碳酸丙烯酯法脱碳工艺工程设计模板.doc

设计说明
脱碳工段是合成氨工程中必不可少工段之一，二氧化碳吸收塔和溶液再生塔是脱碳过程中不可缺乏塔设备。
本文权衡众多合成氨脱碳方法之利弊，最终选择碳酸丙烯酯脱碳法。首优异行工艺步骤分析并依据工艺参数及相关标准进行二氧化碳吸收塔和解析塔内物、热量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生塔等设备利用物理吸收机理、传质传热方程、溶液物性数据等方面知识进行塔体总体结构设计和计算，设计出二氧化碳吸收塔塔径为3.4m，塔高为30m，因为解吸塔塔径过粗，使用两塔进行解吸，两塔各操作条件相同，塔径为2.4m，填料层高度为16m，然后对二氧化碳吸收和解吸塔进行了必需强度校核；最终对脱碳工段车间结构部署进行合理设计。
本设计作为理论上准备工作，为分析工艺步骤、设备设计上存在问题、确定问题根源、提出处理问题合理方案准备了充足理论依据。

关键词：碳酸丙烯酯法；脱碳工艺；工程设计
Design elucidation
Decarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the Synthetic Ammonia, and the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are indispensable tower equipment in the Synthetic Ammonia.
This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarboniza-tion are selected finally. The technological process was analyzed, and the material and heat was balanced according to parameters and relevant standards firstly. The tower body general structure was designed calculation by using physical absorption Mechanism, mass transfer and heat transfer equation, solution -physical data stc secondly.The diameter of absorption tower is 3.4m, the height of tower is 30m, And then the strength of the Carbon dioxide absorption tower is ecked. The decarbonizing section structural arrangement was reasonable design finally. As the theoretical preparation work, this designing prepare sufficient theoretical basis for people to analysis the problems of technological process, equipment design, determined root of problems, posing reasonable plan to solve problems.
Keywords: Decarbonization process; Carbon dioxide removal with PC method; Proeess design

目 录
设计说明 I
Design elucidation II
关键符号说明 i
1引 言 1
2概 述 2
2.1 氨发觉和制取 2
2.2 氨用途 2
2.3 中国合成氨工业发展情况 3
2.4 合成氨生产经典步骤 3
2.5 脱碳在合成氨中作用和地位 4
3工艺步骤确实定 6
3.1脱碳方法概述 6
3.2净化工序中脱碳方法 6
3.2.1化学吸收法 6
3.2.2物理吸收法 8
3.2.3物理化学吸收法 10
3.2.4固体吸附 10
3.3碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺基础原理 10
3.3.1PC法脱碳技术中国外现实状况 10
3.3.2发展过程 10
3.3.3技术经济 11
3.3.4碳酸丙烯酯法脱碳工艺条件确实定 11
3.3.4操作压力确实定 12
3.3.5工艺步骤 12
4 吸收塔工艺设计 14
4.1设计依据 14
4.1.1碳酸丙烯酯（PC）物理性质 14
4.1.2比热计算式 14
4.1.3 CO2在碳酸丙烯酯（PC）中溶解度 14
4.1.4 CO2在碳酸丙烯酯（PC）中溶解热 14
4.1.5运行时间 14
4.2计算依据 15
4.2.1 CO2在PC中亨利系数数据 15
4.2.2 PC密度和温度关系 16
4.2.3 PC蒸汽压影响 17
4.2.4 PC粘度 17
4.2.5工艺步骤确定 17
4.3物料衡算 18
4.3.1各组分在PC中溶解量 18
4.3.2溶剂夹带量 19
4.3.3溶液带出气量 19
4.3.4出脱碳塔净化气量 20
4.3.5计算PC循环量 20
4.3.6出塔气体组成 20
4.4计算数据总表 20
4.4.1混合气体定压比热容 21
4.4.2液体比热容 22
4.4.3.CO2溶解热 23
4.4.4出塔溶液温度 23
4.5 设备计算 23
4.5.1 物性数据 24
4.5.2 脱碳塔泛点速度计算 26
4.5.3 脱碳塔塔径计算 27
4.5.4 填料层高度计算 28
4.6 辅助设备设计 32
4.6.1液体分布装置 32
4.6.2 填料支承装置 32
4.6.3液体再分布装置 33
4.6.4气体分布器 33
4.6.5床层限制板 34
4.6.6 裙座及人孔 34
4.7塔体强度校核 34
4.7.1筒体强度校核 34
4.7.2 封头设计 35
4.7.3 塔裙座高度 36
4.7.4 塔体载荷计算 36
4.7.5 接管管径计算 38
5 解吸塔工艺设计 40
5.1 确定解吸塔塔径及相关参数 40
闪蒸过程物料恒算 40
5.1.1求取解析塔操作气速 40
5.1.2求取塔径 41
5.1.3核实操作气速 42
5.1.4核实径比 42
5.1.5校核喷淋密度 42
5.2 填料层高度计算 42
5.2.1建立对应操作线方程和向平衡方程 42
5.2.2利用两线方程求取传质推进力 43
5.2.3传质单元数计算 44
5.2.4气相总传质单元高度 44
5.25塔隶属高度 48
5.2.6填料层压降计算 49
5.2.7初始分布器和再分布器设计 50
5.2.8气体分布器 51
5.2.9丝网除沫器 51
6 车间部署 52
6.1 车间部署要考虑问题 52
6.2 厂房部署 52
6.2.1 厂房平面部署 52
6.2.2 设备部署安全距离 52
6.3 车间内辅助室和生活室部署 53
7存在问题及处理方法 54
7.1 碳丙法脱碳装置存在问题及改造方法 54
7.1.1吸收塔堵塔 55
7.1.2加强溶剂回收，降低消耗 55
7.2改造方法 55
7.2.1 吸收塔改造 55
7.2.2降低溶剂温度 55
7.3小结 56
工艺参数一览表 57
参考文件 58
致谢 59

