【導(dǎo)讀】120kt/a合成氨脫碳工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

　　

【正文】 00 ～ 100 ～ 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng) CO2分壓低于 12kg/cm2（絕壓）時(shí)，采用熱鉀堿法來吸收實(shí) CO2是不經(jīng)濟(jì)的，此時(shí)再生所消耗的熱量大大增加，所以壓力越高越有利于吸收。但是對(duì)于合成氨廠的脫碳工序來說，氣體的壓力是由前后各工序來決定的。系統(tǒng)吸收的壓力一般為14~20kg/cm2。 再生壓力 :其是影響再生度和再生蒸汽的重要因素。再生壓力低，再生蒸汽中 CO2的分壓也低，而液體中二氧化碳的濃度隨著液面上二氧化碳的減小而迅速 降低，這樣有利于二氧化碳解吸。再生壓力 CO2降低可以減少再生時(shí)的熱量消耗，但是再生壓力也不能任意降低，要能夠解吸出來的二氧化碳送到下一工序，一般控制在 18~40kPa。 溫度 碳酸鉀溶液在較高的溫度吸收二氧化碳有許多優(yōu)點(diǎn)：一是提高碳酸鉀在溶液中的溶解度，增加溶液吸收二氧化碳的能力；二是較高的溫度可加快吸收二氧化碳的速度；三是吸收和再生在相近的溫度下進(jìn)行，可以充分利用熱量，減少能量損失。但是溫度不是可以任意提高的，我們必須考慮溶液蒸發(fā)損失，設(shè)備的承受能力等不利因素。實(shí)際操作中一般控制在 100℃ ~130℃ 。 由于二氧化碳的析出反應(yīng)要在不吸收條件下進(jìn)行，再生塔部溫度一般控制在溶液沸點(diǎn)附近約 105℃ ~110℃ 。 19 受沸點(diǎn)的影響，煮沸器出口溶液為 115℃ 左右，蒸汽溫度在 150℃ ，壓力 。 溶液的濃度 碳酸鉀溶液的濃度：增加碳酸鉀溶液的濃度可以提高吸收二氧化碳的能力，可減少溶液循環(huán)量，提高氣體凈化度，但是隨著溶液濃度的升高，設(shè)備和管道也腐蝕嚴(yán)重；低溫操作，溶液會(huì)析出碳酸鉀結(jié)晶堵塞設(shè)備管道。通常把它的濃度定在 25%~30%（質(zhì)量百分比）。 活化劑的濃度 活化劑采用 DEA，乙二醇胺。表 列出 了加入 DEA 后碳酸鉀溶液的平衡分壓和吸收影響值。 表 DEA對(duì)碳酸鉀溶液的平衡分壓和吸收影響值 DEA含量 %(質(zhì)量 ) 0 1 2 3 相對(duì)吸收系數(shù) — 相對(duì) CO2分壓 — 系統(tǒng)的腐蝕和緩沖 緩蝕劑 熱的碳酸鉀溶液和潮濕的二氧化碳對(duì)碳鋼有較強(qiáng)的腐蝕作用。在生產(chǎn)中，防腐蝕的主要措施是在溶液中加入緩蝕劑。在二乙醇胺催化熱鉀堿法中一般以偏釩酸鉀 ( 3KVO )或五氧化二釩 ( 52OV )為緩蝕劑，則在碳酸鉀溶液中按下式轉(zhuǎn)變?yōu)槠C酸鉀： 52OV ＋ 32COK → 32KVO ＋ 2CO 偏釩酸鉀是一種強(qiáng)氧化物質(zhì)，能與鐵作用，在設(shè)備表面形成一層氧化鐵保護(hù)膜 (或成鈍化膜 )，從而保護(hù)設(shè)備免受腐蝕。通常溶液中偏釩酸鉀的濃度為 %～ ％ (重量 )。以偏釩酸鉀表示的濃度乘以 。硫化氫、氨 、一氧化碳等還原性氣體均能使五價(jià)釩還原為四價(jià)釩，降低緩腐作用，向溶液中通入空氣氧或加入亞硝酸鉀等氧化劑，能使四價(jià)釩重新氧化為五價(jià)釩。生產(chǎn)中保持溶液中五價(jià)釩的含量為總釩含量的20％以上即可。 消泡劑 熱鉀堿溶液在吸收過程中很容易其泡。從而影響溶液的吸收與再生效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成氣體帶液，被迫減負(fù)荷生產(chǎn)，以至停產(chǎn)。向溶液中加入消泡劑可以避免或減弱起泡現(xiàn)象。消泡劑是一種表面活性大、表面張力很小的一類物質(zhì)，能迅速擴(kuò)散到泡沫表面并造成泡沫表面張力的不均，而使泡沫迅速破滅或不易形成。目前常用的消泡劑有硅酮類 、聚醚類以及高級(jí)醇類等。消泡劑在溶液中的濃度一般為幾個(gè)到幾十個(gè)大氣壓。 