1、 PAGE51 / NUMPAGES57年產(chǎn)30萬噸合成氨脫碳工段工藝設(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程中不可缺少的塔設(shè)備。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)與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二氧化碳吸收塔和解析塔的物、熱量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生塔等設(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)等方面的知識進(jìn)行塔體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，設(shè)計(jì)出二氧化碳吸收塔的塔徑為2.1m，塔高為27m，二氧化碳解吸塔塔徑2.4m，塔高29m；然后對二氧化碳吸收和解吸塔進(jìn)行了必要的強(qiáng)度校核；最后對脫碳工段

2、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)上存在的問題、確定問題的根源、提出解決問題的合理方案準(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 yearAbstract: Decarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the Synthetic

3、Ammonia, and the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are indispensable tower equipment in the Synthetic Ammonia. This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarboniza-tion are selected finally. The t

4、echnological 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 absorption Mechanism, mass transfer and heat transfer equation, solution -physical data stc se

5、condly.The diameter of absorption tower is 2.1m, the height of tower is 27m, diameter of desorption tower is 2.4m, the height of tower is 29m, which were designed., And then the strength of the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are checked. The decarbonizing section

6、 structural arrangement was HYPERLINK :/ reasonable design finally. As the theoretical 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 pr

7、oblems.Keywords: Decarbonization process; Carbon dioxide removal with PC method; Proeess design目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293304011 緒論 PAGEREF _Toc29330401 h 1HYPERLINK l _Toc293304021.1合成氨工業(yè)概況 PAGEREF _Toc29330402 h 1HYPERLINK l _Toc293304031.1.1我國合成氨工業(yè)發(fā)展概況 PAGEREF _Toc29330403 h 1HYPERLINK

8、 l _Toc293304041.1.2發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc29330404 h 1HYPERLINK l _Toc293304051.1.3合成氨生產(chǎn)工藝簡述 PAGEREF _Toc29330405 h 2HYPERLINK l _Toc293304061.1.4脫碳單元在合成氨工業(yè)中的作用 PAGEREF _Toc29330406 h 2HYPERLINK l _Toc293304071.1.5脫碳方法概述 PAGEREF _Toc29330407 h 2HYPERLINK l _Toc293304081.2凈化工序中脫碳方法 PAGEREF _Toc29330408 h

9、2HYPERLINK l _Toc293304091.2.1化學(xué)吸收法 PAGEREF _Toc29330409 h 2HYPERLINK l _Toc293304101.2.2物理吸收法 PAGEREF _Toc29330410 h 3HYPERLINK l _Toc293304111.2.3物理化學(xué)吸收法 PAGEREF _Toc29330411 h 5HYPERLINK l _Toc293304121.2.4固體吸附 PAGEREF _Toc29330412 h 5HYPERLINK l _Toc293304131.3碳酸丙烯酯（PC）法脫碳工藝基本原理 PAGEREF _Toc2933

10、0413 h 5HYPERLINK l _Toc293304141.3.1PC法脫碳技術(shù)國外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc29330414 h 5HYPERLINK l _Toc293304151.3.2發(fā)展過程 PAGEREF _Toc29330415 h 5HYPERLINK l _Toc293304161.3.3技術(shù)經(jīng)濟(jì) PAGEREF _Toc29330416 h 5HYPERLINK l _Toc293304171.3.4工藝流程 PAGEREF _Toc29330417 h 5HYPERLINK l _Toc293304181.3.5存在的問題與解決的辦法 PAGEREF _Toc

11、29330418 h 6HYPERLINK l _Toc293304191.3.6 PC法脫碳技術(shù)發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc29330419 h 6HYPERLINK l _Toc293304201.4工藝設(shè)計(jì)的意義和目的 PAGEREF _Toc29330420 h 7HYPERLINK l _Toc293304212 全廠總平面的布置和設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29330421 h 8HYPERLINK l _Toc293304222.1全場總平面布置的任務(wù) PAGEREF _Toc29330422 h 8HYPERLINK l _Toc293304232.2全廠總平面設(shè)計(jì)的原

12、則 PAGEREF _Toc29330423 h 8HYPERLINK l _Toc293304242.3全廠總平面布置容 PAGEREF _Toc29330424 h 8HYPERLINK l _Toc293304252.4全廠平面布置的特點(diǎn) PAGEREF _Toc29330425 h 8HYPERLINK l _Toc293304262.5全廠人員編制 PAGEREF _Toc29330426 h 8HYPERLINK l _Toc293304273 吸收塔和解吸塔的物料衡算和熱量衡算 PAGEREF _Toc29330427 h 10HYPERLINK l _Toc293304283.