关键符号说明
符号
意义和单位
符号
意义和单位

比热容 ℃
D
CO2扩散系数T/ cm2 /s

纯气体组分黏度， MPa·s

气体摩尔流率kmol/m2·h

关联指数
V
气体质量流率，kg/（m2·h）

表面张力，kg/h2
L
液体质量流率，kg/（m2·h）

液相传质系数， kmol/（m3·h·atm）
H0
塔隶属高度，m

体积传质系数， kmol/（m3·h）

传质单元高度，m
Z
塔高，m

填料层压降，Pa

压力降，Pa

液泛气速，m/s

密度，

填料总比表面积，

CO2气相分压

操作气速，m/s

热力学温度，K
C
腐蚀裕量，mm
G
入塔气体摩尔流率，kmol/（m2·s）
m2
封头质量，kg
n
筒体名义厚度，mm

填料形状系数

塔内径，mm

填料材质临界表面张力
γp
鲍尔环填料堆积密度，kg/m3
g
重力加速度，

平台、扶梯质量，kg
N
总布液点数，个

笼式扶梯单位质量，kg/m

溶解热，

全塔操作质量，kg

干填料因子
T1
塔自振周期，s

塔截面积，

脉动增大系数，

标准状态下温度，

气体处理量，

填料因子，

塔顶出塔气体量，

轴向许用压应力，MPa

塔底出气量，

空间距离，

温度，

通用气体常数

粘度，

泛点空塔速率，

溶解热，

入塔气体平均分子量，

出塔液体温度，

摩尔比

1引 言
氨用途很广，在国民生产中含有举足轻重地位。在合成氨过程中，经变换后合成气含有较多二氧化碳，如不将其清除，在合成氨生产时二氧化碳会使合成氨催化剂中毒。另外，二氧化碳是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵等关键原料，二氧化碳脱除和回收利用是脱碳过程双重担务，也在合成氨中占有较关键地位。
本课题是年产九万吨合成氨厂脱碳工段初步设计。设计目标是为了寻求出一套合理脱碳工艺，取得纯度较高净化气，提升二氧化碳回收率，简化步骤，降低能耗，达成较高经济效益指标。设计内容关键包含生产工艺确实定和比较，物料衡算和能量衡算，设备选型和设计和管道尺寸设计和绘制带控制点工艺步骤图和一张主体设备结构图。
因为脱碳分离过程中，溶液吸收和再生是可逆过程，所以溶液浓度、循环量和吸收和再生温度、压力全部需要进行合理选择，这就是本课题所要处理关键问题。在本设计中，关键是参考相关资料进行选择。
此次设计努力争取以理论为基础，贴近实际为目标，争取让设计更合理。但因为本人水平有限，经验不足，时间有限，资料搜集不全方面等原因，此次设计难免有疏漏甚至错误，敬请老师批评指正。

