1、年產40萬噸合成氨脫碳工段的設計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程中不可缺少的塔設備。合成氨廠無論使用何種原料制成原料氣，經變 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除凈，氨的合成就無法進行下去；另一方面，二氧化碳本身是制取尿素、碳酸氫銨等產品的原料，也可加工成干冰、食品級二氧化碳。二氧化碳吸收塔的設計具有回收二氧化碳的功能。本文權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。首先進行工藝流程分析并根據工藝參數及有關標準進行二氧化碳吸收塔和解析塔內的物、熱量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生塔等設備利用物理吸收

2、機理、傳質傳熱方程、溶液物性數據等方面的知識進行塔體的總體結構設計和計算；然后對二氧化碳吸收和解析塔進行了必要的強度校核；最后對脫碳工段車間結構布置進行合理的設計。本設計作為理論上的準備工作，為分析工藝流程、設備設計上存在的問題、確定問題的根源、提出解決問題的合理方案準備了充分的理論依據。關鍵詞 碳酸丙烯酯法；脫碳工藝；工程設計the design of the decarbonization section in the production of the 40 thousand tons synthetic ammonia per yearliu lang-lang(grade06,cla

3、ss1,major chemical engineering and technology,chemistry dept.,shaanxi university of technology,hanzhong 723001,shaanxi)tutor:li zhi-zhouabstract:decarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the synthetic ammonia, and the carbon dioxide absorption tower and the solution regene

4、ration 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 ha

5、nd, 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 to

6、 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 absorpti

7、on 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. as the theoretic

8、al preparation work, this designing prepare sufficient theoretical basis for people to analysis the problems of technological process, equipment design, determined root of problems, posing reasonable plan to solve problems.keywords:decarbonization process;carbon dioxide removal with pc method;proees

9、s design陜西理工學院畢業設計畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有

10、權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。作者簽名： 日 期： 學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同

11、意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日目錄第一章 緒 論11.1合成氨工業概況11.1.1我國合成氨工業發展概況11.1.2發展趨勢11.1.3合成氨生產工藝簡述21.1.4合成氨工業中脫碳單元的作用21.1.5脫碳方法概述21.2凈化工序中脫碳方法21.2.1化學吸收法21.2.2物理吸收法31.2.3物理化學吸收法51.2.4固體吸附51.3碳

12、酸丙烯酯（pc）法法脫碳工藝基本原理51.3.1pc法脫碳技術國內外現狀51.3.2發展過程51.3.3技術經濟51.3.4工藝流程51.3.5存在的問題及解決的辦法61.3.6 pc法脫碳技術發展趨勢61.4工藝設計的意義和目的7第二章 物、熱量恒算82.1計算依據co2的pc中的溶解度關系82.2 pc的密度與溫度的關系82.3 pc的蒸汽壓92.4 pc的黏度92.5物料衡算92.5.1各組分在pc中的溶解量92.5.2 溶劑夾帶量92.5.3 溶液帶出的氣量92.5.4出脫碳塔凈化氣量92.5.5計算pc循環量102.5.6入塔液中co2夾帶量102.5.7帶出氣體的質量流量102.5

13、.8驗算吸收液中凈化氣中co2的含量102.5.9出塔氣的組成102.6熱量衡算102.6.1混合氣體的定壓比熱容102.6.2液體的比熱容112.6.3 co2的熔解熱112.6.4出塔溶液的溫度11第三章 結構設計123.1確定吸收塔塔徑及相關參數123.1.1求取泛點氣速和操作氣速123.1.2求取塔徑123.1.3核算操作氣速123.1.4核算徑比123.1.5校核噴淋密度123.2填料層高度的計算133.2.1建立相應的操作線方程和向平衡方程133.2.2利用兩線方程求取傳質推動力133.2.3 氣相傳質單元數的計算143.2.4 氣相總傳質單元高度143.2.5塔附屬高度183.2

