【正文】 ................................................................................................ 15 流程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 .......................................................................................................... 16 吸收塔的設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 17 再生塔 T102 的 參數(shù)設(shè)計(jì) ....................................................................................... 18 第四章 設(shè)計(jì)與校核 .................................................................................................................... 22 吸收塔 T101 的設(shè)計(jì)與校核 .............................................................................................. 22 再生塔 T102 的設(shè)計(jì)與校核 ............................................................................................. 23 結(jié) 論 .......................................................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................... 27 致 謝 .......................................................................................................................................... 29 附 錄 1 流程圖 ......................................................................................................................... 30 附 錄 2 再生塔 ......................................................................................................................... 31 附 錄 3 Aspen Plus 計(jì)算說(shuō)明報(bào)告 ....................................................................................... 32 第一章 引言 1 第一章 引言 概念設(shè)計(jì)又稱(chēng)為 “ 預(yù) 設(shè)計(jì) ” ，是在根據(jù)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)研究成果、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)有類(lèi)似的操作數(shù)據(jù)和工作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，按照所開(kāi)發(fā)的新技術(shù)工業(yè)化規(guī)模要求而作出的預(yù)設(shè)計(jì)，用以指導(dǎo)過(guò)程研究及提出對(duì)開(kāi)發(fā)性的基礎(chǔ)研究進(jìn)一步的要求，所以它是實(shí)驗(yàn)研究和過(guò)程研究的指南，是開(kāi)發(fā)研究過(guò)程中十分關(guān)鍵的一個(gè)步驟。 概念設(shè)計(jì)不同于工程設(shè)計(jì)，因而不能作為施工的依據(jù)，但是成功的概念設(shè)計(jì)不但可以節(jié)省大量的人力和物力，而且可以加快新技術(shù)的開(kāi)發(fā)速度，提高開(kāi)發(fā)的水平和實(shí)用價(jià)值。一個(gè)很普通的單一產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，可能有許多個(gè)方案可供選擇，如何從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的角度把最有希望的方案設(shè)計(jì)出來(lái) ，是作為強(qiáng)化研究開(kāi)發(fā)工作的方向，這是一種系統(tǒng)化的分級(jí)決策過(guò)程，這正是概念設(shè)計(jì)的真諦。 概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者綜合開(kāi)發(fā)初期收集的技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，通過(guò)分析研究之后。對(duì)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目作出一種設(shè)想的方案，其主要內(nèi)容包括：原料和成品的規(guī)格，生產(chǎn)規(guī)模的估計(jì)，工藝流程圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明，物料衡算和熱量衡算，主要設(shè)備的規(guī)模，型號(hào)和材質(zhì)的要求，檢測(cè)方法，主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，投資和成本的估算，投資回收預(yù)測(cè)，三廢治理的初步方案以及對(duì)中試研究的建議等。 隨著計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,化工流程過(guò)程模擬軟件也越來(lái)越成熟，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也日趨廣泛。