年产十二万吨合成氨脱碳工段工艺的设计化学系毕业论文设计

邯郸学院本科毕业设计 题 目 学 生 指导教师 年 级 专 业 系 部

年产12万吨合成氨脱碳工段工艺设计冯文慧 梁亚男 讲师 2011级 应用化学 化学系 邯郸学院化学系 2013年6月

郑重声明

本人的毕业设计是在指导教师梁亚男的指导下独立撰写并完成的。毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任；并可以通过网络接受公众查询。特此郑重声明。

毕业设计作者：

年 月 日

摘 要 本设计是年产十二万吨合成氨脱碳工段工艺的设计。二氧化碳是氨合成催化剂的毒物，因此需要把这些杂质除去，同时回收的二氧化碳也可以用于其他化学物质的合成，比如尿素，化肥等。本设计采用改良的碳酸丙烯酯和两段吸收两段再生的工艺来脱除合成气中的二氧化碳，并对吸收液进行再生。设计内容主要包括生产工艺的确定和比较、物料衡算和能量衡算、主要设备的设计与选型。主要设备为二氧化碳吸收塔：上塔径为3.1m，填料层高18m，下塔径为3.6m，填料层高度为12米，全塔填料层总高为30m。通过吸收塔将原料气中的二氧化碳含量降低到1%以下，以满足后续工艺需求。并使用CAD软件绘制带有工艺控制点的流程图和二氧化碳吸收塔设备结构图。

关键词 合成氨 脱碳 碳酸丙烯酯 工艺设计 吸收塔

The Design of 120kt/a Synthetic Ammonia

Purification Section Process

Feng Wen-Hui Driected by Lecturer LiangYa-nan

decarburization section in the design process. The carbon dioxide is harmful to ammonia synthesis catalyst, so it need removal of carbon dioxide in the feed gas, and it can be used for the production of other chemicals for example urea. It uses the developed way of hot solution of aqueous potassium carbonate and the process of two absorbtion and two recovery to remove the carbon dioxide of syngas, and to recover the carbon dioxide from the solution. The content of the design mainly includes the choice of the making technology, mass and energy balance, the design of the equipments and tubes. The main equipment of this design is carbon dioxide absorption tower. The diameter of the upper part of the tower is 3100mm, height of the packing layer is 18m, diameter of the lower part of the tower is 3600mm and the height of the packing layer is 12m. In this way, to make the levels of carbon dioxide in feed gas be reduced to less than 1%, to meet the demand. The process flow chart with control points and synthesis tower assembly were drawn with CAD.

Keywords Synthetic ammonia Decarburization process The hot solution of aqueous

Technological design

目 录

摘 要 ......................................................................................................................................... I 1 前言 ...................................................................................................................................... 1 2 合成氨的概述 ...................................................................................................................... 1 2.1 氨的发现与制取 ............................................................................................................. 1 2.2 氨的性质与用途 ............................................................................................................. 1 2.3 合成氨工业的发展现状 ................................................................................................. 2 2.4 合成氨典型流程 ............................................................................................................. 2 2.5 脱碳在合成氨中的作用和地位 ..................................................................................... 4 3 脱碳方法及工艺的选择 ...................................................................................................... 4 3.1 脱碳方法的选择 ............................................................................................................. 4 3.2 脱碳工艺的选择 ............................................................................................................. 6 3.3 脱碳工段主要设备的选择 ............................................................................................. 6 4 工艺计算 .............................................................................................................................. 7 4.1 工艺条件 ......................................................................................................................... 7 4.2 工艺过程 ......................................................................................................................... 7 5 主要设备的计算与选型 ...................................................................................................... 8 5.1 二氧化碳吸收塔 ............................................................................................................. 8 5.2 二氧化碳再生塔 ........................................................................................................... 11 6 车间布局 ............................................................................................................................ 11 6.1 车间设计任务 ............................................................................................................... 11 6.2 厂房的整体布局设计 ................................................................................................... 12 6.3 车间内辅助室与生活区布局 ....................................................................................... 12 7 脱碳三废的处理初步设计 ................................................................................................ 13 8 初步经济核算 .................................................................................................................... 14 9 结论 .................................................................................................................................... 16 10 附录 .................................................................................................................................. 16

参考 文献 ................................................................................................................................ 17 致 谢 ...................................................................................................................................... 18

年产12万吨合成氨脱碳工段工艺设计

1 前言

目前世界上做为重要化工产品的氨，其在每个国家的国民经济中占有十分重要的地位。随着世界人口的不断增加和经济不断发展，各行各业的化工制品都在不同程度的应用了氨的生产。在各个国家，重要的支柱产业基本上都是氨的合成工业[1]。

氨在工业上具有十分好的前景，大部分用开制作化肥和盐类用品。例如将氨氧化后可以制得硝酸和硝酸盐。那么氨在化纤和塑料工业中的作用更是重要，例如以氨、硝酸以及硝酸盐和尿素等作为氮源，生产化肥产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、液化等系统的制冷济。所以我认为合成氨在国民经济中占有十分重要的地位，在国民经济中占有不可替代的作用[1]。

由于合成氨是一个非常复杂的化学过程，反应极其难于进行，所以对于对于合成氨的过程中，要求极高，合成气含有较多的二氧化碳一氧化碳和二氧化硫等，因为在合成生产中所用的催化剂非常敏感，所以如果二氧化碳有残留或二氧化碳太多，就会在合成氨生产时会使合成氨中所用的催化剂如铁态酶这种物质中毒，如果催化剂中毒会使反应难以进行。此外，因为二氧化碳是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵化肥纤维等的重要原料，所以合成氨中二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务。根据各国现今合成氨技术发展的情况分析，其技术发展将会继续围绕“降低能耗、提高效益，改善环境”的基本目标，进一步集中在“大中型化、低耗能、高产量、无污染、运行短”等方面进行技术的研究开发[2]。