14、.6填料層壓降計算193.2.7液體初始分布器193.2.8絲網除沫器203.2.9防渦流擋板的選取203.2.10填料支撐裝置203.2.11填料床層限制器213.2.12裙座的設計計算與選取213.3確定解吸塔塔徑及相關參數213.3.1求取解析塔操作氣速213.3.2求取塔徑223.3.3核算操作氣速223.3.4核算徑比223.3.5校核噴淋密度233.4填料層高度的計算233.4.1建立相應的操作線方程和向平衡方程233.4.2利用兩線方程求取傳質推動力233.4.3傳質單元數的計算243.4.4氣相總傳質單元高度243.4.5塔附屬高度283.4.6填料層壓降計算283.4.7初始

15、分布器和再分布器設計293.4.8氣體分布器293.4.9絲網除沫器30第四章 塔內件機械強度設計及校核314.1吸收塔機械強度設計及校核314.1.1吸收塔筒體和裙座壁厚計算314.1.2吸收塔塔的質量載荷計算314.1.3地震載荷計算324.1.4風載荷計算334.1.5各種載荷引起的軸向應力354.1.6筒體和裙座危險截面的強度與穩定性校核354.1.7裙座和筒體水壓試驗應力校核364.1.8基礎環設計384.1.9地腳螺栓計算384.2解析塔機械強度設計及校核394.2.1吸收塔筒體和裙座壁厚計算394.2.2解析塔塔的質量載荷計算394.2.3塔自振周期計算404.2.4地震載荷計算

16、404.2.5風載荷計算414.2.6各種載荷引起的軸向應力434.2.7筒體和裙座危險截面的強度與穩定性校核444.2.8裙座和筒體水壓試驗應力校核444.2.9基礎環設計464.2.10地腳螺栓計算46第五章 輔助設備設計與選取485.1儲罐的選擇485.2泵的選擇485.3風機的選擇495.4接管管徑計算495.4.1進氣管徑495.4.2出塔氣管徑495.4.3進料管徑495.4.4釜液排除管徑49總論與評價51參考文獻53致謝54 第 vi 頁陜西理工學院畢業設計第一章 緒 論1.1合成氨工業概況1898年，德國a.弗蘭克等人發現空氣中的氮能被碳化鈣固定而生成氰氨化鈣（又稱石灰氮），

17、進一步與過熱水蒸氣反應即可獲得氨： cacn23h2o2nh3caco3在合成氨工業化生產的歷史中，合成氨的生產規模(以合成塔單塔能力為依據)隨著機械、設備、儀表、催化劑等相關產業的不斷發展而有了極大提高。50年代以前，最大能力為200噸/日，60年代初為400噸/日，美國于1963年和1966年分別出現第一個600噸/日和1000噸/日的單系列合成氨裝置，在60-70年代出現1500-3000噸/日規模的合成氨。世界上85%的合成氨用做生產化肥，世界上99%的氮肥生產是以合成氨為原料。雖然全球一體化的發展減少了用戶的選擇范圍，但市場的穩定性卻相應地增加了，世界化肥生產的發展趨勢是越來越集中到

18、那些原料豐富且價格便宜的地區，中國西北部有蘊藏豐富的煤炭資源，為發展合成氨工業提供了極其便利的條件。1.1.1我國合成氨工業發展概況我國是一個人口大國，農業在國民經濟中起著舉足輕重的作用，而農業的發展離不開化肥。氮肥是農業生產中需要量最大的化肥之一，合成氨則是氮肥的主要來源，因而合成氨工業在國民經濟中占有極為重要的位置。 我國合成氨工業始于20世紀30年代，經過多年的努力，我國的合成氨工業得到很大的發展，建國以來合成氨工業發展十分迅速，從六十年代末、七十年代初至今，我國陸續引進了三十多套現代化大型合成氨裝置，已形成我國特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小規模并存的合成氨生產格局。目前我國

19、合成氨產能和產量己躍居世界前列。但是，由于在我國合成氨工業中，中小型裝置多，技術基礎薄弱，國產化水平低，遠遠不能滿足農業生產和發展的迫切需要，因此，開發新技術的同時利用計算機數學模型來提高設汁、生產、操作和管理等的核算能力，促進設計、管理和生產操作的優化，從而推動合成氨工業發展，提升整體技術水平，己成為國內當前化學工程科研、工程設計的重要課題。我國的合成氨原料主要集中在重油，天然氣和煤，到目前為，中國化肥產量己居世界第一位。但人均耕地面積只有世界平均水平的47%，而人口在本世紀中葉將達到約16億，糧食始終是至關重要的問題。化肥對農作物的增產作用己為大家所公認，中國施肥水平還有很大的提高空間，尤

