【正文】 O2 (不必加熱)，解吸后的溶液循環(huán)使用。中海石油化學(xué)有限公司合成氨裝置脫碳系統(tǒng)采用改良型苯菲爾流程[5]。從1985年起，己有7套進(jìn)行了用低熱耗苯菲爾工藝改造。低熱耗苯菲爾工藝是由美國聯(lián)碳公司在傳統(tǒng)苯菲爾工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的，采用了節(jié)能新技術(shù)。由美國聯(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。后來有人用氨基乙酸取代As2O3，消除了毒性，成為無毒GV法。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。BAFS公司推出的aMDEA脫碳工藝，主要用于對原來MEA工藝的改造，近幾年我國一些研究單位正在對這方面進(jìn)行積極的研究。活性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BAFS公司氨三廠投入使用在此后的幾年里，另有8套裝置采用了活化MDEA，這些裝置的成功使用，使得aMDEA工藝自1982年后備受歡迎。由于MDEA具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以不需要毒性防腐劑，設(shè)備管道允許采用廉價(jià)碳鋼材料，不需要鈍化過程，耗熱低，設(shè)備管道不需要伴熱盤管，能達(dá)到很好的節(jié)能效果[3]。MDEA法脫碳過程中，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，且無腐蝕性。該法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在一個十分簡單的裝置中，把合成氣中的CO2脫除到可以接受的程度。MEA法是一種比較老的脫碳方法。(l)烷鏈醇胺類的脫碳工藝有：①乙醇胺(monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，MEA)法；②甲基二乙醇胺（methyl diethanolamine，CH3N(CH2CH2OH)2，MDEA）法；③活化MDEA法（即aMDEA工藝）。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。根據(jù)CO2與溶劑結(jié)合的方式，脫除CO2的方法有化學(xué)吸收法、物理吸收法和物理化學(xué)吸收法三大類。脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置和尿素裝置的能力。再生后的脫碳液（貧液），先進(jìn)溶液空冷器，冷卻至65℃左右，由溶液循環(huán)泵加壓，再經(jīng)溶液水冷器冷卻至40℃后，送入二氧化碳吸收塔循環(huán)使用。脫碳塔出來的富液經(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。%。因此合成氨生產(chǎn)中把脫除工藝氣中CO2的過程稱為“脫碳”，在合成氨尿素聯(lián)產(chǎn)的化肥裝置中，它兼有凈化氣體和回收純凈CO2的兩個目的。這些CO2如果不在合成工序之前除凈，不僅耗費(fèi)氣體壓縮功，空占設(shè)備體積，而且對后續(xù)工序有害。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。系統(tǒng)的擴(kuò)能改造工程中，脫碳單元將為系統(tǒng)瓶頸，脫碳運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。以滬天化1000t/d合成氨裝置脫碳單元為例，%以下，以避免甲烷化系統(tǒng)超溫并產(chǎn)生增加能耗的的合成惰氣，同時(shí)將吸收的CO2再生為99%純度的產(chǎn)品CO2。我國合成氨工藝能耗較高，脫碳工藝技術(shù)也顯得比較落后，因此，結(jié)合具體情況，推廣應(yīng)用低能耗的脫除CO2工藝，非常有必要。在合成氨生產(chǎn)過程中，脫除CO2是一個比較重要的工序之一，其能耗約占氨廠總能耗的10%左右。合成氨的生產(chǎn)過程一般包括三個主要步驟: （l）造氣，即制造含有氫和氮的合成氨原料氣，也稱合成氣；（2）凈化，對合成氣進(jìn)行凈化處理，以除去其中氫和氮之外的雜質(zhì)；（3）壓縮和合成，將凈化后的氫、氮混合氣體壓縮到高壓，并在催化劑和高溫條件下反應(yīng)合成為氨。合成氨是一個傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)，誕生于二十世紀(jì)初。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。與其他產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)。合成氨成本中能源費(fèi)用占較大比重，合成氨生產(chǎn)的技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)放在采用低能耗工藝、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化劑、降低氨合成壓力、開發(fā)新的原料氣凈化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位熱能等。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(jià)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(jì)到20世紀(jì)末，世界大多數(shù)合成氨廠仍將以氣體燃料為主要原料。對原有合成氨裝置進(jìn)行改擴(kuò)建，利用國家對農(nóng)業(yè)的傾斜政策，節(jié)能技術(shù)改造見效快、可很快提高企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，改擴(kuò)建改造會給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。