2 合成氨的概述

2.1 氨合成的基本原理

合成氨的最初原料气是氮和氢，经过造气，除尘，变换，净化（脱硫脱碳），精制，合成，最终生产出合格的氨气。

2.2 氨的性质与用途 2.2.1 氨的用途

氨在各行各业都有非常大的用途，例如：生产化肥、合成塑料、制作纤维等等。所以氨的产量是衡量一个国家工业发展的标准，在国民经济中占有重要地位。农业产量的提高依赖于化肥的产量，然而，化肥中最重要的是氮肥，氮肥的主要作用是：提高农作物的抗旱、抗倒，提高农作物的生产速度。所以氮肥至关重要，而氨的产量高低是氮肥产量的关键。另外，氨还可以用在制药行业、纯碱行业、含氮无机盐等各行业。最后，氨氧化物还可以制作硝酸，硝酸是国防的关键，它与提高国防尖端技术密不可分。

2.3 合成氨工业的发展情况

第一个提出合成氨工业的人是德国人，他所用的方法是不通过别的过程，原始气体氢气和氮气在催化剂加压高温的作用下直接合成氨，这个方法历经了一百多年。由于加压和高温不仅使经济效益低，更会使催化剂中毒，所以此方法有待提高。但是加压和高温都有助于反应的进行，所以此后

的一段时间科学家都在研究取一个最适当的温度和压强，在此温度下，催化剂反映效果最好，并且不会中毒，更重要的是减少能源的消耗，经过近一世纪的发展，合成氨技术越来越趋向于完整。从开始的产量低到后来的产量越来越高，是好几代人的辛苦和努力得来的，他们不断探究，不断实验，随着科学技术的日新月异，氨的生产技术有了很大的创新、改革和跨步。从一个高耗能、高污染、低效益的大型企业转化成了一个低耗能、高效益的低碳环保型产业。那么中国的氨生产发展史更是值得借鉴的。中国是一个有着960万平方公里的大国，人口占世界的五分之一（约有13亿），那么这么多人口需要的粮食数量是非常庞大的。怎么来满足人们的需求呢？要求的就是发展农业，而发展农业的关键是化肥的生产产量。所以中国为了找出更符合国情的可持续发展之路，那么必须发展合成氨工业来发展农业问题[3]。

解放初期，中国的国情是工业落后，所以氨工业的生产基本情况是浪费大、产量低，例如：邯郸的一个合成氨化工厂（龙港化工）造气时所用的煤要求的是标准十公分方块，当时有一个筛子，低于和高于十公分的都被筛掉，这样就会造成很大的能源浪费。60年代，为了减少能源浪费，改成5公分的标准煤，后来又经几十年发现，5公分的效果比10公分的反映效果更好，效益有所提高。当时厂子为了生存和发展大胆创新，把5公分转变成了2公分，到最后的0.5公分。此时，一个年产8万吨的合成氨化肥厂在国家低碳环保的大趋势下生存下来。这个化工厂的发展史基本就是中国的合成氨发展史，从高消耗到高产出，中国的化工业发生了翻天覆地的大变化，这与科学家的探究与创新和国家的发展密不可分。通过这个发展史告诉了我们一个道理：创新是中国更好发展的必经之路[4]。

化肥塑料和纤维是化工生产的重要产业，氨主要作为氮肥的生产原料。虽然现在化工产业越来越多，但是随着人民的需求，市场也越来越宽广。中国是一个蕴含大量的煤、石油等原材料的基地，这样就造就了中国会更好的发展氨生产工业[5]。

虽然看似中国化工产业已跃居世界前列，但是在我国，合成氨工业的生产生产规模仍然很小，并且整个工业中产品单一，不能充分利用副产物，而且能耗大，浪费高，污染严重。满足不了市场的需求，根据市场供求关系，必然要优化合成氨的生产技术，我国正向此方向发展，逐步建成了大中型的氮肥生产产业，而且产品越来越多，为此我们不断引入外国的先进技术，除此之外，我国的科学人员正艰苦寻找更适合中国国情的产业链。近年，我国氨合成产量已跃居世界第一位，工艺流程以及技术设备都已经相当成熟，形成了一个既有大型氨生产厂又有小中型生产厂的合理格局。因此，开发新技术从而推动合成氨工业发展，是各个国家努力的方向[6]。

2.4 合成氨工业的发展趋势

根据目前中国的基本国策，我国依然是一个农业大国，其技术发展将会继续以降低能耗、提高产量、减少污染、降低成本为目标，以低碳环保、大型化、自动化、集成化与形成经济生产规模的生产中心主要的发展趋势。那么如何才能做到这一点呢？关键是在工序和设备上，例如：脱碳脱硫工段。究竟如何改进脱碳脱硫工段，国内外都在力求做到更好。主要的方式是：改变吸收剂，改变吸收塔的构型，改变整个工段的能源转化，充分利用废气废液来提高产业效率。

2.5合成氨的生产工艺流程 工艺主要包含[7]：

造气：利用煤将水蒸气转化成半水煤气。

脱碳：脱去原料气中的一氧化碳、二氧化碳（由一氧化碳转化而来）以及一些常见杂质。 脱硫：脱去原料气中的二氧化硫等有毒气体。

[6]

合成氨：合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨，经反应变为氨气。 甲醇：由合成氨工段出来的气体进入甲醇合成车间，利用一氧化碳和催化剂转变为甲醇。 甲醛：由合成甲醇工段出来的气体进入甲醛合成车间，利用一氧化碳和催化剂转变为甲醛。 其典型流程如图2.1[8]

图2.1 合成氨典型流程

在氨生产工段中，关键在脱碳单元，为什么脱氮单元是关键呢？因为，第一，脱碳可以净化合成气，防止催化剂中毒；第二，在脱碳工段可以回收二氧化碳，二氧化碳又可以用作尿素的生产；第三，脱去二氧化碳可以提高合成氨的产量。所以说要想提高氨的产量必须脱去原料气中的二氧化碳，以达到净化气体和回收二氧化碳的目的。

