化學(xué)工程與工藝畢業(yè)設(shè)計(jì) 年產(chǎn)40萬(wàn)噸合成氨脫碳工段的設(shè)計(jì)

《化學(xué)工程與工藝畢業(yè)設(shè)計(jì) 年產(chǎn)40萬(wàn)噸合成氨脫碳工段的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《化學(xué)工程與工藝畢業(yè)設(shè)計(jì) 年產(chǎn)40萬(wàn)噸合成氨脫碳工段的設(shè)計(jì)（60頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、年產(chǎn)40萬(wàn)噸合成氨脫碳工段的設(shè)計(jì) [摘要]脫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脫碳過(guò)程中不可缺少的塔設(shè)備。合成氨廠無(wú)論使用何種原料制成原料氣，經(jīng)變 換后，都含有大量的二氧化碳。這些二氧化碳如果不在合成氨工序前及時(shí)除凈，氨的合成就無(wú)法進(jìn)行下去；另一方面，二氧化碳本身是制取尿素、碳酸氫銨等產(chǎn)品的原料，也可加工成干冰、食品級(jí)二氧化碳。二氧化碳吸收塔的設(shè)計(jì)具有回收二氧化碳的功能。 本文權(quán)衡眾多合成氨脫碳方法之利弊，最終選擇碳酸丙烯酯脫碳法。首先進(jìn)行工藝流程分析并根據(jù)工藝參數(shù)及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二氧化碳吸收塔和解析塔內(nèi)的物、熱量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生

2、塔等設(shè)備利用物理吸收機(jī)理、傳質(zhì)傳熱方程、溶液物性數(shù)據(jù)等方面的知識(shí)進(jìn)行塔體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算；然后對(duì)二氧化碳吸收和解析塔進(jìn)行了必要的強(qiáng)度校核；最后對(duì)脫碳工段車間結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)作為理論上的準(zhǔn)備工作，為分析工藝流程、設(shè)備設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題、確定問(wèn)題的根源、提出解決問(wèn)題的合理方案準(zhǔn)備了充分的理論依據(jù)。 [關(guān)鍵詞] 碳酸丙烯酯法；脫碳工藝；工程設(shè)計(jì) The Design of the Decarbonization Section in the Production of the 40 thousand tons Synthetic Ammonia per year Abs

3、tract:Decarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the Synthetic Ammonia, and the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are indispensable tower equipment in the Synthetic Ammonia. Whether the ammonia plant use what raw materials to make feed gas,

4、 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 hand, the Carbon dioxide is the raw material of the urea and ammonium bicarbonate etc,it can be processed carbon dioxide ice, food grade Carb

5、on dioxide. Designing Carbon dioxide absorption tower is function to recovery Carbon dioxide. This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarboniza-tion is selected finally. The technological process was analyzed, and the material

6、 and heat was balanced according to parameters and relevant standards firstly. The tower body general structure was designed calculation by using physical absorption Mechanism, mass transfer and heat transfer equation, solution -physical data stc secondly. And then the strength of the Carbon dioxide

7、 absorption tower and the solution regeneration tower are checked. The decarbonizing section structural arrangement was reasonable design finally. As the theoretical preparation work, this designing prepare sufficient theoretical basis for people to analysis the problems of technological process, eq

8、uipment design, determined root of problems, posing reasonable plan to solve problems. Keywords:Decarbonization process;Carbon dioxide removal with PC method;Proeess design 目錄 第一章 緒 論 1 合成氨工業(yè)概況 1 我國(guó)合成氨工業(yè)發(fā)展概況 1 發(fā)展趨勢(shì) 1 合成氨生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述 2 合成氨工業(yè)中脫碳單元的作用 2 脫碳方法概述 2 凈化工序中脫碳方法 2 化學(xué)吸收法 2 物理吸收法 3 物

9、理化學(xué)吸收法 5 固體吸附 5 碳酸丙烯酯（PC）法法脫碳工藝基本原理 5 法脫碳技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 5 發(fā)展過(guò)程 5 技術(shù)經(jīng)濟(jì) 5 工藝流程 5 存在的問(wèn)題及解決的辦法 6 1.3.6 PC法脫碳技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 6 工藝設(shè)計(jì)的意義和目的 7 第二章 物、熱量恒算 8 計(jì)算依據(jù)CO2的PC中的溶解度關(guān)系 8 2.2 PC的密度與溫度的關(guān)系 8 2.3 PC的蒸汽壓 9 2.4 PC的黏度 9 物料衡算 9 各組分在PC中的溶解量 9 2.5.2 溶劑夾帶量 9 2.5.3 溶液帶出的氣量 9 出脫碳塔凈化氣量 9 計(jì)算PC循環(huán)量 10 入塔液中CO2夾帶量

10、10 帶出氣體的質(zhì)量流量 10 驗(yàn)算吸收液中凈化氣中CO2的含量 10 出塔氣的組成 10 熱量衡算 10 混合氣體的定壓比熱容 10 液體的比熱容 11 2.6.3 CO2的熔解熱 11 出塔溶液的溫度 11 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 確定吸收塔塔徑及相關(guān)參數(shù) 12 求取泛點(diǎn)氣速和操作氣速 12 求取塔徑 12 核算操作氣速 12 核算徑比 12 校核噴淋密度 12 填料層高度的計(jì)算 13 建立相應(yīng)的操作線方程和向平衡方程 13 利用兩線方程求取傳質(zhì)推動(dòng)力 13 3.2.3 氣相傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 14 3.2.4 氣相總傳質(zhì)單元高度 14 塔附屬高度

11、18 填料層壓降計(jì)算 19 液體初始分布器 19 絲網(wǎng)除沫器 20 防渦流擋板的選取 20 填料支撐裝置 20 填料床層限制器 21 裙座的設(shè)計(jì)計(jì)算與選取 21 確定解吸塔塔徑及相關(guān)參數(shù) 21 求取解析塔操作氣速 21 求取塔徑 22 .3核算操作氣速 22 核算徑比 22 校核噴淋密度 23 填料層高度的計(jì)算 23 建立相應(yīng)的操作線方程和向平衡方程 23 利用兩線方程求取傳質(zhì)推動(dòng)力 23 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 24 氣相總傳質(zhì)單元高度 24 塔附屬高度 28 填料層壓降計(jì)算 28 初始分布器和再分布器設(shè)計(jì) 29 氣體分布器 29 絲網(wǎng)除沫器 30

