5万吨年燃煤电厂烟气二氧化碳捕集及后续设计说明--毕业论文设计

５万吨/年燃煤电厂烟气二氧化碳捕集及后续3.5万吨／年制甲醇项目设计PAGEPAGE5初步设计说明书“XX化学杯”大学生化工设计大赛目录TOC\o"1-4"\h\z\u第1章总论 51.1项目名称及性质 51.2可行研究报告编制依据、指导思想和原则 51.2.1编制依据 51.2.2指导思想及性质 51.3研究范围 61.4研究结论 61.5存在的问题 6第2章工艺路线确定与描述 82.1二氧化碳的用途 82.1.1超临界萃取 82.1.2炼钢吹炼气 82.1.3饮料添加剂 82.1.4焊接保护气 82.1.5烟丝膨胀剂 92.1.6食品冷藏保鲜剂 92.1.7油田助采剂 92.1.8植物气肥 92.1.9抑爆充加剂 102.1.10木材保存剂 102.1.11混凝土添加剂 102.1.12核反应堆净化剂 102.1.13灰尘遮蔽剂 102.1.14废润滑油净化、回收剂 102.1.15工业设备残留物质、污垢清除剂 102.1.16灭菌剂 112.1.17硼砂 112.1.18用于生产泡沫板材 112.1.19用于生产无机化工产品 112.1.20白炭黑 112.1.21轻质氧化镁 112.1.22代替氟氮烃用发泡剂 122.1.23用于生产有机化工产品 122.2工艺路线比较 142.2.1吸收法的比较。 142.2.2不同化学吸收法的比较 142.2.3化学吸收剂的比较 152.2.4工艺确定 152.3工艺描述 162.3.1吸收工段工艺流程描述 162.3.3反应工段工艺 182.3.4精馏工艺 18第3章物料衡算和能量衡算 193.1吸收工段物料衡算和能量衡算 193.2预处理工段物料衡算和能量衡算 193.2.1二氧化碳一级压缩物料及能量守恒 193.2.2二氧化碳一级压缩后换热冷却物料及能量衡算 203.2.3二氧化碳二级压缩物料及能量守恒 213.2.4二氧化碳二级压缩后换热冷却物料及能量衡算 223.2.5二氧化碳三级压缩物料及能量守恒 233.2.6二氧化碳三级压缩后换热冷却物料及能量衡算 243.2.7氢气的压缩物料及能量守恒 253.2.8循环气的压缩物料及能量守恒 263.3反应工段物料衡算和能量衡算 283.3.1物料衡算 283.3.2能量衡算 29第4章吸收解吸塔的计算及设计 324.1所需物性参数的计算： 324.1.1密度 324.1.2粘度 334.1.3扩散系数 344.2吸收塔的具体计算 364.2.1计算数据 364.2.2填料塔具体计算过程 374.2.3技术性能特性 454.2.3.1液泛 454.2.3.2操作负荷性能图 454.2.4塔内构件的选择 474.3解吸塔的具体计算 484.3.1计算数据 484.3.2填料塔具体计算过程 494.3.3技术性能特性 564.3.3.1液泛 564.3.3.2操作负荷性能图 56第5章反应器设计 595.1反应器的选择 595.2催化剂选择 605.3反应器的设计 605.3.1热力学计算 605.3.2反应器体积计算 615.3.2.1绝热段模型 615.3.2.2列管段模型 625.3.2.3物料衡算 625.3.2.4热量衡算 645.3.2.5床层压力降 665.4计算流程如下 675.5反应器结构机械设计 68第6章设备选型 696.1泵的选型 696.1.1泵的选用原则 696.1.2选型结果 696.2换热器选型和设计 706.2.1换热器的设计和选用应该考虑的问题 706.2.2.1初步模拟结果初步选型 716.2.2.2校核结果和选型 736.2.3选型依据和过程 756.2.4其他换热器的工艺条件和要求以及选型结果逐一列出。 76第7章管路设计 847.1管路设计的内容包含： 847.2进塔管为例说明管路设计过程 84第8章自动控制方案 908.1泵的控制 908.2换热器自动控制 908.2.1无相变换热器的控制 908.2.2有相变的换热器控制 918.3压缩机控制 928.4反应器的控制 928.5精馏塔的控制 93第1章总论1.1项目名称及性质(1)项目名称：５万吨/年燃煤电厂烟气二氧化碳捕集及后续３.５万吨／年制甲醇项目设计；(2)承办单位名称：XXXX电厂；(3)企业性质：国有；(4)投资项目的性质：扩建；(5)项目类型：化工。1.2可行研究报告编制依据、指导思想和原则1.2.1编制依据(1)2010年“XX化学杯”大学生化工设计大赛指导书；(2)国家地区建设、税收等有关法律、法规；(3)XXXX电厂地理、人文、经济等因素；(4)发改投资[2006]1325号《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）；(5)《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国劳动安全法》等相关的国家法律、法规；(6)化工建设项目可行性研究报告内容和深度的规定；(7)项目建议书审批文件。1.2.2指导思想及性质(1)严格遵守国家和地区的相关政策以及法律法规，符合国家的产业政策、投资方向及行业和地区的规划；(2)采用有发展潜力的生产工艺和技术；(3)坚持科学发展，以人为本，重视环境保护、安全和工业卫生。三废治理、消防、安全、劳动保护措施必须同主体装置的设计、建设、投运同时进行。污染物的排放必须达到规定的指标，并保证工厂安全运行和操作人员的健康不受损害；(4)以经济效益为中心，加强项目的市场调研，做好市场分析及风险性评价，降低建设投资，最大限度地降低项目产品生产成本，提高项目经济效益，增强项目产品的竞争能力。