合成氨原料气脱碳及再生实用工艺设计

1、毕业设计题目：12 万吨I年合成氨脱碳及再生工序工艺设计系别：化学化工系专业：煤炭深加工与利用姓名：李会军学号：111308128指导教师：李晓燕河南城建学院2011年5月14日河南城建学院毕业设计任务 书题目_12 .万吨/年合成氨原料气脱碳及再生工艺设计一.系 别化学化工系专业煤炭深加工与利用班级1113081学号28学生姓名李会军指导教师李晓燕发放日期2011年3月6日河南城建学院专科毕业设计任务书、主要任务与目标：设计题目：12万吨/年合成氨原料气脱碳及再生工艺设计原料气组成：组成CO2COH2N2CH 4含量 /%0.20.2620.3320.1910.015工艺条件：气液两相的入塔

2、温度均为25 C；吸收塔操作压力1.4MPa，解吸塔操作压力常压;吸收剂的入塔浓度根据操作情况选取； 设计目标：经脱碳后二氧化碳含量w 1.0% ; 再生段二氧化碳回收率 93% 。二、主要内容与基本要求：主要内容1明确设计任务，查阅文献资料；2确定设计方案：通过技术及经济筛选、对比，选定技术先进、经济 效益好的设计方案；3明确已知条件、工艺参数及计算基准；4工艺计算部分5稳定性及机械强度计算6工艺流程图绘制7主要设备结构图的绘制基本要求工艺设计要做到：符合国家的经济政策和技术政策，合理运用国家 的财富和资源；工艺上可靠，经济上合理；尽可能吸收最新科技成果， 力求技术先进，经济效益更大；不造成

3、环境污染；同时符合了国家工业 安全与卫生要求。三、计划进度：1 接受设计任务：1.0天2 收集资料：5.0天3 制定设计方案提交设计开题报告:5.0 天4 .设计计算：15.0天5 .设计图纸绘制：15.0天6 .编制说明书：7.0天7 .答辩：2.0天合计：50.0天四、主要参考文献：1小合成氨厂工艺技术与设计手册化学工业出版社2塔设备设计上海科学技术出版社3化工设备设计基础化学工业出版社4化工容器及设备简明设计手册化学工业出版社5化工工艺设计手册化学工业出版社6化工过程设计化学工业出版社7化工设备设计化学工业出版社8化工设备手册化学工业出版社指导教师（签名）：年 月 日教研室审核意见：（建

4、议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。）教研室主任签名：年 月 日注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计在指定的时间内交给指导, 教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。毕业设计成绩评定班级姓名学号综合成绩： 分（折合等级）答辩小组组长签字年 月 日答辩小组评定意见一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）、评分（按下表要求评定）平分项目答辩小组评

5、分评阅教师评分合计| （40分）1）完成任务情况（5分）卜毕业设计（论文质量（5分）表达情况（5分）回答问题 情况（5分）质量（正确性、条理 创造性、实用性10分）成果的技术 性水平（科学 ）性、系统性（10分）评分答辩小组成员签字毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计，为答辩做好准备，并根据毕业设计质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。指导教师评定意见一、对毕业设计的学术评语（应具体、准确、实事求是）：签字：111 IIIITIII1 Il

6、li rilllllllTIII! Illi lllll III! IIIITIIITIIIirilllllllTIIITIIHIIIH Illi IIIITIIinill rill! IIII1IIH III! IIII1 III! IIIITIIIT1IIITIII1IIIIIITIII日1 rill! 11111二、对毕业设计评分按下表要求综合评定（1）理工科评分表评分项目（分值）工作态度 与纪律（10 分）毕业设计（论文）完 成任务情况与水平（工作量与质量）（20 分）独立工作能力（10 分）基础理论和 基本技能（10 分）创新 能力（10 分）合计（60 分）得分（2）文科评分表评分

7、项目文献阅读与外文翻译论文撰写质量学习态度论证能力合计文献综述与创新（分值）（10 分）（10 分）（10 分）（10 分）（20 分）（60 分）得分指导教师签字：摘要氧化碳的吸收再生过程主要是由吸收、闪蒸和气提三部分组成。本次设计选用的脱碳剂是聚乙二醇二甲醚（NHD），属于物理吸收法。主要的设备是 吸收塔和气提塔。在计算的过程中，首先根据所给的物料组成和工艺条件进行 物料恒算和热量恒算，再进行塔设备的计算、校核及辅助设备的计算或选型。吸收段的计算结果如下：二氧化碳的脱除量2909.4 m3/h，NHD的用量184.2 m3/h ;塔底流出的 富液带出的热量14269139.99kJ/h ，

