年產(chǎn)8萬(wàn)噸合成氨脫碳及再生工藝設(shè)計(jì)

1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）年產(chǎn)8萬(wàn)噸合成氨脫碳及再生工藝設(shè)計(jì)姓 名： 指導(dǎo)教師： 院 系： 化學(xué)化工學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 提交日期： 目錄中文摘要3外文摘要41.總述51.1 設(shè)計(jì)目的及意義51.2 合成氨生產(chǎn)工藝流程概述51.2.1 合成氨工藝流程51.2.2 合成氨工藝流程圖71.3 合成氨脫碳及再生方法72. NHD法技術(shù)簡(jiǎn)介82.1 原料簡(jiǎn)介82.2 NHD法脫碳及再生原理92.3 NHD法參數(shù)的選定102.4 NHD法脫碳及再生工藝流程圖122.5 NHD法脫碳及再生工藝流程詳述122.6 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)123. NHD法脫碳及再生工藝物料衡算及能量衡算143.1 物料衡算143.

2、1.1 吸收塔的物料衡算143.1.2 閃蒸過(guò)程的物料衡算163.1.3 汽提塔的物料衡算183.1.4 整個(gè)系統(tǒng)二氧化碳的總物料衡算183.2 熱量衡算193.2.1 熱量衡算數(shù)據(jù)193.2.2 吸收塔的熱量衡算193.2.3 閃蒸過(guò)程的熱量衡算203.2.4 汽提塔的熱量衡算204. 主要設(shè)備的計(jì)算與選型214.1 已知條件214.2 吸收塔的操作線(xiàn)方程式214.3 塔徑的計(jì)算214.4 填料層有效高度的計(jì)算224.4.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算224.4.2 傳質(zhì)單元高度的計(jì)算235. 生產(chǎn)安全及二氧化碳回收再利用245.1 生產(chǎn)安全245.1.1 點(diǎn)火源的控制245.1.2 防爆電氣設(shè)備的選

3、用245.1.3 有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)物質(zhì)的處理245.2 二氧化碳回收再利用245.3 腐蝕及材料的選擇256. 合成氨脫碳及再生工藝評(píng)析與總結(jié)25參考文獻(xiàn)26致謝27附圖28年產(chǎn)8萬(wàn)噸合成氨脫碳及再生工藝設(shè)計(jì)栗蘭冬指導(dǎo)老師：詹益民（黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，黃山，安徽，245041）摘 要：合成氨中脫碳的方法有很多種，有物理吸收法、化學(xué)吸收法、物理-化學(xué)吸收法和變壓吸附法（PSA）。通過(guò)各種吸收方法的比較，本設(shè)計(jì)采用的是物理吸收法中的聚乙二醇二甲醚法（Selexol Process）。我國(guó)原南京化學(xué)工業(yè)公司研究院開(kāi)發(fā)出的同類(lèi)脫碳工藝，稱(chēng)之為NHD凈化技術(shù)，在中型氨廠實(shí)驗(yàn)成功。NHD溶液吸收二氧化碳和

4、硫化氫的能力均優(yōu)于國(guó)外的Selexol溶液，價(jià)格卻較之便宜，目前正在國(guó)內(nèi)推廣使用。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：合成氨脫碳工藝流程設(shè)計(jì)與說(shuō)明、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型、生產(chǎn)安全及二氧化碳的回收利用。關(guān)鍵詞：脫碳；NHD凈化技術(shù)；工藝流程設(shè)計(jì)；二氧化碳的回收利用An annual output of 80000 tons of synthetic ammonia decarburization and regeneration process designLi LandongDirector：Zhan Yimin(College of Chemistry and Chemical Engineerin

5、g, Huangshan University, Huangshan, Anhui,245041)Abstract: There are many ways of decarburization synthetic ammonia-Physical absorption, Chemical absorption, Physical-Chemical absorption and Variable pressure adsorption. Through comparison with several other CO2 removal processes, the design USES is

6、 Selexol Process of Physical absorption. The former Nanjing chemical industrial company research institute developed decarburization process similar, which is called NHD purification technology and have achieved success in the medium ammonia factory. What the NHD solution to absorb CO2 and H2S abili

7、ty is better than foreign Selexol solution and is cheaper, which is domestic promoted use at present. The main contents of the design are: synthetic ammonia process design and specification decarburization, material balance calculations, heat balance calculations, equipment selection, production saf

