年产24万吨合成氨脱碳工艺设计大学本科毕业论文.doc
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1、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
2、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、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
4、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
5、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
6、 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 c
7、onstant 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 bot
8、tom 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 recove
9、ry 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 temperat
10、ure 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
11、,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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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(A
18、misol)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
19、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
20、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
21、)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
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