20、其是中西部市場。與國外比較，我國氮肥行業主要存在一些比較嚴重的問題，集中表現為裝置規模小，因而有效生產能力不足，致使行業整體竟爭能力差。進入wto后，氮肥行業這種結構性矛盾日趨顯著，成為影響行業發展的一個主要因素。對原有合成氨裝置進行改擴建，利用國家對農業的傾斜政策，節能技術改造見效快、可很快提高企業生產規模，改擴建改造會給企業帶來了巨大的經濟和社會效益。1.1.2發展趨勢原料路線的變化方向。從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后,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,預計到20世紀末,世界大多數合成

21、氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。節能和降耗。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產的技術改進重點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、開發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。現在已提出以天然氣為原料的節能型合成氨新流程多種，每噸液氨的設計能耗可降低到約29.3gj。與其他產品聯合生產。合成氨生產中副產大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產尿素、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程中能聯合生產這些產品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。中國開發的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新

22、工藝，以及中國、意大利等國開發的變換氣氣提法聯合生產尿素工藝，都有明顯的優點。1.1.3合成氨生產工藝簡述合成氨是一個傳統的化學工業，誕生于二十世紀初。就世界范圍來說，氨是最基本的化工產品之一，其主要用于制造硝酸和化學肥料等。合成氨的生產過程一般包括三個主要步驟: (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，對合成氣進行凈化處理，以除去其中氫和氮之外的雜質；(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合成為氨。其生產工藝流程包括：脫硫、轉化、變換、脫碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及輸人氨庫和氨吸收八個工序1。在合成氨生產過程中，脫除c

23、o2是一個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，對氨廠總能耗的影響很大，國外一些較為先進的合成氨工藝流程，均選用了低能耗脫碳工藝。我國合成氨工藝能耗較高，脫碳工藝技術也顯得比較落后，因此，結合具體情況，推廣應用低能耗的脫除co2工藝，非常有必要。1.1.4合成氨工業中脫碳單元的作用在最終產品為尿素的合成氨中，脫碳單元處于承前啟后的關鍵位置，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含量經吸收后降到0.1%以下，以避免甲烷化系統超溫并產生增加能耗的的合成惰氣，同時將

24、吸收的co2再生為99%純度的產品co2。在此過程中吸收塔壓降還應維持在合理范圍內以降低合成氣壓縮機的功耗。系統的擴能改造工程中，脫碳單元將為系統瓶頸，脫碳運行的好壞，直接關系到整個裝置的安全穩定與否。脫碳系統的能力將影響合成氨裝置的能力，必須同步進行擴能改造。但是不論用什么原料及方法造氣，經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化法所得的co:量較少，合成氣中co2濃度在15-20%，每噸氨副產co2約1.0-1.6噸。這些co2如果不在合成工序之前除凈，不僅耗費氣體壓縮功，空占設備體積，而且對后續工序有害。此外，c

25、o2還是重要的化工原料，如合成尿素就需以co2為主要原料。因此合成氨生產中把脫除工藝氣中co2的過程稱為“脫碳”，在合成氨尿素聯產的化肥裝置中，它兼有凈化氣體和回收純凈co2的兩個目的。1.1.5脫碳方法概述由變換工序來的低變氣進脫碳系統的吸收塔，經物理吸收或者化學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，脫碳后的液體進人洗滌塔，用軟水洗去液沫后再進入甲烷化換熱器。脫碳塔出來的富液經換熱器后，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，主要進行脫碳液酌組分分析和服碳塔出u凈化氣中二氧化碳的分析。由再生塔頂出來的二

