【正文】 陜西理工學院畢業(yè)設計 年產(chǎn)30萬噸合成氨脫碳工段工藝設計[摘要]脫碳工段是合成氨工程中必不可少的工段之一，二氧化碳吸收塔和溶液再生塔是脫碳過程中不可缺少的塔設備。本文權衡眾多合成氨脫碳方法之利弊，最終選擇碳酸丙烯酯脫碳法。首先進行工藝流程分析并根據(jù)工藝參數(shù)及有關標準進行二氧化碳吸收塔和解析塔內(nèi)的物、熱量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生塔等設備利用物理吸收機理、傳質傳熱方程、溶液物性數(shù)據(jù)等方面的知識進行塔體的總體結構設計和計算，塔高為27m，塔高29m；然后對二氧化碳吸收和解吸塔進行了必要的強度校核；最后對脫碳工段車間結構布置進行合理的設計。本設計作為理論上的準備工作，為分析工藝流程、設備設計上存在的問題、確定問題的根源、提出解決問題的合理方案準備了充分的理論依據(jù)。[關鍵詞] 碳酸丙烯酯法；脫碳工藝；工程設計The Design of the Decarbonization Section in the Production of the 40 thousand tons Synthetic Ammonia per yearAbstract: Decarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the Synthetic Ammonia, and the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are indispensable tower equipment in the Synthetic Ammonia. This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarbonization are selected finally. The technological process was analyzed, and the material and heat was balanced according to parameters and relevant standards firstly. The tower body general structure was designed calculation by using physical absorption Mechanism, mass transfer and heat transfer equation, solution physical data stc diameter of absorption tower is , the height of tower is 27m, diameter of desorption tower is , the height of tower is 29m, which were designed., And then the strength of the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are checked. The decarbonizing section structural arrangement was reasonable design finally. As the theoretical preparation work, this designing prepare sufficient theoretical basis for people to analysis the problems of technological process, equipment design, determined root of problems, posing reasonable plan to solve problems.Keywords: Decarbonization process。 Carbon dioxide removal with PC method。 Proeess designI陜西理工學院畢業(yè)設計 目錄 1 緒 論 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 5 5（PC）法脫碳工藝基本原理 5 5 5 5 5 6 PC法脫碳技術發(fā)展趨勢 6 72 全廠總平面的布置和設計 8 8 8 8 8 83 吸收塔和解吸塔的物料衡算和熱量衡算 10 10 PC的密度與溫度的關系 10 PC的蒸汽壓 11 PC的黏度 11 11 11 溶劑夾帶量 11 溶液帶出的氣量 11 11 12 12 12 12 12 12 12 13 CO2的溶解熱 13 134 吸收塔和解吸塔的結構設計 14 14 14 14 14 14 14 15 15 15 氣相傳質單元數(shù)的計算 16 氣相總傳質單元高度 16 20 20 21 22 22 22 22 22 22 22 23 23 23 23 