年產5萬噸合成氨脫碳工段工藝設計化工原理畢業(yè)論文

(此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改!)邯鄲學院本科畢業(yè)設計邯鄲學院化學系鄭重聲明關鍵詞熱鉀堿法脫碳二氧化碳吸收塔工藝設計AnDongDirectedbyLecturerLiangYa-nanimprovementwayofofaqueouspotassiumcarbonateandtwoprocessofabsorbtion I Ⅱ1前言 12合成氨的概述 1 12.2氨的性質和用途 1 22.4合成氨技術未來的發(fā)展趨勢 22.5合成氨生產工藝介紹 22.6脫碳單元在合成氨中的作用 43脫碳方法及工藝選擇 4 4 83.3脫碳工段主要設備的選擇 3.4工藝操作條件的選擇 4工藝計算 5熱量衡算匯總表 6主要設備計算 6.1二氧化碳吸收塔 6.4填料層高度計算 6.5塔附屬高度的確定 6.8二氧化碳吸收塔計算總結 6.10操作條件 7工廠平面設計 7.1廠房設計要求 7.3廠址的選擇 317.4總布局主要應滿足的要求 318三廢處理 32 8.2廢氣處理 9總結 炭過程中制得了氨。1909年德國化學家哈伯提出了工業(yè)氨的合成方法，即“循環(huán)法”,這是目前N?+3H?≈2NH?氨為無色氣體，具特有的強烈刺激性氣味。密度為0.771gL(標準狀況),比空氣輕。沸點-33.35℃,高于同族氫化物PH?、AsH?等，易液化。熔點-77.7℃。液氨密度為0.7253gcm3,氣化熱大，達23.35kJmol,是常用的致冷劑。氨極易溶于水，20℃時1體積水能溶解702體積氨氣。液氨是極性分子，似水，可發(fā)生電離，也可溶解一些無機鹽，如NH?NO?、Agl等?？諝庵性试SNH?最高含量規(guī)定為0.02mgL,若達0.5%則強烈刺激粘膜，引起眼睛和呼吸器官的癥狀。NH?遇瀝青。NH?的催化氧化是放熱反應，反應生成NO,工業(yè)上用于制HNO?,NH?也可以被氧化生成NH?是重要的無機化工產品之一，在國民經濟中應用非常廣泛。合成氨是大宗化工產品之一，目前世界合成氨的年產量很大，已超過一億噸。其中85%的合成氨用做生產化肥，農業(yè)上使用的尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯水以及各種含氮混肥等氮肥，都是以氨作為原料的，并且液氨也可直接NH?也是制造炸藥和各種化學纖維及塑料的重要原料。NH?可以制得硝酸，進而用硝酸再制造硝酸銨、硝化甘油、硝基纖維素等。在化纖和塑料工業(yè)中，合成氨可以用作氮源，生產人造絲和己業(yè)中可用NH?來提煉金屬銅等，在生物化學和醫(yī)藥方面NH?可用作生產維生素、磺胺類藥物和一綜上所述，合成氨在國民經濟中占有的地位十分重我國是一個人口大國，農業(yè)在國民經濟中起著舉足輕重的作用，而農業(yè)的發(fā)展離不開化肥。氮肥是農業(yè)生產中需要量最大的化肥之一，合成氨則是氮肥的主要來源，因而合成氨工業(yè)在國民經濟解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國氮肥產量僅0.6萬噸，到20世紀50年代，合成氨單系列裝置的生產能力最大僅為4萬噸年，滿足不了市場需求。70年代，我國建成了一批中型氮肥生產裝置，合成氨單系列裝置的生產能力達到6-12萬噸年。