合成氨原料气脱碳与再生工艺的设计说明

1、毕业设计题目：12万吨/年合成氨脱碳及再生工序工艺设计系 别：化学化工系专 业：煤炭深力廿工与禾u用姓 名：会里学 号：111308128指导教师：&城建学院2011年5月14日城建学院毕业设计任务书题目2万吨/年合成氨原料气脱碳及再生工艺设计 M* W MM* MMM W 系另Ij化学化工系专业煤炭深加工与利用班级1113081学号28学生会军指导教师晓燕城建学院专科毕业设计任务书一、主要任务与目标：设计题目：12万吨/年合成氨原料气脱碳及再生工艺设计原料气组成：组成CO2COH：n2ch4含量/%0.20.2620.3320.1910.015工艺条件：气液两相的入塔温度均为25C;吸收塔操

2、作压力1.4MP&,解吸塔操作压力常压;吸收剂的入塔浓度根据操作情况选取；设计目标：经脱碳后二氧化碳含量W 1.0%;再生段二氧化碳回收率93%0二、主要容与基本要求：主要容1明确设计任务，査阅文献资料；2确定设计方案：通过技术及经济筛选、对比，选定技术先进、经济 效益好的设计方案；3明确已知条件、工艺参数及计算基准；4工艺计算部分5稳定性及机械强度计算6工艺流程图绘制7主要设备结构图的绘制基本要求工艺设计要做到：符合国家的经济政策和技术政策，合理运用国家 的财富和资源；工艺上可靠，经济上合理；尽可能吸收最新科技成果， 力求技术先进，经济效益更大；不造成环境污染；同时符合了国家工业 安全与卫生

3、要求。三、计划进度：1.接受设计任务：1.0天2收集资料：5.0天3. 制定设计方案提交设计开题报告：5.0天4. 设计计算：15.0天5. 设计图纸绘制：15.0天6编制说明书：7.0天7答辩：2.0天合计：50.0天四、主要参考文献：1小合成氨厂工艺技术与设计手册化学工业2塔设备设计科学技术3化工设备设计基础化学工业4化工容器及设备简明设计手册 化学工业5化工工艺设计手册化学工业6化工过程设计化学工业7化工设备设计化学工业8化工设备手册化学工业指导教师（签名）:教研室审核意见：（建议就任务书的规性；任务书的主要容和基本要求的明确具体性；任务书计划进 度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意

4、下达任务书等方面进行审核。）教研室主任签名:注：任务韦必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发 给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。$成绩评定%:成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计在指定的时间内交给指导， ；4 C $ 教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。 I i 二、答辩工作结束后，答辩小纽应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办 :1 法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答 I i 辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计，要组织系级答辩，最终确定 比 C 成绩，并向学生公布。 : J三.各专业学生的就后成绩

5、应符合正态分布规律。;四、具体评分标准和办法见河南城建学院毕业设计工作条例。 ?毕业设计成绩评定班级名学号综合成绩：分（折合等级）答辩小组组长签字 年 月 日答辩小组评定意见一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。二、评分（按下表要求评定）平分确答辯小组评分评闻教师评分合计完成任务情况（5分）毕业设计（论文）质量（5分）表达情况（5分）回答问题情况（5分）质量（正确性、条理性、 创造性、实用性）（10 分）成果的技术 水平（科学 性、系统性） （10 分）（40 分）评分答辩小组成员签字年 月 日毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计，为答辩做好准笛，并

6、 根据毕业设计质量标准给出实际得分。2、严肃认貢组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。指导教师评定意见一、对毕业设计的学术评语（应具体、准确、实事）:签字：年 月 日二、对毕业设计评分按下表要求综合评定。（1）理工科评分表评分项目（分值）工作态度 与紀律（10 分）毕业设计（论文）宪 成任务情况与水平 （工作凰与质童） （20 分）独立工作能力（10 分）基础理论和 基本技能（10 分）创新 能力 （10 分）合计（60 分）（2）文科评分表评分项目（分值）文獻阅襖与 文鮭述（10 分外文翻译（10 分）

7、伦文換写质（10 分）学习态度（】0分）论证能力 与创新 （20 分）合计（60 分）得分指导教师签字： 年 月 日摘要二氧化碳的吸收再生过程主要是由吸收、闪蒸和气提三部分组成。本次设 计选用的脱碳剂是聚乙二醇二甲醸（NHD）,属于物理吸收法。主要的设备是 吸收塔和气提塔。在计算的过程中，首先根据所给的物料组成和工艺条件进行 物料恒算和热量恒算，再进行塔设备的计算、校核及辅助设备的计算或选型。吸收段的计算结果如下：二氧化碳的脱除量2909.4m3/h, NHD的用量184.2m3/h;塔底流出的 富液带出的热量14269139.99kJ/h,溶液温度升高了 5C;塔径为1.6m, 填料层高度为