13、1計(jì)算依據(jù)CO2的PC中的溶解度關(guān)系 PAGEREF _Toc29330428 h 10HYPERLINK l _Toc293304293.2 PC的密度與溫度的關(guān)系 PAGEREF _Toc29330429 h 10HYPERLINK l _Toc293304303.3 PC的蒸汽壓 PAGEREF _Toc29330430 h 11HYPERLINK l _Toc293304313.4 PC的黏度 PAGEREF _Toc29330431 h 11HYPERLINK l _Toc293304323.5物料衡算 PAGEREF _Toc29330432 h 11HYPERLINK l _To

14、c293304333.5.1各組分在PC中的溶解量 PAGEREF _Toc29330433 h 11HYPERLINK l _Toc293304343.5.2 溶劑夾帶量 PAGEREF _Toc29330434 h 11HYPERLINK l _Toc293304352.5.3 溶液帶出的氣量 PAGEREF _Toc29330435 h 11HYPERLINK l _Toc293304363.5.4出脫碳塔凈化氣量 PAGEREF _Toc29330436 h 11HYPERLINK l _Toc293304373.5.5計(jì)算PC循環(huán)量 PAGEREF _Toc29330437 h 12

15、HYPERLINK l _Toc293304383.5.6入塔液中CO2夾帶量 PAGEREF _Toc29330438 h 12HYPERLINK l _Toc293304393.5.7帶出氣體的質(zhì)量流量 PAGEREF _Toc29330439 h 12HYPERLINK l _Toc293304403.5.8驗(yàn)算吸收液中凈化氣中CO2的含量 PAGEREF _Toc29330440 h 12HYPERLINK l _Toc293304413.5.9出塔氣的組成 PAGEREF _Toc29330441 h 12HYPERLINK l _Toc293304423.6熱量衡算 PAGEREF

16、 _Toc29330442 h 12HYPERLINK l _Toc293304433.6.1混合氣體的定壓比熱容 PAGEREF _Toc29330443 h 12HYPERLINK l _Toc293304443.6.2液體的比熱容 PAGEREF _Toc29330444 h 13HYPERLINK l _Toc293304453.6.3 CO2的溶解熱 PAGEREF _Toc29330445 h 13HYPERLINK l _Toc293304463.6.4出塔溶液的溫度 PAGEREF _Toc29330446 h 13HYPERLINK l _Toc293304474 吸收塔和解

17、吸塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29330447 h 14HYPERLINK l _Toc293304484.1確定吸收塔塔徑與相關(guān)參數(shù) PAGEREF _Toc29330448 h 14HYPERLINK l _Toc293304494.1.1求取泛點(diǎn)氣速和操作氣速 PAGEREF _Toc29330449 h 14HYPERLINK l _Toc293304504.1.2求取塔徑 PAGEREF _Toc29330450 h 14HYPERLINK l _Toc293304514.1.3核算操作氣速 PAGEREF _Toc29330451 h 14HYPERLINK l _Toc

18、293304524.1.4核算徑比 PAGEREF _Toc29330452 h 14HYPERLINK l _Toc293304534.1.5校核噴淋密度 PAGEREF _Toc29330453 h 14HYPERLINK l _Toc293304544.2填料層高度的計(jì)算 PAGEREF _Toc29330454 h 15HYPERLINK l _Toc293304554.2.1建立相應(yīng)的操作線方程和向平衡方程 PAGEREF _Toc29330455 h 15HYPERLINK l _Toc293304564.2.2利用兩線方程求取傳質(zhì)推動力 PAGEREF _Toc29330456

