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1、年产九万吨合成氨厂脱碳工段初步设计摘 要本设计是年产九万吨合成氨厂脱碳工段的初步设计，采用改良的热钾碱法和两段吸收两段再生的的工艺流程来脱除合成气中的二氧化碳，并对吸收液进行再生。脱除原料气中的二氧化碳,对以后的合成工段意义重大,同时回收的二氧化碳也可以用于其他化学物质的合成。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、设备的选型与设计和管道尺寸设计。附带的图纸有带控制工艺流程图、车间设备的平面图和二氧化碳再生塔设备结构图。关键词：热钾碱法;二氧化碳;工艺设计ABSTRACT The design is an elementary design about removing th
2、e carbon dioxide of the factory that makes ammonia 90,000t a year. Recovering the carbon dioxide is not only very important to the next manufacturing process, but also can be used for the production of other chemicals. It uses the developed way of hot solution of aqueous potassium carbonate and the
3、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 technologe, mass and energy balance, the design of the equipments and tubes. Besides these, it inc
4、ludes the drawing of controllable technological process, the drawing of workshops equipments, the equipment drawing of the absorbing tower and the recorvering tower of cabon dioxide.Keywords:The hot solution of aqueous; Carbon dioxide; technological design第一章 前 言氨的用途很广，在国民生产中具有举足轻重的地位。在合成氨的过程中，经变换后的
5、合成气含有较多的二氧化碳，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。此外，二氧化碳是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵等的重要原料，二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务，也在合成氨中占有较重要的地位。本课题是年产九万吨合成氨厂脱碳工段的初步设计。设计的目的是为了寻找出一套合理的脱碳工艺，获得纯度较高的净化气，提高二氧化碳的回收率，简化流程，降低能耗，达到较高的经济效益指标。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，设备的选型与设计和管道尺寸设计以及绘制带控制点的工艺流程图、车间设备的平面图和一张主体设备结构图。由于脱碳分离过程中，溶液吸收和再生是可逆过程，所以溶液
6、的浓度、循环量以及吸收和再生的温度、压力都需要进行合理的选择，这就是本课题所要解决的关键问题。在本设计中，主要是参考相关资料进行选择。本次设计力求以理论为基础，贴近实际为目标，争取让设计更合理。但由于本人水平有限，经验不足，时间有限，资料收集不全面等因素，本次设计难免有疏漏甚至错误，敬请老师批评指正。第二章 合成氨的概述12.1 氨的发现与制取氨是1754年由J.普里斯特利在加热氯化铵和石灰混合物时发现的，1784年C.L.伯托利确定氨由氢和氮组成。19世纪中叶，炼焦工业兴起，生产焦炭过程中制得了氨。煤中的氮约有20%25%转化为氨，煤气中氨含量为811g/m3，因而可从副产焦炉气中回收氨。但