3 脱碳方法及工艺的选择

3.1 脱碳方法的选择 3.1.1 脱碳方法简介

现在工业所用的脱碳方法主要是用化学、物理技术来吸收二氧化碳，所以总结出我国乃至全世界的脱除二氧化碳的方法主要有三种：一是物理吸收法；二是化学吸收法；三是物理-化学吸收法。

物理吸收法有加压水洗法、低温甲醇法、碳酸丙烯酯法、硅胶吸附等[9]。

化学吸收主要有热钾碱法，烷基醇胺法，其中苯菲尔法和活性MDEA法应用最多。 物理—化学吸收法有苯菲尔法和活化MDEA法。 3.1.2 脱碳方法的比较

化学吸收法即利用CO2是酸性气体的特点，采用含有化学活性物质的溶液对合成气进行洗涤，CO2与之反应生成介稳化合物或者加合物，然后在减压条件下通过加热使生成物分解并释放CO2，解吸后的溶液循环使用[10]。

物理吸收法是利用不同气体在溶液中溶解度的差异来除去二氧化碳的。一般吸收采用高压及低温，解吸时采用减压或升温，减压解吸所需再生能量相当少。该法的关键是选择优良的吸收剂。所选的吸收剂必须对CO2的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、性能稳定。

物理化学吸收法脱除CO2工艺主要有环丁砜法和常温甲醇法，物理化学吸收法常用于中等CO2

分压的原料气处理。

分析各种脱碳方法：

MDEA法的主要原理是：利用一种物质与二氧化碳反应生成一种十分稳定的盐类，并且这种盐类对设备没有腐蚀性，一般的在国内外应用比较广泛，原因是：吸收二氧化碳的效率高，而且所用的溶剂价格低廉，无毒，产生的副产物可以充分利用，另外，所需的热量较低，可以降低大部分能耗开支，产生的产物对大气无污染，装置比较简单，且易于维修和清理。一般所选用的设备材料是非常便宜的碳钢材料，具有良好的节能效果。所以优先被国内外广泛使用，但是此工艺适用于大型合成氨厂，不适合年产12万吨的合成氨脱碳技术的设计。

变压吸附气体分离净化技术，是利用压强的改变使吸收塔中的二氧化硅吸收二氧化碳和放出二氧化碳，依据的原理是：当压力升高时，吸附量增多；当压力降低时，吸附量减少。此法所用的是自动化装置，但此自动化装置依然有很大缺陷，例如：当吸收管道中出现压力过高或过低时，真空

泵无法应对，就会发生爆炸现象，对此提出的解决方案是：可以安装一个自动报警系统，以便保证工作人员的安全。另外可以减少由于爆炸所引起的经济损失。此工艺的特点是：吸收效果显著，主要的吸收剂是聚硅酸和二氧化硅，硅胶的比表面积大，孔径分布趋向于细孔，有利于硅胶对二氧化碳的吸附；消耗低，无污染，效益较高，但是没有查到相关的工艺计算方法，所以没有办法计算塔径，塔高以及填料层高度等，故而本设计无法采用此方法。

低温甲醇洗工艺是利用溶解度的显著差别，具有气体净化度高、选择性好、溶液吸收能力强，操作费用低等特点，是一种技术先进、经济合理的气体净化工艺。低温甲醇法具有一次性脱除CO2，溶液经济，能耗低，适用范围广泛等特点[11]。

碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。其原理是利用在同样压力、温度下，二氧化碳、硫化氢等酸性气体在碳酸丙烯酯中的溶解度比氢、氮气在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多来脱除二氧化碳和硫化氢而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是随压力升高和温度的降低而增加的。碳酸丙烯酯法具有无毒、化学性质稳定、无腐蚀、流程操作简单等优点[12]。

该法CO2的回收率很高，能耗很低，但投资费稍高。适用于吸收压力较高、CO2净化度稍低的流程，国内主要是小中型厂使用。用碳丙液作为溶剂来脱除合成氨变换气中CO2工艺是一项比较适合我国国情的先进技术，加上再生无需热能，能耗较低等优势，在国外合成氨和制氢工业上已得到广泛应用[13]。

3.1.3 脱碳方法的确定及详细介绍

碳酸丙烯酯法是合成氨工业上一种典型的化学吸收脱碳方法，目前国内外都广泛的采用此工艺装置，比较起其他的吸收方法，该工艺能够满足脱碳净化的要求，装置和操作不太复杂，安装成本也比较适合各种规模的生产。碳酸丙烯酯法是以碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。它对CO2、H2S溶解度较大，具有溶解热低、粘度小、蒸汽压低、无毒性、化学性质稳定、无腐蚀等特点。该法CO2的回收率较高，能源消耗较低[14]。

PC是 20世纪80年代新兴的一项技术，是由中国的化学研究院研发的，主要适用范围是中小型合成氨厂，由于它装置简单，价格低廉，易于操作，自动化程度高，条件易于达到，据有关部门统计，国内外多家中小型企业使用该装置，总脱碳能力约600万吨每年，PC技术经过多年的创新与改进，已经越来越满足市场的需求，为小中型企业带来很大的经济效益，带活了多家濒临倒闭的工厂，而且PC技术开工装置数为MDEA、NHD法总和的数倍[15]。

碳丙脱碳纯属物理过程，因而所耗能最高的部位在输送流体时所须的电能上。如果想降低成本，可以在输送流体上寻找更完整的工艺，碳丙溶剂对CO2等酸性气体的吸收能力较大，因此，代替碳酸钾脱除变换气中CO2不但满足铜洗要求，而且回收CO2的浓度和回收率也能满足尿素、甲醇等生产的要求。