8、溶液温度升高了 5 C；塔径为1.6m，填 料层高度为13.47m，塔压降为3002.7Pa解吸段的计算结果如下：闪蒸出的二氧化碳的量2735.7 m3/h，二氧化碳的回收率为94%，溶液带 出的热量10142141.09kJ/h ，闪蒸的容积为0.26 m3。气提出的二氧化碳的量157.15 m3/h，氮气的用量1105.2 m3/h ；塔底流出 的贫液带出的热量6022054.3kJ/h ，溶液温度为26 C；上段塔径1.4m，下段塔径1.5m，填料层高度为5.7m，塔压降为2021.4Pa关键词吸收、闪蒸、气提ABSTRACTThe decarb onand rege nerati on

9、 of carb on dioxide process isprimarily composed by three parts: absorpti on, flash vaporizati on and gas stripp ing. This desig n uses polyethyle ne glycol dimethl ether (NHD) to decarb on, which is the physical absorpti on method. The main deviceis absorption column and stripper. In the process of

10、 calculation, firstly make material con sta nt calculati on and heat con sta nt calculati on, and then is the calculationof tower equipment,checkingand ancillaryequipment ' s calculation or selection.Absorption segment' s results are as follows:The amount of carb on dioxide removel is 2909.4

11、m 3/h and theamou nt of NHD is 1 84.2m3/h; the heat of liquid-rich flow from towerbottom is 14269139.99kJ/h and the temperature of solution rises5 °C ;the tower diameter is 1.6m, the height of packing layer is 13.47m andthe colu mn pressure dropp ing is 3002.7Pa.The desorption segment' s re

12、sults are as follows:The amount of carb on dioxide flashes is 2735.7m3/h, the recoveryrate of carb on dioxide is 94%, the heat brought out from solutio n is10142141.09kJ/h and the volume of flash trough is 0.26m3.The amount of carb on dioxide stripped out is 157.15m3/h and theamount of ni twge n is

13、1105.2mEh; the heat of barre n liquor from towerbottom is 6022054.3kJ/h and the temperature of solution is 26C ; theupper colu mn diameter is1.4m, the lower colu mn diameter is 1.5m andthe colu mn pressure dropp ing is 2 021.4Pa.Key Words:absorption , flash , stripping1总论191.1 概述1.91.2文献综述211.3设计任务的

14、依据 241.4主要原材料及公用工程情况 242生产方案的确定262.1脱碳及再生的方法 262.2 NHD 的脱碳原理272.2.1 NHD 溶剂的物理性质27计算的热力学基础 27计算的动力学基础 292.3脱碳及再生工艺参数的选定 302.3.1 脱碳流程的选择 30气提剂的选择30脱碳再生操作压力的选定 32脱碳塔气液比的确定 32冷凝器的位置及选定 33腐蚀及材料选择 343脱碳再生生产流程说明 364吸收过程的工艺计算394.1物料恒算404.2热量恒算43原料气带入的热量 43422单位时间内气体的溶解热 43进塔溶液带入的热量 44净化气带出的热量 44塔底富液带出的热量 45

15、4.3吸收塔的工艺设计 454.3.1 塔径及气速的计算 45填料层高度的计算 47塔厚度的计算48塔压降的计算49辅助设备的计算和选型 49塔体的强度校核525 解吸过程的工艺计算 565.1物料恒算56闪蒸过程的物料恒算 56气提过程的物料恒算 575.2热量恒算57闪蒸过程的热量恒算 57气提过程的热量恒算 585.3气提塔的工艺设计 59塔径及气速的计算 59填料层高度的计算 61533塔厚度的计算62534塔压降的计算62辅助设备的计算和选型 63塔体的强度校核64主要符号说明70致谢72参考文献7.31总论1.1概述氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直

16、接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及 各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年 合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作 为其它化工产品的原料。合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的 发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三 个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过 程、脱硫、脱碳过程以及气体精制过程。CO2不是合成氨合成的原料气，故需要在净化阶段除去；但 CO2在常温

17、常 压下是无色无臭气体，在常温下加压即可液化或固化，安全无毒，使用方便， 加上其含量非常丰富，因此随着地球能源的日益紧张，现代工业的迅速发展， CO2的利用越来越受到人们的重视。许多国家都在研究把CO2作为“潜在碳资源”加以综合利用。它的应用可分为物理应用和化学应用。1）物理应用：CO2作为人工降雨剂，可解决干旱地区的农田灌溉问题；在食品工业中作为冷冻剂，可保证鱼类、肉类、奶类的长期保鲜和低温运输，同 时用作清凉饮料的添加剂。CO2在焊接工艺中作为绝缘剂和净化剂，用来提高 焊接质量；作为萃取剂可以从香料和水果中提取香精，从咖啡里提取碱。另外，CO2还可用于医用局部麻醉、大型铸钢防泡剂和灭火剂。

