年产八万吨合成氨原料气净化脱碳及再生工艺设计(毕业设计)

设计说明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。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，设计出二氧化碳吸收塔的塔径为34M，塔高为30M，由于解吸塔塔径过粗，使用两塔进行解吸，两塔各操作条件相同，塔径为24M，填料层高度为16M，然后对二氧化碳吸收和解吸塔进行了必要的强度校核；最后对脱碳工段车间结构布置进行合理的设计。本设计作为理论上的准备工作，为分析工艺流程、设备设计上存在的问题、确定问题的根源、提出解决问题的合理方案准备了充分的理论依据。关键词碳酸丙烯酯法；脱碳工艺；工程设计DESIGNELUCIDATIONDECARBONIZINGSECTIONISONEOFTHEABSOLUTELYNECESSARYSECTIONSINTHESYNTHETICAMMONIA,ANDTHECARBONDIOXIDEABSORPTIONTOWERANDTHESOLUTIONREGENERATIONTOWERAREINDISPENSABLETOWEREQUIPMENTINTHESYNTHETICAMMONIATHISPAPERTRADEOFFADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFMUCHAPPROACHTODECARBONIZATION,PROPYLENECARBONATEPCDECARBONIZATIONARESELECTEDFINALLYTHETECHNOLOGICALPROCESSWASANALYZED,ANDTHEMATERIALANDHEATWASBALANCEDACCORDINGTOPARAMETERSANDRELEVANTSTANDARDSFIRSTLYTHETOWERBODYGENERALSTRUCTUREWASDESIGNEDCALCULATIONBYUSINGPHYSICALABSORPTIONMECHANISM,MASSTRANSFERANDHEATTRANSFEREQUATION,SOLUTIONPHYSICALDATASTCSECONDLYTHEDIAMETEROFABSORPTIONTOWERIS34M,THEHEIGHTOFTOWERIS30M,ANDTHENTHESTRENGTHOFTHECARBONDIOXIDEABSORPTIONTOWERISECKEDTHEDECARBONIZINGSECTIONSTRUCTURALARRANGEMENTWASREASONABLEDESIGNFINALLYASTHETHEORETICALPREPARATIONWORK,THISDESIGNINGPREPARESUFFICIENTTHEORETICALBASISFORPEOPLETOANALYSISTHEPROBLEMSOFTECHNOLOGICALPROCESS,EQUIPMENTDESIGN,DETERMINEDROOTOFPROBLEMS,POSINGREASONABLEPLANTOSOLVEPROBLEMSKEYWORDSDECARBONIZATIONPROCESSCARBONDIOXIDEREMOVALWITHPCMETHODPROEESSDESIGN目录设计说明IDESIGNELUCIDATIONII主要符号说明I1引言12概述221氨的发现与制取222氨的用途223我国合成氨工业的发展情况324合成氨生产的典型流程325脱碳在合成氨中的作用和地位43工艺流程的确定631脱碳方法概述632净化工序中脱碳方法6321化学吸收法6322物理吸收法8323物理化学吸收法10324固体吸附1033碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺基本原理10331PC法脱碳技术国内外现状10332发展过程10333技术经济11334碳酸丙烯酯法脱碳工艺条件的确定11334操作压力的确定12335工艺流程124吸收塔的工艺设计1441设计依据14411碳酸丙烯酯（PC）的物理性质14412比热计算式14413CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度14414CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解热14415运行时间1442计算依据15421CO2在PC中亨利系数数据15422PC密度与温度的关系16423PC蒸汽压的影响17424PC的粘度17425工艺流程确定1743物料衡算18431各组分在PC中的溶解量18432溶剂夹带量19433溶液带出的气量19434出脱碳塔净化气量20435计算PC循环量20436出塔气体的组成2044计算数据总表20441混合气体的定压比热容21442液体的比热容22443CO2的溶解热23444出塔溶液的温度2345设备计算23451物性数据24452脱碳塔泛点速度计算26453脱碳塔塔径计算27454填料层高度计算2846辅助设备设计32461液体分布装置32462填料支承装置32463液体再分布装置33464气体分布器33465床层限制板34466裙座及人孔3447塔体强度校核34471筒体强度校核34472封头设计35473塔裙座高度36474塔体载荷计算36475接管管径计算385解吸塔的工艺设计4051确定解吸塔塔径及相关参数40闪蒸过程的物料恒算40511求取解析塔操作气速40512求取塔径41513核算操作气速42514核算径比42515校核喷淋密度4252填料层高度的计算42521建立相应的操作线方程和向平衡方程42522利用两线方程求取传质推动力43523传质单元数的计算44524气相总传质单元高度44525塔附属高度48526填料层压降计算49527初始分布器和再分布器设