合成氨变压吸附工艺优化修改稿

LUOYANG NORMAL UNIVERSITYXXXX 届 本 科 毕 业 论 文 (设 计 )合成氨变压吸附工艺优化院 （ 系 ） 名 称 化 学 化 工 学 院专 业 名 称 （ 全 名 ）学 生 姓 名学 号指 导 教 师 XXX 职 称完 成 时 间 XXXX 年 XX 月合成氨变压吸附工艺优化摘要：由于变压吸附技术在化工领域生产中的众多优势，使用变压吸附技术在合成氨的大量生产中渐渐得到了广泛的应用，本篇论文在分析了变压吸附技术的基本原理和目前常用的变压吸附脱碳技术的基础上，从工艺角度对变压吸附工艺进行了优化设计，对于变压吸附技术的进一步推广和优化应用有一定的借鉴意义。关键词：合成氨；变压吸附；优化Optimization of Synthetic Ammonia PSA ProcessAbstract：Because of the many advantages of PSA technology in chemical industry production, implementation of decarburization in ammonia production has gradually been widely used pressure swing adsorption technology, based on the analysis of the basic principle of pressure swing adsorption technology and commonly used PSA technology, optimize the design of pressure swing adsorption process from the process point of view, have certain reference significance for the further promotion and application of optimization of pressure swing adsorption technology.Key words: ammonia synthesis; PSA; optimization目 录1 前言 .12 合成氨变压吸附概要 .22.1 合成氨变压吸附技术原理 .22.2 合成氨变压吸附工艺的优势 .42.3 合成氨变压吸附的前景 .43 合成氨变压吸附工艺的优化 .53.1 产品纯度的调整 .53.2 装置参数的调节 .63.2.1 调整吸附时间 .63.2.2 产品气升压控制 .63.2.3 粗脱碳系统与净化系统吸附时间的协调控制 .73.3 装置工艺的优化 .8结语 .9参考文献 .10致 谢 .1211 前言合成氨工业是氮肥工业的基础，在国民经济中占有重要的地位。由于氨的生产过程有很大的能源消耗，因此节能技术和新型制氨工艺的研究和开发一直是世界上极为关注的重点课题，毫无疑问，在节能技术的推动下，合成氨工业在不断向前发展。氢气和氮气是合成氨工艺中仅有的两种原料，具体合成过程如下：在高温高压的条件下，按照 3：1 的比例将氢气和氮气混合在一起，并加入适量的催化剂用于反应的催化，最终生成目标化合物氨。从体积变化角度而言，这是一个体积缩小的反应过程。考虑上述两种反应原料的来源，合成氨这一工艺还是很有空间的。其中的氢气是通过对空气进行提纯净化而来，自然是很方便就可以获得，而另外一种原料在工业上应用广泛，也并非是稀有物质，然而需要有专门的技术来进行氢气的生成。因此，在这个工艺中，关键的部分是如何生成氢气以及对其进行净化和供应，这是都是需要有专门的技术支持的，也是行业内一直在逐步改进和解决的内容。