化工設(shè)計(jì)低溫甲醇洗

化學(xué)化工學(xué)院化工綜合設(shè)計(jì)I《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)——年產(chǎn)4萬(wàn)噸合成氨脫硫脫碳工段的工藝設(shè)計(jì)院系：專業(yè)：化學(xué)工程與工藝班級(jí)：姓名：組員姓名學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師目錄第一章緒論 31.1合成氨工業(yè)狀況 31.1.1氨的簡(jiǎn)介 31.1.2我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況 31.1.3發(fā)展趨勢(shì) 41.2合成氨生產(chǎn)的典型流程 4第二章脫硫脫碳方法及工藝的選擇 62.1脫硫脫碳方法簡(jiǎn)介 62.1.1化學(xué)吸收法 62.1.2物理吸收法 72.1.3物理化學(xué)吸收法 72.2低溫甲醇洗脫硫脫碳 72.2.1低溫甲醇洗簡(jiǎn)介 72.2.2低溫甲醇洗工藝及原理介紹 8第三章低溫甲醇洗流程模擬 153.1模擬過(guò)程簡(jiǎn)介 153.2流程設(shè)計(jì) 153.2.1原料氣條件及設(shè)計(jì)要求 163.2.2工藝流程圖 163.3AspenPlus模擬 163.3.1吸收塔模擬 163.3.2解析塔模擬 20第四章物料衡算及熱量衡算 234.1低溫甲醇洗的全流程模擬 234.2物料衡算 234.2.1概述 234.2.2物料衡算的原理和基準(zhǔn) 244.2.3物料衡算 244.3熱量衡算 304.3.1概述 304.3.2熱量衡算的原則 304.3.3熱量衡算 30第五章林德低溫甲醇洗PFD圖 35第六章參考文獻(xiàn) 35PAGEPAGE2第一章緒論1.1合成氨工業(yè)狀況1.1.1氨的簡(jiǎn)介氨是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(guò)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。

氨是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品之一，在國(guó)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)合肥，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(lái)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(lái)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(lái)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(shuō)合成氨在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。

1.1.2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。我國(guó)合成氨工業(yè)始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)的合成氨工業(yè)得到很大的發(fā)展，建國(guó)以來(lái)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(guó)陸續(xù)引進(jìn)了三十多套現(xiàn)代化大型合成氨裝置，已形成我國(guó)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(guó)合成氨產(chǎn)能和產(chǎn)量己躍居世界前列。但是，由于在我國(guó)合成氨工業(yè)中，中小型裝置多，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，國(guó)產(chǎn)化水平低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的迫切需要，因此，開(kāi)發(fā)新技術(shù)的同時(shí)利用計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型來(lái)提高設(shè)汁、生產(chǎn)、操作和管理等的核算能力，促進(jìn)設(shè)計(jì)、管理和生產(chǎn)操作的優(yōu)化，從而推動(dòng)合成氨工業(yè)發(fā)展，提升整體技術(shù)水平，己成為國(guó)內(nèi)當(dāng)前化學(xué)工程科研、工程設(shè)計(jì)的重要課題。我國(guó)的合成氨原料主要集中在重油，天然氣和煤，到目前為止，中國(guó)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(jì)中葉將達(dá)到約16億，糧食始終是至關(guān)重要的問(wèn)題?；蕦?duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)作用己為大家所公認(rèn)，中國(guó)施肥水平還有很大的提高空間，尤其是中西部市場(chǎng)。與國(guó)外比較，我國(guó)氮肥行業(yè)主要存在一些比較嚴(yán)重的問(wèn)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?fàn)幠芰Σ?。進(jìn)入WTO后，氮肥行業(yè)這種結(jié)構(gòu)性矛盾日趨顯著，成為影響行業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要因素。對(duì)原有合成氨裝置進(jìn)行改擴(kuò)建，利用國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)的傾斜政策，節(jié)能技術(shù)改造見(jiàn)效快、可很快提高企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，改擴(kuò)建改造會(huì)給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。1.1.3發(fā)展趨勢(shì)原料路線的變化方向。從世界燃料儲(chǔ)量來(lái)看，煤的儲(chǔ)量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價(jià)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(yù)計(jì)到20世紀(jì)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(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)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(kāi)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?，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(shè)計(jì)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(guò)程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡(jiǎn)化流程、減少能耗、降低成本。中國(guó)開(kāi)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(guó)、意大利等國(guó)開(kāi)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(diǎn)。1.2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(lái)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(guò)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?、氮以外的雜質(zhì)。主要包括變換過(guò)程、脫硫脫碳過(guò)程以及氣體精制過(guò)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(guó)煤炭目前儲(chǔ)存量還比較多，所以采用以煤炭為原料來(lái)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(guò)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?，然后在鐵催化劑存在和適當(dāng)?shù)臏囟取毫l件下合成氨。

