年产5万吨合成氨脱碳工段工艺设计化工原理毕业论文

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改!)邯郸学院本科毕业设计邯郸学院化学系郑重声明关键词热钾碱法脱碳二氧化碳吸收塔工艺设计AnDongDirectedbyLecturerLiangYa-nanimprovementwayofofaqueouspotassiumcarbonateandtwoprocessofabsorbtion I Ⅱ1前言 12合成氨的概述 1 12.2氨的性质和用途 1 22.4合成氨技术未来的发展趋势 22.5合成氨生产工艺介绍 22.6脱碳单元在合成氨中的作用 43脱碳方法及工艺选择 4 4 83.3脱碳工段主要设备的选择 3.4工艺操作条件的选择 4工艺计算 5热量衡算汇总表 6主要设备计算 6.1二氧化碳吸收塔 6.4填料层高度计算 6.5塔附属高度的确定 6.8二氧化碳吸收塔计算总结 6.10操作条件 7工厂平面设计 7.1厂房设计要求 7.3厂址的选择 317.4总布局主要应满足的要求 318三废处理 32 8.2废气处理 9总结 炭过程中制得了氨。1909年德国化学家哈伯提出了工业氨的合成方法，即“循环法”,这是目前N₂+3H₂≈2NH₃氨为无色气体，具特有的强烈刺激性气味。密度为0.771gL(标准状况),比空气轻。沸点-33.35℃,高于同族氢化物PH₃、AsH₃等，易液化。熔点-77.7℃。液氨密度为0.7253gcm³,气化热大，达23.35kJmol,是常用的致冷剂。氨极易溶于水，20℃时1体积水能溶解702体积氨气。液氨是极性分子，似水，可发生电离，也可溶解一些无机盐，如NH₄NO₃、Agl等。空气中允许NH₃最高含量规定为0.02mgL,若达0.5%则强烈刺激粘膜，引起眼睛和呼吸器官的症状。NH₃遇沥青。NH₃的催化氧化是放热反应，反应生成NO,工业上用于制HNO₃,NH₃也可以被氧化生成NH₃是重要的无机化工产品之一，在国民经济中应用非常广泛。合成氨是大宗化工产品之一，目前世界合成氨的年产量很大，已超过一亿吨。其中85%的合成氨用做生产化肥，农业上使用的尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯水以及各种含氮混肥等氮肥，都是以氨作为原料的，并且液氨也可直接NH₃也是制造炸药和各种化学纤维及塑料的重要原料。NH₃可以制得硝酸，进而用硝酸再制造硝酸铵、硝化甘油、硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，合成氨可以用作氮源，生产人造丝和己业中可用NH₃来提炼金属铜等，在生物化学和医药方面NH₃可用作生产维生素、磺胺类药物和一综上所述，合成氨在国民经济中占有的地位十分重我国是一个人口大国，农业在国民经济中起着举足轻重的作用，而农业的发展离不开化肥。氮肥是农业生产中需要量最大的化肥之一，合成氨则是氮肥的主要来源，因而合成氨工业在国民经济解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，到20世纪50年代，合成氨单系列装置的生产能力最大仅为4万吨年，满足不了市场需求。70年代，我国建成了一批中型氮肥生产装置，合成氨单系列装置的生产能力达到6-12万吨年。随着现代农业的快速发展，高浓度化肥的市场需求不断增加，我国先后引进了30套以油、天然气和煤为原料的30万吨年合成氨装置。除此之外，还自行设计制造了以轻油为原料的的年产30万吨的合成氨生产装置。到1982年，年产量以达到1021.9万吨，成为世界上合成氨产量根据目前合成氨技术发展的现状分析，未来氨合成的生产原理不会放生本质上的变化，其技术发展将会继续以“提高运行周期、降低生产成本、改善经济效益”为目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。大型化、自动化、集成化与形成经济规模的生产中心、低能耗与更环保将是未来氨的合成装置降低能耗将有很大发展空间，但以天然气为原料制氨工艺中，生产能耗已经接近理论水平，预计不在合成氨装置的技术发展中，其研究焦点主要集中在关键性的工序和设备上，关键工序有合成气制备、合成气净化、氨合成技术；关键设备则主要是合成气压缩机I²|。