7、这样回收的氨量不能满足需要，促使人们研究将空气中的游离态氮变成氨的方法，20世纪初先后实现了氰化法和直接合成法制氨的工业方法。2.2 氨的用途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、硫酸铵、氯化铵、氯水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨作为原料的。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。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸，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
8、素等作为氮源，生产己二胺、人造丝等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、空调等系统的制冷济，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、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重要的地位。2.3 我国合成氨工业的发展情况 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天
9、然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。2.4 合成氨生产的典型流程目前企业大多采用直接合成氨法生产氨，即根据化学反应式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的粗原料气中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物都是氨合成催化剂的毒物。因此，在把粗原料气送去氨合成以前，需要把这些杂质除去。这样氨合成生产的原料气过程就包括下述主要步骤。一是造气：即制备含有氢、氮和一氧化碳的粗原料气。二是净化：采用适当的方法除去原料气中氢、氮以外的杂质。主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。三是压缩和合成：将纯净的氮、氢混合气体
10、压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成氨。由于我国煤炭目前储存量还比较多，所以本设计采用以煤炭为原料来制取合成氨的粗原料气。以煤炭为原料制取粗原料气合成氨的流程是采用间歇的流化床气化法生产半水煤气，经过变换，脱碳，铜氨液除少量二氧化碳、一氧化碳等净化步骤后可获得合格的氮氢混合物，然后在铁催化剂存在和适当的温度、压力条件下合成氨。其典型过程如图2.1。 图2.1 合成氨典型流程下面从合成原料气的三个步骤详细论述：（1）造气：因为空气中含有71%的氮气，目前已经有很多的技术从空气中分离出满足上述反应的氮气，所以造气就是提供维持该反应的氢气的过程。最早的造气光阴就是将煤或焦碳在高温下与水反应生成水煤
11、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、石脑油等新的造气原料。由于天然气、油田气、石油这样的原料可以用管道输送，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渐取代了煤炭造气工艺。但从目前能源的储量、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：主要是对合成气中的硫化物、碳的氧化物等有害杂质进行脱除的过程。对于半水煤气，主要含无机硫（H2S），有机硫包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CS2），硫醇（RSH），硫醚（RSR），噻吩（C4H4S）等；天然气中主要