1.3研究范围(1)建设意义；(2)市场分析；(3)工艺选择及原料来源；(4)建设规模及产品方案；(5)厂址选择；(6)效益分析。1.4研究结论(1)二氧化碳捕集采用工业上成熟的化学吸收法，以一乙醇胺（MEA）为吸收剂，通过热解吸释放二氧化碳；一乙醇胺（MEA）具有一定的腐蚀性，且易被烟气带进的氧气氧化，因此需要加入抗氧化剂及缓蚀剂。(2)本项目的原料氢气及产品甲醇均是易燃易爆物质，在生产过程中存在火灾、爆炸等有害因素，因此要做好预防这些有害因素的工作，即在工程设计、工程施工、环境保护、安全卫生、生产管理等方面必须严格按规范进行，以确保建设及生产的安全性。(3)一乙醇胺（MEA）具有吸收二氧化碳是速率快，单位质量一乙醇胺（MEA）具有较高的吸收能力，因此具有一定的经济优势。(4)本项目拟建在XXXX电厂依托长寿化工园区充裕的氢气作为后续制甲醇的原料1.5存在的问题(1)本项目后续制甲醇工艺的产品甲醇及原料氢气均是易燃易爆的物质，因此在生产过程中存在火灾及爆炸等危险因素。甲醇具有较强的毒性，对人体的神经系统和血液系统影响最大，它经消化道、呼吸道或皮肤摄入都会产生毒性反应，甲醇蒸汽能损害人的呼吸道粘膜和视力。因此，本项目的建设应根据其生产原料和产品的特殊物理化学性质，在工程设计、工程施工、环境保护、安全卫生、生产管理等方面必须严格按规范进行，以确保建设及生产的安全性。(2)由于后续工制甲醇工艺需要氢气，因此在一定程度上限制了厂址的选择。(3)目前以二氧化碳制取甲醇的工艺还未工业化，技术还不够成熟，因此本项目存在一定的风险。(4)可行性研究报告中所采用的产品价格是分析了近几年来市场价格的趋势所定的，当原料及产品的价格变动较大时将会对财务及经济分析产生一定的影响。第2章工艺路线确定与描述2.1二氧化碳的用途C02是一种重要的工业气体，食品业、化学工业、机械工业、农业、商业、运输、石油开采、国防、消防等部门都广泛用C02。自1995年起，全球C02市场一直吃紧，出现供不应求的局面。回收的C02中约40％用于生产其它化学品，35％用于提高油采收率，10％用于制冷，5％用于饮料碳酸化，其他应用领域占10％。CO2的利用主要有以下方面。2.1.1超临界萃取利用C02超临界萃取，目前国内有关研究部门已经利用该技术提纯100多种生物的精素，尤其是在生物制药领域和食品保健等品方面，国内已经有几套工业装置。2.1.2炼钢吹炼气应用C02代替如用于转炉炼钢吹炼气，可大幅度降低炼钢成本。该技术已在日本普遍应用，并已获得可观的经济效益。近日，我国已将该新技术推广，拟在全国钢厂推广应用。2.1.3饮料添加剂C02可用作汽水、啤酒、可乐、碳酸饮料等充气添加剂。广州氮肥厂10000t／a能力的食品级C02全部供给健力宝饮料使用。美国人均消耗饮料为147kg，全球的饮料人均消耗量为21.3kg／a。而我国在1998年，饮料人均消耗仅为4.5k/a。近年来，C02作为饮料添加剂已得到广泛的应用。随着国外饮料企业集团在中国安家落户及国内饮料迅速发展，食品级C02用量逐年上升，其生产方法也成为热门话题。2.1.4焊接保护气C02保护焊接是一种公认的高效率、低成本、省时省力的焊接方法，并具有可变形小、油锈敏感性低、抗裂、致密性好。与手工电弧焊相比，自动C02气体保护焊接的功效可提高2～5倍，半自动可提高2倍，能耗下降50％。我国c02气体保护焊接仅占全部焊接的5％，发达国家67％，全球平均水平为23％，发展前景十分乐观。2.1.5烟丝膨胀剂传统的烟丝膨胀剂是用氟里昂制作，它能破坏氧层，我国是全面禁止使用氟里昂缔约国，至2006年全面禁止使用氟里昂。我国国内现有7套用C倪作烟丝膨胀剂，烟草行业如果全部用C02作烟丝膨胀剂，按我国目前烟草产销规模，每年所需消耗C02约30×104t。C02在使烟丝膨化中降低焦油和尼古丁的含量，提高香烟等级，还可节省烟5％。6％，降低了成本。烟丝膨胀技术已成为卷烟厂技术改造重点，应用于我国多家大型卷烟厂。2.1.6食品冷藏保鲜剂C02自然降氧，气调保鲜是国际上广泛应用的较现代化的方法。C02气调保鲜是注入高浓度C02降低02含量，以抑制果蔬中微生物呼吸，制止病菌发生，因其不含化学防腐剂而深受人们欢迎。华南农学院有关研究表明，用C02气调贮藏荔枝，C02气体浓度15％。30％条件下贮存30～40d，基本保持原有的色泽和风味。把鸡蛋放在30％～40％C02气体中经6～10d处理，CO2通过蛋壳渗透至鸡蛋内，延迟形成水样蛋白的速度，从而达到保鲜目的。冷藏食品解冻时，其温度、味道、质地、营养及外观均不改变，并且不含化学防腐剂，因而深受人们欢迎。目前，上海、广州、深圳等地超市利用干冰对高档蔬菜防腐、保鲜，各地民航也利用干冰作为航空食品冷冻、保鲜。2.1.7油田助采剂利用C02作油田助采剂可提高石油采收率7％～15％，提高采收率技术的发展极为迅速，使全世界的石油产量提高近一半。2.1.8植物气肥植物叶绿素在光合作用下吸收C02产生植物淀粉，这是植物生长的自然规律。用C02制成气肥，加大植物生产空间中C02浓度，可增加植物的干物质从而达到增产的目的。由山东农科院、大连人工公司研制成的C02气体肥，在山东、河北、河南、辽宁、吉林、黑龙江等省大面积推广，根据推广使用情况，每亩蔬菜大棚的增产幅度在20％。60％之间。建设3．5kt／aC02气肥装置(有高纯度的C02气源)，设备投资仅十几万元，年利润可达百万元。所以潜在着巨大的发展市场。同时C02用于覆盖植物的气肥，还可提高光合作用效率，使作物早熟，产量提高，品质得到改良。2.1.9抑爆充加剂利用C02抑爆理论对化工系统动火可避免停车装置，隔绝气源等繁琐操作，节省大量人力、物力。C02还是优良灭火剂，广泛应用于消防行业。2.1.10木材保存剂在密闭容器，用含有0．1％。