计50528气体分布器51529丝网除沫器516车间布置5261车间布置要考虑的问题5262厂房布置52621厂房平面布置52622设备布置的安全距离5263车间内辅助室和生活室布置537存在的问题及解决方法5471碳丙法脱碳装置存在的问题及改造措施54711吸收塔堵塔55712加强溶剂回收，降低消耗5572改造措施55721吸收塔改造55722降低溶剂温度5573小结56工艺参数一览表57参考文献58致谢59主要符号说明符号意义和单位符号意义和单位PC比热容KJ/KGDCO2的扩散系数T/CM2/SL0IG纯气体组分的黏度，MPASGU气体的摩尔流率KMOL/M2HM关联指数V气体质量流率，KG/（M2H）表面张力，KG/H2L液体质量流率，KG/（M2H）LK液相传质系数，KMOL/（M3HATM）H0塔附属高度，MGK体积传质系数，KMOL/（M3H）OG传质单元高度，MZ塔高，MP填料层压降，PAP压力降，PAFU液泛气速，M/S密度，3/KGTA填料的总比表面积，23/M2COCO2的气相分压U操作气速，M/ST热力学温度，KC腐蚀裕量，MMG入塔气体的摩尔流率，KMOL/（M2S）M2封头的质量，KGN筒体名义厚度，MM填料形状系数D塔内径，MMC填料材质的临界表面张力P鲍尔环填料的堆积密度，KG/M3G重力加速度，2/MS1M平台、扶梯质量，KGN总布液点数，个2笼式扶梯的单位质量，KG/MSQ溶解热，/KJOLC全塔操作质量，KGA干填料因子T1塔自振周期，ST塔截面积，2M脉动增大系数，标准状态下温度，C1V气体处理量，3/MHP填料因子，1M2塔顶出塔气体量，/CR轴向许用压应力，MPA3塔底出气量，3/H空间距离，T温度，CR通用气体常数粘度，AMPSFW泛点空塔速率，/MS2COH溶解热，/KJOL1MM入塔气体平均分子量，/KGOL1LT出塔液体温度，C2COX摩尔比1引言氨的用途很广，在国民生产中具有举足轻重的地位。在合成氨的过程中，经变换后的合成气含有较多的二氧化碳，如不将其清除，在合成氨生产时二氧化碳会使合成氨催化剂中毒。此外，二氧化碳是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵等的重要原料，二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务，也在合成氨中占有较重要的地位。本课题是年产九万吨合成氨厂脱碳工段的初步设计。设计的目的是为了寻找出一套合理的脱碳工艺，获得纯度较高的净化气，提高二氧化碳的回收率，简化流程，降低能耗，达到较高的经济效益指标。设计内容主要包括生产工艺的确定和比较，物料衡算和能量衡算，设备的选型与设计和管道尺寸设计以及绘制带控制点的工艺流程图和一张主体设备结构图。由于脱碳分离过程中，溶液吸收和再生是可逆过程，所以溶液的浓度、循环量以及吸收和再生的温度、压力都需要进行合理的选择，这就是本课题所要解决的关键问题。在本设计中，主要是参考相关资料进行选择。本次设计力求以理论为基础，贴近实际为目标，争取让设计更合理。但由于本人水平有限，经验不足，时间有限，资料收集不全面等因素，本次设计难免有疏漏甚至错误，敬请老师批评指正。2概述21氨的发现与制取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CACN23H2O（G）2NH3（G）CACO3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600T/D和1000T/D的单系列合成氨装置，在6070年代出现15003000T/D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。19世纪中叶，炼焦工业兴起，生产焦炭过程中制得了氨。煤中的氮约有2025转化为氨，煤气中氨含量为811G/M3，因而可从副产焦炉气中回收氨。但这样回收的氨量不能满足需要，促使人们研究将空气中的游离态氮变成氨的方法，20世纪初先后实现了氰化法和直接合成法制氨的工业方法。22氨的用途氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接氯水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨作为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80的氨用来生产化学肥料，20作为其它化工产品的原料。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己二胺、人造丝等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、空调等系统的制冷济，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。所以说合成氨在国民经济中占有十分重要的地位。作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、23我国合成氨工业的发展情况解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅06万吨，而1982年达到10219万吨，成为世界上产量最高的国家之一。近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。24合成氨生产的典型流程目前企业大多采用直接合成氨法生产氨，即根据化学反应式N23H22NH3来设计工艺。它除了水电解法以外，不管用什么原料得到的粗原料气中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物都是氨合成催化剂的毒物。因此，在把粗原料气送去氨合成以前，需要把这些杂质除去。这样氨合成生产的原料气过程就包括下述主要步骤。