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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。LULIANG UNIVERSITY分类号: 密 级: 毕业设计题 目: 年产18万吨合成氨脱碳工段 工艺设计 系 别: 化学化工系 专业年级: 化学工程与工艺 级 姓 名: 学 号: 0707102 指导教师: 讲师 05月25日 原 创 性 声 明本人郑重声明: 本人所呈交的毕业论文, 是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用她人已经发表或未发表的成果、 数据、 观点等, 均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外, 不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体
2、, 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名: 日 期: 5月28日 关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料( 包括图纸、 试验记录、 原始数据、 实物照片、 图片、 录音带、 设计手稿等) , 知识产权归属吕梁学院。本人完全了解吕梁学院有关保存、 使用毕业论文的规定, 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版, 允许论文被查阅和借阅; 本人授权吕梁学院能够将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 能够采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果, 一定征得指导教师同意, 且第一署名单位为吕梁学院
3、。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时, 第一署名单位依然为吕梁学院。论文作者签名 日 期: 5月28日 指导老师签名: 日 期: 摘 要脱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脱碳过程中不可缺少的塔设备。合成氨厂无论使用何种原料制成原料气, 经变换后, 都含有大量的二氧化碳。这些二氧化碳如果不在合成氨工序前及时除净, 氨的合成就无法进行下去; 另一方面, 二氧化碳本身是制取尿素、 碳酸氢铵等产品的原料, 也可加工成干冰、 食品级二氧化碳。二氧化碳吸收塔的设计具有回收二氧化碳的功能。本文权衡众多合成氨脱碳方法之利弊, 最终选择碳酸丙烯酯脱碳
4、法。首先进行工艺流程分析并根据工艺参数及有关标准进行二氧化碳吸收塔和解析塔内的物、 热量衡算; 其次就二氧化碳吸收塔、 溶液再生塔等设备利用物理吸收机理、 传质传热方程、 溶液物性数据等方面的知识进行塔体的总体结构设计和计算。 关键词: 碳酸丙烯酯法; 脱碳工艺; 工程设计 Abstract Decarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the Synthetic Ammonia, and the Carbon dioxide absorption tower and the solution rege
5、neration tower are indispensable tower equipment in the Synthetic Ammonia. Whether the ammonia plant use what raw materials to make feed gas, it contains large amount Carbon dioxide after transformation. The ammonia can not be synthesized if these Carbon dioxide are not removable in time. the other