合成氨的主要原料可以分为气体、液体和固体三种。经过多年的发展，合成氨技术已经发展的相当成熟，基本都是由原料气制备、净化和氨合成三部分组成。原料气制备，是指将原料制成含H₂和N₂的粗原料气。对于煤和焦炭等固体原料，制取合成气通常采用气化法；渣油获得合成气的方法主要采用非催化部分氧化法；工业中还利用二段蒸汽转化法从石脑油和气态烃类中制取合成气。净化过程指的是对粗原料气进行净化处理，主要包括变换、脱硫脱碳以及气体精制三个过程，主要目的是除去原料气中的杂质。NH₃的合成是指将纯净的氢、氮混合气压缩，在高压和催化剂的作用下反应生成NH₃。(1)造气：因为空气中含有71%的氮气，目前已经有很多的技术从空气中分离出满足上述反应的氮气，所以造气就是提供维持该反应的氢气的过程。最早的造气工艺就是将煤或焦碳在高温下与水反应生成水煤气或半水煤气，这种混合气体就是原料气。这种工艺在二十世纪前半期一直是主流造气工艺，并且一直沿用至今。二十世纪六十年代出现了新的造气原料，例如天然气、石油重油、石脑油等。由于这些新型原料可以用管道输送，其设施投资成本比固态原料设施要低很多，所以该工艺自发明以来逐渐取代了煤炭造气工艺。但从目前能源的储量、开采和消耗走势来看，煤炭造气(CO₂),硫醇(RSH),硫醚(RSR)和噻吩(C₄H₄S)等；天然气中主要是无机硫(H₂S)。的CO₂,其体积分数一般为12%~40%。而CO在生产过程中还能被氧化为CO₂,在后续工段中高，一般只有10%~20%,故采用未反应氢氮气再循环的流程。氨合成的反应式如下：N₂+3H₂→2NH₃(g)=92.4kJmol工艺气中CO₂的过程称为“脱碳工段”,在合成氨尿素联产的化肥装置中，它兼有净化气体和回收纯净CO₂两个作用。因此脱碳单元在合成氨中处于关键位置，起着承前启后的作用。脱碳运行CO₂与溶剂结合的方式，脱除CO₂的方法可分为三大类：化学吸收法、物理吸收法和物理化学吸收法。物理吸收法的原理是通过交替改变CO₂和吸收剂(通常是有机溶剂)之间的操作压力和操作温度以实现CO₂的吸收和解吸，从而达到分离处理CO₂的目的。在整个吸收过程中不发生化学反应，因而消耗的能量比化学吸收法要少，通常物理吸收法中吸收剂吸收CO₂的能力随着压力增加和温度降低而增大，反之则减小3。物理吸收法中常用的吸收剂有丙烯酸酯、聚乙二醇、甲醇、乙醇以及噻吩烷等高沸点有机溶剂。目前，工业上常用的物理吸收法有Fluo国外的Selexol工艺类似，只是二者所用溶剂的组分不同。NHD溶剂的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系物，脱除CO₂效率在物理吸收法中较高。物理吸收法由于CO₂在溶剂中的溶解服从亨利定律，因此仅适用于CO₂分压较高的条件。吸交替着进行，从而实现CO₂的分离和回收。目前工业中广泛采用的方法法(一乙醇胺)、DEA法(二乙醇胺)及MDEA(N-甲基二乙醇胺)法等0。其中苯菲尔法和活物理-化学吸收法是综合了两种吸收的方法，将其结合在一套生产工艺中。比如说常用的环丁砜法，它的吸收剂是环丁砜和烷基醇胺水溶液，两者分别是物理吸收和化学吸收。还有德国的物理吸收法：早期的合成氨厂多采用加压水洗法进行脱碳。加压水洗脱碳通常在填料塔或筛板塔中进行。此法设备简单，但CO₂的净化能力差，且水洗法的喷淋密度大，动力消耗高，因此近年来合成氨厂的新建脱碳工艺已为其他方法所取代。吡咯烷酮法是以N-甲基吡咯烷酮作为吸收剂。吡咯烷酮具有对CO₂蒸汽压较低、粘度较小、沸点较高、溶解度高等优点。该方法特别适用于气压大于7MPa的场合，但由于N-甲基吡咯烷酮以聚乙二醇二甲醚为吸收剂的脱碳过程称为Selexol法。聚乙二醇二甲醚具有无特殊气味、无毒、沸点高、冰点低、腐蚀性低、化学性质稳定等特点，是一种理想的物理溶剂。但由于聚乙二醇二甲醚价格昂贵，投资及操作费用均较高，因此该法很少在国内应低温甲醇法是由德国林德和鲁奇公司联合开发的，以甲醇作为吸收剂，在1~2MPa,温度为-75~0℃的范围内可同时脱除CO₂和H₂S。CO₂可脱至1~2E-5,H₂S可脱至0.1E-6。