在 進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)，采用流程系統(tǒng)模擬物料衡算和熱量衡算，投資和成本估算等問(wèn)題以及采用流程模擬軟件進(jìn)行整體優(yōu)化也越來(lái)越普遍。本文采用國(guó)際上最流行的化工過(guò)程模擬軟件之一的 ASPEN 作為輔助設(shè)計(jì)的主要工具，與過(guò)程有關(guān)的物料和能量的衡算基本上有該軟件給出，并以設(shè)計(jì)流程計(jì)算的收斂與否來(lái)檢驗(yàn)該流程是否可行 [1]。 本文通過(guò)概念設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是尋找最佳工藝流程（即：選擇過(guò)程單元以及這些單元之間的相互連接）和估算最佳的工藝設(shè)計(jì)條件。第一章 引言 2 研究背景 二氧化碳的危害 一、 對(duì)人體的危害 ： （ 1）低濃度的二氧化碳可以興奮 呼吸中樞，便呼吸加深加快。高濃度二氧化碳可以抑制和麻痹呼吸中樞。 （ 2）由于二氧化碳的彌散能力比氧強(qiáng) 25 倍，故二氧化碳很容易從肺泡彌散到血液造成呼吸性酸中毒。 臨床上很少見(jiàn)單純的二氧化碳中毒，由于空氣中二氧化碳增多，常伴隨氧濃度降低。比如：地客中儲(chǔ)存的蔬菜、水果呼吸時(shí)產(chǎn)生二氧化碳，同時(shí)消耗了氧氣。無(wú)防護(hù)措施進(jìn)入地窖所發(fā)生之中毒，是高濃度二氧化碳和缺氧造成的。試驗(yàn)證明氧充足的空氣中二氧化碳濃度為 5％時(shí)對(duì)人尚無(wú)害；但是，氧濃度為 17％以下的空氣中含 4％二氧化碳，即可使人中毒。缺氧可造成肺水腫、腦水腫、代謝性酸 中毒、電解質(zhì)紊亂、休克、缺氧性腦病等。 二、 溫室效應(yīng) ： 溫室效應(yīng)主要是由于現(xiàn)代化工業(yè)社會(huì)過(guò)多燃燒煤炭、石油和天然氣，這些燃料燃燒后放出大量的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入大氣造成的。二氧化碳?xì)怏w具有吸熱和隔熱的功能。因此，二氧化碳也被稱(chēng)為溫室氣體。 它會(huì)帶來(lái)以下列幾種嚴(yán)重后果： 1) 地球上的病蟲(chóng)害增加； 2) 海平面上升； 3) 氣候反常，海洋風(fēng)暴增多； 4) 土地干旱，沙漠化面積增大。 科學(xué)家預(yù)測(cè)：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到 2050 年全球溫度將上升 2－ 4 攝氏度，南北極地冰山將大幅度融化，導(dǎo)致海平 面大大上升，一些島嶼國(guó)家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個(gè)著名的國(guó)際大城市：紐約，上海，東京和悉尼。第一章 引言 3 二氧化碳的排放 國(guó)際能源署 2020年的報(bào)告給出了近年來(lái)二氧化碳排放情況，并預(yù)計(jì)其發(fā)展趨勢(shì)，見(jiàn)圖 [2] 圖 部分國(guó)家二氧化碳的排放情況 由圖 ：世界二氧化碳排放量在 2020年后將會(huì)以更快的速度增長(zhǎng)，尤以美國(guó)和我國(guó)最為明顯。美國(guó)的 CO2 排放量占排行榜首位，中國(guó)的排放量居世界第二位。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源消耗和二氧化碳排放量將更加快速的增長(zhǎng)。 2020 年我國(guó)的 CO2 排放 占全世界的 12%， 2025 年將增至 17%，這樣勢(shì)必會(huì)給我國(guó)乃至全球帶來(lái)更加嚴(yán)重的氣候和生態(tài)負(fù)面效應(yīng)，因此必須采取有效措施控制 CO2 的排放，減緩“溫室效應(yīng)”的加劇。 火電廠是 CO2 的集中排放源 [3]，其 CO2 排放量約占人類(lèi)活動(dòng)引起的 CO2 總排放量的 30%。電廠排放的 CO2 量是巨大的，一個(gè) 600MW 的電廠每小時(shí)排放的 CO量可達(dá) 500t。因此，為了實(shí)現(xiàn) CO2 的減排，首先考慮的措施就是對(duì)現(xiàn)有電廠采取措施，對(duì)其排放的煙道氣中的 CO2 進(jìn)行分離、回收。研究經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、易于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的分離回收和固定 CO2 的技術(shù)，具有十分 重大的意義。第一章 引言 4 二氧化碳的作用 隨著人們對(duì)資源短缺、溫室效應(yīng)問(wèn)題的重視，作為廢氣排放的 CO2，其回收、固定、利用及再生資源化問(wèn)題引起世界各國(guó)特別是排放量較大的工業(yè)國(guó)家的普遍關(guān)注，有關(guān) CO2的應(yīng)用及研究也不斷深入。 隨著人們對(duì) CO2性質(zhì)的深入了解， CO2的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到了食品業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、商業(yè)、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)部門(mén)。此外， CO2還廣泛應(yīng)用于煙草制造、食品加工等行業(yè)。見(jiàn)表 。除常見(jiàn)的應(yīng)用途徑外，長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所和蒙西公司研究 CO2基聚合物制可降解塑料技術(shù)獲得專(zhuān)利，取代傳統(tǒng)的填充型淀粉塑料，制成了真正 意義上的可降解塑料 [4]，開(kāi)辟了廣闊的市場(chǎng)。 表 二氧化碳的應(yīng)用途徑 第一章 引言 5 各種脫 CO2的方法 CO2 捕獲技術(shù)從分離作用在燃燒的不同階段可分為四類(lèi)如圖 ，即：燃燒前脫碳、燃燒后脫碳、純氧燃燒技術(shù)以及化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。 圖 火電廠煙道氣二氧化碳捕獲的三大主要方式 燃燒前脫碳技術(shù)第一章 引言 6 在碳基燃料燃燒前 [5]，首先將其化學(xué)能從碳轉(zhuǎn)移到其它物質(zhì)中，然后再將其進(jìn)行分離， IGCC 就是最典型的可以進(jìn)行燃燒前脫碳的系統(tǒng)。