【導讀】年產5萬噸食品級CO2生產工藝的設計

　　

【正文】 進行脫除；再進二級脫硫工段將硫化物進行精脫，達到美國可口可樂食品級標準；進入 TSA變溫吸附工段對微量雜質進行再一次精脫并對水分進行深度干燥，使產品中水含量達到 %，滿足美國可口可樂食品級標準。本工藝采用全自動操作，并通過計算機調整操作指標 ；將氣態(tài)二氧化碳通過冷凍方式進行液化，液化的冷量由冰機提供；對閃蒸氣和蒸發(fā)氣氨冷量進行充分回收，采用二級冷量回收系統(tǒng)；液化后的二氧化碳進入提純塔進行分離，提純塔工作原理即提純原理，利用二氧化碳與其它氣體雜質沸點的不同實現(xiàn)二氧化碳的提純，經提純提純可以從塔釜得到合格的二氧化碳產品。合格的液體二氧化碳進入儲槽，再根據用戶情況進行槽車運輸或充瓶。工藝流程方框圖如圖 圖 流程方框圖 主要生產設備 提純塔 提純塔是是提純系統(tǒng)的主體設備，也是本設計中最主要的設備。 閃蒸氣 產品 CO2 原料氣 壓縮 等壓干燥 冷凝器 液氨 儲槽 放空廢氣 氣氨 充瓶 槽車 預處理 一級脫硫 二級脫硫 一級冷 量回收 二級冷 量回收 提純 冷卻器 水解脫硫器 加熱器 排放 液氨 氣氨 15 來自冷凍工序的原料從管道進入提純器上部，通過上部噴淋器向塔釜進行噴灑，液體 CO2通過裝有特殊不銹鋼波紋填料，實現(xiàn)氣液分離。液體 CO2會隨填料流入塔釜，逐步形成液位，在初次開車時液位形成過程約兩小時。提純塔用未經冷卻的氣氨作為再沸氣源，將微量溶解于液體 CO2中的雜質組分進行再沸，從而提高產品純度。在低純度產品 CO2（ %）過程可以不使用再沸過程，因為 通過提純器正常操作即可很容易得到我們所需要的產品，當要生產食品級 CO2（ %～ %）時，如果某些微量雜質存在，就必須采用再沸方式進行提純。 當塔釜液體形成后，通過液位控制自動操作方式。在計算機上設置液體 CO2液位的高低限植，通過液位調節(jié)閥進行控制，當液位低于下限時，調節(jié)閥自動關閉，此時液位會自動上升，當液位達到高限時，調節(jié)閥自動關閉，此時液位會自動上升，當液位到達高限時，調節(jié)閥自動關閉，從而可防止氣象雜質進入產品中，污染產品質量，液位始終保持在一定范圍內波動。在液體 CO2通過調節(jié)閥時，形成節(jié) 流現(xiàn)象，造成液體 CO2溫度下降，同時也降低了液體 CO2的壓力。 從提純器上部排除的不凝性氣體，我們稱之為閃蒸汽。氣體通過，提純塔上部換熱器、手動調節(jié)系統(tǒng)、管道回收冷量后排出界外防空。在閃蒸汽排放過程中設置了兩套調節(jié)系統(tǒng)，其目的是防止液體 CO2在汽化過程中形成 ―干冰 ‖，造成管道和閥門 ―堵塞 ‖。在本裝置中設置了兩套壓力調節(jié)系統(tǒng)，分兩步進行降壓，就可防止 ―干冰 ‖現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象最易出現(xiàn)在閥芯或通徑較小處，如果在操作過程中出現(xiàn)上述現(xiàn)象，用溫度較高的循環(huán)水或蒸汽對堵塞處加熱，會迅速汽化又恢復正常操作。 蒸發(fā)冷凝器 蒸發(fā)冷凝器是冷凍系統(tǒng)的主要設備。氣氨蒸發(fā)量大小是控制整個裝置操作壓力的關鍵因素之一，當系統(tǒng)壓力較高時，可能造成壓縮機出口壓力偏高，效率降低，應及時調整氣氨出口閥，使液氨汽化速度加快，隨之系統(tǒng)壓力也會降低，當出現(xiàn)系統(tǒng)壓力較低時，應及時調整氣氨出口閥，使液氨氣流速度減慢，隨之系統(tǒng)壓力也會升高，同時蒸發(fā)冷凝器的液位也是控制壓力的因素之一，液氨液位太高，會造成蒸發(fā)空間變小，影響液氨汽化速度，反之液位太低蒸發(fā)空間過大，會加速液氨汽化速度，系統(tǒng)壓力過低造成液體 CO2不易進入產品儲槽。 一級脫硫器和二級脫硫器 一級脫硫器和二級脫硫器是脫硫系統(tǒng)的兩個主要設備。經預處理合格的原料氣經管 16 道進入一級脫硫器，再經管道進入二級脫硫器，再經管道進入干燥工序。