一是造气即制备含有氢、氮和一氧化碳的粗原料气。二是净化采用适当的方法除去原料气中氢、氮以外的杂质。主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。三是压缩和合成将纯净的氮、氢混合气体压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成氨。由于我国煤炭目前储存量还比较多，所以本设计采用以煤炭为原料来制取合成氨的粗原料气。以煤炭为原料制取粗原料气合成氨的流程是采用间歇的流化床气化法生产半水煤气，经过变换，脱碳，铜氨液除少量二氧化碳、一氧化碳等净化步骤后可获得合格的氮氢混合物，然后在铁催化剂存在和适当的温度、压力条件下合成氨。下面从合成原料气的三个步骤详细论述造气因为空气中含有71的氮气，目前已经有很多的技术从空气中分离出满足上述反应的氮气，所以造气就是提供维持该反应的氢气的过程。最早的造气光阴就是将煤或焦碳在高温下与水反应生成水煤气或半水煤气，这种混合气体就是原料气。这种工艺在二十世纪前半期一直是主流造气工艺，而且一直沿用至今。二十世纪六十年代出现了以天然气、石油重油、石脑油等新的造气原料。由于天然气、油田气、石油这样的原料可以用管道输送，其设施投资成本比固态原料设施要低很多，所以该工艺自发明以来就逐渐取代了煤炭造气工艺。但从目前能源的储量、开采和消耗走势来看，煤炭造气可能要重新被重视。净化粗合成气主要是对合成气中的硫化物、碳的氧化物等有害杂质进行脱除的过程。对于半水煤气，主要含无机硫（H2S），有机硫包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CS2），硫醇（RSH），硫醚（RSR），噻吩（C4H4S）等；天然气中主要是无机硫（H2S）。天然气、石油重油、石脑油等中的硫化物的含量因产地不同而不同。但是这些硫化物不但使产品不纯净，更重要的是它们对设备有极强烈的腐蚀作用，而且特别容易使催化剂中毒失活。脱硫的方法归纳起来分湿法和干法两类。湿法包括物理法、化学法、物理化学法三种，但湿法脱硫精度不及干法。干法脱硫适合脱出低量或微量，其也有物理吸附和化学吸附之分。通常干法脱硫装置设备庞大复杂。脱碳是净化合成气的另有个重要步骤，因为任何方法制取的原料气都含有CO和一定量的CO2，其体积分数一般为1240。而CO在生产过程中还可能被氧化为CO2，而在后续工段中CO2容易使催化剂中毒，容易在某些低温工段固化成干冰堵塞管道设备，在甲烷化过程中还会消耗大量H2生成无用气体CH4。而对CO2加以回收可以在尿素、碳酸氢铵等产品的生产中利用。可见脱碳的意义是十分重大的。因为本设计的题目就是合成氨脱碳工段的工艺设计，所以不在此对其赘述，在后面有对脱碳工段的详细介绍。总的说来，对于粗合成气的净化是系统而且复杂的工作，它不仅关系产品质量，也对生产中能量的综合利用，环境的保护有重要的影响。脱硫脱碳后还需要对原料气进行最终净化，将原料气中少量的CO和CO2除去，使其总量不超过10CM3/M3。最终净化有铜氨液吸收法、深冷分离法和甲烷化法。氨的合成将纯净的氢、氨混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在下进行的由于反应后气体中氨含量不高，一般只有1020，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下N23H22NH3G924KJ/MOL工业中反应压力在1035MPA之间，根据能量利用合理来取值。关于催化剂，人们已经开发出一系列催化剂，但比较广泛使用的是寿命比较长，活性良好而且价廉易得的铁系催化剂。该催化剂早期制备时还加入了促进剂。对于产品的分离，目前工业上有两种方法水吸收法和冷凝法。25脱碳在合成氨中的作用和地位脱碳也就是二氧化碳的脱除和回收，它属于原料气的净化阶段。因为无论是固体燃料还是以烃类为原料制得的原料气经一氧化碳变换后都含有1540的二氧化碳。而在合成氨生产过程中经过变换后气体一般含有2130的二氧化碳。它不仅会使氨合成催化剂中毒，而且给清除少量一氧化碳的过程带来困难。例如采用铜氨液洗涤法时二氧化碳与其中的氨生成碳酸氨，而且会形成晶体堵塞管道和设备；采用液氨洗涤时，它容易固化成干冰也会堵塞管道与设备；在甲烷化过程中二氧化碳过多会消耗大量的氢又生成无用的气体甲烷。又因为按合成工序补充气中必须满足CO和CO2含量小于20PPM。此外，二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢氨、纯碱的原料。因此，在合成系统前不但必须将二氧化碳气体清除干净而且还必须回收利用。二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务，也在合成氨中占有较重要的地位。3工艺流程的确定31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01。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。由再生塔顶出来的CO2，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。再生后的脱碳液（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，送入二氧化碳吸收塔循环使用。32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、物理吸收物理法和化学吸收法三大类。321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，然后在减压条件下通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。化学吸收法常用于CO2分压较低的原料气处理。