年产24万吨合成氨脱碳工艺设计大学本科毕业论文.doc

年产24万吨合成氨脱碳工艺设计Design for synthetic ammonia to take off the carbon process with outputting 240,000 tons per year目 录摘要Abstract主要符号说明引 言1第1章 总 述21.1 氨的的性质和用途21.2 CO2物理和化学方面的应用21.3脱碳的方法 3第2章 工艺流程方案的确定62.1 脱碳及再生的方法62.2 NHD的脱碳原理62.2.1 NHD溶剂的物理性质62.2.2 计算的热力学基础72.2.3 计算的动力学基础72.3 脱碳及再生工艺参数的选定82.3.1 脱碳流程的选择82.3.2 气提剂的选择82.3.3 塔型的选择92.3.4 脱碳再生操作温度的选定92.3.5 脱碳再生操作压力的选定92.3.6 脱碳塔气液比的确定102.3.7 冷凝器的位置及选定102.3.8 腐蚀及材料选择112.4 脱碳工艺流程图及流程简述11第3章 吸收过程的工艺计算133.1 物料恒算133.2 热量恒算153.2.1 原料气带入的热量153.2.2 单位时间内气体的溶解热163.2.3 进塔溶液带入的热量163.2.4 净化气带出的热量163.2.5 塔底富液带出的热量173.3 吸收塔的工艺设计173.3.1 塔径及气速的计算173.3.2 填料层高度的计算183.3.3 塔厚度的计算193.3.4 塔压降的计算203.3.5 辅助设备的计算和选型203.3.6 塔体的强度校核22第4章 解吸过程的工艺计算264.1 物料恒算264.1.1 闪蒸过程的物料恒算264.1.2 气提过程的物料恒算264.2 热量恒算274.2.1 闪蒸过程的热量恒算274.2.2 气提过程的热量恒算274.3 气提塔的工艺设计284.3.1 塔径及气速的计算284.3.2 填料层高度的计算294.3.3 厚度的计算304.3.4 塔压降的计算304.3.5 辅助设备的计算和选型314.3.6塔体的强度校核32结论36致谢37参考文献38年产24万吨合成氨脱碳工艺设计摘要：二氧化碳的吸收再生过程主要是由吸收、闪蒸和气提三部分组成。本次设计选用的脱碳剂是聚乙二醇二甲醚（NHD），属于物理吸收法。主要的设备是吸收塔和气提塔。在计算的过程中，首先根据所给的物料组成和工艺条件进行物料恒算和热量恒算，再进行塔设备的计算、校核及辅助设备的计算或选型。吸收段的计算结果如下：二氧化碳的脱除量5818.68，NHD的用量384.9；塔底流出的富液带出的热量29458352.17kJ/h，溶液温度升高了5；塔径为2.3m，塔高度为13m，塔压降为2906Pa。解吸段的计算结果如下：闪蒸出的二氧化碳的量2735.7，二氧化碳的回收率为94%，溶液带出的热量10142141.09kJ/h，闪蒸的容积为0.26。气提出的二氧化碳的量157.15，氮气的用量1105.2；塔底流出的贫液带出的热量6022054.3kJ/h，溶液温度为26；填料层高度为9m，塔压降为2021.4Pa。关键词：吸收 闪蒸 气提 Design for synthetic ammonia to take off the carbon process with outputting 240,000 tons per yearAbstract：The decarbon and regeneration of carbon dioxide process is primarily composed by three parts: absorption, flash vaporization and gas stripping.Polyethylene glycol dimethl ether (NHD) is used to decarbon, which is a physical