6、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. Designing Carbon dioxide absorption tower is function to recovery Carbon dioxide. This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach
7、 to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarboniza-tion is selected finally. The technological process was analyzed, and the material and heat was balanced according to parameters and relevant standards firstly. The tower body general structure was designed calculation by using physical absor
8、ption Mechanism, mass transfer and heat transfer equation, solution -physical data stc secondly. And then the strength of the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are checked. The decarbonizing section structural arrangement was reasonable design finally. Key Words: De
9、carbonization process; Carbon dioxide removal with PC method; Proeess design 目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 合成氨工业概况- 1 -1.1.1 中国合成氨工业发展概况- 1 -1.1.2 发展趋势- 2 -1.1.3合成氨生产工艺简述- 2 -1.1.4合成氨工业中脱碳单元的作用- 3 -1.1.5 脱碳方法概述- 3 -1.2 净化工序中脱碳方法- 3 -1.2.1 化学吸收法- 4 -1.2.2 物理吸收法- 5 -1.2.3 物理化学吸收法- 7 -1.2.4 固体吸附- 7 -1.3 碳酸丙烯酯( PC
10、) 法法脱碳工艺基本原理- 7 -1.3.1 PC法脱碳技术国内外现状- 7 -1.3.2 发展过程- 7 -1.3.3 技术经济- 8 -1.3.4 工艺流程- 8 -1.3.5 存在的问题及解决的办法- 9 -1.3.6 PC法脱碳技术发展趋势- 10 -1.4工艺设计的意义和目的- 11 -第2章 物、 热量恒算- 11 -2.1 计算依据CO2的PC中的溶解度关系- 12 -2.2 PC的密度与温度的关系- 12 -2.3 PC的蒸汽压- 12 -2.4 PC的黏度- 12 -2.5 物料衡算- 13 -2.5.1 各组分在PC中的溶解量- 13 -2.5.2 溶剂夹带量- 13 -2
11、.5.3 溶液带出的气量- 13 -2.5.4出脱碳塔净化气量- 14 -2.5.5计算PC循环量- 14 -2.5.7 带出气体的质量流量- 14 -2.5.8 验算吸收液中净化气中CO2的含量- 14 -2.5.9 出塔气的组成- 15 -2.6 热量衡算- 15 -2.6.1 混合气体的定压比热容- 15 -2.6.2 液体的比热容- 16 -2.6.3 CO2的熔解热- 16 -2.6.4 出塔溶液的温度- 16 -3.1 确定吸收塔塔径及相关参数- 17 -3.1.1 求取泛点气速和操作气速- 17 -取- 17 -3.1.2 求取塔径- 17 -3.1.3 核算操作气速- 18 -