3.2 脱碳工艺的选择 3.2.1 脱碳工艺流程的分类及比较 （1）原料气流程

脱碳车间的工艺要求：第一，温度必须应在装置所需范围内，上下不能超过15摄氏度；第二，所需压力为1.8Mpa；第三，开车和停车前都要考虑压力的变化；第四，脱碳工段属于高压车间，必须安装防火防爆墙，来保证工作环境的安全性；第五，要每隔一小时，测量二氧化碳进出口的含量，来保证反应浓度在规定范围内，若二氧化碳含量低于或高于规定范围，应及时调节吸收时间来确保二氧化碳浓度在规定范围内。

1.8MPa的变换气首先进入塔底部与水在塔内逆流接触，洗去变换气中的大部分油污并将气体温度降低，同时还可以降低水蒸汽含量。然后气体出来进入分离器，与塔顶喷淋下来的碳酸丙烯酯溶液逆流接触，将二氧化碳脱至所需要求。净化气进去洗涤塔底部，与自上而下的稀液（或脱盐水）逆流接触，目的是将碳酸丙烯酯液滴与蒸气洗涤下来。 （2）解吸气体回收流程

由吸收塔出来的二氧化碳经过解吸塔与解吸塔中的溶液逆流接触，目的是使接触更充分，可以充分将二氧化碳解析出来，另外，根据温度对解析的影响可知，温度越低越有利于解吸的进行，所以要对溶液进行降温处理。解析出来的二氧化碳，一部分用于合成化肥，另一部分用作日常消费品，例如干冰等。

此时，贫碳酸丙烯酯溶液从二氧化碳吸收塔塔顶喷淋下来，由塔底排出的液体称为富液。富液进入闪蒸槽，与从闪蒸槽出来的碳酸丙烯酯液一部分进入过滤器，二者混合过后进入常解-汽提塔的常解段，由泵加压后经碳酸丙烯酯溶液冷却器降温，进入二氧化碳吸收塔，从而完成了碳酸丙烯酯溶液的整个解吸过程。流程图如图3.1[15]

图3.1 两段吸收两段再生流程

3.2.2 本设计工艺流程的确定

通过以上的比较，本设计选“两段吸收两段再生”流程。下面简单介绍一下该流程及问题[9]。 碳酸丙烯酯法脱除CO2的工艺流程很多，基本都是分段吸收分段再生的。这种流程有哪些优点呢？第一在吸收塔中吸收二氧化碳要有足够的推动力，由于该反应装置放热所以可以利用此热量来保证所需推动力。第二二氧化碳和pc溶液的反应速率与温度有关，工艺中温度较高有利于反应向正方向进行，因此可以将气体的大部分二氧化碳吸收和回收再利用。总的来说：此装置既加快了吸收二氧化碳的反应速度，又降低了溶液表面的二氧化碳平衡分压。对于能量的综合利用也比较充分，所以目前他能流行。

综合分析PC法脱碳各厂的使用情况，最具代表性的问题有： （1）溶剂损耗高。造成这一问题原因有三个因素： a.PC溶剂所需要的蒸汽压较高，热量较大；

b.PC溶剂气相回收系统有待完善，操作管理水平低的影响。

（2）净化气中CO2含量容易过高，吨位耗电量高。此时通过每小时测量的二氧化碳含量知道的，那么就要想尽办法降低二氧化碳含量，多数是通过控制PC装置来增加吸收时间。

目前，碳丙脱碳技术已提高到一个新的阶段，工业应用的或即将应用的最有吸引力的进展都符合现在低碳循环经济的要求。

当今世界基本大趋势是需要更高的氨，所以对氨的技术要求和工艺要求越来越严格。所以我所做的课题是通过多脱碳工艺的研究，来尽量使丙烯酯法脱碳工艺所用成本更少，得到效益更高，更充分合理利用，力求做到污染更小更环保。

3.2.3 本设计工艺流程简述

首先本工艺设计是年产12万吨的合成氨的设计，所选用的是 10分米的煤将水蒸气变换成半水煤气，然后中含二氧化碳28%变换气进入吸收塔中，吸收塔的温度125℃压力是1.8MPa。我所选用的是pc溶液吸收，吸收后进入冷凝器，降低气体出塔温度，再是气体进入分离器，将气体分离，回收二氧化碳，用于碳肥等物质利用。最后是出塔净化气温度约80℃ CO2含量低于1%。

（1）流程图如图3.2[16] 热水塔来的变换气

图3.2 变换气净化流程

（2）流程概述

首先上一造气与变换工段的原料气从上一工段出来后进入水洗塔中，水洗的作用是降低温度，去除部分杂质，从底端出来的气体进入吸收塔与从再生塔下来的溶液进行热交换升温后进入分离器，目的是分离其中冷凝水，同时，1.8Mpa，温度降至125℃左右的变换气进入CO2吸收塔下部，经吸收塔吸收后是原料气得到充分净化，得到净化的气体从顶塔出来，经冷却器和分离器，被循环水冷却至40℃以下并分类出冷凝水，净化气中CO2含量控制在不大于1.0%，送往压缩工段。

再生气流程： （1）流程图如图3.3

图3.3 再生气流程

（2）流程概述

从吸收塔出来的富液，进入再生塔再生，通过解析溶剂和温度压强的变化使CO2从流体中解吸此过程需要温度的改变，因为温度低压强高有利于解析进行。解吸出来的CO2首先进入再生塔经过顶部除沫层后，经过除沫层与三层罩板上喷淋而下的流体接触，这一过程的目的是使CO2更充分除净。CO2出塔的温度为98℃，经过再生气冷却系统后为40℃左右，再经过CO2分离器分离出冷凝液，送往其他车间，例如加工碳肥或干冰的工段[17]。

（2）冷凝水系统设计作用

冷凝水装备的设计对整个设计有非常大的影响，所以冷凝水装置的合理利用不仅可以降低能耗，减少运行的成本还可以环保减少热能的损失合理利用能源。另外还可以减少气蚀，起到保护管路的作用。