8、ety and the recycling of carbon dioxide.Keywords: decarburization; NHD purification technology; process design; the recycling of carbon dioxide1 總述1.1 設(shè)計(jì)目的及意義畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)的總結(jié)和利用，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可以提高我們對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。通過(guò)設(shè)計(jì)可以把所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際工藝設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，來(lái)培我們分析、研究和解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的思考能力和實(shí)踐能力，特別是獨(dú)立探索和獲取新知識(shí)的能力1。合成氨脫碳及再生的工藝設(shè)計(jì)能使

9、我掌握吸收、閃蒸、汽提等工藝流程設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)，鞏固了我大學(xué)四年以來(lái)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，增加了解決問(wèn)題的能力，為我以后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2 合成氨生產(chǎn)工藝流程概述20世紀(jì)初，德國(guó)人哈伯（）發(fā)明了由氫氣和氮?dú)庵苯雍铣砂钡姆椒?，并?913年與博茨（）創(chuàng)建了合成氨工藝，由含碳原料與水蒸氣、空氣反應(yīng)制成含和的粗合成氣，再經(jīng)精細(xì)地脫除各種雜質(zhì)，得到:=3:1（體積比）的合成氨原料氣，使其在500600、17.520及鐵催化劑作用下合成為氨。近年來(lái)，該過(guò)程已可在400450、815下進(jìn)行。反應(yīng)為：氨的最大用途是制氮肥，氨還是重要的化工原料，它是目前世界上產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品之一2。1.2.1 合成氨

10、工藝流程（1） 原料氣制備合成氨的第一個(gè)工段為原料氣的制備工段。原料氣制備的原料為煤和天然氣，所含成分為氮和氫。制備原料氣所用的原料不同，所用的方法也不同。制備方法有：氣化法、非催化部分氧化法和二段蒸汽轉(zhuǎn)化法。（2）凈化各種方法制得的原料氣在送去合成氨之前都需要經(jīng)過(guò)凈化，以除去其中的有害雜質(zhì)，如硫化物、CO、CO2等。凈化過(guò)程包括脫硫過(guò)程、CO變換過(guò)程和脫除CO2過(guò)程和脫除少量CO的過(guò)程。 脫硫過(guò)程脫硫過(guò)程是凈化過(guò)程的第一個(gè)過(guò)程。因?yàn)楹蚧衔铮℉S2、SO2）能使合成氨生產(chǎn)過(guò)程的催化劑中毒，所以我們?cè)诤铣砂惫ざ我郧氨仨毎押蚧衔锩摮?。而且所用的合成氨的原料不同，采用的催化劑也相?yīng)的不同。脫

11、硫的方法有物理吸收法和化學(xué)吸收法。 一氧化碳變換過(guò)程 CO變換過(guò)程是凈化過(guò)程的第二個(gè)過(guò)程。在合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)論用哪種方法，都會(huì)含有CO，而且其體積分?jǐn)?shù)一般都在百分之十以上。因?yàn)槠浜勘容^高，不利于氨合成反應(yīng)的進(jìn)行，所以需要將其脫除。變換反應(yīng)如下：CO變換過(guò)程有兩個(gè)階段：高溫變換階段和低溫變換階段。 脫碳過(guò)程脫碳過(guò)程是凈化過(guò)程的第三個(gè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)了CO的變換過(guò)程，粗原料氣中還含有H2、CO2、CO和CH4等氣體。因?yàn)樵谶@幾種氣體中，CO2的含量最多，而且CO2又能使氨合成催化劑中毒，所以必須脫除CO2。因?yàn)镃O2是制氮肥的原料，所以還要兼顧C(jī)O2的再生問(wèn)題。脫除CO2的方法有兩大類(lèi)：物理吸收法

12、和化學(xué)吸收法。本設(shè)計(jì)所用的方法就是物理吸收法。 少量一氧化碳脫除少量CO的脫除過(guò)程是凈化工段的第最后一個(gè)過(guò)程。雖然前面兩個(gè)過(guò)程已經(jīng)進(jìn)行了CO的變換和CO2的脫除，但是原料氣中還含有少量的CO和CO2。當(dāng)CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)10cm3/m3時(shí)，就會(huì)使氨合成催化劑中毒，所以必須對(duì)少量CO進(jìn)行脫除。銅氨液吸收法、液氨洗滌法和甲烷化法是脫除CO的主要方法。（3） 氨合成氨合成工段是合成氨工藝流程的最后一個(gè)工段，也是最核心的部分。在氨合成的過(guò)程中，必須在較高的壓力，而且有催化劑存在才能進(jìn)行。因?yàn)榇朔磻?yīng)是可逆反應(yīng)，且轉(zhuǎn)化率不高，所以需要將N2和H2循環(huán)進(jìn)行反應(yīng)。氨合成反應(yīng)式如下：1.2.2 合成氨工

