【正文】 計(jì)算基準(zhǔn) ： 依照：年工作日以 330d，每天以 24h 連續(xù)運(yùn)行計(jì)，有 33024=7920h，此處按 8000h 算。 PC 的密度與溫度的關(guān)系 PC 密度與溫度的關(guān)系： ρ= 式中： t—溫度， ℃ ； ρ—密度， kg/m3。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。=74427kg/h 熱量衡算 混合氣體的定壓比熱容 因難以查到真實(shí)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壓比熱容公式進(jìn)行近似計(jì)算。 出塔氣的組成 出塔氣體的體積流量應(yīng)為入塔氣體的體積流量與 PC 帶走氣體的體積流量之差 。其它氣體在 PC 中的溶解度很小，故也可將 CO2 以外的組分視為惰性氣體而忽略不計(jì)，而只考慮 CO2 的溶解吸收，將多組分吸收簡(jiǎn)化為單組份吸收的問(wèn)題。 有人關(guān)聯(lián)出了 CO2 再 PC 中溶解的相平衡關(guān)系，因數(shù)據(jù)來(lái)源不同，關(guān)聯(lián)式略有差異 [12]。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 54 頁(yè) 表 合成氨全廠人員編制 工種 班制 男 女 總?cè)藬?shù) 熱電崗位 3 3 3 原料崗位 3 3 3 造氣崗位 3 3 3 變換崗位 3 3 3 脫碳崗位 3 3 3 甲烷化崗位 3 3 3 壓縮崗位 3 3 3 脫硫崗位 3 3 3 尿素崗位 3 3 3 司爐崗位 3 3 3 技術(shù)員 1 3 1 4 安全員 1 2 2 輔助人員 1 5 5 車間主任 1 4 4 總計(jì) 32 13 45 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 54 頁(yè) 3 吸收塔和解吸塔的 物料衡算和熱量衡算 設(shè)計(jì)條件： （ 1）每噸氨耗變換氣近似取 4278m(STP)，簡(jiǎn)記為 4278Nm3/ t 氨（下同）。這樣可以減少管路的鋪設(shè)和運(yùn)輸過(guò)程的損耗。此工藝能有效縮短流程，降低能源消耗，減少污染排放，在提高產(chǎn)品附加值的同時(shí)也填補(bǔ)了脫碳工藝的國(guó)內(nèi)空白，并且為合成氨領(lǐng)域的進(jìn)步積累了難得經(jīng)驗(yàn)。除此以外，復(fù)合溶劑為了達(dá)到操作特性要求所作的混合過(guò)程，還具有其它方面的靈活性，即復(fù)合溶劑的組成。 PC 法脫碳技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 塔器優(yōu)化 塔器的優(yōu)化包括塔徑、塔填料、塔內(nèi)件、塔過(guò)程控制的技術(shù)改造，改造后往往可提高 20%50%或更高的生產(chǎn)能力，改造主要分兩部分進(jìn)行 :一是脫碳塔氣液分布器和填料的改造，其目的是提高通氣量和強(qiáng)化氣液接觸效率，加大潤(rùn)濕面積。富液經(jīng)自調(diào)閥進(jìn)入溶液泵 渦 輪機(jī)組的渦輪，減壓后進(jìn)入閃蒸槽，自閃蒸槽出來(lái)的碳酸丙烯酯液一部分進(jìn)入過(guò)濾器，大部分不經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，二者混合過(guò)后進(jìn)入常解 汽提塔的常解段，碳酸丙烯酯液自常解段底部出來(lái)經(jīng)過(guò)兩液封槽進(jìn)入汽提塔頂部，與自下而上的空氣逆流接觸，將碳酸丙烯酯溶液中的二氧化碳進(jìn)一步汽提出來(lái)，經(jīng)汽提后的碳酸丙烯酯溶液為貧液，貧液由汽提塔出來(lái)進(jìn)入循環(huán)槽，再由循環(huán)槽進(jìn)入溶液泵 渦輪機(jī)組的溶液泵，由泵加壓后經(jīng)碳酸丙烯酯溶液冷卻器降溫，進(jìn)入二氧化碳吸收塔，從而完成了碳酸丙烯酯溶液的整個(gè)解吸過(guò)程。凈化氣由吸收塔頂部出來(lái)進(jìn)入凈化氣洗滌塔底部，與自上而下的稀液（或脫鹽水）逆流接觸，將凈化氣中夾帶的碳酸丙烯酯液滴與蒸氣洗滌下來(lái)，凈化氣由塔頂出來(lái)后進(jìn)入凈化氣分離器，將凈化氣夾帶的碳酸丙烯酯霧沫進(jìn)一步分離，凈化氣由分離器頂部出來(lái)回壓縮機(jī)四段入口總管。碳丙溶劑對(duì) CO2等酸性氣體的吸收能力較大，一般為同條件下水吸收能力的 4 倍。