7-变温吸附装置设计说明书

2019“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛万达石化东营港分厂年产15万吨醋酸乙烯项目变温吸附装置设计说明书设计单位：长沙理工大学设计团队：Leaper团队指导老师：黄灵芝 黄朋勉 李丽峰 张跃飞 戴益民团队成员：陈春华 陈旭强 蒋猷亮 黄佳美 王伟涛2019年7月25日 长沙理工大学Leaper团队万达石化东营港分厂年产15万吨醋酸乙烯项目 变温吸附装置设计说明书目 录第一章 吸附工艺概述41.1吸附的基本原理41.2吸附概念41.3化学吸附41.4物理吸附物理41.5 离子吸附51.6 变压吸附51.7 变温吸附51.7.1 常用的变温吸附工艺61.7.2 再生操作6第二章 脱水技术82.1 工业气体脱水82.2气体脱水方法的分类82.2.1加压冷却和冷冻降温82.2.2膜分离82.2.3 吸收分离法92.2.4吸附分离92.3 分子筛工艺流程（以双塔流程为例）10第三章 变温吸附的设计基础113.1 吸附剂的选择113.1.1 沸石113.1.2 沸石吸附性能123.1.3 沸石品种型号123.1.4 3A分子筛性能参数133.1.5 4A分子筛性能参数133.1.6 5A分子筛性能参数143.1.7 本项目采用分子筛153.2 切换周期的选择153.2.1 吸附剂劣化现象153.2.2 平衡吸附量153.3 再生温度的确定163.4 吸附器及保温设计163.5 分子筛流程的选择163.5.1 二塔流程操作163.5.2 三塔操作173.5.3 双塔与三塔比较17第四章 吸附设计计算184.1 二氧化碳脱水吸附计算条件184.1.1 吸附器处理原料气的组成及气量184.2 吸附剂需要量计算184.3脱水器尺寸的确定194.3.1 塔径初选公式：194.3.2床层高度的计算204.3.3 检验高径比和实际空塔速度204.3.4传质区长度计算公式214.3.5吸附剂的有效吸附容量214.4床层阻力降224.5再生热负荷计算224.6再生气量244.7 冷却气量24第五章 设备选型265.1 分子筛吸附器的选型265.2 设计条件265.3材料选择265.4筒体及封头厚度计算265.4.1 3A分子筛筒体计算厚度：265.4.2 3A分子筛封头厚度计算：275.5 工艺流程设备275.6 导热油选型28第六章 吸附塔控制与模拟296.1 投运准备296.2 吸附阶段296.3 两塔切换过程296.4 再生阶段2930长沙理工大学Leaper团队第一章 吸附工艺概述1.1吸附的基本原理吸附指固体表面对气体或液体的吸着现象，这种对气体或液体有一定吸附作用的固体材料成为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。当吸附质与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，此时吸附剂对吸附质的吸附量称为平衡吸附量。吸附剂对吸附质的平衡吸附量，首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力以及体系中吸附质组分和其他组分的浓度或分压有关。在一定温度下吸附质的平衡吸附量与浓度或分压的函数关系的图线，称为吸附等温线。同一体系的吸附等温随温度而改变，一般来说，温度愈高，平衡吸附量愈小。1.2吸附概念当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，此现象称为吸附。吸附也指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象。在液体或气体表面生成一层原子或分子的现象。根据吸附类型可以分为化学吸附和物理吸附两种类型，物理吸附目前主要应用最为广泛的技术是离子吸附、变压吸附、变温吸附等。1.3化学吸附化学吸附，被吸附的分子和吸附表面的原子其化学反应，生成表面络合物。因而，化学吸附具有一定的选择性。化学吸附容量的大小，随被吸附分子和吸附剂表面原子间形成吸附化学键力大小的不同而有差异。化学吸附的吸附热接近于化学反应的反应热，比物理吸附的大得多，一般都在几十kcal/mol，化学吸附需要一定的活化能，在相同条件下，其吸附（或解吸）速度都比物理的慢。1.4物理吸附物理吸附，即由“范德华”力产生的吸附称为物理吸附，吸附质分子和吸附剂表面分子之间的吸引机理，类似气体的液化和蒸汽的冷凝，在吸附剂表面形成单层或多层分子吸附时，其吸附热较低，接近其液体的汽化热或其气体的冷凝热，一般在几百cal/mol左右，至多不超过几千cal/mol。物理吸附和气体的凝聚现象相似，不需要活化能（即使需要也很小），吸附和解析的速度都很快。物理吸附，它的严格定义是某个组分在相界层区域的富及集。