【正文】 平頂山工學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 4 萬(wàn) m3/h 合成氨原料氣脫碳工藝設(shè)計(jì) 一 總論 概述 碳酸丙烯酯脫碳脫碳一般是由吸收、閃蒸、氣提和氣相中帶出的溶劑回收等部分組成。用碳酸丙烯酯脫除變換氣中二氧化碳，合成氨廠都是采用一次吸收就可以滿足工藝要求，吸收過程簡(jiǎn)單，而溶劑再生過程則較為復(fù)雜一些，在設(shè)計(jì)中不做討論。碳酸丙烯酯脫碳受氣體溶解熱、溫度、二氧化碳濃度、操作壓力和汽液比的影響較大，其中氣體溶解度對(duì)碳酸丙烯酯脫碳的影響，從理論上講只是局部的，即在吸收過程中，由于原料氣中二氧化碳、硫化氫等酸性氣體溶解于溶劑中并釋放出溶解熱使溶劑溫度升 高。但在溶劑再生時(shí)，由于溶解的二氧化碳、硫化氫等酸性氣體幾乎會(huì)全部釋放出來(lái)，此時(shí)由于解吸吸熱，又會(huì)使溶劑溫度回跌。這樣吸收升溫和解吸降溫基本上可以抵消。雖然氣體的溶解或解吸效應(yīng)并不影響溶劑的最終溫度，但是它們對(duì)不同過程中的溶劑溫度還是有影響的。溫度對(duì)脫碳的影響是十分明顯的，在合成氨生產(chǎn)中，降低脫碳工序的操作溫度，無(wú)疑對(duì)脫除變換氣中的二氧化碳有利，這是因?yàn)?，降低溫度，使希望脫除的二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度增加，而作為合成氨原料氣的氫、氮?dú)獾娜芙舛冉档停浣Y(jié)果是減少了溶劑的循環(huán)量和減少了氫、氮?dú)獾膿p失，提高 了經(jīng)濟(jì)效益。在同樣溫度下，二氧化碳、硫化氫這些工藝氣體的溶解度隨壓力升高而增大。當(dāng)碳酸丙稀酯濃度一定，二氧化碳溶解度還與氣相中二氧化碳含量有關(guān)，當(dāng)氣相中二氧化碳含量逐漸增大，則它在碳酸丙烯酯中的溶解度也逐漸升高。這說(shuō)明純態(tài)下的二氧化碳?xì)怏w將大于混合氣體中的二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度。吸收氣液比對(duì)工藝過程的影響主要表現(xiàn)在工藝的經(jīng)濟(jì)性和氣體的凈化質(zhì)量。若氣液比增大，意味著在處理一定量的原料氣量時(shí)，所需的溶劑量就可以減少，在要求達(dá)到一定凈化度時(shí)，吸收氣液比大，則相應(yīng)的降低了吸收推動(dòng)力，在單位時(shí)間內(nèi)吸收同樣的二氧化碳就需要增大脫碳塔設(shè)計(jì)容量，從而增大了塔的造價(jià)。對(duì)于一定的脫碳塔，吸收氣液比增大后，凈化氣中二氧化碳含量增大，影響凈化氣的質(zhì)量。所以在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)凈化氣中二氧化碳含量要求，調(diào)節(jié)吸收氣液比至適宜值。 文獻(xiàn)綜述 平頂山工學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 碳酸丙烯酯法脫碳工藝自 60 年代開發(fā)以來(lái)，由于能同時(shí)脫除二氧化碳、硫化 氫及有機(jī)硫化物，加之再生能耗等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外的天然氣、合成氣和制氫工業(yè)上，已廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，最先是在小型合成氨裝置中用以代替加壓水洗，對(duì)老合成氨廠水洗工藝進(jìn)行改造，使脫碳能耗降低。