【正文】 ion 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。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 I 年產(chǎn) 40 萬噸合成氨脫碳工段 工藝 設(shè)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(shè)備。 本設(shè)計作為 理論上的準(zhǔn)備工作，為分析 工藝流程、設(shè)備設(shè)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(zhǔn)備了充分的理論 依 據(jù)。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 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。 我國合成氨工業(yè)始于 20 世紀(jì) 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。但人均耕地面積只有世界平均水平的 47%，而人口在本世紀(jì)中葉將達到約 16 億，糧食始終是至關(guān)重要的問題。 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(shù)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。合成氨成本中能源費用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)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。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。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(zhì)； （ 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(yīng)合成為氨。我國合成氨工藝能耗較高，脫碳工藝技術(shù)也顯得比較落后，因此，結(jié)合具體情況，推廣應(yīng)用低能耗的脫除 CO2 工藝，非常有必要。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(guān)系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。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(shè)備體積，而且對后續(xù)工序有害。出塔氣中二氧化碳含量要求小于 %。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 。 根據(jù) CO2 與溶劑結(jié)合的方式，脫除 CO2 的方法有化學(xué)吸收法、物理吸收法和物理化學(xué)吸收法三大類 。 (l)烷鏈醇胺類的脫碳工藝有 ： ① 乙醇胺 (monoethanolamine， H2NCH2CH2OH， MEA)法； 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 54 頁 ② 甲基二乙醇胺 （ methyl diethanolamine， CH3N(CH2CH2OH)2， MDEA） 法 ； ③ 活化 MDEA 法 （ 即 aMDEA 工藝 ） 。該法的最大優(yōu)點是可以在一個十分簡單的裝置中，把合成氣中的 CO2 脫除到可以接受的程 度 。 由于 MDEA 具有以上優(yōu)點，所以不需要毒性防腐劑，設(shè)備管道允許采用廉價碳鋼材料，不需要鈍化過程，耗熱低，設(shè)備管道不需要伴熱盤管，能達到很好的節(jié)能效果 [3]。 BAFS 公司推出的 aMDEA 脫碳工藝，主要用于對原來 MEA 工藝的改造，近幾年我國一些研究單位正在對這方面進行積極 的研究。 后來 有人用 氨基乙酸取代 As 2O3，消除了毒性，成為無毒 GV 法。低熱耗苯菲爾工藝是由美國聯(lián)碳公司在傳統(tǒng)苯菲爾工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的，采用了節(jié)能新技術(shù)。 中海石油化學(xué)有限公司合成 氨裝置脫碳系統(tǒng)采用改良型苯菲爾流程 [5]。這就使得 工藝投 資省、能耗低、工藝流程簡單。 NHD 是兗礦魯南化肥廠與南京化學(xué)工業(yè)集團公司研究院、杭州化工研究所共同開發(fā)成功的一種物理吸收硫化氫和二氧化碳等酸性氣體的高效溶劑 [7]。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(fù)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(shù) ， 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(xiàn)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(yīng)用。 可用此法改造小型氨廠，將低能耗 ， 在大型氨廠使用顯得困難 [9]。如四川什邡某氮肥廠為天然氣富氧造氣，變換氣脫碳采用我公司近年來開發(fā)的節(jié)能型變壓吸附脫碳新工藝，多塔進料，多次均壓，并實現(xiàn)了吸附塔和真空泵的新組合，同時對吸附劑、程控閥門、控制系統(tǒng)、動力設(shè)備的配置都做了較大的改進，從而使 H N2 有效氣體回收率大大提高，能耗進一步降低，裝置投資也有所減少 [10]。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。 固體吸附 固體吸附是 CO2 在加壓時被吸附在多孔狀固體上 ， 減壓時吸附的 CO2 被解吸 ， 亦稱變壓吸附。大部分用于氨廠變換氣脫碳。為此，需要增設(shè)一套變換氣脫碳裝置，由于 PC 技術(shù)為典型的物理吸收過程，流程簡單，投資少，節(jié)能明顯，技術(shù)易于掌握。