8、13.47m，塔压降为3002.7Pao解吸段的计算结果如下：闪蒸出的二氧化碳的量2735.7m3/h,二氧化碳的回收率为94%,溶液带出的热量10142141.09kJ/h，闪蒸的容积为0.26m3 o气提出的二氧化碳的量157.15m3/h,氮气的用量1105.2n?/h;塔底流 出的贫液带出的热量6022054.3kJ/h,溶液温度为26C;上段塔径1.4m, 下段塔径1.5m,填料层高度为5.7m，塔压降为2021.4Pao关键词吸收、闪蒸、气提ABSTRACTThe decarbon and regeneration of carbon dioxide process is prim

9、arily composed by three parts: absorption, flash vaporization and gas stripping. This design uses polyethylene glycol dimethl ether (NHD) to decarbon, which is the physical absorption method The main device is absorption column and stripper In the process of calculation,firstly make material constan

10、t calculation and heat constant calculation, and then is the calculation of tower equipment, checking and ancillary equipment? s calculation or selection.Absorption segmentJ s results are as follows:The amount of carbon dioxide removel is 2909.4m3/h and the amount of NHD is 1 84.2m3/h; the heat of l

11、iquid-rich flow from tower bottom is 14269139.99kJ/h and the temperature of solution rises 5C; the tower diameter is 1.6m, the height of pacldng layer is 13.47m and the column pressure dropping is 3002.7PaThe desorption segment? s results are as follows:The amount of carbon dioxide flashes is 2735.7

12、m3/h, the recovery rate of carbon dioxide is 94%, the heat brought out from solution is 10142141.09kJ/h and the volume of flash trough is 0.26m3.The amount of carbon dioxide stripped out is 157 15m3/h and the amount of nitwgen is 1105.2m3/h; the heat of barren liquor from tower bottom is 6022054.3kJ

13、/h and the temperature of solution is 26C; the upper column diameter is 1.4m, the lower column diameter is 1 5m and the column pressure dropping is 2 021 4PqKey Words: absorption, flash, stripping1总论121.1概述121.2文献综述131.3设计任务的依据151.4主要原材料及公用工程情况152生产方案的确定172.1脱碳及再生的方法172.2 NHD的脱碳原理182.2.1 NHD溶剂的物理性质1

14、822.2计算的热力学基础182.23计算的动力学基础192.3脱碳及再生工艺参数的选定202.3.1脱碳流程的选择202.3.2气提剂的选择202.3.5脱碳再生操作压力的选定212.3.6脱碳塔气液比的确定222.3.7冷凝器的位置及选定232.3.8腐蚀及材料选择233脱碳再生生产流程说明244吸收过程的工艺计算264.1物料恒算274.2热量恒算294.2.1原料气带入的热量304.22单位时间气体的溶解热304.2.3进塔溶液带入的热量304.24净化气带出的热量314.2.5塔底富液带出的热量314.3吸收塔的工艺设计324.3.1塔径及气速的计算324.3.2填料层商度的计算33

15、4.3.3塔厚度的计算354.3.4塔压降的计算35_ 4.3.5辅助设备的计算和选型354.3.6塔体的强度校核385解吸过程的工艺计算425.1物料恒算425.1.1闪蒸过程的物料恒算425.1.2气提过程的物料恒算435.2热量恒算435.2.1闪蒸过程的热量恒算435.22气提过程的热量恒算445.3气提塔的工艺设计455.3.1塔径及气速的计算455.3.2填料层高度的计算465.3.3塔厚度的计算485.3.4塔压降的计算485.3.5辅助设备的计算和选型485.3.6塔体的强度校核50主要符号说明54致56参考文献571总论1概述氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地

16、位。除液氨可直 接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸银、磷酸银、氯化钱以及 各种含氮复，都是以氨为原料的。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。合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的 发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三 个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过 程、脱硫、脱碳过程以及气体精制过程。CO?不是合成氨合成的原料气，故需要在净化阶段除去；但CO

17、?在常温常 压下是无色无臭气体，在常温下加压即可液化或固化，安全无毒，使用方便， 加上其含量非常丰富，因此随着地球能源的日益紧，现代工业的迅速发展，CO2 的利用越来越受到人们的重视。许多国家都在研究把CO?作为“潜在碳资源” 加以综合利用。它的应用可分为物理应用和化学应用。1）物理应用：CO?作为人工降雨剂，可解决干旱地区的农田灌溉问题；在 食品工业中作为冷冻剂，可保证鱼类、肉类、奶类的长期保鲜和低温运输，同 时用作清凉饮料的添加剂。CO?在焊接工艺中作为绝缘剂和净化剂，用来提高 焊接质量；作为萃取剂可以从香料和水果中提取香精，从咖啡里提取碱。另外, CO2还可用于医用局部麻醉、大型铸钢防泡