18、超临界液态CO2因其特殊的性质，还可用于贵重机械零件的清洗剂和超临界萃取剂。2）化学应用：二氧化碳用于制造纯碱、轻质碳酸盐、化肥（碳酸氢铵、尿素） 以及脂肪酸和水杨酸及其衍生物已有成熟的工艺，作为一种重要的有机合成原料，其应用也在不断研究开发。在催化剂存在下，它可以被氢还原成甲烷、甲 醇、甲醛、甲酸；它与H2 起代替甲醇参与芳烃的烷基化，得到包括加氢和甲 基转移的产物；它与不饱和烃反应生成内酯、酸或酯类。另外，它还能与不饱 和烃、胺类、环氧化合物及其它化合物发生二元、三元共聚反应，生成交联、 接枝、嵌段等高分子聚合物，如聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯、聚脲等。脱碳工艺分大的说，有湿法和干法两种。干法目

19、前主要就是变压吸附，湿法目前就比较多，现比较常用的有MDEA、 苯菲尔热钾碱、低温甲醇洗、碳丙、DEA、NHD等。在实际应用中，根据原料 路线、生产工艺的不同进行选择。一般以煤为原料的选低温甲醇洗、碳丙、NHD 较多，这两年选变压吸附的也不少（因为其CO2相对于氨较富余，比较节能）； 一般以天然气为原料的选择MDEA、苯菲尔热钾碱，选变压吸附的较少個为其 CO2相对于氨较少，氨多碳少）。1.2文献综述用于CO2脱除的物理吸收方法很多，目前在工业上应用广泛，技术先进, 投资省，能耗低的方法如下： 低温甲醇洗（Rectisol）法 常温甲醇洗（Amisol）法 MDEA法（物理一化学吸收） Sel

20、exol法（国外常用） NHD法（国内新开发）碳酸丙烯酯法常温甲醇洗对CO2不能选择吸收，而且甲醇消耗大，能耗较高，大型厂也 没有使用经验，因此不宜采用。碳丙（PC），用于脱硫尚缺少大厂实践经验，用 于脱CO2始于六十年代美国弗络系（Fcour）公司，但在国内不少氨厂中使用经验 表明，其净化度差，溶剂挥发损失较大，国内不少氨厂已转向其他净化方法， 新建厂已很少采用。MDEA和Selexol，均属国外技术，如使用须付给国外技术使用费和软件费。 与低温甲醇法方法相比，均为国外引进技术，NHD为国内自行开发的技术，其 吸收能力为碳丙的1.15倍，在工程设计中应优先考虑自有技术。这里用低温甲醇法和NH

21、D两种方法相比较进行选定。（1）低温甲醇洗又称冷法净化工艺，是利用甲醇溶液在-60 C低温下洗涤变 换气，溶解分离混合气中的 CO2。低温下甲醇对CO2溶解度较大，因此循环 溶液量小，耗电较少。其最主要的优点是净化度高，脱CO2能力强，一般的净化度CO2 10ppm。同时分离出足够尿素生产使用的 C02（纯度达98.5%），它 与液氮洗（-190 C深冷操作）配套，均在低温下操作，减少低温复热的过程，使 流程简化、设备减少。该法的不足之处是低温操作（-60 C ），因此需要补充-40 C以下的低温冷量 较大，此部分冷量折能耗较大，且甲醇溶剂蒸汽压高，挥发损失较大，因此， 尤其是在甲醇再生蒸馏过

22、程中蒸汽消耗较大。 所以此法的冷、热能量消耗较高。 低温甲醇洗法是在低温条件下操作，设备及配管、仪表、阀门材质要求高，不 但造价高，而且国内不易解决，需要引进的范围大。该法工艺技术属国外工程 公司专利技术，尽管国内已引进投产四套低温甲醇洗装置，有的国内工程公司 也从事了一些配套工作，但真正设计这样大型装置还是要引进技术，因此技术费、引进设备费要高于国内的技术和设备。另外甲醇本身有毒，挥发损失大，对人和环境均有污染。(2) NHD净化工艺是国内八十年代以后开发成功的新技术，具有九十年代 的水平，该工艺在常温(-510 C)条件下操作，设备材质大部分为碳钢，国内可 以解决，价格也便宜。NHD工展出

23、1，在P=3.5MPa压力下，溶液对CO2选 择吸收能力强，溶液循环量不大，能耗较低。NHD溶剂物化性能稳定，蒸气压 低，挥发损失小，无气味、无毒、不腐蚀、不分解。该工艺能耗低、消耗低、成本低。NHD工艺技术是国内南京化工研究院开发， 化工部第一设计院已在鲁南化 肥厂U期工程净化系统成功的设计了一套年产 810万吨氨装置，现已投产三 年多，运行十分稳定。在此基础上还可以进一步优化设计，降低能耗，节省投 资。从后面的技术比较可以清楚看出本技术的优越性。(3) 低温甲醇洗与NHD都是先脱硫后脱碳，脱硫后的溶剂采用热再生，脱 CO2后的溶剂均采用汽提，因此二者流程是相似的。低温甲醇洗脱硫与脱碳是用同