12、3.1.4 核算径比- 18 -3.1.5 校核喷淋密度- 18 -3.2 填料层高度的计算- 18 -3.2.1建立相应的操作线方程和向平衡方程- 18 -3.2.2 利用两线方程求取传质推动力- 19 -3.2.3 气相传质单元数的计算- 19 -3.2.4 气相总传质单元高度- 20 -3.2.5 塔附属高度- 25 -3.2.9 防涡流挡板的选取- 27 -3.3 确定解吸塔塔径及相关参数- 28 -3.3.2 求取塔径- 29 -3.3.4 核算径比- 30 -3.4.1 建立相应的操作线方程和向平衡方程- 30 -3.4.2 利用两线方程求取传质推动力- 31 -3.4.3 传质单
13、元数的计算- 31 -3.4.4 气相总传质单元高度- 32 -3.4.6 填料层压降计算- 36 -3.4.7 初始分布器和再分布器设计- 37 -3.4.8 气体分布器- 38 -3.4.9 丝网除沫器- 38 -总论与评价- 40 -参考文献- 41 -致 谢- 42 -第1章 绪 论1.1 合成氨工业概况1898年, 德国A.弗兰克等人发现空气中的氮能被碳化钙固定而生成氰氨化钙( 又称石灰氮) , 进一步与过热水蒸气反应即可获得氨: CaCN23H2O2NH3CaCO3在合成氨工业化生产的历史中, 合成氨的生产规模(以合成塔单塔能力为依据)随着机械、 设备、 仪表、 催化剂等相关产业的
14、不断发展而有了极大提高。50年代以前, 最大能力为200吨/日, 60年代初为400吨/日, 美国于1963年和1966年分别出现第一个600吨/日和1000吨/日的单系列合成氨装置, 在60-70年代出现1500-3000吨/日规模的合成氨。世界上85%的合成氨用做生产化肥, 世界上99%的氮肥生产是以合成氨为原料。虽然全球一体化的发展减少了用户的选择范围, 但市场的稳定性却相应地增加了, 世界化肥生产的发展趋势是越来越集中到那些原料丰富且价格便宜的地区, 中国西北部有蕴藏丰富的煤炭资源, 为发展合成氨工业提供了极其便利的条件。1.1.1 中国合成氨工业发展概况中国是一个人口大国, 农业在国
15、民经济中起着举足轻重的作用, 而农业的发展离不开化肥。氮肥是农业生产中需要量最大的化肥之一, 合成氨则是氮肥的主要来源, 因而合成氨工业在国民经济中占有极为重要的位置。 中国合成氨工业始于20世纪30年代, 经过多年的努力, 中国的合成氨工业得到很大的发展, 建国以来合成氨工业发展十分迅速, 从六十年代末、 七十年代初至今, 中国陆续引进了三十多套现代化大型合成氨装置, 已形成中国特有的煤、 石油、 天然气原料并存和大、 中、 小规模并存的合成氨生产格局。当前中国合成氨产能和产量己跃居世界前列。可是, 由于在中国合成氨工业中, 中小型装置多, 技术基础薄弱, 国产化水平低, 远远不能满足农业生
16、产和发展的迫切需要, 因此, 开发新技术的同时利用计算机数学模型来提高设汁、 生产、 操作和管理等的核算能力, 促进设计、 管理和生产操作的优化, 从而推动合成氨工业发展, 提升整体技术水平, 己成为国内当前化学工程科研、 工程设计的重要课题。中国的合成氨原料主要集中在重油, 天然气和煤, 到当前为, 中国化肥产量己居世界第一位。但人均耕地面积只有世界平均水平的47%, 而人口在本世纪中叶将达到约16亿, 粮食始终是至关重要的问题。化肥对农作物的增产作用己为大家所公认, 中国施肥水平还有很大的提高空间, 特别是中西部市场。与国外比较, 中国氮肥行业主要存在一些比较严重的问题, 集中表现为装置规
17、模小, 因而有效生产能力不足, 致使行业整体竟争能力差。进入WTO后, 氮肥行业这种结构性矛盾日趋显著, 成为影响行业发展的一个主要因素。对原有合成氨装置进行改扩建, 利用国家对农业的倾斜政策, 节能技术改造见效快、 可很快提高企业生产规模, 改扩建改造会给企业带来了巨大的经济和社会效益。1.1.2 发展趋势原料路线的变化方向。从世界燃料储量来看, 煤的储量约为石油、 天然气总和的10倍, 自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、 能耗低、 成本低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。节能和降耗。合成氨成本中能
