【正文】 市場需求的變化，合成氨的產量遠比生產能力要低。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質油和煤等。 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，世界大多數合 成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。在原料方面，由單一的焦炭發(fā) 展到煤、天然氣、焦爐氣、石油煉廠氣、輕油和重油等多種原料制氫。在合成氨中，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。為了防止氣體夾帶出脫碳液，脫碳后的液體進 5 人洗滌塔，用軟水洗去液沫后再進入甲烷化換熱器。 脫碳運行的好壞，直接關系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。 CO2 是一種酸性氣體，對合成 氨合成氣中的 CO2 脫除，一般采用溶劑吸收的方法?；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。吸收過程中， MEA 與 CO2 發(fā)生反應生成碳酸化合物，經過加熱即可將 CO2 分解出來。但碳酸鉀溶液本身吸收 CO2 的速度緩慢，需要添加一些活化劑。苯菲爾法可在高溫下運行，再生熱低，添加的 V2O5 可防腐蝕，但該工藝需對設備進行釩化處理，要求工人的操作水平較高，并且浪費溶劑，能耗大，特別蒸汽用得多，有效氣體損失也大，運行成本高等缺點。物理吸收法主要有 Selxeol法、 Elour 法、變壓吸附法及低溫甲醇法等 [6]。但該法投資很大，我國鎮(zhèn)海煉化廠大化肥等四家以重油和煤為原料的合成氨裝置使用了低溫甲醇法脫除 CO2。可用此法改造小型氨廠，降低能耗，在大型氨廠使用顯得困難 [8]。其原理是利用在同樣壓力、溫度下，二 氧化碳、硫化氫等酸性氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度比氫、氮氣在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多來脫除二氧化碳和硫化氫而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是隨壓力升高和溫度的降低而增加的， CO2 等酸性氣體在碳丙溶劑中溶解量一般可用亨利定律來表達，因而在較高的壓力下，碳酸丙烯酯吸收了變換氣中的二氧化碳等酸性氣體，在較低的壓力下二氧化碳能從碳酸丙烯酯溶液中解吸出來，使碳酸丙烯酯溶液再生，重新恢復吸收二氧化碳等酸性氣體的能力。用碳丙液作為溶劑來脫除合成氨變換氣中 CO2工藝是一項比較適合我國國情的先進技術，與水洗工藝比較，除具有物理吸收過程顯著的節(jié)能效果外，在現有的脫碳方法中，由于它能同時脫除二氧化碳、硫化氫及有機硫化物，加上再生無需熱能，能耗較低等優(yōu)勢，在國外合成氨和制氫工業(yè)上已得到廣泛應用。 合成氨中脫碳方法很多，而且各有自己的利弊。 碳酸丙烯酯（ PC）法脫碳工藝基本原理 PC 法脫碳技術國內外現狀 PC 為環(huán)狀有機碳酸酯類化合物，分子 CH3CHOCO2CH2，該法在國外稱 Fluor 法?？偯撎寄芰s 300 萬噸合成氨 /年，其中配尿素型應用較多，占 60%左右，至今該法仍是聯堿、尿素、磷銨等合成氨廠使用最廣的脫碳方法，其開工裝置數為 MDEA、 NHD 法總和的數倍。因此，很快得到了推廣，并擴大了應用范圍，技術上也趨于成熟。與水洗法相比可節(jié)省電耗 150250KWh/t NH3，可節(jié)省操作費 1025 元 /t NH3。 表 幾種脫碳方法的能耗比較表 方法名稱 加壓水洗 苯菲爾法 位阻胺法 改良 MEDA法 NHD 法 PC 法 能耗 2847 35585442 33494187 1884 10471256 1256 10 第三章 生產流程的簡述 氣體流程 原料氣流程 變換氣首先進入變換氣冷卻器進行降溫，然后進入油水分離器底部洗去變換氣中的大部分油污及部分硫化物，并將氣體進一步 降 溫，同時降低變換氣中飽和水蒸汽含量。在使用上，有替代加壓水洗型、聯堿型、配尿素型、聯醇型、生產液氨型以及制氫等各類型；在凈化效率上，有的對 CO2 進行粗脫，而大部分廠家，則進行精脫；對脫碳壓力，有采用 、 、 及 等多種類型。 汽提氣由汽提塔出來后進入常解 汽提氣洗滌塔的汽提氣洗滌段，與自上而下的稀液逆流接觸，將汽提氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴和飽和汽提氣中的碳酸丙烯酯蒸氣回收下來，經洗滌后汽 提氣由塔頂放空。由洗滌塔塔底出來后經洗滌液泵加壓進入洗滌塔的上部自上而下，由洗滌段出來經過一 U 型液封管進入洗滌段繼續(xù)循環(huán)。凈化氣中 CO2 含量高，原因是多方面的如再生效果不好，系統殘?zhí)几呋蚶鋮s不好等等。由此可見，必須對這種結構徹底改造。復合溶劑法的優(yōu)點從選擇性和吸收能力分析，特別是高分壓下，選擇合適的復合溶劑，優(yōu)于純溶劑，顯著地提高了溶劑的吸收能力；另一方面明顯地降低了能耗。為了在較低操作壓力下獲得需要的氣體凈化度、降低溶劑循環(huán)量、節(jié)省動力消耗、降低溶劑蒸發(fā)損失，吸收操作可在低于常溫條件下進行，即低溫碳酸丙烯酯脫 碳技術。 計算基準： 依照：年工作日以 330d，每天以 24h 連續(xù)運行計，有 33024=7920h，此處按 8000h算。 