13、藝流程圖如下：圖1-1 以煤為原料的合成氨流程1.3 合成氨脫碳及再生方法脫除CO2的方法很多，我們要根據(jù)所采用原料的不同來(lái)選擇不同的方法。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，用溶劑吸收法來(lái)吸收CO2越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外的歡迎。根據(jù)吸收的機(jī)理，CO2的脫除方法可分為以下四大類(lèi)。(1) 化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法的優(yōu)點(diǎn)有：吸收效果好、容易再生和脫硫化氫。主要方法有乙醇胺法和催化熱鉀堿法3。后者脫碳反應(yīng)式為：此外，還有氨水吸收法。(2) 物理吸收法以前脫除CO2常采用加壓水法，再減壓將水再生。雖然此法的過(guò)程與設(shè)備比較簡(jiǎn)單，但是脫除CO2的凈化度比較差，并且動(dòng)力消耗也比較高。近年來(lái)，隨著化工工業(yè)的發(fā)展，加壓水法已經(jīng)逐漸被新的

14、方法所替代。新開(kāi)發(fā)的方法有：甲醇洗滌法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等。它們有以下優(yōu)點(diǎn)：CO2純度高，能耗低，凈化度高。(3) 物理化學(xué)吸收法物理化學(xué)吸收法，顧名思義，就是物理與化學(xué)相結(jié)合的方法。所謂環(huán)丁砜法，是指由乙醇胺和二氧化四氫噻吩的混合溶液作吸收劑的方法，是一種物理化學(xué)吸收法，其中的化學(xué)吸收劑是乙醇胺，物理吸收劑是二氧化四氫噻吩。對(duì)于二氧化碳的再生，采用的是NHD溶液法。(4) 變壓吸附法（PSA）變壓吸附法技術(shù)是利用固體吸附劑在加壓下吸附CO2，使氣體得到凈化。吸附劑再生時(shí)減壓脫附析出CO2一般在常壓下進(jìn)行，能耗小、操作簡(jiǎn)便、無(wú)環(huán)境污染，PSA法還可以用于分離提純H2、N2、CH4

15、、CO、C2H4等氣體。我國(guó)在早些年已有國(guó)產(chǎn)化的PSA裝置，而且技術(shù)和規(guī)模已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。對(duì)于合成氨原料氣的脫碳及再生，本設(shè)計(jì)用的是物理吸收法中的NHD法，這種方法在吸收二氧化碳后，只需經(jīng)過(guò)閃蒸和氣提，就可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的再回收，所用的吸收劑是NHD，氣提吹掃的惰性氣體選用氮?dú)狻? NHD技術(shù)簡(jiǎn)介20世紀(jì)80年代初，南化公司研究院成功開(kāi)發(fā)了一種較為先進(jìn)的脫碳技術(shù)-NHD技術(shù)，它的工藝流程與國(guó)外的Selexol工藝類(lèi)似，不同的是二者所用溶劑的組分不同。NHD溶液的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系物，由南化院經(jīng)過(guò)靜態(tài)平衡和模式試驗(yàn)中篩選出最佳組分，分子式為CH3O(C2H4O)nCH3，n為28

16、，平均分子量為250280。該溶劑的化學(xué)制品已有杭州化學(xué)研究所和山東魯化集團(tuán)公司共同研制成功，并且該工藝在國(guó)內(nèi)二十幾家中小型化肥企業(yè)得以應(yīng)用，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。該技術(shù)1984年獲得部級(jí)鑒定，并獲得國(guó)家專(zhuān)利。NHD脫碳工藝以其技術(shù)上的先進(jìn)性以及成功的運(yùn)行實(shí)踐已經(jīng)向人們證明，它是當(dāng)今國(guó)內(nèi)各種脫碳技術(shù)中的佼佼者，相信在未來(lái)幾年里，NHD技術(shù)必將在變換氣脫碳領(lǐng)域獲得更為廣闊的空間。2.1 原料簡(jiǎn)介 原料氣簡(jiǎn)介在上述合成氨流程中已經(jīng)介紹，經(jīng)過(guò)了CO的變換后的原料氣中含有大量的CO2。而且還講述了脫除二氧化碳及二氧化碳再生的原因。在這里就不在重復(fù)了，詳見(jiàn)合成氨工藝流程脫碳過(guò)程。原料氣的成分在任務(wù)要求里。在本設(shè)