2概 述
2.1 氨发觉和制取
1898年，德国A.弗兰克等人发觉空气中氮能被碳化钙固定而生成氰氨化钙（又称石灰氮），深入和过热水蒸气反应即可取得氨：
CaCN2＋3H2O（g）→2NH3（g）＋CaCO3
在合成氨工业化生产历史中，合成氨生产规模（以合成塔单塔能力为依据）伴随机械、设备、仪表、催化剂等相关产业不停发展而有了极大提升。50年代以前，最大能力为200吨/日，60年代初为400吨/日，美国于1963年和1966年分别出现第一个600t/d和1000t/d单系列合成氨装置，在60-70年代出现1500-3000t/d规模合成氨。
世界上85%合成氨用做生产化肥，世界上99%氮肥生产是以合成氨为原料。即使全球一体化发展降低了用户选择范围，但市场稳定性却对应地增加了，世界化肥生产发展趋势是越来越集中到那些原料丰富且价格廉价地域。19世纪中叶，炼焦工业兴起，生产焦炭过程中制得了氨。煤中氮约有20%～25%转化为氨，煤气中氨含量为8～11g/m3，所以可从副产焦炉气中回收氨。但这么回收氨量不能满足需要，促进大家研究将空气中游离态氮变成氨方法，20世纪初前后实现了氰化法和直接合成法制氨工业方法。
2.2 氨用途
氨是关键无机化工产品之一，在国民经济中占相关键地位。除液氨可直接氯水和多种含氮混肥和复肥，全部是以氨作为原料。合成氨是大宗化工产品之一，世界每十二个月合成氨产量已达成1亿吨以上，其中约有80%氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品原料。
氨在工业上关键用来制造炸药和多种化学纤维及塑料。从氨能够制得硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己二胺、人造丝等产品。
氨其它工业用途也十分广泛，比如，用作制冰、空调等系统制冷济，在冶金工业中用来提炼矿石中铜等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药品、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。所以说合成氨在国民经济中占有十分关键地位。作为肥料外，农业上使用氮肥，比如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、
2.3 中国合成氨工业发展情况
解放前中国只有两家规模不大合成氨厂，解放后合成氨工业有了快速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达成1021.9万吨，成为世界上产量最高国家之一。近几年来，中国引进了一批年产30万吨氮肥大型化肥厂设备。中国自行设计和建造上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备全部很优异
2.4 合成氨生产经典步骤
现在企业大多采取直接合成氨法生产氨，即依据化学反应式N2+3H2=2NH3来设计工艺。它除了水电解法以外，不管用什么原料得到粗原料气中全部含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物全部是氨合成催化剂毒物。所以，在把粗原料气送去氨合成以前，需要把这些杂质除去。这么氨合成生产原料气过程就包含下述关键步骤。
一是造气：即制备含有氢、氮和一氧化碳粗原料气。
二是净化：采取合适方法除去原料气中氢、氮以外杂质。关键包含变换过程、脱硫脱碳过程和气体精制过程。
三是压缩和合成：将纯净氮、氢混合气体压缩到高压，在铁催化剂和高温条件下合成氨。
因为中国煤炭现在储存量还比较多，所以本设计采取以煤炭为原料来制取合成氨粗原料气。以煤炭为原料制取粗原料气合成氨步骤是采取间歇流化床气化法生产半水煤气，经过变换，脱碳，铜氨液除少许二氧化碳、一氧化碳等净化步骤后可取得合格氮氢混合物，然后在铁催化剂存在和合适温度、压力条件下合成氨。下面从合成原料气三个步骤具体叙述：