19、h 15HYPERLINK l _Toc293304574.2.3 氣相傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 PAGEREF _Toc29330457 h 16HYPERLINK l _Toc293304584.2.4 氣相總傳質(zhì)單元高度 PAGEREF _Toc29330458 h 16HYPERLINK l _Toc293304594.2.5塔附屬高度 PAGEREF _Toc29330459 h 20HYPERLINK l _Toc293304604.2.6填料層壓降計(jì)算 PAGEREF _Toc29330460 h 20HYPERLINK l _Toc293304614.2.7液體初始分布器 PAGERE

20、F _Toc29330461 h 21HYPERLINK l _Toc293304624.2.8絲網(wǎng)除沫器 PAGEREF _Toc29330462 h 22HYPERLINK l _Toc293304634.2.9防渦流擋板的選取 PAGEREF _Toc29330463 h 22HYPERLINK l _Toc293304644.2.10填料支撐裝置 PAGEREF _Toc29330464 h 22HYPERLINK l _Toc293304654.2.11填料床層限制器 PAGEREF _Toc29330465 h 22HYPERLINK l _Toc293304664.2.12裙座的

21、設(shè)計(jì)計(jì)算與選取 PAGEREF _Toc29330466 h 22HYPERLINK l _Toc293304674.2.13填料吸收塔設(shè)計(jì)小結(jié) PAGEREF _Toc29330467 h 22HYPERLINK l _Toc293304684.3確定解吸塔塔徑與相關(guān)參數(shù) PAGEREF _Toc29330468 h 22HYPERLINK l _Toc293304694.3.1求取解析塔操作氣速 PAGEREF _Toc29330469 h 23HYPERLINK l _Toc293304704.3.2求取塔徑 PAGEREF _Toc29330470 h 23HYPERLINK l _T

22、oc293304714.3.3核算操作氣速 PAGEREF _Toc29330471 h 23HYPERLINK l _Toc293304724.3.4核算徑比 PAGEREF _Toc29330472 h 23HYPERLINK l _Toc293304734.3.5校核噴淋密度 PAGEREF _Toc29330473 h 24HYPERLINK l _Toc293304744.4填料層高度的計(jì)算 PAGEREF _Toc29330474 h 24HYPERLINK l _Toc293304754.4.1建立相應(yīng)的操作線方程和向平衡方程 PAGEREF _Toc29330475 h 24H

23、YPERLINK l _Toc293304764.4.2利用兩線方程求取傳質(zhì)推動力 PAGEREF _Toc29330476 h 24HYPERLINK l _Toc293304774.4.3傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 PAGEREF _Toc29330477 h 25HYPERLINK l _Toc293304784.4.4氣相總傳質(zhì)單元高度 PAGEREF _Toc29330478 h 25HYPERLINK l _Toc293304794.4.5塔附屬高度 PAGEREF _Toc29330479 h 29HYPERLINK l _Toc293304804.4.6填料層壓降計(jì)算 PAGEREF _

24、Toc29330480 h 29HYPERLINK l _Toc293304814.4.7初始分布器和再分布器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29330481 h 29HYPERLINK l _Toc293304824.4.8氣體分布器 PAGEREF _Toc29330482 h 30HYPERLINK l _Toc293304834.4.9絲網(wǎng)除沫器 PAGEREF _Toc29330483 h 31HYPERLINK l _Toc293304844.4.10填料解吸塔設(shè)計(jì)小結(jié) PAGEREF _Toc29330484 h 31HYPERLINK l _Toc293304855 塔件機(jī)械強(qiáng)度

25、設(shè)計(jì)與校核 PAGEREF _Toc29330485 h 32HYPERLINK l _Toc293304865.1吸收塔機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核 PAGEREF _Toc29330486 h 32HYPERLINK l _Toc293304875.1.1吸收塔筒體和裙座壁厚計(jì)算 PAGEREF _Toc29330487 h 32HYPERLINK l _Toc293304885.1.2吸收塔塔的質(zhì)量載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc29330488 h 32HYPERLINK l _Toc293304895.1.3地震載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc29330489 h 33HYPERLINK

