【正文】 焓變 ΔH1=1000 ΔH2=。 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(shè) 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 。 ΔHv1/ΔHv2=｛ (1Tr2)/(1Tr1)｝ 25℃ 的汽化熱 ΔHv2=（ ΔHv1）｛ (1Tr2)/(1Tr1)｝ =ΔH1=1000 焓 從手冊(cè)查的低壓下氣體氨的熱容與溫度關(guān)系的多項(xiàng)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(guò)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(jìn)口溫度為 10??Ft ℃ 在這樣的壓強(qiáng)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。 2CO :摩爾質(zhì)量為 kmolkg/ 進(jìn)料液： %98? （體積分?jǐn)?shù)） %? （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 餾出液： %? （體積分?jǐn)?shù)） %? （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 殘留液： %80? （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 2N :摩爾質(zhì)量為 kmolkg/ 已知： atD /50000??? 質(zhì)量分?jǐn)?shù)： %??F? %??D? %80??W? km olkgM CO / ? k m o lkgM N / ? 餾出液 流量 D 組成 Dx 進(jìn)料液 流量 F 組成 Fx 殘留液 流量 W 組成 Wx 20 所以，餾出液產(chǎn)品質(zhì)量流量： hkghkgD / 9 4 4/243 0 0 105 0 0 0 0 3 ????? 進(jìn)料液、餾出液、殘留液的摩爾分?jǐn)?shù)分別為 WDF ??? 、 ： ???F? ???D? 7 1 8 ???W? 進(jìn)料液平均摩爾質(zhì)量： k m o lkgM F /)9 8 0 ( 8 0 ?????? 餾出液平均摩爾質(zhì)量： k m olkgM D /)9 9 9 ( 9 9 ?????? 殘留液平均摩爾質(zhì)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(jù)解得： hkmolF /? hkmolW /? 進(jìn)料液產(chǎn)品質(zhì)量流量： hkgFMF F / 4 2 08 4 6 ????? 殘留液產(chǎn)品質(zhì)量流量： hkgWMW W / 7 60 5 ????? 表 物料衡算結(jié)果 進(jìn)料 塔底出料 塔頂出料 質(zhì)量流量 / hkg/ 質(zhì)量分?jǐn)?shù) /% 摩爾流量 / hkmol/ 摩爾分?jǐn)?shù) /% 21 熱量衡算 由于本流程設(shè)備較多，而主要熱量變換集中在冷凝階段。 物料衡算圖，如圖 所示： 圖 物料衡算圖 本設(shè)計(jì)將 2CO 作為重組分，其體積分?jǐn)?shù)約為 98%；其余的組分為輕組分。 根據(jù)產(chǎn)量和原料氣的組分，計(jì)算出整個(gè)工藝流程中的各組分的流量。 物料衡算 本設(shè)計(jì)中，食品級(jí)二氧化碳的產(chǎn)量是 5 萬(wàn)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(biāo)準(zhǔn)狀況下的排量。 原料氣條件：原料氣為合成氨脫碳解吸氣，其組成（體 積分?jǐn)?shù)，下同）為： CO2，27%； N2， %； H2， %； CO， %； CH4， %； H2S， %；脫碳液，微量。