24、一个高的吸收塔分为两段，上段脱二氧化碳，下段脱硫，上塔吸收CO2的溶剂一部分去下塔脱S; NHD目前的流程是脱S和脱CO2溶剂分开各自成 立系统循环，但低温甲醇洗额外增加一个甲醇一水蒸馏塔。低温甲醇洗吸收温 度是-60 C, NHD脱CO2吸收温度10 C,因此流程中换热部分低渐甲醇洗比 NHD要复杂得多，总的来说NHD流程比低温甲醇洗流程简单，同时，值得注 意的是工厂内如果没有空分装置，则低温甲醇洗的气提用氮气将无法解决，而 相反NHD可以用空气作气提剂。1.3设计任务的依据我的设计是参照以下两方面制定的：1根据国家计委、国家科委及国产化办公室颁发的“七五”重点科技专题，引进技术消化吸收一条

25、龙计划，采用 NHD净化工艺，解决德士古煤浆气化技 术的酸性气脱除，NHD净化技术合同编号75 7 6。2 NHD脱硫脱碳基础设计是根据一九九O年八月，由南化公司研究院与化 工部第一设计院签定的国产化一条龙子项合同引进技术消化吸收一条龙子项7 6，30万吨/年氨厂，NHD脱硫脱碳基础设计及 九O年十月南化研究院 第029号便函。1.4主要原材料及公用工程情况NHD是南京化学工业公司研究院近年来开发的一种优良的物理吸收溶剂。 它的主要组分为聚乙二醇二甲醚（国外称Selexol）,是一种有机溶剂。它具有沸 点高，冰点低，蒸汽压低，对CO2气体有很强的选择吸收性，能适合于以煤（油） 为原料，酸气分压

26、较高的合成气等的气体净化，脱碳时需消耗少量冷量，属低 能耗的净化方法。其化学稳定性、热稳定性好，挥发损失小，对碳钢设备亦无 腐蚀性。洒落地下时可被生物降解，对人及生物环境无毒害，因此NHD气体净化技术为清洁生产工艺。根据化工部“七五”国家重点科技攻关计划合成氨一条龙中“75 7 6NHD 净化技术的研究”合同，即采用 NHD物理溶剂法脱除合成原料气中的硫化物 和二氧化碳，并选择一个中型厂使用此项技术，然后提供大型厂使用，“七五”为油头和煤头大型厂净化技术作准备，提出气液平衡数据和工业化基础设计。1988年批准的山东鲁南化肥厂二期扩建工程为年产8万吨合成氨，造气部分引进德士古煤浆气化技术，其它部

27、分由国内配套。由于煤气中硫化物和二氧 化碳含量较高，经多方研究认可选用了 NHD溶剂脱除合成气中二氧化碳的工 艺，于1992年投产。在气液平衡数据的测定和鲁化厂年产 8万吨生产装置的基础上，提供了大 型厂设计参数，进行此项年产30万吨合成氨NHD脱硫脱碳基础设计，条件是 以德士古煤浆气化气经中低温耐硫变换后的气体为原料在2MPa压力下将含CO2 43%，的变换气净化至CO2 0.1%，每吨氨总能耗99万大卡，溶剂损耗 0.5公斤南化集团公司研究院开发的 NHD净化技术，目前已在20多家氨厂、甲醇 厂、醋酸厂的脱硫、脱碳装置上得到成功应用。作为一种典型的物理吸收过程， NHD技术适合于硫化物和二

28、氧化碳含量高的煤制气净化，因此在化肥工业、煤化工、碳一化学领域具有广阔的前景，适合我国国情。2生产方案的确定2.1脱碳及再生的方法一种净化气体的过程，指脱除混合气体中的二氧化碳，主要见于合成氨生产原料气或煤气的处理。脱除原料气中二氧化碳的方法，分为3类。(1) 物理吸收法 最早采用加压水脱除二氧化碳，经过减压将水再生。此法 设备简单，但脱除二氧化碳净化度差，出口二氧化碳一般在2 % (体积)以下，动 力消耗也高。近20年来开发有甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚 法等，与加压水脱碳法相比，它们具有净化度高、能耗低、回收二氧化碳纯度 高等优点，而且还可选择性地脱除硫化氢，是工业上广泛采用的