主要目的將原料氣中的微量硫化物脫至產品質量要求。 干燥器 干燥器是本設計等壓干燥系統(tǒng)的主體設備。用變溫吸附（ TSA）方法除去通過脫硫工序合格的原料氣中的水分，兩塔交替切換操作，保證連續(xù)輸出干燥氣體，吸附劑可重復再生使用。整個吸附和再生過程均是在等壓干燥狀態(tài)下進行，實現(xiàn)了無損耗干燥過程，反復循環(huán)操作。 前面 主要是選擇各個工段 所需設備，以及這些設備在各個工段的重要作用，下面本設計就整個工藝流程進行了物料衡算和熱量衡算，以及該對工藝主體設備提純塔進行了詳細的設計和計算。 17 第 三 章 物料衡算和熱量衡算 在合成氨生產過程中，凈化工段脫碳解吸氣送往尿素車間，一部分被合成尿素生產使用，還剩一部分富裕氣體直接排放到了大氣。不僅造成物質上的一種浪費，同時又造成了對大氣的污染。根據脫碳裝置排放氣量，確定本裝置的生產規(guī)模為 5104t/a食品級二氧化碳。 原料氣條件：原料氣為合成氨脫碳解吸氣，其組成（體 積分數(shù)，下同）為： CO2，27%； N2， %； H2， %； CO， %； CH4， %； H2S， %；脫碳液，微量。原料氣輸入壓力： ；原料氣溫度： ≤40℃ ；原料氣輸入流量 4000Nm3/h。 物料衡算 本設計中，食品級二氧化碳的產量是 5 萬噸，可知： D= hkghkg / 9 4 4243 0 05 0 0 0 0 ?? 有理想氣態(tài)方程：nRTPV? （ 31） hmPn R TV /1 4 7 8 9 4 3?? Nm3通常叫做表立方，是標準狀況下的排量。 VNm3： Vm3= 0 ????TPPT VV m ?? %85%27 3 7 6 4 2%85%273 mVV m ??? 34 0 6 33 NmVV mNm ?? 所以，經過計算可得出該工藝的進料總量為 4000Nm3/h。 根據產量和原料氣的組分，計算出整個工藝流程中的各組分的流量。 進料總量 V=4000Nm3/h hNmV H / 32 ??? hk m o ln H / 0 0 02 ?? hkgm H / ??? 18 hNmV N /7 2 41 8 0 0 0 32 ??? hk mo ln N / 2 42 ?? hkgm N / ??? hNmV CO / 4 70 3 6 0 0 0 3??? hkgn CO / 4 7 ?? hkgm CO / ??? hNmV CO / 32 ??? hk mo ln CO / 0 8 02 ?? hkgm CO / 1 2 ??? hNmV CH / 0 7 0 0 0 34 ??? hk m o ln CH / ?? hkgm CH / ??? hNmV SH / 32 ??? hkmo ln SH /3 5 ?? hkgm SH /1 7 5 ??? hNmV OH /40 0 0 0 0 32 ??? hk mo ln OH / 42 ?? hkgm OH / ??? hkgV C O S / 0 0 0 36 ?????? 19 hk m o ln C O S / 53 ?? ???? hkgm C O S / 35 ?? ????? hkgm / 0 0 0 36 ?? ?????高碳烴 提純塔的物料衡算 前面是對整個生產工藝物料衡算，下面是就該工藝的主體設備塔進行的料衡算。 物料衡算圖，如圖 所示： 圖 物料衡算圖 本設計將 2CO 作為重組分，其體積分數(shù)約為 98%；其余的組分為輕組分。且依據 2N的性質來作近似計算，因此進料中可看成氮氣的含量為 2%。 2CO :摩爾質量為 kmolkg/ 進料液： %98? （體積分數(shù)） %? （質量分數(shù)） 餾出液： %? （體積分數(shù)） %? （質量分數(shù)） 殘留液： %80? （質量分數(shù)） 2N :摩爾質量為 kmolkg/ 已知： atD /50000??? 質量分數(shù)： %??F? %??D? %80??W? km olkgM CO / ? k m o lkgM N / ? 