（1）流程图如图3.4

图3.4 循环水冷却水流程

3.3 脱碳工段主要设备的选择

脱碳工段的主要设备是吸收塔，他的结构可以分为板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收和塔文氏管、喷雾塔，填料吸收塔以及降膜吸收塔两种。本文用填料吸收塔。它由外壳、填料、填料支承板、液体分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，常用的填料有不锈钢金属、鲍尔环和陶瓷制的马鞍形填料。由于pc溶液能对陶瓷的原料二氧化硅有侵蚀作用因而一定要选择优质的陶瓷做填料。考虑各方面因素和经济核算考虑采用金属鲍尔环填料。

4 工艺计算

4.1 工艺过程

设计任务：合成12万吨氨

（1）要求出塔净化气中CO2的浓度不超过1%； （2）各项进入塔内温度为170℃； （3）操作压强为1.8MPa；

（4）变换气的含量每吨为4278Nm,基准为15.0t/h 4.1.1计算过程如下

V1=4.278km3/h

V3=18660Nm3/h=1.244km3/h

V2= 4.278--1.244=3.304km3/h L0=0.2/22.4×44×1134=445.5kg/h

进入塔中气体的总质量流量：307+35300=35607kg/h

从塔中出来气体的质量流量计算后得：V2=30776.25÷22.4×10.99=15099kg/h 经过计算知道碳酸丙稀酯溶液对二氧化碳的吸附量为：25.656。 4.2工艺条件

4.2.1对工艺中变换器再沸器的设计

首先通过参考文献和实际经验的考虑我选取进口变换气的温度为170℃，选取操作过程中压力为1.8MPa，出口变换气的温度为125℃，选取的压力为1.8MPa；选取的温度和压强符合各项标准 在化工手册上查到170℃饱和水蒸汽压为0.792MPa，125℃饱和水蒸汽压为0.232MPa[5]。

通过计算知变换气含量在170度为=0.437kg变换气含量在125度为=0.092kg 4.2.2对工艺中变换器分离器的设计

首先通过参考文献和实际经验的考虑我选取进口变换气的温度为170℃，选取操作过程中压力为1.8MPa，出口变换气的温度为125℃，选取的压力为1.8MPa，流量为4.278km3/h。所选气体的变换器为了符合产量要求达到含湿量0.437kg。我所设计的出口变换气中干气流量为4.278km3/h，设计的含湿量0.092kg蒸汽/m3选取的温度和压强符合各项标准。

同样在化工手册上查到170℃饱和水蒸汽压为0.792MPa，125℃饱和水蒸汽压为0.232MPa[18]。 4.2.3 对二氧化碳吸收塔的设计

（1）我所选取的设计条件为原料气进塔温度为125℃，同时出塔气温度为80℃，从塔底出来的富液温度为120℃。

（2）为了达到工艺上所要求的标准选取从塔中出来气体量为4.278km3/h，水蒸气的量为0.4852km3/h

5 主要设备的计算与选型

5.1 二氧化碳吸收塔 5.1.1 吸收塔

在合成氨的设计中最主要的一部分就是吸收塔的选择与设计，在我大四的实习过程中对龙港化工做了多方面的了解学习和应用，最主要的部分是计算。在长达两个月的学习中我对比了实际生产中的选用方法和计算方法，经过咨询资深工程师赵健主任和指导老师，我选用的是用改良的碳丙酸稀酯溶液，现在我们开始计算。首先选取理论状态和操作状态，压力为1.8MPa ，温度为125℃。通过计算知贫液流量为 297.75km3/h，半贫液为887.25km3/h，进入塔中的湿气流量为71.55km3/h[19]。

5.1.2 塔径的计算

气体密度为 0.85kg/m3

所要计算的流速为 WV=ρGV

=0.85×77.15×103 =65.10×103kg/h

所要计算的液体为 WL=ρLL

=1205×（297.75+887.25）

=1404.13×103kg/h

在计算是我们所用的是化工书上的Eckert通用关联图来计算得到各个所需要的值 （WL/WV）（ρG/ρL）0.5=0.495

通过上一步的计算来解出下一步

u2φψ/g（ρG/ρL）μL0.2=0.079

ψ=ρ水/ρL=951.0/1205=0.8614

则吸收液粘度： logμ=-0.822+185.5/（T-153.1） T—为热力学温度，K。

μL=7.517MPa·s 通过计算知液泛气速 μF=2.48m/s

操作气速 u=0.8uF[15]=0.8×2.48=1.984m/s 在本文设计中用到的上段填料塔中有关塔径的计算如下

在塔径计算中要用到的东西有流量：Vs1=3.52×15×103/3600=14.66m3/s

根据有关计算塔径的方法知塔径与流量成正比，与气速成反比，所以根据有关文献得到 D1 =[4×14.66/（3.14×1.984）]0.5

=3069mm

根据有关要求所求出的半径要通过圆的整改故取圆的半径为3700mm

我们在设计中每一个数据有设计本身自己的要求所以对每一个数据在算出后都要对其从新校核目的是使每一个数据都真实有工艺计算的价值，所以现在来对泛点率进行校核当所计算的内容符合允许范围时就说明我们所设计的东西是合理的。

u1 =Vs1/（0.785D12）=14.66/（0.785×3.12）=1.94m/s u1/uF=1.94/2.48×100%=78.6%

对填料塔规格进行计算看看所设计的填料塔塔径是否符合鲍尔环的塔径的要求，当我们所设计的塔径与公称直径的比大于8时就符合鲍尔环的要求。当所求的填料塔塔径小于8时就不符合设计要求。当我们所设计的数据不符合填料要求时，我们就要改变填料来满足工艺上的要求[19]。

D1/d0=3100/50=62>8

通过计算知道我们所设计符合要求，所以我们可以选择鲍尔环填料。

液体喷淋密度在填料塔的设计中也是至关重要的，因为只有在最合适的喷淋密度下才能使液体与气体最充分接触，才能达到最好的效果。只有接触表面积大，接触时间长所吸收的二氧化碳才会更干净。u1=Ls1/（0.785D12）=297.75/（0.785×3.12）=50.18>9所以根据参考文献[20]知填料塔上段塔径在所要求的范围内并且合理。