烷链醇胺类的脱碳工艺有乙醇胺MONOETHANOLAMINE，H2NCH2CH2OH，MEA法；甲基二乙醇胺（METHYLDIETHANOLAMINE，CH3NCH2CH2OH2，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GV法；苯菲尔法；催化热钾碱（CATACARB）法；FLEXSORB法2。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。该法的最大优点是可以在一个十分简单的装置中，把合成气中的CO2脱除到可以接受的程度。但它本身存在两个缺点（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。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MDEA具有以上优点，所以不需要毒性防腐剂，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MDEA法，活化剂为眯哇、甲基咪哇等，浓度约为25。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MDEA工艺自1982年后备受欢迎。我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MDEA脱碳工艺，主要用于对原来MEA工艺的改造，近几年我国一些研究单位正在对这方面进行积极的研究。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GV法工艺就是由意大利GIAMMAROVETROCOKE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GV法。我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，V2O5作为腐蚀防护剂。我国于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，并且浪费溶剂，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。322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。物理吸收法常用于高CO2分压的原料气处理。NHD法NHD法被认为是目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CH3O（CH2CH2ONCH2，式中N28。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，并且该法在NHD的再生过程中几乎不需要能量，通常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。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达，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。用碳丙液作为溶剂来脱除合成氨变换气中CO2工艺是一项比较适合我国国情的先进技术，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泛应用。图31碳酸丙烯酯脱碳流程变压吸附气体分离净化技术，简称PSA（PRESSURESWINGADSORPTION）。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。为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。目前，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、控制系体回收率大大提高，能耗进一步降低，装置投资也有所减少。低温甲醇洗法低温甲醇洗工艺（RECTISOLPROCESS）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、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，目前有100余套装置投入运行，尤其是大型渣油气化和煤气化装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，我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。323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，物理化学吸收法常用于中等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，目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，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。324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。33碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺基本原理331PC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年通过化工部鉴定。据初步统计，已有150余家工厂使用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。332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。