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，已有 150余家工廠使用 PC 技術(shù)，現(xiàn)有裝置 160 余套，其中大型裝置兩套，其余為中小型裝置。 低溫甲醇 (Rectisol)法具有一次性脫除 CO2，溶液便宜易得，能耗低，適用范圍廣泛等特點(diǎn)。變壓吸附法分離氣體混合物的基本原理是利用某一種吸附劑能使混合氣體中各組份的吸附容量隨著壓力變化而產(chǎn)生差異的特性，選擇吸附和解吸再生兩個(gè)過(guò)程，組成交替切換的循環(huán)工藝，吸附和再生在相同溫度下進(jìn)行。 碳酸丙烯酯法 (PC)法 碳酸丙烯 酯法是碳酸丙烯酯為吸收劑的脫碳方法。相對(duì)化學(xué)吸收法，物理洗滌法的最大優(yōu)點(diǎn)是能耗低， CO2 不與溶劑形成化合物，減壓后絕大部分 CO2 被閃蒸出來(lái)，然后采用氣提 或負(fù)壓實(shí)現(xiàn)溶劑的完全再生。我國(guó)于 20 世紀(jì) 90 年代相繼以布朗工藝建了 4 套裝置，即錦西天然氣化工廠、建峰化肥廠、四川天華公司化肥廠和烏魯木齊石化總廠第二化肥廠，規(guī)模都是日產(chǎn)氨 1000 噸。我國(guó)在大型裝置中使用 MDEA 脫碳工藝，烏魯木齊石化公司化肥廠屬于首例 [4]。吸收過(guò)程中， MEA 與 CO2 發(fā)生反應(yīng)生成碳酸化合物，經(jīng)過(guò)加熱即可將 CO2 分解出來(lái)。 CO2 是一種酸性氣體，對(duì)合成氨合成氣中 CO2 的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。 脫碳方法概述 由變換工序來(lái)的低變氣進(jìn)脫碳系統(tǒng)的吸收塔，經(jīng)物理吸收或者化學(xué)吸收法吸收二氧化碳。在此過(guò)程中吸收塔壓降還應(yīng)維持在合理范圍內(nèi)以降低合成氣壓縮機(jī)的功耗。就世界范圍來(lái)說(shuō)，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(xué)肥料等。 節(jié)能和降耗。 我國(guó)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(guó)化肥產(chǎn)量己居世界第一位。 50 年代以前，最大能力為 200 噸 /日， 60年代初為 400 噸 /日，美國(guó)于 1963 年和 1966 年分別出現(xiàn)第一個(gè) 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。 作者簽名： 日 期： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交 的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。首先進(jìn)行工藝流程分析并根據(jù)工藝參數(shù)及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(shè)備利用物理吸收機(jī)理、傳質(zhì)傳熱方程、溶液物性數(shù)據(jù)等方面的知識(shí)進(jìn)行塔體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，設(shè)計(jì)出二氧化碳吸收塔的塔徑為，塔高為 27m，二氧化碳解吸塔塔徑 ，塔高 29m； 然后對(duì)二氧化碳吸收和解吸塔進(jìn)行了必要的強(qiáng)度校核；最后對(duì)脫碳工段車間結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。 Carbon dioxide removal with PC method。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 我國(guó)合成氨工業(yè)發(fā)展概況 我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，而農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開化肥。 與國(guó)外比較，我國(guó)氮肥行業(yè)主要存在一些比較嚴(yán)重的問(wèn)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?fàn)幠芰Σ睢? 與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。 