同理根据同样的办法计算得出下段塔径也合理。 5.1.3 填料层高度的计算

在对填料层高度的计算时根据所设计塔的实际情况和参照龙岗化工的实际生产要求知道，所选取的温度为125度压力为1.8MPa 。分别计算贫液流量富液流量和湿气流量。 查阅文献[21]知：采用钢制鲍尔环乱堆填料，通过计算得出所要求的高度为

H=HOGNOG

36090/71550=11.50×200×2.6682/（H1×209×3.12） H1≈18m

同样根据计算得出下段塔的高度为H2=12m 所以整个塔的总填料高度为H=18+12=30m。

5.1.4 确定塔各部分的附属高度

塔的内部不仅有填料还有各种器件，如压板，算子等，所以在计算塔高时要充分考虑各部分的作用来确定各部分高度，如塔的上部要有足够的空间留给缓冲所以预留空间为1.2m[18]，通过参考各种文献和查阅各种论文知液体分布器可取1.0米，再分布器也取为1.0m[13]。液体在进入塔底时由于滞后和各种原因要在底部停留一段时间如果我们按3min考虑，则塔釜所占空间高度为3m。故，塔的附属高度为5.2m[22]。

5.1.5 选取合适的液体分布器

液体分布器有各式各样的，根据样式作用用途等等可以有无数种选择，我通过实际选取和依据在实习过程中的经验选取槽式液体分布器。选取这种分布器的好处是可以增大喷淋表面积，使液体与气体最大限度的接触，增加反应的时间，提高反应速率。

那么该如何选取呢？那要看塔径的大小了，因为塔径的变化就会引起液点数的变化。当直径大于1200mm，通过查文献之按Eckert建议值，当直径>1200mm时，喷淋点密度查参考文献并计算为n1为1000点 ，n2为1100点。

5.1.6 填料层压降计算

在我们所做的设计中必须要保证生产工艺的安全，所以每一项工作都要考虑，而对于填料塔的设计中最应该考虑到的一个问题就是压降的计算。原因是填料塔是在高压作用下工作，如果我们所设计的塔不能承受相应的压力，那么他就不能完成所要求的任务，以此我们必须知道并计算出压降。一般的设计书中计算压降的方法为应用埃克特泛点和压降的通用关联式

（WL/WV）（ρG/ρL）0.5=0.329 u2φPψ/g（ρG/ρL）μL 0.2 =0.029

查埃克特泛点和压降的通用关联式可得[21]：

△P/Z=300Pa/m

则上塔填料层压降为：

△P=300×20=6000Pa （WL/WV）（ρG/ρL）0.5=0.329 u2φPψ/g（ρG/ρL）μL0.2 =0.024

查埃克特泛点和压降的通用关联式可得[21]：

△P/Z=20×9.81=175Pa/m

则下塔填料层压降为：

△P=175×12=2100Pa

5.2 二氧化碳再生塔 5.2.1 操作条件的选取

因为该设计选取的是两段吸收两段再生工艺，所以我们不仅要设计吸收塔还要设计再生塔。首

先选取理论状态和操作状态，压力为0.12MPa ，温度为110℃。通过计算知贫液流量为 297.75km3/h，半贫液为887.25km3/h，进入塔中的湿气流量为71.55km3/h。气体密度为1.0049kg/m3 ，液体密度为1187kg/m3。则

ρG/ρL=1.005/1187=8.46×10-4

塔径计算依然采用的是关联图与前面吸收塔计算过程一样根据关联图得到横坐标为0.513，纵坐标为0.045.带入泛点气速计算公式得到u=0.7uF=0.7×1.87=1.309m/s

D=[4Vs/(лu）]0.5 =3756mm

所以取半径为3800mm，并通过和吸收塔相同的原理和计算过程知泛点率，填料塔和液体喷淋密度均在所要求的范围内。

由填料高度计算公式得：

H=HOLNOL

H= 2.56×4.68=11.96≈12m

5.2.2 所设计的填料层的承受压降能力的计算

在我们所做的设计中必须要保证生产工艺的安全，所以每一项工作都要考虑，而对于填料塔的设计中最应该考虑到的一个问题就是压降的计算。原因是填料塔是在高压作用下工作，如果我们所设计的塔不能承受相应的压力，那么他就不能完成所要求的任务，以此我们必须知道并计算出压降。一般的设计书中计算压降的方法为应用埃克特泛点和压降的通用关联式

（WL/WV）（ρG/ρL）0.5=0.487 u2φPψ/g（ρG/ρL）μL0.2 =0.014

查埃克特泛点和压降的通用关联式可得[21]：

△P/Z=80Pa/m

则填料层压降为：

△P=80×11=880Pa

6 车间设计

6.1 车间的合理设计

如果把设计比喻成一个人，那我是这样认为的。我认为车间布置是设计工作中至关重要的一项工作，相当于人的胃，所以要想看一个车间设计的到底怎么样要充分考虑其合理性，因为一个车间的合理性与经济利润是挂钩的。因此在此项设计中我非常注重厂房车间的设计，优化了厂房结构，力求做到了将最小的空间最大利用，所以这样的设计在合理性上是客观可行的。参考龙岗化工和山庄老酒的车间厂房的布置，我是这样安排的。从左到右依次是脱碳脱硫合成氨的厂房。

（1）在满足生产流程条件下，必须结合厂区的环境和地方优势，合理的安排场内外各种建筑相对位置；

（2）经济合理的竖向布置，决定了正确选择标准；一个工厂最重要的就是运输所以要充分确定场内外运输方式﹑运输布置，合理组织人流﹑物流的安排；

（3）对于综合管线布置要做到合理安全和经济；

（4）工作环境是非常重要的所以要标高绿化美化，创造美好的工作条件[20]。 6.2 厂房的整体布局设计

对于车间内的布局要考虑什么呢？

对于合理的空间布局，要综合考虑设备安装与检修、生产人员的安全、操作及未来发展情况。 ① 我设计车间采用矩形厂房，因为矩形厂房有利于设备排列及采光、通风，目的是可以加大空气

