【正文】 10 第三章 生產(chǎn)流程的簡述 氣體流程 原料氣流程 變換氣首先進入變換氣冷卻器進行降溫，然后進入油水分離器底部洗去變換氣中的大部分油污及部分硫化物，并將氣體進一步 降 溫，同時降低變換氣中飽和水蒸汽含量。但這種效果隨著工藝配置、設(shè)備、操作狀況，處理規(guī)模和目的的不同而差異較大。與水洗法相比可節(jié)省電耗 150250KWh/t NH3，可節(jié)省操作費 1025 元 /t NH3。碳丙溶劑對 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。因此，很快得到了推廣，并擴大了應(yīng)用范圍，技術(shù)上也趨于成熟。加之 9 PC 法在工藝上與水洗法相似，改造費用低，很快在一些小氮肥企業(yè)中推廣應(yīng)用；第二階段，20 世紀 90 年代以來，隨 著小化肥改變碳銨單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，適應(yīng)市場需要，采用脫碳增氨轉(zhuǎn)產(chǎn)尿素或聯(lián)醇等方法，以提高經(jīng)濟效益，增強小化肥的竟?fàn)幠芰?。總脫碳能力約 300 萬噸合成氨 /年，其中配尿素型應(yīng)用較多，占 60%左右，至今該法仍是聯(lián)堿、尿素、磷銨等合成氨廠使用最廣的脫碳方法，其開工裝置數(shù)為 MDEA、 NHD 法總和的數(shù)倍。據(jù)初步統(tǒng)計，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。 碳酸丙烯酯（ PC）法脫碳工藝基本原理 PC 法脫碳技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀 PC 為環(huán)狀有機碳酸酯類化合物，分子 CH3CHOCO2CH2，該法在國外稱 Fluor 法。因此對脫碳路線的選擇需要從多方面進行權(quán)衡，從而制定出最為合適的設(shè)計路線。 合成氨中脫碳方法很多，而且各有自己的利弊。 (1)環(huán)丁砜法 環(huán)丁砜法中所使用的溶劑是由環(huán)丁礬、二異丙醇胺與水組成，能同時吸收 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。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。 8 該法 CO2的回收率較高，能耗較低，但投資費用較高。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。在每次循環(huán) 中，每個吸附塔依次經(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?？捎么朔ǜ脑煨⌒桶睆S，降低能耗，在大型氨廠使用顯得困難 [8]。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，進行（加壓）吸附 CO2或（減壓）解吸。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。 (1)低溫甲醇洗法 低溫甲醇洗工藝由德國林德公司（ Linde）和魯奇公司（ Lurgi）開發(fā)，是利用甲醇溶劑對各種氣體溶解度的顯著差別，可同時或分段脫除 H2S、 CO2 和各種有機硫等雜質(zhì)，具有氣體凈化度高、選擇性好、溶液吸收能力強，操作費用低等特點，是一種技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的氣體凈化工藝 [7]。物理吸收法主要有 Selxeol 法、 Elour 法、變壓吸附法及低溫甲醇法等 [6]。相對化學(xué)吸收法，物理洗滌法的最大優(yōu)點是能耗低， CO2 不與溶劑 7 形成化合物，減壓后絕大部分 CO2被閃蒸出來，然后采用氣提 或負壓實現(xiàn)溶劑的完全再生。苯菲爾法可在高溫下運行，再生熱低，添加的 V2O5 可防腐蝕，但該工藝需對設(shè)備進行釩化處理，要求工人的操作水平較高，并且浪費溶劑，能耗大，特別蒸汽用得多，有效氣體損失也大，運行成本高等缺點。國內(nèi)新建的以天然氣為原料的大型合成氨裝置，脫碳系統(tǒng)也多采 用低熱耗苯菲爾工藝。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。 但它本身存在兩個缺點：（ 1） CO2 能與吸收反應(yīng)生成的碳酸化合物發(fā)生進一步反應(yīng)生成酸式碳酸鹽，該鹽較穩(wěn)定，不易再生；（ 2） CO2 能與 MEA 發(fā)生副反應(yīng)，生成腐蝕性較強的氨基甲酸醋，容易形成污垢。