物理吸附的作用力是固体表面与气体分子之间，以及已被吸附分子与气体分子间的范德华引力，包括静电力诱导力和色散力。物理吸附过程不产生化学反应，不发生电子转移、原子重排及化学键的破坏与生成。由于分子间引力的作用比较弱，使得吸附质分子的结构变化很小。在吸附过程中物质不改变原来的性质，因此吸附能力小，被吸附的物质很容易再脱离，如用活性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸附的气体逐出活性炭表面。在气体分离过程中绝大部分是物理吸附，只有个别例子如活性炭（或活性氧化铝）上载铜的吸附剂它具有较强选择吸附性CO或C2H4的特性，具有物理吸附剂化学吸附性质。1.5 离子吸附离子吸附(ion absorption)，指固体吸附剂在强电解质中对溶质离子的吸附，如药剂以离子的形式吸附于矿物表面。离子吸附又分为离子选择和离子交换吸附。吸附剂从电解质溶液中选择性的吸附与其组成有关的离子称为离子选择吸附。例如，在KBr溶液中加入过量AgNO3，生成AgBr沉淀后溶液还有过剩Ag+和NO3-，由于Ag+是与AgBr组成有关的离子，AgBr将优先吸附Ag+而带正电荷，而NO3-是反离子(counterion)；反之，如果在AgNO3溶液中加入过量的KBr，生成AgBr沉淀后，溶液中还有过量的K+和Br-，AgBr将优先吸附Br-而带负电，K+则聚集在AgBr表面附近的溶液中，其中Br-是电位离子，K+是反离子。1.6 变压吸附变压吸附（Pressure Swing Adsorption.简称PSA），是一种新型气体吸附分离技术。由于具有工艺简单，可进一步除去多种杂质组分，产品纯度高，操作弹性大，自动化程度高，操作费用低，吸附剂寿命长，投资省，维护方便等优点，因而发展迅速，它成为空气干燥、氢气纯化、中小规模空气分离及其其他混合气体的分离、纯化的主要技术之一。所谓的变压吸附实际上就是采用减压解析而实现吸附剂再生的吸附法，循环可在常温下进行，由于压力的变化是很迅速的，因而循环通常只需要数分钟甚至几秒钟就能快速完成，尽管吸附容量不是很高，但吸附剂利用率高，处理量可以很大，设备较小。变压吸附也成为无热吸附或等温吸附，这是因为该技术吸附剂的再生不需外加热量。再者吸附剂的导热泵数通常很小，过程近于绝热操作，变压吸附的循环周期又很短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，吸附热和解吸热引起的床层温度变化一般不大，可近似看做等温过程。它有如下优点：产品纯度高；一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，产品纯度高；设备简单，操作、维护简便；连续循环操作，可完全达到自动化。因此，当这种新技术问世后，就受到各国工业界的关注，竞相开发和研究，发展迅速，并日益成熟。1.7 变温吸附变温吸附是利用吸附剂的平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附、升温脱附的操作方法。除吸附和脱附外，整个变温吸附操作中还包括对脱附后的吸附剂进行干燥、冷却等辅助环节。变温吸附用于常压气体及空气的减湿，空气中溶剂蒸汽的回收等。如果吸附质是水，可用热气体加热吸附剂进行脱附；如果吸附质是有机溶剂，吸附量高时可用水蒸汽加热脱附后冷凝回收；吸附量低时则用热空气脱附后烧去，或经二次吸附后回收。1.7.1 常用的变温吸附工艺固定床变温吸附工艺常用于气体干燥，原料气净化，废气中脱除或者回收低浓度溶剂以及应用于环抱中的废气废液处理等。（1）气体干燥在石油化工生产中气体的干燥常是重要的预处理过程之一。水分常是催化剂的毒物，使产品质量和收率下降。天然气在加压下输送时微量水分与有机化合物（如烷烃、烯烃等）形成白色坚硬的微晶水合物，以致堵塞管道和磨损压缩机。原料气通过吸附装置后，要求出口气体达到很高的干燥度，选择吸附剂应考虑吸附容量、物理机械性能、价格、再生温度、寿命等各种因素。（2）溶剂回收溶剂回收在溶剂浓度高时可采用冷凝法或吸收法回收，吸附法适用于低浓度的气体（溶剂含量在1-20g/m3范围），常用的吸毒机为活性炭，其优点为价格低廉、性质稳定、腐蚀性个吸附容量较大。（3）有机溶剂脱水吸附法应用于有机溶剂的脱水大多属于液相吸附，适用的吸附剂有活性氧化铝、分子筛、离子交换树脂等。（4）废气废液处理工厂废液以及生活污水的处理都采用活性炭、沸石等吸附剂进行吸附处理。1.7.2 再生操作在变温吸附工艺中，吸附操作结束后的吸附床由热再生气加热使吸附剂解析，然后吸附床用冷却剂冷却到吸附温度，完成了一个循环操作。吸附床的有效吸附容量即为床层在吸附阶段结束时负荷的吸附容量与残余吸附量之差值，有效吸附容量大则可以减少吸附剂的用量。