其典型過(guò)程如圖2.1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)?，所以造氣就是提供維持該反應(yīng)的氫氣的過(guò)程。最早的造氣光陰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(lái)就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被重視。

（2）凈化粗合成氣：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(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。但是這些硫化物不但使產(chǎn)品不純凈，更重要的是它們對(duì)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。脫硫的方法歸納起來(lái)分濕法和干法兩類。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，其也有物理吸附和化學(xué)吸附之分。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(guò)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(guò)程中還會(huì)消耗大量H2生成無(wú)用氣體CH4。而對(duì)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?jiàn)脫碳的意義是十分重大的。總的說(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，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，將原料氣中少量的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、深冷分離法和甲烷化法。

（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(guò)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(lái)取值。關(guān)于催化劑，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列催化劑，但比較廣泛使用的是壽命比較長(zhǎng)，活性良好而且價(jià)廉易得的鐵系催化劑。該催化劑早期制備時(shí)還加入了促進(jìn)劑。對(duì)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。

第二章脫硫脫碳方法及工藝的選擇2.1脫硫脫碳方法簡(jiǎn)介在合成氨的整個(gè)系統(tǒng)中，脫硫脫碳單元將為系統(tǒng)關(guān)鍵主項(xiàng)，脫硫脫碳工序運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定與否。脫硫脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置的能力。H2S，CO2等氣體是酸性氣體，對(duì)合成氨合成氣中H2S，CO2的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。根據(jù)H2S，CO2與溶劑結(jié)合的方式，脫除H2S，CO2的方法有化學(xué)吸收法、物理吸收法和物理化學(xué)吸收法三大類。2.1.1化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法即利用CO2是酸性氣體的特點(diǎn)，采用含有化學(xué)活性物質(zhì)的溶液對(duì)合成氣進(jìn)行洗滌，CO2與之反應(yīng)生成介穩(wěn)化合物或者加合物，然后在減壓條件下通過(guò)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(xué)吸收法脫碳工藝中，有兩類溶劑占主導(dǎo)地位，即烷鏈醇胺和碳酸鉀?；瘜W(xué)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：①-乙醇胺(monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，MEA)法；②甲基二乙醇胺（methyldiethanolamine，CH3N(CH2CH2OH)2，MDEA）法；③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：①無(wú)毒G-V法；②苯菲爾法；③催化熱鉀堿（Catacarb）法；④Flexsorb法[2]。2.1.2物理吸收法物理洗滌是CO2被溶劑吸收時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(duì)化學(xué)吸收法，物理洗滌法的最大優(yōu)點(diǎn)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(lái)，然后采用氣提或負(fù)壓實(shí)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(jiǎn)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。2.1.3物理化學(xué)吸收法物理化學(xué)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(xué)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(shí)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(dāng)CO2分壓升高時(shí)，以其在甲醇中溶解的物理吸收為主；當(dāng)CO2分壓較低時(shí)，以其與二乙醇胺發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)吸收為主，該法應(yīng)用范圍廣，凈化率高，但對(duì)H2S和CO2的選擇性較差，己很少使用2.2低溫甲醇洗脫硫脫碳2.2.1低溫甲醇洗簡(jiǎn)介低溫甲醇洗工藝是20世紀(jì)50年代初由林德公司和魯奇公司共同開(kāi)發(fā)的用于吸收酸性氣體的凈化工藝。該工藝以冷甲醇為吸收溶劑，利用甲醇在低溫（-50℃~-60℃）下對(duì)酸性氣體溶解度極大的物理特性分段選擇性地吸收原料氣中的CO2、H2S、硫的有機(jī)物和氰化物氣體，低溫甲醇洗法屬于物理吸收法。該工藝氣體凈化度高，選擇性好，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。目前，國(guó)內(nèi)外已有百余套低溫甲醇洗工藝裝置用于甲醇合成、羥基合成、工業(yè)制氨、城市煤氣和天然氣脫硫等生產(chǎn)裝置中。低溫甲醇洗工藝是在上個(gè)世紀(jì)五十年代由林德和魯奇公司開(kāi)發(fā)的適用于凈化含有高濃度酸性氣體的工藝流程。