18、源费用占较大比重, 合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、 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剂、 降低氨合成压力、 开发新的原料气净化方法、 降低燃料消耗、 回收和合理利用低位热能等。现在已提出以天然气为原料的节能型合成氨新流程多种, 每吨液氨的设计能耗可降低到约29.3GJ。与其它产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳, 不但可用于冷冻、 饮料、 灭火, 也是生产尿素、 纯碱、 碳酸氢铵的原料。如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品, 则能够简化流程、 减少能耗、 降低成本。中国开发的用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺, 以及中国、 意
19、大利等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺, 都有明显的优点。1.1.3合成氨生产工艺简述合成氨是一个传统的化学工业, 诞生于二十世纪初。就世界范围来说, 氨是最基本的化工产品之一, 其主要用于制造硝酸和化学肥料等。合成氨的生产过程一般包括三个主要步骤: (l)造气, 即制造含有氢和氮的合成氨原料气, 也称合成气; (2)净化, 对合成气进行净化处理, 以除去其中氢和氮之外的杂质; (3)压缩和合成, 将净化后的氢、 氮混合气体压缩到高压, 并在催化剂和高温条件下反应合成为氨。其生产工艺流程包括: 脱硫、 转化、 变换、 脱碳、 甲烷化、 氨的合成、 吸收制冷及输入氨库和氨吸收八个工序1。在合
20、成氨生产过程中, 脱除CO2是一个比较重要的工序之一, 其能耗约占氨厂总能耗的10%左右。因此, 脱除CO2, 工艺的能耗高低, 对氨厂总能耗的影响很大, 国外一些较为先进的合成氨工艺流程, 均选用了低能耗脱碳工艺。中国合成氨工艺能耗较高, 脱碳工艺技术也显得比较落后, 因此, 结合具体情况, 推广应用低能耗的脱除CO2工艺, 非常有必要。1.1.4合成氨工业中脱碳单元的作用在最终产品为尿素的合成氨中, 脱碳单元处于承前启后的关键位置, 其作用既是净化合成气, 又是回收高纯度的尿素原料CO2。以沪天化1000T/d合成氨装置脱碳单元为例, 其需要将低变出口的CO2含量经吸收后降到0.1%以下,
21、 以避免甲烷化系统超温并产生增加能耗的的合成惰气, 同时将吸收的CO2再生为99%纯度的产品CO2。在此过程中吸收塔压降还应维持在合理范围内以降低合成气压缩机的功耗。系统的扩能改造工程中, 脱碳单元将为系统瓶颈, 脱碳运行的好坏, 直接关系到整个装置的安全稳定与否。脱碳系统的能力将影响合成氨装置的能力, 必须同步进行扩能改造。可是不论用什么原料及方法造气, 经变换后的合成气中都含有大量的CO2, 原料中烃的分子量越大, 合成气中CO2就越多。用天然气(甲烷)为原料的烃类蒸汽转化法所得的CO:量较少, 合成气中CO2浓度在15-20%, 每吨氨副产CO2约1.0-1.6吨。这些CO2如果不在合成
22、工序之前除净, 不但耗费气体压缩功, 空占设备体积, 而且对后续工序有害。另外, CO2还是重要的化工原料, 如合成尿素就需以CO2为主要原料。因此合成氨生产中把脱除工艺气中CO2的过程称为”脱碳”, 在合成氨尿素联产的化肥装置中, 它兼有净化气体和回收纯净CO2的两个目的。1.1.5 脱碳方法概述由变换工序来的低变气进脱碳系统的吸收塔, 经物理吸收或者化学吸收法吸收二氧化碳。出塔气中二氧化碳含量要求小于0.1%。为了防止气体夹带出脱碳液, 脱碳后的液体进人洗涤塔, 用软水洗去液沫后再进入甲烷化换热器。脱碳塔出来的富液经换热器后, 减压送至二氧化碳再生塔, 用蒸汽加热再沸器, 再脱去二氧化碳。
23、为了提高脱碳效率和净化反, 主要进行脱碳液酌组分分析和服碳塔出u净化气中二氧化碳的分析。由再生塔顶出来的二氧化族, 经空冷器和水冷器, 气体温度降至40, 再经二氧化碳分离器除去冷凝水, 送到尿素车间作原料。再生后的脱碳掖(贫液), 先进溶液空冷器, 冷却至65左右, 由溶液循环泵加压, 再经溶液水冷器冷却至40后, 送人二氧化碳吸收塔循环使用。1.2 净化工序中脱碳方法在合成氨的整个系统中, 脱碳单元将为系统关键主项, 脱碳工序运行的好坏, 直接关系到整个装置的安全稳定与否。脱碳系统的能力将影响合成氨装置和尿素装置的能力。CO2是一种酸性气体, 对合成氨合成气中CO2的脱除, 一般采用溶剂吸