根本原因便是自然界大多不存在氢气，要想获得，只能借助不同种类的化学方法，将氢元素从所主要存在的物质如水及碳氢化合物中释放出来，既而依靠其他手段包括物理方式在内来提纯氢气，为合成氨工业提供原料气。在提纯环节，目前主要采用的是变压吸附技术，相对来说成熟可靠。 1通过变压吸附技术制得的氢气纯度能够超过 99.99%，一氧化碳与二氧化碳的总体积不超过 110 -5，空气中提取的高纯度氮气与高纯度氢气配气后就可以进行氨合成环节，整个合成过程中，几乎没有惰性气体的存在，因此能够大大节约用于惰性气体循环的压缩功。利用变压吸附技术进行氨的合成可以最大限度的降低驰放气，进而大大节约压缩功能量。 2此外，在合成氨的变换气中约含有 18%至 30%的二氧化碳，这部分二氧化碳在到达氨合成反应工序以前，必须要全部清除掉。采用哪种工艺路线来实现变换气脱碳会直接影响到氨的产量，由此可见脱碳在整个工艺中占有重要地位。而目前常用的脱碳1 李俊成，肖隆斌.变压吸附提纯二氧化碳技术应用J.大氮肥，2007，01：19-21.2 王波.几种脱碳方法的分析比较J.化肥设计，2007，02：34-37.2技术为变压吸附脱碳。 3变压吸附脱碳要实现连续分离的效果必须要有两个或多个吸附塔，让其更替操作，并且一定要有一个吸附塔处于吸附阶段，而别的吸附塔处于解吸再生的各个阶段。每一次循环，吸附塔都会一一经过吸附、压力均衡降、逆向放压、抽空、多次压力均衡升、最后升压等步骤。 4在变压吸附时，由于吸附压力的作用，气体会经过含有吸附剂的吸附床层，因为吸附剂可以强力吸附二氧化碳、水以及硫化物，对于别的成分的吸附力则较弱，因而二氧化碳等气体可以被截留在床层中，而别的气体则被排出。但是由于吸附剂自身的特性和吸附塔死体积的作用，在完成吸附后还是会有少部分氢气、氮气以及一氧化碳等气体没有被排干净，所以还得进行多次均匀才能将其彻底排净。 5对于截留在吸附剂上的二氧化碳，我们可以采用逆向放压和抽真空的方法将其解离下来，进而实现吸附剂的循环使用。在完成抽真空之后，将少量吸附出口净化气以及均压过程的降压气用于吸附塔的升压，直到达到吸附压力后方可进行重复的吸附分离步骤 6。2 合成氨变压吸附概要变压吸附技术，也简称变压吸附，是当前的一项高新技术，用于对气体混合物进行分离提纯，其主要原理在于吸附剂的选择性以及吸附容量对压力的关系，通过多个吸附塔达到间歇过程连续化的目的。变压吸附属于物理吸附，依靠的是吸附剂与被分离物质间的分子作用力而进行选择性吸附，其主要特点为：吸附过程中不会发生化学反应，并且具有可逆性。变压吸附能够对混合气体进行分离提纯的原因在于：第一、吸附剂对不同物质的吸附力有所不同；第二、吸附容量与压力呈正相关，与温度呈负相关。利用吸附剂的第一个特性，可以实现对不同吸附力强度的组分的分离；而第二个性质可以用于对吸附剂的再生，3 毛薛刚，张玉迅，周洪富，管建平.变压吸附技术在合成氨厂的应用J.低温与特气，2007，05：39-43.4 殷文华，罗英奇，吴巍，伍毅，曾凡华，李克兵，郜豫川.变压吸附技术在合成氨行业的应用和发展J.低温与特气，2015，01：45-49.5 尤彪.型煤+变压吸附制氧+ 富氧连续气化组合及其前景 J.中氮肥，2008，02：5-9.6黄立新.变压吸附技术在合成氨中的工艺研究及其优化设计J.江西化工,2008,03:188-191.3实现循环使用，不间断吸附分离的目的。2.1 合成氨变压吸附技术原理合成氨的变换气中的主要成分为 H2、N2、CH4、CO 、CO2 等，同时还有少量杂质，如 H2O、硫化物等。吸附剂对于这些组分的吸附能力大小依次是 H2O、硫化物CO2CH4CON2H2。