17、計(jì)里進(jìn)吸收塔的氣體一律采用“原料氣”的叫法。 吸收劑NHD簡(jiǎn)介NHD溶劑的主要成分是聚乙二醇二甲醚，分子式為CH3O(C2H4)nCH3，式中n=28，平均分子式為250280。其物理性質(zhì)見(jiàn)下表：表1-2 NHD的物理性質(zhì)(25)項(xiàng)目參數(shù)密度（kg/m3）蒸氣壓（Pa）表面張力（N/m）粘度（MPa·s）比熱J/(kg·K)冰點(diǎn)（）閃點(diǎn)（）燃點(diǎn)（）10270.0930.0344.32100-22-291511572.2 NHD法脫碳及再生原理計(jì)算的熱力學(xué)基礎(chǔ)：當(dāng)二氧化碳?xì)怏w在吸收塔中分壓不太高時(shí)，它在NHD溶劑中的平衡溶解度能較好地服從亨利定律4： 當(dāng)氣相壓力不高時(shí)，氣相中

18、各組分符合道爾頓分壓定律，故可用此定律： 在一定時(shí)，提高總壓力P，CO2在NHD溶液中的濃度將增大，此時(shí)為氣體吸收過(guò)程。若氣體i為二氧化碳，即為脫碳過(guò)程。相反，如果對(duì)已經(jīng)溶解了大量CO2的NHD溶劑，在溫度及不變的情況下，降低氣相總壓力，氣體CO2就會(huì)從溶液中釋放出來(lái)，此時(shí)為閃蒸過(guò)程。由于閃蒸后的NHD溶液中還有少量的CO2，所以此時(shí)可往溶液中鼓入不含氣體CO2的惰性氣體N2，以致繼續(xù)降低氣相中CO2的濃度，進(jìn)一步降低溶液中CO2氣體的濃度,從而達(dá)到NHD溶液再生的目的，使之重復(fù)用于吸收。在二氧化碳?xì)怏w與NHD溶劑之間進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程的同時(shí)，H2、N2、CH4、CO等氣體也與NHD溶劑進(jìn)行吸收和解

19、吸，但是與CO2在NHD溶液中的溶解度相比，這些氣體在NHD溶劑中的溶解度要小得多。其溶解度見(jiàn)下表。表1-1 各種氣體在NHD溶劑中的溶解度組分H2COCH4CO2COSH2SCH3SHCS2相對(duì)溶解度1.32.86.710023389322702400由于硫化氫和有機(jī)硫在前面的脫硫工段已經(jīng)脫除了大部分，剩下的含量很少，故可以看作NHD只吸收二氧化碳，其它氣體則為惰性氣體。計(jì)算的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)：通過(guò)對(duì)NHD溶劑吸收的傳質(zhì)研究，測(cè)得系統(tǒng)的擴(kuò)散系數(shù): 系統(tǒng)的液膜傳質(zhì)系數(shù)與溫度的關(guān)系式為： NHD溶劑吸收的速率方程式可以寫(xiě)成： 由于NHD溶劑吸收時(shí)的傳質(zhì)阻力主要是在液相，所以對(duì)此物理吸收過(guò)程有： 由于過(guò)

20、程速率主要取決于在NHD液相中的擴(kuò)散速率，則上式可簡(jiǎn)化為：雖然提高氣相總壓對(duì)并無(wú)明顯影響，但是提高了，從而使吸收的推動(dòng)力增加了，故也相應(yīng)的增大。由此可見(jiàn)，提高氣相總壓對(duì)提高吸收速率是有利的。如果降低了吸收的溫度，不僅會(huì)使H值提高了(即提高了值)，而且溫度降低會(huì)使液相濃度的平衡分壓降低，從而導(dǎo)致了吸收的推動(dòng)力增大。因此降低吸收溫度，會(huì)極大地增加吸收速率。2.3 NHD法脫碳及再生工藝參數(shù)的選定 脫碳流程的選擇鑒于聚乙二醇二甲醚脫除CO2是個(gè)典型的物理吸收過(guò)程，從1965年至今二十多年來(lái)，世界上幾十個(gè)工業(yè)裝置都采用吸收閃蒸氣提的溶液循環(huán)過(guò)程，其中閃蒸操作可分為幾級(jí)，逐級(jí)減壓，高壓閃蒸氣中含有較多的