24、收的方法。根据CO2与溶剂结合的方式, 脱除CO2的方法有化学吸收法、 物理吸收法和物理化学吸收法三大类。1.2.1 化学吸收法化学吸收法即利用CO2是酸性气体的特点, 采用含有化学活性物质的溶液对合成气进行洗涤, CO2与之反应生成介稳化合物或者加合物, 然后在减压条件下经过加热使生成物分解并释放CO2, 解吸后的溶液循环使用。化学吸收法脱碳工艺中, 有两类溶剂占主导地位, 即烷链醇胺和碳酸钾。化学吸收法常见于CO2分压较低的原料气处理。(l)烷链醇胺类的脱碳工艺有: -乙醇胺(monoethanolamine, H2NCH2CH2OH, MEA)法; 甲基二乙醇胺(methyl dieth
25、anolamine, CH3N(CH2CH2OH)2, MDEA)法; 活化MDEA法(即aMDEA工艺)。(2)碳酸钾溶液作吸收剂的脱碳工艺, 即热钾碱脱碳工艺有: 无毒G-V法; 苯菲尔法; 催化热钾碱(Cata carb)法; Flexsorb法2。1.2.1.1 MEA法MEA法是一种比较老的脱碳方法。吸收过程中, MEA与CO2发生反应生成碳酸化合物, 经过加热即可将CO2分解出来, 见方程式(1), 2H0(CH2)2NH2+ CO2 +H20HO(CH2)2NH32CO2。该法的最大优点是能够在一个十分简单的装置中, 把合成气中的CO2脱除到能够接受的程度。但它本身存在两个缺点:
26、 (1) CO2能与吸收反应生成的碳酸化合物发生进一步反应生成酸式碳酸盐, 该盐较稳定, 不易再生; (2) CO2能与MEA发生副反应, 生成腐蚀性较强的氨基甲酸醋, 容易形成污垢。1.2.1.2 甲基二乙醇胺MDEAMDEA法脱碳过程中, CO2与甲基二乙醇胺(MDEA, 一种叔胺)生成的碳酸盐稳定性较差, 分解温度低, 且无腐蚀性。相对其它工艺, MDEA法有以下优点: (1)能耗和生产费用低; (2)脱碳效率高, 净化气中CO2含量可小于100ppm; (3)使用范围广, 可用于大、 中、 小各型合成氨厂; (4)溶剂稳定性好; (5)溶剂无毒、 腐蚀性极小; (6)能同时脱硫。由于M
27、DEA具有以上优点, 因此不需要毒性防腐剂, 设备管道允许采用廉价碳钢材料, 不需要钝化过程, 耗热低, 设备管道不需要伴热盘管, 能达到很好的节能效果3。在MDEA溶液中添加少量活化剂即为aMDEA法, 活化剂为眯哇、 甲基咪哇等, 浓度约为2-5%。活性MDEA工艺开发于20世纪60年代末, 第一套活化MDEA脱碳工艺装置是1971年在德国BAFS公司氨三厂投入使用在此后的几年里, 另有8套装置采用了活化MDEA, 这些装置的成功使用, 使得aMDEA工艺自1982年后备受欢迎。中国在大型装置中使用MDEA脱碳工艺, 乌鲁木齐石化公司化肥厂属于首例4。BAFS公司推出的aMDEA脱碳工艺,
28、 主要用于对原来MEA工艺的改造, 近几年中国一些研究单位正在对这方面进行积极的研究。1.2.1.3 低热耗苯菲尔法相对上述脱除CO2的吸收剂溶液, 碳酸钾溶液更价廉易得, 并具有低腐蚀, 操作稳定, 吸收CO2能力较强等特性。但碳酸钾溶液本身吸收CO2的速度缓慢, 需要添加一些活化剂。其中如无毒G-V法工艺就是由意大利Giammaro-Vetrocoke公司所开发, 最初使用的活化剂和缓蚀剂为As2O3, 但对人体有毒。后来有人用氨基乙酸取代As2O3, 消除了毒性, 成为无毒G-V法。中国栖霞山化肥厂就采用了这种工艺。由美国联碳公司开发的低热耗苯菲尔法, 用二乙醇胺(DEA)作活化剂, V
29、2O5作为腐蚀防护剂。中国于20世纪90年代相继以布朗工艺建了4套装置, 即锦西天然气化工厂、 建峰化肥厂、 四川天华公司化肥厂和乌鲁木齐石化总厂第二化肥厂, 规模都是日产氨1000吨。低热耗苯菲尔工艺是由美国联碳公司在传统苯菲尔工艺基础上开发的, 采用了节能新技术。国内在20世纪70年代引进的13套大型化肥装置中, 有10套采用苯菲尔脱碳工艺。从1985年起, 己有7套进行了用低热耗苯菲尔工艺改造。国内新建的以天然气为原料的大型合成氨装置, 脱碳系统也多采用低热耗苯菲尔工艺, 如锦天化厂、 建峰厂、 天华公司等。中海石油化学有限公司合成氨装置脱碳系统采用改良型苯菲尔流程5。苯菲尔法可在高温下