变温吸附是最早实现工业化的循环吸附工艺，循环操作在两个平行的固定床吸附器中进行。其中一个在环境温度附近吸附溶质，而另一个在较高温度下解吸溶质，使吸附剂床层再生。吸附剂在常温或低温下吸附希望被吸附的物质，通过提高温度使被吸附物质从吸附剂解吸出来，吸附剂自己则同时被再生，然后再降温到吸附温度，进入下一个吸附循环。图1-1 表示吸附剂再生方法平衡等温线图例A：变温 B：变压 C：热惰性气吹扫通过对变温吸附与变压吸附进行比较，变压吸附适用于小型化工企业，而本项目由为上海万达石化分公司15万吨/年醋酸乙烯，以达到中型规模，用变压吸附装置难以实现大量的CO2生产。综合比较，本团队最终确定本项目采用变温吸附技术，对CO2溶液进行脱水处理，制备食品级CO2产品。对二氧化碳废气运用变温吸附手段处理废气中二氧化碳，使得尾气中的二氧化碳可以得到有效的利用。 第二章 脱水技术2.1 工业气体脱水工业生产中常常使用不同种类的气体，气体中的水分往往对气体的输送、化学反应等使用过程和结果产生不良的影响，甚至影响生产装置的安全生产。因此气体中的含水量指标常常作为气体纯度指标以外一项重要的指标被严格控制。气体的脱水干燥工艺是根据不同的气体特性、不同工况的物性和脱水干燥的具体工艺指标进行综合选择的。气体脱水工艺正确的选择，不仅确保生产装置的安全平稳运转，还能够在确保控制工艺指标的前提下保持高效、低耗运转，具有良好的经济特性。因此，在工业生产中需根据不同的工况条件选择合适的气体脱水工艺。2.2气体脱水方法的分类目前，用于工业上的气体水分脱除方法主要有加压冷却、冷冻降温分离、膜分离、吸收、物理吸附等方法。2.2.1加压冷却和冷冻降温加压冷却和冷冻降温分离的原理相同，都是通过使气体中水蒸汽的分压力超过其当时温度下的饱和压力，导致水蒸汽凝结成液态水，再通过机械分离的方法将液态水排除，以降低气体中的水分含量。两者的不同之处在于加压冷却是采用压缩机将气体压力提升到适当的值，然后将压缩后的气体再冷却到接近常温；当水蒸汽的分压力超过其温度下的饱和压力时，一部分水蒸汽便凝结成液体；随着气体水分子的凝结，水蒸汽分压力也随之下降，直到与该温度下的饱和压力相等，气态的水蒸汽分子不再凝结；然后，用机械的方法排除凝结水，再将气体减压膨胀到所需的压力，气体由此得到干燥。冷冻降温分离则利用冷冻机冷却气体，随着温度的降低，水蒸汽的饱和压力也逐渐下降，直到低于水蒸汽的分压力，水蒸汽便凝结成液体，被排出系统。气体温度越低，从水蒸汽凝结的液态水也越多，气体干燥的程度也越高。冷冻降温法仅适用于干燥度要求不高的工业气体，如压缩空气等。2.2.2膜分离膜分离利用气体组分在有机高聚合物膜内的渗透能力、扩散速度不同，以压力或化学位能为推动力，达到分离水分或某种组分的目的。膜式干燥器目前可将气体的水露点降低2030。由于气体通过中空的纤维膜时，水分子或某种特定组分是依靠分子的渗透率及扩散速度差，实现分离，因此过程中不需要耗电。膜分离目前主要应用于压缩空气的干燥及化工领域的气体分离。2.2.3 吸收分离法吸收分离主要是利用甘醇类物质的吸水性，通过洗淋等方法将气体中的水分吸收，达到干燥气体的目的，可使气体水露点降低2842，适用于大流量、水分含量较高的气体的干燥。2.2.4吸附分离吸附分离是一种非相变状态下的组分在吸附剂微孔表面的富集，其机理是在两相界面上，因异相分子间作用力与主体分子间作用力不同，导致相界面上流体分子密度不同于主体密度而产生吸附作用。多孔介质颗粒吸附剂拥有大量的微孔，具有较大的比表面积(4001000m2/g)，见表2-1，适合于不同类型的吸附分离过程。工业用多孔介质颗粒吸附剂的性能参数见表2-1。表2-1 工业用多孔介质颗粒吸附剂的性能参数项目碳分子筛活性炭氟石分子筛硅胶铝胶比表面积/(m2/g)450-550微孔：500-1500 过渡孔：2-200 大孔：0.5-2600150-300平均孔径/nm0.3-0.4微孔：20 过渡孔：20-1000 大孔：1000-100003A：0.30-0.33 4A:0.42-0.47 5A:0.49-0.56 10X:0.8-0.9 13X:0.9-1.0细孔:1001-100孔容/（mL/g）0.5-0.6微孔：0.15-0.50过渡孔：0.02-0.85大孔：0.2-0.50.4-0.60.3-0.80.3-0.8注：3A为钾A型，4A为钠A型，5A为钙A型，10X为钙X型，13X为钠X型目前常用于气体脱水的吸附剂主要是人工合成的分子筛，如钾A型分子筛、钠A型分子筛。2.3 分子筛工艺流程（以双塔流程为例）采用两塔流程，装置运行时保持一塔吸附、一塔再生及冷吹，其流程详见图2-1。图2-1 双塔分子筛脱水流程装置图采用两塔操作流程，8小时自动切换1次，原料气切换到已再生完毕的分子筛吸附塔进行吸附脱水，水饱和的吸附塔经再生、冷吹完成再生过程。