吸收過程中， MEA 與 CO2發(fā)生反應(yīng)生成碳酸化合物，經(jīng)過加熱即可將 CO2分解出來。 （ 1）烷鏈醇胺類的脫碳工藝主要是乙醇胺 (MEA)法； （ 2） 碳酸鉀溶液作吸收劑的脫碳工藝，即熱鉀堿脫碳工藝有： ① 苯菲爾法； ② Flexsorb法 [4]等?；瘜W(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。 設(shè)計的依據(jù) 本課題是根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，并結(jié)合自己在實習(xí)中收集的資料和數(shù)據(jù)而設(shè)計。 CO2 是一種酸性氣體，對合成 氨合成氣中的 CO2脫除，一般采用溶劑吸收的方法。 合成氨脫碳的方法概述 在合成氨的整個系統(tǒng)中，脫碳單元為系統(tǒng)關(guān)鍵項，脫碳工序運行的好壞，直接關(guān)系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。 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。由再生塔頂出來的 CO2，經(jīng)空冷器 和水冷器，氣體溫度降至 40℃ ，再經(jīng)二氧化碳分離器除去冷凝水，送到尿素車間作原料。為了防止氣體夾帶出脫碳液，脫碳后的液體進 5 人洗滌塔，用軟水洗去液沫后再進入甲烷化換熱器。 由變換工序來的低變氣進脫碳系統(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。在合成氨中，脫碳單元處于承前啟后 的關(guān)鍵位置，其作用既是凈化合成氣，又是回收高純度的尿素原料 CO2。 文獻綜述 合成氨脫碳 在合成氨工業(yè)中，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。在原料方面，由單一的焦炭發(fā) 展到煤、天然氣、焦?fàn)t氣、石油煉廠氣、輕油和重油等多種原料制氫。 中國的合成氨工業(yè)是在 20 世紀 30 年代開始的，當(dāng)時僅在南京和大連兩地建有規(guī)模不大的兩個合成氨工廠，此外在上海還有 一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨的小型車間，全國年產(chǎn)量不到 1 萬噸。 從世界燃料儲量來看，煤的儲量約為石油、天然氣總和的 10 倍，自從 70 年代中東石油漲價后，從煤制氨路線重新受到重視，但因以天然氣為原料的合成氨裝置投資低、能耗低、成本低的緣故，預(yù)計到 20 世紀末，世界大多數(shù)合 成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。 70 年代原油漲價后，一些采用石腦油為原料的合成氨老廠改用天然氣，新建廠絕大部分采用天然氣作原料。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤等。合成氨主要消費部門為化肥工業(yè)，用于其他領(lǐng)域的（主要是高分子化工、火炸藥工業(yè)等）非化 4 肥用氨，統(tǒng)稱為工業(yè)用氨。 1982 年，世界合成氨的生產(chǎn)能力為 125Mt 氨 ,但因原料供應(yīng)、市場需求的變化，合成氨的產(chǎn)量遠比生產(chǎn)能力要低。 世界合成氨工業(yè)發(fā)展 20 世紀 50 年代，由于北美成功開發(fā)了天然氣資源，從此天然氣作為制氨的原料開始盛行。合成氨也隨之工業(yè)化，在以后的生產(chǎn)過程中，人們對合成氨的生產(chǎn)工藝進行了不斷改進和完善，如變換工藝的改進。查得利開創(chuàng)性地提出氨合成的條件是高溫、高壓，催化劑存在。 19 世紀末，隨著化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)和催化劑等領(lǐng)域取得一定進展后，對合成氨反應(yīng)的研究有 了新的進展。 合成氨的發(fā)現(xiàn)及其發(fā)展 19 世紀以前農(nóng)業(yè)上所需的氮肥來源主要來自于有機物的副產(chǎn)物和動植物的廢物，如糞便、腐爛動植物等等，隨著農(nóng)業(yè)和軍工生產(chǎn)的發(fā)展的需要，迫切的需要建立規(guī)模巨大的探索性的研究，化學(xué)家們設(shè)想，能不能把空氣中大量的氮氣固定下來，從而開始設(shè)計以氮和氫為原料的合成氨流程。