30、运行, 再生热低, 添加的V2O5可防腐蚀, 但该工艺需对设备进行钒化处理, 要求工人的操作水平较高。而且浪费溶剂, 能耗大, 特别蒸汽用得多, 有效气体损失也大, 运行成本高等缺点。1.2.2 物理吸收法物理洗涤是CO2被溶剂吸收时不发生化学反应,溶剂减压后释放CO2 (不必加热), 解吸后的溶液循环使用。相对化学吸收法, 物理洗涤法的最大优点是能耗低, CO2不与溶剂形成化合物, 减压后绝大部分CO2被闪蒸出来, 然后采用气提或负压实现溶剂的完全再生。这就使得工艺投资省、 能耗低、 工艺流程简单。物理吸收法主要有Selxeol法、 Elour法、 变压吸附法及低温甲醇法等6。物理吸收法常见
31、于高CO2分压的原料气处理。1.2.2.1 NHD法NHD法被认为是当前能耗最低的脱碳工艺之一, 该法使用的溶剂为聚乙二醇二甲醚的混合物, 其分子式为CH3-O-( CH2-CH2-O)n-CH2,式中n=2-8。NHD是兖矿鲁南化肥厂与南京化学工业集团公司研究院、 杭州化工研究所共同开发成功的一种物理吸收硫化氢和二氧化碳等酸性气体的高效溶剂7。NHD气体净化技术改造系脱除酸性气体的物理吸收新工艺,适合于合成气、 天然气、 城市煤气等的脱硫脱碳。NHD具有对设备无腐蚀, 对CO2、 H2S等酸性气体的吸收能力强、 蒸汽压低, 挥发性小、 热稳定性和化学稳定性好、 不会起泡, 无腐蚀性等优点,
32、而且该法在NHD的再生过程中几乎不需要能量, 一般利用空分装置富余的低压氮气在气提塔进行脱碳富液的气提再生, 其优点是减少利用空气气提带来系统内NHD溶液含水量的富集, 省去了空气水冷、 气水分离及NHD脱水设备, 节约了投资, 简化了流程8。1.2.2.2 碳酸丙烯酯法(PC)法碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。其原理是利用在同样压力、 温度下, 二氧化碳、 硫化氢等酸性气体在碳酸丙烯酯中的溶解度比氢、 氮气在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多来脱除二氧化碳和硫化氢而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是随压力升高和温度的降低而增加的, CO2等酸性气体在碳丙溶剂中溶解量一般可用亨利定律来表示,
33、 因而在较高的压力下, 碳酸丙烯酯吸收了变换气中的二氧化碳等酸性气体, 在较低的压力下二氧化碳能从碳酸丙烯酯溶液中解吸出来, 使碳酸丙烯酯溶液再生, 重新恢复吸收二氧化碳等酸性气体的能力。碳酸丙烯酯法具有溶解热低、 粘度小、 蒸汽压低、 无毒、 化学性质稳定、 无腐蚀、 流程操作简单等优点。该法CO2的回收率较高, 能耗较低, 但投资费用较高。适用于吸收压力较高、 CO2净化度不很高的流程, 国内主要是小型厂使用。用碳丙作为溶剂来脱除合成氨变换气中CO2工艺是一项比较适合中国国情的先进技术,与水洗工艺比较,除具有物理吸收过程显著的节能效果外,在现有的脱碳方法中,由于它能同时脱除二氧化碳、 硫化
34、氢及有机硫化物,加上再生无需热能,能耗较低等优势,在国外合成氨和制氢工业上已得到广泛应用。1.2.2.3 变压吸附法变压吸附气体分离净化技术, 简称PSA(Pressure Swing Adsorption)。变压吸附法是近几年才用于合成气净化的, 它属于干法, 采用固体吸附剂在改变压力的情况下, 进行(加压)吸附CO2或(减压)解吸。变压吸附法分离气体混合物的基本原理是利用某一种吸附剂能使混合气体中各组份的吸附容量随着压力变化而产生差异的特性, 选择吸附和解吸再生两个过程, 组成交替切换的循环工艺, 吸附和再生在相同温度下进行。可用此法改造小型氨厂, 将低能耗, 在大型氨厂使用显得困难9。为
35、了达到连续分离的目的, 变压吸附脱碳至少需要两个以上的吸附塔交替操作, 其中必须有一个吸附塔处于选择吸附阶段, 而其它塔则处于解吸再生阶段的不同步骤。在每次循环 中, 每个吸附塔依次经历吸附、 多次压力均衡降、 逆向放压、 抽空、 多次压力均衡升、 最终升压等工艺步骤。当前, 此种类型的装置在全国合成氨厂已广泛采用。如四川什邡某氮肥厂为天然气富氧造气, 变换气脱碳采用我公司近年来开发的节能型变压吸附脱碳新工艺, 多塔进料, 多次均压, 并实现了吸附塔和真空泵的新组合, 同时对吸附剂、 程控阀门、 控制系统、 动力设备的配置都做了较大的改进, 从而使H2、 N2有效气体回收率大大提高, 能耗进一