21、氫氣等有用的氣體，一般讓它返回系統(tǒng)予以回收，或做燃料用，低壓閃蒸氣含CO2可達(dá)到93%以上，常用之于尿素生產(chǎn)5。經(jīng)閃蒸、氣提等手段再生的溶液充作半貧液進(jìn)入脫碳塔中部，用以吸收進(jìn)口氣體中大部分CO2。進(jìn)入脫碳塔頂?shù)呢氁簛?lái)自熱再生塔，由于這部分溶液的再生更徹底，溫度也不高，因此降低了塔頂CO2的平衡分壓，保證了凈化氣中CO2含量小于1.0%的指標(biāo)。由于氣相中帶走的NHD溶劑損耗極少，因此不設(shè)溶劑洗滌回收裝置。 脫碳再生操作溫度的選擇在吸收壓力及進(jìn)脫碳塔氣的CO2濃度為定值時(shí)，二氧化碳在聚乙二醇二甲醚中的平衡溶解度隨溫度降低而升高。所以，降低脫碳溫度，有利于加大吸收能力，減少溶液循環(huán)量和輸送功率，也

22、有利于提高凈化度。更由于溶劑蒸汽壓隨溫度降低而降低，可使系統(tǒng)的溶劑損耗減少，但低溫下的溶劑粘度大，傳質(zhì)慢，增加了填料層高度和冷量損失。 據(jù)計(jì)算，脫碳負(fù)荷，填料層高度，吸收壓力等條件均相同時(shí)，脫碳貧液溫度為25時(shí)，凈化度為0.2%，貧液溫度降低到-1，凈化度可達(dá)0.06%。在這里脫碳塔的操作溫度選27。對(duì)于二氧化碳的再生，其操作溫度選常溫，25。 脫碳再生操作壓力的選擇在NHD法脫碳及再生原理中已經(jīng)講述，吸收壓力越高，越有利于吸收的進(jìn)行。但合成氨廠的脫碳?jí)毫τ蓧嚎s機(jī)型及流程總體安排所決定，所以只要脫碳系統(tǒng)的二氧化碳的分壓達(dá)到0.4MPa以上，用NHD脫碳就可以獲得良好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。所以，我

23、這次設(shè)計(jì)吸收壓力為1.4MPa，二氧化碳的分壓為0.42MPa。解吸的操作壓力我選擇常壓，即一個(gè)大氣壓，這樣有利于設(shè)備的運(yùn)行。 氣提劑的選擇本設(shè)計(jì)采用氮?dú)庾鳛闅馓釟?，因此，解決了溶液中硫化物的氧化析硫問(wèn)題，改善了整個(gè)系統(tǒng)的可操作性，更是脫碳塔以預(yù)飽和CO2的溶液作貧液這種先進(jìn)工藝的采用的先決條件。 脫碳塔氣液比的確定在其它工藝條件不變時(shí)二氧化碳凈化度隨著氣液比的增大而降低。下表中模式數(shù)據(jù)顯示了這種影響。從該表中看到，在吸收再生條件均相近的情況下，吸收塔氣液比越小，凈化度越高。(吸收壓力均在2.52.8MPa，吸收溫度均在2634，氣提空氣/溶劑在18.223.6)。表2-1 二氧化碳凈化度隨著

24、氣液比的變化序 號(hào)氣液比容積吸收CO2能力進(jìn)塔氣凈化氣143.211.025.60.1249.812.926.20.4354.014.226.00.4462.016.227.21.4若要保證一定的CO2凈化度，則氣液比提高所產(chǎn)生的不利影響，需通過(guò)提高填料層高度來(lái)彌補(bǔ)。下表列出了在某工藝條件下，將CO2由進(jìn)口的41.73%脫到0.5%的對(duì)比數(shù)據(jù)。如表2-2所示：表2-2 CO2脫除前后的對(duì)比數(shù)據(jù)序 號(hào)ABCDEFGH氣液比80.778.984.273.769.266.063.561.9脫碳能力m3(標(biāo))/m363.555.744.734.429.929.226.825.2凈化度CO2%0.020