26、l _Toc293304905.1.4風(fēng)載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc29330490 h 34HYPERLINK l _Toc293304915.1.5各種載荷引起的軸向應(yīng)力 PAGEREF _Toc29330491 h 36HYPERLINK l _Toc293304925.1.6筒體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc29330492 h 36HYPERLINK l _Toc293304935.1.7裙座和筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 PAGEREF _Toc29330493 h 37HYPERLINK l _Toc293304945.1.8基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì) PAGEREF

27、_Toc29330494 h 39HYPERLINK l _Toc293304955.1.9地腳螺栓計(jì)算 PAGEREF _Toc29330495 h 39HYPERLINK l _Toc293304965.2解析塔機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核 PAGEREF _Toc29330496 h 40HYPERLINK l _Toc293304975.2.1吸收塔筒體和裙座壁厚計(jì)算 PAGEREF _Toc29330497 h 40HYPERLINK l _Toc293304985.2.2解析塔塔的質(zhì)量載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc29330498 h 40HYPERLINK l _Toc29330499

28、5.2.3塔自振周期計(jì)算 PAGEREF _Toc29330499 h 41HYPERLINK l _Toc293305005.2.4地震載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc29330500 h 41HYPERLINK l _Toc293305015.2.5風(fēng)載荷計(jì)算 PAGEREF _Toc29330501 h 42HYPERLINK l _Toc293305025.2.6各種載荷引起的軸向應(yīng)力 PAGEREF _Toc29330502 h 44HYPERLINK l _Toc293305035.2.7筒體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc29330503 h 45HY

29、PERLINK l _Toc293305045.2.8裙座和筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 PAGEREF _Toc29330504 h 45HYPERLINK l _Toc293305055.2.9基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29330505 h 47HYPERLINK l _Toc293305065.2.10地腳螺栓計(jì)算 PAGEREF _Toc29330506 h 48HYPERLINK l _Toc293305076 輔助設(shè)備設(shè)計(jì)與選取 PAGEREF _Toc29330507 h 49HYPERLINK l _Toc293305086.1儲罐的選擇 PAGEREF _Toc293305

30、08 h 49HYPERLINK l _Toc293305096.2泵的選擇 PAGEREF _Toc29330509 h 49HYPERLINK l _Toc293305106.3接管管徑計(jì)算 PAGEREF _Toc29330510 h 50HYPERLINK l _Toc293305116.3.1進(jìn)塔氣管徑 PAGEREF _Toc29330511 h 50HYPERLINK l _Toc293305126.3.2出塔氣管徑 PAGEREF _Toc29330512 h 50HYPERLINK l _Toc293305136.3.3液體進(jìn)料管徑 PAGEREF _Toc29330513

31、h 50HYPERLINK l _Toc293305146.3.4釜液排出管徑 PAGEREF _Toc29330514 h 50HYPERLINK l _Toc29330515主要符號說明 PAGEREF _Toc29330515 h 51HYPERLINK l _Toc29330516參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc29330516 h 52HYPERLINK l _Toc29330517附圖 PAGEREF _Toc29330517 h 53HYPERLINK l _Toc29330518致 PAGEREF _Toc29330518 h 541 緒 論1.1合成氨工業(yè)概況1898年，德

32、國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)一步與過熱水蒸氣反應(yīng)即可獲得氨： CaCN23H2O（g）2NH3（g）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，美國于1963年和1966年分別出現(xiàn)第一個600t/d和1000t/d的單系列合成氨裝置，在60-70年代出現(xiàn)1500-3000t/d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

33、少了用戶的選擇圍，但市場的穩(wěn)定性卻相應(yīng)地增加了，世界化肥生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是越來越集中到那些原料豐富且價(jià)格便宜的地區(qū)，中國西北部有蘊(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我國合成氨工業(yè)發(fā)展概況我國是一個人口大國，農(nóng)業(yè)在國民經(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源，因而合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的位置。 我國合成氨工業(yè)始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過多年的努力，我國的合成氨工業(yè)得到很大的發(fā)展，建國以來合成氨工業(yè)發(fā)展十分迅速，從六十年代末、七十年代初至今，我國陸續(xù)引進(jìn)了三十多套現(xiàn)代化大型合成氨裝置，已