10％异硫氰酸烯丙酯的干冰蒸汽熏木材，可延长其保存期。2.1.11混凝土添加剂在搅抖混凝土时混入粉末状干冰，可控制混凝土的热裂解。2.1.12核反应堆净化剂通过核反应堆中的干冰制造装置，可脱除其放射性物质。2.1.13灰尘遮蔽剂在冶炼金属的出炉或运输过程中，压人干冰来遮蔽热金属，可使灰尘的放逸量减少87％左右。2.1.14废润滑油净化、回收剂法国原子能委员会(cra)的研究人员已获得一项超临界CQ和陶瓷超滤膜去除杂质回收废润滑油的技术专利。该处理法成本大约与酸沉淀法相同，但节省了污泥处置费。2.1.15工业设备残留物质、污垢清除剂日本氧气公司开发成功用干冰丸粒清除工业设备和其它表面附着的残留物质、污垢技术。该技术具有不引起二次污染，对底材无任何影响，不产生粉尘等优点。此法已成功用于清理铁路货车和橡胶轮胎模具。2.1.16灭菌剂利用临界状态C02对液体食品进行杀菌处理，可节省约2／3的电力成本。2.1.17硼砂将预处理的硼镁矿粉与碳酸钠溶液混合加热，然后再通人C02，外压后反应即可制得硼砂，它主要用于玻璃和陶瓷行业。此外在冶金、化工、机械等部门也有广泛应用。2.1.18用于生产泡沫板材道光化学公司以C02为现有聚苯乙烯泡沫板用发泡剂的替代物，已在世界范围内发放这项新技术的许可证。此板厚度6—35mm，环境污染小，并具有发泡剂用量省等优点。2.1.19用于生产无机化工产品利用C02与金属或非金属氧化物为原料生产的无机化工产品主要有轻质MgC03、Na2C03、NaI．CaC03、K2C03、碱式PbC03、Mgo等多为基本化工原料，广泛用于冶金、化工、轻工、建材、医药、电子机械等行业。2.1.20白炭黑白炭黑可由硅酸钠和精制C02气体反应制得，它可用作橡胶补强剂，塑料填充料，润滑剂和绝缘材料等。目前我国白炭黑的生产厂家不少，但产量满足不了国内需求，产品畅销。2.1.21轻质氧化镁白云石经煅烧，硝化处理后，再经C02碳化、热解等一系列处理后制得轻质氧化镁，它主要用于制造陶瓷和耐火材料。此外还可用作磨光剂、油漆及纸张的填料、催化剂的原料、橡胶促进剂等。2.1.22代替氟氮烃用发泡剂C02用作泡沫塑料发泡剂比氟氮烃类发泡剂对环境污染小，用量小，易于回收利用，无毒可制作降解饮食餐具。2.1.23用于生产有机化工产品①双氰胺。主要用作制造胍盐，三聚氰胺及染料、涂料、胶粘剂的原料。②水杨酸。主要用作医药、染料、香料工业的中间体和食品添加剂以及用作橡胶助剂，紫外吸收剂，酚醛树酯固化剂等。③碳酸丙烯酯。它对高分子物质有良好的溶解性，对脱除石油裂解气、油田气、合成氨变换气中的CO2气效果显著。广泛用于印染、轻纺、有机合成等行业。④碳酸乙二醇酯。主要用作多种聚合物和树脂的溶剂，萃取剂以及医药、橡胶助剂和纺织整理剂，羟乙基化试剂，水玻璃系浆料等。⑤对羟基苯甲酸及其酯。它们是尼泊金酯类的重要中间体，可用作食品保鲜剂、化妆品杀菌剂、医药消毒杀菌剂等，也可用于制造有机磷杀虫剂、杀腈和制备耐高温液晶聚合晶。⑥甲醇。Topsφe公司实现了由CO2和H2直接合成甲醇的工业化生产。日本东京瓦斯公司技术研究开发了用C02合成甲醇的新技术，这种技术的关键是采用氧化铝加铜和锌制成的新型催化剂。⑦甲醇及其衍生物。利用超临界C02同时作溶剂和反应物，在三甲基膦系催化剂存在下，CO2与H2可以高效合成甲酸。甲酸本身不但是醋酸和香料、医药品生产的原料，而且加热也能分解为CO：与H2，因此这种方法可将H2保存，极为方便安全。⑧甲烷。甲烷主要来自天然气，但天然气日趋短缺，因此C02转化为甲烷是个具有战略意义的课题。日本东北电力公司和日立公司联合研制成功一种C02转化为甲烷的新型催化剂，该催化剂类似于控制汽车排放物所用的催化剂，其中99％是由活性气组成的载体，其l％为覆盖载体表面上的锰和铑，在常压300℃下CQ和H2之比为l：4，co：转化率为90％。2.1.24自1979年首次发表利用C02作原料合成高分子化合物的研究报导以来，这方面的开发研究十分迅速，合成了许多品种的高分子化合物，其中有不少进入实用化阶段。①碳酸酯。聚碳酸酯(PC)可以加工成透明有韧性的薄膜，耐热性能好，热分解温度为200。250℃，无毒、透气性比聚乙烯、聚丙烯薄膜优良。能释放C02可用仪器食品包装的保鲜。若在侧链上引入羧基，可提高亲水性，由此可开发出应用前景广泛的塑料薄膜。②聚脲。C02和芳香族二胺发生缩合反应可以制得聚脲，它是一种优良的工程塑料，具有独特的生物分解性，可用作医用高分子材料。③聚氨基甲酸酯。C02与环状胺类化合物发生聚合反应，可合成具有氨基甲酸酯单元聚合体。Co，和丙烯腈以及三亚乙基二胺也能发生聚合反应生产含有氨基甲酸酯单元的三元共聚合体。④聚酮、聚醚、聚酮醚酯。由C02和十四双炔发生分子间的环化反应得到的交联共聚体是含有环状酯类结构的聚酮聚双吡喃基甲酮。双炔烃与c02发生交联聚合反应，可合成唯一具有梯形结构致辞酮。c02与乙烯基醚发生聚合反应，可得到既有聚酯结构，又有聚酮，聚醚结构的共聚物。将c02与丁二烯或二烯等共轭双烯加热到800。1000℃时，也可得到含有聚酯，聚酮，聚醚结构的共聚物。⑤液晶聚合物。高分子液晶聚合物兼具低分子液晶和聚合物各种性能，具有良好的耐热、耐燃、耐腐蚀、电绝缘性能，且在高温下能保持良好的刚性和强度。因此二氧化碳的用途是极其广泛的，但是目前全球的二氧化碳的用量都是非常有限的。究其原因还是目前二氧化碳的利用不具有规模性，以及经济效益不显著。就以上用途讲现在都不具有规模，经济效益上作为油田助采剂是目前最具有经济效益的利用途径。以化工的角度看合成有机产品将二氧化碳作为新的碳源是最具有潜力，最具有可行性的利用途径。而生产有机产品中应当多元化发展，尤其应该注意生产大宗化工原料，以便形成规模性利用。