12、第四章 塔內(nèi)件機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核 31 吸收塔機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核 31 吸收塔筒體和裙座壁厚計(jì)算 31 吸收塔塔的質(zhì)量載荷計(jì)算 31 地震載荷計(jì)算 32 風(fēng)載荷計(jì)算 33 各種載荷引起的軸向應(yīng)力 35 筒體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 35 裙座和筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 36 基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì) 38 地腳螺栓計(jì)算 38 解析塔機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核 39 吸收塔筒體和裙座壁厚計(jì)算 39 解析塔塔的質(zhì)量載荷計(jì)算 39 塔自振周期計(jì)算 40 地震載荷計(jì)算 40 風(fēng)載荷計(jì)算 41 各種載荷引起的軸向應(yīng)力 43 筒體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 44 裙座和筒體水壓試

13、驗(yàn)應(yīng)力校核 44 基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì) 46 地腳螺栓計(jì)算 46 第五章 輔助設(shè)備設(shè)計(jì)與選取 48 儲(chǔ)罐的選擇 48 泵的選擇 48 風(fēng)機(jī)的選擇 49 接管管徑計(jì)算 49 進(jìn)氣管徑 49 出塔氣管徑 49 進(jìn)料管徑 49 釜液排除管徑 49 總論與評(píng)價(jià) 51 參考文獻(xiàn) 53 致謝 54 第一章 緒 論 1.1合成氨工業(yè)概況 1898年，德國(guó)A.弗蘭克等人發(fā)現(xiàn)空氣中的氮能被碳化鈣固定而生成氰氨化鈣（又稱石灰氮），進(jìn)一步與過(guò)熱水蒸氣反應(yīng)即可獲得氨： CaCN2＋3H2O→2NH3＋CaCO3 在合成氨工業(yè)化生產(chǎn)的歷史中，合成氨的生產(chǎn)規(guī)模(以合成塔

14、單塔能力為依據(jù))隨著機(jī)械、設(shè)備、儀表、催化劑等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展而有了極大提高。50年代以前，最大能力為200噸/日，60年代初為400噸/日，美國(guó)于1963年和1966年分別出現(xiàn)第一個(gè)600噸/日和1000噸/日的單系列合成氨裝置，在60-70年代出現(xiàn)1500-3000噸/日規(guī)模的合成氨。 世界上85%的合成氨用做生產(chǎn)化肥，世界上99%的氮肥生產(chǎn)是以合成氨為原料。雖然全球一體化的發(fā)展減少了用戶的選擇范圍，但市場(chǎng)的穩(wěn)定性卻相應(yīng)地增加了，世界化肥生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越集中到那些原料豐富且價(jià)格便宜的地區(qū)，中國(guó)西北部有蘊(yùn)藏豐富的煤炭資源，為發(fā)展合成氨工業(yè)提供了極其便利的條件。 1.1.1我國(guó)合成

15、氨工業(yè)發(fā)展概況 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)

16、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，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

17、生產(chǎn)能力不足，致使行業(yè)整體竟?fàn)幠芰Σ睢＿M(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。 1.1.2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

18、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)。

19、 1.1.3合成氨生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述 合成氨是一個(gè)傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)，誕生于二十世紀(jì)初。就世界范圍來(lái)說(shuō)，氨是最基本的化工產(chǎn)品之一，其主要用于制造硝酸和化學(xué)肥料等。合成氨的生產(chǎn)過(guò)程一般包括三個(gè)主要步驟: (l)造氣，即制造含有氫和氮的合成氨原料氣，也稱合成氣； (2)凈化，對(duì)合成氣進(jìn)行凈化處理，以除去其中氫和氮之外的雜質(zhì)； (3)壓縮和合成，將凈化后的氫、氮混合氣體壓縮到高壓，并在催化劑和高溫條件下反應(yīng)合成為氨。其生產(chǎn)工藝流程包括：脫硫、轉(zhuǎn)化、變換、脫碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及輸人氨庫(kù)和氨吸收八個(gè)工序[1]孟巖.合成氨的生產(chǎn)方法以及工藝流程研究[J]科教文匯,2008(上旬刊):279.

20、 [1]。 在合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，脫除CO2是一個(gè)比較重要的工序之一，其能耗約占氨廠總能耗的10%左右。因此，脫除CO2，工藝的能耗高低，對(duì)氨廠總能耗的影響很大，國(guó)外一些較為先進(jìn)的合成氨工藝流程，均選用了低能耗脫碳工藝。我國(guó)合成氨工藝能耗較高，脫碳工藝技術(shù)也顯得比較落后，因此，結(jié)合具體情況，推廣應(yīng)用低能耗的脫除CO2工藝，非常有必要。 1.1.4合成氨工業(yè)中脫碳單元的作用 在最終產(chǎn)品為尿素的合成氨中，脫碳單元處于承前啟后的關(guān)鍵位置，其作用既是凈化合成氣，又是回收高純度的尿素原料CO2。以滬天化1000T/d合成氨裝置脫碳單元為例，其需要將低變出口的CO2含量經(jīng)吸收后降到0.1%以下，以避

21、免甲烷化系統(tǒng)超溫并產(chǎn)生增加能耗的的合成惰氣，同時(shí)將吸收的CO2再生為99%純度的產(chǎn)品CO2。在此過(guò)程中吸收塔壓降還應(yīng)維持在合理范圍內(nèi)以降低合成氣壓縮機(jī)的功耗。系統(tǒng)的擴(kuò)能改造工程中，脫碳單元將為系統(tǒng)瓶頸，脫碳運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定與否。脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置的能力，必須同步進(jìn)行擴(kuò)能改造。 但是不論用什么原料及方法造氣，經(jīng)變換后的合成氣中都含有大量的CO2，原料中烴的分子量越大，合成氣中CO2就越多。用天然氣(甲烷)為原料的烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法所得的CO:量較少，合成氣中CO2濃度在15-20%，每噸氨副產(chǎn)CO2-1.6噸。這些CO2如果不在合成工序之前除凈，不僅耗費(fèi)氣體壓縮

22、功，空占設(shè)備體積，而且對(duì)后續(xù)工序有害。此外，CO2還是重要的化工原料，如合成尿素就需以CO2為主要原料。因此合成氨生產(chǎn)中把脫除工藝氣中CO2的過(guò)程稱為“脫碳”，在合成氨尿素聯(lián)產(chǎn)的化肥裝置中，它兼有凈化氣體和回收純凈CO2的兩個(gè)目的。 1.1.5脫碳方法概述 由變換工序來(lái)的低變氣進(jìn)脫碳系統(tǒng)的吸收塔，經(jīng)物理吸收或者化學(xué)吸收法吸收二氧化碳。出塔氣中二氧化碳含量要求小于0.1%。為了防止氣體夾帶出脫碳液，脫碳后的液體進(jìn)人洗滌塔，用軟水洗去液沫后再進(jìn)入甲烷化換熱器。脫碳塔出來(lái)的富液經(jīng)換熱器后，減壓送至二氧化碳再生塔，用蒸汽加熱再沸器，再脫去二氧化碳。為了提高脫碳效率和凈化反，主要進(jìn)行脫碳液酌組分分析