該工藝的首次應(yīng)用是在1954年，當(dāng)時(shí)是在對(duì)煤加壓氣化后得到的粗煤氣進(jìn)行凈化的過(guò)程中應(yīng)用的。之后該工藝在對(duì)城市煤氣凈化工藝中得到了廣泛的應(yīng)用，到上世紀(jì)60年代以后，低溫甲醇洗工藝因其高效益在世界范圍內(nèi)被更加廣泛的應(yīng)用。魯奇公司和林德公司的低溫甲醇洗工藝基本原理相同，但在具體的工藝流程上存在著差別，林德公司是先進(jìn)行氣體變換，再選擇性地脫硫脫碳，而魯奇工藝是在脫硫和脫碳之間進(jìn)行氣體變換，魯奇和林德公司針對(duì)市場(chǎng)上進(jìn)料條件和原料的不同又開(kāi)發(fā)了適用于不同條件的低溫甲醇洗流程。例如，瀝青氣化、富氫氣、變換氣以及油氣化的脫硫脫碳采用的是魯奇的流程，而林德的低溫甲醇洗工藝一般適用于城市煤氣、合成甲醇、工業(yè)制氨的氣體凈化過(guò)程。從1954年魯奇公司在南非建成用于凈化魯奇爐制得的煤氣的工業(yè)規(guī)模示范裝置到目前，世界范圍內(nèi)已有低溫甲醇洗裝置百余套。魯奇公司通過(guò)改進(jìn)裝置，利用自身的液位差以及重力的作用來(lái)輸送液體，進(jìn)而減少管道以及機(jī)泵的數(shù)量，解決了低溫甲醇洗工藝能耗量偏高的狀態(tài)，而且可以節(jié)省投資費(fèi)用。而林德公司則是通過(guò)使用高效的繞管式換熱器，節(jié)省能耗以及設(shè)備。上個(gè)世紀(jì)七十年代末期，我國(guó)分別由魯奇公司和林德公司引進(jìn)了一套以煤為原料的低溫甲醇洗裝置和以渣油為原料合成NH3的低溫甲醇洗凈化裝置，之后低溫甲醇洗工藝的應(yīng)用更加廣泛。但由于低溫甲醇洗工藝是國(guó)外的專利，如使用還需花費(fèi)高價(jià)購(gòu)買(mǎi)專利、軟件及專利設(shè)備等，我國(guó)國(guó)內(nèi)的科研人員便開(kāi)始了對(duì)低溫甲醇洗工藝的研究工作。到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)于低溫甲醇洗工藝的研究工作已經(jīng)取得了一定的成果。大化集團(tuán)公司合成氨裝置凈化公司采用林德公司的一步法吸收H2S、CO2的六塔聯(lián)合流程的低溫甲醇洗工藝，凈化吸收設(shè)計(jì)溫度為-55℃，在凈化原料氣的同時(shí)，為聯(lián)堿工藝提供CO2。自開(kāi)車以來(lái)，低溫甲醇洗裝置在高溫季節(jié)冷量不足的問(wèn)題十分明顯，成為限制生產(chǎn)負(fù)荷的瓶頸。2.2.2低溫甲醇洗工藝及原理介紹2.2.2.1.低溫甲醇洗工藝簡(jiǎn)介低溫甲醇洗（Rectisol）工藝是一種采用低溫甲醇作溶劑，用來(lái)脫除H2S、CO2等酸性氣體的氣體凈化工藝。該凈化工藝是物理吸收法，利用了酸性氣體在低溫甲醇中溶解度極大的特點(diǎn)。低溫甲醇洗工藝不僅凈化度高，而且對(duì)凈化氣體的選擇性好。由于酸性氣體CO2、H2S在低溫甲醇中溶解度差別較大，脫硫、脫碳就可以在同一塔內(nèi)選擇性地分段進(jìn)行。吸收后甲醇富液的再生可以依靠閃蒸、加熱、氣提等方法解吸釋放出CO2、H2S氣體以回收。該流程主要包括吸收、解吸和甲醇再生三個(gè)過(guò)程，吸收過(guò)程主要是將CO2、H2S和COS等酸性氣體溶解在低溫甲醇中；解吸過(guò)程是利用閃蒸、加熱或氣提的方法將溶解的氣體從甲醇富液中釋放出來(lái)；甲醇再生過(guò)程是指將吸收過(guò)酸性氣體的甲醇富液進(jìn)行精餾再生，在甲醇水分離塔中分出多余的水分?？偟膩?lái)說(shuō)，低溫甲醇洗工藝流程的基本特點(diǎn)可概括為低溫高壓吸收、高溫低壓解吸。2.2.2.2甲醇選擇吸收CO2、H2S的機(jī)理具有大的電子對(duì)接收體的分子叫軟酸，具有小的電子對(duì)接收體的分子叫硬酸。具有大的電子對(duì)給予體的分子叫軟堿，具有小的電子對(duì)給予體的分子叫硬堿，這就是軟硬酸堿理論。甲醇分子由甲基CH3-和羥基-OH兩個(gè)官能團(tuán)組成，甲基是一軟酸官能團(tuán)，羥基是一硬堿官能團(tuán)。而CO2屬于硬酸類，H2S屬于硬酸軟堿類，所以甲醇吸收CO2、H2S應(yīng)是如下形式：H2S……CH3—OH……CO2。這個(gè)機(jī)理解釋了甲醇同時(shí)吸收CO2和H2S的原因。2.2.2.3低溫甲醇洗工藝的技術(shù)原理低溫甲醇洗工藝是物理吸收法，在該工藝的凈化過(guò)程中低溫甲醇和酸性氣體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸收過(guò)程中氣液平衡關(guān)系的理論基礎(chǔ)是亨利定律：P=KX在上述亨利定律表達(dá)式中，P表示操作壓力，K表示亨利系數(shù)，X表示的是溶解在溶劑中的溶質(zhì)，對(duì)于不同的溶質(zhì)、溶劑，亨利定律中的K值也會(huì)隨之而改變。根據(jù)同性相容的原理，甲醇分子是極性分子，作為溶劑會(huì)更容易吸收極性分子的溶質(zhì)，K值更大。也就是說(shuō)，在低溫甲醇洗工藝過(guò)程中，低溫甲醇對(duì)極性溶質(zhì)H2S、CO2的吸收能力遠(yuǎn)高于非極性溶質(zhì)N2、H2、Ar、CO。由亨利定律可知，X值會(huì)隨著P值的增大而增大，那么在低溫甲醇吸收酸性氣體的過(guò)程中，單位溶劑吸收溶質(zhì)的量會(huì)隨著體系壓力的增大以及溫度的降低而增大。因此，應(yīng)盡量在高壓和低溫的條件下進(jìn)行吸收X值會(huì)隨著P值的減小而減小，那么在對(duì)溶劑進(jìn)行解吸的過(guò)程中，體系的壓力越低，溫度越高就會(huì)越有利于溶質(zhì)的解吸。那么就可以通過(guò)減壓、氣提以及加熱對(duì)溶質(zhì)進(jìn)行解吸。原料氣中各組分在甲醇溶劑中的溶解度可依次排序?yàn)镠2O、NH3HCN、H2S、COS、CO2、CH4、CO、N2、H2，而甲醇中H2ONH3、HCN的溶解度遠(yuǎn)大于H2S、COS、CO2的溶解度。低溫甲醇洗的操作溫度范圍為-30℃~-70℃，當(dāng)溫度從20℃降到-40℃時(shí)，CO2的溶解度增大約6倍，吸收劑的用量也相應(yīng)可減少6倍。低溫下H2S、COS在甲醇中的溶解度為CO2在甲醇中的溶解度幾倍以上，這樣甲醇就能夠選擇性地從原料氣中先脫除H2S，而在甲醇再生時(shí)先解吸回收釋放CO2。而且低溫下H2S、COS和CO2等酸性氣體在甲醇中的溶解度遠(yuǎn)大于H2、CH4、CO等有用氣體在甲醇中的溶解度。因此，低溫甲醇洗可將CO2連同COS、H2S酸性氣體一并脫除，而H2、CO、CH4等有用氣體則損失較少。通常情況下，低溫甲醇洗的操作溫度設(shè)定為-30～-70℃，各種氣體在-40℃時(shí)的相對(duì)溶解度如下表2-3所示：CO2和H2S在甲醇中的溶解熱雖然不大，但由于其溶解度高，在吸收過(guò)程中放出大量的熱量，隨著吸收過(guò)程的進(jìn)行會(huì)使溶液的溫度有明顯的升高，進(jìn)而會(huì)影響吸收效果。因此為了保證最佳的吸收效果，需要在塔中部設(shè)置換熱器移出吸收過(guò)程中釋放的熱量，避免吸收劑溫度升高而影響凈化氣的純度。根據(jù)氣體在甲醇中的不同溶解度，采用分級(jí)減壓、惰性氣體（N2）氣提或加熱再生解吸的方法回收溶解的有用氣體，以得到CO2產(chǎn)品氣、H2S酸性氣體、放空尾氣，分離得到的CO2和H2S氣體可作為副產(chǎn)品送往后續(xù)裝置進(jìn)行處理回收。系統(tǒng)的低溫可以通過(guò)氨冷凍CO2的分級(jí)解吸得到。2.2.2.4低溫甲醇洗工藝分類及流程介紹根據(jù)進(jìn)變換系統(tǒng)的原料氣要求不同，凈化系統(tǒng)所采用的低溫甲醇洗流程也不同。主要分為兩種類型：魯奇的兩段吸收（兩步法）、林德的一段吸收（一步法）。前者適用于進(jìn)變換系統(tǒng)的原料氣脫硫要求嚴(yán)格的情況即不耐硫變換流程，用低溫甲醇洗預(yù)先脫除原料氣中的硫化物、氫氰酸等雜質(zhì)，然后在CO變換之后，再用低溫甲醇貧液脫除CO2；后者適用于耐硫變換之后，用低溫甲醇洗同時(shí)進(jìn)行脫除硫化物、氫氰酸和脫除CO2。