absorption method. The main device is used to absorption column and stripper. In the process of calculation, firstly make material constant calculation and heat constant calculation, and then is the calculation of tower equipment, checking and ancillary equipments calculation or selection.Absorption segments results are as follows:The amount of carbon dioxide removel is 5818.68m/h and the amount of NHD is 384.9m/h; the heat of liquid-rich flow from tower bottom is 29458352.17kJ/h and the temperature of solution rises 5; the tower diameter is 2.3m, the height of tower is 13m，the tower packing layer is 9m and the column pressure dropping is 2906Pa.The desorption segments results are as follows:The amount of carbon dioxide flashes is 2735.7m/h, the recovery rate of carbon dioxide is 94%, the heat brought out from solution is 10142141.09kJ/h and the volume of flash trough is 0.26m.The amount of carbon dioxide stripped out is 157.15m/h and the amount of nitwgen is 1105.2m/h; the heat of barren liquor from tower bottom is 6022054.3kJ/h and the temperature of solution is 26; the column pressure dropping is 2021.4Pa.Key words: absorption；flash；stripping；主要符号说明序号符号意义单位01气体体积流量02液体体积流量03在NHD中的溶解度m3(标)/m304NHD的密度05气体的热量06液体的热量07气体的溶解热08气体温度09液体温度10在NHD中的溶解度热11气体的焓值12气体的质量流量13气体压力14空塔气速15相平衡常数116塔径17填料高度18风载荷19风弯矩20地震载荷21I惯性距IV引 言氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是由氢和氮合成。合成氨工业是氮肥工业的基础。为了生产氨，一般均以各种燃料为原料。首先，制成含H2和CO等组分的煤气，然后，采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的1：3的氮氢混合气，最后，氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。合成氨的原料也可以分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫、脱碳过程以及气体精制过程。