34、形成我國特有的煤、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。目前我國合成氨產(chǎn)能和產(chǎn)量己躍居世界前列。但是，由于在我國合成氨工業(yè)中，中小型裝置多，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，國產(chǎn)化水平低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的迫切需要，因此，開發(fā)新技術(shù)的同時(shí)利用計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型來提高設(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，從而推動合成氨工業(yè)發(fā)展，提升整體技術(shù)水平，己成為國當(dāng)前化學(xué)工程科研、工程設(shè)計(jì)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，到目前為止，中國化肥產(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)

35、重要的問題。化肥對農(nóng)作物的增產(chǎn)作用己為大家所公認(rèn)，中國施肥水平還有很大的提高空間，尤其是中西部市場。與國外比較，我國氮肥行業(yè)主要存在一些比較嚴(yán)重的問題，集中表現(xiàn)為裝置規(guī)模小，因而有效生產(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)展的一個主要因素。對原有合成氨裝置進(jìn)行改擴(kuò)建，利用國家對農(nóng)業(yè)的傾斜政策，節(jié)能技術(shù)改造見效快、可很快提高企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，改擴(kuò)建改造會給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。1.1.2發(fā)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(jià)后，從煤制氨路線重新受到重視，但因以天

36、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、充分回收與合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(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。現(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程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)

37、品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以與中國、意大利等國開發(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)。1.1.3合成氨生產(chǎn)工藝簡述合成氨是一個傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)，誕生于二十世紀(jì)初。就世界圍來說，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(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、

38、甲烷化、氨的合成、吸收制冷與輸人氨庫和氨吸收八個工序1。在合成氨生產(chǎn)過程中，脫除CO2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(jìn)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(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脫碳單元在合成氨工業(yè)中的作用在最終產(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

39、含量經(jīng)吸收后降到0.1%以下，以避免甲烷化系統(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。在此過程中吸收塔壓降還應(yīng)維持在合理圍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與方法造氣，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CO2量較少，合成氣中CO2濃度在15-20%，每噸氨副產(chǎn)CO2約1.0-1.6噸。這些CO2如果不在

40、合成工序之前除凈，不僅耗費(fèi)氣體壓縮功，空占設(shè)備體積，而且對后續(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的兩個目的。1.1.5脫碳方法概述由變換工序來的低變氣進(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。由再生塔頂出來的CO2，

41、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。再生后的脫碳液（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，送入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)吸收法、物理吸收法和物理化學(xué)吸收法三大類。1.2.1化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法即利用CO2

42、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：-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G-V法

43、；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(fā)生反應(yīng)生成碳酸化合物，經(jīng)過加熱即可將CO2分解出來。該法的最大優(yōu)點(diǎn)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(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。1.2.1.2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(wěn)定

44、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(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）使用圍廣，可用于大、中、小各型合成氨廠；（4）溶劑穩(wěn)定性好；（5）溶劑無毒、腐蝕性極小；（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BAFS

45、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(jìn)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(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。其中如無毒G-V法工藝就是由意大利Giammaro-Vetrocoke公司所開發(fā)，最初使用

46、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(lián)碳公司開發(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、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聯(lián)碳公司在傳統(tǒng)苯菲爾工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的，采用了節(jié)能新技術(shù)。國在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。國新建

47、的以天然氣為原料的大型合成氨裝置，脫碳系統(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。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)，溶劑減壓后釋放CO2 (不必加熱)，解吸后的溶液循環(huán)使用。相對化學(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，然后采用氣提或負(fù)壓實(shí)現(xiàn)溶劑的完全

48、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、變壓吸附法與低溫甲醇法等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化學(xué)工業(yè)集團(tuán)公司研究院、化工研究所共同開發(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。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具有對設(shè)備無腐蝕，對CO2、