再生气可以用干气或原料气，将气体用热油导热的方式进行加热，加热到一定温度后，进入吸附塔再生。当床层出口气体温度升至预定温度后，则再生完毕。此时将加热器停用，再生气经旁通入吸附塔，用于冷却再生床层。当床层温度冷却到要求温度时又可开始下一循环的吸附。吸附塔出再生气经再生气冷却器冷却，进入再生气分离器，分出游离水后作为生活及装置用气。吸附操作时塔内气体流速最大，气体从上向下流动，这样可使吸附剂床层稳定，不致动荡。再生时，气体从下向上流动，一方面可以脱除靠近进口端被吸附的物质，并且不使其流过整个床层。另外，可使床层底部干燥剂得到完全再生，因为床层底部是湿原料气吸附干燥过程最后接触的部位，直接影响流出床层的干燥天然气质量。第三章 变温吸附的设计基础气体的吸附过程可分为两种类型；大吸附量分离和杂质纯化。前者通常指从气流中吸附10%或10%（重量）以上的有效成分，后者是指气流中待吸附的量小于10%（重量）。一般来说，对不同类型的分离要用不同的过程循环，也就是说大吸附量分离大都采用变压吸附循环，而杂质纯化则采用变温吸附循环。变温吸附循环中吸附剂是通过提高温度进行再生，提噶奥温度较方便的方法是用于预热的气体吹扫吸附剂：老吸附循环。吸附阶段的时间长短与再生的时间长短相匹配。以及对吸附精度的要求，在变温吸附循环装置的设计中要求考虑：吸附剂类型的选择；切换周期的选择（即吸附剂用量）；再生温度的确定；吸附器及保温设计；常用工艺步序及选择。3.1 吸附剂的选择吸附剂品种很多，首先要确定主要成分-吸附分离组分和其与吸附剂所组成的吸附体系，然后根据相应温度下的吸附等温线求出理论吸附量，再根据过程的操作条件进行设计。另外，对于应处理的流体。所用吸附剂种类，颗粒形状、粒度等应按照需要选择合适的品种，可以提高吸附剂的性能及降低运送成本。吸附剂选择应选用机械抗磨性能好，在反复吸附和再生过程中不会破碎或者不会粉化的吸附剂。常见的吸附剂处理气体详见表3-1。表3-1 常用吸附剂及处理气体混合气需要脱除的组分吸附剂含烯烃的裂化气H2O硅胶、活性氧化铝、沸石C2H4、天然气CO2沸石排放气有机气活性炭、其它天然气、氢、液化石油气等硫化物沸石空气溶剂活性炭空气气味（除臭）活性炭NOX、N2NOX沸石排放气SO2沸石氯碱点解槽废气Hg沸石根据不同物质的特征，本项目采用的吸附剂为沸石。3.1.1 沸石水合硅铝酸盐(泡沸石)或天然沸石化学通式(M2M)OAl2O3xSiO2yH2O，M、M分别为一价、二价阳离子如K+、Na+和Ca2+、Ba2+等。它在结构上有许多孔径均匀的孔道和排列整齐的孔穴，不同孔径的分子筛把不同大小和形状分子分开。根据SiO2和Al2O3的分子比不同，得到不同孔径的分子筛。它具有吸附能力高、选择性强、耐高温等特点。广泛用于有机化工和石油化工，也是煤气脱水的优良吸附剂，在废气净化上也日益受到重视。3.1.2 沸石吸附性能沸石分子筛的吸附是物理变化过程。产生吸附的原因主要是分子引力作用在固体表面产生的一种“表面力”，当流体流过时，流体中的一些分子由于做不规则运动而碰撞到吸附剂表面，在表面产生分子浓聚，使流体中的这种分子数目减少，达到分离、清除的目的。吸附并不发生化学变化，沸石分子筛具有吸附能力，当分子动力学直径小于沸石分子筛孔径时才能很容易进入晶穴内部而被吸附，所以沸石分子筛对于气体和液体分子就犹如筛子一样，根据分子的大小来决定是否被吸附。由于沸石分子筛，晶穴内还有着较强的极性，能与含极性基团的分子在沸石分子筛表面发生强的作用，或是通过诱导使可极化的分子极化从而产生强吸附。这种极性或易极化的分子易被极性沸石分子筛吸附的特性体现出沸石分子筛的又一种吸附选择性。3.1.3 沸石品种型号分子筛（又称合成沸石）是一种硅铝酸盐多微孔晶体，它是由SiO2和Al2O3四面体组成和框架结构。在分子筛晶格中存在金属阳离子（如Na+，K+，Ca2+等），以平衡四面体中多余的负电荷。分子筛的类型按其晶体结构主要分为：A型，X型，Y型等。（1）A型：主要成分是硅铝酸盐，孔径为4A（1A=10-10 米），称为4A（又称纳A型）分子筛；用Ca2+交换4A分子筛中的Na+，形成5A的孔径，即为5A（又称钙A型）分子筛；用K+交换4A分子筛的Na+，形成3A的孔径，即为3A（又称钾A型）分子筛。（2）X型：硅铝酸盐的晶体结构不同（硅铝比大小不一样），形成孔径为910A的分子筛晶体，称为13X（又称钠X型）分子筛；用Ca2+交换13X分子筛中的Na+，形成孔径为9A的分子筛晶体，称为10X（又称钙X型）分子筛。（3）Y型：Y型分子筛具有X型分子筛似的晶体结构，但化学组成不同（硅铝比较大）通常用于催化领域。目前在石化行业分子筛分主要应用品种有3A、4A、5A、13X以及以上述为基质的改性产品。以上品种分子筛的应用详见表3-2。