CO2不是合成氨合成的原料气，故需要在净化阶段除去；但CO2在常温常压下是无色无臭气体，在常温下加压即可液化或固化，安全无毒，使用方便，加上其含量非常丰富，因此随着地球能源的日益紧张，现代工业的迅速发展，CO2的利用越来越受到人们的重视。许多国家都在研究把CO2作为“潜在碳资源”加以综合利用。合成氨脱碳过程中，NHD是种优良的物理吸收溶剂。它的主要成分是聚乙二醇二甲醚（国外称Seiexol），是一种有机溶剂。它沸点高，冰点低，蒸汽压低，对CO气体具有很强的选择吸收性，能适合于煤油为原料，算起分压较高的合成气等气体净化，脱碳时许消耗少量冷量，属地能耗的净化方法。其化学稳定性、热稳定性好，挥发损失小，对碳钢设备义无腐蚀性。洒落底下是可被生物降解，对人及生物环境无毒害，因此NHD气体净化技术为清洁生产工艺。 第1章 总述1.1 氨的的性质和用途氨在常温、常压下为无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味，交易液化。当温度25、压力1MPa时气态氨可液化为无色的液氨。氨气易溶于水，溶解时放出大量的热。液氨或干燥的氨气对大部分物质不腐蚀，在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀。氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的12。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。除了在化肥工业以外，氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。氨还可以用作制冷剂，在冶金工业中用来提炼矿石中的的铜、镍等金属，在医药工业中用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其他氨基酸等。 合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程345。 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫、脱碳过程以及气体精制过程。1.2 CO2物理和化学方面的应用CO2不是合成氨合成的原料气，故需要在净化阶段除去；但CO2在常温常压下是无色无臭气体，在常温下加压即可液化或固化，安全无毒，使用方便，加上其含量非常丰富，因此随着地球能源的日益紧张，现代工业的迅速发展，CO2的利用越来越受到人们的重视。许多国家都在研究把CO2作为“潜在碳资源”加以综合利用。它的应用可分为物理应用和化学应用。物理应用：CO2作为人工降雨剂，可解决干旱地区的农田灌溉问题；在食品工业中作为冷冻剂，可保证鱼类、肉类、奶类的长期保鲜和低温运输，同时用作清凉饮料的添加剂67。CO2在焊接工艺中作为绝缘剂和净化剂，用来提高焊接质量；作为萃取剂可以从香料和水果中提取香精，从咖啡里提取碱。另外，CO2还可用于医用局部麻醉、大型铸钢防泡剂和灭火剂。超临界液态CO2因其特殊的性质，还可用于贵重机械零件的清洗剂和超临界萃取剂。 化学应用：二氧化碳用于制造纯碱、轻质碳酸盐、化肥(碳酸氢铵、尿素)以及脂肪酸和水杨酸及其衍生物已有成熟的工艺，作为一种重要的有机合成原料，其应用也在不断研究开发。在催化剂存在下，它可以被氢还原成甲烷、甲醇、甲醛、甲酸；它与H2一起代替甲醇参与芳烃的烷基化，得到包括加氢和甲基转移的产物；它与不饱和烃反应生成内酯、酸或酯类。另外，它还能与不饱和烃、胺类、环氧化合物及其它化合物发生二元、三元共聚反应，生成交联、接枝、嵌段等高分子聚合物，如聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯、聚脲等。1.3脱碳的方法脱碳工艺分大的说，有湿法和干法两种。