20 第 4章 脫碳工藝物料衡算和熱量衡算 工藝計(jì)算條件 ○1年合成氨產(chǎn)量： 12 萬噸 ○2干變換氣組成和噸氨耗氣量： 表 干氣變換氣組成成分 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 組成（ %） 100 體積流量 m3 摩爾流量kmol ○3進(jìn)工段變換氣壓力為 ： ○4計(jì)算基準(zhǔn)： 120200/（ 36024） =○5鉀堿液比熱： (kg℃ ) ○6變換氣中各組分的比熱 [kJ/(kg℃ )] [12]。 表 各組分比熱 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 比熱 [kJ/(kg℃ )] 二氧化碳吸收塔物料衡算及熱量衡算 二氧化碳吸收塔物料衡算 ○1操作條件 [13] 進(jìn)塔氣溫度： 125℃ 出塔氣溫度： 80℃ 出塔溶液 (富液 )溫度： 120℃ 下段進(jìn)塔溶液 (半貧液 )溫度 ： 104℃ 上段進(jìn)塔溶液 (貧液 )溫度： 80℃ ○2出塔濕氣流量 干原料氣量： V干 == 21 125℃ 飽和蒸汽壓： 水蒸汽流量 V 水 =V 干 [aP 水 /(P0－ aP 水 )] =103[(－ )] = 進(jìn)塔濕氣含量 V 濕 =V 干 ＋ V 水 =+=○3溶液組分 貧液轉(zhuǎn)化度 Fc1= 半貧液轉(zhuǎn)化度 Fc2= 富液轉(zhuǎn)化度 Fc3= 貧液與半貧液的流量比 ︰ =1︰ 3 溶液中碳酸鉀含量為 則溶液的摩爾濃度為 由反應(yīng) K2CO3＋ CO2＋ H2O=2KHCO3＋ Q 知 1molK2CO3可以吸收 1molCO2,則每立方米溶液完全吸收的 CO2量為 : =溶液的平均轉(zhuǎn)化度 △ Fc=(Fc3－ Fc1)＋ (Fc3－ Fc2)= 則平均每立方米溶液吸收的 CO2量為 =○4 CO2量 由于熱鉀堿溶液是堿性化學(xué)藥劑 ,吸收選擇性高 ,對(duì)變換氣中 CO2 以外的氣體吸收率很低 ,故可以認(rèn)為除 CO2以外的氣體均為惰性氣體 ,切管道壓強(qiáng)不變 ,則其體積流量在吸收前后不變 ,取氣體凈化度為 CO2含量的 1%,則由 CO2平衡和總的物料平衡計(jì)算得出出塔凈化氣流量和被溶液所吸收的 CO2量為 : 出塔凈化氣量為 V1=103(1－ )/(1－ )= km3/h 22 進(jìn)塔變換氣量為 V2=被溶液吸收的 CO2量為 VCO2=V2－ V1=－ =凈化氣干氣組成如表 。 表 凈化氣干氣組成 組分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 組成 (%) 1 100 體積流量m3/h 32230 摩爾流量kmol/h ○5吸收塔溶液流量的計(jì)算 溶液的吸收能力為 V 吸 CO2=則 溶液的流量為 L= V 吸 CO2/=103/=560m3/h 富液的流量為 560m3/h 貧液的流量為 5601/4=140m3/h 半貧液的流量為 560－ 140=420m3/h 組成由轉(zhuǎn)化度 Fc3= 得 轉(zhuǎn)化為 KHCO3的 K2CO3量為 =則富液中 23 KHCO3量 2=K2CO3量 － = 二氧化碳吸收塔熱量衡算 變換器再沸器熱量衡算 ○1進(jìn)口變換氣：溫度： 170℃ 壓力： 干氣流量： ○2出口變換氣：溫度： 125℃ 壓力： 干氣流量： ○3 170℃ 飽和水蒸汽壓： ； 125℃ 飽和水蒸汽壓： 。 [4] ○4取變換氣中水蒸汽飽和系數(shù)為： a= ○5 170℃ 時(shí)變換氣含濕量： [aP 水 /(P0－ aP 水 )]M/ =[(－ )]18/ = ㎏蒸汽 / m3干氣 ○6 125℃ 時(shí)變換氣含濕量： [aP 水 /(P0－ aP 水 )]M/ =[(－ )]18/ = ㎏蒸汽 /m3干氣 ○7冷凝水流量： － = ㎏蒸汽 /m3干氣 則流量為： ㎏蒸汽 / m3干氣 km3/h=103㎏ /h 變換氣帶出熱 Q1ˊ=∑WCpT1 =(103/)125(44＋ 28 ＋ 2＋ 28＋ 16) =106kJ/h 飽和水蒸汽帶出熱 Q2ˊ=WH =103 24 =106kJ/h 冷凝水帶出熱 Q3ˊ=WH =103 =106kJ/h 則總帶出熱 Q12=∑Qi= Q1＋ Q2＋ Q3 =(＋ ＋ )106 =106kJ/h 吸收塔熱量衡算 ○1帶入熱 貧液帶入熱 Q1=WρCpT1=140125080 =106kJ/h 半貧液帶入熱 Q2= WρCpT =4201250104 =106kJ/h 變換氣帶入熱（已計(jì)算）： Q3=106kJ/h 故總帶入熱 Q11=∑Qi=Q1＋ Q2＋ Q3 =(＋ ＋ )106 =106kJ/h ○2帶出熱 富液帶出熱 Q1ˊ=WρCpT =5601250120 =106kJ/h 出塔氣帶出熱 Q2ˊ=∑WCpT1 =(103/)80(44＋ 28 ＋ 2＋ 28＋ 16) =106kJ/h 則總帶出熱 Q12=∑Qiˊ=Q1ˊ＋ Q2ˊ =(＋ )106 =106kJ/h 25 二氧化碳再生塔的物料衡算及熱量衡算 已知條件 [13]： 再生塔上段溶液 進(jìn)口溫度： 108℃ 再生塔半貧液出口溫度： 110℃ 溶液處理量： 880m3/h 上段排出液 (半貧液 )： 420m3/h 再生度： Ic1=Fc1＋ 1=＋ 1= 下段排出液 (貧液 )： 140 m3/h 再生度： Ic2=Fc2＋ 1=＋ 1= 再生壓力： 再生塔水汽比： CO2/H2O = 密度： 1250kg/m3 熱鉀堿溶液比熱： (kg℃ ) 物料衡算： ○1由反應(yīng)式 2KHCO3=K2CO3＋ CO2＋ H2O 知 2mol KHCO3可以解吸 1molCO2,則每立方米溶液完全解吸的 CO2量為 1/2=○2溶液的平均再生度： △ Ic =(Ic3－ Ic1)＋ (Ic3－ Ic2)= 則平均每立方米溶液解吸的 CO2量為： VCO2==○3再生氣中 CO2的流量 ： VCO2=660=水蒸汽流量 :由 CO2/H2O = 得 ： VH2O=2VCO2==則再生氣流量為 ： V=VCO2＋ VH2O=＋ =○4溶液中殘留的 CO2量為 : V 吸收 CO2－ V 再生 CO2=－ =即以 KHCO3存在的 CO2量為： NCO2= 26 則 KHCO3摩爾濃度為： 2=貧液中 KHCO3摩爾濃度為： (＋ )=半貧液中 KHCO3摩爾濃度為： － =熱量衡算： ○1工藝條件 理論可解吸 CO2量為： m3CO2/m3溶液 CO2的比熱： (kg℃ ) 水的比熱： (kg℃ ) 105℃ 水蒸汽熱焓： 2700kJ/kg 40℃ 水液體熱焓： ○2帶入熱 富液帶入熱 Q1=WρCpT1 =6601250108 =106kJ/h 蒸汽再沸器帶入熱（待定）： Q2 故總帶入熱 Q=106kJ/h＋ Q2 ○3帶出熱 半貧液帶出熱 Q1ˊ=WρCpT =4201250110 =106kJ/h 貧液帶出熱 Q2ˊ=WρCpT =1401250120 =106kJ/h 再生氣帶出熱 Q3ˊ=WH2OH＋ W CO2Cp△ T =(103/)182700＋ [（ 103/） ]4496 =106kJ/h 則總帶出熱 Q3 =∑Qiˊ=Q1ˊ＋ Q2ˊ＋ Q3ˊ 27 =(＋ ＋ )106 =106kJ/h 則 Q2 = Q3－ Q1 =(－ )106 =106kJ/h 小結(jié)：由以上計(jì)算結(jié)果可以看到氣體凈化 CO2含量小于１％，而且其再生熱耗也比較合理，在吸收下部用溫度較高的再生溶液吸收，既加快了吸收二氧化碳的反應(yīng)速度，又因?yàn)槭堑葴匚盏葴卦偕?，節(jié)省再生過程的熱耗，在吸收塔的上部用溫度較低的溶液吸收，降低了溶液表面的二氧化碳平衡分壓，提高了氣體的凈化度。 28 第 5章 吸收塔的設(shè)計(jì)及選型 吸收塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 液相物性數(shù)據(jù) 對(duì)低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得， 100℃時(shí) 30%K2CO3的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度為 ρL=1248kg/m3 粘度為 μL=s 表面張力為 σL=88128kg/h2 CO2在 30%碳酸鉀溶液中的擴(kuò) 散系數(shù)為 DL=10cm2/s=105m2/h 氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為： MVm=∑yi