25、0.0160.7130.0860.0530.0200.0170.0152.4 NHD法合成氨脫碳及再生工藝流程圖合成氨脫碳及再生工藝流程如下：圖 2-1 合成氨脫碳及再生流程簡(jiǎn)圖2.5 NHD法脫碳及再生工藝流程詳述該工藝的的主要過(guò)程如下：原料氣自吸收塔下部加入，自塔頂部引入的Selexol溶液與原料氣逆流接觸吸收二氧化碳。從吸收塔底部流出的富液經(jīng)水力透平機(jī)回收動(dòng)力后進(jìn)入循環(huán)氣閃蒸罐，經(jīng)多級(jí)降壓閃蒸首先解吸出氫氣、氮?dú)夂鸵谎趸嫉葰怏w，閃蒸氣經(jīng)分離及壓縮返回吸收塔或原料氣管線(xiàn)。后幾級(jí)解吸可將大部分二氧化碳解吸出來(lái)，二氧化碳純度可達(dá)99解吸二氧化碳的溶劑送往氣提塔再生，溶劑從氣提塔頂部加入，空氣

26、從塔底部進(jìn)入以吹出溶液中殘余的二氧化碳，再生后的溶液（貧液）由氣提塔流出并用泵打至吸收塔頂部循環(huán)利用。2.6 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)任務(wù)要求：本設(shè)計(jì)要求年脫除合成氨中脫碳的原料氣8萬(wàn)噸，原料氣的成分如下表：表1-3 原料氣各組分的摩爾含量組成CO2COH2N2CH4含量0.240.2630.3460.1310.02工藝條件:氣液兩相的入塔溫度均為25；吸收塔操作壓力1.4MPa，解析塔操作壓力為常壓；吸收劑的入塔濃度根據(jù)操作情況而定；設(shè)計(jì)目標(biāo):經(jīng)脫碳后二氧化碳含量1.0；再生段二氧化碳回收率96；脫碳塔壓差20KPa;汽提塔壓差20KPa.工藝參數(shù)：原料氣壓力：常壓；進(jìn)脫碳塔氣體溫度：25；脫碳塔操作壓力

27、：P=1.4MPa；脫碳塔操作溫度：T=27；進(jìn)脫碳塔溶液含二氧化碳的量：0.001；進(jìn)脫碳塔溶液溫度：25；閃蒸槽操作壓力：常壓；閃蒸槽操作溫度：25；進(jìn)汽提塔氮?dú)鉁囟龋?0；汽提塔操作壓力：26.66KPa;汽提塔操作溫度：25；年工作日340天。主要內(nèi)容：總述（包括畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的及意義、合成氨生產(chǎn)工藝流程概述、合成氨脫碳及再生方法等）、NHD法技術(shù)、物料衡算、熱量衡算、主要設(shè)備的計(jì)算和選型、生產(chǎn)安全及二氧化碳回收再利用、本設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與總結(jié)、繪制帶控制點(diǎn)的流程圖（見(jiàn)附圖1）及主要設(shè)備圖（見(jiàn)附圖2）。生產(chǎn)規(guī)模：本設(shè)計(jì)年處理的合成氨脫碳的粗合成氣為8萬(wàn)噸，全天候連續(xù)生產(chǎn)，按每年340個(gè)工作日；即

28、每天處理粗合成氣235.29噸。3 NHD法脫碳及再生工藝物料衡算及能量衡算3.1 物料衡算總的物料衡算式如下：進(jìn)入系統(tǒng)的物料的量=輸出系統(tǒng)的物料的量63.1.1 吸收塔的物料衡算已知條件如物料數(shù)據(jù)表中；原料氣的平均摩爾質(zhì)量為：按每年340天生產(chǎn)計(jì)算；進(jìn)塔氣的摩爾流量為：體積流量為：所以惰性氣體的物質(zhì)的量流量為：其中各組分的含量如下表：表2-3 凈化氣中各組分的含量組分COH2N2CH4摩爾流量(kmol/h)114.07150.0756.828.675體積流量(m3/h)2555.163361.541272.72194.31進(jìn)塔氣中CO2摩爾含量為y1=0.24，則：其摩爾比為： V Y2

29、L X2 已知凈化氣中CO2的含量為0.01，則：已知吸收液NHD中CO2的含量:x2=0.001，則 且 V Y1 L X1已知S=15.87m3/h;則凈化氣的摩爾流量為： 圖3-1 吸收塔的物料衡算圖體積流量為：故凈化氣中的CO2摩爾流量為：其體積流量為：則被吸收的CO2的體積流量為：則其摩爾流量為：查資料得CO2在壓力為0.42MPa，溫度為27下的溶解度S=15.87m3/h；則吸收CO2所需的NHD的量為：其摩爾流量為：取NHD中的雜質(zhì)含量為0.6，則真實(shí)所需的NHD為：其體積流量為：如圖3-1，可通過(guò)全塔物料衡算：7從塔底流出的富液量為：回收率為：分別求得凈化氣中各組分的摩爾含量