干法目前主要就是变压吸附，湿法目前就比较多，现比较常用的有MDEA、苯菲尔热钾碱、低温甲醇洗、碳丙、DEA、NHD等。在实际应用中，根据原料路线、生产工艺的不同进行选择8。一般以煤为原料的选低温甲醇洗、碳丙、NHD较多，这两年选变压吸附的也不少(因为其CO2相对于氨较富余，比较节能)；一般以天然气为原料的选择MDEA、苯菲尔热钾碱，选变压吸附的较少(因为其CO2相对于氨较少，氨多碳少)。用于CO2脱除的物理吸收方法很多，目前在工业上应用广泛，技术先进，投资省，能耗低的方法如下： 低温甲醇洗(Rectisol)法； 常温甲醇洗(Amisol)法； MDEA法(物理化学吸收)； Selexol法(国外常用)； NHD法(国内新开发)； 碳酸丙烯酯法；常温甲醇洗对CO2不能选择吸收，而且甲醇消耗大，能耗较高，大型厂也没有使用经验，因此不宜采用。碳丙(PC)，用于脱硫尚缺少大厂实践经验，用于脱CO2始于六十年代美国弗络系(Fcour)公司，但在国内不少氨厂中使用经验表明，其净化度差，溶剂挥发损失较大，国内不少氨厂已转向其他净化方法，新建厂已很少采用。合成氨脱碳常见的三种方法910：物理吸收法 最早采用加压水脱除二氧化碳，经过减压将水再生。此法设备简单，但脱除二氧化碳净化度差，出口二氧化碳一般在2(体积)以下，动力消耗也高。近20年来开发有甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等，与加压水脱碳法相比，它们具有净化度高、能耗低、回收二氧化碳纯度高等优点，而且还可选择性地脱除硫化氢，是工业上广泛采用的脱碳方法。 化学吸收法 具有吸收效果好、再生容易，同时还能脱硫化氢等优点。主要方法有乙醇胺法和催化热钾碱法。后者脱碳反应式为： (2-1)为提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸钾溶液中添加某些无机或有机物作活化剂，并加入缓蚀剂以降低溶液对设备的腐蚀。此外，还有氨水吸收法。在碳酸化法合成氨流程中，采用氨水脱除变换气中的二氧化碳，同时又将氨水加工成碳酸氢铵。 物理化学吸收法 以乙醇胺和二氧化四氢噻吩(又称环丁砜)的混合溶液作吸收剂，称环丁砜法。因乙醇胺是化学吸收剂，二氧化四氢噻吩是物理吸收剂，故此法为物理与化学效果相结合的脱碳方法。这里用低温甲醇法和NHD两种方法相比较进行选定。低温甲醇洗又称冷法净化工艺，是利用甲醇溶液在-60低温下洗涤变换气，溶解分离混合气中的CO2。低温下甲醇对CO2溶解度较大，因此循环溶液量小，耗电较少。其最主要的优点是净化度高，脱CO2能力强，一般的净化度CO2 10ppm。同时分离出足够尿素生产使用的CO2(纯度达98.5%)，它与液氮洗(-190深冷操作)配套，均在低温下操作，减少低温复热的过程，使流程简化、设备减少。该法的不足之处是低温操作(不小于-60)，因此需要补充（-40）以下的低温冷量较大，此部分冷量折能耗较大，且甲醇溶剂蒸汽压高，挥发损失较大，因此，尤其是在甲醇再生蒸馏过程中蒸汽消耗较大。所以此法的冷、热能量消耗较高11。低温甲醇洗法是在低温条件下操作，设备及配管、仪表、阀门材质要求高，不但造价高，而且国内不易解决，需要引进的范围大12。该法工艺技术属国外工程公司专利技术，尽管国内已引进投产四套低温甲醇洗装置，有的国内工程公司也从事了一些配套工作，但真正设计这样大型装置还是要引进技术，因此技术费、引进设备费要高于国内的技术和设备。另外甲醇本身有毒，挥发损失大，对人和环境均有污染。NHD净化工艺是国内八十年代以后开发成功的新技术，具有九十年代的水平，该工艺在常温(-510)条件下操作，设备材质大部分为碳钢，国内可以解决，价格也便宜。NHD工展出1，在P=3.5MPa压力下，溶液对CO2选择吸收能力强，溶液循环量不大，能耗较低。NHD溶剂物化性能稳定，蒸气压低，挥发损失小，无气味、无毒、不腐蚀、不分解。该工艺能耗低、消耗低、成本低。