _Toc263448973

19、h 13 HYPERLINK l _Toc263448974 3.2.3 氣相傳質單元數(shù)的計算 PAGEREF _Toc263448974 h 14 HYPERLINK l _Toc263448975 3.2.4 氣相總傳質單元高度 PAGEREF _Toc263448975 h 14 HYPERLINK l _Toc263448976 塔附屬高度 PAGEREF _Toc263448976 h 18 HYPERLINK l _Toc263448977 填料層壓降計算 PAGEREF _Toc263448977 h 19 HYPERLINK l _Toc263448978 液體初始分布器 PA

20、GEREF _Toc263448978 h 19 HYPERLINK l _Toc263448979 絲網(wǎng)除沫器 PAGEREF _Toc263448979 h 20 HYPERLINK l _Toc263448980 防渦流擋板的選取 PAGEREF _Toc263448980 h 20 HYPERLINK l _Toc263448981 填料支撐裝置 PAGEREF _Toc263448981 h 20 HYPERLINK l _Toc263448982 填料床層限制器 PAGEREF _Toc263448982 h 21 HYPERLINK l _Toc263448983 裙座的設計計算

21、與選取 PAGEREF _Toc263448983 h 21 HYPERLINK l _Toc263448984 確定解吸塔塔徑及相關參數(shù) PAGEREF _Toc263448984 h 21 HYPERLINK l _Toc263448985 求取解析塔操作氣速 PAGEREF _Toc263448985 h 21 HYPERLINK l _Toc263448986 求取塔徑 PAGEREF _Toc263448986 h 22 HYPERLINK l _Toc263448987 核算操作氣速 PAGEREF _Toc263448987 h 22 HYPERLINK l _Toc263448

22、988 核算徑比 PAGEREF _Toc263448988 h 22 HYPERLINK l _Toc263448989 校核噴淋密度 PAGEREF _Toc263448989 h 23 HYPERLINK l _Toc263448990 填料層高度的計算 PAGEREF _Toc263448990 h 23 HYPERLINK l _Toc263448991 建立相應的操作線方程和向平衡方程 PAGEREF _Toc263448991 h 23 HYPERLINK l _Toc263448992 利用兩線方程求取傳質推動力 PAGEREF _Toc263448992 h 23 HYPER

23、LINK l _Toc263448993 傳質單元數(shù)的計算 PAGEREF _Toc263448993 h 24 HYPERLINK l _Toc263448994 氣相總傳質單元高度 PAGEREF _Toc263448994 h 24 HYPERLINK l _Toc263448995 塔附屬高度 PAGEREF _Toc263448995 h 28 HYPERLINK l _Toc263448996 填料層壓降計算 PAGEREF _Toc263448996 h 28 HYPERLINK l _Toc263448997 初始分布器和再分布器設計 PAGEREF _Toc263448997

24、 h 29 HYPERLINK l _Toc263448998 氣體分布器 PAGEREF _Toc263448998 h 29 HYPERLINK l _Toc263448999 絲網(wǎng)除沫器 PAGEREF _Toc263448999 h 30 HYPERLINK l _Toc263449000 第四章 塔內件機械強度設計及校核 PAGEREF _Toc263449000 h 31 HYPERLINK l _Toc263449001 吸收塔機械強度設計及校核 PAGEREF _Toc263449001 h 31 HYPERLINK l _Toc263449002 吸收塔筒體和裙座壁厚計算 P

25、AGEREF _Toc263449002 h 31 HYPERLINK l _Toc263449003 吸收塔塔的質量載荷計算 PAGEREF _Toc263449003 h 31 HYPERLINK l _Toc263449004 地震載荷計算 PAGEREF _Toc263449004 h 32 HYPERLINK l _Toc263449005 風載荷計算 PAGEREF _Toc263449005 h 33 HYPERLINK l _Toc263449006 各種載荷引起的軸向應力 PAGEREF _Toc263449006 h 35 HYPERLINK l _Toc263449007

26、 筒體和裙座危險截面的強度與穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc263449007 h 35 HYPERLINK l _Toc263449008 裙座和筒體水壓試驗應力校核 PAGEREF _Toc263449008 h 36 HYPERLINK l _Toc263449009 基礎環(huán)設計 PAGEREF _Toc263449009 h 38 HYPERLINK l _Toc263449010 地腳螺栓計算 PAGEREF _Toc263449010 h 38 HYPERLINK l _Toc263449011 解析塔機械強度設計及校核 PAGEREF _Toc263449011 h 39 H