隨著現代農業(yè)的快速發(fā)展，高濃度化肥的市場需求不斷增加，我國先后引進了30套以油、天然氣和煤為原料的30萬噸年合成氨裝置。除此之外，還自行設計制造了以輕油為原料的的年產30萬噸的合成氨生產裝置。到1982年，年產量以達到1021.9萬噸，成為世界上合成氨產量根據目前合成氨技術發(fā)展的現狀分析，未來氨合成的生產原理不會放生本質上的變化，其技術發(fā)展將會繼續(xù)以“提高運行周期、降低生產成本、改善經濟效益”為目標，進一步集中在“大型化、低能耗、結構調整、清潔生產、長周期運行”等方面進行技術的研究開發(fā)。大型化、自動化、集成化與形成經濟規(guī)模的生產中心、低能耗與更環(huán)保將是未來氨的合成裝置降低能耗將有很大發(fā)展空間，但以天然氣為原料制氨工藝中，生產能耗已經接近理論水平，預計不在合成氨裝置的技術發(fā)展中，其研究焦點主要集中在關鍵性的工序和設備上，關鍵工序有合成氣制備、合成氣凈化、氨合成技術；關鍵設備則主要是合成氣壓縮機I2|。合成氨的主要原料可以分為氣體、液體和固體三種。經過多年的發(fā)展，合成氨技術已經發(fā)展的相當成熟，基本都是由原料氣制備、凈化和氨合成三部分組成。原料氣制備，是指將原料制成含H?和N?的粗原料氣。對于煤和焦炭等固體原料，制取合成氣通常采用氣化法；渣油獲得合成氣的方法主要采用非催化部分氧化法；工業(yè)中還利用二段蒸汽轉化法從石腦油和氣態(tài)烴類中制取合成氣。凈化過程指的是對粗原料氣進行凈化處理，主要包括變換、脫硫脫碳以及氣體精制三個過程，主要目的是除去原料氣中的雜質。NH?的合成是指將純凈的氫、氮混合氣壓縮，在高壓和催化劑的作用下反應生成NH?。(1)造氣：因為空氣中含有71%的氮氣，目前已經有很多的技術從空氣中分離出滿足上述反應的氮氣，所以造氣就是提供維持該反應的氫氣的過程。最早的造氣工藝就是將煤或焦碳在高溫下與水反應生成水煤氣或半水煤氣，這種混合氣體就是原料氣。這種工藝在二十世紀前半期一直是主流造氣工藝，并且一直沿用至今。二十世紀六十年代出現了新的造氣原料，例如天然氣、石油重油、石腦油等。由于這些新型原料可以用管道輸送，其設施投資成本比固態(tài)原料設施要低很多，所以該工藝自發(fā)明以來逐漸取代了煤炭造氣工藝。但從目前能源的儲量、開采和消耗走勢來看，煤炭造氣(CO?),硫醇(RSH),硫醚(RSR)和噻吩(C?H?S)等；天然氣中主要是無機硫(H?S)。的CO?,其體積分數一般為12%~40%。而CO在生產過程中還能被氧化為CO?,在后續(xù)工段中高，一般只有10%~20%,故采用未反應氫氮氣再循環(huán)的流程。氨合成的反應式如下：N?+3H?→2NH?(g)=92.4kJmol工藝氣中CO?的過程稱為“脫碳工段”,在合成氨尿素聯(lián)產的化肥裝置中，它兼有凈化氣體和回收純凈CO?兩個作用。因此脫碳單元在合成氨中處于關鍵位置，起著承前啟后的作用。脫碳運行CO?與溶劑結合的方式，脫除CO?的方法可分為三大類：化學吸收法、物理吸收法和物理化學吸收法。物理吸收法的原理是通過交替改變CO?和吸收劑(通常是有機溶劑)之間的操作壓力和操作溫度以實現CO?的吸收和解吸，從而達到分離處理CO?的目的。在整個吸收過程中不發(fā)生化學反應，因而消耗的能量比化學吸收法要少，通常物理吸收法中吸收劑吸收CO?的能力隨著壓力增加和溫度降低而增大，反之則減小3。物理吸收法中常用的吸收劑有丙烯酸酯、聚乙二醇、甲醇、乙醇以及噻吩烷等高沸點有機溶劑。