29、脱碳方法。(2) 化学吸收法 具有吸收效果好、再生容易，同时还能脱硫化氢等优点。主要方法有乙醇胺法和催化热钾碱法。后者脱碳反应式为：K2CO3 CO2 H2O 2KHCO3为提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸钾溶液中添加某些无机或有 机物作活化剂，并加入缓蚀剂以降低溶液对设备的腐蚀。此外，还有氨水吸收法。在碳酸化法合成氨流程中，采用氨水脱除变换气 中的二氧化碳，同时又将氨水加工成碳酸氢铵。(3) 物理一化学吸收法 以乙醇胺和二氧化四氢噻吩(又称环丁砜)的混合溶 液作吸收剂，称环丁砜法。因乙醇胺是化学吸收剂，二氧化四氢噻吩是物理吸 收剂，故此法为物理与化学效果相结合的脱碳方法。对于二氧化碳的

30、再生，再生方法是 NHD溶液的采用多级减压闪蒸和汽提 法(加热汽提，惰性气汽提)，一般若净化度要求不高，可采用多级减压闪蒸， 若净化度要求高须采用惰性气汽提或加热汽提法。对于合成氨原料气的脱碳及再生，我想用物理吸收法，这样在吸收二氧化 碳后，只需经过闪蒸和气提，就可以实现二氧化碳的再回收，所用的吸收剂是 NHD,气提吹扫的惰性气体选用氮气。2.2 NHD 的脱碳原理221 NHD 溶剂的物理性质NHD溶剂的主要成分是聚乙二醇二甲醚，分子式为 CH3O C2H4O nCH3， 式中n=28，平均分子量为250270。其物理性质(25 C)见表1 :表1 NHD的物理性质计算的热力学基础NHD溶剂

31、在脱碳过程具有典型的物理吸收特征二氧化碳气体在工艺气体中分压不太高时，它在 NHD溶剂中的平衡溶解度能较好地服从亨利定律：Ci Hi P当气相压力不高时，气相中各组分的分压可按道尔顿分压定律来描述：P p yi在yi一定时，提高气相总压 P,可溶气体在NHD溶液中的浓度Ci，将增大， 此时实行气体吸收过程。若气体i为二氧化碳，即为脱碳过程。反之，对已经 溶解了大量二氧化碳的NHD溶剂，在温度及Hi不变的情况下，降低气相总压， 气体i从溶液中释放出来，形成闪蒸过程。闪蒸后的NHD溶液中还有少量的气 体i，此时可往溶液中鼓入不含气体i的空气等惰性气体，继续降低气相中i的 浓度，可进一步降低溶液中i

32、气体的浓度G,达到溶液再生的目的，使之重复用 于吸收。在二氧化碳气体与NHD溶剂之间进行传质过程的同时，氢气、氮气、甲 烷、一氧化碳等气体与 NHD溶剂吸收和解吸，但与二氧化碳气体的溶解度相 比，这些气体在NHD溶剂中的溶解度要小得多（表2）表2各种气体在NHD溶剂中的溶解度由于硫化氢和有机硫在前面的脱硫工段已经脱除了大部分，剩下的含量很 少，故可以可作NHD只吸收二氧化碳，其它气体则为惰性气体。223计算的动力学基础通过对NHD溶剂吸收CO2的传质研究，测得CO2 NHD系统的扩散系数2680D 0.0723 eFCO2 NHD系统的液膜传质系数与温度的关系式：40.018TkL 2.23

33、10 eNHD溶剂吸收CO2的速率方程式可以写成:NHD溶剂吸收CO2时的传质阻力主要是在液相，对此物理溶解过程有:1Kg1HkL在过程速率主要取决于CO2在NHD液相中的扩散速率情况下，则上式可 简化为Kg HkL提高气相压力对Kg无明显影响，但提高了 Pcq，从而增大了吸收CO2的 推动力PCo2 Pco2 ，Gco2也增大。可见，提高吸收压力对提高吸收速率是有利 的。若降低吸收温度，则一方面提高了 H值（即提高了 Kg值），另一方面温度 降低会使同样的液相浓度的平衡分压 FC。?降低，吸收CO2的推动力FCo FCo2 将增大。因此降低吸收温度，会极大地增加吸收速率。由于NHD溶剂吸收C

34、O2是个液膜控制过程，因此在传质设备的选择和设 计上，应采取提高液相湍动、气液逆流接触、减薄液膜厚度及增加相际接触面积等措施，以提高传质速率。2.3脱碳及再生工艺参数的选定231脱碳流程的选择鉴于聚乙二醇二甲醚脱除 C02是个典型的物理吸收过程，从 1965年至今 二十多年来，世界上几十个工业装置都采用吸收一闪蒸一气提的溶液循环过 程，其中闪蒸操作可分为几级，逐级减压，高压闪蒸气中含有较多的氢气等有 用的气体，一般让它返回系统予以回收，或做燃料用，低压闪蒸气含C02可达到93%以上，常用之于尿素生产。经闪蒸、气提等手段再生的溶液充作半贫液进入脱碳塔中部，用以吸收进 口气体中大部分C02。进入脱

