【正文】 者：日期：《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì) ——年產(chǎn)4萬(wàn)噸合成氨脫硫脫碳工段的工藝設(shè)計(jì) 院 系： 專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝 班 級(jí)： 姓 名： 組員姓名 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師目錄第一章 緒論 3 合成氨工業(yè)狀況 3 3 我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況 3 4 合成氨生產(chǎn)的典型流程 4第二章 脫硫脫碳方法及工藝的選擇 6 6 化學(xué)吸收法 6 物理吸收法 7 物理化學(xué)吸收法 7 低溫甲醇洗脫硫脫碳 7 7 低溫甲醇洗工藝及原理介紹 8第三章 低溫甲醇洗流程模擬 15 模擬過(guò)程簡(jiǎn)介 15 流程設(shè)計(jì) 15 16 工藝流程圖 16 Aspen Plus 模擬 16 16 解析塔模擬 20第四章 物料衡算及熱量衡算 23 23 物料衡算 23 23 24 物料衡算 24 30 30 熱量衡算的原則 30 30第五章 林德低溫甲醇洗PFD圖 35第六章 參考文獻(xiàn) 35第一章 緒論 合成氨工業(yè)狀況。 我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展情況目前我國(guó)合成氨產(chǎn)能和產(chǎn)量己躍居世界前列?；蕦?duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)作用己為大家所公認(rèn)，中國(guó)施肥水平還有很大的提高空間，尤其是中西部市場(chǎng)。原料路線的變化方向。現(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。中國(guó)開(kāi)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(guó)、意大利等國(guó)開(kāi)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(diǎn)。這樣氨合成生產(chǎn)的原料氣過(guò)程就包括下述主要步驟。二是凈化：采用適當(dāng)?shù)姆椒ǔピ蠚庵袣洹⒌酝獾碾s質(zhì)。下面從合成原料氣的三個(gè)步驟詳細(xì)論述：二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)了以天然氣、石油重油、石腦油等新的造氣原料。（2）凈化粗合成氣：主要是對(duì)合成氣中的硫化物、碳的氧化物等有害雜質(zhì)進(jìn)行脫除的過(guò)程。脫硫的方法歸納起來(lái)分濕法和干法兩類(lèi)。脫碳是凈化合成氣的另有個(gè)重要步驟，因?yàn)槿魏畏椒ㄖ迫〉脑蠚舛己蠧O和一定量的CO2，其體積分?jǐn)?shù)一般為12%~40%。總的說(shuō)來(lái)，對(duì)于粗合成氣的凈化是系統(tǒng)而且復(fù)雜的工作，它不僅關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量，也對(duì)生產(chǎn)中能量的綜合利用，環(huán)境的保護(hù)有重要的影響。（3）氨的合成：將純凈的氫、氨混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。N2+3H2→2NH3(g)該催化劑早期制備時(shí)還加入了促進(jìn)劑。脫硫脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置的能力?