27、YPERLINK l _Toc263449012 吸收塔筒體和裙座壁厚計算 PAGEREF _Toc263449012 h 39 HYPERLINK l _Toc263449013 解析塔塔的質量載荷計算 PAGEREF _Toc263449013 h 39 HYPERLINK l _Toc263449014 塔自振周期計算 PAGEREF _Toc263449014 h 40 HYPERLINK l _Toc263449015 地震載荷計算 PAGEREF _Toc263449015 h 40 HYPERLINK l _Toc263449016 風載荷計算 PAGEREF _Toc26344

28、9016 h 41 HYPERLINK l _Toc263449017 各種載荷引起的軸向應力 PAGEREF _Toc263449017 h 43 HYPERLINK l _Toc263449018 筒體和裙座危險截面的強度與穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc263449018 h 44 HYPERLINK l _Toc263449019 裙座和筒體水壓試驗應力校核 PAGEREF _Toc263449019 h 44 HYPERLINK l _Toc263449020 基礎環(huán)設計 PAGEREF _Toc263449020 h 46 HYPERLINK l _Toc263449021 地

29、腳螺栓計算 PAGEREF _Toc263449021 h 46 HYPERLINK l _Toc263449022 第五章 輔助設備設計與選取 PAGEREF _Toc263449022 h 48 HYPERLINK l _Toc263449023 儲罐的選擇 PAGEREF _Toc263449023 h 48 HYPERLINK l _Toc263449024 泵的選擇 PAGEREF _Toc263449024 h 48 HYPERLINK l _Toc263449025 風機的選擇 PAGEREF _Toc263449025 h 49 HYPERLINK l _Toc26344902

30、6 接管管徑計算 PAGEREF _Toc263449026 h 49 HYPERLINK l _Toc263449027 進氣管徑 PAGEREF _Toc263449027 h 49 HYPERLINK l _Toc263449028 出塔氣管徑 PAGEREF _Toc263449028 h 49 HYPERLINK l _Toc263449029 進料管徑 PAGEREF _Toc263449029 h 49 HYPERLINK l _Toc263449030 釜液排除管徑 PAGEREF _Toc263449030 h 49 HYPERLINK l _Toc263449031 總論與

31、評價 PAGEREF _Toc263449031 h 51 HYPERLINK l _Toc263449032 參考文獻 PAGEREF _Toc263449032 h 53 HYPERLINK l _Toc263449033 致謝 PAGEREF _Toc263449033 h 54第一章 緒 論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： CaCN23H2O2NH3CaCO3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

32、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600噸/日和1000噸/日的單系列合成氨裝置，在60-70年代出現(xiàn)1500-3000噸/日規(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)，中國西北部有蘊藏豐富的煤炭資源，為發(fā)展合成氨工業(yè)提供了極其便利的條件。我國是一個人口大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用，而農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開化肥。氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要量最大的化肥

33、之一，合成氨則是氮肥的主要來源，因而合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有極為重要的位置。 我國合成氨工業(yè)始于20世紀30年代，經(jīng)過多年的努力，我國的合成氨工業(yè)得到很大的發(fā)展，建國以來合成氨工業(yè)發(fā)展十分迅速，從六十年代末、七十年代初至今，我國陸續(xù)引進了三十多套現(xiàn)代化大型合成氨裝置，已形成我國特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。目前我國合成氨產(chǎn)能和產(chǎn)量己躍居世界前列。但是，由于在我國合成氨工業(yè)中，中小型裝置多，技術基礎薄弱，國產(chǎn)化水平低，遠遠不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的迫切需要，因此，開發(fā)新技術的同時利用計算機數(shù)學模型來提高設汁、生產(chǎn)、操作和管理等的核算能力，促進設計、管理和生產(chǎn)

34、操作的優(yōu)化，從而推動合成氨工業(yè)發(fā)展，提升整體技術水平，己成為國內當前化學工程科研、工程設計的重要課題。我國的合成氨原料主要集中在重油，天然氣和煤，到目前為，中國化肥產(chǎn)量己居世界第一位。但人均耕地面積只有世界平均水平的47%，而人口在本世紀中葉將達到約16億，糧食始終是至關重要的問題?；蕦r(nóng)作物的增產(chǎn)作用己為大家所公認，中國施肥水平還有很大的提高空間，尤其是中西部市場。與國外比較，我國氮肥行業(yè)主要存在一些比較嚴重的問題，集中表現(xiàn)為裝置規(guī)模小，因而有效生產(chǎn)能力不足，致使行業(yè)整體竟爭能力差。進入WTO后，氮肥行業(yè)這種結構性矛盾日趨顯著，成為影響行業(yè)發(fā)展的一個主要因素。對原有合成氨裝置進行改擴建，利