26、氧化族，經空冷器和水冷器，氣體溫度降至40，再經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)，先進溶液空冷器，冷卻至65左右，由溶液循環泵加壓，再經溶液水冷器冷卻至40后，送人二氧化碳吸收塔循環使用。1.2凈化工序中脫碳方法在合成氨的整個系統中，脫碳單元將為系統關鍵主項，脫碳工序運行的好壞，直接關系到整個裝置的安全穩定與否。脫碳系統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，對合成氨合成氣中co2的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。根據co2與溶劑結合的方式，脫除co2的方法有化學吸收法、物理吸收法和物理化學吸收法三大類。1.2.1化學吸收法化學吸收法即利

27、用co2是酸性氣體的特點，采用含有化學活性物質的溶液對合成氣進行洗滌，co2與之反應生成介穩化合物或者加合物，然后在減壓條件下通過加熱使生成物分解并釋放co2，解吸后的溶液循環使用。化學吸收法脫碳工藝中，有兩類溶劑占主導地位，即烷鏈醇胺和碳酸鉀。化學吸收法常用于co2分壓較低的原料氣處理。(l)烷鏈醇胺類的脫碳工藝有：-乙醇胺(monoethanolamine，h2nch2ch2oh，mea)法；甲基二乙醇胺(methyl diethanolamine，ch3n(ch2ch2oh)2，mdea)法；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：無毒

28、g-v法；苯菲爾法；催化熱鉀堿(cata carb)法；flexsorb法2。1.2.1.1.1mea法mea法是一種比較老的脫碳方法。吸收過程中，mea與co2發生反應生成碳酸化合物，經過加熱即可將co2分解出來，見方程式(1)，2h0(ch2)2nh2+ co2 +h20ho(ch2)2nh32co2。該法的最大優點是可以在一個十分簡單的裝置中，把合成氣中的co2脫除到可以接受的程度。但它本身存在兩個缺點：(1) co2能與吸收反應生成的碳酸化合物發生進一步反應生成酸式碳酸鹽，該鹽較穩定，不易再生；(2) co2能與mea發生副反應，生成腐蝕性較強的氨基甲酸醋，容易形成污垢。1.2.1.2

29、甲基二乙醇胺mdeamdea法脫碳過程中，co2與甲基二乙醇胺(mdea，一種叔胺)生成的碳酸鹽穩定性較差，分解溫度低，且無腐蝕性。相對其它工藝，mdea法有以下優點: (1)能耗和生產費用低；(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、小各型合成氨廠；(4)溶劑穩定性好；(5)溶劑無毒、腐蝕性極小；(6)能同時脫硫。由于mdea具有以上優點，所以不需要毒性防腐劑，設備管道允許采用廉價碳鋼材料，不需要鈍化過程，耗熱低，設備管道不需要伴熱盤管，能達到很好的節能效果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-

30、5%。活性mdea工藝開發于20世紀60年代末，第一套活化mdea脫碳工藝裝置是1971年在德國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。我國在大型裝置中使用mdea脫碳工藝，烏魯木齊石化公司化肥廠屬于首例4。bafs公司推出的amdea脫碳工藝，主要用于對原來mea工藝的改造，近幾年我國一些研究單位正在對這方面進行積極的研究。1.2.1.3低熱耗苯菲爾法相對上述脫除co2的吸收劑溶液，碳酸鉀溶液更價廉易得，并具有低腐蝕，操作穩定，吸收co2能力較強等特性。但碳酸鉀溶液本身吸收co2的速度緩慢，需要添

31、加一些活化劑。其中如無毒g-v法工藝就是由意大利giammaro-vetrocoke公司所開發，最初使用的活化劑和緩蝕劑為as2o3，但對人體有毒。后來有人用氨基乙酸取代as2o3，消除了毒性，成為無毒g-v法。我國棲霞山化肥廠就采用了這種工藝。由美國聯碳公司開發的低熱耗苯菲爾法，用二乙醇胺(dea)作活化劑，v2o5作為腐蝕防護劑。我國于20世紀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，規模都是日產氨1000噸。低熱耗苯菲爾工藝是由美國聯碳公司在傳統苯菲爾工藝基礎上開發的，采用了節能新技術。國內在20世紀70年代引進的