；瘜W(xué)吸收法脫碳工藝中，有兩類(lèi)溶劑占主導(dǎo)地位，即烷鏈醇胺和碳酸鉀。 物理吸收法物理洗滌是CO2被溶劑吸收時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶劑減壓后釋放CO2 (不必加熱)，解吸后的溶液循環(huán)使用。物理吸收法常用于高CO2分壓的原料氣處理。該工藝以冷甲醇為吸收溶劑，利用甲醇在低溫（50℃~60℃）下對(duì)酸性氣體溶解度極大的物理特性分段選擇性地吸收原料氣中的COH2S、硫的有機(jī)物和氰化物氣體，低溫甲醇洗法屬于物理吸收法。該工藝的首次應(yīng)用是在1954年，當(dāng)時(shí)是在對(duì)煤加壓氣化后得到的粗煤氣進(jìn)行凈化的過(guò)程中應(yīng)用的。從 1954年魯奇公司在南非建成用于凈化魯奇爐制得的煤氣的工業(yè)規(guī)模示范裝置到目前，世界范圍內(nèi)已有低溫甲醇洗裝置百余套。但由于低溫甲醇洗工藝是國(guó)外的專利，如使用還需花費(fèi)高價(jià)購(gòu)買(mǎi)專利、軟件及專利設(shè)備等，我國(guó)國(guó)內(nèi)的科研人員便開(kāi)始了對(duì)低溫甲醇洗工藝的研究工作。 低溫甲醇洗工藝及原理介紹 低溫甲醇洗（Rectisol）工藝是一種采用低溫甲醇作溶劑，用來(lái)脫除 H2S、CO2等酸性氣體的氣體凈化工藝。吸收后甲醇富液的再生可以依靠閃蒸、加熱、氣提等方法解吸釋放出 COH2S氣體以回收。具有大的電子對(duì)給予體的分子叫軟堿，具有小的電子對(duì)給予體的分子叫硬堿，這就是軟硬酸堿理論。低溫甲醇洗工藝是物理吸收法，在該工藝的凈化過(guò)程中低溫甲醇和酸性氣體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸收過(guò)程中氣液平衡關(guān)系的理論基礎(chǔ)是亨利定律： P=KX在上述亨利定律表達(dá)式中， P表示操作壓力， K表示亨利系數(shù)， X表示的是溶解在溶劑中的溶質(zhì)，對(duì)于不同的溶質(zhì)、溶劑，亨利定律中的 K值也會(huì)隨之而改變。因此，應(yīng)盡量在高壓和低溫的條件下進(jìn)行吸收X值會(huì)隨著 P值的減小而減小，那么在對(duì)溶劑進(jìn)行解吸的過(guò)程中，體系的壓力越低，溫度越高就會(huì)越有利于溶質(zhì)的解吸。低溫下 H2S、COS在甲醇中的溶解度為 CO2在甲醇中的溶解度幾倍以上，這樣甲醇就能夠選擇性地從原料氣中先脫除H2S，而在甲醇再生時(shí)先解吸回收釋放CO2。因此為了保證最佳的吸收效果，需要在塔中部設(shè)置換熱器移出吸收過(guò)程中釋放的熱量，避免吸收劑溫度升高而影響凈化氣的純度。主要分為兩種類(lèi)型：魯奇的兩段吸收（兩步法）、林德的一段吸收（一步法）。一步法和兩步法的典型裝置配置如下圖22及 23所示：a. 一步法低溫甲醇洗工藝流程林德低溫甲醇洗流程簡(jiǎn)圖如下圖 24所示，該流程主要由五個(gè)塔構(gòu)成，分別是酸性氣體吸收塔C1塔、CO2解吸塔 C2塔、H2S濃縮塔 C3塔、甲醇熱再生塔 C4塔及甲醇水分離塔 C5塔。為此可以加入中間冷卻器將甲醇冷卻至40℃左右，然后再進(jìn)入 C1塔上塔中段，由于CO2溶解放熱，溶液溫度會(huì)再次升高，則再次引出甲醇溶液冷卻。將由C2塔底部出來(lái)的含硫甲醇溶液送入 C3塔中部，用 N2氣提的方法進(jìn)一步解吸CO2，提高溶液中硫化物的相對(duì)濃度。將從H2S回收塔底部出來(lái)的富含硫的甲醇溶液加熱后送入甲醇熱再生塔中進(jìn)行熱再生，用甲醇蒸汽氣提硫化物和CO2氣體。C5塔塔頂出口蒸汽經(jīng)換熱后進(jìn)行氣液分離，分離后氣相中含大量硫與 C4塔出塔氣體一起送往克勞斯硫裝置，分離后的液相中含硫，送回 C4塔頂部，蒸出硫。C1塔底出來(lái)的富甲醇溶液經(jīng)過(guò)閃蒸、加熱后送往 C3塔頂部進(jìn)行熱再生，在此吸收劑完全再生。