年產30萬噸合成氨脫碳工段工藝設計本科畢業設計(更新版)

　　

【正文】 B=， C=； ζ——溶劑含水量的修正系數，當含水量為 2%時， ζ=， lgζ=； T———吸收溫度， K。 全廠總平面布置內容 全廠應主要包括廠前區、動力區、生產區、倉庫區等。 全廠平面布置的特點 平面布置有以下幾個特點：廠房建筑物的布置與生產工藝流程相適應。 變換氣： 4278Nm 變換氣 /t 氨。 PC 的黏度 logμ=+（ ） smPa? T—為熱力學溫度， K。 溶劑夾帶量 以 Nm3/m3PC 計，各組分被夾帶的量如下： CO2： = Nm3/m3PC CO： = Nm3/m3PC H2： =N2： =CH4： = 溶液帶出的氣量 為夾帶量與溶解量之和 CO2： += Nm3/m3PC % CO： += Nm3/m3PC % H2： += Nm3/m3PC % CH4： +0= Nm3/m3PC % N2： += Nm3/m3PC % 出脫碳塔凈化氣量 以 V V V3 分別代表進塔 （ 出塔 ） 及溶液帶出的總氣量，以 y y y3 分別代表 CO2 相應的體積分率，對 CO2 作物料衡算有： 1 2 3V V V?? 1 1 2 2 3 3V y V y V y?? 聯立兩式解之得 V3=1 1 232( )V y yyy = 0 0 5 0 )0 0 ( 2 7 8 ? ?? =62200Nm3/h V2= V1 V3=21390062200=151700 Nm3/h 陜西理工學院畢業設計 第 12 頁 共 54 頁 計算 PC 循環量 因每 1m3PC 帶出 CO2 為 Nm3，故有： L== 62200 ?=3757m3/h 37571187=4459560kg/h 操作的氣液比為 V1/L=213900/3757= Nm3/m3 入塔液中 CO2 夾帶量 L0= 443757=1476kg/h 帶出氣體的質量流量 夾帶氣量： 3757=1127 Nm3/h 夾帶氣的平均摩爾質量： M 1=44+28+2+28=夾帶氣的質量流量： 1127247。 陜西理工學院畢業設計 第 13 頁 共 54 頁 表 各組分溫度系數及其定壓比熱容 組分 溫度系數 定壓比熱容 a b c d CP1。=117552kg/h 帶出氣體的總質量流量： 1017+117552=118569kg/h 驗算吸收液中 凈化氣中 CO2 的含量 取脫碳塔阻力降為 ，則塔頂壓強為 = kgf/cm2，此時 CO2 的分壓為： Pco2==此時分壓呈平衡的 CO2 液相濃度為： lgXco2=+ = Xco2= CO2/kmolPC = 1192/ ? =＞ Nm3CO2/m3PC 式中： 1192 為吸收液在塔頂 30℃ 時的密度，近似取純 PC 液體的密度值。 將計算結果列于表 中。 表 變換氣各組分體積分數及組分分壓 項目 CO2 CO H2 N2 CH4 合計 體積分數（ %） 100 （ MPa） （ Kgf/cm2） （ atm） 計算依據 CO2的 PC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。 全廠人員編制 企業實行廠長負責制，各部門負責人直接受廠長負責 ，并實行三級管理，廠、科、車間及人員編制以組織好生產為原則。 動力區：包括變電站、鍋爐房等。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。 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。 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。 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。 表 幾種脫碳方法的能耗比較表 方法名稱 加壓水洗 苯菲爾 法 位阻胺法 改良 MEDA 法 NHD 法 PC 法 能耗 2847 35585442 33494187 1884 10471256 1256 工藝流程 氣體流程 （ 1）原料氣流程 由壓縮機三段送來 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。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。 碳酸丙烯酯（ PC）法脫碳工藝基本原理 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。 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 、 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。 變壓吸附法 變壓吸附氣體分離凈化技術，簡稱 PSA（ Pressure Swing Adsorption） 。 NHD 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。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。我國棲霞山化肥廠就采用了這種工藝。 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 25%。 （ 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 無毒 GV 法； ② 苯菲爾法； ③ 催化熱鉀堿 （ Cata carb） 法； ④ Flexsorb 法 [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。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。 脫碳單元 在 合成氨工業中的作用 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。中國開發的用 氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，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。 發展趨勢 原料路線的變化方向。目前我國合成氨產能和產量己躍居世界前列。 涉密論文按學校規定處理。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。陜西理工學院畢業設計 I 年產 30 萬噸合成氨脫碳工段工藝設計 [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。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。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。 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。 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。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。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。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。再生后的脫碳 液（ 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 入 二氧化碳吸收塔循環使用。 (l)烷鏈醇胺類的脫碳工藝有： ① 乙醇胺 (monoethanolamine， H2NCH2CH2OH， MEA)法； 陜西理工學院畢業設計 第 3 頁 共 54 頁 ② 甲基二乙醇胺 （ methyl diethanolamine， CH3N(CH2CH2OH)2， MDEA） 法； ③ 活化 MDEA 法 （ 即 aMDEA 工藝 ） 。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]。后來有人用氨基乙酸取代 As 2O3，消除了毒性，成為無毒 GV 法。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]。 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]。用碳丙 液 作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。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 H 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]。 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。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。碳丙脫碳與幾種脫碳方法的能耗比較如表 。 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。 （ 2）凈化氣中 CO2 含量容易跑高，噸氨電耗高 。 陜西理工學院畢業設計 第 7 頁 共 54 頁 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]。 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。 廠前區： 包括行政樓 、研發樓、職工食堂、醫務室等主要建筑。原料﹑半成品和成品形成整個順序，盡量保證流水作業，避免逆行和交叉；鍋爐房﹑水泵房﹑配電站等輔助車間盡量靠近其主要 部門，以縮短期間距離，節省投資；由前區到生產區主要干道，應避免與主要運輸道路交叉；盡量使大多數廠房向陽﹑背風﹑避免瓦斯等，盡可能使各廠區有條件采用自然采光和自然通風等；按防火規范的要求，保證建筑物之間的距離，符合規定；根據衛生規范的要求，保證廠區內衛生符合規定；根據環境發展的要求，生產區設在有廢渣處理系統﹑廢水處理系統﹑廢氣處理系統等設施 ；考慮工廠今后的發展，在廠區留有建筑余地；盡量做到以生產區為軸線，再考慮輔助車間﹑行政樓和道路的安排。變換氣的組成見表 。 物料衡算 各組分在 PC 中的溶解量 各組分在操作總壓為 、操作溫度為 35℃ 下在數據，并取相對吸收飽和度為 80%， 并且甲烷 含量很少，而且其在 PC 中的溶解度 也很小，故將其近似處理。=1017kg/h 溶解氣量： 622001127=61073kg/h 溶解氣的平均摩爾質量： sM =44+28+2+28= kg/kmol 溶解氣的質量流量： 61073247