①造气：因为空气中含有71%氮气，现在已经有很多技术从空气中分离出满足上述反应氮气，所以造气就是提供维持该反应氢气过程。最早造气光阴就是将煤或焦碳在高温下和水反应生成水煤气或半水煤气，这种混合气体就是原料气。这种工艺在二十世纪前半期一直是主流造气工艺，而且一直沿用至今。二十世纪六十年代出现了以天然气、石油重油、石脑油等新造气原料。因为天然气、油田气、石油这么原料能够用管道输送，其设施投资成本比固态原料设施要低很多，所以该工艺自发明以来就逐步替换了煤炭造气工艺。但从现在能源储量、开采和消耗走势来看，煤炭造气可能要重新被重视。
②净化粗合成气：关键是对合成气中硫化物、碳氧化物等有害杂质进行脱除过程。对于半水煤气，关键含无机硫（H2S），有机硫包含硫氧化碳（COS），二氧化硫（CS2），硫醇（RSH），硫醚（RSR），噻吩（C4H4S）等；天然气中关键是无机硫（H2S）。天然气、石油重油、石脑油等中硫化物含量因产地不一样而不一样。不过这些硫化物不仅使产品不纯净，更关键是它们对设备有极强烈腐蚀作用，而且尤其轻易使催化剂中毒失活。脱硫方法归纳起来分湿法和干法两类。湿法包含物理法、化学法、物理-化学法三种，但湿法脱硫精度不及干法。干法脱硫适合脱出低量或微量，其也有物理吸附和化学吸附之分。通常干法脱硫装置设备庞大复杂。脱碳是净化合成气另有个关键步骤，因为任何方法制取原料气全部含有CO和一定量CO2，其体积分数通常为12%~40%。而CO在生产过程中还可能被氧化为CO2，而在后续工段中CO2轻易使催化剂中毒，轻易在一些低温工段固化成干冰堵塞管道设备，在甲烷化过程中还会消耗大量H2生成无用气体CH4。而对CO2加以回收能够在尿素、碳酸氢铵等产品生产中利用。可见脱碳意义是十分重大。因为本设计题目就是合成氨脱碳工段工艺设计，所以不在此对其赘述，在后面有对脱碳工段具体介绍。总说来，对于粗合成气净化是系统而且复杂工作，它不仅关系产品质量，也对生产中能量综合利用，环境保护相关键影响。脱硫脱碳后还需要对原料气进行最终净化，将原料气中少许CO和CO2除去，使其总量不超出10cm3/m3。最终净化有铜氨液吸收法、深冷分离法和甲烷化法。
③氨合成：将纯净氢、氨混合气压缩到高压，在催化剂作用下合成氨。氨合成是提供液氨产品工序，是合成氨生产过程关键部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在下进行因为反应后气体中氨含量不高，通常只有10%~20%，故采取未反应氢氮气循环步骤。氨合成反应式以下：
N2+3H2→2NH3(g) =-92.4kJ/mol
工业中反应压力在10-35MPa之间，依据能量利用合理来取值。相关催化剂，大家已经开发出一系列催化剂，但比较广泛使用是寿命比较长，活性良好而且价廉易得铁系催化剂。该催化剂早期制备时还加入了促进剂。对于产品分离，现在工业上有两种方法：水吸收法和冷凝法。
2.5 脱碳在合成氨中作用和地位
脱碳也就是二氧化碳脱除和回收，它属于原料气净化阶段。因为不管是固体燃料还是以烃类为原料制得原料气经一氧化碳变换后全部含有15%~40%二氧化碳。而在合成氨生产过程中经过变换后气体通常含有21%~30%二氧化碳。它不仅会使氨合成催化剂中毒，而且给清除少许一氧化碳过程带来困难。比如：采取铜氨液洗涤法时二氧化碳和其中氨生成碳酸氨，而且会形成晶体堵塞管道和设备；采取液氨洗涤时，它轻易固化成干冰也会堵塞管道和设备；在甲烷化过程中二氧化碳过多会消耗大量氢又生成无用气体甲烷。又因为按合成工序补充气中必需满足CO和CO2含量小于20PPm。另外，二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢氨、纯碱原料。所以，在合成系统前不仅必需将二氧化碳气体清除洁净而且还必需回收利用。二氧化碳脱除和回收利用是脱碳过程双重担务，也在合成氨中占有较关键地位。