美國(guó)的未來(lái)電力、中國(guó)的綠色煤電、日本的鷹計(jì)劃以及澳大利亞的零排放發(fā)電 等技術(shù)均計(jì)劃采用IGCC 作為基礎(chǔ)，進(jìn)行燃燒前的脫碳。 純氧燃燒技術(shù) 針對(duì)燃煤電廠特點(diǎn)所發(fā)展起來(lái)的 CO2 減排技術(shù)是 O2/CO2 循環(huán)燃燒技術(shù) [68]，如圖 所示。該技術(shù)是利用空分系統(tǒng)獲得富氧或純氧，然后燃料與氧氣共同進(jìn)入專(zhuān)門(mén)的純氧燃燒爐進(jìn)行燃燒。瑞典能源集團(tuán) Vattenfall 正在建設(shè)世界上第一臺(tái)使用 O2/CO2 循環(huán)燃燒技術(shù)的燃煤示范電廠，該電廠 2020 年投入運(yùn)行。 圖 O2/CO2 循環(huán)燃燒方式示意圖 化學(xué)鏈燃燒技術(shù) 化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是通過(guò)金屬氧化物，使燃料與空氣不直接接觸， CO2 產(chǎn)生 在專(zhuān)門(mén)的反應(yīng)器中，從而避免了空氣對(duì) CO2 的稀釋。 Lyngfelt[9]等設(shè)計(jì)了循環(huán)流化床應(yīng)用化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的試驗(yàn)裝置。 Eva Johansson[10]等對(duì)循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用化學(xué)鏈燃燒技術(shù)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。日本、瑞典及美國(guó)等國(guó)都進(jìn)行了大量的金屬選擇試驗(yàn)研究。 燃燒后脫碳技術(shù) 燃燒后脫碳可以分為化學(xué)吸收法、物理吸收法、吸附法、膜分離法、低溫分離法等幾大類(lèi)。第一章 引言 7 Aspen plus 簡(jiǎn)介及應(yīng)用實(shí)例 Aspen plus簡(jiǎn)介 Aspen Plus[11]是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng) 濟(jì)評(píng)價(jià)的大型化工流程擬軟件。它是由美國(guó)麻省理工學(xué)院（ MIT）化學(xué)工程系 1976 年開(kāi)始開(kāi)發(fā)，并于 1981 年正式公開(kāi)發(fā)行 Aspen Plus。此后， Aspen Plus 不斷有所發(fā)展，被公認(rèn)為是新一代的化工過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)。 Aspen Plus 具有完備的物性數(shù)據(jù)庫(kù) 豐富的 基本物性參數(shù) ， 是唯一獲準(zhǔn)與DECHEMA 數(shù)據(jù)庫(kù)接口的軟件。該數(shù)據(jù)庫(kù)收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)，共計(jì)二十五萬(wàn)多套數(shù)據(jù)。用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與 Aspen Plus 系統(tǒng)連接 [12]。 利用 Aspen Plus，公司可以設(shè)計(jì)、 模擬、瓶頸診斷和管理有效益的生產(chǎn)裝置。Aspen Plus 提供了單元操作模型到裝置流程模擬 [13]。這些模型的可靠性和增強(qiáng)功能已經(jīng)經(jīng)過(guò) 20 多年經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證和數(shù)以百萬(wàn)計(jì)例子的證實(shí)。 為我們的設(shè)計(jì)工作和實(shí)際生產(chǎn)積累了寶貴的數(shù)據(jù)和成功經(jīng)驗(yàn)。 Aspen Plus軟件的應(yīng)用實(shí)例 運(yùn)用 Aspen Plus 流程模擬軟件，通過(guò)模擬計(jì)算及優(yōu)化，得出最佳的分離流程及操作條件的方法已得到國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)專(zhuān)家的認(rèn)可與信任。 石油化工科學(xué)研究院的李明，齊艷華，周詳和中國(guó)石化天津分公司煉油部的侯延軍把 Aspen Plus應(yīng)用于 常減壓蒸餾裝置中，利用 Aspen Plus軟件．依照生產(chǎn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)流程建立了中國(guó)石化天津分公司的 2． 5M噸 ／ a常減壓蒸餾裝置的模型，基于此模型提出了提高拔出率和增產(chǎn)柴油的優(yōu)化方案，可取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。常減壓蒸餾裝置是原油加工的第一道工序，一方面直接提供部分油品，另一方面為一系列二次石油煉制工藝過(guò)程提供原料，用來(lái)生產(chǎn)多種石油化工基本原料口，其操作的好壞對(duì)石化企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有直接的影響。利用流程模擬技術(shù)建立裝置模型，并以此來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)操作，進(jìn)行多方案對(duì)比找出裝置的最佳操作工況，提高經(jīng)濟(jì)效益，可更加快捷 和準(zhǔn)確。 初餾塔和常壓塔塔內(nèi)汽液相連續(xù)．模擬時(shí)選用 Aspen Plus 的原油 PetroFrae模塊。減壓塔的側(cè)線抽出產(chǎn)品全部供給催化 ,裂化或加氫裂化裝置，與常規(guī)精餾第一章 引言 9 塔相比，有產(chǎn)品質(zhì)量控制粗獷、產(chǎn)品間無(wú)嚴(yán)格分離要求、塔內(nèi)氣相連續(xù)、液相不連續(xù)和內(nèi)回流量少的特點(diǎn)，直接使用 PetroFrae模擬有很大的誤差。針對(duì)減壓塔的工藝特征，汪學(xué)軍等提出把干式減壓塔作為一個(gè)閃蒸過(guò)程與多個(gè)復(fù)雜吸收過(guò)程的串聯(lián)，但基于此方案