333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150250KWH/TNH3，可节省操作费1025元/TNH3。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31表31几种脱碳方法的能耗比较表方法名称加压水洗苯菲尔法位阻胺法改良MEDA法NHD法PC法能耗284735585442334941871884104712561256334碳酸丙烯酯法脱碳工艺条件的确定操作温度的确定温度对各种工艺气体在碳酸丙烯酯中的溶解度影响较大，操作温度的升高，会使二氧化碳、硫化氢等气体在碳酸丙烯酯中的溶解度下降，对吸收过程很不利，由于氢、氮等气体在碳酸丙烯酯中的溶解度随温度的升高而增加，所以又增加氮气体的溶解性损失，溶剂的再生则反之。提高操作温度则会使溶剂中溶解的气体较多的解析出来，使溶剂很快再生。但由于吸收过程的利弊对整个工艺的影响大于溶剂的再生过程，所以应先满足吸收过程的要求。降低操作温度可以减少溶剂的循环量，使溶剂泵的电耗下降，还可以降低整个脱碳过程中的气相带出的溶剂蒸汽，即溶剂的损耗降低，相应的减少了操作运行费用，提高了经济效益。根据我国的小合成氨厂普遍采用的合成氨生产“两水”闭路循环的方法，冷却水为循环用水，温度较高，所以碳酸丙烯酯脱碳操作温度应控制在35摄氏度以下。在用地下水补充用水的工厂，最好采用地下水为脱碳冷却水后，再做循环水系统的补充用水，这样，脱碳操作温度应控制在25摄氏度左右，对整个生产过程有利。334操作压力的确定操作压力的对二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度有巨大影响，随着压力的升高，二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度逐渐增加，提高压力，有利于提高碳化气的净化度。吸收压力的提高，在相同的温度条件下，变换气的饱和水蒸气减少，带入脱碳系统的水量减少，有利于系统的水平衡，减少变换气带入系统的水分。因此，脱碳采用27MP压力比17MP压力要好，表现在在等同的处理相同原料气量的情况下，气体净化度高，碳酸丙烯酯循环量小，含水分易控制，损耗小。335工艺流程气体流程原料气流程由压缩机三段送来23MPA的变换气首先进入水洗塔底部与水洗泵送来的水在塔内逆流接触，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。在使用上，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04MPA、1113MPA、1618MPA、2528MPA。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。液体流程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，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。稀液流程循环稀液（或软水）由常解汽提气洗涤塔的常解段出来，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。4吸收塔的工艺设计41设计依据411碳酸丙烯酯（PC）的物理性质表41碳酸丙烯酯的性质正常沸点，（）蒸汽压133321PA粘度，MPAS分子量303820502040102427616210209温度，（）015254055（KG/M3）12241207119811841169412比热计算式CKJ/G10891TCP413CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度表42碳酸丙烯酯的溶解度温度T，（）252673784050亨利系数E10131KPA8113817101710351208414CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解热可近似按下式计算（以表示）2COH67187459IIBBHKJ/KMOL,2CO415运行时间吸收是利用各组分溶解度的不同而分离气体混合物的操作。混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于液体中而形成溶液，于是原组分的一分离。对与此题中的易溶气体是CO2。依题意年工作日以300天，每天以24小时连续运行计，有300247200H合成氨80000T/A11111T/H变换气4300M3（标）变换气/T氨（简记为NM3/T）V111114300477773M3变换气组成及分压如下表43变换气组成及各分压进塔变换气CO2COH2N2CH4合计体积百分数,20005330210200100组分分压，MPA033000990545034703301650组分分压，KGF/CM2336310095554353633631682642计算依据421CO2在PC中亨利系数数据表44碳酸丙烯酯的亨利系数温度T，（）252673784050亨利系数E10131KPA8113817101710351208E16204T395941013KPA8090100110120253035404550图41亨利系数与温度的关系作图得亨利系数与温度近似成直线，且KPA3193621TE因为高浓度气体吸收，故吸收塔内CO2的溶解热不能被忽略。现假设出塔气体的温度为，出塔液体的温度为，并取吸收饱和度（定230CVT15CLT义为出塔溶液浓度对其平衡浓度的百分数）为70。用物料衡算结合热量衡算验证上述温度假设的正确性35下，CO2在PC中的亨利系数E35963041013KPA97556KPA3105943601T1出塔溶液中CO2的浓度（假设其满足亨利定律）（摩尔分数）17/7/56073402XPE2根据吸收温度变化的假设，在塔内液相温度变化不大，可取平均温度30下的CO2在PC中溶解的亨利系数作为计算相平衡关系的依据。