表3-2 分子筛品种及应用范围分子筛品种应用范围3A分子筛各种液体(如乙醇)的干燥；空气的干燥;制冷剂的干燥;天然气、甲烷气的干燥；不饱烯烃和裂解气、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯的干燥。4A分子筛空气、天然气、烷烃、制冷剂等气体和液体的深度干燥;氩气的制取和净化；药品包装、电子元件和易变质物质的静态干燥;油漆、燃料、涂料中作为脱水剂。5A分子筛变压吸附；空气净化脱水和二氧化碳。13X分子筛空气分离装置中气体净化,脱除水和二氧化碳;天然气、液化石油气、液态烃的干燥和脱硫；气体深度干燥。改性分子筛有机反应的催化剂和吸附剂。3.1.4 3A分子筛性能参数3A分子筛是一种碱金属硅铝酸盐，有时，它也被称为3A沸石分子筛。化学式：2/3K2O1/3Na2OAl2O32SiO29/2H2O有效孔径：约3A（1A=0.1纳米）。3A分子筛的孔径是3A，主要用于吸附水，不吸附直径大于3A的任何分子，根据工业上的应用特点，分子筛具有快吸附速度、再生次数、抗碎强度及抗污染能力，提高了分子筛的利用效率并延长了分子筛的使用寿命，是石油、化工行业中气液相深度干燥、精炼、聚合所必需的干燥剂。技术指标详见表3-3。表3-3 3A分子筛技术指标性能单位技术指标形状-条形球形直径mm1.5-1.73.0-3.31.7-2.53.0-5.0粒度合格率%98989696堆积密度g/ml0.600.600.600.60磨耗率%0.200.250.200.20抗压强度N45/cm60/cm45/p45/p静态水吸附%20202020包装水含量%1.51.51.51.53A分子筛主要用于各种液体（如乙醇）的干燥；空气的干燥；制冷剂的干燥；天然气、甲烷气的干燥；不饱和烃和裂解气、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯的干燥。3.1.5 4A分子筛性能参数4A分子筛是一种碱金属硅铝酸盐，能吸附水、NH3、H2S、二氧化硫、二氧化碳、C2H5OH、C2H6、C2H4等临界直径不大于4A的分子。广泛应用于气体、液体的干燥，也可用于某些气体或液体的精制和提纯，如氩气的制取。化学式：Na2OAl2O32SiO29/2H2O硅铝比：SiO2/Al2O32有效孔径：约4A。技术指标详见3-4。表3-4 4A分子筛技术指标指标单位球状条状规格mm0.5-1.01.6-2.53-51.63.2静态水吸附（25，RH50%）%wt21.521.521.52121磨耗率%wt0.20.20.20.250.25堆积密度g/ml0.69-0.750.690.690.700.65抗压强度N/30804070包装含水量%wt1.51.51.51.51.5吸附甲醇量mg/g1401401401401404A分子筛的孔径为4A，吸附水，甲醇、乙醇、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、乙烯、丙烯，不吸附直径大于4A的任何分子（包括丙烷），对水的选择吸附性能高于任何其他分子。是工业上用量最大的分子筛品种之一。同时，4A分子筛可以去除污水中的NH3-N及Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+等。工农业、民用及水产畜牧业排出的污水中含有氨态氮，不仅危害鱼类等的生存、污染内养殖环境，而且促进藻类生长，导致江河湖泊的阻塞。由于4A分子筛对NH4+的高选择交换性，已成功应用于该领域。来源于金属矿山、冶炼厂、金属表面处理和化学工业等部门排放的污水，其中所含重金属离子对人体危害极大。用4A分子筛处理这些污水除了能保证水质合格外，还能回收重金属。3.1.6 5A分子筛性能参数化学式：3/4CaO1/4Na2OAl2O32SiO29/2H2O；硅铝比：SiO2/Al2O32有效孔径：约5A。技术指标详见表3-5。表3-5 5A分子筛技术指标性能单位技术指标形状-条形球形直径Mm1.5-1.73.0-3.32.0-3.03.0-5.0粒度%98989696堆积密度G/ml0.650.650.660.66磨耗率%0.200.30.200.20抗压强度N23/cm18/cm40/p70/p静态水吸附%20202121正已烷吸附%12121414包装水含量%1.51.51.51.55A分子筛可吸附小于该孔径的任何分子，一般称为钙分子筛。它除具有3A，4A分子筛所具有的功效外，还可吸附C3C4正构烷烃，氯乙烷，溴乙烷，丁醇等，可应用于正异构烃分离、变压吸附分离及水和二氧化碳的共吸附。5A分子筛脱除水分要视再生气的压力、温度、含水量而定。一般情况下，200350干燥气体在0.30.5kg/cm2压力下，通过分子筛床层34小时，使出口温度到110180，冷却。若采用5A分子筛脱有机物则用水蒸汽代替有机物，然后脱除水分。