與國外比較，我國氮肥行業(yè)主要存在一些比較嚴(yán)重的問題，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?。但人均耕地面積只有世界平均水平的47%，而人口在本世紀(jì)中葉將達(dá)到約16億，糧食始終是至關(guān)重要的問題。但是，由于在我國合成氨工業(yè)中，中小型裝置多，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，國產(chǎn)化水平低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的迫切需要，因此，開發(fā)新技術(shù)的同時(shí)利用計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型來提高設(shè)汁、生產(chǎn)、操作和管理等的核算能力，促進(jìn)設(shè)計(jì)、管理和生產(chǎn)操作的優(yōu)化，從而推動合成氨工業(yè)發(fā)展，提升整體技術(shù)水平，己成為國內(nèi)當(dāng)前化學(xué)工程科研、工程設(shè)計(jì)的重要課題。 我國合成氨工業(yè)始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過多年的努力，我國的合成氨工業(yè)得到很大的發(fā)展，建國以來合成氨工業(yè)發(fā)展十分迅速，從六十年代末、七十年代初至今，我國陸續(xù)引進(jìn)了三十多套現(xiàn)代化大型合成氨裝置，已形成我國特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。我國是一個人口大國，農(nóng)業(yè)在國民經(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。世界上85%的合成氨用做生產(chǎn)化肥，世界上99%的氮肥生產(chǎn)是以合成氨為原料。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 年產(chǎn)30萬噸合成氨脫碳工段工藝設(shè)計(jì)I陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄 1 緒 論 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 5 5（PC）法脫碳工藝基本原理 5 5 5 5 5 6 PC法脫碳技術(shù)發(fā)展趨勢 6 72 全廠總平面的布置和設(shè)計(jì) 8 8 8 8 8 83 吸收塔和解吸塔的物料衡算和熱量衡算 10 10 PC的密度與溫度的關(guān)系 10 PC的蒸汽壓 11 PC的黏度 11 11 11 溶劑夾帶量 11 溶液帶出的氣量 11 11 12 12 12 12 12 12 12 13 CO2的溶解熱 13 134 吸收塔和解吸塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 14 14 14 14 14 14 15 15 15 氣相傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 16 氣相總傳質(zhì)單元高度 16 20 20 21 22 22 22 22 22 22 22 23 23 23 23 24 24 24 24 25 25 29 29 29 30 31 315 塔內(nèi)件機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核 32 32 32 32 33 34 36 36 37 39 39 40 40 40 41 41 42 44 45 45 47 486 輔助設(shè)備設(shè)計(jì)與選取 49 49 49 50 50 50 50 50主要符號說明 51參考文獻(xiàn) 52附圖 53致謝 54陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒 論1898年，（又稱石灰氮），進(jìn)一步與過熱水蒸氣反應(yīng)即可獲得氨： CaCN2＋3H2O（g）→2NH3（g）＋CaCO3在合成氨工業(yè)化生產(chǎn)的歷史中，合成氨的生產(chǎn)規(guī)模（以合成塔單塔能力為依據(jù)）隨著機(jī)械、設(shè)備、儀表、催化劑等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展而有了極大提高。50年代以前，最大能力為200噸/日，60年代初為400噸/日，美國于1963年和1966年分別出現(xiàn)第一個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。雖然全球一體化的發(fā)展減少了用戶的選擇范圍，但市場的穩(wěn)定性卻相應(yīng)地增加了，世界化肥生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是越來越集中到那些原料豐富且價(jià)格便宜的地區(qū)，中國西北部有蘊(yùn)藏豐富的煤炭資源，為發(fā)展合成氨工業(yè)提供了極其便利的條件。氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要量最大的化肥之一，合成氨則是氮肥的主要來源，因而合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的位置。目前我國合成氨產(chǎn)能和產(chǎn)量己躍居世界前列。我國的合成氨原料主要集中在重油，天然氣和煤，到目前為止，中國化肥產(chǎn)量己居世界第一位?；蕦r(nóng)作物的增產(chǎn)作用己為大家所公認(rèn)，中國施肥水平還有很大的提高空間，尤其是中西部市場。進(jìn)入WTO后，氮肥行業(yè)這種結(jié)構(gòu)性矛盾日趨顯著，成為影響行業(yè)發(fā)展的一個主要因素。原料路線的變化方向。節(jié)能和降耗?，F(xiàn)在已提出以天然氣為原料的節(jié)能型合成氨新流程多種。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。