在合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，脫除 CO2 是一個(gè)比較重要的工序之一，其能耗約占氨廠總能耗的 10%左右。 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。脫碳塔出來(lái)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。化學(xué)吸收法脫碳工藝中，有兩類溶劑占主導(dǎo)地位，即烷鏈醇胺和碳酸鉀。 甲基二乙醇胺 MDEA MDEA 法脫碳過(guò)程中， CO2 與甲基二乙醇胺 (MDEA，一種叔胺 )生成的碳酸鹽穩(wěn)定性較差，分解溫度低，且無(wú)腐蝕性。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。從 1985 年起，己有 7 套進(jìn)行了用低熱耗苯菲爾工藝改造 。物理吸收法常用于高 CO2 分壓的原料氣處理。 該法 CO2 的回收率較高，能耗較低，但投資費(fèi)用較高。在每次循環(huán) 中，每個(gè)吸附塔依次經(jīng)歷吸附、多次壓力均衡降、逆向放壓、抽空、多次壓力均衡升、最終升壓等工藝步驟。環(huán)丁砜法中所使用的溶劑由是環(huán)丁礬、二異丙醇胺與水組成，能同時(shí)吸收 CO2 和硫的化合物，且吸收速度快，凈化度高，但再生耗熱多，目前只有一些中小型 廠使用。 發(fā)展過(guò)程 PC 技術(shù)的應(yīng)用，主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段始于 70 年代末，兩個(gè)小氮肥廠用 PC 法代替水洗法脫 CO2 的工業(yè)試驗(yàn)裝置獲得 成功，取得了明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。因而應(yīng)用碳丙脫碳的廠家均可獲得明顯的節(jié)能效果。 （ 2）解吸氣體回收流程 由閃蒸槽解吸出來(lái)的閃蒸氣進(jìn)入閃蒸氣洗滌塔，自下而上與自上而下的稀液逆流接觸，將閃蒸氣夾帶的液滴回收下來(lái)。 存在的問(wèn)題及解決的辦法 綜合分析 PC 法脫碳各廠的使用情況，最具代表性的問(wèn)題有： （ 1）溶劑損耗高 。由此可見，必須對(duì)這種結(jié)構(gòu)徹底改造。 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(dòng)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(jìn)行，即低溫碳酸丙烯酯脫碳技術(shù) 。 全廠總平面設(shè)計(jì)的原則 全廠總平面設(shè)計(jì)的基本原則為 1 建筑物之間相互配置應(yīng)符合生產(chǎn)程序的要求，并能保證合理生產(chǎn)作業(yè)線； 2 原材料、半成品、成品的生產(chǎn)作業(yè)線應(yīng)銜 接協(xié)調(diào)，流程疏通，避免交叉和往返； 3 廠內(nèi)一切運(yùn)輸系統(tǒng)布置應(yīng)適合貨物運(yùn)轉(zhuǎn)的特征，盡可能使貨運(yùn)路線和人員路線不交叉； 4 適當(dāng)劃分廠區(qū)，建筑物之間的距離盡量縮小，但必須符合防火和衛(wèi)生技術(shù)條件的要求； 5 在保證安全生產(chǎn)的前提下力求縮小廠房戰(zhàn)地面積，廠房布置盡量緊湊，根據(jù)生產(chǎn)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)擬建的工廠為中小型企業(yè)的情況，將工廠劃分為幾個(gè)區(qū)域，并按照區(qū)域進(jìn)行布置，以保證各區(qū)域之間位置的協(xié)調(diào)配合，并符合衛(wèi)生防疫和環(huán)境美化。 倉(cāng)庫(kù)區(qū)：應(yīng)靠近主干道以便于運(yùn)輸。合成氨 ：（ 300000t/a） /（ 8000h/a） =。 30℃ ： ρL1=1192kg/ m3； 35℃ ： ρL2=1187 kg/ m3 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 54 頁(yè) PC 的蒸汽壓 查 PC 理化數(shù)據(jù)知， PC 蒸汽壓于操作總壓及 CO2 的氣相分壓相比均很小，故可認(rèn)為 PC 不揮發(fā)。 CO2 溶解量的計(jì)算如下： 前已算出， 35℃ 時(shí) CO2 在 PC 中的平衡溶解度 Xco2=， PC 對(duì) CO2 的實(shí)際溶解能力為： = Nm3/m3PC。理想氣體的定壓比熱容： CPV=ai+biT+ciT2+DdiT3，其溫度系數(shù)如表 。