18、剂和灭火剂。超临界液态CO2因其 特殊的性质，还可用于贵重机械零件的清洗剂和超临界萃取剂。2）化学应用：二氧化碳用于制造纯碱、轻质碳酸盐、化肥（碳酸氢钱、尿素） 以及脂肪酸和水酸及其衍生物已有成孰的工艺，作为一种重要的有机合成原料, 其应用也在不断研究开发。在催化剂存在下，它可以被氢还原成甲烷、甲醇、 甲醛、甲酸；它与比一起代替甲醇参与芳婭的烷基化，得到包括加氢和甲基转 移的产物；它与不饱和婭反应生成酯、酸或酯类。另外，它还能与不饱和烧、 胺类、环氧化合物及其它化合物发生二元、三元共聚反应，生成交联、接枝、 嵌段等高分子聚合物，如聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯、聚腺等。脱碳工艺分大的说，有湿法和干法两

19、种。干法目前主要就是变压吸附，湿法目前就比较多，现比较常用的有MDEA、 苯菲尔热钾碱、低温甲醇洗、碳丙、DEA、NHD等在实际应用中，根据原 料路线、生产工艺的不同进行选择。一般以煤为原料的选低温甲醇洗、碳丙、 NHD较多，这两年选变压吸附的也不少（因为其CO?相对于氨较富余，比较节 能）；一般以天然气为原料的选择MDEA、苯菲尔热钾碱，选变压吸附的较少（因 为其CO?相对于氨较少，氨多碳少）。12文献综述用于CO2脱除的物理吸收方法很多，目前在工业上应用广泛，技术先进， 投资省，能耗低的方法如下: 低温甲醇洗(Rectisol)法 常温甲醇洗(Amisol)法 MDEA法(物理一化学吸收)

20、 Selexol法(国外常用) NHD法(国新开发) 碳酸丙烯酯法常温甲醇洗对CO?不能选择吸收，而且甲醇消耗大，能耗较高，大型厂也 没有使用经验，因此不宜采用。碳丙(PC),用于脱硫尚缺少大厂实践经验，用 于脱CO?始于六十年代美国弗络系(Fcour)公司，但在国不少氨厂中使用经验 表明，其净化度差，溶剂挥发损失较大，国不少氨厂已转向其他净化方法，新 建厂已很少采用。MDEA和Selexol,均属国外技术，如使用须付给国外技术使用费和软件 费。与低温甲醇法方法相比，均为国外引进技术，NHD为国自行开发的技术, 其吸收能力为碳丙的1.15倍，在工程设计中应优先考虑自有技术。这里用低温甲醇法和N

21、HD两种方法相比较进行选定。(1) 低温甲醇洗又称冷法净化工艺，是利用甲醇溶液在-60C低温下洗涤变 换气，溶解分离混合气中的CO20低温下甲醇对CO2溶解度较大，因此循环 溶液量小，耗电较少。其最主要的优点是净化度高，脱CO?能力强，一般的净 化度CO? lOppmo同时分离出足够尿素生产使用的CCM纯度达98.5%),它 与液氮洗(-190C深冷操作)配套，均在低温下操作，减少低温复热的过程，使 流程简化、设备减少。该法的不足之处是低温操作(-60C),因此需要补充-40C以下的低温冷量 较大，此部分冷量折能耗较大，且甲醇溶剂蒸汽压高，挥发损失较大，因此, 尤其是在甲醇再生蒸憎过程中蒸汽消

22、耗较大。所以此法的冷、热能量消耗较高。 低温甲醇洗法是在低温条件下操作，设备及配管、仪表、阀门材质要求高，不 但造价高，而且国不易解决，需要引进的围大。该法工艺技术属国外工程公司 专利技术，尽管国已引进投产四套低温甲醇洗装置，有的国工程公司也从事了 一些配套工作，但真正设计这样大型装置还是要引进技术，因此技术费、引进 设备费要高于国的技术和设备。另外甲醇本身有毒，挥发损失大，对人和环境 均有污染C(2) NHD净化工艺是国八十年代以后开发成功的新技术，具有九十年代的 水平，该工艺在常温(-510C)条件下操作，设备材质大部分为碳钢，国可以解 决，价格也便宜。NHD工展出1,在P=3.5MPa压