NHD工艺技术是国内南京化工研究院开发，化工部第一设计院已在鲁南化肥厂期工程净化系统成功的设计了一套年产810万吨氨装置，现已投产三年多，运行十分稳定。在此基础上还可以进一步优化设计，降低能耗，节省投资。从后面的技术比较可以清楚看出本技术的优越性。低温甲醇洗与NHD都是先脱硫后脱碳，脱硫后的溶剂采用热再生，脱CO2后的溶剂均采用汽提，因此二者流程是相似的13。低温甲醇洗脱硫与脱碳是用同一个高的吸收塔分为两段，上段脱二氧化碳，下段脱硫，上塔吸收CO2的溶剂一部分去下塔脱硫；NHD目前的流程是脱硫和脱CO2溶剂分开各自成立系统循环，但低温甲醇洗法外增加一个甲醇水蒸馏塔。低温甲醇洗吸收温度是-60，NHD脱CO2吸收温度10，因此流程中换热部分低渐甲醇洗比NHD要复杂得多，总的来说NHD流程比低温甲醇洗流程简单，同时，值得注意的是工厂内如果没有空分装置，则低温甲醇洗的气提用氮气将无法解决，而相反NHD可以用空气作气提剂。目前市场上的NHD净化技术，已在20多家氨厂、甲醇厂、醋酸厂的脱硫、脱碳装置上得到成功应用。作为一种典型的物理吸收过程，NHD技术适合于硫化物和二氧化碳含量高的煤制气净化，因此在化肥工业、煤碳一化学领域具有广阔的前景，适合我国国情。第2章 工艺流程方案的确定2.1 脱碳及再生的方法 一种净化气体的过程，指脱除混合气体中的二氧化碳，主要见于合成氨生产原料气或煤气的处理。脱除原料气中二氧化碳的方法，分为3类。NHD是近年来开发的以种优良的物理吸收溶剂。它的主要成分是聚乙二醇二甲醚（国外称Seiexol），是一种有机溶剂。它沸点高，冰点低，蒸汽压低，对CO2气体具有很强的选择吸收性，能适合于煤油为原料，算起分压较高的合成气等气体净化，脱碳时许消耗少量冷量，属地能耗的净化方法。其化学稳定性、热稳定性好，挥发损失小，对碳钢设备义无腐蚀性。洒落底下是可被生物降解，对人及生物环境无毒害，因此NHD气体净化技术为清洁生产工艺。 对于二氧化碳的再生，再生方法是NHD溶液的采用多级减压闪蒸和汽提法(加热汽提，惰性气汽提)，一般若净化度要求不高，可采用多级减压闪蒸，若净化度要求高须采用惰性气汽提或加热汽提法14。对于合成氨原料气的脱碳及再生，我想用物理吸收法，这样在吸收二氧化碳后，只需经过闪蒸和气提，就可以实现二氧化碳的再回收，所用的吸收剂是NHD,气提吹扫的惰性气体选用氮气15。2.2 NHD的脱碳原理2.2.1 NHD溶剂的物理性质NHD溶剂的主要成分是聚乙二醇二甲醚，分子式为，式中n=28，平均分子量为250270。其物理性质(25)见表2.1：表2.1 NHD的物理性质项目参数密度(m3)1027蒸汽压(Pa)0093表面张力(Nm)0034粘度(mPas)4.3比热J(K)2100冰点()-22-29闪点()151燃点()1572.2.2 计算的热力学基础NHD溶剂在脱碳过程具有典型的物理吸收特征。二氧化碳气体在工艺气体中分压不太高时，它在NHD溶剂中的平衡溶解度能较好地服从亨利定律： (2-2)当气相压力不高时，气相中各组分的分压可按道尔顿分压定律来描述： (2-3)在一定时，提高气相总压P，可溶气体在NHD溶液中的浓度，将增大，此时实行气体吸收过程。若气体i为二氧化碳，即为脱碳过程。反之，对已经溶解了大量二氧化碳的NHD溶剂，在温度及不变的情况下，降低气相总压，气体i从溶液中释放出来，形成闪蒸过程。闪蒸后的NHD溶液中还有少量的气体i，此时可往溶液中鼓入不含气体i的空气等惰性气体，继续降低气相中i的浓度，可进一步降低溶液中i气体的浓度,达到溶液再生的目的，使之重复用于吸收。在二氧化碳气体与NHD溶剂之间进行传质过程的同时，氢气、氮气、甲烷、一氧化碳等气体与NHD溶剂吸收和解吸，但与二氧化碳气体的溶解度相比，这些气体在NHD溶剂中的溶解度要小得多(见表2.2)表2.2 各种气体在NHD溶剂中的溶解度组分H2COCH4CO2COSH2SCH3SHCS2相对溶解度1.32.86.710023389322702400由于硫化氢和有机硫在前面的脱硫工段已经脱除了大部分，剩下的含量很少，故可以可作NHD只吸收二氧化碳，其它气体则为惰性气体。