12、是无机硫（H2S）。天然气、石油重油、石脑油等中的硫化物的含量因产地不同而不同。但是这些硫化物不但使产品不纯净，更重要的是它们对设备有极强烈的腐蚀作用，而且特别容易使催化剂中毒失活。脱硫的方法归纳起来分湿法和干法两类。湿法包括物理法、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。脱碳是净化合成气的另有个重要步骤，因为任何方法制取的原料气都含有CO和一定量的CO2，其体积分数一般为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容易使催化剂中毒，容易在某些低温工段固化成干冰堵塞管
13、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加以回收可以在尿素、碳酸氢铵等产品的生产中利用。可见脱碳的意义是十分重大的。因为本设计的题目就是合成氨脱碳工段的工艺设计，所以不在此对其赘述，在后面有对脱碳工段的详细介绍。总的说来，对于粗合成气的净化是系统而且复杂的工作，它不仅关系产品质量，也对生产中能量的综合利用，环境的保护有重要的影响。脱硫脱碳后还需要对原料气进行最终净化，将原料气中少量的CO和CO2除去，使其总量不超过10cm3/m3。最终净化有铜氨液吸收法、深冷分离法和甲烷化法。（3）氨的合成：将纯净的氢、氨混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨
14、产品的工序，是合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在下进行的由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：N2+3H22NH3(g) =-92.4kJ/mol工业中反应压力在1035MPa之间，根据能量利用合理来取值。关于催化剂，人们已经开发出一系列催化剂，但比较广泛使用的是寿命比较长，活性良好而且价廉易得的铁系催化剂。该催化剂早期制备时还加入了促进剂。对于产品的分离，目前工业上有两种方法：水吸收法和冷凝法。2.5 脱碳在合成氨中的作用和地位脱碳也就是二氧化碳的脱除和回收，它属于原料气的净化阶段。因为无论是固体燃料还是以烃
15、类为原料制得的原料气经一氧化碳变换后都含有15%40%的二氧化碳。而在合成氨生产过程中经过变换后气体一般含有21%30%的二氧化碳。它不仅会使氨合成催化剂中毒，而且给清除少量一氧化碳的过程带来困难。例如：采用铜氨液洗涤法时二氧化碳与其中的氨生成碳酸氨，而且会形成晶体堵塞管道和设备；采用液氨洗涤时，它容易固化成干冰也会堵塞管道与设备；在甲烷化过程中二氧化碳过多会消耗大量的氢又生成无用的气体甲烷。又因为按合成工序补充气中必须满足CO和CO2含量小于20PPm。此外，二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢氨、纯碱的原料。因此，在合成系统前不但必须将二氧化碳气体清除干净而且还必须回收利用。二氧化碳的脱除和回收利
16、用是脱碳过程的双重任务，也在合成氨中占有较重要的地位。第三章 脱碳方法及工艺的选择3.1 脱碳方法的选择3.1.1 脱碳方法种类及简介 脱碳方法很多，一般采用溶液吸收法，根据吸收剂的性能不同，主要可分为三大类：一是物理吸收法；二是化学吸收法；三是物理-化学吸收法。下面分别简单介绍三种方法。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。典型的物理吸收法有加压水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、Selexol