35、碳塔顶的贫液来自热再生塔，由于这部分溶液的 再生更彻底，温度也不高，因此降低了塔顶C02的平衡分压，保证了净化气中 C02含量小于1.0%的指标。NHD溶剂的饱和蒸汽很低，气相中带走的溶剂损耗极少。因此，不设溶剂 洗涤回收装置。气提剂的选择本设计采用氮气作为气提气，因此，解决了溶液中硫化物的氧化析硫问题， 改善了整个系统的可操作性，更是脱碳塔以预饱和C02的溶液作贫液这种先进 工艺的采用的先决条件。塔型的选择NHD溶剂吸收二氧化碳的传质速度较慢，而且低温操作下的溶剂粘度大， 流动性差。所以需要较大的气液传质界面。因此，我们选用了操作弹性较大的 填料塔。在国外已经运转的聚乙二醇二甲醚气体净化工业

36、装置，也多采用填料 塔。同样，解吸过程也采用填料塔。关于填料，可以根据发展情况，考虑选用© 50 X25碳钢阶梯环，也可使用 ©50 X25玻纤增强聚丙烯阶梯环，但必须有低温长期使用的经验后方可使用。 由于此次设计的温度不低，故为选用聚丙烯阶梯环。234脱碳再生操作温度的选定在吸收压力及进脱碳塔气的 CO2浓度为定值时，二氧化碳在聚乙二醇二甲 醚中的平衡溶解度随温度降低而升高。sot轍相COiift度标态）图1吸收温度对脱碳气中CO2含量的影响所以，降低脱碳温度，有利于加大吸收能力，减少溶液循环量和输送功率， 也有利于提高净化度。更由于溶剂蒸汽压随温度降低而降低，可使系统的

37、溶剂 损耗减少，但低温下的溶剂粘度大，传质慢，增加了填料层高度和冷量损失。据计算，脱碳负荷，填料层高度，吸收压力等条件均相同时，脱碳贫液温度为25 C时，净化度为0.2%，贫液温度降低到-C，净化度可达0.06%。在这里脱碳塔的操作温度选27 C。对于二氧化碳的再生，其操作温度选常温，25 C。脱碳再生操作压力的选定吸收的压力越高，越有利于物理溶剂的吸收能力的提高。以下是两套不同 吸收压力的工业装置的运行数据：从表中可以看出，2.7MPa的吸收压力明显优于1.7MPa。但合成氨厂的脱 碳压力往往由压缩机型及流程总体安排所决定，只要脱碳系统的二氧化碳的分 压达到0.4MPa以上，用NHD脱碳都可

38、以获得良好的综合技术经济指标。所 以，我这次设计吸收压力为1.4MPa，二氧化碳的分压为0.42MPa。解吸的操作压力我选常压，即一个大气压，这样有利于设备的运行。236脱碳塔气液比的确定在其它工艺条件不变时二氧化碳净化度随着气液比的增大而降低。下表中 模式数据显示了这种影响。从该表中看到，在吸收再生条件均相近的情况下， 吸收塔气液比越小，净化度越高。（吸收压力均在2.52.8MPa，吸收温度均在 2634 C,气提空气/溶剂在18.223.6）。如表3所示：表3溶剂吸收CO2能CO2序号气液比力m3mol%（标）/m3进塔气净化气143.211.025.60.1249.812.926.20.

39、4354.014.226.00.4462.016.227.21.4若要保证一定的CO2净化度，则气液比提高所产生的不利影响，需通过提高填料层高度来弥补。下表列出了在某工艺条件下，将CO2由进口的41.73%脱到0.5%的对比数据。如表4所示：表4序号ABCDEFGH气液比80.778.984.273.769.266.063.561.9脱碳能力m363.555.744.734.429.929.226.825.2（标）/m3净化度CO2%0.0200.0160.7130.0860.0530.0200.0170.015冷凝器的位置及选定脱碳操作温度接近于常温，所以进塔溶液需要冷冻措施。我们选用液氨为

40、冷源，使溶液温度保持在25 C左右。根据国外同类型运转工厂的经验，冷凝器的位置有两种，一种冷却贫液， 一种是冷却富液。两种方法各有千秋。用冷凝器冷却贫液的有美国奥马哈氨厂， 西德的一些工厂以及TVA的有关报价材料。它的优点是，控制进脱碳塔贫液 温度比较直接，经冷却后的低温管道较短， 其它设备操作温度均稍高，这样有 利于气提过程及减少冷量损失。缺点是传热温差小，溶剂损耗大。另一种冷却富液，即冷却刚出脱碳塔的富液。采用这种冷凝器位置的有加拿大希尔哥顿公 司氨厂，加拿大工业公司氨厂等。它的优点是传热温差大，有利于减少传热面 积。（因为整个脱碳系统中，富液温度最高）整个脱碳系统操作温度都较低，溶 剂损