23、和服碳塔出u凈化氣中二氧化碳的分析。由再生塔頂出來(lái)的二氧化族，經(jīng)空冷器和水冷器，氣體溫度降至40℃，再經(jīng)二氧化碳分離器除去冷凝水，送到尿素車間作原料。再生后的脫碳掖(貧液)，先進(jìn)溶液空冷器，冷卻至65℃左右，由溶液循環(huán)泵加壓，再經(jīng)溶液水冷器冷卻至40℃后，送人二氧化碳吸收塔循環(huán)使用。 1.2凈化工序中脫碳方法 在合成氨的整個(gè)系統(tǒng)中，脫碳單元將為系統(tǒng)關(guān)鍵主項(xiàng)，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。脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置和尿素裝置的能力。CO2是一種酸性氣體，對(duì)合成氨合成氣中CO2的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。 根據(jù)CO2與溶劑結(jié)合的方式，脫除CO2的方法有化學(xué)吸收

24、法、物理吸收法和物理化學(xué)吸收法三大類。 1.化學(xué)吸收法[2]王紹貴.二氧化碳脫除工藝及發(fā)展趨勢(shì)[J].瀘天化科技,2000,2:100-104. 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。化學(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。化學(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(m

25、ethyl diethanolamine，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(Cata carb)法；④Flexsorb法[2]。 1..1.1MEA法 MEA法是一種比較老的脫碳方法。吸收過(guò)程中，MEA與CO2發(fā)生反應(yīng)生成碳酸化合物，經(jīng)過(guò)加熱即可將CO2分解出來(lái)，見(jiàn)方程式(1)，2H0(CH2)2NH2+ CO2 +H20→[HO(CH2)2NH3]2CO2。該法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在一個(gè)十分簡(jiǎn)單的裝置中，把合成氣中的CO2脫除到可以接

26、受的程度。 但它本身存在兩個(gè)缺點(diǎn)：(1) CO2能與吸收反應(yīng)生成的碳酸化合物發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)生成酸式碳酸鹽，該鹽較穩(wěn)定，不易再生；(2) CO2能與MEA發(fā)生副反應(yīng)，生成腐蝕性較強(qiáng)的氨基甲酸醋，容易形成污垢。 1..2甲基二乙醇胺MDEA[3]王之德,值得推廣的節(jié)能型MDEA脫碳新技術(shù)[J].四川化工,1995,2,51。 MDEA法脫碳過(guò)程中，CO2與甲基二乙醇胺(MDEA，一種叔胺)生成的碳酸鹽穩(wěn)定性較差，分解溫度低，且無(wú)腐蝕性。相對(duì)其它工藝，MDEA法有以下優(yōu)點(diǎn): (1)能耗和生產(chǎn)費(fèi)用低；(2)脫碳效率高，凈化氣中CO2含量可小于100ppm；(3)使用范圍廣，可用于大、中、小各

27、型合成氨廠；(4)溶劑穩(wěn)定性好；(5)溶劑無(wú)毒、腐蝕性極?。?6)能同時(shí)脫硫。由于MDEA具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以不需要毒性防腐劑，設(shè)備管道允許采用廉價(jià)碳鋼材料，不需要鈍化過(guò)程，耗熱低，設(shè)備管道不需要伴熱盤管，能達(dá)到很好的節(jié)能效果[3]。 在MDEA溶液中添加少量活化劑即為aMDEA法，活化劑為瞇哇、甲基咪哇等，濃度約為2-5%。活性MDEA工藝開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)60年代末，第一套活化MDEA脫碳工藝裝置是1971年在德國(guó)BAFS公司氨三廠投入使用在此后的幾年里，另有8套裝置采用了活化MDEA，這些裝置的成功使用，使得aMDEA工藝自1982年后備受歡迎。我國(guó)在大型裝置中使用MDEA脫碳工藝，烏魯木齊

28、石化公司化肥廠屬于首例[4]張宏偉.MDEA溶液脫碳工藝在合成氨中的應(yīng)用[J].小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù),2005,26(6):31-32. [4]。BAFS公司推出的aMDEA脫碳工藝，主要用于對(duì)原來(lái)MEA工藝的改造，近幾年我國(guó)一些研究單位正在對(duì)這方面進(jìn)行積極的研究。 1.2.1.3低熱耗苯菲爾法 相對(duì)上述脫除CO2的吸收劑溶液，碳酸鉀溶液更價(jià)廉易得，并具有低腐蝕，操作穩(wěn)定，吸收CO2能力較強(qiáng)等特性。但碳酸鉀溶液本身吸收CO2的速度緩慢，需要添加一些活化劑。其中如無(wú)毒G-V法工藝就是由意大利Giammaro-Vetrocoke公司所開(kāi)發(fā)，最初使用的活化劑和緩蝕劑為As2O3，但對(duì)人體有毒。后

29、來(lái)有人用氨基乙酸取代As2O3，消除了毒性，成為無(wú)毒G-V法。我國(guó)棲霞山化肥廠就采用了這種工藝。由美國(guó)聯(lián)碳公司開(kāi)發(fā)的低熱耗苯菲爾法，用二乙醇胺(DEA)作活化劑，V2O5作為腐蝕防護(hù)劑。我國(guó)于20世紀(jì)90年代相繼以布朗工藝建了4套裝置，即錦西天然氣化工廠、建峰化肥廠、四川天華公司化肥廠和烏魯木齊石化總廠第二化肥廠，規(guī)模都是日產(chǎn)氨1000噸。低熱耗苯菲爾工藝是由美國(guó)聯(lián)碳公司在傳統(tǒng)苯菲爾工藝基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，采用了節(jié)能新技術(shù)。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)70年代引進(jìn)的13套大型化肥裝置中，有10套采用苯菲爾脫碳工藝。從1985年起，己有7套進(jìn)行了用低熱耗苯菲爾工藝改造。國(guó)內(nèi)新建的以天然氣為原料的大型合成氨裝置，脫碳