32、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套進行了用低熱耗苯菲爾工藝改造。國內新建的以天然氣為原料的大型合成氨裝置，脫碳系統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。中海石油化學有限公司合成氨裝置脫碳系統采用改良型苯菲爾流程5。苯菲爾法可在高溫下運行，再生熱低，添加的v2o5可防腐蝕，但該工藝需對設備進行釩化處理，要求工人的操作水平較高。并且浪費溶劑，能耗大，特別蒸汽用得多，有效氣體損失也大，運行成本高等缺點。1.2.2物理吸收法物理洗滌是co2被溶劑吸收時不發生化學反應,溶劑減壓后釋放co2 (不必加熱)，解吸后的溶液循環使用。相對化學吸收法，物

33、理洗滌法的最大優點是能耗低, co2不與溶劑形成化合物，減壓后絕大部分co2被閃蒸出來，然后采用氣提或負壓實現溶劑的完全再生。這就使得工藝投資省、能耗低、工藝流程簡單。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工業集團公司研究院、杭州化工研究所共同開發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。nh

34、d氣體凈化技術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具有對設備無腐蝕，對co2、h2s等酸性氣體的吸收能力強、蒸汽壓低，揮發性小、熱穩定性和化學穩定性好、不會起泡，無腐蝕性等優點，并且該法在nhd的再生過程中幾乎不需要能量，通常利用空分裝置富余的低壓氮氣在氣提塔進行脫碳富液的氣提再生，其優點是減少利用空氣氣提帶來系統內nhd溶液含水量的富集，省去了空氣水冷、氣水分離及nhd脫水設備，節約了投資，簡化了流程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

35、碳酸丙烯酯中的溶解度比氫、氮氣在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多來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表達，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烯酯溶液中解吸出來，使碳酸丙烯酯溶液再生，重新恢復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、無毒、化學性質穩定、無腐蝕、流程操作簡單等優點。該法co2的回收率較高，能耗較低，但投資費用較高。適用于吸收壓力較高、co2凈化度不很高的流程，國內主要是小型廠使用。用碳丙作

36、為溶劑來脫除合成氨變換氣中co2工藝是一項比較適合我國國情的先進技術,與水洗工藝比較,除具有物理吸收過程顯著的節能效果外,在現有的脫碳方法中,由于它能同時脫除二氧化碳、硫化氫及有機硫化物,加上再生無需熱能,能耗較低等優勢,在國外合成氨和制氫工業上已得到廣泛應用。1.2.2.3變壓吸附法變壓吸附氣體分離凈化技術，簡稱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生

37、差異的特性，選擇吸附和解吸再生兩個過程，組成交替切換的循環工藝，吸附和再生在相同溫度下進行。可用此法改造小型氨廠，將低能耗，在大型氨廠使用顯得困難9。為了達到連續分離的目的，變壓吸附脫碳至少需要兩個以上的吸附塔交替操作，其中必須有一個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 中，每個吸附塔依次經歷吸附、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開發的節能型變壓吸附脫碳新工藝，多塔進料，多次均壓，并實現了吸附塔和真空泵的新組合，同時

38、對吸附劑、程控閥門、控制系統、動力設備的配置都做了較大的改進，從而使h2、n2有效氣體回收率大大提高，能耗進一步降低，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)系由德國林德公司(linde)和魯奇公司(lurgi)開發,是利用甲醇溶劑對各種氣體溶解度的顯著差別,可同時或分段脫除h2s、co2和各種有機硫等雜質,具有氣體凈化度高(凈化氣中總硫含量可小于0.15mg/m3, co210×10-6-20×10-6)、選擇性好、溶液吸收能力強、操作費用低等特點,是一種技術先進、經濟合理的氣體凈化工藝。自1954年lurgi公

39、司在南非sasol建成世界上第一套工業規模的示范性裝置以來,目前有100余套裝置投入運行，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。但該法投資很大，我國鎮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。1.2.3物理化學吸收法物理化學吸收法脫除co2工藝主要有環丁砜(sulfinol)法和常溫甲醇(amisol)法，物理化學吸收法常用于中等co2分壓的原料氣處理。環丁砜法中所使用的溶劑由是環丁礬、二異丙醇胺與水組成，能同時吸收co2和硫的化合物，且吸收速