不僅造成物質(zhì)上的一種浪費(fèi)，同時(shí)又造成了對(duì)大氣的污染。 前面 主要是選擇各個(gè)工段 所需設(shè)備，以及這些設(shè)備在各個(gè)工段的重要作用，下面本設(shè)計(jì)就整個(gè)工藝流程進(jìn)行了物料衡算和熱量衡算，以及該對(duì)工藝主體設(shè)備提純塔進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。用變溫吸附（ TSA）方法除去通過(guò)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(fù)再生使用。主要目的將原料氣中的微量硫化物脫至產(chǎn)品質(zhì)量要求。 一級(jí)脫硫器和二級(jí)脫硫器 一級(jí)脫硫器和二級(jí)脫硫器是脫硫系統(tǒng)的兩個(gè)主要設(shè)備。 蒸發(fā)冷凝器 蒸發(fā)冷凝器是冷凍系統(tǒng)的主要設(shè)備。在閃蒸汽排放過(guò)程中設(shè)置了兩套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其目的是防止液體 CO2在汽化過(guò)程中形成 ―干冰 ‖，造成管道和閥門 ―堵塞 ‖。 從提純器上部排除的不凝性氣體，我們稱之為閃蒸汽。在計(jì)算機(jī)上設(shè)置液體 CO2液位的高低限植，通過(guò)液位調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，當(dāng)液位低于下限時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)液位會(huì)自動(dòng)上升，當(dāng)液位達(dá)到高限時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)液位會(huì)自動(dòng)上升，當(dāng)液位到達(dá)高限時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉，從而可防止氣象雜質(zhì)進(jìn)入產(chǎn)品中，污染產(chǎn)品質(zhì)量，液位始終保持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。在低純度產(chǎn)品 CO2（ %）過(guò)程可以不使用再沸過(guò)程，因?yàn)?通過(guò)提純器正常操作即可很容易得到我們所需要的產(chǎn)品，當(dāng)要生產(chǎn)食品級(jí) CO2（ %～ %）時(shí)，如果某些微量雜質(zhì)存在，就必須采用再沸方式進(jìn)行提純。液體 CO2會(huì)隨填料流入塔釜，逐步形成液位，在初次開(kāi)車時(shí)液位形成過(guò)程約兩小時(shí)。工藝流程方框圖如圖 圖 流程方框圖 主要生產(chǎn)設(shè)備 提純塔 提純塔是是提純系統(tǒng)的主體設(shè)備，也是本設(shè)計(jì)中最主要的設(shè)備。本工藝采用全自動(dòng)操作，并通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)整操作指標(biāo) ；將氣態(tài)二氧化碳通過(guò)冷凍方式進(jìn)行液化，液化的冷量由冰機(jī)提供；對(duì)閃蒸氣和蒸發(fā)氣氨冷量進(jìn)行充分回收，采用二級(jí)冷量回收系統(tǒng)；液化后的二氧化碳進(jìn)入提純塔進(jìn)行分離，提純塔工作原理即提純?cè)?，利用二氧化碳與其它氣體雜質(zhì)沸點(diǎn)的不同實(shí)現(xiàn)二氧化碳的提純，經(jīng)提純提純可以從塔釜得到合格的二氧化碳產(chǎn)品。 充瓶系統(tǒng) ：作用是將已儲(chǔ)存在液體 CO2儲(chǔ)槽中的合格產(chǎn)品充入鋼瓶中。塔釜再沸氣源引自冰機(jī)壓縮后部分未經(jīng)冷卻的氣氨，即降低了冰機(jī)的消耗，又可調(diào)節(jié)提純塔內(nèi)產(chǎn)品 CO2的純度。 