30、系統(tǒng)也多采用低熱耗苯菲爾工藝，如錦天化廠、建峰廠、天華公司等。中海石油化學(xué)合成氨裝置脫碳系統(tǒng)采用改良型苯菲爾流程[5]吳永由,覃富智. ACT-1在富島合成氨裝置脫碳系統(tǒng)的應(yīng)用[J].大氮肥,2005,28(5):299-300. [5]。苯菲爾法可在高溫下運(yùn)行，再生熱低，添加的V2O5可防腐蝕，但該工藝需對(duì)設(shè)備進(jìn)行釩化處理，要求工人的操作水平較高。并且浪費(fèi)溶劑，能耗大，特別蒸汽用得多，有效氣體損失也大，運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。 1.2.2物理吸收法[6]石天寶.脫除CO2工藝技術(shù)進(jìn)展綜述[J].四川化工1994,1::38-51. 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

31、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。 1.2.2.1NHD法 NHD法被認(rèn)為是目前能耗最低的脫碳工藝之一，該法使用的溶劑為聚乙二醇二甲醚的混合物，其分子式為CH3-O-（CH2-CH2-O)n-CH2,式中n=2-8。NHD是兗礦魯南化肥廠與南京化學(xué)工業(yè)集團(tuán)公司研究院、杭州化工

32、研究所共同開(kāi)發(fā)成功的一種物理吸收硫化氫和二氧化碳等酸性氣體的高效溶劑[7]張敬忠. NHD脫碳改造運(yùn)行小結(jié)[J].山東化工,2008,37(7)29-31. [7]。NHD氣體凈化技術(shù)改造系脫除酸性氣體的物理吸收新工藝,適合于合成氣、天然氣、城市煤氣等的脫硫脫碳。NHD具有對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕，對(duì)CO2、H2S等酸性氣體的吸收能力強(qiáng)、蒸汽壓低，揮發(fā)性小、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、不會(huì)起泡，無(wú)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，并且該法在NHD的再生過(guò)程中幾乎不需要能量，通常利用空分裝置富余的低壓氮?dú)庠跉馓崴M(jìn)行脫碳富液的氣提再生 [8]姜淮,李正西. NHD脫硫脫碳工藝在合成氨裝置的應(yīng)用[J].化肥設(shè)計(jì)2008,46(6)

33、:30-32. ，其優(yōu)點(diǎn)是減少利用空氣氣提帶來(lái)系統(tǒng)內(nèi)NHD溶液含水量的富集，省去了空氣水冷、氣水分離及NHD脫水設(shè)備，節(jié)約了投資，簡(jiǎn)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為吸收劑的脫碳方法。其原理是利用在同樣壓力、溫度下，二氧化碳、硫化氫等酸性氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度比氫、氮?dú)庠谔妓岜ブ械娜芙舛却蟮枚鄟?lái)脫除二氧化碳和硫化氫而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是隨壓力升高和溫度的降低而增加的，CO2等酸性氣體在碳丙溶劑中溶解量一般可用亨利定律來(lái)表達(dá)，因而在較高的壓力下，碳酸丙烯酯吸收了變換氣中的二氧化碳等酸性氣體，在較低的壓力下二氧化碳能從碳酸丙

34、烯酯溶液中解吸出來(lái)，使碳酸丙烯酯溶液再生，重新恢復(fù)吸收二氧化碳等酸性氣體的能力。碳酸丙烯酯法具有溶解熱低、粘度小、蒸汽壓低、無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)腐蝕、流程操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 該法CO2的回收率較高，能耗較低，但投資費(fèi)用較高。適用于吸收壓力較高、CO2凈化度不很高的流程，國(guó)內(nèi)主要是小型廠使用。用碳丙作為溶劑來(lái)脫除合成氨變換氣中CO2工藝是一項(xiàng)比較適合我國(guó)國(guó)情的先進(jìn)技術(shù),與水洗工藝比較,除具有物理吸收過(guò)程顯著的節(jié)能效果外,在現(xiàn)有的脫碳方法中,由于它能同時(shí)脫除二氧化碳、硫化氫及有機(jī)硫化物,加上再生無(wú)需熱能,能耗較低等優(yōu)勢(shì),在國(guó)外合成氨和制氫工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用。 1.2.2.3變壓吸附法 變壓

35、吸附氣體分離凈化技術(shù)，簡(jiǎn)稱PSA(Pressure Swing Adsorption)。變壓吸附法是近幾年才用于合成氣凈化的，它屬于干法，采用固體吸附劑在改變壓力的情況下，進(jìn)行(加壓)吸附CO2或(減壓)解吸。變壓吸附法分離氣體混合物的基本原理是利用某一種吸附劑能使混合氣體中各組份的吸附容量隨著壓力變化而產(chǎn)生差異的特性，選擇吸附和解吸再生兩個(gè)過(guò)程，組成交替切換的循環(huán)工藝，吸附和再生在相同溫度下進(jìn)行?？捎么朔ǜ脑煨⌒桶睆S，將低能耗，在大型氨廠使用顯得困難[9]周小宏.小型合成氨廠脫碳工藝的選擇[J].山西化工,1995,3:38-41. [9]。 為了達(dá)到連續(xù)分離的目的，變壓吸附脫碳至少需要

36、兩個(gè)以上的吸附塔交替操作，其中必須有一個(gè)吸附塔處于選擇吸附階段，而其它塔則處于解吸再生階段的不同步驟。在每次循環(huán) 中，每個(gè)吸附塔依次經(jīng)歷吸附、多次壓力均衡降、逆向放壓、抽空、多次壓力均衡升、最終升壓等工藝步驟。 目前，此種類型的裝置在全國(guó)合成氨廠已廣泛采用。如四川什邡某氮肥廠為天然氣富氧造氣，變換氣脫碳采用我公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)的節(jié)能型變壓吸附脫碳新工藝，多塔進(jìn)料，多次均壓，并實(shí)現(xiàn)了吸附塔和真空泵的新組合，同時(shí)對(duì)吸附劑、程控閥門、控制系統(tǒng)、動(dòng)力設(shè)備的配置都做了較大的改進(jìn)，從而使[10]姜宏,譙中惠,郜豫川.新型變壓吸附脫碳技術(shù)在合成氨廠的應(yīng)用[J]. 低溫與特氣,2005,23(6):28-31