40、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co2分壓升高時，以其在甲醇中溶解的物理吸收為主；當co2分壓較低時，以其與二乙醇胺發生化學反應的化學吸收為主，該法應用范圍廣，凈化率高，但對h2s和co2的選擇性較差，己很少使用。1.2.4固體吸附固體吸附是co2在加壓時被吸附在多孔狀固體上,減壓時吸附的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1.3.1pc法脫碳技術國內外現狀pc為環狀有機碳酸酯類化合物，分子ch3choco2ch2,該法在國外稱fluor法 。pc法是南化集團研究院等單位于20世紀70年代開發的技

41、術，1979年通過化工部鑒定。據初步統計，已有150余家工廠使用pc技術，現有裝置160余套，其中大型裝置兩套，其余為中小型裝置。大部分用于氨廠變換氣脫碳。總脫碳能力約300萬噸合成氨/年，其中配尿素型應用較多，占60左右，至今該法仍是聯堿、尿素、磷銨等合成氨廠使用最廣的脫碳方法，其開工裝置數為mdea、nhd法總和的數倍。1.3.2發展過程pc技術的應用，主要經歷了兩個階段：第一階段始于70年代末，兩個小氮肥廠用pc法代替水洗法脫co2的工業試驗裝置獲得成功，取得了明顯的節能效果和經濟效益。加之pc法在工藝上與水洗法相似，改造費用低，很快在一些小氮肥企業中推廣應用；第二階段，20世紀90年代

42、以來，隨著小化肥改變碳銨單一產品結構，適應市場需要，采用脫碳增氨轉產尿素或聯醇等方法，以提高經濟效益，增強小化肥的竟爭能力。為此，需要增設一套變換氣脫碳裝置，由于pc技術為典型的物理吸收過程，流程簡單，投資少，節能明顯，技術易于掌握。因此，很快得到了推廣，并擴大了應用范圍，技術上也趨于成熟。1.3.3技術經濟由于碳丙脫碳純屬物理過程，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、聯堿生產的要求。與水洗法相比可節省電耗150-250k

43、wh/tnh3，可節省操作費10-25元/t nh3。因而應用碳丙脫碳的廠家均可獲得明顯的節能效果。但這種效果隨著工藝配置、設備、操作狀況，處理規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28473558-54423349-418718841047-125612561.3.4工藝流程1.3.4.1氣體流程（1）原料氣流程由壓縮機三段送來2.3mpa的變換氣首先進入水洗塔底部與水洗泵送來的水在塔內逆流接觸，洗去變換氣中的大部分油

44、污及部分硫化物，并將氣體溫度降到30以下，同時降低變換氣中飽和水蒸汽含量。氣體自水洗塔塔頂出來進入分離器，自分離器出來的氣體進入二氧化碳吸收塔底部，與塔頂噴淋下來的碳酸丙烯酯溶液逆流接觸，將二氧化碳脫至工藝指標內。凈化氣由吸收塔頂部出來進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，凈化氣由塔頂出來后進入凈化氣分離器，將凈化氣夾帶的碳酸丙烯酯霧沫進一步分離，凈化氣由分離器頂部出來回壓縮機四段入口總管。根據各廠的具體情況和氨加工產品的不同，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、聯堿型、配尿素型、聯醇型、生產液氨

45、型以及制氫等各類型；在凈化效率上，有的對co2進行粗脫，而大部分廠家，則進行精脫；對脫碳壓力，有采用0.4mpa、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的閃蒸氣進入閃蒸氣洗滌塔，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。閃蒸氣自閃蒸氣洗滌段出來后進入閃蒸氣分離器，將閃蒸氣夾帶的碳酸丙烯酯液滴進一步分離下來，閃蒸氣自分離器頂部出來送碳化，脫除二氧化碳并副產碳酸氫銨后，閃蒸氣回壓縮機一段入口總管。由常解塔解吸出來的常解氣進入常解-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