提純系統(tǒng) ：將冷凍系統(tǒng)冷卻的 CO2送至提純工序，大部分 CO2被冷凝，未冷凝的不凝性氣體（含 CO2飽和蒸汽）經(jīng)冷量回收后放空。 冷凝系統(tǒng) ：作用是將干燥后的原料氣冷卻至 –15～ –20℃ 。 脫硫系統(tǒng) ：作用是將原料氣中的微量硫化物脫除至產(chǎn)品要求。 生產(chǎn)工藝 系統(tǒng)流 程 壓縮系統(tǒng) ：作用是將合成氨脫碳?xì)膺M(jìn)行回收和壓縮，將常壓狀態(tài)原料氣壓縮約至 送往下一工序。 13 表 食品添加劑液體二氧化碳標(biāo)準(zhǔn) [17] 組分名稱 組分含量 /% 二氧化碳 水分 總硫 總烴 氧氣 氨 氮氧化物 一氧化碳 硫氧化碳 硫化氫 二氧化硫 ≤ ≤ ≤（其中 CH4≤%） ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)述 本設(shè)計(jì)工藝是一個(gè)簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的工藝流程。提純塔的設(shè)計(jì)全部采用自動(dòng)操作，專用不銹鋼波紋填料和蒸發(fā)換熱管，在液體 CO2進(jìn)入提純塔時(shí)采用全回流噴淋方式，使進(jìn)入提純塔的液體 CO2與閃蒸氣進(jìn)行熱量交換，在回收冷量的同時(shí)，進(jìn)一步降低 CO2飽和蒸汽壓，既回收了閃蒸氣中的有效組分同時(shí)又降低了 CO2飽和蒸汽壓，從而確保產(chǎn)品 CO2的質(zhì)量和回收 率。常規(guī)的 TSA 工藝通常需要大 量的再生氣量，直接導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本增高，而該工藝采用先進(jìn)的 TSA 等壓變溫吸附方法對(duì)微量雜質(zhì)精脫和對(duì) CO2進(jìn)行提純，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗過(guò)程，本等壓吸附工藝流程的再生氣是充分利用本系統(tǒng)的原料氣反復(fù)循環(huán)使用 [13]。 生產(chǎn)工藝的改進(jìn) 安化集團(tuán)尿素流程中脫碳工段中， CO2有較大富余量，除去閃蒸部分，實(shí)際可利用的 CO2約 4000Nm3/h，考慮市場(chǎng)容量及開(kāi)發(fā)，目前適宜建設(shè) 5104t/a的食品級(jí) CO2生產(chǎn)裝置。該項(xiàng)目采用低壓法工藝生產(chǎn)，純度高達(dá) ％ 以上，除達(dá)到國(guó)內(nèi)食品 CO2標(biāo)準(zhǔn)外，還能滿足百事可樂(lè)公司的質(zhì)量要求，可為用戶提供汽 車槽車和鋼瓶?jī)煞N充裝設(shè)施。高壓法和中壓法還存在投資高，電耗高，貯存不安全等缺點(diǎn)，已逐步為低壓法所取代。 目前國(guó)外普遍采用低壓法生產(chǎn)液體 CO2，這是因?yàn)槭称?CO2的純度要求越來(lái)越高，很多用戶要求純度在 ％以上，用高壓法和中壓法生產(chǎn)很難滿足純度要求。 CO2在常壓常溫下為無(wú)色無(wú)味的氣體，氣態(tài) CO2加壓到一定壓力并進(jìn)行冷卻，可變成液體 CO2。本工藝以合成氨中多余的氣體為原料氣。雖然這些雜質(zhì)有一定的水溶性，但要靠洗滌和洗附達(dá)到 ppm級(jí)，難度大，不易穩(wěn)定，新國(guó)家食品二氧化碳和國(guó)際飲料技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中要求醇類＜ 10106（ V）、醛類＜ 10其它含氧有機(jī)物＜ 106(有機(jī)酸類、酯類、酮、醚等 )。 高濃度二氧化碳原料氣 此類原料氣的純度一般都在 98%以上，雜質(zhì)少，特別是可燃性的氫、一氧化碳雜質(zhì)少，在脫烴凈化補(bǔ)氧時(shí)，可以采取加空氣的形式補(bǔ)氧，少量的空氣對(duì)各類消耗影響小，流程相對(duì)簡(jiǎn)單，投資省，有尿素生產(chǎn)的企業(yè)特別適合生產(chǎn)生產(chǎn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)食品級(jí)二氧化碳。