24 24 24 24 25 25 29 29 29 30 31 315 塔內(nèi)件機械強度設計及校核 32 32 32 32 33 34 36 36 37 39 39 40 40 40 41 41 42 44 45 45 47 486 輔助設備設計與選取 49 49 49 50 50 50 50 50主要符號說明 51參考文獻 52附圖 53致謝 54陜西理工學院畢業(yè)設計1 緒 論1898年，（又稱石灰氮），進一步與過熱水蒸氣反應即可獲得氨： CaCN2＋3H2O（g）→2NH3（g）＋CaCO3在合成氨工業(yè)化生產(chǎn)的歷史中，合成氨的生產(chǎn)規(guī)模（以合成塔單塔能力為依據(jù)）隨著機械、設備、儀表、催化劑等相關產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展而有了極大提高。50年代以前，最大能力為200噸/日，60年代初為400噸/日，美國于1963年和1966年分別出現(xiàn)第一個600t/d和1000t/d的單系列合成氨裝置，在6070年代出現(xiàn)15003000t/d規(guī)模的合成氨。世界上85%的合成氨用做生產(chǎn)化肥，世界上99%的氮肥生產(chǎn)是以合成氨為原料。雖然全球一體化的發(fā)展減少了用戶的選擇范圍，但市場的穩(wěn)定性卻相應地增加了，世界化肥生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是越來越集中到那些原料豐富且價格便宜的地區(qū)，中國西北部有蘊藏豐富的煤炭資源，為發(fā)展合成氨工業(yè)提供了極其便利的條件。我國是一個人口大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用，而農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開化肥。氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要量最大的化肥之一，合成氨則是氮肥的主要來源，因而合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有極為重要的位置。 我國合成氨工業(yè)始于20世紀30年代，經(jīng)過多年的努力，我國的合成氨工業(yè)得到很大的發(fā)展，建國以來合成氨工業(yè)發(fā)展十分迅速，從六十年代末、七十年代初至今，我國陸續(xù)引進了三十多套現(xiàn)代化大型合成氨裝置，已形成我國特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。目前我國合成氨產(chǎn)能和產(chǎn)量己躍居世界前列。但是，由于在我國合成氨工業(yè)中，中小型裝置多，技術基礎薄弱，國產(chǎn)化水平低，遠遠不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的迫切需要，因此，開發(fā)新技術的同時利用計算機數(shù)學模型來提高設汁、生產(chǎn)、操作和管理等的核算能力，促進設計、管理和生產(chǎn)操作的優(yōu)化，從而推動合成氨工業(yè)發(fā)展，提升整體技術水平，己成為國內(nèi)當前化學工程科研、工程設計的重要課題。我國的合成氨原料主要集中在重油，天然氣和煤，到目前為止，中國化肥產(chǎn)量己居世界第一位。但人均耕地面積只有世界平均水平的47%，而人口在本世紀中葉將達到約16億，糧食始終是至關重要的問題?；蕦r(nóng)作物的增產(chǎn)作用己為大家所公認，中國施肥水平還有很大的提高空間，尤其是中西部市場。與國外比較，我國氮肥行業(yè)主要存在一些比較嚴重的問題，集中表現(xiàn)為裝置規(guī)模小，因而有效生產(chǎn)能力不足，致使行業(yè)整體竟爭能力差。進入WTO后，氮肥行業(yè)這種結構性矛盾日趨顯著，成為影響行業(yè)發(fā)展的一個主要因素。對原有合成氨裝置進行改擴建，利用國家對農(nóng)業(yè)的傾斜政策，節(jié)能技術改造見效快、可很快提高企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，改擴建改造會給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。原料路線的變化方向。從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的10倍，自從70年代中東石油漲價后，從煤制氨路線重新受到重視，但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故，預計到20世紀末，世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。節(jié)能和降耗。