37、. H2、N2有效氣體回收率大大提高，能耗進(jìn)一步降低，裝置投資也有所減少[10]。 1.2.2.4低溫甲醇洗法 低溫甲醇洗工藝(Rectisol Process)系由德國(guó)林德公司(Linde)和魯奇公司(Lurgi)開(kāi)發(fā),是利用甲醇溶劑對(duì)各種氣體溶解度的顯著差別,可同時(shí)或分段脫除H2S、CO23, CO210×10-6-20×10-6)、選擇性好、溶液吸收能力強(qiáng)、操作費(fèi)用低等特點(diǎn),是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的氣體凈化工藝。自1954年Lurgi公司在南非Sasol建成世界上第一套工業(yè)規(guī)模的示范性裝置以來(lái),目前有100余套裝置投入運(yùn)行，尤其是大型渣油氣化和煤氣化裝置的氣體凈化均采用低溫甲醇洗

38、工藝。 低溫甲醇(Rectisol)法具有一次性脫除CO2，溶液便宜易得，能耗低，適用范圍廣泛等特點(diǎn)。但該法投資很大，我國(guó)鎮(zhèn)海煉化廠大化肥等四家以重油和煤為原料的合成氨裝置使用了低溫甲醇法脫除CO2。 1.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

39、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。 1.固體吸附 固體吸附是CO2在加壓時(shí)被吸附在多孔狀固體上,減壓時(shí)吸附的CO2被解吸,亦稱變壓吸附。 1.3碳酸丙烯酯（PC）法法脫碳工藝基本原理 1.C法脫碳技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 PC為環(huán)狀有機(jī)碳酸酯類化合物，分子CH3CHOCO2CH2,該法在國(guó)外稱Fluor法 。PC法是南化集團(tuán)研究院等單位于20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的技術(shù)，1979年通過(guò)化工部鑒定。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，已有150余家工廠使用PC技術(shù)，現(xiàn)有裝置160余套，其中大型裝置兩套，其余為中小型裝置。大部

40、分用于氨廠變換氣脫碳?？偯撎寄芰s300萬(wàn)噸合成氨/年，其中配尿素型應(yīng)用較多，占60左右，至今該法仍是聯(lián)堿、尿素、磷銨等合成氨廠使用最廣的脫碳方法，其開(kāi)工裝置數(shù)為MDEA、NHD法總和的數(shù)倍。 1.發(fā)展過(guò)程 PC技術(shù)的應(yīng)用，主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段始于70年代末，兩個(gè)小氮肥廠用PC法代替水洗法脫CO2的工業(yè)試驗(yàn)裝置獲得成功，取得了明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。加之PC法在工藝上與水洗法相似，改造費(fèi)用低，很快在一些小氮肥企業(yè)中推廣應(yīng)用；第二階段，20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著小化肥改變碳銨單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，適應(yīng)市場(chǎng)需要，采用脫碳增氨轉(zhuǎn)產(chǎn)尿素或聯(lián)醇等方法，以提高經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)小化肥的竟?fàn)幠芰Α榇?，?/p>

41、要增設(shè)一套變換氣脫碳裝置，由于PC技術(shù)為典型的物理吸收過(guò)程，流程簡(jiǎn)單，投資少，節(jié)能明顯，技術(shù)易于掌握。因此，很快得到了推廣，并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，技術(shù)上也趨于成熟。 1.技術(shù)經(jīng)濟(jì) 由于碳丙脫碳純屬物理過(guò)程，因而它的能耗主要消耗在輸送流體所須的電能。碳丙溶劑對(duì)CO2等酸性氣體的吸收能力較大，一般為同條件下水吸收能力的4倍。因此，代替水洗法脫除變換氣中CO2不但滿足銅洗要求，而且回收CO2的濃度和回收率也能滿足尿素、聯(lián)堿生產(chǎn)的要求。與水洗法相比可節(jié)省電耗150-250KWh/tNH3，可節(jié)省操作費(fèi)10-25元/t NH3。因而應(yīng)用碳丙脫碳的廠家均可獲得明顯的節(jié)能效果。但這種效果隨著工藝配置、設(shè)備、

42、操作狀況，處理規(guī)模和目的的不同而差異較大。碳丙脫碳與幾種脫碳方法的能耗比較如表2.1。 表2.1 幾種脫碳方法的能耗比較表（吸收壓力1.8Mpa，單位KJ/m3CO2） 方法名稱 加壓水洗 苯菲爾法 位阻胺法 改良MEDA法 NHD法 PC 能耗 2847 3558-5442 3349-4187 1884 1047-1256 1256 1.工藝流程 1..1氣體流程 （1）原料氣流程 由壓縮機(jī)三段送來(lái)2.3MPa的變換氣首先進(jìn)入水洗塔底部與水洗泵送來(lái)的水在塔內(nèi)逆流接觸，洗去變換氣中的大部分油污及部分硫化物，并將氣體溫度降到30℃以下，同時(shí)降低變換氣中飽和

43、水蒸汽含量。氣體自水洗塔塔頂出來(lái)進(jìn)入分離器，自分離器出來(lái)的氣體進(jìn)入二氧化碳吸收塔底部，與塔頂噴淋下來(lái)的碳酸丙烯酯溶液逆流接觸，將二氧化碳脫至工藝指標(biāo)內(nèi)。凈化氣由吸收塔頂部出來(lái)進(jìn)入凈化氣洗滌塔底部，與自上而下的稀液（或脫鹽水）逆流接觸，將凈化氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴與蒸氣洗滌下來(lái)，凈化氣由塔頂出來(lái)后進(jìn)入凈化氣分離器，將凈化氣夾帶的碳酸丙烯酯霧沫進(jìn)一步分離，凈化氣由分離器頂部出來(lái)回壓縮機(jī)四段入口總管。根據(jù)各廠的具體情況和氨加工產(chǎn)品的不同，相匹配的碳丙脫碳條件及要求亦各異。在使用日的上，有替代加壓水洗型、聯(lián)堿型、配尿素型、聯(lián)醇型、生產(chǎn)液氨型以及制氫等各類型；在凈化效率上，有的對(duì)CO2進(jìn)行粗脫，而大部

44、分廠家，則進(jìn)行精脫；對(duì)脫碳?jí)毫?，有采?.4MPa、1.1-1.3Mpa、1.6-1.8Mpa、2.5-2.8Mpa及4.3Mpa等多種類型。 （2）解吸氣體回收流程 由閃蒸槽解吸出來(lái)的閃蒸氣進(jìn)入閃蒸氣洗滌塔，自下而上與自上而下的稀液逆流接觸，將閃蒸氣夾帶的液滴回收下來(lái)。閃蒸氣自閃蒸氣洗滌段出來(lái)后進(jìn)入閃蒸氣分離器，將閃蒸氣夾帶的碳酸丙烯酯液滴進(jìn)一步分離下來(lái)，閃蒸氣自分離器頂部出來(lái)送碳化，脫除二氧化碳并副產(chǎn)碳酸氫銨后，閃蒸氣回壓縮機(jī)一段入口總管。 由常解塔解吸出來(lái)的常解氣進(jìn)入常解-汽提氣洗滌塔的常解氣洗滌段，與自上而下的稀液逆流接觸，將常解氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴與飽和于常解氣中的碳酸丙烯