30、如下表：表2-4 凈化氣各組分的摩爾含量組分CO2COH2N2CH4含量0.010.3430.4510.1700.0263.1.2 閃蒸過(guò)程的物料衡算 循環(huán)氣閃蒸過(guò)程的物料衡算因?yàn)檠h(huán)氣閃蒸罐解吸出來(lái)的是H2、CO、N2、CH4等氣體，故與CO2無(wú)關(guān)，假設(shè)這些氣體完全解吸出來(lái)。因此此時(shí)解吸出的N2、H2、CO、CH4的含量極少，故可忽略，不影響溶液的流量，仍可看做：CO2的摩爾白分量為x1=15.25 中間閃蒸罐、低壓閃蒸罐的物料衡算經(jīng)三次閃蒸后CO2回收率的99，假設(shè)三次回收的CO2相同，則每次回收的量為： 低壓閃蒸罐中間閃蒸罐低壓閃蒸罐 L2 x1 圖3-2 閃蒸罐的物料衡算圖則如圖3-2

31、，對(duì)中間閃蒸罐進(jìn)行物料衡算： 同理，對(duì)后面兩個(gè)低壓閃蒸罐進(jìn)行物料衡算得：則解吸出的CO2的流量為100.44kmol/h,隨溶液流出的CO2的流量為1.074kmol/h。3.1.3 汽提塔的物料衡算流入汽提塔的流量為：CO2的摩爾量為：要求出塔中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為： 設(shè)此時(shí)剩下的CO2的摩爾流量為：kmol/h,則出塔氣中CO2的量為：令氮?dú)獾倪M(jìn)氣量與進(jìn)液的氣液比取68，這里取8，則其摩爾流量為：則出塔氣中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為：出塔液摩爾流量為：3.1.4 整個(gè)系統(tǒng)二氧化碳的總物料衡算對(duì)CO2進(jìn)行全流程的衡算：所以：符合物料平衡。3.2 能量衡算3.2.1 熱量衡算數(shù)據(jù)3.2.2 吸收塔的熱量

32、衡算全塔的熱量衡算式為：原料氣帶入的熱量的計(jì)算：已知原料氣的壓力為常壓，溫度為25，因壓力不高，故可有：由并查文獻(xiàn)得8：表3-1 原料氣各組分的比熱容組分CO2COH2N2CH436.3228.6928.9128.8633.06則原料氣帶入的熱量為： 同理可得：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)氣體的溶解熱為：進(jìn)塔溶液帶入的熱量為：凈化氣帶出的熱量為：塔底富液帶出的熱量：-單位時(shí)間已溶氣體的焓，則，3.2.3 閃蒸過(guò)程的熱量衡算對(duì)于循環(huán)氣閃蒸罐來(lái)講，因?yàn)槠溟W蒸出來(lái)的氣體為極微量的N2、H2、CO、CH4，而且這些氣體又會(huì)送回原料氣中，故其熱量衡算可忽略不計(jì)。下面，對(duì)中間閃蒸罐，低壓閃蒸罐進(jìn)行熱量衡算：因?yàn)槿齻€(gè)閃蒸罐是

33、并聯(lián)的，可以對(duì)三個(gè)閃蒸罐進(jìn)行總的熱量衡算。已知：CO2的解吸熱為：3.2.4 汽提塔的熱量衡算其熱量衡算式：N2帶入的熱量：富液中的焓熱為：由熱量衡算式可求得富液的熱量：則富液的溫度為：4 主要設(shè)備的計(jì)算與選型本設(shè)計(jì)所用到的設(shè)備主要有吸收塔、循環(huán)氣閃蒸罐、中間閃蒸罐、低壓閃蒸罐和汽提塔，本設(shè)計(jì)主要是吸收塔（填料塔）的計(jì)算與選型。4.1 已知條件：已知：T=27，P=1.4MPa；進(jìn)脫碳塔溶液含CO2的含量為：0.001；凈化氣中含CO2的量0.01；CO2的回收率為：96.8；4.2 吸收塔的選擇操作線(xiàn)方程逆流吸收塔的操作線(xiàn)方程為：9由前面物料衡算可得操作線(xiàn)方程為：4.3 塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算