餾出液 流量 D 組成 Dx 進料液 流量 F 組成 Fx 殘留液 流量 W 組成 Wx 20 所以，餾出液產品質量流量： hkghkgD / 9 4 4/243 0 0 105 0 0 0 0 3 ????? 進料液、餾出液、殘留液的摩爾分數(shù)分別為 WDF ??? 、 ： ???F? ???D? 7 1 8 ???W? 進料液平均摩爾質量： k m o lkgM F /)9 8 0 ( 8 0 ?????? 餾出液平均摩爾質量： k m olkgM D /)9 9 9 ( 9 9 ?????? 殘留液平均摩爾質量： k m o lkgM W /)7 1 8 ( 1 8 ?????? 餾出液： hk m o lD / 9 4 4 ?? 總物料守恒： DWF ?? (32) 2CO 物料守恒： DWF DWF ??? ?? (33) 由式 3式 33 代入數(shù)據解得： hkmolF /? hkmolW /? 進料液產品質量流量： hkgFMF F / 4 2 08 4 6 ????? 殘留液產品質量流量： hkgWMW W / 7 60 5 ????? 表 物料衡算結果 進料 塔底出料 塔頂出料 質量流量 / hkg/ 質量分數(shù) /% 摩爾流量 / hkmol/ 摩爾分數(shù) /% 21 熱量衡算 由于本流程設備較多，而主要熱量變換集中在冷凝階段。 一、二級預冷器熱量衡算 以 1kgCO2為基準對一、二級預冷器做熱量衡算： kgkJdtdtcmQ tt p/)4018( 184012???????? ?? 蒸發(fā)冷凝器熱量衡算 以 1kgNH3吸收的熱量為基準對蒸發(fā)冷凝器進行熱量衡算： 假設有如下熱力學途徑： 焓 從手冊差得正常沸點（ ℃ ）下氨的汽化熱為 molkJH V /)( 1 ?? NH3的臨界溫度 Tc=，其對比溫度為 Tr1= 1CTT = ?? Tr2= 2CTT = 25273 ? 式中， Tr1― —(℃ )的對比溫度， K； Tr2― —(25℃ )的對比溫度， K； ΔHv― —汽化熱， kJ/kg。 ΔHv1/ΔHv2=｛ (1Tr2)/(1Tr1)｝ 25℃ 的汽化熱 ΔHv2=（ ΔHv1）｛ (1Tr2)/(1Tr1)｝ =ΔH1=1000 焓 從手冊查的低壓下氣體氨的熱容與溫度關系的多項式為： opC 33922613 105 9 6 6 2 5 8 4 TTT ??? ??????? （ 34） 式中， opC 的單位是 cal/mol 22 1cal= 平均溫度 : Tm=（ 25+90） /2=℃ = =+103+106109 =ΔH2=n Cpm(t2t1)=1000/17（ 90（ 25）） = 過程總焓變 ΔH ΔH=ΔH1+ΔH2=1338+ =Q=ΔH= kJ/kg 熱量衡算 提純塔塔頂?shù)膲毫? 3??Wt ℃ 提純塔塔底的壓力為 1??Dt ℃ 提純塔進口溫度為 10??Ft ℃ 在這樣的壓強下， 2CO 是以液態(tài)的形式存在的，其余都為氣相或溶于液態(tài) 2CO 中。 查表可知： 10)(( 2 ?COPmC ℃ 3?? ℃ molkJL /3 9 )() ? 10)(2( ?COPmC ℃ 1?? ℃ molkJL /)() ? 10)(2( ?COPmC ℃ 3?? ℃ molJg /)() ? 再沸器提供的熱量即為塔內熱量的增值。 hkJtDCMtCMtWCMQ PmDPWPmW/6 3 6 2)101(4 7 5 ])103()103(3 9 5 [)()(3333????????????????????????????????? 釜頂 再沸器 QB： ? ?? hkJ B /6 3 6 2 設 塔 釜 熱 損 失 為 %10 ，則 ?? 則 再 沸 器 損 失 能 量 ：hkJ B /2 6 3 6 2%10%10 ????損 。 23 綜上可知：（以 1kgNH3吸收的熱量為基準） 一二級預冷器將 40℃ 的二氧化碳降低到 18℃ 吸收的熱量為 凝器冷凝到 25℃ 。 焓變 ΔH1=1000