在生产大宗原料中以合成甲醇为首选。甲醇的用途极为广泛，在有机合成中，仅次于烯烃和芳烃的重要基础有机原料。甲醇的用量非常大，2004年全球需求量就已经超过3200万吨，而且增长势头强劲。目前甲醇的合成方法主要还是合成气合成甲醇。如果能用从烟气捕集来的二氧化碳替代天然气作为合成甲醇的原料则可大幅降低成本，同时达到二氧化碳的减排。关键在于二氧化碳捕集的成本和合成甲醇用的催化剂。2.2工艺路线比较2.2.1吸收法的比较。工业上采用的气体吸收法有化学吸收法和物理吸收法，其特征，所使用的吸收剂及优缺点列于下表4-1。表3-1物理吸收法与化学吸收法的比较吸收法描述吸收剂优缺点物理吸收法该法是在加压下用有机溶剂对酸性气体进行吸收来达到分离脱除的目的。环丁砜、聚乙二醇二甲醚、三乙醇胺N-甲基吡咯烷酮等由于不发生化学反应,溶剂的再生通过降压来实现,因此所需再生能量比化学吸收法少。适合于CO2分压较高,净化度要求低的情况。化学吸收法该法是原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应,CO2被吸收至溶剂中成为富液,富液进入解析塔加热分解出CO2从而达到分离回收CO2的目的。乙醇胺类的水溶液、K2CO3水溶液、氨水采用化学吸收法进行燃烧后CO2捕集,具有吸收速度快、吸收能力强、处理量大、回收CO2纯度高等优点。适用于CO2分压较低的场合，但能耗相对较。2.2.2不同化学吸收法的比较化学吸收法因其工艺简单、技术较为成熟,近几十年在国外得到了广泛的研究和应用。且由于电厂烟气中二氧化碳的摩尔含量仅14%左右，其分压不高，因此对电厂中烟气的捕集适宜采用化学吸收法。各种不同的化学吸收法的比较见下表。表3-2不同化学吸收法的比较化学吸收法优缺点热钾碱法吸收剂相对易得，吸收剂成本较低；但是K2CO3吸收CO2速率较慢,常压下不适用于电厂烟气的捕集，且溶液对设备的腐蚀性较大。氨水吸收法氨水法即以氨水为吸收剂,该法脱碳吸收效率高。氨容易再生,并可得到高纯度的CO2,所得副产品NH4HCO3是我国农业上广泛应用的氮肥,具有一定的经济效益。但氨水脱碳工艺中常常存在一些问题如NH4HCO3稳定性较差,作为肥料施加到土壤里以后,很快就会分解释放CO2,使其重新返回到大气中。醇胺法醇胺法吸收速率快、吸收效率高，工艺发展时间长，技术成熟。但醇胺存在一定的降解和腐蚀性。2.2.3化学吸收剂的比较不同种类的醇胺溶液在不同浓度下对二氧化碳的脱除率如图所示图3-1不同浓度胺溶液对烟气中二氧化碳的脱除率2.2.4工艺确定结合二氧化碳的捕集路线和捕集法的比较，本项目选择采用燃烧后捕集，以醇胺法吸收二氧化碳，吸收剂采用一乙醇胺（MEA）。其理由如下：(1)本项目是在已有燃煤电厂的基础上实施二氧化碳捕集，采用其燃烧后的烟气作为原料。富氧燃烧，燃烧前脱碳以及化学链燃烧技术都需要对原电厂本身进行较大的改进，因此不适用于本项目。即采用燃烧后捕集。(2)电厂烟气二氧化碳的摩尔分率在14%左右，分压不是很高，宜采用化学吸收发，考虑到后续制甲醇工段，对二氧化碳的纯度有要求，且化学吸收法具有吸收速度快、吸收能力强、处理量大的优点。综合考虑应该采用化学吸收法。(3)考虑到醇胺法具有吸收速率快，吸收效率高，发展时间长，技术成熟易行。因此本项目采用醇胺法。(4)吸收剂的选择。一乙醇胺具有单位质量吸收二氧化碳量大的特点，且在广泛的浓度内对二氧化碳的脱除率较高。考虑到本项目对二氧化碳的脱除率在80%以上，综合考虑选择一乙醇胺(MEA)作为吸收剂。选定方案的为用MEA吸收二氧化碳，用于合成甲醇。2.3工艺描述2.3.1吸收工段工艺流程描述图1如图1所示为烟气捕集的大致流程。整个吸收系统包括一个吸收塔，一个解吸塔，一个贫富液换热器，一个贫液冷却器，解吸塔再沸器，解吸塔冷凝器和一个气液分离器。烟气二氧化碳含量约为14%，烟气通过风机从烟道引出经过脱硫、脱硝、除尘后进入吸收塔。吸收塔里面有三段填料，其中下面两段各高4.5m，为MEA吸收二氧化碳提供气液接触条件。上面一段高1m，为洗涤尾气提供气液接触条件。尾气洗涤是为了回收尾气中微量的MEA，一方面可以减少MEA的损失，另一方面降低对环境的影响。塔顶有高效丝网除沫器除去液沫。塔底有液体储槽储存吸收了二氧化碳的MEA富液。富液通过富液泵与贫液进行热交换后温度上升为95℃左右，送往解吸塔塔顶进行解吸。解吸塔的结构和吸收塔相似有两段填料，塔顶有一冷凝器和气液分离器，将解吸出来的再生气中的水和MEA冷凝从再生气中分离出去，然后送回解吸塔以维持整个吸收系统中的水平衡和MEA平衡。再生气经冷凝气液分离后主要成分即为二氧化碳，含有少量的氧气、氮气、水蒸气以及极少量的MEA。再生的二氧化碳送往后续原料预处理工段。2.3.2预处理工段工艺图2原料预处理工段如图2所示：二氧化碳从解吸塔出来后进入预处理工段，预处理工段的主要目的是除去二氧化碳中少量的水、氧气、氮气，并对二氧化碳和氢气进行加压和预热使其达到反应所需条件。氢气和循环气都不需要额外的处理直接加压便可达到压力要求。主要处理的为二氧化碳，二氧化碳从解吸塔出来后压力大约为0.1MPa，需经过三段压缩后方可达到要求。一段压缩后压力可以达到0.35MPa，温度178℃。经过冷却水冷凝后温度约为50℃，此时会有一部分水会液化将气液混合物通入气液分离器将水除去。进入二段压缩，经过二段压缩后压力变为1.2MPa，温度约为178℃。进过换热冷凝后温度降为50℃，在这里可以将绝大部分的水冷凝为液体在气液分离器除去。然后再进入三段压缩，三段压缩出口压力为4.2MPa，温度175℃。与冷二氧化碳气体换热后温度降为30℃，通过制冷将二氧化碳冷凝成为液体温度约为3℃，用泵将液体二氧化碳加压到略高于6Mpa，用冷却水将二氧化碳在气化室气化，气化后温度约21℃。