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術改進重點放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等?，F(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種。與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點。合成氨是一個傳統(tǒng)的化學工業(yè)，誕生于二十世紀初。就世界范圍來說，氨是最基本的化工產(chǎn)品之一，其主要用于制造硝酸和化學肥料等。合成氨的生產(chǎn)過程一般包括三個主要步驟: （l）造氣，即制造含有氫和氮的合成氨原料氣，也稱合成氣；（2）凈化，對合成氣進行凈化處理，以除去其中氫和氮之外的雜質；（3）壓縮和合成，將凈化后的氫、氮混合氣體壓縮到高壓，并在催化劑和高溫條件下反應合成為氨。其生產(chǎn)工藝流程包括：脫硫、轉化、變換、脫碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及輸人氨庫和氨吸收八個工序[1]。在合成氨生產(chǎn)過程中，脫除CO2是一個比較重要的工序之一，其能耗約占氨廠總能耗的10%左右。因此，脫除CO2，工藝的能耗高低，對氨廠總能耗的影響很大，國外一些較為先進的合成氨工藝流程，均選用了低能耗脫碳工藝。我國合成氨工藝能耗較高，脫碳工藝技術也顯得比較落后，因此，結合具體情況，推廣應用低能耗的脫除CO2工藝，非常有必要。在最終產(chǎn)品為尿素的合成氨中，脫碳單元處于承前啟后的關鍵位置，其作用既是凈化合成氣，又是回收高純度的尿素原料CO2。以滬天化1000t/d合成氨裝置脫碳單元為例，%以下，以避免甲烷化系統(tǒng)超溫并產(chǎn)生增加能耗的的合成惰氣，同時將吸收的CO2再生為99%純度的產(chǎn)品CO2。在此過程中吸收塔壓降還應維持在合理范圍內(nèi)以降低合成氣壓縮機的功耗。系統(tǒng)的擴能改造工程中，脫碳單元將為系統(tǒng)瓶頸，脫碳運行的好壞，直接關系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置的能力，必須同步進行擴能改造。但是不論用什么原料及方法造氣，經(jīng)變換后的合成氣中都含有大量的CO2，原料中烴的分子量越大，合成氣中CO2就越多。用天然氣（甲烷)為原料的烴類蒸汽轉化法所得的CO2量較少，合成氣中CO2濃度在1520%。這些CO2如果不在合成工序之前除凈，不僅耗費氣體壓縮功，空占設備體積，而且對后續(xù)工序有害。此外，CO2還是重要的化工原料，如合成尿素就需以CO2為主要原料。因此合成氨生產(chǎn)中把脫除工藝氣中CO2的過程稱為“脫碳”，在合成氨尿素聯(lián)產(chǎn)的化肥裝置中，它兼有凈化氣體和回收純凈CO2的兩個目的。由變換工序來的低變氣進脫碳系統(tǒng)的吸收塔，經(jīng)物理吸收或者化學吸收法吸收二氧化碳。%。為了防止氣體夾帶出脫碳液，脫碳后的液體進人洗滌塔，用軟水洗去液沫后再進入甲烷化換熱器。脫碳塔出來的富液經(jīng)換熱器后，減壓送至二氧化碳再生塔，用蒸汽加熱再沸器，再脫去二氧化碳。由再生塔頂出來的CO2，經(jīng)空冷器和水冷器，氣體溫度降至40℃，再經(jīng)二氧化碳分離器除去冷凝水，送到尿素車間作原料。再生后的脫碳液（貧液），先進溶液空冷器，冷卻至65℃左右，由溶液循環(huán)泵加壓，再經(jīng)溶液水冷器冷卻至40℃后，送入二氧化碳吸收塔循環(huán)使用。在合成氨的整個系統(tǒng)中，脫碳單元將為系統(tǒng)關鍵主項，脫碳工序運行的好壞，直接關系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置和尿素裝置的能力。CO2是一種酸性氣體，對合成氨合成氣中CO2的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。根據(jù)CO2與溶劑結合的方式，脫除CO2的方法有化學吸收法、物理吸收法和物理化學吸收法三大類?；瘜W吸收法即利用CO2是酸性氣體的特點，采用含有化學活性物質的溶液對合成氣進行洗滌，CO2與之反應生成介穩(wěn)化合物或者加合物，然后在減壓條件下通過加熱使生成物分解并釋放CO2，解吸后的溶液循環(huán)使用?；瘜W吸收法脫碳工藝中，有兩類溶劑占主導地位，即烷鏈醇胺和碳酸鉀?；瘜W吸收法常用于CO2分壓較低的原料氣處理。(l)烷鏈醇胺類的脫碳工藝有：①乙醇胺(monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，MEA)法；②甲基二乙醇胺（methyl diethanolamine，CH3N(CH2CH2OH)2，MDEA）法；③活化MDEA法（即aMDEA工藝）。（2）碳酸鉀溶液作吸收劑的脫碳工藝，即熱鉀堿脫碳工藝有：①無毒GV法；②苯菲爾法；③催化熱鉀堿（Cata carb）法；④Flexsorb法[2]。MEA法是一種比較老的脫碳方法。吸收