45、酯蒸氣回收下來(lái)，常解氣自常解氣洗滌段出來(lái)后進(jìn)入常解氣分離器，將常解氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴進(jìn)一步分離，常解氣自分離器頂部出來(lái)送食品二氧化碳工段。 汽提氣由汽提塔出來(lái)后進(jìn)入常解-汽提氣洗滌塔的汽提氣洗滌段，與自上而下的稀液逆流接觸，將汽提氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴和飽和汽提氣中的碳酸丙烯酯蒸氣回收下來(lái)，經(jīng)洗滌后汽提氣由塔頂放空。 1..2液體流程 （1）碳酸丙烯酯脫碳流程簡(jiǎn)述 貧碳酸丙烯酯溶液從二氧化碳吸收塔塔頂噴淋下來(lái)，由塔底排出稱為富液。富液經(jīng)自調(diào)閥進(jìn)入溶液泵-渦輪機(jī)組的渦輪，減壓后進(jìn)入閃蒸槽，自閃蒸槽出來(lái)的碳酸丙烯酯液一部分進(jìn)入過(guò)濾器，大部分不經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，二者混合過(guò)后進(jìn)入常解-汽提塔

46、的常解段，碳酸丙烯酯液自常解段底部出來(lái)經(jīng)過(guò)兩液封槽進(jìn)入汽提塔頂部，與自下而上的空氣逆流接觸，將碳酸丙烯酯溶液中的二氧化碳進(jìn)一步汽提出來(lái)，經(jīng)汽提后的碳酸丙烯酯溶液為貧液，貧液由汽提塔出來(lái)進(jìn)入循環(huán)槽，再由循環(huán)槽進(jìn)入溶液泵-渦輪機(jī)組的溶液泵，由泵加壓后經(jīng)碳酸丙烯酯溶液冷卻器降溫，進(jìn)入二氧化碳吸收塔，從而完成了碳酸丙烯酯溶液的整個(gè)解吸過(guò)程。 （2）稀液流程循環(huán) 稀液（或軟水）由常解-汽提氣洗滌塔的常解段出來(lái)，經(jīng)稀液泵加壓后送往凈化氣洗滌塔上部自上而下。由塔底出來(lái)經(jīng)自調(diào)閥進(jìn)入閃蒸氣洗滌塔的上部自上而下，由底部出來(lái)經(jīng)自調(diào)閥進(jìn)入常解-汽提氣洗滌塔的汽提氣洗滌段自上而下，由底部出來(lái)經(jīng)一U型液封管進(jìn)入常解氣

47、洗滌段繼續(xù)循環(huán)。 1.存在的問(wèn)題及解決的辦法 綜合分析PC法脫碳各廠的使用情況，最具代表性的問(wèn)題有： （1）溶劑損耗高.造成這一問(wèn)題原因有三個(gè)因素： a、PC溶劑蒸汽壓高； b、PC氣相回收系統(tǒng)不完善； c、操作管理水平的影響。 （2）凈化氣中CO2含量容易跑高，噸氨電耗高. 凈化氣中CO2含量高，原因是多方面的如再生效果不好，系統(tǒng)殘?zhí)几呋蚶鋮s不好等等。 目前碳丙脫碳技術(shù)已提高到一個(gè)新的階段，已工業(yè)應(yīng)用的或即將應(yīng)用的最有吸引力的進(jìn)展有以下幾個(gè)方面。 1. PC法脫碳技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 1.3.6.1塔器優(yōu)化 塔器的優(yōu)化包括塔徑、塔填料、塔內(nèi)件、塔過(guò)程控制的技術(shù)改造，改造后往往

48、可提高20%-50%或更高的生產(chǎn)能力，改造主要分兩部分進(jìn)行:一是脫碳塔氣液分布器和填料的改造，其目的是提高通氣量和強(qiáng)化氣液接觸效率，加大潤(rùn)濕面積。具體辦法是設(shè)稅全截面均勻分布的氣體和液體分布器，部分或全部采用規(guī)整填料；二是再生塔的改造。由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中再生塔常解段均為淋降式，當(dāng)系統(tǒng)硫含量高時(shí)，受逆流及淋降板開(kāi)孔直徑的限制，易造成溶液中的單質(zhì)硫積累結(jié)垢，漸漸堵塞淋降板上的開(kāi)孔，使其失效故往往生產(chǎn)2年后再生效果會(huì)明顯不如以前。由此可見(jiàn)，必須對(duì)這種結(jié)構(gòu)徹底改造。具體辦法是將常解段改為篩板或填料塔型，并增設(shè)類似塔型的真空解析段。 改造工作除了塔器以外，還進(jìn)行了系統(tǒng)工藝優(yōu)化，具體內(nèi)容有：（1）調(diào)整溶劑泵

49、的揚(yáng)程，串聯(lián)1臺(tái)增壓泵；（2）氣提流程由原正壓氣提改為負(fù)壓氣提，有利于提高貧度；（3）降低變換氣和循環(huán)溶劑的溫度，以提高碳丙吸收能力；（4）采取碳丙溶劑半過(guò)濾或全過(guò)濾方法，杜絕系統(tǒng)堵塞隱患；（5）提高變換氣脫硫效果；（6）碳丙稀液回收改造[11]梁鋒.碳酸丙烯醋脫碳技術(shù)概況及進(jìn)展[J].小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù),2000,21(1):7-9. [11]。 1.3.6.2復(fù)合溶劑法 用兩種或兩種以上的物理、化學(xué)或物理化學(xué)溶劑作為復(fù)合溶劑凈化酸性氣體的研究，多年來(lái)一直方興未艾。復(fù)合溶劑法的優(yōu)點(diǎn)從選擇性和吸收能力分析，特別是高分壓下，選擇合適的復(fù)合溶劑，優(yōu)于純?nèi)軇@著地提高了溶劑的吸收能力；另一方面明