由于在中國(guó)已基本解決耐硫變換催化劑的供應(yīng)，因此在實(shí)際應(yīng)用中多采用一段吸收（一步法）。二者在基本原理上沒(méi)有什么根本區(qū)別，技術(shù)方面也都很成熟。一步法和兩步法的典型裝置配置如下圖2-2及2-3所示：一步法低溫甲醇洗工藝流程林德低溫甲醇洗流程簡(jiǎn)圖如下圖2-4所示，該流程主要由五個(gè)塔構(gòu)成，分別是酸性氣體吸收塔C1塔、CO2解吸塔C2塔、H2S濃縮塔C3塔、甲醇熱再生塔C4塔及甲醇水分離塔C5塔。C1塔分為上塔和下塔，上塔由三段組成，下塔由一段組成，上塔吸收CO2，使出塔凈化氣的CO2摩爾含量小于3％，硫化物含量小于0.lppm，下塔的作用是吸收硫化物及少量的CO2。為了保證凈化氣符合凈化指標(biāo)，在C1塔的上段使用-60℃左右的貧甲醇進(jìn)行吸收。由于在吸收過(guò)程CO2溶解放熱，使得甲醇溶劑的溫度上升至-20℃左右，吸收效果下降。為此可以加入中間冷卻器將甲醇冷卻至-40℃左右，然后再進(jìn)入C1塔上塔中段，由于CO2溶解放熱，溶液溫度會(huì)再次升高，則再次引出甲醇溶液冷卻。從C1塔上塔底部出來(lái)的吸收過(guò)CO2的甲醇溶液接著洗滌下塔的硫化物，由于甲醇對(duì)硫的溶解度是對(duì)CO2的幾倍，所以下塔中用來(lái)吸收的甲醇用量較少。由C1塔上塔段底部出來(lái)的不含硫甲醇溶液經(jīng)過(guò)換熱、減壓閃蒸等操作后進(jìn)入C2塔的頂部進(jìn)行CO2解吸。從C1塔下塔底部出來(lái)的含硫甲醇溶液經(jīng)換熱、減壓閃蒸等操作后進(jìn)入C2塔中部進(jìn)行閃蒸。將由C2塔底部出來(lái)的含硫甲醇溶液送入C3塔中部，用N2氣提的方法進(jìn)一步解吸CO2，提高溶液中硫化物的相對(duì)濃度。從C3塔中部引出的溶液的溫度為全系統(tǒng)最低，可以用以為系統(tǒng)中的循環(huán)貧甲醇提供冷源。在C3塔頂部噴淋少量不含硫的甲醇，吸收CO2解吸時(shí)帶出的少量硫。由N2和CO2組成的塔頂氣體回收冷量后作為尾氣放空。將從H2S回收塔底部出來(lái)的富含硫的甲醇溶液加熱后送入甲醇熱再生塔中進(jìn)行熱再生，用甲醇蒸汽氣提硫化物和CO2氣體。含有甲醇蒸汽的硫化物從塔頂出來(lái)，并經(jīng)冷卻后進(jìn)行氣液分離，分離后的液相作為回流液送回C4塔頂部，分離后的氣相仍含有大量甲醇蒸汽，對(duì)其冷卻后進(jìn)行氣液分離，得到氣相硫化物并送往克勞斯硫回收裝置。從C4塔底部引出的不含硫和碳的貧甲醇經(jīng)換熱后作為洗滌劑送往C1塔頂部。用貯槽收集整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生的所有甲醇水溶液，并用甲醇水分離塔C5間接蒸汽蒸餾來(lái)回收甲醇。C5塔塔頂出口蒸汽經(jīng)換熱后進(jìn)行氣液分離，分離后氣相中含大量硫與C4塔出塔氣體一起送往克勞斯硫裝置，分離后的液相中含硫，送回C4塔頂部，蒸出硫。b.兩步法低溫甲醇洗工藝流程：兩歩法低溫甲醇洗工藝流程簡(jiǎn)圖如下圖2-5所示，該流程主要由四個(gè)塔構(gòu)成，分別為脫硫塔C1塔、脫碳塔C2塔、H2S再生塔C3塔和CO2再生塔C4塔。具體流程如下：原料氣在進(jìn)入C1塔前，先噴淋少量甲醇溶液以防止原料氣中的水分遇冷凍結(jié)堵塞管道并分離出原料氣中的水蒸氣，然后冷卻至吸收溫度后送往C1塔的底部，在C1塔中用吸收過(guò)CO2的甲醇溶液吸收硫化物。C1塔頂出來(lái)的氣體硫含量可至0.1ppm以下，該氣體經(jīng)CO變換并冷卻后送往C2塔底部，用貧甲醇脫除CO2。C1塔底出來(lái)的富甲醇溶液經(jīng)過(guò)閃蒸、加熱后送往C3塔頂部進(jìn)行熱再生，在此吸收劑完全再生。C3塔底再生后的貧甲醇與C4塔底經(jīng)N2氣提再生的甲醇一起送往C2塔頂部，從C4塔引出的一股半貧液送往C2塔下部。C2塔底部出來(lái)的富液送入C4塔閃蒸和氣提再生。在C4塔上部閃蒸后液相作為吸收劑送往C1塔脫除硫。被甲醇吸收的H2與CO閃蒸解吸后返回原料氣管線。在甲醇水分離塔(圖中未畫(huà))中除去原料氣帶來(lái)的水分。c.兩種工藝特點(diǎn)對(duì)比一步法和兩步法在工藝上的特點(diǎn)對(duì)比如下。（1）原料氣預(yù)處理：在預(yù)洗工藝上，魯奇兩歩法比林德一歩法要合理，而在主洗及甲醇再生工序上，林德一歩法更為簡(jiǎn)潔。魯奇兩步法先將原料氣降溫至5℃后分離出冷凝液，然后進(jìn)入繞管式換熱器降溫，林德一步法將原料氣經(jīng)洗氨后一步冷卻，由于處理氣量較大，需采用2臺(tái)繞管式換熱器并聯(lián)運(yùn)行。（2）預(yù)洗再生魯奇兩步法的預(yù)洗甲醇采用分步減壓，依次閃蒸出原料氣及CO2，然后進(jìn)入萃取器分離石腦油，再經(jīng)共沸塔解吸出H2S后，含甲醇廢水去甲醇水分離塔回收甲醇；而林德公司的預(yù)洗甲醇經(jīng)過(guò)升溫后直接通入萃取器，其他工藝均與魯奇公司的相同，但甲醇水分離塔的氣相是直接通往熱再生塔。（3）主洗甲醇再生魯奇公司將閃蒸過(guò)CO2的甲醇作為主洗甲醇返回吸收塔，而林德公司的富甲醇均經(jīng)熱再生后返回吸收塔。林德公司的換熱網(wǎng)絡(luò)相比魯奇公司更為簡(jiǎn)單，大部分采用的是繞管式換熱器，能量的回收效果更好。同時(shí)可減少冷量、低壓氮?dú)?、電量等的消耗，使設(shè)備布置更為緊湊，可節(jié)省占地及裝置的操作費(fèi)用。（4）魯奇公司的低溫甲醇洗工藝流程為氣化→脫硫→變換→脫碳，變換流程在脫硫與脫碳之間；林德公司是在變換后選擇性地一步法脫硫脫碳。2.2.2.5低溫甲醇洗工藝優(yōu)勢(shì)低溫甲醇洗工藝的優(yōu)點(diǎn)低溫甲醇洗工藝的吸收能力大，選擇性好，氣體凈化度高，操作費(fèi)用低，和其他氣體凈化方法相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）能吸收各種雜質(zhì)：低溫甲醇洗適合凈化煤造氣，因?yàn)槊汉泻芏嚯s質(zhì)，而且不能進(jìn)行預(yù)處理。所以煤氣化產(chǎn)生的氣體往往含有許多雜質(zhì)。而低溫甲醇洗法幾乎能脫除所有的雜質(zhì)，例如CO2、H2S、COS、CS2、RSH、C4H4S、HCN、NH3、NO、H2O、鐵和其他金屬的羰基化合物、磷化物以及C2以上的烴類等。而我國(guó)的制氨原料大多是以煤為基礎(chǔ)，用低溫甲醇凈化方法尤其合適，這一方法特別適合我國(guó)。（2）吸收能力強(qiáng)：甲醇在低溫高壓下對(duì)CO2、H2S、COS等酸性氣體的溶解度較大。根據(jù)計(jì)算在3.1MPa的壓力下，1m3甲醇溶液能吸收160~180m3CO2氣體，而1m3NHD溶劑僅能吸40~55m3CO2氣體。由此可見(jiàn)，吸收等量酸性氣體時(shí)，低溫甲醇的溶液循環(huán)量小，總能耗較低，并且可以減少化學(xué)法吸收再生時(shí)消耗的大量熱能，如此可以降低成本，減少投資。低溫甲醇洗法還可以脫除煤氣中的輕質(zhì)重質(zhì)油和HCN等。低溫甲醇洗法將粗煤氣凈化的幾個(gè)工序都集中在一起，從而可以大大簡(jiǎn)化工藝流程。（3）選擇性強(qiáng)：甲醇溶劑的選擇性很強(qiáng)，甲醇對(duì)H2S、CO2、COS等氣體的吸收能力很強(qiáng)，而對(duì)N2、CO、H2的吸收能力則很弱。利用甲醇對(duì)H2S的溶解度是對(duì)CO2溶解度的6倍這個(gè)特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中能將H2S與CO2在同一吸收塔的不同吸收段進(jìn)行吸收，并可以選擇性地從混合氣中先脫除H2S，而在甲醇再生時(shí)先解吸CO2，這樣既可以保證再生的CO2純度能滿足尿素生產(chǎn)的要求，也可以直接將富含H2S的尾氣用以回收硫磺。甲醇對(duì)H2、N2、CO的溶解度很小，在減壓閃蒸過(guò)程中，能優(yōu)先將其解吸處理，有利于回收。所以采用低溫甲醇洗工藝，可將氣體有效成分的損失減至最小。（4）凈化度高：低溫甲醇洗工藝的凈化度很高，經(jīng)過(guò)低溫甲醇洗脫硫脫碳的凈化氣H2S含量小于0.1ppm，CO2含量小于20ppm，純度能達(dá)99％以上，回收率大于或等于63％。