目前，工業(yè)上常用的物理吸收法有Fluo國外的Selexol工藝類似，只是二者所用溶劑的組分不同。NHD溶劑的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系物，脫除CO?效率在物理吸收法中較高。物理吸收法由于CO?在溶劑中的溶解服從亨利定律，因此僅適用于CO?分壓較高的條件。吸交替著進行，從而實現CO?的分離和回收。目前工業(yè)中廣泛采用的方法法(一乙醇胺)、DEA法(二乙醇胺)及MDEA(N-甲基二乙醇胺)法等0。其中苯菲爾法和活物理-化學吸收法是綜合了兩種吸收的方法，將其結合在一套生產工藝中。比如說常用的環(huán)丁砜法，它的吸收劑是環(huán)丁砜和烷基醇胺水溶液，兩者分別是物理吸收和化學吸收。還有德國的物理吸收法：早期的合成氨廠多采用加壓水洗法進行脫碳。加壓水洗脫碳通常在填料塔或篩板塔中進行。此法設備簡單，但CO?的凈化能力差，且水洗法的噴淋密度大，動力消耗高，因此近年來合成氨廠的新建脫碳工藝已為其他方法所取代。吡咯烷酮法是以N-甲基吡咯烷酮作為吸收劑。吡咯烷酮具有對CO?蒸汽壓較低、粘度較小、沸點較高、溶解度高等優(yōu)點。該方法特別適用于氣壓大于7MPa的場合，但由于N-甲基吡咯烷酮以聚乙二醇二甲醚為吸收劑的脫碳過程稱為Selexol法。聚乙二醇二甲醚具有無特殊氣味、無毒、沸點高、冰點低、腐蝕性低、化學性質穩(wěn)定等特點，是一種理想的物理溶劑。但由于聚乙二醇二甲醚價格昂貴，投資及操作費用均較高，因此該法很少在國內應低溫甲醇法是由德國林德和魯奇公司聯(lián)合開發(fā)的，以甲醇作為吸收劑，在1~2MPa,溫度為-75~0℃的范圍內可同時脫除CO?和H?S。CO?可脫至1~2E-5,H?S可脫至0.1E-6。該法的特點是不會使原料氣變濕，再生能耗低。此法在國內外應用都比較廣泛。具有化學性質穩(wěn)定、無毒、無腐蝕、蒸汽壓低、溶解熱低、粘度小等特點。該法對CO?的回收率總的來說，物理吸收法存在諸多不足，例如水洗法操作費用高，工藝較老。物理吸收法吸收選化學吸收法：苯菲爾法的吸收劑是在K?CO?水溶液中加入二乙醇胺(DEA)作為活化劑，加入V?O?來防腐。碳酸鉀水溶液具有強堿性，能與CO?反應生成KHCO?。生成的KHCO?在受熱和減壓時，又可重新放出CO?,生成K?CO?,因此可循環(huán)使用。為了提高反應速度，吸收需在較高溫度(90~110℃)下進行，因此吸收與再生收能力。苯菲爾法可以在高溫下運行，再生熱低，添加V?O?用以防腐，但該工藝需要對設備進行活性MEDA法是指以一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)吸收CO?后生成穩(wěn)定的胺基甲酸鹽，反應熱大，加熱再生較困難，蒸汽消耗較高；N-甲基二乙醇胺(MDEA)與CO?反應生成不穩(wěn)定的碳酸氫鹽，反應熱小，加熱后容易再生，蒸汽消耗較低。MDEA水溶液與CO?反應受液膜控制，反(1)溶液吸收二氧化碳的能力(2)消耗能源比較電：含砷熱鉀堿法>有機胺硼酸鹽催化熱鉀堿法>二乙醇胺催人熱鉀堿法>-乙醇胺法>環(huán)丁砜法>聚乙二醇二甲醚法>低溫甲醇法>N.2-甲基吡咯烷酮法。水：水洗法>含砷熱鉀堿法>有機胺硼酸鹽催化熱鉀堿法>-乙醇胺法>環(huán)丁砜法>二乙醇胺苯菲爾法(又稱二乙醇胺改良熱鉀堿法),以二乙醇胺為活性劑；二是氨基乙酸催化熱鉀堿法，以氨基乙酸為活性劑。兩者都是以五氧化二釩為緩蝕劑。