35、用國家對農(nóng)業(yè)的傾斜政策，節(jié)能技術改造見效快、可很快提高企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，改擴建改造會給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。發(fā)展趨勢原料路線的變化方向。從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后,從煤制氨路線重新受到重視,但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故,預計到20世紀末,世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術改進重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等

36、?，F(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種，每噸液氨的設計能耗可降低到約29.3GJ。與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點。合成氨是一個傳統(tǒng)的化學工業(yè)，誕生于二十世紀初。就世界范圍來說，氨是最基本的化工產(chǎn)品之一，其主要用于制造硝酸和化學肥料等。合成氨的生產(chǎn)過程一般包括三個主要步驟: (l)造氣，即制

37、造含有氫和氮的合成氨原料氣，也稱合成氣；(2)凈化，對合成氣進行凈化處理，以除去其中氫和氮之外的雜質；(3)壓縮和合成，將凈化后的氫、氮混合氣體壓縮到高壓，并在催化劑和高溫條件下反應合成為氨。其生產(chǎn)工藝流程包括：脫硫、轉化、變換、脫碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及輸人氨庫和氨吸收八個工序1孟巖.合成氨的生產(chǎn)方法以及工藝流程研究J科教文匯,2008(上旬刊):279.1。在合成氨生產(chǎn)過程中，脫除CO2是一個比較重要的工序之一，其能耗約占氨廠總能耗的10%左右。因此，脫除CO2，工藝的能耗高低，對氨廠總能耗的影響很大，國外一些較為先進的合成氨工藝流程，均選用了低能耗脫碳工藝。我國合成氨工藝能耗較高

38、，脫碳工藝技術也顯得比較落后，因此，結合具體情況，推廣應用低能耗的脫除CO2工藝，非常有必要。在最終產(chǎn)品為尿素的合成氨中，脫碳單元處于承前啟后的關鍵位置，其作用既是凈化合成氣，又是回收高純度的尿素原料CO2。以滬天化1000T/d合成氨裝置脫碳單元為例，其需要將低變出口的CO2含量經(jīng)吸收后降到0.1%以下，以避免甲烷化系統(tǒng)超溫并產(chǎn)生增加能耗的的合成惰氣，同時將吸收的CO2再生為99%純度的產(chǎn)品CO2。在此過程中吸收塔壓降還應維持在合理范圍內以降低合成氣壓縮機的功耗。系統(tǒng)的擴能改造工程中，脫碳單元將為系統(tǒng)瓶頸，脫碳運行的好壞，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的能力

39、，必須同步進行擴能改造。但是不論用什么原料及方法造氣，經(jīng)變換后的合成氣中都含有大量的CO2，原料中烴的分子量越大，合成氣中CO2就越多。用天然氣(甲烷)為原料的烴類蒸汽轉化法所得的CO:量較少，合成氣中CO2濃度在15-20%，每噸氨副產(chǎn)CO2約1.0-1.6噸。這些CO2如果不在合成工序之前除凈，不僅耗費氣體壓縮功，空占設備體積，而且對后續(xù)工序有害。此外，CO2還是重要的化工原料，如合成尿素就需以CO2為主要原料。因此合成氨生產(chǎn)中把脫除工藝氣中CO2的過程稱為“脫碳”，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的兩個目的。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

40、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。為了提高脫碳效率和凈化反，主要進行脫碳液酌組分分析和服碳塔出u凈化氣中二氧化碳的分析。由再生塔頂出來的二氧化族，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。再生后的脫碳掖(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，送人二氧化碳吸收塔循環(huán)使用。在合成氨的整個系統(tǒng)中，脫碳單元將為系

41、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、物理吸收法和物理化學吸收法三大類?；瘜W吸收法2王紹貴.二氧化碳脫除工藝及發(fā)展趨勢J.瀘天化科技,2000,2:100-104.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?；瘜W吸收法脫碳工藝中，有兩類溶

42、劑占主導地位，即烷鏈醇胺和碳酸鉀。化學吸收法常用于CO2分壓較低的原料氣處理。(l)烷鏈醇胺類的脫碳工藝有：-乙醇胺(monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，MEA)法；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。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，見方程式(1)，2H0

43、(CH2)2NH2+ CO2 +H20HO(CH2)2NH32CO2。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。MDEA3王之德,值得推廣的節(jié)能型MDEA脫碳新技術J.四川化工,1995,2,51。MDEA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)

44、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，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aMDEA法，活化劑為瞇哇、甲基咪哇等，濃度約為2-5%?；钚訫DEA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

45、用，使得aMDEA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張宏偉.MDEA溶液脫碳工藝在合成氨中的應用J.小氮肥設計技術,2005,26(6):31-32.4。BAFS公司推出的aMDEA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。相對上述脫除CO2的吸收劑溶液，碳酸鉀溶液更價廉易得，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