表 變換氣各組分體積分數及組分分壓 項目 CO2 CO H2 N2 合計 體積分數（ %） 100 （ MPa） （ Kgf/cm2） （ atm） 計算依據 CO2 在 PC 中的溶解度關系 因為是高濃度氣體吸收，故吸收塔內 CO2 的溶解熱應予以考慮。 PC 的密度與溫度的關系 PC 密度與溫度的關系： ρ= （ 44） 式中： t— 溫度， ℃ ； ρ— 密度， kg/m3。其它氣體在 PC 中的溶解度很小，故可將 CO2 以外的組分視為惰性氣體而忽略不計，而只考慮 CO2 的溶解吸收，將多組分吸收簡化為單組份吸收的問題。 溶劑夾帶量 以 Nm3/m3PC 計，各組分被夾帶的量如下： CO2： = Nm3/m3PC CO： = Nm3/m3PC H2： = Nm3/m3PC N2： = Nm3/m3PC 溶液帶出的氣量 為夾帶量與溶解量之和 CO2： += Nm3/m3PC % CO： += Nm3/m3PC % H2： += Nm3/m3PC % N2： += Nm3/m3PC % Nm3/m3PC 100% 出脫碳塔凈化氣量 以 V V V3 分別代表進塔（出塔）及溶液帶出的總氣量，以 y y y3 分別代表CO2 相應的體積分率，對 CO2 作物料衡算有： 1 2 3V V V?? （ 46） 16 1 1 2 2 3 3V y V y V y?? （ 47） 聯立兩式解之得 V3=1 1 232( )V y yyy = 0 0 5 0 )0 0 ( 2 7 8 ? ?? =46650Nm3/h V1=4278=160425Nm3/h V2= V1 V3=16042546650=113775 Nm3/h 式中 : y1= , y2= , y3= 計算 PC 循環(huán)量 因每 1m3PC 帶出 CO2 為 Nm3，故有： L= 33= ? =（ 48） 1187=操作的氣液比為 V1/L=160425/= Nm3/m3 （ 49） 入塔 液中 CO2 夾帶量 L0= 44= 帶出氣體的質量流量 夾帶氣量： = Nm3/h 夾帶氣的平均摩爾質量： M 1=44+28+2+28=夾帶氣的質量流量： 247。 出塔氣的組成 出塔氣體的體積流量應為入塔氣體的體積流量與 PC 帶走氣體的體積流量之差。 表 各組分溫度系數及其定壓比熱容 組分 溫度系數 定壓比熱容 a b c d CP1 CP2 CO2 102 105 109 18 CO 102 106 109 H2 103 106 109 N2 102 106 109 進出塔氣體的摩爾比熱容： p i i 3 7 . 3 8 0 . 2 8 2 9 . 1 8 0 . 0 2 5 2 8 . 9 0 0 . 4 7 2 2 9 . 1 8 0 . 2 2 3Cy ? ? ? ? ? ? ? ?? 1 pi i37 .3 8 0. 28 29 .1 8 0. 02 5 28 .9 0 0. 47 2 29 .1 8 0. 22 331 .3 4K J/k m olCpv C y?? ? ? ? ? ? ? ????℃ 2Cpv = pi iCy? =+++ = ℃?(2)液體的比熱容 由于 0 2 1 8 7 ) 5 ( ??? （ 1187 為 35℃ 時純 PC 的密度） 其量很少，因此可用純 PC 的密度代替溶液的密度（其它物性也如此）。h） μL2= mPa 混合氣體的密度 : 10 10 PMRT? ?? ? ?? ? ?? （ 52） 2 0 .2tGFL3 Llg[ ]aug ? ???? ? ?=AK 11 G 84L( ) ( )LV ??? （ 53） 220 . 2 0 . 2tGFFL33L11841 0 6 . 4 2 2 . 4 5l g [ ] l g 2 . 3 6 89 . 8 1 1 1 8 70 . 93433845. 05 22. 450 . 0 9 4 2 1 . 7 5 ( ) ( )1 4 4 7 2 6 1 1 8 7auug? ?????? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? 得 F? =取 /sFuu?? 21 式中 :Fu — 泛點氣速， sm/ g— 重力加速度， 2/sm a — 填料總比表面積， 32/mm ? — 填料層空隙率 G? 、 L? — 氣相、液相密度， 3/mkg ? — 液體粘度， SmPa? L 、 G — 液相、氣相的質量流量， hkg/ 求取塔徑 Vs=160425（ ） （ ） = uVD s ?/4? = 4 ?? =。 （ 56） (3)校核噴淋密度 取最小潤濕速率為： 3W m in 0 .0 8 m / m hL ??（ ） （ ） 23t /ma ? 所以 L 噴， min= min）（ WL ta == m3/（ m2/h） （ 57） L 噴 =4 .5 2 1 6 ?＞ m3/（ m2/h） 22 經以上校核可知，填料塔直徑選用 D=。此時每個塔的塔徑 4 ????，圓整后取塔徑為 。h） 選擇 d=50mm 塑料鮑爾環(huán)（米字筋），其填料因子 φ=120m1， ε=，比表面積at=， BainHougen關聯式常數 A=， K=。 20 第五章 吸收塔的結構設計 確定吸收塔塔徑及相關參數 基礎數據 已知量： 入塔氣： V1=160425 Nm3/h=144726kg/h， ρG1=， M 1=， 30℃ 出塔氣： V2=113775 Nm3/h=， ρG2= kg/m3， M 2=， 30℃ 出塔液 : L1=++= kg/h, ρL1=1187kg/m3， Pt1= 入塔液： L2=+=， ρL2=1192 kg/m3， 30℃ ， Pt2= 黏度： 由公式 logμ=+（ ） （ 51） 得：