附录四 CO2吸附脱水说明书

扬子石化10万吨/年醋酸乙烯项目- 13 -二氧化碳吸附脱水说明书2019“东华科技-恒逸杯”第十三届全国大学生化工设计比赛扬子石化10万吨/年醋酸乙烯CO2吸附脱水说明书参加选手：李明朗陈家辉游翔宇宋江怡佳佳指导老师：周志伟汤吉海崔群谷和平符开云第一章分子筛吸附脱水工艺概要21.1分子筛吸附脱水工艺步骤21.1.1吸附21.1.2再生31.2分子筛吸附脱水工艺流程3第二章分子筛的流动和选定42.1本工艺分离工序的概要42.1.1原料组成42.1.2原料气体的各种分子径总结42.1.3分子筛脱水的优缺点42.2分子筛吸附操作流程42.3分子筛的选定52.3.1分子筛的分类52.3.2 3A分子筛与4A分子筛的比较72.3.3确定本工艺所需的分子筛72.3.4分子筛吸附塔的具体计算7第三章吸附塔控制113.1发货准备113.2吸附部123.3两塔切换过程123.4再生12第一章分子筛吸附脱水工艺概述在醋酸乙烯的制造工艺中，由于乙烯完全氧化而发生副反应，因此生成一定量的CO2气体。 近年来，随着地球变暖的发展，对CO2、CH4等温室效应气体的排出也提出了高要求。 本项目总厂扬子石化有限公司作为国家温室气体排放奖励基金奖励公司，开发了CO2制CO、CO2生物法削减琥珀酸、CO2中和废碱液等措施。 在此基础上，本项目考虑将副反应产生的CO2气体吸附脱水后出厂，作为工业原料使用，实现了CO2削减。在众多固体吸附剂中，分子筛以其优异的选择性吸水性能广泛应用于工业气体的脱水过程中。 根据型号的不同，分子筛的孔径不同，可以根据吸附的物质的分子的大小选择性地吸附杂质气体成分。 常用的脱水分子筛有3A、4A两种形式，经过脱水过程，证实了原料气体中的水分含量下降到1ppm。实践经验证明，分子筛脱水技术在低水分分压、高温、高气体流速等严酷条件下也能保持比其他固体吸附剂高的吸附容量，技术发展快，应用广泛，其主要特征是能耗低，技术应用范围广，产品纯度高，可灵活调节的工艺流程能够实现多种气体分离的装置自动化程度高，操作容易，装置调节能力强，操作弹性大，投资小，操作费用低，维护简单，检修时间少，开工率高的吸附剂使用周期长，在通常操作中吸附剂能使用10年以上的环境效果高，原料1.1分子筛吸附脱水工序1.1.1吸附原料气体从吸附塔的顶部进入，从上下与分子筛床层接触。 在原料气体接触的过程中，气体中的水分吸附在分子筛上，可以达到干燥原料气体的目的。 干燥的原料气体从塔底排出，送回总工厂。工业上单一吸附塔的吸附工作时间一般为8小时，8小时后原料气体转换到别的吸附塔，原来的吸附塔再生。1.1.2播放分子筛吸附床层的再生包括切换、减压、热风、冷风、升压五个步骤。吸附塔切换到再生后，用再生出口控制阀和溢流控制阀进行系统的减压。 吸附塔的压力下降到一定的压力后，开始净化吸附塔。 净化使用的气体用鼓风机加压，通过再生入口可编程控制器进入升温热交换器，加热后的气体通过配管和净化入口可编程控制器进入干燥塔，进行干燥塔的升温净化。 吸附塔床层的温度上升到一定值时，水分几乎被解吸，此时，再生加热器停止加热，常温再生气作为分子筛床层的冷却气体使用，把分子筛吸附床层的温度降低到操作温度后，切断再愤怒源。1.2分子筛吸附脱水工艺流程为了实现分子筛脱水过程的自动控制，在每个分子筛吸附塔上设置了充电阀、原料阀、再生阀和冷气阀，具体的工艺流程装置图如下图1-1分子筛脱水工艺流程图本成套装置中，塔a、b的操作步骤如下1)A塔的吸附完成后，需要更换分子筛，此时，作业塔为b塔。 分子筛脱水连续进行，b塔吸附后，a塔完成再生和冷吹。 b塔吸附8小时，a塔再生4小时，冷却3.5小时。2)B塔的吸附完成后，需要更换分子筛，这种情况下，作业塔为a塔。 分子筛脱水连续进行，a塔吸附时，b塔完成了再生和冷吹。 