3.1.7 本项目采用分子筛在工业中，利用3A分子筛可以将气体中的水、烯烃类物质脱去。根据相关文献二氧化碳分子直径为0.33nm、水滴直径为0.4nm，故采用3A，3.2mm球形的变温吸附装置可以有效的吸附二氧化碳中的水滴。3.2 切换周期的选择在吸附剂类型确定后，需要考虑吸附装置循环体系的切换周期，即根据原料气中需吸附除去的杂质量（例如脱水过程中的水含量）以及需要时间进行切换再生，就可根据吸附剂对杂质的吸附容量计算出亚奥使用的吸附剂量。3.2.1 吸附剂劣化现象吸附剂经反复吸附和再生之后，会产生劣化现象，吸附容量开始下降。使用吸附剂时，在设计时，所取劣化度至少为初始吸附量的10%-30%。3.2.2 平衡吸附量在吸附塔设计中，平衡吸附量远低于等温吸附曲线上的数值，实际吸附操作中，由于需要反复进行再生，初期必须决定出保证吸附剂吸附性能最低限度的有效平衡吸附量。在实际装置的再生过程中，吸附剂中的吸附组分不能完全被解吸，按不同的吸附剂不同的再生温度而有2%-5%的残余吸附量。参见图3-1。图3-1 不同吸附剂再生温度对残余吸附量的影响3.3 再生温度的确定提高吸附剂的再生温度有利于解吸的完全程度，即提高吸附剂的利用率，因吸附剂的结构及物质组成对温度的升高有很大的影响。在使用再生温度的选择要和吸附剂的耐热性相适应，硅胶应低于150，分子筛等合成沸石350400，活性氧化铝250300再生。3.4 吸附器及保温设计吸附器一般为立式的钢制圆筒（特大型装置采用卧式吸附器），下部有支撑吸附剂重量及为使自下而上的气流有良好分布而设的支撑支架，其上铺设不锈钢丝网、网的孔径要比吸附剂颗粒小，一般网上应堆置粒度比吸附剂大2-3倍的惰性物料，高度约300-500mm，然后在其上堆放为吸附剂，目的是防止使气流流出而堵塞管道。吸附器的直径设计一般按实际气体体积通过空塔的流速确定。压力高采用较小流速，压力低采用较大流速，吸附器的径高比则根据压力、物料以及净化要求的不同，一般采用1:2 1:4。3.5 分子筛流程的选择本项目以二氧化碳中的水滴为主要原料，乙烯和醋酸在有氧条件下，发生氧化反应制备醋酸乙烯。拟建年产15万吨99.8%聚合级醋酸乙烯，副产纯度99.9%的乙醛、食品级99.99%的二氧化碳。在流程中采用变温吸附工艺，对废气进行提纯回收二氧化碳处理，采用变温吸附装置对VAM尾气进行脱水处理。本工艺处理废气规模达19.415m3/h。在工业中，多采用双塔或者三塔流程，在双塔流程中，一塔进行脱水操作，另外一塔进行吸附剂再生和冷却，二塔切换操作；在三塔流程中，根据工艺可以选择，一塔吸附，一塔再生，一塔冷却或者是双塔吸附一塔再生及冷却的切换程序。本团队将二塔和三塔流程进行操作和投资情况对比，以选择最佳方案。3.5.1 二塔流程操作一般来说，二塔操作系统的切换时间周期约为12h，但需视装置规格、原料气含水量及热源供给等而有变化，大致程序如表3-6双塔方案时间分配表详见表3-6。表3-6 变温干燥简单时序6h6h吸附脱水加热冷却加热冷却吸附脱水由表3-6可以看出，双塔脱水装置运行时，双塔一直都处于工作状态。双塔操作会造成一定的热损失。3.5.2 三塔操作以工业上常用的一塔吸附，一塔再生，一塔冷却作为三塔的操作模式。三塔方案时间分配表详见表3-7。表3-7 三塔变温干燥简单时序吸附器0-8h8-16h冷却分子筛脱水塔A吸附加热加热分子筛脱水塔B加热吸附吸附三塔操作，加热炉连续工作，并且冷吹再生时间较长，加热、冷却功率较小。3.5.3 双塔与三塔比较双塔流程简单，吸附时间长。三塔流程复杂，但其冷却，加热功率均比双塔较低。与三塔相比较，其减小一个吸附塔，意味着成本的降低，其维护设备的费用也会降低。本项目尾气处理量，与其他大型化工厂脱水处理量相比，较小。在工业上，中小型化工厂均采用双塔操作，其可以降低成本。综上所述，本项目采用双塔流程。第四章 吸附设计计算4.1 二氧化碳脱水吸附计算条件4.1.1 吸附器处理原料气的组成及气量表4-1 吸附器处理原料气的组成及气量组分H2OCO2C2H4O2其他质量分率（%）0.06497.0372.8730.0240.2100.0X1，Nm3/h0.677422.2019.6140.1450.014442.65（1）操作压力2.65MPa，操作温度为40；（2）吸附器吸附时间48小时，再生加热与吹冷46小时，切换2小时；（3）吸附净化后气体要求：含H2O1mg/kg；（4）吸附剂及其性能：除H2O：颗粒尺寸3.06.0条形，吸水容量0.080/kg，孔隙率50%，堆积密度700kg/m3；（5）解吸气压力约为12.5kg/cm（G）；（6）吸附器再生温度要求：入口温度300，出口温度65；（7）吸附器运行温度同环境温度，为30。