17、法、低温甲醇法(Rectisol法)、碳酸丙烯酯法(Flour法)等。工业上常用的有水洗法、碳酸丙烯脂法、低温甲醇吸收法等。化学吸收方法是利用二氧化碳是酸性气体，能与碱性化合物反应的特性将其吸收。该方法靠减压闪蒸解吸的二氧化碳有限，通常都需要热再生法。主要有热钾碱法(苯菲尔法、砷碱法及空间位阻法等)和烷基醇胺法(MEA法、DEA法、MDEA法等),其中苯菲尔法和活性MDEA法应用最多。常用的化学吸收剂有氨水、催化热钾碱液、乙醇胺。物理-化学吸收法是综合了两种吸收的方法，将其合在一套生产工艺中。比如说常用的环丁砜法，其吸收剂是环丁砜和烷基醇胺水溶液，两者分别是物理吸收和化学吸收。还有德国的BAS
18、F公司开发的活化MDEA法采用的N-甲基二乙醇胺脱碳也属于此种方法。3.1.2 脱碳方法的比较2物理吸收法：早期的合成氨厂中的脱碳多采用加压水洗法。加压水洗脱碳常在填料塔或筛板塔中进行,此法设备简单,但CO2的净化度差,且水洗的喷淋密度大,动力消耗高，因此近年来合成氨厂的新建脱碳工艺已为其他方法所取代。以N-甲基吡咯烷酮为吸收剂的方法称为吡咯烷酮法。吡咯烷酮具有对CO2溶解度高、粘度较小、沸点较高、蒸汽压较低等优点。该法特别适应气体压力大于7MPa的场合,但由于N-甲基吡咯烷酮较贵,因此应用受到限制。以聚乙二醇二甲醚为吸收剂的脱碳过程称为Selexol法。聚乙二醇二甲醚是一种淡黄色透明的有机液
19、体,无毒、无特殊气味、冰点低、沸点高、化学性质稳定、腐蚀性低,是一理想的物理溶剂。但由于聚乙二醇二甲醚价格昂贵,投资及操作费用均较高,因此该法在国内实际应用较少。低温甲醇法是由德国林德和鲁奇公司联合开发的,吸收剂是甲醇,在12MPa,温度为-750范围内可同时脱除CO2和H2S。CO2可脱至12E-5,H2S可脱至0.1E-6。该法的特点是不会加湿原料气,并且再生能耗低。此法在国内外均有较广泛的应用。碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。碳酸丙烯酯对CO2、H2S的溶解度较大,具有溶解热低、粘度小、蒸汽压低、无毒、化学性质稳定、无腐蚀等优点。该法CO2的回收率较高,能耗较低,但投资费用较
20、高。此法在国内也有一定的应用。总的来说，物理吸收法存在许多不足，如水洗法操作费用高，工艺较老。物理吸收法吸收选择性稍差一点，一般适合高含量的二氧化碳。但也不一定，低温甲醇吸收法却可以脱除多种组分，而且净化度很高。化学吸收法：苯菲尔法的吸收剂是在K2CO3水溶液中加入二乙醇胺(DEA)作为活化剂,V2O5为缓蚀剂。碳酸钾水溶液具有强碱性,其与CO2反应生成KHCO3,生成的碳酸氢钾在减压和受热时,又可放出CO2,重新生成碳酸钾,因而可循环使用。为了提高化学反应速度,吸收在较高的温度(90110)下进行,因此吸收与再生的温度基本相近,使流程简化,同时提高了碳酸钾的浓度,增加了吸收能力,降低了再生能
21、耗。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,要求工人的操作水平较高。活性MEDA法一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)吸收CO2后生成稳定的胺基甲酸盐，反应热大,加热再生较困难,蒸汽消耗较高;N-甲基二乙醇胺(MDEA)与CO2反应生成不稳定的碳酸氢盐,反应热小,加热后较易再生,蒸汽消耗较低。MDEA水溶液与CO2反应受液膜控制,反应速度较慢。为加快反应速度,德国BASF公司开发了改良MDAE脱碳工艺过程,其吸收液是由MDEA水溶液和少量活化剂组成,一般使用的活化剂有:哌嗪、甲基乙醇胺、咪唑或甲基取代咪唑。CO2先与活化剂快速反应,其生成物再与M
22、DEA反应,提高了MDEA溶液吸收CO2的速度。因此，化学吸收法相对来说较好，如催化热钾碱液法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，以在工业中应用较为广泛。其工艺的先进度主要取决于活化剂的选择。目前此法的工艺日益完善、成熟，设备也较为先进。总的来说，化学吸收法明显的特点是选择性好、收率高。物理-化学吸收法其既有物理法的优点又有化学法的优点，如德国的BASF公司开发的活化MDEA法采用的N-甲基二乙醇胺脱碳，其既有物理法的优点又有化学法的优点，而加入活化剂，可以调节吸收性能。所以说此方法具有很大的发展潜力。另外，MDEA工艺同时具有物理吸收和化学吸收的特点