a塔吸附了8小时，b塔再生了4小时，冷却了3.5小时。第二章分子筛的流动和选定2.1本工艺分离工序的概要2.1.1原料组成本工艺中原料气体的组成如下表所示表2-1原料气体组成表(mole fraction )成分二氧化碳H2OC2H4含量0.9815940.013912720.00527原料进入分子筛脱水装置，温度为40，压力为6bar。2.1.2总结了原料气体的各种分子动力学直径本工艺原料气体中的各种分子直径如下表所示表2-2原料气体各分子直径表成分二氧化碳H2OC2H4直径(nm )0.330.2650.312.1.3分子筛脱水的优缺点优点：进口介质的工艺参数(压力、温度、流量)对脱水效果影响小，设备适应性强，装置腐蚀性小，装置操作简单，占地面积小，脱水效果好。缺点：随着脱水过程的发展，分子筛的吸附能力逐渐降低，吸附一段时间后需要进行高温再生，可能影响下游的连续供气(不能中断时，需要设置备用设备)。本工艺原料气体本身含水量低，比吸收法、膜分离法分子筛吸附法脱水深度高，操作简单，成本低，经济。2.2分子筛吸附操作流程本工艺原料气体处理量47.32Nm3/h，规模小，工业上一般采用双塔工艺。 在两塔流程中，一个塔进行原料气体的吸附脱水的同时，另一个塔进行吸附剂的再生冷却，另一个塔完成吸附过程后，另一个塔已经完成再生，可以进行吸附操作，此时，进行切换，继续进行吸附脱水操作。双塔工艺的过程如下：表2-3两塔方案时间分配表吸附塔0-8h8-16h16-24h小时分子筛吸附塔a吸附再生吸附分子筛吸附塔b再生吸附再生从上表可以看出，每个时间段都有一个塔吸附，一个塔再生，用控制系统实现了两个塔的合理切换，确保了下游供气的连续性。2.3分子筛的选定分子筛是一种具有立方晶格的硅酸铝化合物，主要是用铝通过氧桥连接构成空洞的骨架结构，结构中有多个孔径均匀的孔和整齐、内表面积大的孔。 另外，还包含与电气价格低、离子半径大的金属离子化合的状态的水。 水分子在加热后继续失去。 但是，结晶的骨架结构不变化，形成多个相同大小的空洞，空洞中连接有多个相同直径的细孔，这些微小的细孔的直径均匀，能够将比细孔大的分子排除在外，因此，可以分离直径大小不同的分子和饱和程度不同的分子，“筛分”的2.3.1分子筛的分类工业上干燥脱水常用的分子筛的型号是3A (或钾a型)、4A (或钠a型)。2.3.1.1 3A分子筛3A分子筛的典型化学组成为2/3K2O1/3Na2OAl2O32SiO29/2H2O，硅铝比SiO2 /Al2O3=2，有效口径约为3A，主要用途为化工、石油、医药、中空玻璃等工业用干燥剂。根据3A分子筛国家标准(HG/T5149-2017 )，3A球形分子筛的技术要求如下表所示。表2-4序列号。项目d (3.0毫米 5.0毫米)优等品良品1外观米白色、米黄色、土红色球形粒子，没有机械杂质2磨损/0.200.403放松体积密度0.854静态水吸附量75%RH，(351)/% 21.019.55粒度/98966抗压性强抗压力平均值/n100.080.0抗压力的相对标准偏差0.37静态乙烯吸附量3.08动态水吸附量/10.09包装品含水率/1.5利用分子筛的再生去除水分的工艺条件取决于再生气的压力湿度和水分量。 一般使用200350干燥气体，在0.30.5kg/cm2下通过分子筛床层34小时，使出口温度为110180进行冷却。 在再生过程中需要去除有机物时，用水蒸气代替有机物，去除水分。2.3.1.2 4A分子筛4A分子筛典型的化学组成为Na2OAl2O32SiO29/2H2O，硅铝比SiO2 /Al2O3=2，有效口径约为4A，主要用途是各种化工气体和液体、制冷剂、药品、电子材料和易变物质的干燥。表2-5 4A分子筛的主要技术指标序列号。项目d (2. 5毫米5. 