合成氨脱碳工艺毕业论文

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4万m/h合成氨原料气脱碳工艺设计

一 总论

1.1 概述

碳酸丙烯酯脱碳脱碳一般是由吸收、闪蒸、气提和气相中带出的溶剂回收等部分组成。用碳酸丙烯酯脱除变换气中二氧化碳，合成氨厂都是采用一次吸收就可以满足工艺要求，吸收过程简单，而溶剂再生过程则较为复杂一些，在设计中不做讨论。碳酸丙烯酯脱碳受气体溶解热、温度、二氧化碳浓度、操作压力和汽液比的影响较大，其中气体溶解度对碳酸丙烯酯脱碳的影响，从理论上讲只是局部的，即在吸收过程中，由于原料气中二氧化碳、硫化氢等酸性气体溶解于溶剂中并释放出溶解热使溶剂温度升高。但在溶剂再生时，由于溶解的二氧化碳、硫化氢等酸性气体几乎会全部释放出来，此时由于解吸吸热，又会使溶剂温度回跌。这样吸收升温和解吸降温基本上可以抵消。虽然气体的溶解或解吸效应并不影响溶剂的最终温度，但是它们对不同过程中的溶剂温度还是有影响的。温度对脱碳的影响是十分明显的，在合成氨生产中，降低脱碳工序的操作温度，无疑对脱除变换气中的二氧化碳有利，这是因为，降低温度，使希望脱除的二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度增加，而作为合成氨原料气的氢、氮气的溶解度降低，其结果是减少了溶剂的循环量和减少了氢、氮气的损失，提高了经济效益。在同样温度下，二氧化碳、硫化氢这些工艺气体的溶解度随压力升高而增大。当碳酸丙稀酯浓度一定，二氧化碳溶解度还与气相中二氧化碳含量有关，当气相中二氧化碳含量逐渐增大，则它在碳酸丙烯酯中的溶解度也逐渐升高。这说明纯态下的二氧化碳气体将大于混合气体中的二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度。吸收气液比对工

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艺过程的影响主要表现在工艺的经济性和气体的净化质量。若气液比增大，意味着在处理一定量的原料气量时，所需的溶剂量就可以减少，在要求达到一定净化度时，吸收气液比大，则相应的降低了吸收推动力，在单位时间内吸收同样的二氧化碳就需要增大脱碳塔设计容量，从而增大了塔的造价。对于一定的脱碳塔，吸收气液比增大后，净化气中二氧化碳含量增大，影响净化气的质量。所以在生产中应根据净化气中二氧化碳含量要求，调节吸收气液比至适宜值。

1.2 文献综述

碳酸丙烯酯法脱碳工艺自60年代开发以来，由于能同时脱除二氧化碳、硫化 氢及有机硫化物，加之再生能耗等优点，在国外的天然气、合成气和制氢工业上，已广泛应用。在国内，最先是在小型合成氨装置中用以代替加压水洗，对老合成氨厂水洗工艺进行改造，使脱碳能耗降低。近几年来，在我国年产4万吨小尿素、小纯碱装置的合成氨配套工程中，用碳酸丙烯酯法脱出变换气中二氧化碳，得到了良好的效果：工程投资省、工艺流程简单、运行可靠、溶剂无毒害、浓溶剂对碳钢无腐蚀、再生不耗热、回收的二氧化碳浓度高，回收率可以满足尿素及纯碱生产的需要等优点，因而得到推广。

实际上，碳酸丙烯酯法有其一定的适用范围，适合于气体中CO2分压>0.5MPa，温度较低的条件下，同时对气体净化度要求不高（出口CO2>1%）,只有在此条件下使用碳酸丙烯酯法才是经济的。 1.3 设计依据

4万m3/h合成氨原料气的脱碳工艺设计

操作温度为：35℃

操作压力为：1.6MPa

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二 工艺流程说明

碳酸丙烯酯脱碳工艺流程一般由吸收、闪蒸、汽提（即溶剂再生）和气相中带出的溶剂回收等部分组成。（见下图）参考[4]