哈爾斯（ HaLes， 16771761） ,用氯化銨與石灰的混合物在以水封閉的曲頸瓶中加熱，只見水被吸入瓶中而不見氣體放出， 1774 年化學(xué)家普利斯德里重做該實驗，用汞代替水來密封，制得了堿空氣（氨），并且他還研究發(fā)現(xiàn)了氨的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氨極易溶于水、可以燃燒，還發(fā)現(xiàn)該氣體通以電火花時其容積增加，而且分解為兩種氣體： H2和 N2，其后 H所以合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個重要部門。 合成氨的工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進了高壓、 3 催化、特殊金屬材料、固體燃料氣化、低溫等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料。合成氨工業(yè)對農(nóng)業(yè)的作用實質(zhì)是將空氣中游離氮轉(zhuǎn)化為能被植物吸 收利用的化合態(tài)氮，這一過程稱為固定氮。目前，世界上氨產(chǎn)量的 85%— 90%用于生產(chǎn)各和氮肥。在農(nóng)業(yè)方面，以氨為主要原料可以生產(chǎn)各種氮素肥料，如尿素、硝酸銨、碳酸氫氨、氯化銨等，以及各種含氮復(fù)合肥料。因此環(huán)保要求空氣中的氨含量在 [1] 。氨在常溫下為氣態(tài)，比空氣輕，易溢出，具有強烈的刺激性和腐蝕性，故易造成急性中毒和灼傷。氨水極不穩(wěn)定，遇熱分解，氨含量為1%的水溶液 PH=。氨在常溫下加壓易液化，成為液氨。 由于本人自身的知識水平和認識水平的有限，書中錯誤與不妥之處，懇請讀者批評指正。 本設(shè)計總的指導(dǎo)思想是：理論聯(lián)系實際、簡明易懂、經(jīng)濟實用。本設(shè)計還詳細的介紹了合成氨脫碳工段的生產(chǎn)原理、工藝流程、工藝參數(shù)、主要設(shè)備、熱量衡算、物料衡算，以及設(shè)備的設(shè)計 與選型等內(nèi)容。 本設(shè)計簡單介紹了合成氨的主要脫碳方法，并通過對比總結(jié)各脫碳方法的優(yōu)缺點，最終確定采用的脫碳方法是碳酸丙烯酯法。 process design 1 引 言 本設(shè)計是《年產(chǎn) 30 萬噸合成氨原料氣脫碳工段的工藝設(shè)計》。 關(guān)鍵詞： 碳酸丙烯酯法；脫碳方法；工藝設(shè)計 II Decarbonization Process design on synthetic ammonia At an output of 300,000 t/a Abstract:The design for decarbonization Process design on synthetic ammonia at an output of 300,000 t/ designate production and the scale of production is Under the guidance of the teacher .The design is bined with the production practice in the collection of various technical indicators of production and references provided data and design main task of this design is the harmful ponents of carbon removal in ammonia synthesis feed design introduces the main approach to decarbonization of ammonia. By paring the advantages and disadvantages of various methods, ultimately determine the decarbonization method is used in propylene carbonate fat process flow, ammonia removal process parameter, main equipment, heat balance, material balance, as well as the size of the equipment and other related main results: the absorption tower diameter 2400mm, height 30000mm. Keywords: propylene carbonate method。設(shè)計了合成氨脫碳工段的工藝流程、工藝參數(shù)、主要設(shè)備、熱量衡算、物料衡算，以及設(shè)備的尺寸等相關(guān)內(nèi)容。本設(shè)計的主要任務(wù)是將合成氨原料氣中的有害成分碳脫除。 本 科 畢