34、公式為： 式中 D-塔徑，m； VS-操作條件混合氣體的體積流量，m3/s； -空塔氣速，即按空塔截面積計(jì)算的混合氣體線(xiàn)速度，m/s。空塔氣速的計(jì)算：塔內(nèi)氣體的密度：已知塔內(nèi)氣體在P、T的流量為：=9715.44m3/h則在常壓下：則塔內(nèi)氣體的質(zhì)量流量為：塔內(nèi)液體質(zhì)量流量：采用?？嗣撏ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速，其橫坐標(biāo)為：查?？嗣撏ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖可知：其縱坐標(biāo)為0.002，即 式中： -泛點(diǎn)氣速 -填料因子，1/m; -重力加速度，9.81m/s2; -液體密度校正系數(shù)，; -液體粘度，27時(shí)，水的密度=996.8，查資料知：塑料階梯環(huán)填料：=170；NHD的；則 得：，取泛點(diǎn)率為0.8；設(shè)，則 圓整取

35、塔徑為。校核：所以選填料塔規(guī)格適宜。4.4 填料層有效高度的計(jì)算4.4.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算取純?nèi)軇┑牧髁繛樽钚×髁康?倍，則11由于吸收因數(shù)計(jì)算得：；傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算公式如下：所以4.4.2 傳質(zhì)單元高度的計(jì)算傳質(zhì)單元高度的計(jì)算公式如下：的擴(kuò)散系數(shù)為： 系統(tǒng)的液膜擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系為： 在該系統(tǒng)有：所以氣相總體積吸收系數(shù)為：氣相總傳質(zhì)單元高度為：所以5 生產(chǎn)安全及環(huán)境保護(hù)5.1 生產(chǎn)安全雖然本設(shè)計(jì)并沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的，但是本設(shè)計(jì)中的H2、CH4、CO等氣體都是易燃易爆的氣體，所以生產(chǎn)過(guò)程中不要接觸明火，禁止在車(chē)間內(nèi)及附近吸煙，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，對(duì)設(shè)備要定期檢查及巡查，若果發(fā)現(xiàn)泄漏、儀器松動(dòng)等現(xiàn)

36、象應(yīng)及時(shí)修理，確保設(shè)備正常使用。5.1.1 點(diǎn)火源的控制生產(chǎn)過(guò)程本身不僅具有的加熱爐火、反應(yīng)熱、電火花等，還有維修用火、機(jī)械摩擦熱、撞擊火星及吸煙等可能遇到的點(diǎn)火源。這些點(diǎn)火源經(jīng)常引起爆炸。控制這類(lèi)火源的使用范圍，嚴(yán)格用火管理，對(duì)于防火防爆是十分重要的10。5.1.2 防爆電氣設(shè)備的選用在火災(zāi)和爆炸事故中，由電氣火花引起的火災(zāi)事故占有很大比例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在火災(zāi)事故中，由電氣原因的火災(zāi)，僅次于明火所引起的火災(zāi)。為此，在有火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境中生產(chǎn)必須選好防爆電氣設(shè)備。5.1.3 有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)物質(zhì)的處理化工生產(chǎn)中，對(duì)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性比較大的物質(zhì)，應(yīng)該采取安全措施。首先我們應(yīng)盡量改進(jìn)工藝，以危險(xiǎn)性比較小的物質(zhì)代替危險(xiǎn)性相對(duì)大的物質(zhì)。如果不具備上述條件，我們應(yīng)該采取相應(yīng)措施來(lái)防止燃燒爆炸條件的形成。其措施有：系統(tǒng)密閉操作、通風(fēng)置換、惰性氣體保護(hù)等。5.2 回收再利用是潛在的碳資源，可以制尿素、純堿、碳酸氫銨等產(chǎn)品，而且還可用于加工成干冰或供食品行業(yè)應(yīng)用。因此原料氣中的不僅需脫除還要回收利用。無(wú)論是生產(chǎn)中產(chǎn)生的任何氣體，只有進(jìn)行分離回收和提濃，才能合理利用。工業(yè)上分離回收的方法有很多，主要有溶劑吸收法、低溫蒸餾法、膜分離法和變壓吸附法以及這些方法的綜合利用。5.3 腐蝕及材料的選擇NHD溶劑本身不僅沒(méi)有腐蝕性，而且還能在