而且能完全脫除H2O、NH3、HCN以及C2以上的烴類。凈化氣純度的提高可有效避免氨合成、甲烷化等后續(xù)工序中的催化劑中毒現(xiàn)象的發(fā)生。（5）再生能耗低，溶劑損失小：甲醇的沸點(diǎn)在常壓下僅為64.7℃，較低。因此甲醇富液的再生溫度較低，那么再生能耗就較少。甲醇在低溫下的平衡蒸汽壓也很低，凈化過(guò)程中的溶劑損失較小。（6）操作費(fèi)用低：甲醇溶液的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，在吸收的過(guò)程中不會(huì)有起泡反應(yīng)，與原料氣中各組分也不會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，也不會(huì)發(fā)生被氰化物或者是有機(jī)物降解或變質(zhì)的現(xiàn)象，如此甲醇溶劑還可以循環(huán)使用。低溫甲醇洗裝置對(duì)材質(zhì)要求及其總投資不高，低溫甲醇洗裝置中除低溫部分需用耐低溫合金鋼外，其他設(shè)備和管道用一般優(yōu)質(zhì)碳鋼即可。（7）甲醇價(jià)廉、易得：甲醇的價(jià)格不高，可大批量生產(chǎn)，采用低溫甲醇洗的廠家可以自產(chǎn)。（8）低溫甲醇洗流程短、操作方便：低溫甲醇洗凈化度高，且具有一種溶劑可同時(shí)脫除多種雜質(zhì)的特點(diǎn)，如此可以簡(jiǎn)化工序、流程和操作。同時(shí)，甲醇的物理性質(zhì)符合選用吸收劑的指標(biāo)要求。甲醇沸點(diǎn)低，比熱大，粘度小。甲醇的沸點(diǎn)較低為64.7℃，非常有利于它的再生。吸收劑的熱再生溫度低，能耗就低，同時(shí)會(huì)減少系統(tǒng)的冷量損失在。目前低溫甲醇洗技術(shù)日趨成熟，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外合成氨、甲醇合成和羰基合成、城市煤氣、工業(yè)制氨和天然氣脫硫等氣體凈化裝置中實(shí)現(xiàn)CO2、H2S的脫除。由于其具有優(yōu)異的酸性氣體選擇性、吸收性以及運(yùn)行穩(wěn)定性等特點(diǎn)，已在石油化工、煤化工、化肥工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。2.2.2.6低溫甲醇洗工藝凈化任務(wù)從變換工段來(lái)的變換氣中除含有大量H2、N2、CO2外，同時(shí)含有少量的H2S、COS等硫化物，還有CO、CH4、Ar及飽和水分等成分。這些成分中除了N2、H2以外，其他成分都得脫除。變換氣中的硫化物和氧化物很容易使氨合成催化劑中毒。必須在變換氣進(jìn)入合成工段之前將這些含氧化合物和含硫化合物脫除干凈。低溫甲醇洗工序是在低溫下進(jìn)行的，操作溫度很低，在這種狀況下氣體中的水分很容易凍結(jié)堵塞管道和設(shè)備，因此就必須將氣體中含有的水分脫除以避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。從凈化氣中分離出的大量CO2濃度較高，可以回收作為生產(chǎn)尿素的原料。變化氣中的H2S、COS是生產(chǎn)硫磺的原料，而且如果通入大氣中會(huì)污染環(huán)境，可以通往克勞修斯硫回收系統(tǒng)以回收硫磺。低溫甲醇洗的凈化任務(wù)是將凈化氣中的CO2、H2O及H2S等硫化物脫除到規(guī)定含量，以達(dá)到后序工序液氮洗和氨合成工序的生產(chǎn)要求。凈化氣的凈化度隨著工廠產(chǎn)品的不同而異，如作為城市煤氣用，凈化氣的凈化標(biāo)準(zhǔn)為H2S<2.0mg/m3(標(biāo))、CO2<2％。如果凈化氣要用作合成氨的原料氣，配甲烷化要求總硫（COS+H2S）<0.1mg/m3、CO2<20mg/m3?？偟膩?lái)說(shuō)，低溫甲醇洗凈化工藝的任務(wù)主要是以下幾方面：原料氣的凈化：用冷甲醇吸收原料氣中的CO2、H2S及COS等氣體并達(dá)到凈化要求。副產(chǎn)品的回收：在凈化過(guò)程中只有N2、H2是合成氨所必需的組成原料，必須要將CO2脫除，但由于CO2量較大且是很多化工產(chǎn)品的重要生產(chǎn)原料，直接大量排出會(huì)造成溫室效應(yīng)。因此可對(duì)其進(jìn)行回收，另外還需對(duì)硫化氫等含硫化合物進(jìn)行回收以達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。保護(hù)環(huán)境：由于在凈化過(guò)程中要不斷向外界排放廢氣、廢水，這些廢氣廢水的量很大，且含有污染環(huán)境的某些物質(zhì)，直接排放將會(huì)污染環(huán)境，因此必須達(dá)到環(huán)保要求再排放。第三章低溫甲醇洗流程模擬3.1模擬過(guò)程簡(jiǎn)介根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，我們采用Plus對(duì)一步法低溫甲醇洗流程進(jìn)行了模擬模擬過(guò)程中我們劃分為6個(gè)單元進(jìn)行模擬依次為水洗除氨、低溫甲醇脫硫脫碳、低溫閃蒸、富甲醇解吸二氧化碳、富甲醇解吸硫化氫和甲醇脫水等幾個(gè)主要環(huán)節(jié),按照單元操作可劃分為吸收/解吸、精餾、閃蒸和換熱四個(gè)主要單元。物性方法參考文獻(xiàn)，采用PSRK。3.2流程設(shè)計(jì)3.2.1原料氣條件及設(shè)計(jì)要求合成氣：CO2濃度≤1.8～3.0%（mol），總硫＜0.1ppm(mol)。放空尾氣：幾乎無(wú)硫，主要為CO2和N2。酸性氣體：主要由CO2和H2S組成。4、甲醇水分離塔排放廢水組成：甲醇含量≤0.5%（wt）3.2.2工藝流程圖3.3AspenPlus模擬3.3.1吸收塔模擬吸收塔承擔(dān)起脫硫、脫碳的功能。此吸收塔設(shè)計(jì)分為兩段:一段為A和B作為脫硫段;另一段為C和D作為脫碳段，使凈化氣中H2S含量小于0.1PPM,C02含量小于2%,即塔頂產(chǎn)品氣中酸性氣體的摩爾分率為被控制變量。模擬初始條件：1.合成氣組成：組成CH4OCO2H2N2H2SH2OARCH4COCOSH3N摩爾分率0.0000.3420.4590.0030.0010.0030.0010.0020.1890.0000.0002.吸收塔壓力：5.4Mpa；吸收溫度：-48℃模擬要求：吸收塔頂氣體H2S含量小于0.1PPM,C02含量小于2%；氣體摩爾流率約為955Kmol/hr。3.3.1.1模擬過(guò)程的建立1.Aspen流程圖2.參數(shù)設(shè)置（示例）3.3.1.2吸收塔重要股流數(shù)據(jù)股流號(hào)Feed-GasGas-out710MeoH1MeoH2CH4O0.00000.00010.59160.74501.00001.0000CO20.34200.02390.38180.24430.00000.0000H20.45900.68810.00540.00560.00000.0000N20.00280.00420.00000.00000.00000.0000H2S0.00130.00000.00400.00040.00000.0000H2O0.00250.00000.01110.00000.00000.0000AR0.00110.00160.00010.00000.00000.0000CH40.00180.00250.00010.00010.00000.0000CO0.18940.27970.00540.00440.00000.0000COS0.00010.00000.00030.00000.00000.0000H3N0.00000.00000.00000.00000.00000.0000總流率(kmol/hr)1500.000985.905336.6201477.483200.0001100.000溫度℃-22.00-40.60-21.27-16.07-48.00-48.00壓力bar54.0054.0054.1054.100.000.00氣相分率1.001.000.000.000.000.00液相分率0.001.001.001.001.003.3.1.3吸收塔參數(shù)設(shè)置設(shè)備序號(hào)ABCD塔板數(shù)9476塔頂壓力（Mpa）5.45.45.45.4全塔壓降（Mpa）0.030.010.020.02冷凝器NoneNoneNoneNone再沸器NoneNoneNoneNone熱負(fù)荷00003.3.1.4換熱器參數(shù)換熱器（Heater）E1E2溫度℃-36.40-40.00壓力（Mpa）5.45.4熱負(fù)荷（Btu/hr）-569330-2.26E+063.3.1.5模擬結(jié)果模擬基本達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，吸收塔頂氣體H2S含量小于0.1PPM,C02含量2.39%；氣體摩爾流率為985.9Kmol/hr。