被甲醇吸收的 H2與 CO閃蒸解吸后返回原料氣管線。魯奇兩步法先將原料氣降溫至 5℃后分離出冷凝液，然后進(jìn)入繞管式換熱器降溫，林德一步法將原料氣經(jīng)洗氨后一步冷卻，由于處理氣量較大，需采用 2臺(tái)繞管式換熱器并聯(lián)運(yùn)行。同時(shí)可減少冷量、低壓氮?dú)?、電量等的消耗，使設(shè)備布置更為緊湊，可節(jié)省占地及裝置的操作費(fèi)用。而低溫甲醇洗法幾乎能脫除所有的雜質(zhì)，例如COH2S、COS、CSRSH、C4H4S、HCN、NHNO、H2O、鐵和其他金屬的羰基化合物、磷化物以及C2以上的烴類(lèi)等。由此可見(jiàn)，吸收等量酸性氣體時(shí)，低溫甲醇的溶液循環(huán)量小，總能耗較低，并且可以減少化學(xué)法吸收再生時(shí)消耗的大量熱能，如此可以降低成本，減少投資。利用甲醇對(duì) H2S的溶解度是對(duì) CO2溶解度的6倍這個(gè)特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中能將 H2S與CO2在同一吸收塔的不同吸收段進(jìn)行吸收，并可以選擇性地從混合氣中先脫除H2S，而在甲醇再生時(shí)先解吸CO2，這樣既可以保證再生的 CO2純度能滿足尿素生產(chǎn)的要求，也可以直接將富含H2S的尾氣用以回收硫磺。而且能完全脫除 H2O、NHHCN以及 C2以上的烴類(lèi)。甲醇在低溫下的平衡蒸汽壓也很低，凈化過(guò)程中的溶劑損失較小。（8）低溫甲醇洗流程短、操作方便：低溫甲醇洗凈化度高，且具有一種溶劑可同時(shí)脫除多種雜質(zhì)的特點(diǎn)，如此可以簡(jiǎn)化工序、流程和操作。吸收劑的熱再生溫度低，能耗就低，同時(shí)會(huì)減少系統(tǒng)的冷量損失在。這些成分中除了 NH2以外，其他成分都得脫除。從凈化氣中分離出的大量CO2濃度較高，可以回收作為生產(chǎn)尿素的原料。如果凈化氣要用作合成氨的原料氣，配甲烷化要求總硫（COS+H2S）、CO220mg/m3。保護(hù)環(huán)境：由于在凈化過(guò)程中要不斷向外界排放廢氣、廢水，這些廢氣廢水的量很大，且含有污染環(huán)境的某些物質(zhì)，直接排放將會(huì)污染環(huán)境，因此必須達(dá)到環(huán)保要求再排放。 放空尾氣：幾乎無(wú)硫，主要為CO2和N2。另一段為C和D作為脫碳段， PPM, C02含量小于2%,即塔頂產(chǎn)品氣中酸性氣體的摩爾分率為被控制變量。由于中間釆出溶液需與流程中的其它物料換熱后再返回到塔里,出于換熱需要, C。物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律。衡算結(jié)果主要以質(zhì)量流率表示。表42 T0102流股信息參數(shù)T1VT3L1T2L0T2V溫度℃30壓力 bar氣相分率摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量 kg/hCOH2CH4N2CO2H2OCH3OHH2SCOS精脫碳塔T0103完成對(duì)CO2氣體的進(jìn)一步吸收，使其塔頂氣體達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)， PPM, C02含量小于2%；表43 T0103流股信息參數(shù)T2VMETHANOLT3L0CO+H2溫度℃50壓力 bar氣相分率 摩爾流量kmol/h 質(zhì)量流量 kg/h CO H2 CH4 N2 CO2 H2O CH3OH H2S COS 流經(jīng)脫硫塔和脫碳塔的甲醇匯集在碳解吸塔T0104里，通過(guò)減壓，和來(lái)自閃蒸罐的甲醇蒸汽，釋放出CO2，完成對(duì)CO2氣體的分離。表47 V0103流股信息參數(shù)T1L0BVBL溫度℃1515壓力 bar55氣相分率 摩爾流量kmo