23、,酸气负荷高,溶解度大,闪蒸放出的CO2量多,CO2回收率高,溶液循环量相对较小,能耗较低。MDEA热稳定性好,不易降解,溶剂挥发性小,溶液对碳钢设备腐蚀性弱。该工艺成熟,操作简便,对工人的素质要求相对较低,近年来在国内得到广泛的应用,是优先选取的化学吸收工艺3.1.3 工艺比较：1溶液吸收二氧化碳的能力低温甲醇法 环丁砜法N.2-甲基吡咯烷酮法聚乙二醇二甲醚法=含砷热钾碱法乙醇胺法有机胺硼酸盐催化热钾碱法=二乙醇胺催化热钾碱法.2消耗能源比较蒸汽:乙醇胺法环丁砜法含砷热钾碱法有机胺硼酸盐催化热钾碱法二乙醇胺催化热钾碱法低温甲醇法.电:含砷热钾碱法有机胺硼酸盐催化热钾碱法二乙醇胺催人热钾碱法
24、-乙醇胺法 环丁砜法聚乙二醇二甲醚法 低温甲醇法N.2-甲基吡咯烷酮法.水: 水洗法 含砷热钾碱法 有机胺硼酸盐催化热钾碱法 - 乙醇胺法 环丁砜法 二乙醇胺催化热钾碱法 低温甲醇法N.2-甲基吡咯烷酮法。3.1.4 脱碳方法的确定热钾碱吸收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。由于添加的活化剂不同，热钾碱吸收法有可以分为多种方法，目前合成氨厂主要采用：一是苯菲尔法（又称二乙醇胺改良热钾碱法）：以二乙醇胺为活性剂，五氧化二钒为缓蚀剂。二是氨基乙酸催化
25、热钾碱法：以氨基乙酸为活性剂，五氧化二钒为缓蚀剂其中DEA改良热钾碱法（又称二乙醇胺法）是世界上广泛应用的胺类处理酸性物质或气体的方法。由于DEA不易被CO2或CS2降解，其气相损失少，反应速度快，循环率高。由于本方法达到了一定的经济性和脱碳要求，所以本设计采用此方法。下面详细介绍此方法。（1）概述：该方法是利用碳酸钾溶液吸收在高温下吸收二氧化碳，反应式为CO2K2CO3H2O=2KHCO3。从经济效益出发，本设计采用110的高温。因为在高温条件下K2CO3溶解度增大，可以加大单位时间内的CO2吸收量，CO2吸收速度较快；此外这个温度与CO2再生温度相近，正好可以节约能量，降低生产成本。此外还
26、给溶液中加入活性剂DEA和缓蚀剂，因为高温下的CO2溶解度降低，反应速度减慢。而减慢反应速度，K2CO3对设备和管道的腐蚀作用会加快。因此加入活性剂加快反应速度，增大CO2溶解量，加入缓蚀剂则可以减缓其对设备和管道的腐蚀。添加活化剂DEA不仅可以提高反应速度（如前述），而且还会改变的CO2平衡分压，如表3.1。表3.1 DEA含量对溶液吸收能力的影响DEA含量(%)0123相对吸收系数0.4131.000.6291.00相对CO2分压(MPa)1.941.611.001.00DEA含量不同，其溶液的吸收能力不同，如不同含量的DEA法的溶液吸收能力如下：普通的DEA法：使用20%25%的DEA溶
27、液,其对酸性气体的吸收能力为1219立方米CO2/立方米溶液。高吸收能力的DEA法使用25%27的DEA溶液，其对酸性气体的吸收能力为3032立方米CO2/立方米溶液。SNPA法，使用2530的DEA溶液，其对酸性气体的吸收能力3238.4立方米CO2/立方米溶液。（2）纯碳酸钾反应机理及催化热钾碱法反应机理纯碳酸钾反应机理：反应式： （2-1）这一反应可以分为下列几步完成： （2-2） （2-3） （2-4） （2-5） （2-6）碳酸钾水溶液吸收CO2是一个复杂的过程，可以大致分为以下四个步骤。气相中CO2扩散到溶液界面。CO2溶解于界面的溶液层中。溶液中的CO2在界面液层中与碳酸钾溶液发
28、生化学反应。反应产物向液相主体扩散，而反应从液相主体向液面扩散。上述各步中除第三步式（2-4）是化学过程外，其余均为物质传质过程。整个过程中化学反应速度最慢，是整个吸收过程的控制步骤。含有二乙醇胺（DEA）的纯碳酸钾水溶液与CO2的反应二乙醇胺（DEA）的分子式：（CH2CH2OH）2NH，简写为R2NH。结构式为： H OHCH 2CH 2NCH2CH 2OH 当碳酸钾溶液中含有少量DEA时，与CO2反应里程如下： （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） （2-11） （2-12）经研究发现，该过程中反应最慢的是式（2-8）这一步，因此这一步就是该过程的控制步骤。（3）K2CO3溶