2.2.3 计算的动力学基础通过对NHD溶剂吸收的传质研究，测得系统的扩散系数 (2-4)系统的液膜传质系数与温度的关系式： (2-5)NHD溶剂吸收的速率方程式可以写成： (2-6)NHD溶剂吸收时的传质阻力主要是在液相，对此物理溶解过程有： (2-7)在过程速率主要取决于在NHD液相中的扩散速率情况下，则上式可简化为: (2-8)提高气相压力对无明显影响，但提高了，从而增大了吸收的推动力，也增大。可见，提高吸收压力对提高吸收速率是有利的。 若降低吸收温度，则一方面提高了H值(即提高了值)，另一方面温度降低会使同样的液相浓度的平衡分压降低，吸收的推动力将增大。因此降低吸收温度，会极大地增加吸收速率。由于NHD溶剂吸收CO2是个液膜控制过程，因此在传质设备的选择和设计上，应采取提高液相湍动、气液逆流接触、减薄液膜厚度及增加相际接触面积等措施，以提高传质速率1617。2.3 脱碳及再生工艺参数的选定2.3.1 脱碳流程的选择鉴于聚乙二醇二甲醚脱除CO2是个典型的物理吸收过程，从1965年至今二十多年来，世界上几十个工业装置都采用吸收闪蒸气提的溶液循环过程，其中闪蒸操作可分为几级，逐级减压，高压闪蒸气中含有较多的氢气等有用的气体，一般让它返回系统予以回收，或做燃料用，低压闪蒸气含CO2可达到93%以上，常用之于尿素生产。经闪蒸、气提等手段再生的溶液充作半贫液进入脱碳塔中部，用以吸收进口气体中大部分CO2。进入脱碳塔顶的贫液来自热再生塔，由于这部分溶液的再生更彻底，温度也不高，因此降低了塔顶CO2 的平衡分压，保证了净化气中CO2含量小于1.0%的指标18。NHD溶剂的饱和蒸汽很低，气相中带走的溶剂损耗极少。因此，不设溶剂洗涤回收装置。2.3.2 气提剂的选择本设计采用氮气作为气提气，因此，解决了溶液中硫化物的氧化析硫问题，改善了整个系统的可操作性，更是脱碳塔以预饱和CO2的溶液作贫液这种先进工艺的采用的先决条件19。2.3.3 塔型的选择NHD溶剂吸收二氧化碳的传质速度较慢，而且低温操作下的溶剂粘度大，流动性差。所以需要较大的气液传质界面。因此，我们选用了操作弹性较大的填料塔。在国外已经运转的聚乙二醇二甲醚气体净化工业装置，也多采用填料塔。同样，解吸过程也采用填料塔。关于填料，可以根据发展情况，考虑选用5025mm碳钢阶梯环，也可使用5025mm玻纤增强聚丙烯阶梯环，但必须有低温长期使用的经验后方可使用。由于此次设计的温度不低，故为选用聚丙烯阶梯环2021。2.3.4 脱碳再生操作温度的选定在吸收压力及进脱碳塔气的CO2浓度为定值时，二氧化碳在聚乙二醇二甲醚中的平衡溶解度随温度降低而升高。吸收温度对脱碳气中CO2 含量的影响，如图所示2.1：图2.1 吸收温度对脱碳气中CO2 含量的影响所以，降低脱碳温度，有利于加大吸收能力，减少溶液循环量和输送功率，也有利于提高净化度22。更由于溶剂蒸汽压随温度降低而降低，可使系统的溶剂损耗减少，但低温下的溶剂粘度大，传质慢，增加了填料层高度和冷量损失。据计算，脱碳负荷，填料层高度，吸收压力等条件均相同时，脱碳贫液温度为25时，净化度为0.2%，贫液温度降低到-1，净化度可达0.06%。在这里脱碳塔的操作温度选27。对于二氧化碳的再生，其操作温度选常温。2.3.5 脱碳再生操作压力的选定 吸收的压力越高，越有利于物理溶剂的吸收能力的提高。以下是两套不同吸收压力的工业装置的运行数据：从表中可以看出，2.7MPa的吸收压力明显优于1.7MPa。但合成氨厂的脱碳压力往往由压缩机型及流程总体安排所决定，只要脱碳系统的二氧化碳的分压达到0.4MPa以上，用NHD脱碳都可以获得良好的综合技术经济指标。所以，我这次设计吸收压力为1.4MPa，二氧化碳的分压为0.42MPa。解吸的操作压力选用常压，即一个大气压，这样有利于设备的运行。