将冷二氧化碳与之前三段压缩的二氧化碳换热回收冷量和热量。预热后二氧化碳温度约为132℃。将二氧化碳、氢气、循环气在混合器混合送往反应工段。2.3.3反应工段工艺图3反应工段如图3所示：二氧化碳、氢气和循环气混合后与反应器出口气换热，换热后混合气的温度约为210℃，随后进入反应器。反应器采用的是华东理工大学开发的绝热管壳复合式反应器该反应器是在Lurgi公司的外冷列管式反应器上的创新。该反应器在列管基础上添加的一层绝热催化剂层。绝热催化剂层可以使较低温度的入口气迅速升温达到最佳反应温度。这对于二氧化碳与氢气反应生成热较合成气为原料制甲醇小，具有更为重要的意义。反应器列管外有沸腾水将反应热移去，保证反应处于较平稳的温度范围，并副产低压蒸汽。反应后气体温度上升为245℃，压力略有下降。反应气与进料气换热后温度下降到157℃，将反应出口气冷凝35℃，大部分的水和甲醇会冷凝为液体，送往精馏塔精馏。其余的为气体作为循环气。2.3.4精馏工艺精馏工艺非常简单，就是一个单塔精馏。原因是原料组成和产品要求的结果，在我们的工艺中原料是二氧化碳和氢气，都是非常纯净的，目标产品为燃料甲醇。二氧化碳和氢气的反应式为从反应式中我们可以看到有大量的水生成，而副反应生成二甲醚、乙醇、杂醇、高级烷烃等都是脱水反应。反应中生成了大量的水显然是不利于副反应的进行。现在的铜基催化剂选择性相当高，以天然气为原料合成甲醇的杂质含量一般不超过0.005%，以煤为原料合成甲醇的杂质含量也不超过0.01%，因此以纯净的氢气和二氧化碳合成甲醇的杂质含量必然很低。采用单塔精馏可以满足产品要求。第3章物料衡算和能量衡算3.1吸收工段物料衡算和能量衡算3.2预处理工段物料衡算和能量衡算3.2.1二氧化碳一级压缩物料及能量守恒经二氧化碳捕集工段得到的二氧化碳要进入压缩机C201中进行一级压缩，压缩机C201的进出物流见图3.1，物流平衡计算结果见表3.1，能量平衡结果见表3.2图3.1压缩机C201的进出物流表3.1压缩机C201的物流平衡表项目进料物流IN出料物流OUT组分流量Kmol/hrN25×10-75×10-7CO2142.0142.0H2O2.883×10-32.883×10-3总流量kmol/hr142.1142.1总流量kg/hr62516251总流量cum/hr37791523温度K323.15451.39压力Kpa10.1350气相分率1.01.0表3.2压缩机C201的能量衡算表项目进料物流IN出料物流OUT总流量kmol/hr142.1142.1焓KJ/mol-392.6.-387.4 熵KJ/Kmol-K5.9619.3173.2.2二氧化碳一级压缩后换热冷却物料及能量衡算换热器E201的进出物流见图3.2，物流平衡计算结果见表3.3，能量平衡结果见表3.4图3.2换热器E201的进出物流表3.3换热器E201的物流平衡表项目HOT-INHOT-OUTCOLD-INCOLD-OUT组分流量Kmol/hrN25×10-75×10-700CO2142.0142.000H2O2.883×10-32.883×10-3400.0400.0总流量kmol/hr142.1142.1400.0400.0总流量kg/hr625162517.2647.264总流量cum/hr151810767.2537.411温度K451.4323.15298.15319.9压力Kpa350.0350.0600.0600.0气相分率1.01.000表3.4换热器E201的能量平衡表项目HOT-INHOT-OUTCOLD-INCOLD-OUT总流量kmol/hr142.1142.1400.0400.0焓KJ/mol-387.4-392.7-289.0-287.1 熵KJ/Kmol-K9.202 4.643 171.2 165.13.2.3二氧化碳二级压缩物料及能量守恒压缩机C203的进出物流见图3.3，物流平衡计算结果见表3.5，能量平衡结果见表3.6图3.3压缩机C203的进出物流表3.5压缩机C203的物流平衡表项目进料物流IN出料物流OUT组分流量Kmol/hrN25×10-75×10-7CO2142.0142.0H2O9.610×10-49.610×10-4总流量kmol/hr142.1142.1总流量kg/hr62516251总流量cum/hr37793779温度K323.15451.39压力Kpa10.1350气相分率1.01.0表3.6压缩机C203的能量衡算表项目进料物流IN出料物流OUT总流量kmol/hr142.1142.1焓KJ/mol-392..7-387.5 熵KJ/Kmol-K-4.643-1.3103.2.4二氧化碳二级压缩后换热冷却物料及能量衡算换热器E202的进出物流见图3.4，物流平衡计算结果见表3.7，能量平衡结果见表3.8图3.4换热器E202的进出物流表3.7换热器E202的物流平衡表项目HOT-INHOT-OUTCOLD-INCOLD-OUT组分流量Kmol/hrN25×10-75×10-700CO2142.0142.000H2O9.610×10-49.610×10-4400.0400.0总流量kmol/hr142.1142.1400.0400.0总流量kg/hr6251625172067206总流量cum/hr439.3303.37.2537.416温度K451.5323.15298.15320.5压力Kpa12001200600.0600.0气相分率1.01.000表3.8换热器E202的能量平衡表项目HOT-INHOT-OUTCOLD-INCOLD-OUT总流量kmol/hr142.1142.1400.0400.0焓KJ/mol-387.5-393.0-289.0-287.1 