46、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酯蒸氣回收下來，常解氣自常解氣洗滌段出來后進入常解氣分離器，將常解氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴進一步分離，常解氣自分離器頂部出來送食品二氧化碳工段。汽提氣由汽提塔出來后進入常解-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，經洗滌后汽提氣由塔頂放空。1.3.4.2液體流程（1）碳酸丙烯酯脫碳流程簡述貧碳酸丙烯酯溶液從二氧化碳吸收塔塔頂噴淋下來，由塔底排出稱為富液。富液經自調閥進入溶液泵-渦輪機組的渦輪，減壓后進入閃蒸槽，自閃蒸槽出來的碳酸丙烯酯液一部分進入過濾器，大部分不

47、經過過濾器，二者混合過后進入常解-汽提塔的常解段，碳酸丙烯酯液自常解段底部出來經過兩液封槽進入汽提塔頂部，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一步汽提出來，經汽提后的碳酸丙烯酯溶液為貧液，貧液由汽提塔出來進入循環槽，再由循環槽進入溶液泵-渦輪機組的溶液泵，由泵加壓后經碳酸丙烯酯溶液冷卻器降溫，進入二氧化碳吸收塔，從而完成了碳酸丙烯酯溶液的整個解吸過程。（2）稀液流程循環稀液（或軟水）由常解-汽提氣洗滌塔的常解段出來，經稀液泵加壓后送往凈化氣洗滌塔上部自上而下。由塔底出來經自調閥進入閃蒸氣洗滌塔的上部自上而下，由底部出來經自調閥進入常解-汽提氣洗滌塔的汽提氣洗滌段自上而下，由

48、底部出來經一u型液封管進入常解氣洗滌段繼續循環。1.3.5存在的問題及解決的辦法綜合分析pc法脫碳各廠的使用情況，最具代表性的問題有：（1）溶劑損耗高.造成這一問題原因有三個因素：a、pc溶劑蒸汽壓高；b、pc氣相回收系統不完善；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，系統殘碳高或冷卻不好等等。目前碳丙脫碳技術已提高到一個新的階段，已工業應用的或即將應用的最有吸引力的進展有以下幾個方面。1.3.6 pc法脫碳技術發展趨勢1.3.6.1塔器優化 塔器的優化包括塔徑、塔填料、塔內件、塔過程控制的技術改造，改造后往往

49、可提高20%-50%或更高的生產能力，改造主要分兩部分進行: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化氣液接觸效率，加大潤濕面積。具體辦法是設稅全截面均勻分布的氣體和液體分布器，部分或全部采用規整填料；二是再生塔的改造。由于傳統設計中再生塔常解段均為淋降式，當系統硫含量高時，受逆流及淋降板開孔直徑的限制，易造成溶液中的單質硫積累結垢，漸漸堵塞淋降板上的開孔，使其失效故往往生產2年后再生效果會明顯不如以前。由此可見，必須對這種結構徹底改造。具體辦法是將常解段改為篩板或填料塔型，并增設類似塔型的真空解析段。改造工作除了塔器以外，還進行了系統工藝優化，具體內容有：（1）調整溶劑泵的揚

50、程，串聯1臺增壓泵；（2）氣提流程由原正壓氣提改為負壓氣提，有利于提高貧度；（3）降低變換氣和循環溶劑的溫度，以提高碳丙吸收能力；（4）采取碳丙溶劑半過濾或全過濾方法，杜絕系統堵塞隱患；（5）提高變換氣脫硫效果；（6）碳丙稀液回收改造11。1.3.6.2復合溶劑法用兩種或兩種以上的物理、化學或物理化學溶劑作為復合溶劑凈化酸性氣體的研究，多年來一直方興未艾。復合溶劑法的優點從選擇性和吸收能力分析，特別是高分壓下，選擇合適的復合溶劑，優于純溶劑，顯著地提高了溶劑的吸收能力；另一方面明顯地降低了能耗。除此以外，復合溶劑為了達到操作特性要求所作的混合過程，還具有其它方面的靈活性，即復合溶劑的組成。而且