3.3.2解析塔模擬在解析塔中,通過(guò)加入汽提氮?dú)夂蜏p壓閃蒸的方式解吸出上游來(lái)的富甲醇巾的C02并提濃硫化氧，最終,流股023與流股072中H2S的摩爾分率需滿足如下設(shè)計(jì)控制指標(biāo),即H2S摩爾分率低于10ppm,其中流股023作為二氧化碳產(chǎn)品,其C02的摩爾分率應(yīng)高于99.5%。由于中間釆出溶液需與流程中的其它物料換熱后再返回到塔里,出于換熱需要,流股041的溫度應(yīng)盡量接近甚至低于給定溫度-53.5C。3.3.2.1模擬過(guò)程的建立1.Aspen流程圖2.參數(shù)設(shè)置（示例）3.3.1.2吸收塔重要股流數(shù)據(jù)股流號(hào)146101114CH4O0.79300.83950.00030.00020.91520.9804CO20.20660.15290.98190.74950.07930.0109H20.00030.00290.01740.00010.00000.0000N20.00000.00000.00020.24730.00020.0000H2S0.00000.00470.00000.00290.00530.0087H2O0.00000.00000.00000.00000.00000.0000AR0.00000.00000.00000.00000.00000.0000CH40.00000.00000.00000.00000.00000.0000CO0.00000.00000.00020.00000.00000.0000COS0.00000.00000.00000.00000.00000.0000H3N0.00000.00000.00000.00000.00000.0000總流率(kmol/hr)8626.99998218.99991495.218842626.5246115309.5001274.299998溫度℃-35.00-26.70-52.48-57.58-47.6634.20壓力bar10.708.401.751.452.102.70氣相分率0.000.011.001.000.000.00液相分率1.000.990.000.001.001.00股流號(hào)15171819N2CH4O0.00100.88860.01330.97630.0000CO20.76780.10370.82210.01510.0000H20.00010.00000.00000.00000.0000N20.00090.00020.01990.00051.0000H2S0.23030.00740.14480.00810.0000H2O0.00000.00000.00000.00000.0000AR0.00000.00000.00000.00000.0000CH40.00000.00000.00000.00000.0000CO0.00000.00000.00000.00000.0000COS0.00000.00000.00000.00000.0000H3N0.00000.00000.00000.00000.0000總流率(kmol/hr)29.415050.8282.59999713701.8561649.999993溫度℃-37.60-33.30-5.60-49.8540.00壓力bar2.105.002.102.205.60氣相分率1.000.001.000.001.00液相分率0.001.000.001.000.003.3.2.3解析塔參數(shù)設(shè)置設(shè)備序號(hào)B1B2B3B4塔板數(shù)1161910塔頂壓力（Mpa）0.1850.1750.1450.21全塔壓降（Mpa）0.030.010.0650.01冷凝器NoneNoneNoneNone再沸器NoneNoneNoneNone熱負(fù)荷00003.3.2.4模擬結(jié)果流股6與流股10中H2S的摩爾分率,即H2S摩爾分率低于10ppm,其中流股6作為二氧化碳產(chǎn)品,其C02的摩爾分率98.19%。由于中間釆出溶液需與流程中的其它物料換熱后再返回到塔里,出于換熱需要,流股19的溫度-49.5攝氏度，基本滿足設(shè)計(jì)要求。第四章物料衡算及熱量衡算4.1低溫甲醇洗的全流程模擬4.2物料衡算4.2.1概述本流程是模擬低溫甲醇洗法對(duì)合成氣的凈化工段，低溫甲醇脫硫脫碳、低溫閃蒸、富甲醇解吸二氧化碳、富甲醇解吸硫化氫和甲醇脫水等幾個(gè)主要環(huán)節(jié)。4.2.2物料衡算的原理和基準(zhǔn)物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律。它是研究某一體系內(nèi)進(jìn)出物料量及組成的變化。進(jìn)行物料衡算時(shí)，先必須確定衡算的體系。對(duì)一般體系，均可表示：（物料的積聚率）=（物料進(jìn)入率）-（物料流出率）+（反應(yīng)生成率）-（反應(yīng)消耗率）當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，則：（物料的積聚率）=（物料進(jìn)入率）-（物料流出率）在穩(wěn)定狀態(tài)下有：（物料進(jìn)入率）=（物料流出率）4.2.3物料衡算現(xiàn)對(duì)流程當(dāng)中的精餾塔，反應(yīng)器，閃蒸罐進(jìn)行物料衡算。衡算結(jié)果主要以質(zhì)量流率表示。包括總的質(zhì)量流率，以及各物流的質(zhì)量流率。4.2.3.1脫硫塔T0101脫硫塔的主要任務(wù)是完成對(duì)合成氣中H2S，COS,等氣體的吸收，由于H2S，COS等氣體低溫下在甲醇中的溶解度較大，所以模擬中用一個(gè)吸收塔即可完成含硫氣體的吸收。表4-1T0101流股信息參數(shù)T2-L1T1-INREC-GAST1-VT1-L0溫度℃-22.953938-30-30-22.897743-27.800276壓力bar44.456317745.544.844.544.7992氣相分率0.0001.0001.0001.0000.000摩爾流量kmol/h2788.7554950.000686.8305515.7682909.817質(zhì)量流量kg/h93346.30573431.62928428.89196728.37598478.450CO282.02038174.282723.41138869.192310.521H223.1045558.30158.0215615.53223.894CH40.79026.5671.96628.4370.885N262.82911693.891160.51511849.18268.053CO216118.42717636.61927241.01340308.20420687.855H2O0.0000.0000.0000.0000.000CH3OH76859.09520.187131.45557.79876952.938H2S0.039319.620111.6760.028431.306COS0.0002.1630.8350.0012.9974.2.3.2粗脫碳塔T0102粗脫碳塔T0102，完成對(duì)合成氣中大部分CO2的吸收，為后面的精脫碳做準(zhǔn)備。