50、顯地降低了能耗。除此以外，復(fù)合溶劑為了達(dá)到操作特性要求所作的混合過(guò)程，還具有其它方面的靈活性，即復(fù)合溶劑的組成。而且，復(fù)合溶劑可以優(yōu)化配方用最低的費(fèi)用達(dá)到所須的分離要求（如表3.1）。 表3.1 兩種方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較（以噸氨計(jì)） 項(xiàng)目 PC法 復(fù)合溶劑法 CO2凈化度（%） 溶劑損耗（Kg） 電耗（KWh） 145 100 操作成本（元） 85 60 1.3.6.3低溫PC法 實(shí)踐證明，低溫碳丙法具有以下優(yōu)點(diǎn):l)氣體凈化度高；2)降低溶劑循環(huán)量；3)降低溶劑損耗。 為了在較低操作壓力下獲得需要的氣體凈化度、降低溶劑循環(huán)量、節(jié)省動(dòng)力消耗、降低

51、 溶劑蒸發(fā)損失,吸收操作可在低于常溫條件下進(jìn)行,即低溫碳酸丙烯酯脫碳技術(shù)。CO2在溶劑中的溶解度可用下式表示：lgx*=lgp+B/T+C+lgζ 式中： x*——CO2在含水溶劑中的飽和溶解度，摩爾分?jǐn)?shù)； p——?dú)庀郈O2×105Pa； B、C——常數(shù)，B=686.1，C=-4.245； ζ——溶劑含水量的修正系數(shù)，當(dāng)含水量為2%時(shí)，ζ=0.9，lgζ=-0.046； T———吸收溫度，K。 1.4工藝設(shè)計(jì)的意義和目的 隨著合成氨工業(yè)的飛速發(fā)展與國(guó)際經(jīng)濟(jì)的迅速變化，合成氨工業(yè)的經(jīng)濟(jì)性急需要提高，來(lái)降低成本，抵御風(fēng)險(xiǎn)。就碳酸丙烯酯法脫碳工藝進(jìn)行深入研究，以達(dá)到成本最低化，資源有

52、效化。 因此，在國(guó)際經(jīng)濟(jì)與國(guó)家政策的前提下，將合成氨的風(fēng)險(xiǎn)和利潤(rùn)投入到中間工序脫碳工段，對(duì)陷入困境的化工行業(yè)是一個(gè)很好的出路，對(duì)內(nèi)外交困的合成氨行業(yè)來(lái)說(shuō)，可以選擇與鎳鐵行業(yè)進(jìn)行戰(zhàn)略聯(lián)盟，以避免風(fēng)險(xiǎn)，降低成本。此工藝能有效縮短流程，降低能源消耗，減少污染排放，在提高產(chǎn)品附加值的同時(shí)也填補(bǔ)了脫碳工藝的國(guó)內(nèi)空白，并且為合成氨領(lǐng)域的進(jìn)步積累了難得經(jīng)驗(yàn)。 第二章 物、熱量恒算 設(shè)計(jì)條件：（1）每噸氨耗變換氣近似取4278m(STP)，簡(jiǎn)記為4278Nm3/變換氣t/氨（下同）。 （2）變換氣組成為：CO2：；CO：；H2：；N2：（均為體積分?jǐn)?shù)，下同。其它組分被忽略）； （3）要求出塔凈化氣中

53、CO2的濃度不超過(guò)0.5%； （4）PC吸收劑的入塔濃度根據(jù)操作情況選??； （5）氣液兩相的入塔溫度均選定為30℃； （6）操作壓強(qiáng)為； （7）年工作日330d，每天24h連續(xù)運(yùn)行。 1計(jì)算前的準(zhǔn)備 依照：年工作日以330d，每天以24h連續(xù)運(yùn)行計(jì)，有330×24=7920h，此處按8000h算。合成氨：（400000t/a）/（8000h/a） 變換氣：4278Nm變換氣/t氨。變換氣的組成見(jiàn)表。 表2.1 變換氣各組分體積分?jǐn)?shù)及組分分壓 項(xiàng)目 CO2 CO H2 N2 合計(jì) 體積分?jǐn)?shù)（%） 100 組分分壓（MPa）

54、（Kgf/cm2） （atm） 計(jì)算依據(jù)CO2的PC中的溶解度關(guān)系 因?yàn)槭歉邼舛葰怏w吸收，故吸收塔內(nèi)CO2的溶解熱應(yīng)予以考慮?，F(xiàn)假設(shè)出塔氣體 溫度與入塔液的溫度相同，為Tv2=30℃，出塔液的溫度為TL1=35℃，并取吸收飽和度（定義為出塔溶液濃度對(duì)其平衡濃度的百分?jǐn)?shù)）為80%，然后利用物料衡算結(jié)合熱量衡算驗(yàn)證生疏溫度假設(shè)的正確性。 有人關(guān)聯(lián)出了CO2再PC中溶解的相平衡關(guān)系，因數(shù)據(jù)來(lái)源不同，關(guān)聯(lián)式略有差異[12]傅家新,劉烈瓊. 碳酸丙烯酯(PC)脫碳填料塔的工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算[J].小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù),2005,26（6）:5-7. [12]。 l

55、gXco2=lgPco2 （1） 式中：Xco2--溶解度，kmolCO2 /kmolPC Pco2—CO2分壓，kgf/cm2 T—PC出塔溫度，K lgXco2=lgPco2+/T-4.267 （2） 式中： Xco2-- CO2溶解度，kmolCO2 /kmolPC Pco2—CO2分壓，atm T—PC出塔溫度，K lgXco2=lgPco2+/T-4.3848

56、 (3) 式中：Xco2—摩爾百分?jǐn)?shù)，無(wú)因次 Pco2—CO2分壓，atm T—PC出塔溫度，K 用關(guān)聯(lián)式（1）計(jì)算出塔溶液中CO2的濃度有 lgXco2=lg Xco2=lCO2 /kmolPC =× Nm3CO2/ m3PC —PC的摩爾質(zhì)量，kg/kmol； 1187—出塔溶液的密度（近似取純PC的密度，kg/m3）。 2.2 PC的密度與溫度的關(guān)系 PC密度與溫度的關(guān)系：ρ=1223.3-1.032t 式中：t—溫度，℃；ρ—密度， kg/m3。 30℃

57、：PL1=1192kg/ m3；35℃：PL2=1187 kg/ m3 2.3 PC的蒸汽壓 查PC理化數(shù)據(jù)知，PC蒸汽壓于操作總壓及CO2的氣相分壓相比均很小，故可認(rèn)為PC不揮發(fā)。 2.4 PC的黏度 logμ=-0.822+185.5/（T-153.1）mPa.s T為熱力學(xué)溫度，K。 物料衡算 .1各組分在PC中的溶解量 查各組分在操作總壓為2.8MPa、操作溫度為35℃下在PC中的溶解度數(shù)據(jù)，并取相對(duì)吸收飽和度為80%，將計(jì)算結(jié)果列于表中。 各組分在PC中的溶解度數(shù)據(jù) 項(xiàng)目 CO2 CO H2 N2 合計(jì)