23、力下，溶液对CO?选择吸 收能力强，溶液循环量不大，能耗较低。NHD溶剂物化性能稳定，蒸气压低, 挥发损失小，无气味、无毒、不腐蚀、不分解c该工艺能耗低、消耗低、成本 低。NHD工艺技术是国化工研究院开发,化工部第一已在鲁南化肥厂II期工程 净化系统成功的设计了一套年产810万吨氨装置，现已投产三年多，运行十 分稳定。在此基础上还可以进一步优化设计，降低能耗，节省投资。从后面的 技术比较可以清楚看出本技术的优越性。(3) 低温甲醇洗与NHD都是先脱硫后脱碳，脱硫后的溶剂采用热再生，脱 CO?后的溶剂均采用汽提，因此二者流程是相似的。低温甲醇洗脱硫与脱碳是 用同一个高的吸收塔分为两段，上段脱二氧

24、化碳，下段脱硫，上塔吸收CO2 的溶剂一部分去下塔脱S; NHD目前的流程是脱S和脱CO?溶剂分开各自成 立系统循环，但低温甲醇洗额外増加一个甲醇一水蒸憎塔。低温甲醇洗吸收温 度是-60C, NHD脱CO?吸收温度10C,因此流程中换热部分低渐甲醇洗比 NHD要复杂得多，总的来说NHD流程比低温甲醇洗流程简单，同时，值得注 意的是工厂如果没有空分装置，则低温甲醇洗的气提用氮气将无法解决，而相 反NHD可以用空气作气提剂。13设计任务的依据我的设计是参照以下两方面制定的：1根据国家计委、国家科委及国产化办公室颁发的“七五”重点科技专题, 引进技术消化吸收一条龙计划，采用NHD净化工艺，解决德士古

25、煤浆气化技 术的酸性气脱除，NHD净化技术合同编号7576。2NHD脱硫脱碳基础设计是根据一九九O年八月，由南化公司研究院与化 工部第一签定的国产化一条龙子项合同引进技术消化吸收一条龙子项7-6, 30万吨/年氨厂，NHD脱硫脱碳基础设计及 九O年十月南化研究院第029 号便函。1.4主要原材料及公用工程情况NHD是化学工业公司研究院近年来开发的一种优良的物理吸收溶剂。它的 主要组分为聚乙二醇二甲醸（国外称Selexol）,是一种有机溶剂。它具有沸点高, 冰点低，蒸汽压低，对CO?气体有很强的选择吸收性，能适合于以煤（油）为原 料，酸气分压较高的合成气等的气体净化，脱碳时需消耗少量冷量，属低能

26、耗 的净化方法。其化学稳定性、热稳定性好，挥发损失小，对碳钢设备亦无腐蚀 性。洒落地下时可被生物降解，对人及生物环境无毒害，因此NHD气体净化 技术为清洁生产工艺。根据化工部“七五”国家重点科技攻关计划合成氨一条龙中 “757GNHD净化技术的研究”合同，即采用NHD物理溶剂法脱除合成 原料气中的硫化物和二氧化碳，并选择一个中型厂使用此项技术，然后提供大 型厂使用，“七五”为油头和煤头大型厂净化技术作准备，提出气液平衡数据 和工业化基础设计。1988年批准的鲁南化肥厂二期扩建工程为年产8万吨合成氨，造气部分引 进德士古煤浆气化技术，其它部分由国配套。由于煤气中硫化物和二氧化碳含 量较高，经多方

27、研究认可选用了 NHD溶剂脱除合成气中二氧化碳的工艺，于 1992年投产。在气液平衡数据的测定和鲁化厂年产8万吨生产装置的基础上，提供了大 型厂设计参数，进行此项年产30万吨合成氨NHD脱硫脱碳基础设计，条件是 以德士古煤浆气化气经中低温耐硫变换后的气体为原料在2MPa压力下将含 CO2 43%,的变换气净化至CO2 0.1%,每吨氨总能耗99万大卡，溶剂损耗 0.5公斤南化集团公司研究院开发的NHD净化技术，目前已在20多家氨厂、甲醇 厂、醋酸厂的脱硫、脱碳装置上得到成功应用。作为一种典型的物理吸收过程, NHD技术适合于硫化物和二氧化碳含量高的煤制气净化，因此在化肥工业、煤化工、碳一化学领

28、域具有广阔的前景，适合我国国情。2生产方案的确定21脱碳及再生的方法一种净化气体的过程，指脱除混合气体中的二氧化碳，主要见于合成氨生 产原料气或煤气的处理。脱除原料气中二氧化碳的方法，分为3类。(1) 物理吸收法最早采用加压水脱除二氧化碳，经过减压将水再生。此法 设备简单，但脱除二氧化碳净化度差，出口二氧化碳一般在2%(体积)以下，动 力消耗也高。近20年来开发有甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醸 法等，与加压水脱碳法相比，它们具有净化度高、能耗低、回收二氧化碳纯度 高等优点，而且还可选择性地脱除硫化氢，是工业上广泛采用的脱碳方法。(2) 化学吸收法 具有吸收效果好、再生容易，同时还能脱