29、液的再生：K2CO3溶液吸收CO2后转变为KHCO3溶液pH值降低，活性下降不能再吸收CO2，于是要将溶液再生以恢复其活性.再生就是驱逐出CO2使溶液恢复吸收能力，以循环使用。再生的反应式为： （2-1）（该反应适于高温低压下进行）从上反应式可以看出：压力越低，温度越高，越有利于碳酸氢钾的分解，故再生反应应在高温低压的条件下进行。3.2 脱碳工艺的选择33.2.1 脱碳工艺流程的分类及比较热钾碱法脱除CO2的工艺流程一般有：一段吸收一段再生、二段吸收一段再生、两段吸收两段再生、多段吸收多段再生四种。各种工艺流程比较：（1）一段吸收一段再生流程：该流程的特点是流程简单，所需设备少，成本低廉，但是
30、使用该流程净化度差，净化气中在1.5左右，可以用于净化度要求不高的情况。流程图如图3.1图3.1 一段吸收一段再生流程（2）二段吸收一段再生流程：该过程由于有少部分溶液经冷却后进入吸收塔顶部，净化度可达到CO2含量1左右，比起前者净化度上有一定的提高，但仍然不能满足大规模生产的要求，再生热耗较高，仅在一些较低的小规模装置上使用。流程图如图3.2图3.2 二段吸收一段再生流程（3）多段吸收多段再生流程：这种工艺净化度最高，能耗最低，但是其装置系统极其复杂，设备繁多，操作要求也很高，这样就导致该工艺的投资很大，因此从经济合理的角度来考虑，此种工艺还不适合工业生产。（4）两段吸收两段再生流程：目前较
31、为常用的是该流程，这种工艺流程的气体净化地一般CO2含量不大于，而且其再生热耗也比较合理，流程图如图3.3图3.3 两段吸收两段再生流程其优点是：在吸收下部用温度较高的再生溶液吸收，既加快了吸收二氧化碳的反应速度，又因为是等温吸收等温再生，节省再生过程的热耗，在吸收塔的上部用温度较低的溶液吸收，降低了溶液表面的二氧化碳平衡分压，提高了气体的净化度。对于能量的综合利用也比较充分；而它的设备装置和操作系统在目前也可以被广泛的接受，所以目前他能流行。3.2.2 本设计工艺流程的确定通过以上的比较，目前适于选用的是“两段吸收两段再生”流程，所以本设计选用此流程。下面简单介绍一下本设计脱碳工段中的二段吸
32、收二段再生流程。 含CO228左右的变换合成气通过与再生塔下部的碱液换热后温度降低到125流到吸收塔底部经气体分布管道进入吸收塔，此时该合成起的压力是1.8MPa。在吸收塔顶部和中部分别用80贫液和104半贫液进行洗涤，出塔净化气温度约80CO2含量低于1。富液从吸收塔底引出，经能量回收后进再生塔顶部，在塔内溶液闪蒸出部分水蒸汽和二氧化碳后，与由再沸器加热产生的逆流蒸气接触，同时被加热并放出二氧化碳，又塔中部引出半贫液，温度约110，经半贫液泵送入吸收塔中部，剩下的溶液在再生塔下部继续与逆流的蒸汽接触进行再生，再生后的贫液温度约120，用贫液泵加压经冷却到80左右送入吸收塔顶部。吸收CO2的过
33、程中，温度的控制非常关键，它直接影响到CO2吸收的平衡和速度。温度升高， K2CO3是溶解度加大，这样就提高了吸收速度率；但同时高温下溶液表面CO2的平衡分压增大，导致气体净化程度低，不利于对CO2的吸收。而“二段吸收一段再生”流程，吸收塔下段的CO2分压较高，平衡溶解度较大，采用部分再生的半贫液在较高的温度下进行初步吸收，而吸收塔上部气相中的CO2分压较低，平衡溶解度也相对较少，故采用再生贫液来吸收，这样就可以提高净化度。吸收温度的高低主要通过改变半贫液和贫液的流量比来控制，在保证气体净化度的前提下尽可能的降低贫液的流量，这样可以减少热量消耗，通常贫液与半贫液的流量比为1:3。3.2.3 本
34、设计工艺流程简述变换气、净化气流程（1）流程图如图3.4：热水塔来的变换气图3.4 变换气净化流程（2）流程概述进入吸收塔的变换气来自170的变换工段的热水塔进入变换气煮沸器壳程，与从再生塔下来的溶液进行热交换升温后进入变换气分离器，分离其中冷凝水，同时，1.8Pa，125左右的变换气进入CO2吸收塔下部。由下而上有中部，上部喷淋下来的半贫液和贫液逆流接触，CO2被溶液吸收。得到净化的气体从顶塔出来，经净化气冷却器和分离器，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3.5图3.5 再生气流程（2）流程简单概述在吸收CO2