中國開發(fā)的用氨水脫除二氧化碳直接制碳酸氫銨新工藝，以及中國、意大利等國開發(fā)的變換氣氣提法聯(lián)合生產(chǎn)尿素工藝，都有明顯的優(yōu)點(diǎn)。就世界范圍來說，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。其生產(chǎn)工藝流程包括：脫硫、轉(zhuǎn)化、變換、脫碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及輸人氨庫和氨吸收八個工序[1]。因此，脫除CO2，工藝的能耗高低，對氨廠總能耗的影響很大，國外一些較為先進(jìn)的合成氨工藝流程，均選用了低能耗脫碳工藝。在最終產(chǎn)品為尿素的合成氨中，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。在此過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。脫碳系統(tǒng)的能力將影響合成氨裝置的能力，必須同步進(jìn)行擴(kuò)能改造。用天然氣（甲烷)為原料的烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法所得的CO2量較少，合成氣中CO2濃度在1520%。此外，CO2還是重要的化工原料，如合成尿素就需以CO2為主要原料。由變換工序來的低變氣進(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。為了防止氣體夾帶出脫碳液，脫碳后的液體進(jìn)人洗滌塔，用軟水洗去液沫后再進(jìn)入甲烷化換熱器。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。在合成氨的整個系統(tǒng)中，脫碳單元將為系統(tǒng)關(guān)鍵主項(xiàng)，脫碳工序運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到整個裝置的安全穩(wěn)定與否。CO2是一種酸性氣體，對合成氨合成氣中CO2的脫除，一般采用溶劑吸收的方法。化學(xué)吸收法即利用CO2是酸性氣體的特點(diǎn)，采用含有化學(xué)活性物質(zhì)的溶液對合成氣進(jìn)行洗滌，CO2與之反應(yīng)生成介穩(wěn)化合物或者加合物，然后在減壓條件下通過加熱使生成物分解并釋放CO2，解吸后的溶液循環(huán)使用。化學(xué)吸收法常用于CO2分壓較低的原料氣處理。（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無毒GV法；②苯菲爾法；③催化熱鉀堿（Cata carb）法；④Flexsorb法[2]。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。但它本身存在兩個缺點(diǎn)：（1） CO2能與吸收反應(yīng)生成的碳酸化合物發(fā)生進(jìn)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(qiáng)的氨基甲酸醋，容易形成污垢。相對其它工藝，MDEA法有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能耗和生產(chǎn)費(fèi)用低；（2）脫碳效率高，凈化氣中CO2含量可小于100ppm；（3）使用范圍廣，可用于大、中、小各型合成氨廠；（4）溶劑穩(wěn)定性好；（5）溶劑無毒、腐蝕性極??；（6）能同時(shí)脫硫。在MDEA溶液中添加少量活化劑即為aMDEA法，活化劑為瞇哇、甲基咪哇等，濃度約為25%。我國在大型裝置中使用MDEA脫碳工藝，烏魯木齊石化公司化肥廠屬于首例[4]。相對上述脫除CO2的吸收劑溶液，碳酸鉀溶液更價(jià)廉易得，并具有低腐蝕，操作穩(wěn)定，吸收CO2能力較強(qiáng)等特性。其中如無毒GV法工藝就是由意大利GiammaroVetrocoke公司所開發(fā)，最初使用的活化劑和緩蝕劑為As2O3，但對人體有毒。我國棲霞山化肥廠就采用了這種工藝。我國于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。國內(nèi)在20世紀(jì)70年代引進(jìn)的13套大型化肥裝置中，有10套采用苯菲爾脫碳工藝。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，如錦天化廠、建峰廠、天華公司等。苯菲爾法可在高溫下運(yùn)行，再生熱低，添加的V2O5可防腐蝕，但該工藝需對設(shè)備進(jìn)行釩化處理，要求工人的操作水平較高，并且浪費(fèi)溶劑，能耗大，特別蒸汽用得多，有效氣體損失也大，運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。相對化學(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，然后采用氣提或負(fù)壓實(shí)現(xiàn)溶劑的完全再生。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]。NHD法被認(rèn)為是目前能耗最低的脫碳工藝之一，該法使用的溶劑為聚乙二醇二甲醚的混合物，其分子式為CH3O（CH2CH2O)nCH2，式中n=28。NHD氣體凈化技術(shù)改造系脫除酸性氣體的物理吸收新工藝，適合于合成氣、天然氣、城市煤氣等的脫硫脫碳。(PC)法碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯為吸收劑的脫碳方法。碳酸丙烯酯法具有溶解熱低、粘度小、蒸汽壓低、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕、流程操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。適用于吸收壓力較高、CO2凈化度不很高的流程，國內(nèi)主要是小型廠使用。變壓吸附氣體分離凈化技術(shù)，簡稱PSA（Pressure Swing Adsorption）。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