熵KJ/Kmol-K-1.310 -1.558 -171.2 -164.93.2.5二氧化碳三级压缩物料及能量守恒压缩机C205的进出物流见图3.5，物流平衡计算结果见表3.9，能量平衡结果见表3.10图3.5压缩机C205的进出物流表3.9压缩机C205的物流平衡表项目进料物流IN出料物流OUT组分流量Kmol/hrN25×10-75×10-7CO2142.0142.0总流量kmol/hr142.0142.0总流量kg/hr62516251总流量cum/hr303.3127.8温度K323.15449.9压力Kpa12004000气相分率1.01.0表3.10压缩机C205的能量衡算表项目进料物流IN出料物流OUT总流量kmol/hr142.0142.0焓KJ/mol-393.0-388.1 熵KJ/Kmol-K-15.58-12.433.2.6二氧化碳三级压缩后换热冷却物料及能量衡算换热器E203的进出物流见图3.6，物流平衡计算结果见表3.11，能量平衡结果见表3.12图3.6换热器E203的进出物流表3.11换热器E203的物流平衡表项目HOT-INHOT-OUTCOLD-INCOLD-OUT组分流量Kmol/hrN25×10-75×10-700CO2142.0142.0142.0142.0总流量kmol/hr142.0142.0142.0142.0总流量kg/hr6251625172067206总流量cum/hr127.869.997.2537.416温度K451.5323.1530.6772.53压力Kpa4000400060006000气相分率1.01.01.01.0表3.12换热器E203的能量平衡表项目HOT-INHOT-OUTCOLD-INCOLD-OUT总流量kmol/hr142.0142.0142.0142.0焓KJ/mol-388.1-395.2-397.8-390.7 熵KJ/Kmol-K-12.43 -31.63 -42.53 -21.603.2.7氢气的压缩物料及能量守恒压缩机C202的进出物流见图3.7，物流平衡计算结果见表3.13，能量平衡结果见表3.14图3.7压缩机C202的进出物流表3.13压缩机C202的物流平衡表项目进料物流IN出料物流OUT组分流量Kmol/hrH2426.0426.0总流量kmol/hr426.0426.0总流量kg/hr858.8858.8总流量cum/hr543.2277.3温度K303.15458.7压力Kpa20006000气相分率1.01.0表3.14压缩机C202的能量衡算表项目进料物流IN出料物流OUT总流量kmol/hr426.0426.0焓KJ/mol0.16720.4771熵KJ/Kmol-K-24.34-21.393.2.8循环气的压缩物料及能量守恒压缩机C202的进出物流见图3.8，物流平衡计算结果见表3.15，能量平衡结果见表3.16图3.8压缩机C204的进出物流表3.15压缩机C204的物流平衡表项目进料物流IN出料物流OUT组分流量Kmol/hrH237573757CO2903.7903.7CO92.2092.20CH3OH19.0119.01H2O19.0119.01总流量kmol/hr47734773总流量kg/hr5056950569总流量cum/hr41212685温度K308.15395.3压力Kpa30006000气相分率1.01.0表3.16压缩机C204的能量衡算表项目进料物流IN出料物流OUT总流量kmol/hr47734773焓KJ/mol-77.28-74.52熵KJ/Kmol-K-20.67-18.653.3反应工段物料衡算和能量衡算3.3.1物料衡算反应物料在进入反应器进行反应之前需预先进行混合和预热，混合器物料衡算如下混合器物料衡算成分物流H2kmol/hCO2kmol/hCOkmol/hCH3OHkmol/hH2Okmol/h合计kmol/h氢气4260000426二氧化碳0142000142循环气3756.6242903.659692.200619.01381.901384773.39958混合气4182.62421045.659692.200619.01381.901385341.39958反应器物料衡算成分物流H2kmol/hCO2kmol/hCOkmol/hCH3OHkmol/h进料4182.62421045.659692.200619.0138出料3756.6242903.659692.2006160.957续表CH3OCH3kmol/hC2H5OHkmol/hH2Okmol/h合计kmol/h001.901385341.399580.028840.02884143.930225057.39958气液分离器物料衡算成分物流H2kmol/hCO2kmol/hCOkmol/hCH3OHkmol/h液体000141.9432气体3756.6242903.659692.200619.0138续表CH3OCH3kmol/hC2H5OHkmol/hH2Okmol/h合计kmol/h0.028840.02884142.02884284001.901384773.399583.3.2能量衡算反应工段能量衡算如下：计算所用的物性数据组分J/molJ/molH202.71E+019.27E-03-1.38E-057.65E-09CO-1.11E+053.09E+01-1.29E-022.79E-05-1.27E-08CO2-3.94E+051.98E+017.34E-02-5.60E-051.72E-08CH3OH-2.01E+052.12E+017.09E-022.59E-05-2.85E-08H2O-2.42E+053.22E+011.92E-031.06E-05-3.60E-09计算中的近似处理，因反应中生成的杂质极少，所以计算反应热和物流焓变时是生成产物只生成主产物无副反应。