4.2 吸附剂需要量计算吸附水分所需3A分子筛量，原料气经干燥后，气体露点可达-40，其水量可忽略不计，故所需3A分子筛量由下式计算：式中: -工作周期，48h；-水质量流量，0.5447kg/h；-3A分子筛对H2O的吸附量，0.080kgH2O/kg；代入数据计算得： 考虑到原料气量的波动和经多次再生后吸附能力的劣化因素，取安全系数为25%，则实际所需3A分子筛量为：3A分子筛所占容积 式中：-3A分子筛堆积密度，700kg/m3；代入数据计算得3A分子筛所占体积为：。4.3脱水器尺寸的确定4.3.1 塔径初选公式：式中：v1-气体在操作状态下的流率（m3/h）;v2-允许空塔流速（m/min），相应取值，见下图4-1。其中：由Aspen数模拟据得v1=19.415m3/h，该脱水器工作压力为2.65MPa，3.6mm球形3A分子筛，查图4-1得：允许空塔气速v2=800m/h=13.33m/min。将v1和v2代入到上式得：，式中：Vw-每吸附周期的含水总量被吸附剂饱和吸附所需要的吸附剂量（m3）。G1-吸附剂脱除的水量（kg/d）；-所选用的吸附周期（h）；Xs-吸附剂的动态饱和吸附量kg（水）/kg（吸附剂）；-吸附剂的堆积密度（kg/m3）。其中：由Aspen数据模拟得G1=13.0747kg/d，=48h，Xs=0.08kgH2O/kg吸附剂，=700 kg/m3代入到上式得：；式中： D-估算的塔径初值（m）。代入D1和D2得到塔径初值为：。图4-1 分子筛吸附脱水器允许空塔流速4.3.2床层高度的计算床层高度计算式为：式中：Ht-吸附传质段前边线距床层进口端距离（m）； F-床层的横截面积（m2）。其中：Vw=0.584m3，F=0.785D2=0.7850.42172=0.1396m2。代入上式得：。4.3.3 检验高径比和实际空塔速度由于原来的床层高径比为：，床层高径比过大，使得床层阻力过大，一般高径比H/D=24，所以得适当增大脱水器塔径D，来减小高径比和床层阻力。在增大塔径D时，又要满足空塔气速在允许空塔流速范围内。故综合考虑取塔径D=0.60m。此时实际空塔气速：。vg=1.145vmax=13.33m/min，故该空塔气速在允许值范围内，空塔气速合理。由塔径为0.60m，算得床层高度Ht=Vw/F=0.584/（0.7850.602）=2.067m。此时高径比H/D为，在合理范围24内，故高径比满足要求。4.3.4传质区长度计算公式由于使用的是分子筛吸附剂，故传质区长度计算式为：式中：Hz-吸附剂为硅胶时的传质长度（m）；q-床层截面积水负荷kg/（hm2）；A-吸附常数，若吸附剂为分子筛或氧化铝，其传质区长度分别为硅胶的60%和80%，本脱水塔用的是分子筛吸附剂，故传质区长度为硅胶的60%。Rs-相对湿度（%）。且床层截面积水负荷：其中：G1=13.0747kg/d，D=0.60m，Rs=100%，v2=1.145m/min，A=60%。代入上两式得：4.3.5吸附剂的有效吸附容量吸附剂的有效吸附容量计算式为：式中：X-吸附剂的有效吸附容量，kg（水）/kg（吸附剂）。其中：Ht=2.067 m，Hz=1.318m，Xs=0.08 kg（水）/kg（吸附剂）。因为X=0.0570 Xs=0.08 kg（水）/kg（吸附剂），所以Ht满足要求。4.4床层阻力降当原料气通过吸附层时，所产生的阻力降P可根据下式进行计算式中：-脱水器床层压降（kPa）；-气体粘度（mPas）；Vg-气体实际空塔流速（m3/s）；H-吸附剂床层长度，m；-气体密度（kg/m3）；B，C-常数，查表4-2。表4-2 吸附剂粒子类型常数表其中： H=2.067m， =0.015468cP=1.546810-2m Pas，v2=1.145m/min， =44.03kg/m3， B=4.155， C=0.00135。代入上式得：满足=0.313kPa35kPa的要求。4.5再生热负荷计算（1）固体吸附剂脱水器本身的显热吸附器重量的估计，根据操作压力和容积大小，本吸附器重量G约为2000KG。吸附器加热所需热量Q1 式中：G-塔体的重量（kg）；C1-钢（Q345R）的平均比热容，此温度下钢的比热为0.50kJ/（kg）；t1-吸附后床层温度（）；t2-再生加热的平均温度（）。te-再生气进塔温度（）；tu-再生气出塔温度（）。其中： 吸附后床层温度t1=38，te=300，tu=65代入上式中则：t2=（300+ 65）/2=182.53A分子筛加热所需的热量Q2式中：C3A-3A分子筛的平均比热容，0.96kJ/（kg）；其中：=408.53kg，CP，3A=0.96kJ/（kg）代入上式中水的脱附热式中：Q3-水的脱附热（kJ）； G2-每周期的吸附水量（kg）； -水的脱附热，取=4186.8kJ/kg。其中：G2=G1/24=13.074748/24=26.150kg，=4186.8kJ/kg。