29、硫化氢等优点。 主要方法有乙醇胺法和催化热钾碱法后者脱碳反应式为：K2CO. + CO2 + H2O = 2KHCO、为提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸钾溶液中添加某些无机或有 机物作活化剂，并加入缓蚀剂以降低溶液对设备的腐蚀C此外，还有氨水吸收法。在碳酸化法合成氨流程中，采用氨水脱除变换气 中的二氧化碳，同时又将氨水加工成碳酸氢钱C(3) 物理一化学吸收法以乙醇胺和二氧化四氢囈吩(又称环丁砚)的混合溶 液作吸收剂，称环丁矶法。因乙醇胺是化学吸收剂，二氧化四氢嗟吩是物理吸 收剂，故此法为物理与化学效果相结合的脱碳方法。对于二氧化碳的再生，再生方法是NHD溶液的采用多级减压闪蒸和汽提法（加

30、热汽提，惰性气汽提），一般若净化度要求不高，可采用多级减压闪蒸，若 净化度要求高须采用惰性气汽提或加热汽提法。对于合成氨原料气的脱碳及再生，我想用物理吸收法，这样在吸收二氧化 碳后，只需经过闪蒸和气提，就可以实现二氧化碳的再回收，所用的吸收剂是 NHD,气提吹扫的惰性气体选用氮气。2.2 NHD的脱碳原理2.2.1 NHD溶剂的物理性质NHD溶剂的主要成分是聚乙二醇二甲醮，分子式为CHC.H.Ol CH.,式中n=28,平均分子量为250270。其物理性质（25C）见表1:表1 NHD的物理性质项目参数密度(kg/in3)1 027热气nx（pa）0 093表向张力（N/uj）0.034粘度(

31、mPa -s)4 3比热” (kg K)2 100冰点（Q2229闪点（O151燃点（O1572.2.2计算的热力学基础NHD溶剂在脱碳过程具有典型的物理吸收特征。二氧化碳气体在工艺气体中分压不太高时，它在NHD溶剂中的平衡溶解度能较好地服从亨利定律： 比弋当气相压力不高时，气相中各组分的分压可按道尔顿分压定律来描述：在儿一定时，提高气相总压P,可溶气体在NHD溶液中的浓度G,将増大， 此时实行气体吸收过程。若气体i为二氧化碳，即为脱碳过程。反之，对已经 溶解了大量二氧化碳的NHD溶剂，在温度及乩不变的情况下，降低气相总压, 气体i从溶液中释放出来，形成闪蒸过程。闪蒸后的NHD溶液中还有少量的

32、 气体i,此时可往溶液中鼓入不含气体i的空气等惰性气体，继续降低气相中i 的浓度，可进一步降低溶液中i气体的浓度G，达到溶液再生的目的，使之重复 用于吸收。在二氧化碳气体与NHD溶剂之间进行传质过程的同时，氢气、氮气、甲 烷、一氧化碳等气体与NHD溶剂吸收和解吸，但与二氧化碳气体的溶解度相 比，这些气体在NHD溶剂中的溶解度要小得多（表2）表2各种气体在NHD溶剂中的溶解度COCHCO：cosH：SCH；SHQ1.32.86.7100233S9322702400由于硫化氢和有机硫在前面的脱硫工段已经脱除了大部分，剩下的含量很 少，故可以可作NHD只吸收二氧化碳，其它气体则为惰性气体。2.2.3

33、计算的动力学基础通过对NHD溶剂吸收cq的传质研究，测得cq系统的扩散系数-2680D = 0.0723xeCONHD系统的液膜传质系数与温度的关系式:忍=2.23x107 x 严 丁NHD溶剂吸收CQ的速率方程式可以写成:Gco2NHD溶剂吸收CO时的传质阻力主要是在液相，对此物理溶解过程有:1 = 1 1瓦飞十顾在过程速率主要取决干CO】在NHD液相中的扩散速率情况下，则上式可 简化为KG = HkL提高气相压力对Kg无明显影响，但提高了 Rq,从而増大了吸收CQ的 推动力（4。-用0），也増大。可见，提高吸收压力对提高吸收速率是有利 的。若降低吸收温度，则一方面提高了 H值（即提高了 K