该法的特点是不会使原料气变湿，再生能耗低。此法在国内外应用都比较广泛。具有化学性质稳定、无毒、无腐蚀、蒸汽压低、溶解热低、粘度小等特点。该法对CO₂的回收率总的来说，物理吸收法存在诸多不足，例如水洗法操作费用高，工艺较老。物理吸收法吸收选化学吸收法：苯菲尔法的吸收剂是在K₂CO₃水溶液中加入二乙醇胺(DEA)作为活化剂，加入V₂O₅来防腐。碳酸钾水溶液具有强碱性，能与CO₂反应生成KHCO₃。生成的KHCO₃在受热和减压时，又可重新放出CO₂,生成K₂CO₃,因此可循环使用。为了提高反应速度，吸收需在较高温度(90~110℃)下进行，因此吸收与再生收能力。苯菲尔法可以在高温下运行，再生热低，添加V₂O₅用以防腐，但该工艺需要对设备进行活性MEDA法是指以一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)吸收CO₂后生成稳定的胺基甲酸盐，反应热大，加热再生较困难，蒸汽消耗较高；N-甲基二乙醇胺(MDEA)与CO₂反应生成不稳定的碳酸氢盐，反应热小，加热后容易再生，蒸汽消耗较低。MDEA水溶液与CO₂反应受液膜控制，反(1)溶液吸收二氧化碳的能力(2)消耗能源比较电：含砷热钾碱法>有机胺硼酸盐催化热钾碱法>二乙醇胺催人热钾碱法>-乙醇胺法>环丁砜法>聚乙二醇二甲醚法>低温甲醇法>N.2-甲基吡咯烷酮法。水：水洗法>含砷热钾碱法>有机胺硼酸盐催化热钾碱法>-乙醇胺法>环丁砜法>二乙醇胺苯菲尔法(又称二乙醇胺改良热钾碱法),以二乙醇胺为活性剂；二是氨基乙酸催化热钾碱法，以氨基乙酸为活性剂。两者都是以五氧化二钒为缓蚀剂。其中DEA改良热钾碱法(又称二乙醇胺法)是世界上广泛应用的胺类处理酸性物质或气体的方法。因为DEA不易被CO₂或CS₂降解，其气相损失少，反应速度快，循环率高。由于该方法达到了一定经济性和脱碳要求，所以本设计采用此方法。下面详细介绍此法。(1)概述：该方法是利用碳酸钾溶液在高温下吸收CO₂,反应式为CO₂+K₂CO₃+H₂O=2KHCO₃。从经济效益出发，本设计采用的操作温度为110℃。因为在高温条件下K₂CO₃溶解度增大，可以加大CO₂的吸收量率，CO₂吸收速度较快；同时这个温度与CO₂再生温度相近，可以节约能量，降低生产成本。此外还给溶液中加入活性剂DEA和缓蚀剂，因为高温下的CO₂溶解度降低，反应速度减慢。而较低的反应速度下，K₂CO₃对设会加快。因此加入活性剂以加快反应速度，增大CO₂溶解量。加入缓蚀剂则可以减缓其对设备和添加活化剂DEA不仅可以提高反应速度，而且还会改变的CO₂平衡分压，如表3.1。DEA含量(%)0123相对CO₂分压(MPa)DEA含量不同，其溶液的吸收能力不同，如不同含量的DEA法的溶普通的DEA法：使用20%-25%的DEA溶液，其对酸性气体的吸收能力为12~19m²CO₂m³高吸收能力的DEA法使用25%-27%的DEA溶液，其对酸性气体的吸收能力为30~32m³立SNPA法，使用25%—30%的DEA溶液，其对酸性气体的吸收能力32~38.4m²CO₂m²溶液。(2)纯碳酸钾反应机理及催化热钾碱法反应机理从上反应式可以看出：温度越高，压力越低，越有利于KHCO₃的分解，故再生反应应在高温(1)一段吸收一段再生流程：该流程的特点是流程简单，所需设备少，成本低廉，但是使用该流程净化度差，净化气中CO,剩余在5%左右，可以用于净化度要求不高的情况。(2)二段吸收一段再生流程：该过程由于有少部分溶液经冷却后进入吸收塔顶部，净化度可达到CO₂含量1%,比起前者净化度上有一定的提高，但依然不能满足大规模生产的要求，再生热耗较高，仅在一些较低的小规模装置上使用。(3)多段吸收多段再生流程：这种工艺净化度最高，能耗最低，但是设备繁多，装置系统极其复杂，操作要求也很高，这样就导致该工艺的投资很大，因此从经济和合理性的角度来考虑，此(4)两段吸收两段再生流程：目前较为常用的是该流程，这种工艺流程的气体净化后一般CO₂含量不大于1%,而且其再生热耗也比较合理，流程图如图3.1其优点是：在吸收塔下部用温度较高的再生溶液吸收，不仅加快了吸收CO₂的反应速度，而且节省再生过程的热耗。