代入上式得瓷球的显热，Gz=VZ，Vz=0.785D2h式中：Q4-瓷球的显热（kJ）； Gz-瓷球的重量（kg）； C4-瓷球的比热，此条件下瓷球比热为0.88kJ/（kg）； -瓷球堆密度（kg/m3）； VZ-瓷球层体积； h-瓷球层厚度。其中：=2200kg/m3，C4=0.88kJ/（kg），D=0.6m，h=200mm。代入到上式得：Vz=0.7850.620.2=0.05652m3，Gz=22000.05652=124.34kg（5）总热量（6）考虑到热损失为再生吸附剂总热量的10%，则总热量Q再应为Q再=1.1Q=3264671.1=359114kJ4.6再生气量 再生气量G（kg/h）计算式如下：，qh=CPt式中：h-再生加热时间，h，对于双塔流程，加热再生阶段一般取再生周期的1/25/8，这里取h=/2=24h；qh-每kg再生气所放出的热量，kJ/kg；Cp-再生气的定压比热，在该操作条件下Cp=1.16kJ/（kg）；t-再生气的温降。t=t3-（t2+t1）/2t3-再生气进吸附器时的温度，；t2-再生加热结束时气体出口温度，；t1-吸附后床层的温度，。其中： Q再=359114kJ，Cp=1.16kJ/（kg），h =48h，t3=300，t2=65，t1=38。代入上式得：t=300 （65+38）/2=248.5，qh=CPt=1.16248.5=288.26 kJ/kg可设定再生加热时间为8h，每小时加热量为：4.7 冷却气量将床层温度自加热的平均温度182.5冷却到35，则冷却热负荷如下：加上10的裕量，则总冷量为：设冷却时间为8.0小时，每小时移去热量。冷却气进口温度30，压力2.65MPa，出口平均温度为，压力2.65MPa，冷却气的平均比热为1.40kJ/（kg）。每千克冷却气带走热量：每小时需冷却气量：换算成标准条件下（20，101.325kPa）的体积流量为 163.82m3/h。冷却气所需面积效核：冷却气2.65MPa，30下的为22.12kg/m3，气体从下往上流则C取0.167，加热气允许质量流量：再生加热气所需面积：吸附器的床层面积为0.2826m2，所以满足要求。 冷吹气量和热吹气量不等。实际操作中考虑到气量波动，为了使装置操作平稳，冷吹气量和热吹气量均采用200m3/h（20，101.325kPa）。根据SY.T 0076-2003天然气脱水设计规范介绍，床层不能有任何摩擦和振动，所以吸附与再生进行切换时应控制升压与泄压速度，一般要求小于0.3 MPa/min。此设计的吸附塔吸附、再生、冷却均在3.0MPa的操作压力下进行，床层运行稳定。第五章 设备选型5.1 分子筛吸附器的选型本项目采用的是两塔流程对目标产物进行脱水，由于分子筛的吸附和再生过程中的温度、压力的循环变化，分子筛干燥器的设计制造要求严格，成本较高。运行一段时问后，分子筛出口气体中往往携带分子筛粉尘，可利用多滤芯的粉尘过滤器净化天然气。气体从外表面进入滤芯，杂质被阻挡在滤体表面和内部，在滤芯表面形成一层均匀的滤饼，由于颗粒的架桥效应，而进一步提高了过滤精度。生产实践中，工厂技术人员可根据气质条件及运行时问长短来决定滤芯更换频率。 分子筛主要的结构有塔体、支座、人孔及手孔、接管、吊柱等结构。5.2 设计条件3A分子筛设计条件详见表5-1。表5-1 3A分子筛参数项目3A分子筛塔塔径/mm600最高工作压力/MPa2.65最高工作温度/3005.3材料选择筒体封头的材料选择，根据压力、温度介质等限制条件，选用Q345R。从力学、制造及耗材等方面进行分析，标准椭圆封头能达到筒体等强度。加工制造方面，半球封头是最难，碟型封头最容易，但是标准椭圆封头水压试验优于碟型封头，而且从消耗材料，碟型封头用料最大，所以综合各方面，其分子筛吸附塔选用Q345R材料的标准椭圆封头。裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。故也选用Q345R。5.4筒体及封头厚度计算5.4.1 3A分子筛筒体计算厚度：根据压力容器手册，选用Q345R作为吸附塔材料。S31608在300下许用应力为t=118MPa。吸附塔计算压力为2.65MPa，取2mm的腐蚀余量。壁厚计算公式为：式中：PC-计算压力，MPa；Di-吸附器内径，mm；t-设计温度下材料的许用应力，MPa；-焊接接头系数，无缝钢管取0.9，焊接钢管取0.8；计算厚度：对于压力较低的容器，按壁厚计算公式得到的厚度很薄，会给制造和运输、吊装带来困难，为此，规定了不包含腐蚀裕量的最小厚度min。对于碳素钢、低合金钢制的容器，min不小于3mm；对于高合金钢制容器，min不小于2mm。则设计厚度：。S31608厚度负偏差C1取0.3mm，则名义厚度： 圆整得吸附塔筒体壁厚为10mm。5.4.2 3A分子筛封头厚度计算：则设计