36、步降低, 装置投资也有所减少10。1.2.2.4 低温甲醇洗法低温甲醇洗工艺(Rectisol Process)系由德国林德公司(Linde)和鲁奇公司(Lurgi)开发,是利用甲醇溶剂对各种气体溶解度的显著差别,可同时或分段脱除H2S、 CO2和各种有机硫等杂质,具有气体净化度高(净化气中总硫含量可小于0.15mg/m3, CO21010-6-2010-6)、 选择性好、 溶液吸收能力强、 操作费用低等特点,是一种技术先进、 经济合理的气体净化工艺。自1954年Lurgi公司在南非Sasol建成世界上第一套工业规模的示范性装置以来,当前有100余套装置投入运行, 特别是大型渣油气化和煤气化装
37、置的气体净化均采用低温甲醇洗工艺。低温甲醇(Rectisol)法具有一次性脱除CO2, 溶液便宜易得, 能耗低, 适用范围广泛等特点。但该法投资很大, 中国镇海炼化厂大化肥等四家以重油和煤为原料的合成氨装置使用了低温甲醇法脱除CO2。1.2.3 物理化学吸收法物理化学吸收法脱除CO2工艺主要有环丁砜(Sulfinol)法和常温甲醇(Amisol)法, 物理化学吸收法常见于中等CO2分压的原料气处理。环丁砜法中所使用的溶剂由是环丁矾、 二异丙醇胺与水组成, 能同时吸收CO2和硫的化合物, 且吸收速度快, 净化度高, 但再生耗热多, 当前只有一些中小型厂使用。常温甲醇法是在甲醇中加入了二乙醇胺,
38、当CO2分压升高时, 以其在甲醇中溶解的物理吸收为主; 当CO2分压较低时, 以其与二乙醇胺发生化学反应的化学吸收为主, 该法应用范围广, 净化率高, 但对H2S和CO2的选择性较差, 己很少使用。1.2.4 固体吸附固体吸附是CO2在加压时被吸附在多孔状固体上,减压时吸附的CO2被解吸,亦称变压吸附。1.3 碳酸丙烯酯( PC) 法法脱碳工艺基本原理1.3.1 PC法脱碳技术国内外现状PC为环状有机碳酸酯类化合物, 分子CH3CHOCO2CH2,该法在国外称Fluor法 。PC法是南化集团研究院等单位于20世纪70年代开发的技术, 1979年经过化工部鉴定。据初步统计, 已有150余家工厂使
39、用PC技术, 现有装置160余套, 其中大型装置两套, 其余为中小型装置。大部分用于氨厂变换气脱碳。总脱碳能力约300万吨合成氨/年, 其中配尿素型应用较多, 占60左右, 至今该法仍是联碱、 尿素、 磷铵等合成氨厂使用最广的脱碳方法, 其开工装置数为MDEA、 NHD法总和的数倍。1.3.2 发展过程PC技术的应用, 主要经历了两个阶段: 第一阶段始于70年代末, 两个小氮肥厂用PC法代替水洗法脱CO2的工业试验装置获得成功, 取得了明显的节能效果和经济效益。加之PC法在工艺上与水洗法相似, 改造费用低, 很快在一些小氮肥企业中推广应用; 第二阶段, 20世纪90年代以来, 随着小化肥改变碳
40、铵单一产品结构, 适应市场需要, 采用脱碳增氨转产尿素或联醇等方法, 以提高经济效益, 增强小化肥的竟争能力。为此, 需要增设一套变换气脱碳装置, 由于PC技术为典型的物理吸收过程, 流程简单, 投资少, 节能明显, 技术易于掌握。因此, 很快得到了推广, 并扩大了应用范围, 技术上也趋于成熟。1.3.3 技术经济由于碳丙脱碳纯属物理过程, 因而它的能耗主要消耗在输送流体所须的电能。碳丙溶剂对CO2等酸性气体的吸收能力较大, 一般为同条件下水吸收能力的4倍。因此, 代替水洗法脱除变换气中CO2不但满足铜洗要求, 而且回收CO2的浓度和回收率也能满足尿素、 联碱生产的要求。与水洗法相比可节省电耗
41、150-250KWh/tNH3, 可节省操作费10-25元/t NH3。因而应用碳丙脱碳的厂家均可获得明显的节能效果。但这种效果随着工艺配置、 设备、 操作状况, 处理规模和目的的不同而差异较大。碳丙脱碳与几种脱碳方法的能耗比较如表2.1。表2.1 几种脱碳方法的能耗比较表( 吸收压力1.8Mpa, 单位KJ/m3CO2) 方法名称加压水洗苯菲尔法位阻胺法改良MEDA法NHD法PC能耗28473558-54423349-418718841047-125612561.3.4 工艺流程1.3.4.1 气体流程( 1) 原料气流程由压缩机三段送来2.3MPa的变换气首先进入水洗塔底部与水洗泵送来的水