其中DEA改良熱鉀堿法(又稱二乙醇胺法)是世界上廣泛應用的胺類處理酸性物質或氣體的方法。因為DEA不易被CO?或CS?降解，其氣相損失少，反應速度快，循環(huán)率高。由于該方法達到了一定經濟性和脫碳要求，所以本設計采用此方法。下面詳細介紹此法。(1)概述：該方法是利用碳酸鉀溶液在高溫下吸收CO?,反應式為CO?+K?CO?+H?O=2KHCO?。從經濟效益出發(fā)，本設計采用的操作溫度為110℃。因為在高溫條件下K?CO?溶解度增大，可以加大CO?的吸收量率，CO?吸收速度較快；同時這個溫度與CO?再生溫度相近，可以節(jié)約能量，降低生產成本。此外還給溶液中加入活性劑DEA和緩蝕劑，因為高溫下的CO?溶解度降低，反應速度減慢。而較低的反應速度下，K?CO?對設會加快。因此加入活性劑以加快反應速度，增大CO?溶解量。加入緩蝕劑則可以減緩其對設備和添加活化劑DEA不僅可以提高反應速度，而且還會改變的CO?平衡分壓，如表3.1。DEA含量(%)0123相對CO?分壓(MPa)DEA含量不同，其溶液的吸收能力不同，如不同含量的DEA法的溶普通的DEA法：使用20%-25%的DEA溶液，其對酸性氣體的吸收能力為12~19m2CO?m3高吸收能力的DEA法使用25%-27%的DEA溶液，其對酸性氣體的吸收能力為30~32m3立SNPA法，使用25%—30%的DEA溶液，其對酸性氣體的吸收能力32~38.4m2CO?m2溶液。(2)純碳酸鉀反應機理及催化熱鉀堿法反應機理從上反應式可以看出：溫度越高，壓力越低，越有利于KHCO?的分解，故再生反應應在高溫(1)一段吸收一段再生流程：該流程的特點是流程簡單，所需設備少，成本低廉，但是使用該流程凈化度差，凈化氣中CO,剩余在5%左右，可以用于凈化度要求不高的情況。(2)二段吸收一段再生流程：該過程由于有少部分溶液經冷卻后進入吸收塔頂部，凈化度可達到CO?含量1%,比起前者凈化度上有一定的提高，但依然不能滿足大規(guī)模生產的要求，再生熱耗較高，僅在一些較低的小規(guī)模裝置上使用。(3)多段吸收多段再生流程：這種工藝凈化度最高，能耗最低，但是設備繁多，裝置系統(tǒng)極其復雜，操作要求也很高，這樣就導致該工藝的投資很大，因此從經濟和合理性的角度來考慮，此(4)兩段吸收兩段再生流程：目前較為常用的是該流程，這種工藝流程的氣體凈化后一般CO?含量不大于1%,而且其再生熱耗也比較合理，流程圖如圖3.1其優(yōu)點是：在吸收塔下部用溫度較高的再生溶液吸收，不僅加快了吸收CO?的反應速度，而且節(jié)省再生過程的熱耗。而在吸收塔的上部用溫度較低的溶液吸收，降低了溶液表面的二氧化碳平衡分壓，提高了氣體的凈化度，對于能量的綜合利用也比較充分。而它的設備裝置和操作系統(tǒng)在也通過以上的比較，目前適于選用的是“兩段吸收兩段再生”流程，所以本設計選用此流程。下含CO?28%左右的經變換的合成氣通過與再生塔下部的堿液換熱后溫度降低到125℃,經氣體分布管道進入吸收塔底部，此時該合成氣的壓力是1.8MPa。在吸收塔頂部和中部分別用80℃貧液和104℃半貧液進行洗滌，出塔時凈化氣溫度約為80℃,CO,含量低于1%。富液從吸收塔底部引出，經過能量回收后進再生塔頂部，在塔內溶液經過閃蒸出部分水蒸汽和CO?后，與由再沸器加熱產生的逆流蒸氣接觸，同時被加熱并放出CO?,又由塔中部引出半貧液，溫度約110℃,經半貧液泵送入吸收塔中部，剩下的溶液在再生塔下部繼續(xù)與逆流的蒸汽接觸進行再生，再生后的貧液溫度約120℃,用貧液泵加壓經冷卻到80℃左右送入吸收塔頂部。