即KPA35604395410389ECO2在PC中溶解的相平衡关系，即26LOGL2COCTPX式中为摩尔比，KMOLCO2/KMOLPC；2为CO2的分压，KGF/CM2；2OPT为热力学温度，K。用上述关联式计算出塔溶液中CO2的浓度有2CO2645LOGL814930KMO/LPCXO1037721XX与前者结果相比要小，为安全起见，本设计取后者作为计算的依据。结论出料（摩尔分数）422PC密度与温度的关系利用题给数据作图，得密度与温度的关联表达式为T9850123式中T为温度，；为密度，KG/M3表45各温度下碳酸丙烯酯的密度温度，（）0152530354055（KG/M3）1224120711981193118811841169Y09858X1223116011701180119012001210122012300102030405060图42碳酸丙烯酯的密度与温度的关系423PC蒸汽压的影响根据变换气组成及分压可知，PC蒸汽压与操作总压及CO2的气相分压相比均很小，故可忽略。424PC的粘度MPAS153820LOGTT为热力学温度，K425工艺流程确定吸收塔是实现吸收操作的设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。工业吸收塔应具备以下基本要求1塔内气体与液体应有足够的接触面积和接触时间。2气液两相应具有强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率。3操作范围宽，运行稳定。4设备阻力小，能耗低。5具有足够的机械强度和耐腐蚀能力。6结构简单、便于制造和检修。填料塔它由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300700PA，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0512M/S，气速过大会形成液泛，喷淋密度68/3M以保证填料润湿，液气比控制在210L/。填料塔不宜处理含尘量较2MH3M大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。本设计采用填料塔逆流操作。43物料衡算431各组分在PC中的溶解量查各组分在操作压力为165MPA、操作温度为30下在PC中的溶解度数据，并取其相对吸收饱和度均为70，将计算所得结果列于下表（亦可将除CO2以外的组分视为惰气而忽略不计，而只考虑CO2的溶解）CO2溶解量的计算如下各个溶质溶解量的计算如下（以CO2为例）通过第一部分已知CO2在35的平衡溶解度2CO203KMOL/LPCXNM3/M3PC2CO03403KMOL/LPC819/X式中1188为PC在35时的密度，10209为PC的相对摩尔质量CO2的溶解量为834075838NM3/M3PC46计算结果汇总组分CO2COH2N2CH4合计组分分压，MPA03300099054503470330165溶解度NM3/M3PC83400120082007902218734溶解量，NM3/M3PC583800080057005501556114溶解气所占的百分数954901309309025410000说明进塔吸收液中CO2的残值取0NM3/M3PC，即纯碳酸丙烯酯入塔混合气平均分子量1408016028106402MM2024KG/OL溶解气体的平均分子量9523939154S4274/L432溶剂夹带量以02NM3/M3PC计，各组分被夹带的量如下CO20202004NM3/M3PCCO020060012NM3/M3PCH2020330066NM3/M3PCN2020210042NM3/M3PCCH40202004NM3/M3PC433溶液带出的气量各组分溶解量CO25838NM3/M3PC9549CO0008NM3/M3PC013H20057NM3/M3PC093N20055NM3/M3PC090CH40155NM3/M3PC2546114NM3/M3PC100夹带量与溶解量之和CO200458385878NM3/M3PC9311CO00120008002NM3/M3PC032H2006600570123NM3/M3PC195N2004200550097NM3/M3PC154CH400401550195NM3/M3PC3096313NM3/M3PC100434出脱碳塔净化气量以分别代表进塔、出塔及溶液带出的总气量，以分别321V、321Y、代表CO2相应的体积分率，对CO2作物料衡算有V1477773NM3/H231YY联立两式解之得V3V1Y1Y2/Y3Y24300111110200005/09311000510060NM3/HV2V1V3377173NM3/H435计算PC循环量因每1M3PC带出CO2为5878NM3，故有LV3Y3/58781006009311/587815935M3/H操作的气液比为V1/L477773/195352998436出塔气体的组成出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与PC带走气体的体积流量之差。CO24777730205878159359531NM3/H050CO4777730060021593563558NM3/H752H24777730330123159351204938NM3/H4128N2477773021009715935561054NM3/H2619CH4477773020019515935924473NM3/H24451839181NM3/H10044计算数据总表气液比2998入塔气体平均分子量KG/KMOL2024溶解气体平均分子量KG/KMOL4274出脱碳塔净化气量进塔带出气量V1N