49、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、不會起泡，無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，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?dú)庠跉馓崴M(jìn)行脫碳富液的氣提再生，其優(yōu)點(diǎn)是減少利用空氣氣提帶來系統(tǒng)NHD溶液含水量的富集，省去了空氣水冷、氣水分離與NHD脫水設(shè)備，節(jié)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砻摮趸己土蚧瘹涠叶趸荚谔妓岜ブ腥芙舛仁请S壓力升高和溫度

50、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(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烯酯溶液中解吸出來，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、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕、流程操作簡單等優(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，國主要是小型廠使用。用碳丙液作為溶劑來脫除合成氨變換氣中CO2工藝是一項(xiàng)比較適合我國國情的先進(jìn)技術(shù)，與水洗工藝比較，除具有物理吸收過程顯著的節(jié)能效果外，在現(xiàn)有的

51、脫碳方法中，由于它能同時(shí)脫除二氧化碳、硫化氫與有機(jī)硫化物，加上再生無需熱能，能耗較低等優(yōu)勢，在國外合成氨和制氫工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用。1.2.2.3變壓吸附法變壓吸附氣體分離凈化技術(shù)，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(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過程，組成交替切換的循環(huán)工藝，吸附和再生在一樣溫度下進(jìn)行。可用此法改造小型氨廠，將低能耗，在大型

52、氨廠使用顯得困難9。為了達(dá)到連續(xù)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(huán) 中，每個吸附塔依次經(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合成氨廠已廣泛采用。如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(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)對吸附劑、程控閥門、控制系統(tǒng)、動力設(shè)備的配置都做了較大的改進(jìn)，從而使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

53、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(fā)，是利用甲醇溶劑對各種氣體溶解度的顯著差別，可同時(shí)或分段脫除H2S、CO2和各種有機(jī)硫等雜質(zhì)，具有氣體凈化度高、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)模的示性裝置以來，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，適用圍廣泛等特

54、點(diǎn)。但該法投資很大，我國鎮(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。1.2.3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)用圍廣，凈化率高，但對H2S和

55、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(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）法脫碳工藝基本原理1.3.1PC法脫碳技術(shù)國外現(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年代開發(fā)的技術(shù)，1979年通過化工部鑒定。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(yīng)用較多，占60%左右，至今該法仍是聯(lián)堿、尿素、磷銨

56、等合成氨廠使用最廣的脫碳方法，其開工裝置數(shù)為MDEA、NHD法總和的數(shù)倍。1.3.2發(fā)展過程PC技術(shù)的應(yīng)用，主要經(jīng)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(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，隨著小化肥改變碳銨單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，適應(yīng)市場需要，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榇耍枰鲈O(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程，流程簡單，投資少，節(jié)能明顯，技術(shù)易于掌握。因此，很快得到了推

57、廣，并擴(kuò)大了應(yīng)用圍，技術(shù)上也趨于成熟。1.3.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(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、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1.1。表1.1 幾種脫碳方法的能耗比較表方法

58、名稱加壓水洗苯菲爾法位阻胺法改良MEDA法NHD法PC法能耗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(jī)三段送來2.3MPa的變換氣首先進(jìn)入水洗塔底部與水洗泵送來的水在塔逆流接觸，洗去變換氣中的大部分油污與部分硫化物，并將氣體溫度降到30以下，同時(shí)降低變換氣中飽和水蒸汽含量。氣體自水洗塔塔頂出來進(jìn)入分離器，自分離器出來的氣體進(jìn)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(biāo)。凈化氣由吸收塔頂部出來進(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

59、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(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與要求亦各異。在使用上，有替代加壓水洗型、聯(lián)堿型、配尿素型、聯(lián)醇型、生產(chǎn)液氨型以與制氫等各類型；在凈化效率上，有的對CO2進(jìn)行粗脫，而大部分廠家，則進(jìn)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與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(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

60、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(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，閃蒸氣自分離器頂部出來送碳化，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酯蒸氣回收下來，常解氣自常解氣洗滌段出來后進(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送食品二氧化碳工段。汽提氣由汽提塔出來后進(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