34、&值），另一方面温度 降低会使同样的液相浓度的平衡分压降低，吸收co,的推动力（pCO1-p） 将增大。因此降低吸收温度，会极增加吸收速率。由于NHD溶剂吸收CO?是个液膜控制过程，因此在传质设备的选择和设 计上，应采取提高液相湍动、气液逆流接触减薄液膜厚度及増加相际接触面 积等措施，以提高传质速率2.3脱碳及再生工艺参数的选定2.3.1脱碳流程的选择鉴于聚乙二醇二甲醴脱除CO2是个典型的物理吸收过程，从1965年至今 二十多年来，世界上几十个工业装置都采用吸收一闪蒸一气提的溶液循环过程, 其中闪蒸操作可分为几级，逐级减压，高压闪蒸气中含有较多的氢气等有用的 气体，一般让它返回系统予以回收，或

35、做燃料用，低压闪蒸气含CO2可达到 93%以上，常用之于尿素生产。经闪蒸、气提等手段再生的溶液充作半贫液进入脱碳塔中部，用以吸收进 口气体部分CO?。进入脱碳塔顶的贫液来自热再生塔，由于这部分溶液的再生 更彻底，温度也不高，因此降低了塔顶CO2的平衡分压，保证了净化气中CO? 含量小于1.0%的指标。NHD溶剂的饱和蒸汽很低，气相中带走的溶剂损耗极少。因此，不设溶剂 洗涤回收装置。2.3.2气提剂的选择本设计采用氮气作为气提气，因此，解决了溶液中硫化物的氧化析硫问题， 改善了整个系统的可操作性，更是脱碳塔以预饱和co?的溶液作贫液这种先进 工艺的采用的先决条件。2.3.3塔型的选择NHD溶剂吸

36、收二氧化碳的传质速度较慢，而且低温操作下的溶剂粘度大， 流动性差。所以需要较大的气液传质界面。因此，我们选用了操作弹性较大的 填料塔。在国外已经运转的聚乙二醇二甲醸气体净化工业装置，也多采用填料 塔。同样，解吸过程也采用填料塔。关于填料，可以根据发展情况，考虑选用（P50X25碳钢阶梯环，也可使 用（P50X25玻纤増强聚丙烯阶梯环，但必须有低温长期使用的经验后方可使用。由于此次设计的温度不低，故为选用聚丙烯阶梯环。2.3.4脱碳再生操作温度的选定在吸收压力及进脱碳塔气的CO2浓度为定值时，二氧化碳在聚乙二醇二甲醸中的平衡溶解度随温度降低而升高。腋相CO】浓度（詔血X标态图1吸收温度对脱碳气中

37、CO2含量的影响所以，降低脱碳温度，有利于加大吸收能力，减少溶液循环量和输送功率, 也有利干提高净化度。更由于溶剂蒸汽压随温度降低而降低，可使系统的溶剂 损耗减少，但低温下的溶剂粘度大，传质慢，增加了填料层高度和冷量损失。据计算，脱碳负荷，填料层高度，吸收压力等条件均相同时，脱碳贫液温 度为25时，净化度为0.2%,贫液温度降低到-1C,净化度可达0.06%。在 这里脱碳塔的操作温度选27C0对于二氧化碳的再生，其操作温度选常温，25Co2.3.5脱碳再生操作压力的选定吸收的压力越高，越有利于物理溶剂的吸收能力的提高。以下是两套不同 吸收压力的工业装置的运行数据:从表中可以看出，2.7MPa的

38、吸收压力明显优于1.7MPQ。但合成氨厂的 脱碳压力往往由压缩机型及流程总体安排所决定，只要脱碳系统的二氧化碳的 分压达到0.4MP&以上，用NHD脱碳都可以获得良好的综合技术经济指标。 所以，我这次设计吸收压力为1 -4MPa,二氧化碳的分压为0.42MPa0解吸的操作压力我选常压，即一个大气压，这样有利于设备的运行。2.3.6脱碳塔气液比的确定在其它工艺条件不变时二氧化碳净化度随着气液比的增大而降低。下表中 模式数据显示了这种影响。从该表中看到，在吸收再生条件均相近的情况下， 吸收塔气液比越小，净化度越高。（吸收压力均在2.52.8MP比吸收温度均在 2634C,气提空气/溶剂在18.22

39、3.6）。如表3所示:表3序号气液比溶剂吸收CO?能 力m3（标）/H13CO2mol%进塔气净化气143.211.025.60.1249.812.926.20.4354.014.226.00.4462.016.227.21.4若要保证一定的CO2净化度，则气液比提高所产生的不利影响，需通过提高填料层高度来弥补。下表列出了在某工艺条件下，将CO2由进口的41.73%脱到0.5%的对比数据。如表4所示：表4序号ABCDEFGH气液比80.778.984.273.769.266.063.561.9脱碳能力m363.555.744.734.429.929.226.825.2（标）/m3净化度CO2%