35、后的富液，进入再生塔再生，由反应（2-12），CO2从流体中解吸需要吸收热量。解吸出来的CO2进过再生塔顶部除沫层后，进过除沫层与三层罩板上喷淋而下的流体接触，使CO2得到进一步净化。CO2出塔的温度为98，经过再生气冷却系统后为40左右，再经载CO2分离器分离出冷凝液，送往尿素车间，而冷凝水去回流泵。富液、半贫液、贫液流程（1）流程图如图3.6图3.6 富液、半贫液、贫液流程（2）简单流程简述富液流程：收二氧化碳的富液从吸收塔底部引出，经水力透平后送入再生塔上部；后直接经大副线送入吸收塔。半贫液流程：再生塔中部引出的经过部分再生的半贫液经自调阀组后经过滤阀组进入半贫液泵，加压至2.0MPa左
36、右，经过自调阀组进入吸收塔中部。贫液流程：再生塔下部引出的溶液，被加热到120进入再生塔底部。被再生为贫液，由塔底引入贫液冷却器管内，被从冷凝水冷却到8090进入贫液泵，加压到2.0MPa左右，再经过过滤后进入吸收塔上部。循环水流程（1）流程图如图3.7图3.7 循环水流程（2）流程简单概述循环水来自总管，从净化气冷却器的下部进入，上部出来进入循环水总管。软水系统（1）软水系统流程图如图3.8图3.8 软水系统流程（2）流程简单概述从热电站来的软水，经过CO2脱盐水换热器后，回热电站涡炉给水使用。冷凝水系统（1）冷凝水系统流程图如图3.9图3.9 冷凝水系统流程（2）流程简单概述从蒸汽煮沸水出
37、来的蒸汽冷凝后进入冷凝水闪蒸槽，经闪蒸回收蒸汽，降温后，闪蒸槽经自调阀进入冷凝水槽，在此汇合来自铜洗的冷凝水并一起进入冷凝水泵进口总管，又热电站来的脱盐水来调节和补充，经泵加压的大部分冷凝水经自调阀组送往冷凝水槽。另外在泵出口总管设有排放管，必要是经自调阀组进行排放。蒸汽系统（1）蒸汽系统流程图如图3.10图3.10 蒸汽系统流程（2）流程简单概述电站来的低压蒸汽经湿器以后分成三条线。一条进入再沸器；另外一条进入闪蒸器的第一，第二，第三级喷射器，喷射后的蒸汽直接进入再生塔作汽提气；最后一条同往地下槽，用与贮槽加热，过滤活性碳再生作用。3.3 脱碳工段主要设备的选择3.3.1 主要设备种类的选择
38、 脱碳工段的主要设备是吸收塔和再生塔，他们的结构可以分为筛板塔和填料塔两种。由于筛板塔体积庞大，加之生产强度较低；而填料塔就体现出了它的优点，所以大多数工厂采用填料塔。本设计也选用填料塔。常用的填料有不锈钢、碳钢、聚丙烯制成的鲍尔环和陶瓷制的马鞍形填料。由于热钾碱溶液能将陶瓷中的SiO2侵蚀出来因而一定要选择优质的陶瓷做填料。目前还有塑料做的填料，其优点是质轻耐腐蚀，缺点是不适于高温操作，所以要用玻璃纤维来加强，而且使用温度不能超过120。综合考虑采用金属鲍尔环填料。3.3.2 主要设备装置的选择吸收塔 由于采用两段吸收，进入上塔的溶液量仅为全塔溶液量的1/4到1/3，同时气体中大部分的CO2
39、又都在塔的下部吸收。因此在形状上，吸收塔呈现上小下大。上下塔内均装有填料，为了使溶液能均匀的润湿填料表面，除了在填料上层装有液体分布器外，上下塔的填料又分为两层，两层填料见也安装有液体分布器。每层填料都置于波纹状态多孔支板上。气体由上面和侧面进入填料而液体由波纹的下孔流出，这样的气体分布均匀。填料采用金属鲍尔环，大部分用碳钢制作，只在每层填料的上层和最下层用不锈钢制作的。下部设有消泡剂。为了防止液体产生旋涡将气体带入再生塔内，在吸收塔富液出口管上装有防涡流挡板。再生塔 再生塔也分为上下两段，上下同样大小。上塔装有两层填料，下塔也装有两层。上塔的填料为金属鲍尔环。在上塔和下塔之间装有导液盘，由下
40、塔蒸发出来的水蒸汽和CO2经盘上的气窗进入上塔，而上塔经过再生的溶液大部分由导流盘引出来。在上填料层布有三个泡罩式塔板组成的洗涤板，用再生塔分离器出来的冷水洗涤再生气，除去所夹带的液滴的洗涤水回下塔，塔内设有防涡流挡板，防止溶液夹带气泡。再生的另一个要点就是加热，由于简单的减压过程不能使用热钾碱溶液完全再生，所以必须将溶液加热，使反应（2-1）有利于反应向右边进行，促进溶液再生。溶液再生的热耗主要在以下三方面：（1）从溶液中解吸和CO2所需要的解吸热；（2）将吸收后的溶液加热到再生温度所需要的热；（3）再生塔顶部放出的CO2和水蒸汽带走的热。为了供给再生所需要的热量，实现气提解吸，在再生塔顶设