流通，减少危险。

② 年产12万吨的合成氨工艺塔非常高，且设备繁多，所以必须合理分配厂房的分层方式。

6.3 车间内辅助室与生活区布局

（1）生活规模的大小决定车间布局，对于生产规模较小的合成氨厂一般是将各个工作环境集中布置在一起。

（2）考虑室内的光亮，应充分利用东西南北各面的作用合理安排。 （3）辅助室、生活室应尽量接近安全通道。

（4）辅助室、生活室和生产区间是人长期工作的地方，考虑到安全问题用防火防爆防热墙隔离。 (5) 自动化装置要尽量安排在厂房通风系统好，干燥，安全的位置防止自动化机器受到破坏。 （6）各个管路要尽量安放在人员较少的地方，防止管路腐蚀后是酸碱溶液对人员造成损害。 （7）检修部门要尽量安排在立场出问题工段最近的地方，确保随叫随到。 6.3 车间内人员的分配

一个年产12万吨的合成氨厂大概需要三百人左右，对于一个工厂或公司人员的合理安排与充分利用是非常重要的，因为只有人员合理安排后各个人才能做到各司其能，各尽其职，这样才可以是每个人堆自己的工作认真负责。这样做有利于增加工厂的经济效益，提高产出，减少人员支出。那该如何合理安排人员工作呢?通过多方面调查和从实习中取得的经验，我认为这样安排更合理更充分。造气工段二十人，在这二十人中有三人控制自动化装置，检修一人，各工段检查一人，班长一人，段长一人，车间主任一人，车间副主任一人，控制控制氢气和氮气比一人，变换气出五人，冷却水洗出各两人，最后是分析人员一人，根据公司三班两运转的要求，所以造气工段要求有六十人。脱碳工段与脱硫工段基本一致，各需要工作人员十人，脱硫与脱碳工段都是双工作工段所以自动化操控人员需要四名，检修一人，各工段检查一人，班长一人，段长一人，车间主任一人，车间副主任一人，分析二氧化碳和二氧化硫溶度个一名，所以各需二十名。对于合成氨工段甲醇工段还有甲醛工段需要三十人，各个人员的安排与脱碳工段类似。最后一个工厂还有保卫处，后勤处，食堂，娱乐设施管理人员，所以经过实践与深思熟虑后一共需要人员三百左右。

现在我就部分人员介绍一下工作内容，段长的主要任务是检查并查漏每一天的设备是否正产运转，并及时提出改进与修改；车间主任的主要作用是保证每一段的生产量和提高生产量；车间副主任 的工作内容是保证人员到岗，及时调整人员分配，保证各工段的安全进行。自动化操作人员的主要工作内容是认真查看自动化系统，及时发现那个工段出现问题，立即报告，马上修理。

7 脱碳三废的处理初步设计

总的来说，改良热pc法脱碳工艺产生的三废少，对环境的污染少，但三废排放仍不可避免。另外，任何一个工厂的设计都要最先考虑的一个问题是环境问题，虽然我们所选择的碳丙酸吸脂法吸收的二氧化碳对环境污染比较小，无污染，但是做产生的合成氨中还有其他副产物，另外在生产合成氨的工业中要附带甲醛和甲醛工业，所以处理环境问题依然刻不容缓，所以在三废的处理我们依然要考虑和解决。根据国内外最新的处理方法，我想选择分腾法处理有机废水，该方法的原理是：首先利用有机试剂打断甲醇、甲醛流出物的废物，然后利用活性炭吸附的原理吸附有机废物，其次对于污水处理后合理再次利用对活性炭的回收再利用，这个环节中也都需要应用到热量所以合理安排热能的分散至关重要。对于环境污染问题，是现在国家发展的头等大事，所以各行各业都应该坚持低碳环保的政策，力争做到污染少，效益高，经济好。所以改良热pc法脱碳工艺目标是通过装置技术和吸收液的改变来达到工艺要求中二氧化碳的含量降至1%左右，并且要做到低耗能，高效益[21]。

8 初步经济核算

8.1.1核算过程

任何一个设计或实验或者一项科研工作，所必不可少的一项任务就是经济合算。只有经济上合算，才能投入到实际生活中。每一项成果只有有了利润才会被市场、商家、买家所认可。所以经济合算是至关重要的一个环节。

我们所设计的东西有了利润才可以投放市场。所以我们在设计好后最应该做的一项工作是经济预算。使经济上有可观的回报。一项试剂，有自身价值的关键是可不可以为生产者带来效益，接下来我就做这项工作。

对于本设计的其他方面的合理利用，一方面可以提高经济效益，另一方面充分利用了能源，所以在合成氨厂的设计中，可以利用合成氨所生产的热能来取暖，供给地方的热力消耗。所以，在本设计的最后又做了充分利用合成氨厂的能源设计，参考邯郸市龙港化工厂的经验，我是这样设计的。

设备安装设备费用如下表所示

表7 设备费用

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 总计

设备名称 脱碳塔 再生槽 洗气塔 静电除尘器 富液槽 贫液槽 脱碳泵 再生泵 风机 气水分离器

单位 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台

[19]