40、0.0200.0160.7130.0860.0530.0200.0170.0152.3.7冷凝器的位置及选定脱碳操作温度接近于常温，所以进塔溶液需要冷冻措施。我们选用液氨为 冷源，使溶液温度保持在25*左右。根据国外同类型运转工厂的经验，冷凝器的位置有两种，一种冷却贫液， 一种是冷却富液。两种方法各有千秋。用冷凝器冷却贫液的有美国奥马哈氨厂, 西德的一些工厂以及TVA的有关报价材料。它的优点是，控制进脱碳塔贫液 温度比较直接，经冷却后的低温管道较短，其它设备操作温度均稍高，这样有 利于气提过程及减少冷量损失。缺点是传热温差小，溶剂损耗大。另一种冷却富液，即冷却刚出脱碳塔的富液。采用这种冷凝器位

41、置的有加拿大希尔哥顿公 司氨厂，加拿大工业公司氨厂等。它的优点是传热温差大，有利于减少传热面 积。（因为整个脱碳系统中，富液温度最高）整个脱碳系统操作温度都较低，溶 剂损耗少。然而带来的缺点是不利于解吸过程，低温管道设备多，冷量损失就 大。本次设计脱碳系统的半贫液冷却采用第一种位置，贫液是由热再生塔来， 经溶液换热后再用氨冷却，属于第一种位置。2.3.8腐蚀及材料选择NHD溶剂本身无腐蚀性，并能在有些原来的腐蚀的脱碳系统抑制腐蚀，这 是因为NHD溶剂吸收了水分，减轻了 CO?对碳钢的腐蚀。但在高温和有二氧 化碳和水蒸汽存在的情况下，对设备有一定的腐蚀作用。因此，脱碳系统的大 部分设备脱碳塔、气

42、提塔，闪蒸槽等都可用低合金钢钢制作，仅部分件， 如除沫器，液体分布器，填料支承及压板等，采用不锈钢材料。管道间垫片可用石棉，机械密封材料可选用硅橡胶，聚丙烯和聚四氣乙烯, 一般的高分子材料慎用。NHD溶剂是油漆的溶剂，管道和设备表面不能使用涂料，偶尔接触NHD溶剂的设备防腐涂层可用环氧树脂漆。3脱碳再生生产流程说明脱碳工艺流程如图3.1所示。1换热器2、6. 13气液分离器3、7风机4吸收塔6、7. 11 一溶液泵& 14气体缓冲罐9气提塔12闪蒸槽变换气加压至1.4MPQ后先经过分离器分离夹带雾沫后，进入板翅式综合 气体换热器，与净化气高压闪蒸气低压闪蒸气换热降温，经进塔分离器分 离，进入脱

43、碳塔，气体由下向上与从塔顶喷淋下来的溶液逆流接触，混合气体 的二氧化碳被溶剂吸收，脱除到10%以下，净化气经雾沫分离器分离掉夹带 的少量雾沫后，进入翅式气体换热器回收冷量，经装有EAC-2的精脱硫罐脱 除掉残余总硫，加压送联醇系统。从脱碳塔底部出来的NHD富液，经减压后进入闪蒸槽，将大部分溶剂中 吸收的二氧化碳气体闪蒸解吸出来，送尿素合成塔。自闪蒸槽底部出来的溶剂, 经富液泵提压后送至气提塔顶部。溶剂自塔顶喷淋下来，与从下部送入的氮气 逆流接触，进行传质换热，并将溶液中残留的二氧化碳气提出来出气提塔的 解吸气经分离器回收少量夹带NHD雾沫后，入空气冷却器，与罗茨风机送来 的空气进行间接热交换，

44、之后，解吸气放空。从气提塔出来的贫液则经泵加压和流量调节后，进入氨冷管间，被液氨蒸 发器冷却后再送入脱碳塔顶部去吸收原料气中的二氧化碳，如此循环使用，当 循环溶剂吸水超标后，可部分送脱水塔进行脱水处理，脱水后的溶剂经溶液换 热降温后送至气提塔。4吸收过程的工艺计算已知条件：进口气体组成:组成co2COh2n2ch4合计含量/%0.20.2620.3320.1910.015100.00工艺參数：原料气压力：常压；进脱碳塔气体温度：25C;脱碳塔操作压力：P=1.4MPa;脱碳塔操作温度：t=27C;进脱碳塔溶液含二氧化碳的量：0.001进脱碳塔溶液温度：259;闪蒸槽操作压力：常压；闪蒸槽操作温