2.3.6 脱碳塔气液比的确定在其它工艺条件不变时二氧化碳净化度随着气液比的增大而降低。下表中模式数据显示了这种影响。从该表中看到，在吸收再生条件均相近的情况下，吸收塔气液比越小，净化度越高，(吸收压力均在2.52.8MPa，吸收温度均在2634，气提空气/溶剂在18.223.6)。如表2.3所示：表 2.3 气液比大小与溶剂吸收CO2能力的关系序 号气液比溶剂吸收CO2能力m3(标)/m进塔气CO2 mol%出塔气CO2 mol%143.211.025.60.1249.812.926.20.4354.014.226.00.4462.016.227.21.4若要保证一定的CO2净化度，则气液比提高所产生的不利影响，需通过提高填料层高度来弥补。下表列出了在NHD工艺条件下，将进口含量为的41.73%的CO2脱到含量为0.5%的对比数据。如表2.4所示：表 2.4 CO进出口脱碳能力对比序号ABCDEFGH气液比80.778.984.273.769.266.063.561.9脱碳能m3(标)/m363.555.744.734.429.929.226.825.2净化度CO2%0.0200.0160.7130.0860.0530.0200.0170.0152.3.7 冷凝器的位置及选定 脱碳操作温度接近于常温，所以进塔溶液需要冷冻措施。我们选用液氨为冷源，使溶液温度保持在25左右。根据国外同类型运转工厂的经验，冷凝器的位置有两种，一种冷却贫液，一种是冷却富液。两种方法各有千秋。用冷凝器冷却贫液的有美国奥马哈氨厂，西德的一些工厂以及TVA的有关报价材料。它的优点是，控制进脱碳塔贫液温度比较直接，经冷却后的低温管道较短，其它设备操作温度均稍高，这样有利于气提过程及减少冷量损失22。缺点是传热温差小，溶剂损耗大。另一种冷却富液，即冷却刚出脱碳塔的富液。采用这种冷凝器装置的有加拿大希尔哥顿公司氨厂，加拿大工业公司氨厂等。它的优点是传热温差大，有利于减少传热面积。(因为整个脱碳系统中，富液温度最高)整个脱碳系统操作温度都较低，溶剂损耗少。然而带来的缺点是不利于解吸过程，低温管道设备多，冷量损失就大本次设计脱碳系统的半贫液冷却采用第一种装置，贫液是由热再生塔来，经溶液换热后再用氨冷却，属于第一种装置。2.3.8 腐蚀及材料选择NHD溶剂本身无腐蚀性，并能在有些原来的腐蚀的脱碳系统内抑制腐蚀，这是因为NHD溶剂吸收了水分，减轻了CO2对碳钢的腐蚀23。但在高温和有二氧化碳和水蒸汽存在的情况下，对设备有一定的腐蚀作用。因此，脱碳系统的大部分设备脱碳塔、气提塔，闪蒸槽等都可用低合金钢钢制作，仅部分内件，如除沫器，液体分布器，填料支承及压板等，采用不锈钢材料。管道间垫片可用石棉，机械密封材料可选用硅橡胶，聚丙烯和聚四氟乙烯，一般的高分子材料慎用24。NHD溶剂是油漆的溶剂，管道和设备内表面不能使用涂料，偶尔接触NHD溶剂的设备防腐涂层可用环氧树脂漆25。2.4 脱碳工艺流程图及流程简述 脱碳工艺流程图及流程简述如图2.4。 1换热器 2、6、13气液分离器 3、7风机 4吸收塔 6、7、11溶液泵8、14气体缓冲罐 9气提塔 10离心泵 12闪蒸槽图2.4脱碳工艺流程图变换气加压至1.4MPa后先经过分离器分离夹带雾沫后，进入板翅式综合气体换热器，与净化气、高压闪蒸气、低压闪蒸气换热降温，经进塔分离器分离，进入脱碳塔，气体由下向上与从塔顶喷淋下来的溶液逆流接触，混合气体的二氧化碳被溶剂吸收，脱除到1.0%以下，净化气经雾沫分离器分离掉夹带的少量雾沫后，进入翅式气体换热器回收冷量，经装有EAC-2的精脱硫罐脱除掉残余总硫，加压送联醇系统。 从脱碳塔底部出来的NHD富液，经减压后进入闪蒸槽，将大部分溶剂中吸收的二氧化碳气体闪蒸解吸出来，送尿素合成塔。自闪蒸槽底部出来的溶剂，经富液泵提压后送至气提塔顶部。溶剂自塔顶喷淋下来，与从下部送入的氮气逆流接触，进行传质换热，并将溶液中残留的二氧化碳气提出来。