3工艺步骤确实定
3.1脱碳方法概述
由变换工序来低变气进脱碳系统吸收塔，经物理吸收或化学吸收法吸收二氧化碳。出塔气中二氧化碳含量要求小于0.1%。为了预防气体夹带出脱碳液，脱碳后液体进人洗涤塔，用软水洗去液沫后再进入甲烷化换热器。脱碳塔出来富液经换热器后，减压送至二氧化碳再生塔，用蒸汽加热再沸器，再脱去二氧化碳。由再生塔顶出来CO2，经空冷器和水冷器，气体温度降至40℃，再经二氧化碳分离器除去冷凝水，送到尿素车间作原料。再生后脱碳液（贫液），优异溶液空冷器，冷却至65℃左右，由溶液循环泵加压，再经溶液水冷器冷却至40℃后，送入二氧化碳吸收塔循环使用。
3.2净化工序中脱碳方法
在合成氨整个系统中，脱碳单元将为系统关键主项，脱碳工序运行好坏，直接关系到整个装置安全稳定是否。脱碳系统能力将影响合成氨装置和尿素装置能力。CO2是一个酸性气体，对合成氨合成气中CO2脱除，通常采取溶剂吸收方法。
依据CO2和溶剂结合方法，脱除CO2方法有化学吸收法、物理吸收物理法和化学吸收法三大类。
3.2.1化学吸收法
化学吸收法即利用CO2是酸性气体特点，采取含有化学活性物质溶液对合成气进行洗涤，CO2和之反应生成介稳化合物或加合物，然后在减压条件下经过加热使生成物分解并释放CO2，解吸后溶液循环使用。化学吸收法脱碳工艺中，有两类溶剂占主导地位，即烷链醇胺和碳酸钾。化学吸收法常见于CO2分压较低原料气处理。
①烷链醇胺类脱碳工艺有：
⑴-乙醇胺(monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，MEA)法；
⑵甲基二乙醇胺（methyl diethanolamine，CH3N(CH2CH2OH)2，MDEA）法；
⑶活化MDEA法（即aMDEA工艺）。
（2）碳酸钾溶液作吸收剂脱碳工艺，即热钾碱脱碳工艺有：②②
②无毒G-V法；②苯菲尔法；③催化热钾碱（Cata carb）法；④Flexsorb法[2]。
1）MEA法
MEA法是一个比较老脱碳方法。吸收过程中，MEA和CO2发生反应生成碳酸化合物，经过加热即可将CO2分解出来。该法最大优点是能够在一个十分简单装置中，把合成气中CO2脱除到能够接收程度。
但它本身存在两个缺点：（1） CO2能和吸收反应生成碳酸化合物发生深入反应生成酸式碳酸盐，该盐较稳定，不易再生；（2） CO2能和MEA发生副反应，生成腐蚀性较强氨基甲酸醋，轻易形成污垢。
2）甲基二乙醇胺MDEA
MDEA法脱碳过程中，CO2和甲基二乙醇胺(MDEA，一个叔胺)生成碳酸盐稳定性较差，分解温度低，且无腐蚀性。相对其它工艺，MDEA法有以下优点：（1）能耗和生产费用低；（2）脱碳效率高，净化气中CO2含量可小于100ppm；（3）使用范围广，可用于大、中、小各型合成氨厂；（4）溶剂稳定性好；（5）溶剂无毒、腐蚀性极小；（6）能同时脱硫。因为MDEA含有以上优点，所以不需要毒性防腐剂，设备管道许可采取廉价碳钢材料，不需要钝化过程，耗热低设备管道不需要伴热盘管，能达成很好节能效果[3]。
在MDEA溶液中添加少许活化剂即为MDEA法，活化剂为眯哇、甲基咪哇等，浓度约为2-5%。活性MDEA工艺开发于20世纪60年代末，第一套活化MDEA脱碳工艺装置是1971年在德国BAFS企业氨三厂投入使用在以后几年里，另有8套装置采取了活化MDEA，这些装置成功使用，使得MDEA工艺自1982年后备受欢迎。中国在大型装置中使用MDEA脱碳工艺，乌鲁木齐石化企业化肥厂属于首例[4]。BAFS企业推出MDEA脱碳工艺，关键用于对原来MEA工艺改造，近几年中国部分研究单位正在对这方面进行主动研究。
3）低热耗苯菲尔法