42、在塔内逆流接触, 洗去变换气中的大部分油污及部分硫化物, 并将气体温度降到30以下, 同时降低变换气中饱和水蒸汽含量。气体自水洗塔塔顶出来进入分离器, 自分离器出来的气体进入二氧化碳吸收塔底部, 与塔顶喷淋下来的碳酸丙烯酯溶液逆流接触, 将二氧化碳脱至工艺指标内。净化气由吸收塔顶部出来进入净化气洗涤塔底部, 与自上而下的稀液( 或脱盐水) 逆流接触, 将净化气中夹带的碳酸丙烯酯液滴与蒸气洗涤下来, 净化气由塔顶出来后进入净化气分离器, 将净化气夹带的碳酸丙烯酯雾沫进一步分离, 净化气由分离器顶部出来回压缩机四段入口总管。根据各厂的具体情况和氨加工产品的不同, 相匹配的碳丙脱碳条件及要求亦各异。
43、在使用日的上, 有替代加压水洗型、 联碱型、 配尿素型、 联醇型、 生产液氨型以及制氢等各类型; 在净化效率上, 有的对CO2进行粗脱, 而大部分厂家, 则进行精脱; 对脱碳压力, 有采用0.4MPa、 1.1-1.3Mpa、 1.6-1.8Mpa、 2.5-2.8Mpa及4.3Mpa等多种类型。( 2) 解吸气体回收流程由闪蒸槽解吸出来的闪蒸气进入闪蒸气洗涤塔, 自下而上与自上而下的稀液逆流接触, 将闪蒸气夹带的液滴回收下来。闪蒸气自闪蒸气洗涤段出来后进入闪蒸气分离器, 将闪蒸气夹带的碳酸丙烯酯液滴进一步分离下来, 闪蒸气自分离器顶部出来送碳化, 脱除二氧化碳并副产碳酸氢铵后, 闪蒸气回压缩
44、机一段入口总管。由常解塔解吸出来的常解气进入常解-汽提气洗涤塔的常解气洗涤段, 与自上而下的稀液逆流接触, 将常解气中夹带的碳酸丙烯酯液滴与饱和于常解气中的碳酸丙烯酯蒸气回收下来, 常解气自常解气洗涤段出来后进入常解气分离器, 将常解气中夹带的碳酸丙烯酯液滴进一步分离, 常解气自分离器顶部出来送食品二氧化碳工段。汽提气由汽提塔出来后进入常解-汽提气洗涤塔的汽提气洗涤段, 与自上而下的稀液逆流接触, 将汽提气中夹带的碳酸丙烯酯液滴和饱和汽提气中的碳酸丙烯酯蒸气回收下来, 经洗涤后汽提气由塔顶放空。1.3.4.2 液体流程( 1) 碳酸丙烯酯脱碳流程简述贫碳酸丙烯酯溶液从二氧化碳吸收塔塔顶喷淋下来
45、, 由塔底排出称为富液。富液经自调阀进入溶液泵-涡轮机组的涡轮, 减压后进入闪蒸槽, 自闪蒸槽出来的碳酸丙烯酯液一部分进入过滤器, 大部分不经过过滤器, 二者混合过后进入常解-汽提塔的常解段, 碳酸丙烯酯液自常解段底部出来经过两液封槽进入汽提塔顶部, 与自下而上的空气逆流接触, 将碳酸丙烯酯溶液中的二氧化碳进一步汽提出来, 经汽提后的碳酸丙烯酯溶液为贫液, 贫液由汽提塔出来进入循环槽, 再由循环槽进入溶液泵-涡轮机组的溶液泵, 由泵加压后经碳酸丙烯酯溶液冷却器降温, 进入二氧化碳吸收塔, 从而完成了碳酸丙烯酯溶液的整个解吸过程。( 2) 稀液流程循环稀液( 或软水) 由常解-汽提气洗涤塔的常解
46、段出来, 经稀液泵加压后送往净化气洗涤塔上部自上而下。由塔底出来经自调阀进入闪蒸气洗涤塔的上部自上而下, 由底部出来经自调阀进入常解-汽提气洗涤塔的汽提气洗涤段自上而下, 由底部出来经一U型液封管进入常解气洗涤段继续循环。1.3.5 存在的问题及解决的办法综合分析PC法脱碳各厂的使用情况, 最具代表性的问题有: ( 1) 溶剂损耗高.造成这一问题原因有三个因素: a、 PC溶剂蒸汽压高; b、 PC气相回收系统不完善; c、 操作管理水平的影响。( 2) 净化气中CO2含量容易跑高, 吨氨电耗高. 净化气中CO2含量高, 原因是多方面的如再生效果不好, 系统残碳高或冷却不好等等。当前碳丙脱碳技术已提高到一个新的阶段, 已工业应用的或即将应用的最有吸引力的进展有以下几个方面。1.3.6 PC法脱碳技术发展趋势1.3.6.1 塔器优化 塔器的优化包括塔径、 塔填料、 塔内件、 塔过程控制的技术改造, 改造后往往可提高20%-50%或更高的生产能力, 改造主要分两部分进行:一是脱碳塔气液分布器和填料的改造, 其目的是提高通气量和强化气液接触效率, 加大润湿面积。具体办法是设税全截面均匀分布的气体和液体分布器, 部分或全部采用规整填料; 二是再生塔的改造。由于传统设计中再生塔常解段均为淋降式, 当系统硫含量高时, 受逆流及淋降板开孔直径的限制, 易造成溶液中