45、度：25C;进气提塔氮气温度：309;气提塔操作压力：26.66kpa;气提塔操作温度：259;年工作日330天，其余数据根据生产实际情况自定。设计目标：出脱碳塔净化气组分中CO2*1.0%;再生气组分中co2%回收率93%脱碳塔压差 20kPa ;气提塔压差 20kPa o4物料恒算原料气在通过吸收塔的过程中，二氧化碳气体不断被吸收，故气体总量沿塔 高而变，液体也因其中不断溶入二氧化碳组分，其含量也沿塔高而变，但是塔的 惰性气体量和溶剂量是不变的。进塔气的的平均摩尔质量为A? = 44x0.2 + 28x 0.262 + 2 x 0.332 + 28 x 0.191 +16 x 0.015

46、= 22.3SSkg/kmol 进塔气的摩尔流量：q =勺= 676 .Skmol/ h330 x 24 x 22.388G, =676.8 x 22.4 = 15159 .6m5/h进塔气中CO?的流量：氐=15159.6x0.2 = 3031.病惰性气体的流量：Gh = 15159 .6 - 3031.9 = 12127 .Im3 /h则原料气中各组分的物质的量为：= 0.2 x 676.8 = 135 Akmol / hq,lx() = 0.262 x 676.8 = 177.3 kmol/hqn U, = 0.332 x 676.8 = 224 Slkmol/ hqn n、= 191

47、x 676.8 = 129.3kmol/ hqncH =0.015 x 676.8 = 0.2kmol/h其中惰性气体的物质的量为：qn V = Gn -佥“ =676.8-135.4 = 541 Akmol/h进塔气中CO?的摩尔比为:出塔气中co?的摩尔比为:进塔溶液中co?的摩尔比为:塔操作压力下co?的分压为:= Pyi（h = 1.4x 0.2 = 0.28MPa以煤为原料的变换气中CQ在25C, 0.42MPa下在碳酸丙烯的溶解度为13.8亦（标）/m NHD在同样条件下CO?的溶解度是碳酸丙烯的1.15, 则在25C, 0.42MPa下NHD的溶解度为5 = 1.15x13.8

48、= 15.87 m3 （标）hn3净化气的流量为：G2=G（l + y；）=12127 .7（1 + 0.01）= 12249 0F/?净化气摩尔流量为:G,12249.0绻 22.4 -=-546.8/?22.4净化气中CO?的流量为:G2co =G2y2 =12249.0x0.01 = 1225m3A则被NHD吸收的CO2流量为：Gy =G -G2（1 = 3031.9-122.5 = 29O9.4/73 /h被NHD吸收的CO2摩尔流量为:qY =色=29094 = 129.9kmol/hY 22.422.4则co2吸收所需的NHD的量为:S 15.87其摩尔流量为:Ln = 3心=M3

49、 芸 1()27 = ?24 Ogg对仙h260取NHD中的杂质含量为0.5%,则真实所需的NHD为:厶=183.3x(1+0.05)=184其摩尔流量为:= Vl = i84.*027 = 727 lkmol/h,lL Ml260根据全塔的物料恒算，求出CO?在液相中的摩尔比为X.十 + MZ)= 0.001 + &76&(。25-。皿=0.223 -q” 丄727.7其摩尔分数为：1 + X,0.2231 + 0.223= 0.182从塔底流出的富液量为：厶=厶 + qY(7? = 727.7 +129.9 = 857.6kmol / h 净化气各组分含量由”=字求出，列表4.1表4.1组

50、成co2coh2n2ch4合计含量132.441.123.641.86100.0042热量恒算全塔的热量平衡式为：盒+込+2=2+込4.2.1原料气带入的热当气体压力不高时，有QSi=-xC-To)其中气体的比热容C& =工C% ,而q = q +叭+忆：+47J , 査将数据代入可得气体中各组分的比热容，列表4.2表4.2组分CO2COh2n2ch4C)+qx式中q=q=546Q/(So/K), Ox为单位时间已溶气体的熔，则Qx =-xC;. (T, -7)=294x&949(300273)= 31382.9制/由q + +a+込可以求出富液带出的热量为Q- =14269139 .99kJ/h富液的温度耳为：生2 + % =空沁32 + 273 = 303K 857.6x546溶液温度升高了 59。4.3吸收塔的工艺设计4.3.1塔径及气速的计算塔气体的密度= 1257kg/F._ 1400x22.388_ RT 8.314x300将进塔气换成操作压力下的体积流量，中压以下由PV = nRT可知则G晋=沁阳02幵塔气体的质量流量为qmV = Gxpv = 1097.2 x 12.57 = 1.38x 04 kg/h塔气体的质量流量为qm