我們根據(jù)此類原料氣主要雜質(zhì)成份沸點(diǎn)比二氧化碳低的特點(diǎn)，采用預(yù)提純工藝將其與二氧化碳分離并回收，提高進(jìn)脫烴凈化裝置的二氧化碳純度。外購(gòu)氧氣，費(fèi)用大，操作復(fù)雜。唯有采用燃燒法才可以徹底去除，并不受原料變化影響。 合成氨廠變壓吸附脫碳排放的二氧化碳原料氣 此類原料氣二氧化碳濃度一般在 20～ 30%，主要是合成氨廠變壓吸附脫碳?xì)猓渥畲蟮奶攸c(diǎn)是原料中烴、苯等對(duì)人體有毒有害的雜質(zhì)都嚴(yán)重超標(biāo)，一般都超出指標(biāo)幾百甚至幾千倍。變壓吸附法預(yù)處理提濃雖然不增加對(duì)人體有毒有害雜質(zhì)，但受其工藝影響，所得的原料二氧化碳純度較低，且不穩(wěn)定。而且由于操作壓力高，雜質(zhì)分壓也高，會(huì)大量溶解在液體二氧化碳中，產(chǎn)品純度低。由于濃度低，要想在淺低溫下液化，如 12℃ 液化，則要求二氧化碳必須具有約 Mpa(絕壓 )，那么，液化時(shí)的總壓至少應(yīng)＞ Mpa。 比較以上各種提純 CO2的方法，本設(shè)計(jì)采用低溫提純法來(lái)提純 CO2。其特點(diǎn)是：在特定條件下利用催化氧化的原理，將原料氣中的所有可燃性雜質(zhì)與氧發(fā)生氧化反應(yīng)而加以脫除 (特別是那些沸點(diǎn)比二氧化碳高的有毒有害雜質(zhì)，如多碳烴、醛、醇等含氧有機(jī)物 )，燃燒后產(chǎn)物是水和二氧化碳，由于燃燒反應(yīng)徹底，為這些雜質(zhì)的徹底去除 提供了技術(shù)保證。 （ 5）復(fù)合分離法 復(fù)合分離法是采用兩種以上的 CO2分離回收技術(shù)。因此，只要將其壓力增加到 ，溫度低于 ℃ ，就可使 CO2變成液態(tài)，從而進(jìn)行有效的分離。 （ 4）低溫 精餾 法 低溫提純法是利用 CO2與其它雜質(zhì)氣體在一定溫度下沸點(diǎn)的不同，利用提純的原理，低沸點(diǎn)的組分從提純塔頂部放空，液體 CO2在底部聚集提高產(chǎn)品純度的方法 [8]。由于混合氣體中各組分分子與吸附劑表面活性點(diǎn)的引力具有差異，當(dāng)混合氣體在一定壓力下通過(guò)吸附床所載的吸附劑時(shí)，吸附劑對(duì) CO2進(jìn)行選擇性吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì) CO2的分離、回收。物理溶劑吸附法是根據(jù)亨利定律，在一定溫度下， CO2在某些溶液中的濃度與液面上該氣體的平衡壓力成正比，依此規(guī)律按照物理溶解的方法實(shí)現(xiàn) CO2的分離與回收。按照吸收分離原理不同，分為化學(xué)溶劑吸收法和物理溶劑吸附法。 食品級(jí)液態(tài) CO2的生產(chǎn)方法 根據(jù)生產(chǎn)原理，工業(yè)上從廢氣中分離回收生產(chǎn) CO2的常用方法有：溶劑吸收法、吸附分離法、膜分離法、低溫 精餾 法和其它方法等。 9 第 二 章 工藝流程設(shè)計(jì) 食品級(jí)液體 CO2的生產(chǎn)方法，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是凈化和液化過(guò)程。排放多余 CO2，不僅破壞了生態(tài)環(huán)境，又浪費(fèi)了大量 CO2資源。 綜上所述，隨著 CO2應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大， CO2的工業(yè)需求和食品需求將會(huì)大幅度提高，市場(chǎng)前景十分廣闊。 從消費(fèi)領(lǐng)域來(lái)看，今后幾年仍以飲料、食品保鮮、卷煙、焊接為主。目前河北省內(nèi)及周邊山東省 CO2生