热量衡算的流程：210210℃25℃245℃25℃根据以上热力学数据计算各组分在25℃下的热容，和在210℃时的热容结果如下单位J/mol温度组分25℃热容210℃热容平均热容H22.88E+012.92E+012.90E+01CO2.92E+012.97E+012.95E+01CO23.72E+014.41E+014.06E+01CH3OH4.39E+015.83E+015.11E+01H2O3.36E+013.52E+013.44E+01式中——为各组分的摩尔流量mol/h——各组分的平均摩尔热容计算出J/h反应热式中——每小时生成的甲醇量mol/h——25℃时反应热J/molJ/h计算25℃和245温度组分25℃热容245℃热容平均热容H22.88E+012.93E+0129.04971CO2.92E+012.99E+0129.56233CO23.72E+014.51E+0141.14124CH3OH4.39E+016.08E+0152.31944H2O3.36E+013.55E+0134.56832计算得J/hJ/h热损失按5%计算，J/h沸腾水带走的热量，J/h查得230℃饱和水的气化热为r=1813kJ/kg沸腾水的用量，kg/h第4章吸收解吸塔的计算及设计4.1所需物性参数的计算：4.1.1密度（1）.烟气密度所用混合烟气密度计算公式如下：表1：烟气含量：成分N2O2CO2SO2颗粒物含量（mol%）81514<50PPm50mg/m3计算结果为：T＝313K时，ρG＝1.17kg/mol（2）.液体密度所用吸收溶液密度可根据Little等人的计算公式确定。表2：不同温度下的MEA水溶液密度的多项式系数：计算结果如下表：温度（K）313325393368密度（kg/m3）1053.54939.43994.03915.084.1.2粘度（1）.气体粘度气体在不同温度下的动力粘度系数μ可用Sutherland公式进行计算：混合气体的动力粘度系数可用下式近似计算：烟气中各组分的，分子量mi和Sutherland常数：气体mTS(K)N217.028114O220.332131CO213.744254计算结果如下：T=313K时，＝1.879×10-5Pa·sT=393K时，=1.28×10-5Pa·s（2）.液体粘度不同温度下MEA水溶液粘度的多项式系数：计算结果如下：T=313K时，=1.388mPa·s4.1.3扩散系数（1）CO2在烟气中的扩散系数CO2在烟气中的扩散系数可以利用Fuller等人提出的经验公式计算：计算结果如下：DCO2,烟气＝1.806×10-5mDCO2,水蒸气＝1.35×10-5m（2）CO2在溶液中的扩散系数CO2在MEA溶液中的扩散率和物理溶解度的求解利用N2O类推的方法进行计算：Versteeg等人测定了不同温度下CO2和N2O在水中的扩散率分别为：N2O在不同浓度的MEA水溶液中的扩散率由Ko等人的测算值给出：计算结果如下：DCO2,L＝2.23×10-9m（3）溶解度利用与求解液相扩散系数相似的方法，可以利用N2O的溶解类推出CO2的溶解度：根据Wang等人定义R的研究，N2O在纯MEA液体中的溶解度为：表4：MEA-H2O体系中计算的系数：计算结果如下：HCO2,L＝4482kPa·m3/kmol4.2吸收塔的具体计算4.2.1计算数据（1）塔操作条件：操作压力P=0.1MPa；吸收液MEA进口温度T=40℃吸收液MEA浓度为：5mol/L烟气进口温度T=40（2）烟气含量成分N2O2CO2SO2颗粒物含量（mol%）81514<50PPm50mg/m3烟气物性数据密度：1.17kg/m3分子量：M烟=30.44kg粘度：μ烟=1.879×10-5Pa·S（3）吸收液MEA物性数据浓度：5mol/L质量分数：30%分子量：ML=22.73kg/kmol密度：1000.98kg/m3粘度：μL=1.388mPa·S（4）计算所需参数扩散系数：CO2在烟气中的扩散系数DG=1.806×10-5mCO2在MEA溶液中的扩散系数DL=2.23×10-9mCO2在MEA水溶液中的亨利系数：HCO2,L=4482kPa·m3/kmol贫液进口负载：0.13molCO2/molMEA富液出口负载：0.486molCO2/molMEA贫富液中各组分含量如下表：成分MEACOO-MEA+MEAH2O贫液含量（mol%）0.01430.01430.08140.89富液含量（mol%）0.05350.05350.0030.894.2.2填料塔具体计算过程（1）相平衡关系：CO2与MEA的反应速度很快，反应平衡常数Ka和反应速率常数k2均很大。反应式为：logk2＝10.99－2152/T；T=313Kk2＝13019.7L/（mol·s）可得：其中：R为反应转化率；HCO2为亨利系数。则相平衡方程为：Y＝0.33X2其中：Y—气相molCO2/mol惰性气体；X—液相molCO2/molMEA。（2）物料衡算：产量为5万t/a，工作时间为8000h/a，吸收率为90%，则有：全捕集CO2过程的物料衡算：GCO2=G烟×0.14×0.9=142.04Kmol/h得：G烟=1127.34Kmol/h=34316.4Kg/h=29330.24m3/h=8.15m烟气中惰性气体流量：GB=1127.34×0.86=969.5Kmol/h吸收塔物料衡算：由于是高含量气体吸收：利用最小液汽比：可得到：纯MEA的流量LS＝1.2(LS)min＝400Kmol/h＝24400kg/h即：MEA水溶液的流量L=81333.4kg/h=82m3做物料衡算如下式：代入以上计算所得数据得：富液的出口负载X1＝＝0.486molCO2/molMEA（3）填料的选择：金属孔板波纹填料具有通量大，阻力小，效率较高，造价便宜，抗污染能力较强等优点，适用于常压及加压逆流吸收过程，例如CO2，H2S，HCl等。