46、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。國內新建的

47、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。中海石油化學合成氨裝置脫碳系統(tǒng)采用改良型苯菲爾流程5吳永由,覃富智. ACT-1在富島合成氨裝置脫碳系統(tǒng)的應用J.大氮肥,2005,28(5):299-300.5。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。物理吸收法6石天寶.脫除CO2工藝技術進展綜述J.四川化工1994,1:38-51.物理洗滌是CO2被溶劑吸收時不發(fā)生化學反應,溶劑減壓后釋放CO2 (

48、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、杭州化工研究所共同開發(fā)成功的一種物理吸收硫化氫

49、和二氧化碳等酸性氣體的高效溶劑7張敬忠. NHD脫碳改造運行小結J.山東化工,2008,37(7)29-31.7。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 8姜淮,李正西. NHD脫硫脫碳工藝在合成氨裝置的應用J.化肥設計2008,46(6):30-32.，其優(yōu)點是減少利用空氣氣提帶來系統(tǒng)內NHD溶液含

50、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

51、具有溶解熱低、粘度小、蒸汽壓低、無毒、化學性質穩(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。適用于吸收壓力較高、CO2凈化度不很高的流程，國內主要是小型廠使用。用碳丙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)上已得到廣泛應用。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

52、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下進行。可用此法改造小型氨廠，將低能耗，在大型氨廠使用顯得困難9周小宏.小型合成氨廠脫碳工藝的選擇J.山西化工,1995,3:38-41.9。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

53、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、控制系統(tǒng)、動力設備的配置都做了較大的改進，從而使10姜宏,譙中惠,郜豫川.新型變壓吸附脫碳技術在合成氨廠的應用J. 低溫與特氣,2005,23(6):28-31.H2、N2有效氣體回收率大大提高，能耗進一步降低，裝置投資也有所減少10。低溫甲醇洗工藝(Rectisol Process)系由德國林德公司(Linde)和魯奇

54、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、CO23, CO21010-6-2010-6)、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。物理化學吸

55、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，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。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。碳酸丙烯酯（PC

56、）法法脫碳工藝基本原理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。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

57、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。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

58、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2.1。表2.1 幾種脫碳方法的能耗比較表（吸收壓力1.8Mpa，單位KJ/m3CO2）方法名稱加壓水洗苯菲爾法位阻胺法改良MEDA法NHD法PC能耗28473558-54423349-418718841047-12561256（1）原料氣流程由壓縮機三段送來2.

59、3MPa的變換氣首先進入水洗塔底部與水洗泵送來的水在塔內逆流接觸，洗去變換氣中的大部分油污及部分硫化物，并將氣體溫度降到30以下，同時降低變換氣中飽和水蒸汽含量。氣體自水洗塔塔頂出來進入分離器，自分離器出來的氣體進入二氧化碳吸收塔底部，與塔頂噴淋下來的碳酸丙烯酯溶液逆流接觸，將二氧化碳脫至工藝指標內。凈化氣由吸收塔頂部出來進入凈化氣洗滌塔底部，與自上而下的稀液（或脫鹽水）逆流接觸，將凈化氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴與蒸氣洗滌下來，凈化氣由塔頂出來后進入凈化氣分離器，將凈化氣夾帶的碳酸丙烯酯霧沫進一步分離，凈化氣由分離器頂部出來回壓縮機四段入口總管。根據(jù)各廠的具體情況和氨加工產(chǎn)品的不同，相匹配的碳丙

60、脫碳條件及要求亦各異。在使用日的上，有替代加壓水洗型、聯(lián)堿型、配尿素型、聯(lián)醇型、生產(chǎn)液氨型以及制氫等各類型；在凈化效率上，有的對CO2進行粗脫，而大部分廠家，則進行精脫；對脫碳壓力，有采用0.4MPa、1.1-1.3Mpa、1.6-1.8Mpa、2.5-2.8Mpa及4.3Mpa等多種類型。（2）解吸氣體回收流程由閃蒸槽解吸出來的閃蒸氣進入閃蒸氣洗滌塔，自下而上與自上而下的稀液逆流接觸，將閃蒸氣夾帶的液滴回收下來。閃蒸氣自閃蒸氣洗滌段出來后進入閃蒸氣分離器，將閃蒸氣夾帶的碳酸丙烯酯液滴進一步分離下來，閃蒸氣自分離器頂部出來送碳化，脫除二氧化碳并副產(chǎn)碳酸氫銨后，閃蒸氣回壓縮機一段入口總管。由常解