近幾年來(lái)，在我國(guó)年產(chǎn) 4 萬(wàn)噸小尿素、小純堿裝置的合 成氨配套工程中，用碳酸丙烯酯法脫出變換氣中二氧化碳，得到了良好的效果：工程投資省、工藝流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、溶劑無(wú)毒害、濃溶劑對(duì)碳鋼無(wú)腐蝕、再生不耗熱、回收的二氧化碳濃度高，回收率可以滿足尿素及純堿生產(chǎn)的需要等優(yōu)點(diǎn)，因而得到推廣。 實(shí)際上，碳酸丙烯酯法有其一定的適用范圍，適合于氣體中 CO2 分壓 ，溫度較低的條件下，同時(shí)對(duì)氣體凈化度要求不高（出口 CO21%） ,只有在此條件下使用碳酸丙烯酯法才是經(jīng)濟(jì)的。 設(shè)計(jì)依據(jù) 4 萬(wàn) m3/h 合成氨原料氣的脫碳 工藝設(shè)計(jì) 操作溫度為： 35℃ 操作壓力為： 平頂山工學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 二 工藝流程說(shuō)明 碳酸丙烯酯脫碳工藝流程一般由吸收、閃蒸、汽提（即溶劑再生）和氣相中帶出的溶劑回收等部分組成。（見下圖） 參考 [4] 凈化氣一級(jí)閃蒸氣水洗段吸收塔原料氣一級(jí)閃蒸槽碳酸丙烯酯渦輪機(jī)循環(huán)液泵排放氣水洗段風(fēng)機(jī)含油稀液處理塔水冷器少量廢水提純后的碳酸丙烯酯蒸汽冷凝水少量重雜質(zhì)提純后的PC水水水水水水水水常壓閃蒸氣提塔凈化氣旋液板碳酸丙烯酯法脫二氧化碳工藝流程圖 吸收過程：由氮?dú)鋲嚎s工段來(lái)的約 的變換氣，經(jīng)油分離器再次分離 氣體中的油沫后，從脫碳塔底部進(jìn)入，變換氣與塔中噴淋的碳酸丙烯酯液逆流接觸，變換氣中大部分的二氧化碳被碳酸丙烯酯溶液吸收，出脫碳塔的凈化氣中含CO2%.再經(jīng)碳酸丙烯酯回收器、碳酸丙烯酯分離器除去氣體中夾帶的碳酸丙烯酯霧沫后送出工段去氮?dú)錃鈮嚎s工段。 吸收了 CO2 后的碳酸丙烯酯富液從脫碳塔底引出并減壓進(jìn)入閃蒸槽，閃蒸出溶解于富液中的 H N CO 及部分 CO2 氣體。閃蒸氣經(jīng)碳酸丙烯酯捕集器除去氣體中夾帶的碳酸丙烯酯霧沫后送往氮?dú)錃鈮嚎s工段予以回收，閃蒸后的碳酸丙烯酯富液進(jìn)入常解再生塔上段常解塔進(jìn)行二氧化碳解析。出塔常解氣含CO298%由汽提鼓風(fēng)機(jī)補(bǔ)入防腐空氣后常解氣含 CO2%(干基 CO2 氣體含氧量為 ～ %)，再經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)加壓后，送至 洗滌塔上洗去氣體中夾帶的碳酸平頂山工學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 丙烯酯霧沫后送往尿素裝置的 CO2 壓縮工段。 常解后的碳酸丙烯酯溶液溢流進(jìn)入常解再生塔下塔頂部與汽提鼓風(fēng)機(jī)送入塔內(nèi)的空氣逆流接觸，進(jìn)一步氣提出殘留于富液的二氧化碳。汽提氣經(jīng)洗滌塔下塔去氣體中的碳酸丙烯酯霧沫后放空。出常解再生塔的碳酸丙烯酯貧液至中間貯槽再經(jīng)脫碳泵加壓到約 ,經(jīng)溶劑冷卻器冷至 35℃ 送入脫碳循環(huán)使用。 閃蒸是在低于吸收操作壓力下使溶于溶劑中的氣體解吸出來(lái)的過程。是物理溶劑再生方法中最常用的方法。閃蒸的另一目的是為了回收溶于溶劑中的某些氣體組分，如：氫氣、甲烷等 。