表4-2T0102流股信息參數(shù)T1-VT3-L1T2-L0T2-V溫度℃-22.897743-30-22.953921-27.256328壓力bar44.544.488444.456317644.45氣相分率1.0000.0000.0001.000摩爾流量kmol/h5515.7686714.6516971.8545258.576質(zhì)量流量kg/h96728.375222088.454233364.42785452.608CO38869.192679.185705.03938843.425H25615.53256.77357.7595614.555CH428.4372.0201.97528.482N211849.182154.357157.07111846.486CO240308.20429066.59540295.12929079.760H2O0.0000.0000.0000.000CH3OH57.798192129.433192147.35539.877H2S0.0280.0930.0970.023COS0.0010.0000.0010.0004.2.3.3精脫碳塔T0103精脫碳塔T0103完成對(duì)CO2氣體的進(jìn)一步吸收，使其塔頂氣體達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，滿足H2S含量小于0.1PPM,C02含量小于2%；表4-3T0103流股信息參數(shù)T2-VMETHANOLT3-L0CO+H2溫度℃-27.256328-50-25.637608-50.000542壓力bar44.4544.444.488444.4氣相分率1.0000.0000.0001.000摩爾流量kmol/h5258.5765996.1476714.6514540.072質(zhì)量流量kg/h85452.608192125.177222088.45455489.331CO38843.4250.000679.18538164.240H25614.5550.00056.7735557.782CH428.4820.0002.02026.462N211846.48630.189154.35711722.319CO229079.7600.00029066.59513.165H2O0.0000.0000.0000.000CH3OH39.877192094.910192129.4335.355H2S0.0230.0780.0930.009COS0.0000.0000.0000.0004.2.3.4碳解吸塔T0104流經(jīng)脫硫塔和脫碳塔的甲醇匯集在碳解吸塔T0104里，通過(guò)減壓，和來(lái)自閃蒸罐的甲醇蒸汽，釋放出CO2，完成對(duì)CO2氣體的分離。表4-4T0104流股信息參數(shù)F-C-VV2-OH-4-OPRO-CO2F-C-I溫度℃53-14.83471-45-45.867472-22.745158壓力bar1.171.171.0511.1632氣相分率1.0000.0000.0001.0000.000摩爾流量kmol/h353.6602612.3793793.727389.8256369.941質(zhì)量流量kg/h12956.77186139.638123928.74117133.332205891.817CO0.0214.1206.02010.1400.021H20.0010.1960.3340.5300.001CH40.0010.0460.0590.1050.001N20.0030.7151.0671.7820.003CO25723.0298887.8298736.02317107.9996238.882H2O0.0000.0000.0000.0000.000CH3OH6147.32776924.925115185.19912.756198244.695H2S1077.866319.6440.0390.0201397.530COS8.5232.1620.0000.00010.6854.2.3.5硫解吸塔T0105經(jīng)過(guò)碳解吸塔T0104的甲醇液體進(jìn)入硫解吸塔T0105，通過(guò)N2氣提的方法，把溶解在甲醇里的H2S氣體進(jìn)一步解解吸出來(lái)，至此完成了對(duì)甲醇的再生過(guò)程，再生甲醇將循環(huán)回脫硫脫碳塔里，H2S氣體則富集進(jìn)入其他工段。表4-5T0105流股信息參數(shù)REC-MT-5-IN2SOUR-GASREC-ME溫度℃10538050.30332644.4231358壓力bar11.171.211.1972氣相分率0.0000.0001.0001.0000.000摩爾流量kmol/h106.1276016.27466.000198.9865989.414質(zhì)量流量kg/h3402.698192934.8151848.8906276.943191909.415CO0.0000.0000.0000.0000.000H20.0000.0000.0000.0000.000CH40.0000.0000.0000.0000.000N20.4600.0001848.8901819.16130.189CO25.394515.7980.000521.1970.000H2O0.0000.0000.0000.0000.000CH3OH3384.450192097.2520.0003602.516191879.148H2S12.323319.6030.000331.8350.078COS0.0722.1620.0002.2340.0004.2.3.6閃蒸罐V0102來(lái)自脫碳塔的甲醇一部分閃蒸成氣體進(jìn)入脫硫塔，液體部分進(jìn)入碳解吸塔。表4-6V0102流股信息參數(shù)T2-L2A-VA-L溫度℃-22.95393800壓力bar44.456317655氣相分率0.0001.0000.000摩爾流量kmol/h4183.113389.3933793.719質(zhì)量流量kg/h140018.65616090.147123928.509CO423.024417.0046.020H234.65534.3210.334CH41.1851.1270.059N294.24393.1761.067CO224177.07715441.0618736.016H2O0.0000.0000.000CH3OH115288.413103.440115184.973H2S0.0580.0190.039COS0.0010.0000.0004.2.3.7閃蒸罐V0103來(lái)自脫硫塔的甲醇一部分閃蒸成氣體進(jìn)入脫硫塔，液體部分進(jìn)入碳解吸塔。表4-7V0103流股信息參數(shù)T1-L0B-VB-L溫度℃-27.800276-15-15壓力bar44.799255氣相分率0.0001.0000.000摩爾流量kmol/h2909.817297.4382612.379質(zhì)量流量kg/h98478.45012338.81286139.638CO310.521306.4014.120H223.89423.6980.196CH40.8850.8390.046N268.05367.3380.715CO220687.85511800.0268887.829H2O0.0000.0000.000CH3OH76952.93828.01376924.925H2S431.306111.662319.644COS2.9970.8352.1624.2.3.8閃蒸罐V0105與碳解吸塔串聯(lián)，提供熱量，用甲醇蒸汽對(duì)富甲醇進(jìn)行氣提，解吸CO2表4-8V0105流股信息參數(shù)F-C-IF-C-VT-5-I溫度℃-22.7451585353壓力bar1.16321.171.17氣相分率0.0001.0000.000摩爾流量kmol/h6369.941353.6606016.274質(zhì)量流量kg/h205891.81712956.771192934.815CO0.0210.0210.000H20.0010.0010.000CH40.0010.0010.000N20.0030.0030.000CO26238.8825723.029515.798H2O0.0000.0000.000CH3OH198244.6956147.327192097.252H2S1397.5301077.866319.603COS10.6858.5232.1624.2.3.9閃蒸罐V0106對(duì)硫解吸塔的塔頂氣體進(jìn)行閃蒸，氣體通出，甲醇液體回流到硫解吸塔。