41、耗少。然而带来的缺点是不利于解吸过程，低温管道设备多，冷量损失就大。本次设计脱碳系统的半贫液冷却采用第一种位置，贫液是由热再生塔来，经溶液换热后再用氨冷却，属于第一种位置。238腐蚀及材料选择NHD溶剂本身无腐蚀性，并能在有些原来的腐蚀的脱碳系统内抑制腐蚀，这是因为NHD溶剂吸收了水分，减轻了 CO2对碳钢的腐蚀。但在高温和有二 氧化碳和水蒸汽存在的情况下，对设备有一定的腐蚀作用。因此，脱碳系统的 大部分设备一一脱碳塔、气提塔，闪蒸槽等都可用低合金钢钢制作，仅部分内 件，如除沫器，液体分布器，填料支承及压板等，采用不锈钢材料。管道间垫片可用石棉，机械密封材料可选用硅橡胶，聚丙烯和聚四氟乙烯，

42、一般的高分子材料慎用。NHD溶剂是油漆的溶剂，管道和设备内表面不能使用涂料，偶尔接触NHD 溶剂的设备防腐涂层可用环氧树脂漆3脱碳再生生产流程说明脱碳工艺流程如图3.1所示。1 换热器2、6、13 气液分离器3、7 风机 4吸收塔 6、7、11 溶液泵& 14 气体缓冲罐 9 气提塔12 闪蒸槽变换气加压至1.4MPa后先经过分离器分离夹带雾沫后，进入板翅式综合 气体换热器，与净化气、高压闪蒸气、低压闪蒸气换热降温，经进塔分离器分 离，进入脱碳塔，气体由下向上与从塔顶喷淋下来的溶液逆流接触，混合气体 的二氧化碳被溶剂吸收，脱除到1.0%以下，净化气经雾沫分离器分离掉夹带的 少量雾沫后，

43、进入翅式气体换热器回收冷量，经装有EAC-2的精脱硫罐脱除掉 残余总硫，加压送联醇系统。从脱碳塔底部出来的NHD富液，经减压后进入闪蒸槽，将大部分溶剂中 吸收的二氧化碳气体闪蒸解吸出来， 送尿素合成塔。自闪蒸槽底部出来的溶剂, 经富液泵提压后送至气提塔顶部。溶剂自塔顶喷淋下来，与从下部送入的氮气 逆流接触，进行传质换热，并将溶液中残留的二氧化碳气提出来。出气提塔的 解吸气经分离器回收少量夹带 NHD雾沫后，入空气冷却器，与罗茨风机送来 的空气进行间接热交换，之后，解吸气放空。从气提塔出来的贫液则经泵加压和流量调节后，进入氨冷管间，被液氨蒸 发器冷却后再送入脱碳塔顶部去吸收原料气中的二氧化碳，如

44、此循环使用，当 循环溶剂吸水超标后，可部分送脱水塔进行脱水处理，脱水后的溶剂经溶液换 热降温后送至气提塔。4吸收过程的工艺计算已知条件：进口气体组成:组成CO2COH2N2CH4合计含量/%0.20.2620.3320.1910.015100.00工艺参数：原料气压力：常压；进脱碳塔气体温度：25 C；脱碳塔操作压力：P=1.4MPa ;脱碳塔操作温度：t=27 C；进脱碳塔溶液含二氧化碳的量：0.001进脱碳塔溶液温度：25 C；闪蒸槽操作压力：常压；闪蒸槽操作温度：25 C；进气提塔氮气温度：30 °C；气提塔操作压力：26.66kpa ；气提塔操作温度：25 C；年工作日330

45、天，其余数据根据生产实际情况自定 设计目标：出脱碳塔净化气组分中CO2含量1.0% ；再生气组分中CO2%回收率 93%脱碳塔压差 20kPa ；气提塔压差 20kPa4.1物料恒算原料气在通过吸收塔的过程中，二氧化碳气体不断被吸收，故气体总量沿塔 高而变，液体也因其中不断溶入二氧化碳组分， 其含量也沿塔高而变，但是塔的 惰性气体量和溶剂量是不变的。进塔气的的平均摩尔质量为M 44 0.2 28 0.262 2 0.33228 0.191 16 0.01522.388kg / kmol进塔气的摩尔流量:qnG112 107330 24 22.388676.8kmol / h3676.8 22.