出气提塔的解吸气经分离器回收少量夹带NHD雾沫后，入空气冷却器，与罗茨风机送来的空气进行间接热交换之后，解吸气放空。 从气提塔出来的贫液则经泵加压和流量调节后，进入氨冷管间，被液氨蒸发器冷却后再送入脱碳塔顶部去吸收原料气中的二氧化碳，如此循环使用，当循环溶剂吸水超标后，可部分送脱水塔进行脱水处理，脱水后的溶剂经溶液换热降温后送至气提塔。第3章 吸收过程的工艺计算经资料查询以及实际情况分析可知进口气体的组成：进口气体组成见表3.1：表3.1进口气体组成组成CO2COH2N2CH4合 计含量/%0.20.2620.3320.1910.015100工艺参数： 原料气压力：常压；进脱碳塔气体温度：25；脱碳塔操作压力：P=1.4MPa；脱碳塔操作温度：t=27；进脱碳塔溶液含二氧化碳的量：0.001进脱碳塔溶液温度：25；闪蒸槽操作压力：常压；闪蒸槽操作温度：25； 进气提塔氮气温度：30； 气提塔操作压力：26.66kpa； 气提塔操作温度：25； 年工作日330天，其余数据根据生产实际情况自定。设计目标：出脱碳塔净化气组分中CO2含量1.0%；再生气组分中CO2%回收率93%脱碳塔压差；气提塔压差。3.1 物料恒算原料气在通过吸收塔的过程中，二氧化碳气体不断被吸收，故气体总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入二氧化碳组分，其含量也沿塔高而变，但是塔的惰性气体量和溶剂量是不变的。进塔气的的平均摩尔质量为： 进塔气的摩尔流量： 进塔气中的流量： 惰性气体的流量： 则原料气中各组分的物质的量为： 其中惰性气体的物质的量为：进塔气中的摩尔比为：出塔气中的摩尔比为：进塔溶液中的摩尔比为：塔操作压力下的分压为： 以煤为原料的变换气中在25，0.42MPa下在碳酸丙烯的溶解度为13.8（标）。同样条件下NHD在的溶解度是碳酸丙烯的1.15倍，则在25，0.42MPa下NHD的溶解度为：（标） 净化气的流量为：净化气摩尔流量为：净化气中的流量为：则被NHD吸收的流量为：被NHD吸收的摩尔流量为：则吸收所需的NHD的量为：其摩尔流量为：取NHD中的杂质含量为0.5%，则真实所需的NHD为：其摩尔流量为：根据全塔的物料恒算，求出在液相中的摩尔比为其摩尔分数为： 从塔底流出的富液量为：净化气各组分含量由求出，见列表3.2：表 3.2净化气各组分含量组成CO2COH2N2CH4合 计含量%132.441.123.641.86100.003.2 热量恒算全塔的热量平衡式为: 3.2.1 原料气带入的热量当气体压力不高时，有其中气体的比热容，而，查文献5将数据代入可得气体中各组分的比热容，见列表3.3：表 3.3 气体各组分的比热容组分CO2COH2N2CH48.82311.4297.31811.28310.021 原料气带入的热量为：3.2.2 单位时间内气体的溶解热单位时间内气体的溶解热为 式中为二氧化碳溶于NHD的溶解热，故 3.2.3 进塔溶液带入的热量进塔溶液带入的热量 式中为NHD的比热容，故 3.2.4 净化气带出的热量由工程上操作可知气体出塔温度与操作温度相同，则 其中气体的比热容，而， 查文献5将数据代入可得气体中各组分的比热容，见列表3.4：表3.4 各组分的比热容组分CO2COH2N2CH48.94912.3676.8951214710.826故净化气带出的热量为： 3.2.5 塔底富液带出的热量塔底富液带出的热量 式中，为单位时间已溶气体的焓，则由可以求出富液带出的热量为：故富液的温度为： 溶液温度升高了5。3.3 吸收塔的工艺设计3.3.1 塔径及气速的计算塔内气体的密度：将进塔气换成操作压力下的体积流量，中压以下由可知,则 塔内气体的质量流量为：塔内气体的质量流量为：采用埃克特通用关联图计算泛点气速，其横坐标为： 查文献20得纵坐标为： 27时， 水的密度：， 则 查文献15知：DN50塑料阶梯环，解得 拟定操作