41、置煮沸器将溶液加热至沸腾。一方面出塔顶溶液中的CO2满足再生度的要求；另一方面产生汽提蒸汽CO2与K2CO3的反应热较小，再生蒸汽的热量大部分用于汽提。3.4 工艺操作条件的选择3.4.1 压力 吸收压力：根据吸收反应式（2-1），可以知道加压有利于二氧化碳的吸收。提高吸收压力，同时提高了二氧化碳的平衡分压，这样就加快了吸收反应速度，提高了溶液吸收能力的同时也提高了溶液净化度，降低了再生热的消耗，生产装置中吸收压力的净化度和吸收能力的影响如表3.2所示。表3.2 吸收压力的净化度和吸收能力的影响气量m3/h压力kg/cm2净化度CO2%吸收能力m3/m31006.00.30.510.01006
42、.30.30.511.010012.50.20.315.510012.20.20.316.510015.50.10.317.010015.10.10.217.0实验表明，当CO2分压低于12kg/cm2（绝压）时，采用热钾碱法来吸收实CO2是不经济的，此时再生所消耗的热量大大增加，所以压力越高越有利于吸收。但是对于合成氨厂的脱碳工序来说，气体的压力是由前后各工序来决定的。系统吸收的压力一般为1420kg/cm2。再生压力:其是影响再生度和再生蒸汽的重要因素。再生压力低，再生蒸汽中CO2的分压也低，而液体中二氧化碳的浓度随着液面上二氧化碳的减小而迅速降低，这样有利于二氧化碳解吸。再生压力CO2降
43、低可以减少再生时的热量消耗，但是再生压力也不能任意降低，要能够解吸出来的二氧化碳送到下一工序，一般控制在1840kPa。3.4.2 温度碳酸钾溶液在较高的温度吸收二氧化碳有许多优点：一是提高碳酸钾在溶液中的溶解度，增加溶液吸收二氧化碳的能力；二是较高的温度可加快吸收二氧化碳的速度；三是吸收和再生在相近的温度下进行，可以充分利用热量，减少能量损失。但是温度不是可以任意提高的，我们必须考虑溶液蒸发损失，设备的承受能力等不利因素。实际操作中一般控制在100130。由于二氧化碳的析出反应要在不吸收条件下进行，再生塔部温度一般控制在溶液沸点附近约105110。受沸点的影响，煮沸器出口溶液为115左右，蒸
44、汽温度在150，压力0.4MPa。3.4.3 溶液的浓度 碳酸钾溶液的浓度：增加碳酸钾溶液的浓度可以提高吸收二氧化碳的能力，可减少溶液循环量，提高气体净化度，但是随着溶液浓度的升高，设备和管道也腐蚀严重；低温操作，溶液会析出碳酸钾结晶堵塞设备管道。通常把它的浓度定在25%30%（质量百分比）。活化剂的浓度活化剂采用DEA，乙二醇胺。表3.3列出了加入DEA后碳酸钾溶液的平衡分压和吸收影响值。表3.3 DEA对碳酸钾溶液的平衡分压和吸收影响值DEA含量%(质量)0123相对吸收系数0.4130.6921.00相对CO2分压1.941.611.00第四章 工艺计算4.1 工艺计算条件（1）年合成氨
45、产量：9万吨（2）干变换气组成和吨氨耗气量：表4.1 干气变换气组成成分组分 CO2 CO H2 N2 CH4 合计组成（%） 28.43 1.20 52.38 16.98 1.01 100体积流量m3 1216.30 51.34 2240.94 726.44 43.21 4278.23摩尔流量kmol 54.30 2.29 100.04 32.43 1.43 190.99（3）进工段变换气压力为：1.8MPa（4）计算基准：90000/（36024）=10.42tNH3/h（5）钾碱液比热：3.3kJ/(kg)（6）变换气中各组分的比热kJ/(kg) 4。表4.2 各组分比热组分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O比热kJ/(kg) 0.653 0.754 10.13 0.745 1.7 4.24.2 物料衡算及热量衡算4.2.1 变换气再沸器（1）物料衡算进口变换气：温度：170 压力：1.8MPa 干气流量：44.5