净化气一级闪蒸气排放气净化气旋液板水水洗段吸收塔一级闪蒸槽水水水洗水段水常压闪蒸水水处理塔稀液水冷器少量废水水气提塔提纯后的碳酸丙烯酯含油提纯后的PC少量重杂质原料气涡轮机碳酸丙烯酯风机蒸汽冷凝水循环液泵碳酸丙烯酯法脱二氧化碳工艺流程图 吸收过程：由氮氢压缩工段来的约1.6MPa的变换气，经油分离器再次分离 气体中的油沫后，从脱碳塔底部进入，变换气与塔中喷淋的碳酸丙烯酯液逆流接触，变换气中大部分的二氧化碳被碳酸丙烯酯溶液吸收，出脱碳塔的净化气中含

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CO2<2.0%.再经碳酸丙烯酯回收器、碳酸丙烯酯分离器除去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送出工段去氮氢气压缩工段。

吸收了CO2后的碳酸丙烯酯富液从脱碳塔底引出并减压进入闪蒸槽，闪蒸出溶解于富液中的H2、N2、CO及部分CO2气体。闪蒸气经碳酸丙烯酯捕集器除去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送往氮氢气压缩工段予以回收，闪蒸后的碳酸丙烯酯富液进入常解再生塔上段常解塔进行二氧化碳解析。出塔常解气含CO2>98%由汽提鼓风机补入防腐空气后常解气含CO2>95.7%(干基CO2气体含氧量为0.5～0.6%)，再经罗茨鼓风机加压后，送至洗涤塔上洗去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送往尿素装置的CO2压缩工段。

常解后的碳酸丙烯酯溶液溢流进入常解再生塔下塔顶部与汽提鼓风机送入塔内的空气逆流接触，进一步气提出残留于富液的二氧化碳。汽提气经洗涤塔下塔去气体中的碳酸丙烯酯雾沫后放空。出常解再生塔的碳酸丙烯酯贫液至中间贮槽再经脱碳泵加压到约2.1MPa,经溶剂冷却器冷至35℃送入脱碳循环使用。

闪蒸是在低于吸收操作压力下使溶于溶剂中的气体解吸出来的过程。是物理溶剂再生方法中最常用的方法。闪蒸的另一目的是为了回收溶于溶剂中的某些气体组分，如：氢气、甲烷等。由于各种气体组分在碳酸丙烯酯中具有不同的溶解度和平衡规律，因此可以通过控制闪蒸压力来控制闪蒸气中各组分的比例及各组分的解吸量。一般情况下，难溶气体易于闪蒸解吸。根据这个原理，可通过一至几级不同压力等级的减压，使溶于溶剂中的不同气体组分在解吸时得到相对是分离和提纯，这样，工业上就可以按要求分别回收到各种气体组分。闪蒸级数的确定往往与回收气体的种类、数量和纯度有关，每一级的闪蒸压力都不同。从吸收塔富液的第一级闪蒸到压力递减到常压。各级闪蒸压力在确定后，如果溶剂在该闪蒸气中有充足的停留时间，那么溶于该溶剂中的各种气体组分将充分解吸，直接趋近于这些气体在该温度、该组分气相分压时的平衡溶解度。如在合成氨变换气的脱碳工艺上，往往设置二级至三级减压闪蒸。第一级减压闪蒸（如0.5MPa）是为了回收溶于溶剂中的氢气和氮气，第二级减压闪蒸（如常压）是为了回收二氧化碳，同时使溶剂中的酸气（二氧化碳）等浓度降低，以达到再生溶剂的目的。当原料气中二氧化碳分压为0.5MPa左右时，经溶剂吸收，再通过减压闪蒸（包括常压闪蒸），一般可将二氧化碳吸收量的75%左右解吸出去，剩余的25%左右

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将从汽提塔中吹出。如生产上需要多回收一些高纯度的二氧化碳气体。可在常压闪蒸后再增设真空闪蒸。