而在吸收塔的上部用温度较低的溶液吸收，降低了溶液表面的二氧化碳平衡分压，提高了气体的净化度，对于能量的综合利用也比较充分。而它的设备装置和操作系统在也通过以上的比较，目前适于选用的是“两段吸收两段再生”流程，所以本设计选用此流程。下含CO₂28%左右的经变换的合成气通过与再生塔下部的碱液换热后温度降低到125℃,经气体分布管道进入吸收塔底部，此时该合成气的压力是1.8MPa。在吸收塔顶部和中部分别用80℃贫液和104℃半贫液进行洗涤，出塔时净化气温度约为80℃,CO,含量低于1%。富液从吸收塔底部引出，经过能量回收后进再生塔顶部，在塔内溶液经过闪蒸出部分水蒸汽和CO₂后，与由再沸器加热产生的逆流蒸气接触，同时被加热并放出CO₂,又由塔中部引出半贫液，温度约110℃,经半贫液泵送入吸收塔中部，剩下的溶液在再生塔下部继续与逆流的蒸汽接触进行再生，再生后的贫液温度约120℃,用贫液泵加压经冷却到80℃左右送入吸收塔顶部。吸收CO₂的过程中，温度的控制是非常关键的步骤，它直接影响到CO₂吸收的速度和平衡。压增大，导致气体净化程度低，不利于对CO₂的吸收。而在“二段吸收二段再生”流程中，吸收塔下段的CO,分压较高，平衡溶解度较大，采用部分再生的半贫液在较高的温度下进行初步而吸收塔上部气相中的CO₂分压较低，平衡溶解度也相对较少，故采用再生贫液来吸收，这样就可以提高净化度。吸收温度的高低主要通过改变半贫液和贫液的流量比来控制，在保证气体净化度的前提下尽可能的降低贫液的流量，这样可以减少热量消耗，通常贫液与半贫液的流量比为1:3。(2)流程概述到净化的气体从顶塔出来，经净化气冷却器和分离器，被循环水冷却至40℃以下并分离出冷凝水，净化气中CO₂含量控制在不大于1.0%,送往压缩工段。(2)流程简单概述在吸收CO₂后的富液，进入再生塔再生，由反应(3-12),CO₂从流体中解吸需要吸收热量。解吸出来的CO₂进过再生塔顶部除沫层后，经过除沫层与三层罩板上喷淋而下的流体接触，从而吸收塔半贫液泉吸收塔器贫液泵(2)简单流程简述净化器冷却器循环水总管循环水总管净化器冷却器循环水总管图3.5循环水流程(2)流程简单概述图3.6软水系统流程(2)流程简单概述从蒸汽煮沸器出来的蒸汽冷凝后进入冷凝水闪蒸槽，经闪蒸回收蒸汽，降温后，闪蒸槽经自调来调节和补充，经泵加压的大部分冷凝水经自调阀组送往冷凝水槽。另外在泵出口总管设有排放管，蒸汽系统电站来的低压蒸汽经湿器以后分成三条线。一条进入再沸器；另外一条进入闪蒸器的第一，第二，第三级喷射器，喷射后的蒸汽直接进入再生塔作汽提气；最后一条同往地下槽，用于贮槽加热，过滤活性碳再生作用。3.3脱碳工段主要设备的选择3.3.1主要设备种类的选择产强度较低。而填料塔就体现出了它的优点，所以大多数工厂采用填料塔。本设计同样选用填料塔。常用的填料有不锈钢、碳钢、聚丙烯制成的鲍尔环和陶瓷制的马鞍形填料。由于热钾碱溶液能将陶轻耐腐蚀，缺点是不适于高温操作，所以要用玻璃纤维来加强，而且使用温度不能超过120℃。综吸收塔：由于采用两段吸收，进入上塔的溶液量仅为全塔溶液量的14到13,同时气体中大部分的CO₂又都在塔的下部吸收。因此在形状上，吸收塔呈上下塔内均装有填料，为了使溶液能均匀的润湿填料表面，除了在填料上层装有液体分布器上下塔的填料又分为两层，两层填料间也安装有液体分布器。每层填料都置于波纹状态多孔支板上。气体由上面和侧面进入填料而液体由波纹的下孔流出，这样的气体分布均匀。填料采用金属鲍尔环，大部分用碳钢制作，只在每层填料的上层和最下层采用不锈钢制作的。下部设有消泡剂，防止液体产生旋涡将气体带入再生塔内，在吸收塔富液出口管上装有防涡流挡板。吸收压力：根据吸收反应式(3-1),可以知道加压有利于CO₂的吸收。提高吸收的压力，同时提高了CO₂的平衡分压，这样就加快了吸收反应速度，提高了溶液吸收能力的同时也提高了溶液净化度，降低了再生热的消耗，生产装置中吸收压力的净化度和吸收能力的影响如表3.2所示。气量m²h压力kgcm²净化度CO₂%吸收能力m³m³实验表明，当CO₂分压低于12kgcm²(绝压)时，采用热钾碱法来吸收CO₂是不经济的，此时再生所消耗的热量大大增加，所以压力越高越有利于吸收。但是对于合成氨厂的脱碳工序来说，气体的压力是由前后各工序来决定的。因此系统吸收的压力