51、，復合溶劑可以優化配方用最低的費用達到所須的分離要求（如表3.1）。表3.1 兩種方法的技術經濟比較（以噸氨計）項目pc法復合溶劑法co2凈化度（%）0.80.5溶劑損耗（kg）1.50.75電耗（kwh）145100操作成本（元）85601.3.6.3低溫pc法實踐證明，低溫碳丙法具有以下優點:l)氣體凈化度高；2)降低溶劑循環量；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、降低溶劑循環量、節省動力消耗、降低溶劑蒸發損失,吸收操作可在低于常溫條件下進行,即低溫碳酸丙烯酯脫碳技術。co2在溶劑中的溶解度可用下式表示：lgx*=lgp+b/t+c+lg 式中：x*co2在含水溶劑

52、中的飽和溶解度，摩爾分數；p氣相co2分壓，1.01×105pa；b、c常數，b=686.1，c=-4.245；溶劑含水量的修正系數，當含水量為2%時，=0.9，lg=-0.046；t吸收溫度，k。1.4工藝設計的意義和目的隨著合成氨工業的飛速發展與國際經濟的迅速變化，合成氨工業的經濟性急需要提高，來降低成本，抵御風險。就碳酸丙烯酯法脫碳工藝進行深入研究，以達到成本最低化，資源有效化。因此，在國際經濟與國家政策的前提下，將合成氨的風險和利潤投入到中間工序脫碳工段，對陷入困境的化工行業是一個很好的出路，對內外交困的合成氨行業來說，可以選擇與鎳鐵行業進行戰略聯盟，以避免風險，降低成本。此

53、工藝能有效縮短流程，降低能源消耗，減少污染排放，在提高產品附加值的同時也填補了脫碳工藝的國內空白，并且為合成氨領域的進步積累了難得經驗。第二章 物、熱量恒算設計條件：（1）每噸氨耗變換氣近似取4278m(stp)，簡記為4278nm3/變換氣t/氨（下同）。（2）變換氣組成為：co2：28.0；co：2.5；h2：47.2；n2：22.3（均為體積分數，下同。其它組分被忽略）；（3）要求出塔凈化氣中co2的濃度不超過0.5%；（4）pc吸收劑的入塔濃度根據操作情況選取；（5）氣液兩相的入塔溫度均選定為30；（6）操作壓強為2.8mpa；（7）年工作日330d，每天24h連續運行。1計算前的準備

54、依照：年工作日以330d，每天以24h連續運行計，有330×24=7920h，此處按8000h算。合成氨：（400000t/a）/（8000h/a）=50.0t/h變換氣：4278nm變換氣/t氨。變換氣的組成見表4.1。表2.1 變換氣各組分體積分數及組分分壓項目co2coh2n2合計體積分數（%）28.02.547.222.3100組分分壓（mpa）0.7840.0701.32160.62442.800（kgf/cm2）7.99280.713613.47366.365728.5457（atm）7.73750.690813.04326.162327.63382.1計算依據co2的p

55、c中的溶解度關系因為是高濃度氣體吸收，故吸收塔內co2的溶解熱應予以考慮。現假設出塔氣體 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其平衡濃度的百分數）為80%，然后利用物料衡算結合熱量衡算驗證生疏溫度假設的正確性。有人關聯出了co2再pc中溶解的相平衡關系，因數據來源不同，關聯式略有差異12。lgxco2=lgpco2+644.25/t-4.112 （1）式中：xco2-溶解度，kmolco2 /kmolpcpco2co2分壓，kgf/cm2 tpc出塔溫度，k lgxco2=lgpco2+701.16/t-4.267 （2） 式中： xco2- co2溶解度，kmolco2 /kmolpcpco2co2分壓，atm tpc出塔溫度，k lgxco2=lgpco2+726.90/t-4.3848 (3)式中：xco2摩爾百分數，無因次pco2co2分壓，atm tpc出塔溫度，k 用關聯式（1）計算出塔溶液中co2的濃度有 lgxco2=lg7.9928+644.25/308.15-4.112=-1.1186xco2=0.0761kmolco2 /kmolpc=0.0761×22.4/（102.09/1187）=19.82 nm3co2/ m3pc式中：102.09pc的摩爾質量，kg/k