46、415159.6m3/h进塔气中CO2的流量：Gc°215159.6 0.2 3031.9m3/h惰性气体的流量：Gb 15159.6 3031.912127.7m3/ h则原料气中各组分的物质的量为:qn,cO20.2 676.8135.4kmol/hqn,co0.262676.8177.3kmol/hqn ,H20.332676.8224.7kmol / hqn, N20.191676.8129.3kmol /hqn ,cH40.015676.810.2kmol /h其中惰性气体的物质的量为：qnV Gn qn,co2676.8 135.4541.4kmol/h进塔气中C02的摩

47、尔比为:丫1出塔气中CO2的摩尔比为:丫2y21y20.0110.01 0.。1进塔溶液中CO2的摩尔比为:x2X2-1 X20.0011 0.001塔操作压力下CO2的分压为:FC02PyCO21.40.20.28MPa以煤为原料的变换气中CO2在25 C, 0.42MPa下在碳酸丙烯的溶解度为13.8 m3 （标）/m3。NHD在同样条件下CO?的溶解度是碳酸丙烯的1.15倍,则在25 C, 0.42MPa下NHD的溶解度为33S 1.15 13.8 15.87 m （标）/m3净化气的流量为:3G2 GB 1 Y2 12127.7 1 0.0112249.0m3/h净化气摩尔流量为:qc

48、G222.412249.022.4546.8kmol /h净化气中CO2的流量为:G2,co2 G?y212249.0 0.01 122.5m3h则被NHD吸收的CO2流量为：Gy G1,co2 G2,CO2 3031.9 122.5 2909.4 m3/h被NHD吸收的CO2摩尔流量为：Gy2909.4 qY 22.4129.9kmol/ h22.4则C02吸收所需的NHD的量为：Gy 2909.3Lq183.3m / hS 15.87其摩尔流量为：LnM L183.3 1027260724.039kmol /h取NHD中的杂质含量为0.5%，则真实所需的NHD为:3L1183.310.05

49、184.2m /h其摩尔流量为:qn,LM L184.2 1027260727.7kmol/h根据全塔的物料恒算，求出CO2在液相中的摩尔比为X1X2qn,V Y1丫2qn,L0.001676.80.25 0.01727.70.223其摩尔分数为:X11 X10.22310.2230.182从塔底流出的富液量为:L2L1qY,co2727.7 129.9857.6kmol/h净化气各组分含量由y2,iG2,iG2求出，列表4.1表4.1组成CO2COH2N2CH4合计含量%132.441.123.641.86100.004.2热量恒算全塔的热量平衡式为：Qg1 Ql Qs Qg2 Ql2原料气

50、带入的热量当气体压力不高时，有Qg1G22.4CgiTgTo其中气体的比热容CglCgi, y1,i，而 CgiaibTgiCiTgidiTgi ，查将数据代入可得气体中各组分的比热容，列表4.2表4.2组分CO2COH2N2CH4Cg1i kJ / kmol k8.82311.4297.31811.28310.021Cg 8.823 0.2 ii.429 0.262 7.3i8 0.332 ii.283 0.i9i i0.02i 0.0i5 9.494kJ/ kmol k原料气带入的热量为:Qg 苛 848 293 273757142.86kJ/h单位时间内气体的溶解热单位时间内气体的溶解热

51、为Qs鱼 qCO222.4式中qco2为二氧化碳溶于 NHD的溶解热，qCo2 33792kJ / kmol2909.4Qs33792 4389037.714kJ/h22.4进塔溶液带入的热量进塔溶液带入的热量Q.J Cl Tl1 To式中Cl1为NHD的比热容，Cl546kJ / kmol KQLi 727.7 546298 2739933105kJ /h净化气带出的热量由工程上操作可知气体出塔温度与操作温度相同，则GoQg2Cg2 Tg2 To其中气体的比热容 Cg2Cg2y2,i，而 Cg ai bTg2cTg?2 d%3，查将数据代入可得气体中各组分的比热容，列表4.3组分CO2coH

52、2N2CH4Cg2,j kJ / kmol k8.94912.3676.89512.14710.826Cgl 8.949 0.01 12.367 0.324 6.895 0.411 12.147 0.2364 10.826 0.0186 14.47kJ/ kmol k净化气带出的热量为：12249 0Qg14.47 300273213641.2kJ /hg222.4425塔底富液带出的热量塔底富液带出的热量QrL2 Cl2 Tl2 ToQx式中Cl2 Cl 546kJ/ kmol K , Qx为单位时间已溶气体的焓，则Gy22.4c tg2,co2 g2To2909.48.949 300 27331382.9kJ /h22.4由 Qg10-1QSQg2Ql2可以求出富液带出的热量为Ql214269139.99kJ/h富液的温度T2为:Ql2QxL2 CL2To1426913999 313829 273 303K857.6 546溶液温度升高了 5 C4.3吸收塔的工艺设计塔径及气速的计算塔内气体的密度RMRT1400 22.3888.314 300312.57 kg/m将进塔气换成操作压力下的体积流量，中压以下由pv nRT可知I；+G1EGP101.325 15159.614001097.2m3/h塔内气体的质量流量为qmv G