因此，代替水洗法脫除變換氣中CO2 不但滿足銅洗要求，而且回收 CO2 的濃度和回收率也能滿足尿素、聯(lián)堿生產(chǎn)的要求。碳丙脫碳與幾種脫碳方法的能耗比較 如 表 。根 據(jù)各廠的具體情況和氨加工產(chǎn)品的不同，相匹配的碳丙脫碳條件及要求亦各異。 由常解塔解吸出來的常解氣進入常解 汽提氣洗滌塔的常解氣洗滌段，與自上而下的稀液逆流接觸，將常解氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴與飽和于常解氣中的碳酸丙烯酯 蒸氣回收下來，常解氣自常解氣洗滌段出來后進入常解氣分離器，將常解氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴進一步分離，常解氣自分離器頂部出來送食品二氧化碳工段。 （ 2） 稀液流程循環(huán) 稀液（或軟水）由常解 汽提氣洗滌塔的常解段出來，經(jīng)稀液泵加壓后送往凈化氣 洗滌塔上部自上而下。 （ 2）凈化氣中 CO2 含量容易跑高，噸氨電耗高 。具體辦法是設(shè)稅全截面均勻分布的氣體和液體分布器，部分或全部采用規(guī)整填料 ； 二是再生塔的改造。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 54 頁 改造工作除了塔器以外，還進行了系統(tǒng)工藝優(yōu)化，具體內(nèi)容有：（ 1）調(diào)整溶劑泵的揚程，串聯(lián)1 臺增壓泵；（ 2）氣提流程由原正壓氣提改為負壓氣提，有利于提高貧度；（ 3）降低變換氣和循環(huán)溶劑的溫度，以提高碳丙吸收能力；（ 4）采取碳丙溶劑半過濾或全過濾方法，杜絕系統(tǒng)堵 塞隱患；（ 5）提高變換氣脫硫效果；（ 6）碳丙稀液回收改造 [11]。而且，復(fù)合溶劑可以優(yōu)化配方用最低的費用達到所須的分離要求 （ 見 表 ） 。 工藝設(shè)計的意義和目的 隨著合成氨工業(yè)的飛速發(fā)展與國際經(jīng)濟的迅速變化，合成氨工業(yè)的經(jīng)濟性急需要提高，來降低成本，抵御風(fēng)險。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 54 頁 2 全廠總平面 的布置和設(shè)計 全場總平面布置的任務(wù) 全廠平面設(shè)計為本設(shè)計的一項重要任務(wù)，總平面設(shè)計的是否合理，直接影響新建廠能否節(jié)約而有效的順利進行，影響到建廠后的生產(chǎn)，管理，成本，能耗等各個方面，同時還影響到全廠 的美觀和今后的發(fā)展。 廠前區(qū)： 包括行政樓、研發(fā)樓、職工食堂、醫(yī)務(wù)室等主要建筑。 生產(chǎn)區(qū)：應(yīng)包括七大車間：原料車間、熱電車間、造氣車間、壓縮車間、碳化車間、合成車間和尿素車間。原料﹑半成品和成品形成整個順序，盡量保證流水作業(yè)，避免逆行和交叉；鍋爐房﹑水泵房﹑配電站等輔助車間盡量靠近其主要部門，以縮短期間距離，節(jié)省投資；由前區(qū)到 生產(chǎn)區(qū)主要干道，應(yīng)避免與主要運輸?shù)缆方徊?；盡量使大多數(shù)廠房向陽﹑背風(fēng)﹑避免瓦斯等，盡可能使各廠區(qū)有條件采用自然采光和自然通風(fēng)等；按防火規(guī)范的要求，保證建筑物之間的距離，符合規(guī)定；根據(jù)衛(wèi)生規(guī)范的要求，保證廠區(qū)內(nèi)衛(wèi)生符合規(guī)定；根據(jù)環(huán)境發(fā)展的要求，生產(chǎn)區(qū)設(shè)在有廢渣處理系統(tǒng)﹑廢水處理系統(tǒng)﹑廢氣處理系統(tǒng)等設(shè)施 ；考慮工廠今后的發(fā)展，在廠區(qū)留有建筑余地；盡量做到以生產(chǎn)區(qū)為軸線，再考慮輔助車間﹑行政樓和道路的安排。 （ 2）變換氣組成為： CO2： ； CO： ； H2： ； N2： （均為體積分數(shù)，下同 ； 其它組分被忽略）； （ 3）要求出塔凈化氣中 CO2 的濃度不超過 %； （ 4） PC 吸收劑的入塔濃度根據(jù)操作情況選?。? （ 5）氣液兩相的入塔溫度均選定為 30℃ ； （ 6）操作壓強為 ； （ 7）年工作日 330d，每 天 24h 連續(xù)運行。變換氣的組成見表 。 lgXco2=lgPco2+（ 1） 式中 ： Xco2——溶解度， kmolCO2 /kmolPC Pco2——CO2 分壓， kgf/cm2 T——PC 出塔溫度 ， K lgXco2=lgPco2+（ 2） 式中： Xco2— CO2 溶解度， kmolCO2 /kmolPC Pco2—CO2 分壓， atm T—PC 出塔溫度 ， K lgXco2=lgPco2+(3) 式中： Xco2—摩爾百分數(shù)， 無因次 Pco2—CO2 分壓， atm T—PC 出塔溫度 ， K 用關(guān)聯(lián)式（ 1）計算出塔溶液中 CO2 的濃度有 lgXco2=+Xco2= /kmolPC =（ ） = Nm3CO2/ m3PC 式中： —PC 的摩爾質(zhì)量， kg/kmol； 1187—出塔溶液的密度（近似取純 PC 的密度， kg/m3）。 物料衡算 各組分在 PC 中的溶解量 各組分在操作總壓為 、操作溫度為 35℃ 下在 PC 中的溶解度數(shù)據(jù)，并取相對吸收飽和度為 80%，將計算結(jié)果列于表 中。其他組分本身溶解度就很小，經(jīng)解吸后的殘值完全可被忽略。=117552kg/h 帶出氣體的總質(zhì)量流量： 1017+117552=118569kg/h 驗算吸收液中凈化氣中 CO2 的含量 取脫碳塔阻力降為 ，則塔頂壓強為 = kgf/cm2，此時 CO2 的分壓為： Pco2==此時分壓呈平衡的 CO2 液相濃度為： lgXco2=+ = Xco2= CO2/kmolPC = 1192/ ? =＞ Nm3CO2/m3PC 式中： 1192 為吸收液在塔頂 30℃ 時的密度，近似取純 PC 液體的密度值。=74427kg/h 熱量衡算 混合氣體的定壓比熱容 因難以查到真實氣體的定壓比熱容，但氣體的壓力并非很高，故可借助理想氣體的定