吸收过程和溶剂再生过程是碳酸丙烯酯脱碳脱硫工艺中最基本的两个环节。 碳酸丙烯酯溶液的再生原理：当二氧化碳分压在2.0MPa以下时，碳酸丙烯酯吸收二氧化碳基本上符合亨利定律：CCO2?HCO2?PCO2,提高吸收压力，平衡溶解度增加，对原料气净化有利。与吸收过程相反，降低压力可使溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳气体解吸出来，溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳等气体的解吸过程即称为碳酸丙烯酯富液的再生。在低于吸收操作压力下时溶于溶剂中的气体解吸出来时物理溶剂再生中最常用的方法。再生度是指碳酸丙烯酯富液经再生后，残留在溶剂中的二氧化碳的含量，含量越低，则再生度越高。常压闪蒸后的溶剂再经过汽提的再生工艺，是目前碳酸丙烯酯脱碳工艺中采用最普遍的一种。我国合成氨厂配尿素、纯碱的脱碳工艺基本上如此。汽提所用的惰性气体为空气。为了保证吸收工序后净化气中二氧化碳含量在2%左右。所以溶剂的再生度要求较高。脱碳过程中的能量回收：在碳酸丙烯酯脱碳过程中，有汽液料的升压和降压过程，为了合理采用工艺本身的能量再流程图上，应考虑相应的能量回收装置。

真空再生：常压解吸—空气汽提碳酸丙烯酯溶剂再生工艺存在着一些缺点，由于碳酸丙烯酯富液中残留的二氧化碳等气体靠大量空气汽提赶走，因而给生产过程带来许多副作用：

其一 采用常解压空气汽提再生工艺，二氧化碳的回收率不高，一般为70%左右；

其二 空气汽提的气量一般为碳酸丙烯酯富液的6～10倍，大量空气带走碳酸丙烯酯雾沫，造成溶剂的讯号增加、损耗增加，其损耗量约占整个碳酸丙烯酯溶液损耗的一半，从而增加了运行费用；

其三 由于采用空气汽提，碳酸丙烯酯贫液中溶解的氧使吸收后的净化气中氧含量增加，经分析为0.1%～0.2%，影响了后工序铜洗操作，使铜比下降，铜液循环量比生产碳铵时增加近20%；

其四 小合成氨厂变换气中硫化氢的含量一般在80～150mg/m3(标)，在脱碳时这些硫化氢也被吸收，经空气汽提时，便以单质硫析出，造成堵塞管道和填料，影响工艺操作的正常进行，严重时不得不停车进行清理。

另外，由于空气中含有水分，尤其是相对湿度较大的地区，容易造成系统中水不平衡，使碳酸丙烯酯浓度降低，吸收能力下降，由于溶剂中水分含量增加，还易造成对设备的腐蚀等。

针对以上情况，为提高脱碳装置二氧化碳回收率，减少碳酸丙烯酯损失，防止因

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求得温度与假设相近，可以接受 3.5 最终衡算结果

输入项

入塔气及其组成（35℃）

V1=40000Nm3/h=40000/22.4×18.809=33587.5kg/h Qv1=1963750 KJ/h M1=18.809 CO2 11372.00 28.23 CO 480.00 1.20 H2 20952.00 52.38 N2 6792.00 16.89 CH4 404.00 1.01 Nm3/h 40000 100% 入塔液及其组成（35℃） L2=1154989+573.3=1155562.3kg/h QL2=57674114kg/h CO2 291.91 CO — H2 — N2 — CH4 — Nm3/h 291.91 CO2的溶解热

VCO2=9602Nm3/h=16894.3kg/h QS=5627136KJ/h

Gi=V1+L2=1189150kg/h Qi= Qv1+QL2+QS=65265000KJ/h 输出项

出塔气及其组成（～35℃） V2=28717.2Nm3/h=11768.9kg/h Qv2=1310441KJ/h

M2=9.18

CO2 368.895 1.28 CO 459.55 1.60 H2 20833.557 72.54 N2 6677.422 23.25 CH4 383.372 1.33 Nm3/h 28722 100% 出塔液及溶解气组成（37℃） L1=1176905.5kg/h

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QL1=63944218KJ/h

MS=43.117

CO2 10744.5 96.90

CO 28.8 0.26 H2 155.2 1.40 N2 139.7 1.26 CH4 18.8 0.17 Nm3/h 11088.194 100% 出塔液夹带气组成（37℃） V夹=194.606Nm3/h=163.4kg/h QV夹=10340.1KJ/h

M夹=18.81

CO2 55.32 28.23 CO 57.66 1.20 H2 11.93 52.38 N2 33.04 16.98 CH4 1.97 1.01 Nm3/h 194.6 100% G0=V2+L1=1188674.4 kg/h Q0=QV2+QL1+QV夹=65265000 KJ/h 3.6 总结