表4-9V0106流股信息參數(shù)SOUR-GASREC-MH2S溫度℃50.3033261010壓力bar111氣相分率1.0000.0001.000摩爾流量kmol/h198.986106.12792.859質(zhì)量流量kg/h6276.9433402.6982874.244CO0.0000.0000.000H20.0000.0000.000CH40.0000.0000.000N21819.1610.4601818.701CO2521.1975.394515.804H2O0.0000.0000.000CH3OH3602.5163384.450218.065H2S331.83512.323319.512COS2.2340.0722.1624.3熱量衡算4.3.1概述在全工藝的過(guò)程中物料在不同單元間傳遞在發(fā)生質(zhì)量傳遞的同時(shí)也伴隨著能量的消耗釋放和轉(zhuǎn)化其中的能量變換數(shù)量關(guān)系可以從能量衡算求得。4.3.2熱量衡算的原則根據(jù)能量守恒定律：輸入系統(tǒng)的能量=輸出系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)積累的能量本工段需主要設(shè)備有泵、換熱器、閃蒸器、精餾等。輸入整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能量主要有電能、加熱劑帶入的能量和進(jìn)入物料的焓，輸出的能量，有冷卻劑帶走的能量和輸出物料的焓。對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，由熱力學(xué)第一定律：Q+W=Hout–HinQ——設(shè)備的熱負(fù)荷。W——輸入系統(tǒng)的機(jī)械能。Hout——離開(kāi)設(shè)備的各物料焓之和。Hin——進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。本計(jì)算書(shū)以單元設(shè)備為對(duì)象考慮由機(jī)械能轉(zhuǎn)換化學(xué)反應(yīng)釋放能量和單純的物理變化帶來(lái)的熱量變化，進(jìn)行能量衡算。4.3.3熱量衡算現(xiàn)對(duì)流程當(dāng)中的吸收塔，閃蒸罐，換熱器進(jìn)行熱量衡算。4.3.3.1吸收塔吸收塔的熱量衡算式為：出料焓-進(jìn)料焓=塔底再沸器熱負(fù)荷+塔頂冷凝器熱負(fù)荷（凈加入塔的能量）以此為基準(zhǔn)做各塔的能量衡算。詳細(xì)結(jié)果列表如下（吸收塔未設(shè)置冷凝器和再沸器，故其熱負(fù)荷默認(rèn)為0，不予列出）表4-10脫硫塔T0101ParameterT2-L1T1-INREC-GAST1-VT1-L0TemperatureC-22.9539-30-30-22.8977-27.8003Pressurebar44.4563245.544.844.544.7992VaporFrac01110MoleFlowkmol/hr2788.7554950686.835515.7682909.817MassFlowkg/hr93346.3173431.6328428.8996728.3898478.45EnthalpyGcal/hr-175.7614-75.90424-60.02795-125.1193-186.574表4-11粗脫碳塔T0102ParameterT1-VT3-L1T2-L0T2-VTemperatureC-22.8977-30-22.9539-27.2563Pressurebar44.544.488444.4563244.45VaporFrac1001MoleFlowkmol/hr5515.7686714.6516971.8545258.576MassFlowkg/hr96728.38222088.5233364.485452.61EnthalpyGcal/hr-125.119-415.354-439.401-101.073表4-12精脫碳塔T0103ParameterT2-VMETHANOLT3-L0CO+H2TemperatureC-27.2563-50-25.6376-50.0005Pressurebar44.4544.444.488444.4VaporFrac1001MoleFlowkmol/hr5258.5765996.1476714.6514540.072MassFlowkg/hr85452.61192125.2222088.555489.33EnthalpyGcal/hr-101.073-352.165-414.716-38.5213表4-13碳解吸塔T0104ParameterF-C-VV2-OH-4-OPRO-CO2F-C-ITemperatureC53-14.8347-45-45.8675-22.7452Pressurebar1.171.171.0511.1632VaporFrac10010MoleFlowkmol/hr353.662612.3793793.727389.8256369.941MassFlowkg/hr12956.7786139.64123928.717133.33205891.8EnthalpyGcal/hr-21.5013-159.249-230.598-36.8043-374.545表4-14硫解吸塔T0105ParameterREC-MT-5-IN2SOUR-GASREC-METemperatureC10538050.3033344.42314Pressurebar11.171.211.1972VaporFrac00110MoleFlowkmol/hr106.1276016.27466198.9865989.414MassFlowkg/hr3402.698192934.81848.896276.943191909.4EnthalpyGcal/hr-6.09372-340.6350.025215-6.51517-340.1884.3.3.2閃蒸罐能量衡算時(shí)需衡算進(jìn)出能量守恒還有就是，閃蒸罐需要提供的熱量。表4-15閃蒸罐V0102ParameterT2-L2A-VA-LTemperatureC-22.953900Pressurebar44.4563255VaporFrac010MoleFlowkmol/hr4183.113389.3933793.719MassFlowkg/hr140018.716090.15123928.5EnthalpyGcal/hr-263.64-33.6283-226.968HeatDutyofFlashkw3540.47969表4-16閃蒸罐V0103ParameterT1-L0B-VB-LTemperatureC-27.8003-15-15Pressurebar44.799255VaporFrac010MoleFlowkmol/hr2909.817297.4382612.379MassFlowkg/hr98478.4512338.8186139.64EnthalpyGcal/hr-186.574-25.6663-159.249HeatDutyofFlashkw1928.88684表4-17閃蒸罐V0105ParameterF-C-IF-C-VT-5-ITemperatureC-22.74525353Pressurebar1.16321.171.17VaporFrac010MoleFlowkmol/hr6369.941353.666016.274MassFlowkg/hr205891.812956.77192934.8EnthalpyGcal/hr-374.545-21.5013-340.635HeatDutyofFlashkw14430.766表4-18閃蒸罐V0106ParameterSOUR-GASREC-MH2STemperatureC50.303331010Pressurebar111VaporFrac101MoleFlowkmol/hr198.986106.12792.859MassFlowkg/hr6276.9433402.6982874.244EnthalpyGcal/hr-6.51517-6.09372-1.48658HeatDutyofFlashkw-1238.74794.3.3.3換熱器換熱設(shè)備名稱熱負(fù)荷kwE0101-3112.101E0102-2567.919E0103-741.6862E0104-4221.388E0105-2454.959E0106-13978.96第五章林德低溫甲醇洗PFD圖見(jiàn)附圖第六章參考文獻(xiàn)[1]賀可順，范明智，周遠(yuǎn).低溫甲醇洗技術(shù)在煤制甲醇項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].大氮肥，2023（06）.

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