計(jì)算結(jié)果表明：要使得出塔凈化氣中 CO2 的濃度不超過(guò) %，則入塔吸收液中 CO2 的極限濃度為 Nm3/m3PC，本設(shè)計(jì)的取值正好在其所要求的范圍之內(nèi)，故選取值滿足要求。 表 各組分在 PC 中的溶解度數(shù)據(jù) 項(xiàng)目 CO2 CO H2 N2 合計(jì) 組分分壓 (MPa) 溶解度 (Nm3/m3PC) 溶解量 (Nm3/m3PC) 溶解氣體積分?jǐn)?shù) (%) 因溶解氣中的 CO2 占到了 %?，F(xiàn)假設(shè)出塔氣體溫度與入塔液的溫度相同，為 TV2=30℃ ，出塔液的溫度為 TL1=35℃ ，并取吸收飽和度（定義為出塔溶液濃度對(duì)其平衡濃度的百分?jǐn)?shù)）為 80%，然后利用物料衡算結(jié)合熱量衡算驗(yàn)證生疏溫度假設(shè)的正確性。生產(chǎn)車間實(shí)行三班制，每班八小時(shí)，機(jī)械設(shè)備大修每二年一次，機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)每一年一次。他們盡量靠近其服務(wù)的車間。 因此，在國(guó)際經(jīng)濟(jì)與國(guó)家政策的前提下，將合成氨的風(fēng)險(xiǎn)和利潤(rùn)投入到中間工序脫碳工段，對(duì)陷入困境的化工行業(yè)是一個(gè)很好的出路，對(duì)內(nèi)外交困的合成氨行業(yè)來(lái)說(shuō)，可以避免風(fēng)險(xiǎn)，降低成本。復(fù)合溶劑法的優(yōu)點(diǎn)從選擇性和吸收能力分析，特別是高分壓下，選擇合適的復(fù)合溶劑，優(yōu)于純?nèi)軇?，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。 目前 ， 碳丙脫碳技術(shù)已提高到一個(gè)新的階段，工業(yè)應(yīng)用的或即將應(yīng)用的最有吸引力的進(jìn)展有以下幾個(gè)方面。 液體流程 （ 1）碳酸丙烯酯脫碳流程簡(jiǎn)述 貧碳酸丙烯酯溶液從二氧化碳吸收塔塔頂噴淋下來(lái)，由塔底排出稱為富液。氣體自水洗塔塔頂出來(lái)進(jìn)入分離器，自分離器出來(lái)的氣體進(jìn)入二氧化碳吸收塔底部，與塔頂噴淋下來(lái)的碳酸丙烯酯溶液逆流接觸，將 二氧化碳脫至工藝指標(biāo)內(nèi)。 技術(shù)經(jīng)濟(jì) 由于碳丙脫碳純屬物理過(guò)程，因而它的能耗主要消耗在輸送流體所 須的電能。 PC 法是 南化集團(tuán)研究院等單位于 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)的技術(shù)， 1979 年通過(guò)化工部鑒定。自 1954 年 Lurgi 公司在南非 Sasol 建成世界上第一套工業(yè)規(guī)模的示范性裝置以來(lái)，目前有 100 余套裝置投入運(yùn)行，尤其是大型渣油氣化和煤氣化裝置的氣體凈化均采用低溫甲 醇洗工藝。變壓吸附法是近幾年才用于合成氣凈化的，它屬于干法，采用固體吸附劑在改變壓力的情況下，進(jìn)行 （ 加壓 ） 吸附 CO2 或 （ 減壓 ） 解吸。 NHD 具有對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕，對(duì) CO H2S 等酸性氣體的吸收能力強(qiáng)、蒸汽壓低，揮發(fā)性小、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、不會(huì)起泡，無(wú)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，并且該法在 NHD 的再生過(guò)程中幾乎不需要能量，通常利用空分裝置富余的低壓氮?dú)庠跉馓崴M(jìn)行脫碳富液的氣提再生，其優(yōu)點(diǎn)是減少利用空氣氣提帶來(lái)系統(tǒng)內(nèi) NHD 溶液含水量的富集，省去了空氣水冷、氣水分離及 NHD 脫水設(shè)備，節(jié)約了投資，簡(jiǎn)化了流程 [8]。 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。由美國(guó)聯(lián)碳公司開發(fā)的低熱耗苯菲爾法，用 二乙醇胺 (DEA)作活化劑， V2O5 作為腐蝕防護(hù)劑?；钚?MDEA工藝開發(fā)于 20 世紀(jì) 60 年代末，第一套活化 MDEA脫碳工藝裝置是 1971 年在德國(guó) BAFS公司氨三廠投入使用在此后的幾年里，另有 8 套裝置