相对上述脱除CO2吸收剂溶液，碳酸钾溶液更价廉易得，并含有低腐蚀，操作稳定，吸收CO2能力较强等特征。但碳酸钾溶液本身吸收CO2速度缓慢，需要添加部分活化剂。其中如无毒G-V法工艺就是由意大利Giammaro-Vetrocoke企业所开发，最初使用活化剂和缓蚀剂为As2O3，但对人体有毒。以后有些人用氨基乙酸替换As2O3，消除了毒性，成为无毒G-V法。中国栖霞山化肥厂就采取了这种工艺。由美国联碳企业开发低热耗苯菲尔法，用二乙醇胺(DEA)作活化剂，V2O5作为腐蚀防护剂。中国于20世纪90年代相继以布朗工艺建了4套装置，即锦西天然气化工厂、建峰化肥厂、四川天华企业化肥厂和乌鲁木齐石化总厂第二化肥厂，规模全部是日产氨1000吨。低热耗苯菲尔工艺是由美国联碳企业在传统苯菲尔工艺基础上开发，采取了节能新技术。中国在20世纪70年代引进13套大型化肥装置中，有10套采取苯菲尔脱碳工艺。从1985年起，己有7套进行了用低热耗苯菲尔工艺改造。中国新建以天然气为原料大型合成氨装置，脱碳系统也多采取低热耗苯菲尔工艺，如锦天化厂、建峰厂、天华企业等。中海石油化学合成氨装置脱碳系统采取改良型苯菲尔步骤[5]。苯菲尔法可在高温下运行，再生热低，添加V2O5可防腐蚀，但该工艺需对设备进行钒化处理，要求工人操作水平较高，而且浪费溶剂，能耗大，尤其蒸汽用得多，有效气体损失也大，运行成本高等缺点。
3.2.2物理吸收法
物理洗涤是CO2被溶剂吸收时不发生化学反应，溶剂减压后释放CO2 (无须加热)，解吸后溶液循环使用。相对化学吸收法，物理洗涤法最大优点是能耗低， CO2不和溶剂形成化合物，减压后绝大部分CO2被闪蒸出来，然后采取气提或负压实现溶剂完全再生。这就使得工艺投资省、能耗低、工艺步骤简单。物理吸收法关键有Selxeol法、Elour法、变压吸附法及低温甲醇法等[6]。物理吸收法常见于高CO2分压原料气处理。
①NHD法
NHD法被认为是现在能耗最低脱碳工艺之一，该法使用溶剂为聚乙二醇二甲醚混合物，其分子式为CH3-O-（CH2-CH2-O)n-CH2，式中n=2-8。NHD是兖矿鲁南化肥厂和南京化学工业集团企业研究院、杭州化工研究所共同开发成功一个物理吸收硫化氢和二氧化碳等酸性气体高效溶剂[7]。NHD气体净化技术改造系脱除酸性气体物理吸收新工艺，适合于合成气、天然气、城市煤气等脱硫脱碳。NHD含有对设备无腐蚀，对CO2、H2S等酸性气体吸收能力强、蒸汽压低，挥发性小、热稳定性和化学稳定性好、不会起泡，无腐蚀性等优点，而且该法在NHD再生过程中几乎不需要能量，通常利用空分装置富余低压氮气在气提塔进行脱碳富液气提再生，其优点是降低利用空气气提带来系统内NHD溶液含水量富集，省去了空气水冷、气水分离及NHD脱水设备，节省了投资，简化了步骤[8]。
②碳酸丙烯酯法(PC)法
碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯为吸收剂脱碳方法。其原理是利用在一样压力、温度下，二氧化碳、硫化氢等酸性气体在碳酸丙烯酯中溶解度比氢、氮气在碳酸丙烯酯中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降低而增加，CO2等酸性气体在碳丙溶剂中溶解量通常可用亨利定律来表示，所以在较高压力下，碳酸丙烯酯吸收了变换气中二氧化碳等酸性气体，在较低压力下二氧化碳能从碳酸丙烯酯溶液中解吸出来，使碳酸丙烯酯溶液再生，重新恢复吸收二氧化碳等酸性气体能力。碳酸丙烯酯法含有溶解热低、粘度小、蒸汽压低、无毒、化学性质稳定、无腐蚀、步骤操作简单等优点。
该法CO2回收率较高，能耗较低，但投资费用较高。适适用于吸收压力较高、CO2净化度不很高步骤，中国关键是小型厂使用。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中国国情优异技术，和水洗工艺比较，除含有物理吸收过程显著节能效果外，在现有脱碳方法中，因为它能同时脱除二氧化碳、硫化氢及有机硫化物，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泛应用。