在变压吸附过程中，为了让 CO2 达到较好的吸附效果，要选择高选择性的专用吸附剂。在变换气经过吸附剂时，二氧化碳、水、硫化物及部分CH4 由于具有较强的吸附作用而被拦截，别的组分由于吸附力较弱则能够顺利通过，由此实现分离的效果；随后再利用吸附剂的吸附能力随压力变化的特点，选择合适的压力对气体再进行分离，也可以实现吸附剂的循环使用，通常情况下利用逆向防压与抽真空的方法便可实现吸附剂的再生，且都在室温下进行。 7为了实现连续分离的效果，变压吸附脱碳必须要具备两个及其以上的吸附塔交替运行，要保证始终有一个吸附塔在选择吸附阶段，而其余的塔则处在解吸再生的各个阶段。每一次循环，各个吸附塔都会经过吸附、多次压力均衡降、逆向放压、抽真空等步骤。 8在变压吸附时，由于存在吸附压力，原料气在经过带有吸附剂的吸附床层时，因为吸附剂可以强烈吸附 CO2、H2O、硫化物，对于别的成分的吸附力则较弱，因而二氧化碳等气体可以被截留在床层中，而别的气体则作为脱碳净化气被排出。 9但是由于吸附剂自身的特性和吸附塔死体积的作用，在完成吸附后还是会有少部分H2、N2、CO 等气体没有被排干净，所以还得进行多次均匀才能将其彻底排净。随后，我们可以利用逆向放压与抽真空的技术将吸附剂上的 CO2 解吸附，让吸附剂再生。抽真空以后，可以通过均压中的降压气以及净化气来逐渐升压，直到吸附塔的压力达到吸附压力后，便可进行重复进行下一次分离。变压吸附中较为常见的吸附剂主要有氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等。氧化铝为固体，有较强的亲水性，通常用来对气体进行脱水处理。硅胶类吸附剂为合成的无定形的二氧化硅，是 Na2SiO39H2O 与无机酸通过胶凝、洗涤、干燥等步骤制作而成的，其不但具有较强的亲水性，并且对于烷烃以及二氧化碳等成分也具有良好的吸附7 汤霞槐.变压吸附提氢技术在合成氨弛放气氢回收装置的应用J.化肥设计，2009，02：37-39+42.8 汪寿建.变压吸附在合成氨原料气净化中的应用J.化工设计通讯，2011，02：34-38.9 洪鉴.80kt/a 合成氨变压吸附脱碳装置技术改造J.小氮肥，2011 ，08：9-13.4力。活性炭作为一类广谱耐水的吸附剂，因其表面具有氧化物基团和无机物杂质，因而活性炭极性很小，再加之其较大的内表面积，因此对于弱极性以及非极性分子都具有很好的吸附力。沸石分子筛吸附剂是一种强极性的吸附剂，其含有碱土元素的结晶态偏硅铝酸盐，孔径均匀，选择性很强。如果气源的构成复杂，那么通常会将多种吸附剂联合使用，按照其性质差别对吸附床进行分层填装，进而实现高效分离的效果。 102.2 合成氨变压吸附工艺的优势1.耗能少。变压吸附工艺能够运行的压力范围很大，因此对压力没有过高的要求和限制。如果气源自身有压力，那么就可以节省再次加压的消耗，并且变压吸附不需要特殊的温度，因此不用加热或者冷却。2.工艺步骤简单。不需要繁琐的步骤便可以将多种气体分离开来，并且对水、硫化物以及烃类等杂质耐受力较强，不需要经过繁琐的前期处理。3.装备可灵活调节，操作弹性大。只要稍微调整设备就能够使生产负荷发生变化，并且负荷条件不同时也可以保证产品质量相同，仅回收率可能会发生变化。对于杂质含量与压力等条件，变压吸附装置没有很多的限制，可调节性很大。4.吸附剂耐用，如果按照正常流程操作，一般情况下，吸附剂的寿命可高达十几年。5.绿色环保。如果不考虑原料气性质的话，那么变压吸附设备的操作是没有污染的，对环境十分友好。6.操作步骤简单便捷，可节约气体压缩功的附加耗能。2.3 合成氨变压吸附的前景上个世纪时，吸附分离是化工操作的一部分，被用作辅助工艺，仅仅应用于工业气体的干燥脱水以及除去极少量的二氧化碳。