0毫米)优等品良品1外观米白色、米黄色、土红色球形粒子，无机械杂质2磨损/0.200.403放松体积密度0.680.654静态水吸附量75%RH，(351)/% 22.0205粒度/98906抗压性强抗压力平均值/n8060.0抗压力的相对标准偏差0.37包装品含水率/1.5利用分子筛的再生去除水分的工艺条件取决于再生气的压力湿度和水分量。 通常，200350干燥气体为0.30.5kg/cm2，通过分子筛床层34小时，使出口温度为110180进行冷却。2.3.2 3A分子筛与4A分子筛的比较以下，比较上述两种分子筛，确定本工艺中使用的分子筛1)4A型分子筛在吸水的同时吸收CO2成分，导致原料气体中的二氧化碳的损失。2 )根据4a分子筛设计的系统一般比根据3A分子筛设计的系统小。 因为相同体积的4a分子筛比3A型分子筛的吸水能力强10%。3)4A分子筛所需的再生温度比3A型分子筛高，需要更高的能量消耗。2.3.3确定本工艺所需的分子筛本工艺的目的是干燥二氧化碳气体，采用4A分子筛时，吸附二氧化碳，导致二氧化碳损失，且3A分子筛的再生热负荷、再生冷负荷均小于4A分子筛，能耗小。 因为本生产系统中含有醋酸，所以在综合考虑下，决定使用耐酸性好的3A-2分子筛吸附干燥二氧化碳气体。表2-6本技术的3A分子筛的具体选定指标位符号类型形状规格/毫米静态水吸附量/%wt减损率/%wt沉积密度/g/ml抗压强度/NT0405/63A-2球形3.2210.20.6570由于本项目处理的原料气体中含有微量的乙烯，考虑到三成分体系的复杂性，根据何秋平，更令人生气的乙烯含量和再生次数对3A分子筛的吸附性能和寿命的影响J .化肥工业，2018研究表明，乙烯在原料气体中的分压在0%1.5%之间，对3A分子筛的吸附剂的含量很有影响，因此本项目可以采用3A分子筛作为吸附剂。2.3.4分子筛吸附塔的具体计算2.3.4.1分子筛脱水工艺参数1 )原料气体的处理量为48.5658Nm/h、(40、6bar )。2 )吸附周期T=8h。3 )调查分子筛的有效吸附容量： 化学工程手册 (第二版，时均等)，以13.20wt%(13.2kgH2O/100kg )作为分子筛的吸水容量。4 )原料气体的脱水量为2.70kg/h。 单塔操作的吸附周期为8小时，共脱水21.61kg。 在运转条件(40、6bar )下，气体流量为48.57m/h。 情况下的密度为10.40kg/m。 因此，气体质量流量为500.99kg/h。已知b=700kg/m3，Dp=0.0032m。 可以从雷克萨斯的半经验式求出吸附塔直径，半经验式如下G=(CbgDp)0.5式中： G-容许气体质量流速、kg/(m3.h )c系数。 气体从上向下流动，取0.250.32从下向上流动，取0.167b-分子式的沉积密度，kg/m3；g-气体运转条件下的密度、kg/m3；Dp-分子筛的平均直径(球形)或当量直径(棒)，m；原则g=3600 (0. 26765.39790.0032 ) 0.5=8859.02公斤/(m2.h )吸附塔的截面积：F=500.9858859.02=0.057m2直径D=(0.0574)0.5=0.27m米用GB150-2011 固定式压力容器舍入为0.3m。2.3.4.2吸附器的宽高比计算原料气体的摩尔流量为11.7173kmol/h操作周期T=8h，一共脱水了21.6kg公斤分子筛的有效吸附容量为13.20wt%，因此吸附塔所需的分子筛的质量为21.60.132=163.63kg，其体积为V=163.63700=0.234m3。 床的高度H=VF=4.1m，被卷成4.5m。 高径比约为4.500.3=15。2.3.4.3吸附塔的压力降计算从气体加工工程数据手册 (第13版)得到的分子筛吸附床的层叠下降计算式如下PL=Bvg C