（1）通过对脱碳填料塔的物热衡算知，碳酸丙烯酯脱碳为高浓度、多组分、非等温的物理吸收过程，PC除了要吸收CO2外，对其他气体都有不同程度的溶解吸收作用，因CO、H2、N2、CH4等气体在PC中的溶解度比CO2小得多（其总量不超过5%）故可以将多组分吸收的问题简化为单组分吸收的计算，所致误差工程上可以接受

（2）CO2在PC中的溶解热不能被忽略，因此，在吸收塔内存在一个温度分布，在塔的各个截面上，其相平衡常数各不相同，塔内的温度分布可通过物热衡算算出。

（3）在衡算过程中，虽然有些简化假设，但衡算结果与生产实际基本相符，所以可作为吸收塔设计的计算依据。

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四 主设备计算

工业上使用填料塔较普遍，本工艺计算方法按填料塔计算 经比较，选DG50mm聚丙烯阶梯环（米字筋）， 查文献[5]，得：A=0.204，干填料因子已知条件；进塔变换气量40000Nm3/h

碳酸丙烯酯循环量973.03m3/h 脱碳塔操作压力1.6MPa

a?3=143.3m-1, 比表面积at=114.2m2/m3

4.1 物性数据

混合气体的重度：

T0P(?MiYi)i?1n?G?式中

22.4TZn

?G—混合气体的密度，kg/m3 T0—标准状态下温度，273.15K T—混合气体温度，K P—混合气体压力，atm Zn—压缩系数，Zn =1 Mi—混合气体中i气体分子量 Yi—i气体在混合气体中的mol%

?MY=18.809kg/kmol

iii?1n 18

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?G?混合气体的粘度：

273.15?16?18.809=11.9148kg/m3

22.4?308?1 ?G??y?ii?1nii?1nli(Mi)0.5

0.5i?y(M)?li??ogi(?Li—i气体粘度，cp

T)m 273.15?ogi—i气体在0℃，常压时的粘度，cp m—关联式指数

0℃时常压气体的粘度?ogi如下表：

气体 CO2 1.34×10-2 CO 1.66×10-2 H2 0.84×10-2 N2 1.66×10-2 CH4 1.20 ?ogi(mpa﹒s) 关联式指数m如下表： 气体 m值 CO2 0.935 CO 0.758 H2 0.771 N2 0.756 CH4 0.763 计算得：?co2=1.50×10-2mpa﹒s ?co=1.82×10-2mpa﹒s

?H2=0.92×10-2mpa﹒s ?N2=1.82×10-2mpa﹒s

?CH=1.32×10-2mpa﹒s

4?y?ii?1nli(Mi)0.5=5.32×10-2

得：yco2?CO2(MCO2)0.5=2.83×10-2

yco?CO(MCO)0.5=0.12×10-2

yH2?H2(MH2)0.5=0.68×10-2 yN2?N2(MN2)0.5=1.64×10-2

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yCH4?CH4(MCH4)0.5=0.05×10-2

?y(M)iii?1n0.5=3.63 =1.89

yCO(MCO)0.5得：

yCO2(MCO2)0.5=0.06

yH2(MH2)0.5=0.74

yN2(MN2)0.5=0.90 yCH4(MCH4)0.5=0.04

5.32?10?2所以 ?G==1.47×10-2 mpa﹒s

3.63二氧化碳的扩散系数：

先由双元扩散系数关联式求出CO2气体在i气体中的扩散系数，然后再求 CO2在混合气体中的扩散系数 由公式：

0.001T1.75 DCO2?1112(?)MCO2Mi?(?V)i]132P[(?V)3CO21

式中：(?V)CO2、(?V)i—CO2气体、i气体的分子扩散体积，见下表

气体 分子扩散体积?V CO2 26.9 CO 18.9 H2 7.07 N2 17.9 CH4 16.1 由表得： DCO2?CO=0.047 DCO2?H2=0.264

DCO2?N2=0.0489 DCO2?CH4=0.063

二氧化碳在气体中的扩散系数：

1?yCO21?0.2843? DG?n=1.83cm2/s=0.183×10-3m2/s yi0.392?i?1DCO2?i计算得：

yCODCO?CO=0.055

yH2DCO?H2=0.053

yN4DCO?N4=0.257

yCH4DCO?CH4=0.027

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