58、 組分分壓(MPa) 溶解度(Nm3/m3PC) 溶解量(Nm3/m3PC) 溶解氣體積分?jǐn)?shù)(%) 因溶解氣中的CO2占到了96.37%。其它氣體在PC中的溶解度很小，故也可將CO2以外的組分視為惰性氣體而忽略不計(jì)，而只考慮CO2的溶解吸收，即將多組分吸收簡(jiǎn)化為單組份吸收的問(wèn)題。 說(shuō)明：進(jìn)塔吸收液中CO23/m3PC，故計(jì)算的實(shí)際溶解量時(shí)應(yīng)將其扣除。其他組分本身溶解度就很小，經(jīng)解吸后的殘值完全可被忽略。 CO2溶解量的計(jì)算如下： 前已算出，35℃時(shí)CO2在PC中的平衡溶解度Xco23/m3PC，PC

59、對(duì)CO2×0.8-0.2=15.656 Nm3/m3PC。 .2 溶劑夾帶量 以0.3 Nm3/m3PC計(jì)，各組分被夾帶的量如下： CO2× Nm3/m3PC CO：× Nm3/m3PC H2× Nm3/m3PC N× Nm3/m3PC .3 溶液帶出的氣量 為夾帶量與溶解量之和 CO2 Nm3/m3PC 95.07% Nm3/m3PC 0.22% H2 Nm3/m3PC 2.02% N2 Nm3/m3PC 2.69% 16.5562 Nm3/m3PC 100% .4出脫碳塔凈化氣量 以V1

60、、V2、V3分別代表進(jìn)塔(出塔及溶液帶出的總氣量，以y1、y2、y3分別代表CO2相應(yīng)的體積分率，對(duì)CO2作物料衡算有： 聯(lián)立兩式解之得 V1== =62200Nm3/h V2= V1 - V3=213900-62200=151700 Nm3/h .5計(jì)算PC循環(huán)量 因每1m3PC帶出CO2為15.74 Nm3，故有： L===3757m3/h 3757×1187=4459560kg/h 操作的氣液比為V1 Nm3/m3 .6入塔液中CO2夾帶量 L0=×44×3757=1476kg/h .7帶出氣體的質(zhì)量流量 夾帶氣量：3757×0.3=1127 Nm3/h

61、 夾帶氣的平均摩爾質(zhì)量：1=44×0.28+28×0.025+2×0.472+28×0.223=/kmol 夾帶氣的質(zhì)量流量： 1127÷×20.208=1017kg/h 溶解氣量：62200-1127=61073kg/h 溶解氣的平均摩爾質(zhì)量：=44×0.9637+28×0.0018+2×0.0117+28×0.0228=43.115 kg/kmol 溶解氣的質(zhì)量流量：61073÷×43.115=117552kg/h 帶出氣體的總質(zhì)量流量：1017+117552=118569kg/h .8驗(yàn)算吸收液中凈化氣中CO2的含量 2，則塔頂壓強(qiáng)為28.5457-0.5=28.045

62、 kgf/cm2，此時(shí)CO2的分壓為： Pco2×2 此時(shí)分壓呈平衡的CO2液相濃度為： lgXco2=lg+ Xco2=0.001445kmol CO2/kmolPC = 3CO2/m3PC＞0.2 Nm3CO2/m3PC 式中：1192為吸收液在塔頂30℃時(shí)的密度，近似取純PC液體的密度值。計(jì)算結(jié)果表明：要使得出塔凈化氣中CO2的濃度不超過(guò)0.5%，則入塔吸收液中CO2的極限濃度為0.378 Nm3/m3PC，本設(shè)計(jì)的取值正好在其所要求的范圍之內(nèi)，故選取值滿足要求。 .9出塔氣的組成 出塔氣體的體積流量應(yīng)為入塔氣體的體積流量與PC帶走氣體的體積流量之

63、差 CO2：213900×× Nm3/h 0.50% CO：213900×× Nm3/h % H2：213900××3757=99705.2 Nm3/h % N2：213900×4×= Nm3/h % 151698.36 Nm3/h 100.00% 出塔氣的平均摩爾質(zhì)量：2=44×0.005+28×0.034+2×0.6573+28×0.3034=/kmol 出塔氣的質(zhì)量流量：V2÷×10.99=74427kg/h 熱

64、量衡算 .1混合氣體的定壓比熱容 因難以查到真實(shí)氣體的定壓比熱容，但氣體的壓力并非很高，故可借助理想氣體的定壓比熱容公式進(jìn)行近似計(jì)算。理想氣體的定壓比熱容： CPV=ai+biT+ciT2+DdiT3，其溫度系數(shù)如表4.3。 組分 溫度系數(shù) 定壓比熱容 a b c d CP1 CP2 CO2 ×10-2 ×10-5 4.80×10-9

65、 CO ×10-2 ×10-6 4×10-9 H2 2×10-3 ×10-6 3×10-9 N2 ×10-2 0×10-6 ×10-9 注2：表中CP的單位為（）。 進(jìn)出塔氣體的摩爾比熱容： = = ×××× = .2液體的比熱容 由于（1187為35℃時(shí)純PC的密度） 其量很少，因此可用純PC的密度代替溶液的密度（其它物性也如此）。 文獻(xiàn)查的PC的定壓比熱容： CpL=1.39+0.00181(t-10) ； 據(jù)此算得：CpL1=； CpL2； .3 CO2的熔解熱 查得H

66、 CO2=14654kg/kmol CO2（實(shí)驗(yàn)測(cè)定值） CO2×3757=58820Nm3/h =2626kmol/h 故QS=14656×2626=38479567kJ/h .4出塔溶液的溫度 根據(jù)全塔熱量衡算有：帶出的熱量（QV1+QL2）+溶解的熱量（QS）=帶出的熱量（QV2+QVL1+QV夾） 溶解氣體占溶液的質(zhì)量分率 式中：L1=4459560+1476+117552 =4578590 Kg/h 熱量平衡：8978070+190843120+38479567=5899970+6571850TL1 QV夾=55768kJ/h QL1=8978070+190843120+38479567-5899970-55768 得出：℃ 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1確定吸收塔塔徑及相關(guān)參數(shù) 3.求取泛點(diǎn)氣速和操作氣速 已知量：入塔氣： V1=213900 Nm3/h=192968kg/h，ρG1=g/m3 ， M1=20.208，30℃ 出塔氣： V2=151700 Nm3/h=74427 kg/h， ρG2=11.99