但是随着工艺技术的发展，变压吸附技术得到了很大的改善，现已变成一种快捷高效的气体分离方法，被应用在众多领域上，是深冷法之后的又一突破分离工艺。在上个世纪 80 年代，变压吸附制氢被成功应用于工业当中，因为其耗能少、操作简单、制得的产品纯度高等优点，自那以后在我国迅速推广开来，迄今为止，我国已有的以及正在建设的变压吸附设备累计超过一千套。10 姜宏，谯中惠，郜豫川.新型变压吸附脱碳技术在合成氨厂的应用J.低温与特气，2005，06：28-31.5在应用领域上，随着变压吸附技术的日渐成熟，目前已得到了较大的肯定，就当前情况而言，变压吸附技术主要在以下领域有所应用：（1）从富含氢气的气体中将氢气提纯分离出来；（2）从含有 CO2 的气体中分离纯化并得到食品级的 CO2；（3）从富含 CO 的气体中收集 CO；（4）在合成氨的过程中进行脱碳；（5）纯化天然气；（6）从空气中制取氧气以及氮气；（7）从瓦斯气中提取甲烷；（8）对乙烯进行纯化与提取；（9）对多种气体进行干燥脱水（10）对工业上的废气进行处理等。由此可见，变压吸附技术已被广泛应用到各行各业中。3 合成氨变压吸附工艺的优化3.1 产品纯度的调整获得的氢气纯度相对较高。如果在进行操作时，保持循环次数不变的前提下，增加均压次数而不改变每次处理的量，就会使得在该过程中的压力降值增大，这样很容易将原料气中混有的杂质带入下一层的吸附塔，这些被带下来的杂质往往会在该层的吸附剂床层顶部被吸附停留，当进行下一次吸附时，由于压力的原因又会被带到再一层吸附，如此反复，这些杂质必然会最终进入到产品氢气中，降低其纯度。而变压吸附工艺还有一个特别之处，便是能够调整产品的纯度范围以得到不同的目的。在其他条件都不变的情况下，包括参数以及气体生成技术在内，原料气流量的变化对所提纯的氢气的纯度有很大的影响。具体来说，当原料气流量较小时，所带入的杂质自然就少，能够穿透进入下一层的也会减少，使得产品的纯度相对较高；而如果气流量较大，不只是杂质穿透增加影响纯度，还会造成程控阀维护困难加大，继而使得氢气回收效率降低。通过该吸附过程的产品将直接进入缓冲罐，这与原先的设计相比是一个很大的改进。原先，在产品气进入缓冲罐之前需要先后通过减压阀和压力调节阀，其目的是向吸附塔补充压力以求平稳运行，然而与之相悖的是，这两个装置的存在造成吸附塔内的压力在运行中不断受到波动，反而与理想目的不符。因此，将减压阀和压力调节阀取消是符合稳定生产的目的的，由缓冲罐直接调节压力波动显然更能发挥作用。 11根据上面的论述，显然产品纯度与回收率之间的关系是呈反比的。也就是说，在11 Sorption of Carbon Dioxide from Wet Gases by K2CO3-in-Porous Matrix: Influence of the Matrix NatureJ . A.G. Okunev,V.E. Sharonov,Yu.I. Aristov,V.N. Parmon. Reaction Kinetics and Catalysis Letters . 2000 (2)6保证原料气条件和吸附压力一致的条件下，产品的纯度高则回收率低，反之亦然。 12在这一前提条件下，只有当产品纯度控制在一定范围内，既能满足后续生产工业的要求，又尽可能地处于较低水平以保证一定的回收率，最终实现最佳的生产状态。要想提高产品回收率，可以从吸附时间、操作系数这两方面入手，主要是通过将数据提高来实现的；而减小则能够保证纯度的要求。3.2 装置参数的调节3.2.1 调整吸附时间根据原料气的流量以及目标纯度，我们可以根据相关公式计算进行吸附操作最合适的循环时间。调节系统之后，不仅能保证产品具有较高的纯度，而且最终的回收率也