图3.1 碳酸丙烯酯脱碳步骤
变压吸附气体分离净化技术，简称PSA（Pressure Swing Adsorption）。变压吸附法是近几年才用于合成气净化，它属于干法，采取固体吸附剂在改变压力情况下，进行（加压）吸附CO2或（减压）解吸。变压吸附法分离气体混合物基础原理是利用某一个吸附剂能使混合气体中各组份吸附容量伴随压力改变而产生差异特征，选择吸附和解吸再生两个过程，组成交替切换循环工艺，吸附和再生在相同温度进行。可用此法改造小型氨厂，将低能耗，在大型氨厂使用显得困难。为了达成连续分离目标，变压吸附脱碳最少需要两个以上吸附塔交替操作，其中必需有一个吸附塔处于选择吸附阶段，而其它塔则处于解吸再生阶段不一样时骤。在每次循环 中，每个吸附塔依次经历吸附、数次压力均衡降、逆向放压、抽闲、数次压力均衡升、最终升压等工艺步骤。现在，此种类型装置在全国合成氨厂已广泛采取。如四川什邡某氮肥厂为天然气富氧造气，变换气脱碳采取我企业多年来开发节能型变压吸附脱碳新工艺，多塔进料，数次均压，并实现了吸附塔和真空泵新组合，同时对吸附剂、程控阀门、控制系体回收率大大提升，能耗深入降低，装置投资也有所降低。
③低温甲醇洗法
低温甲醇洗工艺（Rectisol Process）系由德国林德企业（Linde）和鲁奇企业（Lurgi）开发，是利用甲醇溶剂对多种气体溶解度显著差异，可同时或分段脱除H2S、CO2和多种有机硫等杂质，含有气体净化度高、选择性好、溶液吸收能力强，操作费用低等特点，是一个技术优异、经济合理气体净化工艺。自1954年Lurgi企业在南非Sasol建成世界上第一套工业规模示范性装置以来，现在有100余套装置投入运行，尤其是大型渣油气化和煤气化装置气体净化均采取低温甲醇洗工艺。
低温甲醇(Rectisol)法含有一次性脱除CO2，溶液廉价易得，能耗低，适用范围广泛等特点。但该法投资很大，中国镇海炼化厂大化肥等四家以重油和煤为原料合成氨装置使用了低温甲醇法脱除CO2。
3.2.3物理化学吸收法
物理化学吸收法脱除CO2工艺关键有环丁砜(Sulfinol)法和常温甲醇(Amisol)法，物理化学吸收法常见于中等CO2分压原料气处理。环丁砜法中所使用溶剂由是环丁矾、二异丙醇胺和水组成，能同时吸收CO2和硫化合物，且吸收速度快，净化度高，但再生耗热多，现在只有部分中小型厂使用。常温甲醇法是在甲醇中加入了二乙醇胺，当CO2分压升高时，以其在甲醇中溶解物理吸收为主；当CO2分压较低时，以其和二乙醇胺发生化学反应化学吸收为主，该法应用范围广，净化率高，但对H2S和CO2选择性较差，己极少使用。
3.2.4固体吸附
固体吸附是CO2在加压时被吸附在多孔状固体上，减压时吸附CO2被解吸，亦称变压吸附。
3.3碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺基础原理
3.3.1PC法脱碳技术中国外现实状况
PC为环状有机碳酸酯类化合物，分子CH3CHOCO2CH2，该法在国外称Fluor法。PC法是南化集团研究院等单在20世纪70年代开发技术，1979年经过化工部判定。据初步统计，已经有150余家工厂使用PC技术，现有装置160余套，其中大型装置两套，其它为中小型装置。大部分用于氨厂变换气脱碳。总脱碳能力约300万吨合成氨/年，其中配尿素型应用较多，占60%左右，至今该法仍是联碱、尿素、磷铵等合成氨厂使用最广脱碳方法，其开工装置数为MDEA、NHD法总和数倍。
3.3.2发展过程
PC技术应用，关键经历了两个阶段：第一阶段始于70年代末，两个小氮肥厂用PC法替换水洗法脱CO2工业试验装置取得成功，取得了显著节能效果和经济效益。加之PC法在工艺上和水洗法相同，改造费用低，很快在部分小氮肥企业中推广应用；第二阶段，20世纪90年代以来，伴随小化肥改变碳铵单一产品结构，适应市场需要，采取脱碳增氨转产尿素或联醇等方法，以提升经济效益，增强小化肥竟争能力。为此，需要增设一套变换气脱碳装置，因为PC技术为经典物理吸收过程，步骤简单，投资少，节能显著，技术易于掌握。所以，很快得到了推广，并扩大了应用范围，技术上也趋于成熟。
3.3.3技术经济
因为碳丙脱碳纯属物理过程，所以它能耗关键消耗在输送流体所须电能。碳丙溶剂对CO2等酸性气体吸收能力较大，通常为同条件下水吸收能力4倍。所以，替换水洗法脱除变换气中CO2不仅满足铜洗要求，而且回收CO2浓度和回收率也能满足尿素、联碱生产要求。和水洗法相比可节省电耗150-250KWh/tNH3，可节省操作费10-25元/t NH3。所以应用碳丙脱碳厂家均可取得显著节能效果。但这种效果伴随工艺配置、设备、操作情况，处理规模和目标不一样而差异较大。碳丙脱碳和多个脱碳方法能耗比较如表3.1
表3.1 多个脱碳方法能耗比较表
方法名称
加压水洗
苯菲尔法
位阻胺法
改良MEDA法
NHD法