尤其在大型塔器使用中，对提高产品的产量和质量，降低能耗都有明显经济效果。以下是各种规整填料的几何参数：其中250Y的研究最多，应用也是最广泛的一种，其具体的结构参数为：由于MEA有腐蚀性，我们选用不锈钢的mellapak250Y型的填料。（4）填料层塔径的计算：利用贝恩—霍根公式求泛点气速uf的计算：其中：烟道气密度：=1.17kg/m3；吸收剂MEA溶液的密度：=1000.98kg/m3烟道气质量流量：G=34316.4kg/h；吸收剂MEA溶液的质量流量：L=81333.4kg/h；吸收剂MEA溶液的粘度：μL=1.388mPa·S填料各参数：a=250m2/m3；=0.97可得：泛点气速uf=2.54m/s取空塔气速u=0.75uf=1.9m/s由此可得：圆整至D=2.4m检验：泛点率f=u/uf=0.71泛点率f为0.71在（0.6—0.96）之间，满足规整填料的要求。（5）填料层压降的计算：气相动能因子：泛点率：f=0.71；操作压力P=101.6KPa查图1：可得：每米填料压降（6）.每米理论板数查图2：可得：每米理论板数NT=2.8m-1（7）持液量ht的计算：其中：有效湿润表面的修正Ft＝0.94；填料的波边长S＝dh＝0.015m；有效重力加速度ge＝0.5g[(ρL－ρG)/ρL]＝4.9即：持液量ht＝4%（8）传质系数的计算：选择填料为：mellapak250Y型其主要几何参数为：对于气膜传质系数：Bravo提出以下公式计算：其中：气体粘度μG＝1.879×10-5Pa·s；气体扩散系数DG＝1.807×10-5m波边长S＝dh＝0.015m；气体密度ρG＝1.17kg/m即可得：气相传质系数kG＝0.036kmol·kPa-1·m-2·s-1对于液膜传质系数：其中：CO2在液体中的扩散系数DL＝2.23×10-9m填料表面未及时更新系数Ce＝0.9即可得：液相传质系数kL＝2.2×10-4m即总的气相传质系数为：其中：亨利系数：HCO2,L＝4482kpa·m3/kmol（9）填料层高度的计算：其中有：即有：且吸收塔的平均推动力：有传质单元数NOG：即可计算填料层高度Z：考虑生产裕量：取填料层高度Z＝9m4.2.3技术性能特性4.2.3.1液泛在液泛和接近液泛条件下：A．伴随气相流量轻微增长，压降迅速增长；B．随着气相流量的轻微增长（传质控制情况），效率快速降低；C．塔显示不稳定性。负荷因子CS为：计算得：4.2.3.2操作负荷性能图（1）.气相负荷上限由压降确定：当压降为1200Pa·s时，Mellapak250Y填料将处于液泛状态。由上图可得：当液泛时，又因为可得G＝15.47m3/s=18.1kg（2）.液相负荷上限由液泛定液相负荷上限可得L与G的关系：（3）气相负荷下限气相负荷下限尚缺乏深入的讨论和必要的实验数据，现以F=0.6作为气相负荷下限的依据。此时与之相对应的G＝2.51m3/s=2.94kg（4）.液相负荷下限该值由ae/a来确定。由上图可读出：其中：可得：Lmin＝1.934kg/s用以上所得的四个数据作图：4.2.4塔内构件的选择填料塔的内构件较为复杂，主要包括支撑圈、填料和分布器的支撑板、填料限制器、液体分布器、集液器、液体再分布器、除沫器、固定各构件的卡子等。1、支撑圈，根据吸收塔塔径2400mm选取外径mm支撑板分块数宽度mm厚度mm连接卡子代号236085014K14B2、支撑板，规整填料选用格栅板支撑板栅板条间距mm格板条间距mm分块宽度mm板条厚度mm100150286203、液体分布器，对于大塔径规整填料选用槽式分布器4、液体再分布器同样选用槽式再分布器5、除沫器选用上装式丝网除沫器6、卡子用K14B4.3解吸塔的具体计算4.3.1计算数据（1）塔操作条件：操作压力P=0.2MPa；MEA富液进口温度T=95℃再沸器工作温度T=120℃MEA贫液出口温度T=115℃塔顶温度T=110℃塔底温度T=120℃（2）水蒸气的物性参数温度T=150℃密度ρH2O=1.58kg/m3；分子量MH2O＝18kg/kmol；T＝150℃（3）MEA贫富液物性数据贫液负载：0.13molCO2/molMEA；分子量：M贫＝23.4kg/kmol；富液负载：0.486molCO2/molMEA；分子量：M富＝25.11kg/kmol；表5：不同温度下的贫富液的密度温度（K）313325368393MEA贫液密度（kg/m3）1053.54————994.03MEA富液密度（kg/m3）——939.43915.08——（4）计算所需参数：扩散系数：DG=1.806×10-5m2/sDL=2.23×10CO2在MEA水溶液中的亨利系数：HCO2=4482KPa·m3/Kmol贫液进口负载：0.13molCO2/molMEA富液出口负载：0.486molCO2/molMEA贫富液中各组分含量如下表：成分MEACOO-MEA+MEAH2O贫液含量（mol%）0.01430.01430.08140.89富液含量（mol%）0.05350.05350.0030.894.3.2填料塔具体计算过程（1）相平衡关系解吸反应式为：logk2＝10.99－2152/T；T=393Kk2＝326718L/（mol·s）可得：其中：R为反