吸收CO?的過程中，溫度的控制是非常關鍵的步驟，它直接影響到CO?吸收的速度和平衡。壓增大，導致氣體凈化程度低，不利于對CO?的吸收。而在“二段吸收二段再生”流程中，吸收塔下段的CO,分壓較高，平衡溶解度較大，采用部分再生的半貧液在較高的溫度下進行初步而吸收塔上部氣相中的CO?分壓較低，平衡溶解度也相對較少，故采用再生貧液來吸收，這樣就可以提高凈化度。吸收溫度的高低主要通過改變半貧液和貧液的流量比來控制，在保證氣體凈化度的前提下盡可能的降低貧液的流量，這樣可以減少熱量消耗，通常貧液與半貧液的流量比為1:3。(2)流程概述到凈化的氣體從頂塔出來，經凈化氣冷卻器和分離器，被循環(huán)水冷卻至40℃以下并分離出冷凝水，凈化氣中CO?含量控制在不大于1.0%,送往壓縮工段。(2)流程簡單概述在吸收CO?后的富液，進入再生塔再生，由反應(3-12),CO?從流體中解吸需要吸收熱量。解吸出來的CO?進過再生塔頂部除沫層后，經過除沫層與三層罩板上噴淋而下的流體接觸，從而吸收塔半貧液泉吸收塔器貧液泵(2)簡單流程簡述凈化器冷卻器循環(huán)水總管循環(huán)水總管凈化器冷卻器循環(huán)水總管圖3.5循環(huán)水流程(2)流程簡單概述圖3.6軟水系統(tǒng)流程(2)流程簡單概述從蒸汽煮沸器出來的蒸汽冷凝后進入冷凝水閃蒸槽，經閃蒸回收蒸汽，降溫后，閃蒸槽經自調來調節(jié)和補充，經泵加壓的大部分冷凝水經自調閥組送往冷凝水槽。另外在泵出口總管設有排放管，蒸汽系統(tǒng)電站來的低壓蒸汽經濕器以后分成三條線。一條進入再沸器；另外一條進入閃蒸器的第一，第二，第三級噴射器，噴射后的蒸汽直接進入再生塔作汽提氣；最后一條同往地下槽，用于貯槽加熱，過濾活性碳再生作用。3.3脫碳工段主要設備的選擇3.3.1主要設備種類的選擇產強度較低。而填料塔就體現出了它的優(yōu)點，所以大多數工廠采用填料塔。本設計同樣選用填料塔。常用的填料有不銹鋼、碳鋼、聚丙烯制成的鮑爾環(huán)和陶瓷制的馬鞍形填料。由于熱鉀堿溶液能將陶輕耐腐蝕，缺點是不適于高溫操作，所以要用玻璃纖維來加強，而且使用溫度不能超過120℃。綜吸收塔：由于采用兩段吸收，進入上塔的溶液量僅為全塔溶液量的14到13,同時氣體中大部分的CO?又都在塔的下部吸收。因此在形狀上，吸收塔呈上下塔內均裝有填料，為了使溶液能均勻的潤濕填料表面，除了在填料上層裝有液體分布器上下塔的填料又分為兩層，兩層填料間也安裝有液體分布器。每層填料都置于波紋狀態(tài)多孔支板上。氣體由上面和側面進入填料而液體由波紋的下孔流出，這樣的氣體分布均勻。填料采用金屬鮑爾環(huán)，大部分用碳鋼制作，只在每層填料的上層和最下層采用不銹鋼制作的。下部設有消泡劑，防止液體產生旋渦將氣體帶入再生塔內，在吸收塔富液出口管上裝有防渦流擋板。吸收壓力：根據吸收反應式(3-1),可以知道加壓有利于CO?的吸收。提高吸收的壓力，同時提高了CO?的平衡分壓，這樣就加快了吸收反應速度，提高了溶液吸收能力的同時也提高了溶液凈化度，降低了再生熱的消耗，生產裝置中吸收壓力的凈化度和吸收能力的影響如表3.2所示。氣量m2h壓力kgcm2凈化度CO?%吸收能力m3m3實驗表明，當CO?分壓低于12kgcm2(絕壓)時，采用熱鉀堿法來吸收CO?是不經濟的，此時再生所消耗的熱量大大增加，所以壓力越高越有利于吸收。但是對于合成氨廠的脫碳工序來說，氣體的壓力是由前后各工序來決定的。因此系統(tǒng)吸收的壓力