数量 1 1 3 1 1 1 1 1 1 3

价格/万元

18 10 14 14 1.5 1.5 2.5 4 4.5 2 72

1.1.1 7.1.2设备安装

约为设备费用的45%，72×45%=32.4万元。

1.1.2 7.1.3控制仪表及安装

约为设备费用的15%，72×15%=10.8万元。 1.1.3 7.1.4管道工程

约为设备费用的55%，72×55%=39.6万元。 1.1.4 7.1.5电气工程

约为设备费用的16%，72×16%=11.52万元 1.1.5 7.1.6土建工程

约为设备费用的30%，72×30%=21.6万元 1.1.6 7.1.7场地建设

约为设备费用的20%，72×20%=14.4万元 1.1.7 7.1.8公用工程设施费用

约为设备费用的100%，72×100%=72万元 1.1.8 7.1.9土地购置费

约为设备费用的8%，72×8%=5.76万元 1.1.9 7.1.10总固定资金

前面所有资金总和为：217.92万元。 8.2流动资金

约为固定资金的25%左右，217.92×25%=54.48万元。 8.3总资金

固定资金和流动资金之和：217.92+54.48=272.4万元。

在合成氨厂附近建立一个小型热循环系统，将合成氨时所产生的热能消耗不被浪费而是通过管道运输到城市或乡村或工人生活的公寓来取暖。在夏天的时候，可以用所产生的热能来供热水等。那么，这样一来，不仅会带来可观的收益，增加厂子的收入，而且废物再利用，响应了全国变废为宝号召，真正做到了发展循环经济。

那么，对于再增加这样一部分设计后，我们便要在工厂的选址上和技术要求上更加严格，首先，我们想要将废物变宝，必须要先设计好如何将热能充分利用，这就要求与热力部门、电力部门合作，合理设计管道，使支出最好少，获益最多。尤其是现在井盖部门、地下工程是热点社会问题。所以一定要提前做好设计工作，让这些问题在没发生之前就被解决，将问题扼杀在摇篮里，所以各部门的合作是至关重要的。另一方面，就是将如何分配各个管道问题和各个管道的维护和护理，由维护部门来做，这都是要解决的问题。

现在来解决第一个问题，就是管道分配。为了减少能量在运输过程中消耗，所以第一件事就是要减少运输路程和选择稍好的运输材料，所以要将选择合成氨厂的位置上合理设置。

近年来，为了改善环境，优化城市环境，大部分的工厂都已远离城市，到离城市较远的郊区生

产，所以要将热能提供给城市这样的效益并不可观，所以我建议将能耗提供给乡村，改善乡村的供暖条件，这样既做到了合理利用资源，又做到了建设社会主义新农村，所以在供给上可以选择郊区、乡村，这样一来减少了农村冬天取暖时的烧木头、煤炭的现象，节省了一大批资源。

从前面的设计明显可以看出：吸收塔的构造采用了两段吸收，两段再生的结构，相对于一般的脱碳吸收塔较复杂。这样的话，装置简单易于操作，减少了人员的使用，即可以节省开支，又可以减少操作危险，同时此工艺的最大特点是能源消耗低，热量可以充分利用，所以此工艺经济核算[20]。再次根据一些其他区的一些参考，例如承德市平泉县的山庄老酒产业就是一个非常好的例子，该企业将酒的生产和合成氨的生产合理搭配，利用合成氨所放出的热量来供给酒业的生产，凭借利用酒业产生的废水中没有太多污染物所以回收再利用氨的水循环系统，这样既保证了热能的合理利用，有保证了水资源的充分循环利用。又如辽宁省林原市的林钢集团，该集团的主要产业是合成氨工业和电力热力工业，该集团就是充分利用合成氨工业中所放出的大量热量来供给整个林原市的取暖工作，这些个例子都告诉了我们一个事实，那就是如果我们想要取得更高的效益我们必须要将合成氨产业和其他产业联合起来，优化产业格局。只有这样分层的工业才能在以后的社会发展中占有一席之地。所以我所设计的工艺中已充分考虑到了这些因素，所以它的经济效益是可观的。

9 结论

通过长达三个多月的设计和计算最终年产12万吨合成氨脱碳工艺设计决定采用采用改良碳酸丙烯酯脱碳法脱除合成气中的二氧化碳，从而达到国家工艺标准。使用该方法后使得到的气体更纯净，得到的二氧化碳含量增高，排出气体中的有害气体效果更好，并且使碳丙酸稀酯吸收液可循环利用。而且采用变换气带来的热量提供再生热使流程能耗降低，达到了一定的经济指标。用此方法脱除变换气中的二氧化碳，确实能够达到工艺要求中二氧化碳的含量降至1%左右。并且此方法价格低廉，经济核算，无污染，低碳环保，符合国家可持续发展的国策，是利国利民的先进工艺。

这次设计的制作历时四个月之久，通过这次毕业设计我学到了很多东西。首先在知识上是一个升华，做设计的时候基本上天天在查文献看设计书，所以我在这段时间的学习中大部分的知识漏缺都被补上了，另一方面我在设计中真正感受到了自己设计东西的快乐，从那每一次的修改中都好像在照顾一个小孩，不断的成长，不断的进步，从时间上是一个丰富的过程。以前总感觉自己没有学到什么东西，但是从这次填补之后居然发现其实我的大学四年生活还是有很多收获的，那些知识在头脑中是有印记的，所以我的大学是非常有作用的。另外这次设计让我充分认识到自己还是有很大能力的，最起码可以认认真真去做一件事，而且我还学会了人的能力是可以通过自己不断提升的，一个人如果想真正干点什么，那是需要你不断付出的。所以只要我们相信自己，并不断的改变自己，高要求的要求自己，那么你一定能做好的。通过这段时间的学习，我充分认识到了在以后的工作中我要如何提升自己，并重新对自己的未来有了充分肯定，还有就是我似乎对未来有了更深层次的认识，我想我基本上明确了未来的工作方向。在做毕业设计时我们去龙岗化工实习了，在这次实习中我充分理解到了理论与实践相结合的重要意义，我的实际中理论与实践充分相接，理论中有实践，实践中有理论，我相信我的毕业设计是有一定的发展前景的。

10 附录

带控制点工艺流程图和吸收塔装配图[22-25] 。

参考文献

[1] 薛荣书. 化工工艺学[M]. 重庆大学出版社, 2004

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yzmg.html