由于各種氣體組分在碳酸丙烯酯中具有不同的溶解度和平衡規(guī)律，因此可以通過控制閃蒸壓力來(lái)控制閃蒸氣中各組分的比例及各組分的解吸量。一般情況下，難溶氣體易于閃蒸解吸。根據(jù)這個(gè)原理，可通過一至幾級(jí)不同壓力等級(jí)的減壓，使溶于溶劑中的不同氣體組分在解吸時(shí)得到相對(duì)是分離和提純，這樣，工業(yè)上就可以按要求分別回收到各種氣體組分。閃蒸級(jí)數(shù)的確定往往與回收氣體的種類、數(shù)量和純度有關(guān)，每一級(jí)的閃蒸壓力都不同。從吸收塔富液的第一級(jí)閃蒸到壓力遞減到常壓。各級(jí)閃蒸壓力在確定后，如果溶劑在該閃蒸氣中有充足的停留時(shí)間，那么溶于該溶劑中的各 種氣體組分將充分解吸，直接趨近于這些氣體在該溫度、該組分氣相分壓時(shí)的平衡溶解度。如在合成氨變換氣的脫碳工藝上，往往設(shè)置二級(jí)至三級(jí)減壓閃蒸。第一級(jí)減壓閃蒸（如 ）是為了回收溶于溶劑中的氫氣和氮?dú)猓诙?jí)減壓閃蒸（如常壓）是為了回收二氧化碳，同時(shí)使溶劑中的酸氣（二氧化碳）等濃度降低，以達(dá)到再生溶劑的目的。當(dāng)原料氣中二氧化碳分壓為 左右時(shí)，經(jīng)溶劑吸收，再通過減壓閃蒸（包括常壓閃蒸），一般可將二氧化碳吸收量的 75%左右解吸出去，剩余的 25%左右將從汽提塔中吹出。如生產(chǎn)上需要多回收一些高純度的二 氧化碳?xì)怏w?？稍诔洪W蒸后再增設(shè)真空閃蒸。 吸收過程和溶劑再生過程是碳酸丙烯酯脫碳脫硫工藝中最基本的兩個(gè)環(huán)節(jié)。 碳酸丙烯酯溶液的再生原理：當(dāng)二氧化碳分壓在 以下時(shí)，碳酸丙烯酯吸收二氧化碳基本上符合亨利定律：222 COCOCO PHC ??,提高吸收壓力，平衡溶解度增加，對(duì)原料氣凈化有利。與吸收過程相反，降低壓力可使溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳?xì)怏w解吸出來(lái)，溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳等氣體的解吸過程即稱為碳酸丙烯酯富液的再生。在低于吸收操作壓力下時(shí)溶于溶劑中的氣體解吸出來(lái)時(shí)物理溶劑再 生中最常用的方法。再生度是指碳酸丙烯酯富液經(jīng)再生后，殘留在溶劑中的二氧化碳的含量，含量越低，則再生度越高。常壓閃蒸后的溶劑再經(jīng)平頂山工學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 過汽提的再生工藝，是目前碳酸丙烯酯脫碳工藝中采用最普遍的一種。我國(guó)合成氨廠配尿素、純堿的脫碳工藝基本上如此。汽提所用的惰性氣體為空氣。為了保證吸收工序后凈化氣中二氧化碳含量在 2%左右。所以溶劑的再生度要求較高。脫碳過程中的能量回收：在碳酸丙烯酯脫碳過程中，有汽液料的升壓和降壓過程，為了合理采用工藝本身的能量再流程圖上，應(yīng)考慮相應(yīng)的能量回收裝置。 