PC法
能耗
2847
3558-5442
3349-4187
1884
1047-1256
1256
3.3.4碳酸丙烯酯法脱碳工艺条件确实定
操作温度确实定
温度对多种工艺气体在碳酸丙烯酯中溶解度影响较大，操作温度升高，会使二氧化碳、硫化氢等气体在碳酸丙烯酯中溶解度下降，对吸收过程很不利，因为氢、氮等气体在碳酸丙烯酯中溶解度随温度升高而增加，所以又增加氮气体溶解性损失，溶剂再生则反之。
提升操作温度则会使溶剂中溶解气体较多解析出来，使溶剂很快再生。但因为吸收过程利弊对整个工艺影响大于溶剂再生过程，所以应先满足吸收过程要求。
降低操作温度能够降低溶剂循环量，使溶剂泵电耗下降，还能够降低整个脱碳过程中气相带出溶剂蒸汽，即溶剂损耗降低，对应降低了操作运行费用，提升了经济效益。
依据中国小合成氨厂普遍采取合成氨生产“两水”闭路循环方法，冷却水为循环用水，温度较高，所以碳酸丙烯酯脱碳操作温度应控制在35摄氏度以下。在用地下水补充用水工厂，最好采取地下水为脱碳冷却水后，再做循环水系统补充用水，这么，脱碳操作温度应控制在25摄氏度左右，对整个生产过程有利。
3.3.4操作压力确实定
操作压力对二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度有巨大影响，伴随压力升高，二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度逐步增加，提升压力，有利于提升碳化气净化度。吸收压力提升，在相同温度条件下，变换气饱和水蒸气降低，带入脱碳系统水量降低，有利于系统水平衡，降低变换气带入系统水分。所以，脱碳采取2.7MP 压力比1.7MP 压力要好，表现在在等同处理相同原料气量情况下，气体净化度高，碳酸丙烯酯循环量小，含水分易控制，损耗小。
3.3.5工艺步骤
①气体步骤
⑴原料气步骤
由压缩机三段送来2.3MPa变换气首优异入水洗塔底部和水洗泵送来水在塔内逆流接触，洗去变换气中大部分油污及部分硫化物，并将气体温度降到30℃以下，同时降低变换气中饱和水蒸汽含量。气体自水洗塔塔顶出来进入分离器，自分离器出来气体进入二氧化碳吸收塔底部，和塔顶喷淋下来碳酸丙烯酯溶液逆流接触，将二氧化碳脱至工艺指标内。净化气由吸收塔顶部出来进入净化气洗涤塔底部，和自上而下稀液（或脱盐水）逆流接触，将净化气中夹带碳酸丙烯酯液滴和蒸气洗涤下来，净化气由塔顶出来后进入净化气分离器，将净化气夹带碳酸丙烯酯雾沫深入分离，净化气由分离器顶部出往返压缩机四段入口总管。依据各厂具体情况和氨加工产品不一样，相匹配碳丙脱碳条件及要求亦各异。在使用上，有替换加压水洗型、联碱型、配尿素型、联醇型、生产液氨型和制氢等各类型；在净化效率上，有对CO2进行粗脱，而大部分厂家，则进行精脱；对脱碳压力，有采取0.4MPa、1.1-1.3Mpa、1.6-1.8Mpa、2.5-2.8Mpa。
⑵解吸气体回收步骤
由闪蒸槽解吸出来闪蒸气进入闪蒸气洗涤塔，自下而上和自上而下稀液逆流接触，将闪蒸气夹带液滴回收下来。闪蒸气自闪蒸气洗涤段出来后进入闪蒸气分离器，将闪蒸气夹带碳酸丙烯酯液滴深入分离下来，闪蒸气自分离器顶部出来送碳化，脱除二氧化碳并副产碳酸氢铵后，闪蒸气回压缩机一段入口总管。
由常解塔解吸出来常解气进入常解-汽提气洗涤塔常解气洗涤段，和自上而下稀液逆流接触，将常解气中夹带碳酸丙烯酯液滴和饱和于常解气中碳酸丙烯酯蒸气回收下来，常解气自常解气洗涤段出来后进入常解气分离器，将常解气中夹带碳酸丙烯酯液滴深入分离，常解气自分离器顶部出来送食品二氧化碳工段。
汽提气由汽提塔出来后进入常解-汽提气洗涤塔汽提气洗涤段，和自上而下稀液逆流接触，将汽提气中夹带碳酸丙烯酯液滴和饱和汽提气中碳酸丙烯酯蒸气回收下来，经洗涤后汽提气由塔顶放空。
②液体步骤
①碳酸丙烯酯脱碳步骤简述
贫碳酸丙烯酯溶液从二氧化碳吸收塔塔顶喷淋下来，由塔底排出称为富液。富液经自调阀进入溶液泵-涡轮机组涡轮，减压后进入闪蒸槽，自闪蒸槽出来碳酸丙烯酯液一部分进入过滤器，大部分不经过过滤器，二者混合过后进入常解-汽提塔常解段，碳酸丙烯酯液自常解段底部出来经过两液封槽进入汽提塔顶部，和自下而上空气逆流接触，将碳酸丙烯酯溶液中二氧化碳深入汽提出来，经汽提后碳酸丙烯酯溶液为贫液，贫液由汽提塔出来进入循环槽，再由循环槽进入溶液泵-涡轮机组溶液泵，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整个解吸过程。
②稀液步骤循环
稀液（或软水）由常解-汽提气洗涤塔常解段出来，经稀液泵加压后送往净化气洗涤塔上部自上而下。由塔底出来经自调阀进入闪蒸气洗涤塔上部自上而下，由底部出来经自调阀进入常解-汽提气洗涤塔汽提气洗涤段自上而下，由底部出来经一U型液封管进入常解气洗涤段继续循环。

4 吸收塔工艺设计
4.1设计依