真空再生：常壓解吸 — 空氣汽提碳酸丙烯酯 溶劑再生工藝存在著一些缺點(diǎn)，由于碳酸丙烯酯富液中殘留的二氧化碳等氣體靠大量空氣汽提趕走，因而給生產(chǎn)過程帶來(lái)許多副作用： 其一 采用常解壓空氣汽提再生工藝，二氧化碳的回收率不高，一般為 70%左右； 其二 空氣汽提的氣量一般為碳酸丙烯酯富液的 6～ 10 倍，大量空氣帶走碳酸丙烯酯霧沫，造成溶劑的訊號(hào)增加、損耗增加，其損耗量約占整個(gè)碳酸丙烯酯溶液損耗的一半，從而增加了運(yùn)行費(fèi)用； 其三 由于采用空氣汽提，碳酸丙烯酯貧液中溶解的氧使吸收后的凈化氣中氧含量增加，經(jīng)分析為 %～ %，影響了后工序銅洗操作，使銅比下降， 銅液循環(huán)量比生產(chǎn)碳銨時(shí)增加近 20%； 其四 小合成氨廠變換氣中硫化氫的含量一般在 80～ 150mg/m3(標(biāo) )，在脫碳時(shí)這些硫化氫也被吸收，經(jīng)空氣汽提時(shí)，便以單質(zhì)硫析出，造成堵塞管道和填料，影響工藝操作的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)不得不停車進(jìn)行清理。 另外，由于空氣中含有水分，尤其是相對(duì)濕度較大的地區(qū)，容易造成系統(tǒng)中水不平衡，使碳酸丙烯酯濃度降低，吸收能力下降，由于溶劑中水分含量增加，還易造成對(duì)設(shè)備的腐蝕等。 針對(duì)以上情況，為提高脫碳裝置二氧化碳回收率，減少碳酸丙烯酯損失，防止因空氣吹入而帶來(lái)了硫化氫氧化副反應(yīng)的發(fā)生， 減少腐蝕、堵塞、降解等不良作用，以常壓 — 真空解吸的碳酸丙烯酯再生方法代替解吸 — 空氣汽提再生方法使必要的 。 真空再生主要設(shè)備為真空再生塔。再生再生塔內(nèi)的真空度由外接真空裝置調(diào)節(jié)。當(dāng)溶劑溫度一定時(shí)，真空度越大，從溶劑中解吸出來(lái)的二氧化碳等氣體量也越多，溶劑再生越完全。此時(shí)解吸出來(lái)的二氧化碳?xì)饬靠山频匕炊趸荚谔妓岜ブ邢嗥胶馐竭M(jìn)行計(jì)算。 再生塔是溶解氣體從溶劑中解吸出來(lái)的裝置，根據(jù)工藝流程的需要，選擇不同的塔型，在采用常解壓汽提再生流程時(shí)，再生塔常解部分時(shí)淋降板式塔，汽提平頂山工學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 部分采用填料塔，而真空再生流程則全 部為淋降板式塔型，采用淋降板式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于增加解吸表面積，利于溶劑中溶解氣體解析完全。液體從上一層塔盤的中心降液管下來(lái)，由邊緣降液管流下，再下一層塔盤上，再轉(zhuǎn)為中心管降液，液體在各層塔盤上依次做離心或向心的徑向運(yùn)動(dòng)。塔盤設(shè)有不同高度的溢流堰，以減少每段行程長(zhǎng)度，降低每段行程的液面落差。 汽提塔的作用是，以惰性氣體吹洗溶劑，使溶劑中殘留二氧化碳、硫化氫等酸性氣體的含量得到進(jìn)一步降低。汽提過程實(shí)際上是吸收的逆過程。因此，可在一只氣液逆流接觸的塔式設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。工業(yè)上大多采用填料塔。與吸收塔的氣液物料濃、稀端正好相 反，在汽提塔的操作過程中，氣液濃端均在塔上部，而氣液物料的稀端都在塔下部。 隨工藝氣體帶出的溶劑出了以霧沫（氣體中的霧沫一般是指直徑在 50 m? 以上的液滴，它可以通過網(wǎng)除霧器等簡(jiǎn)單的裝置將這些液滴從氣體中捕集下來(lái)）形式帶出以外，另一種形式是溶劑蒸汽。這部分溶劑蒸汽在通過絲網(wǎng)除霧器時(shí)并不能捕集回收下來(lái)。因此需要在工藝上另行考慮回收裝置。目前，工業(yè)上回收氣流中溶劑蒸氣的方法，主要采用水洗滌法，該法使含有溶劑蒸氣的氣體通過水洗滌塔，使溶劑蒸氣溶解于水中成為稀的碳酸丙烯酯水溶 液，生產(chǎn)上俗稱為稀液。該法因基于水和碳酸丙烯酯的部分互溶性。