精品年产十二万吨合成氨脱碳工段工艺的设计化学系毕业论文设计文档格式.docx

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TheDesignof120kt/aSyntheticAmmoniaPurificationSectionProcess

FengWen-HuiDriectedbyLecturerLiangYa-nan

decarburizationsectioninthedesignprocess.Thecarbondioxideisharmfultoammoniasynthesiscatalyst,soitneedremovalofcarbondioxideinthefeedgas,anditcanbeusedfortheproductionofotherchemicalsforexampleurea.Itusesthedevelopedwayofhotsolutionofaqueouspotassiumcarbonateandtheprocessoftwoabsorbtionandtworecoverytoremovethecarbondioxideofsyngas,andtorecoverthecarbondioxidefromthesolution.Thecontentofthedesignmainlyincludesthechoiceofthemakingtechnology,massandenergybalance,thedesignoftheequipmentsandtubes.Themainequipmentofthisdesigniscarbondioxideabsorptiontower.Thediameteroftheupperpartofthetoweris3100mm,heightofthepackinglayeris18m,diameterofthelowerpartofthetoweris3600mmandtheheightofthepackinglayeris12m.Inthisway,tomakethelevelsofcarbondioxideinfeedgasbereducedtolessthan1%,tomeetthedemand.TheprocessflowchartwithcontrolpointsandsynthesistowerassemblyweredrawnwithCAD.

KeywordsSyntheticammoniaDecarburizationprocessThehotsolutionofaqueous

Technologicaldesign

目录

摘　要I

1前言1

2　合成氨的概述1

2.1氨的发现与制取1

2.2氨的性质与用途1

2.3合成氨工业的发展现状2

2.4合成氨典型流程2

2.5脱碳在合成氨中的作用和地位4

3　脱碳方法及工艺的选择4

3.1脱碳方法的选择4

3.2脱碳工艺的选择6

3.3脱碳工段主要设备的选择6

4工艺计算7

4.1工艺条件7

4.2工艺过程7

5　主要设备的计算与选型8

5.1二氧化碳吸收塔8

5.2二氧化碳再生塔11

6　车间布局11

6.1车间设计任务11

6.2厂房的整体布局设计12

6.3车间内辅助室与生活区布局12

7　脱碳三废的处理初步设计13

8初步经济核算14

9结论16

10　附录16

参考文献17

致谢18

年产12万吨合成氨脱碳工段工艺设计

1前言

目前世界上做为重要化工产品的氨，其在每个国家的国民经济中占有十分重要的地位。

随着世界人口的不断增加和经济不断发展，各行各业的化工制品都在不同程度的应用了氨的生产。

在各个国家，重要的支柱产业基本上都是氨的合成工业[1]。

氨在工业上具有十分好的前景，大部分用开制作化肥和盐类用品。

例如将氨氧化后可以制得硝酸和硝酸盐。

那么氨在化纤和塑料工业中的作用更是重要，例如以氨、硝酸以及硝酸盐和尿素等作为氮源，生产化肥产品。

氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、液化等系统的制冷济。

所以我认为合成氨在国民经济中占有十分重要的地位，在国民经济中占有不可替代的作用[1]。

由于合成氨是一个非常复杂的化学过程，反应极其难于进行，所以对于对于合成氨的过程中，要求极高，合成气含有较多的二氧化碳一氧化碳和二氧化硫等，因为在合成生产中所用的催化剂非常敏感，所以如果二氧化碳有残留或二氧化碳太多，就会在合成氨生产时会使合成氨中所用的催化剂如铁态酶这种物质中毒，如果催化剂中毒会使反应难以进行。

此外，因为二氧化碳是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵化肥纤维等的重要原料，所以合成氨中二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务。

根据各国现今合成氨技术发展的情况分析，其技术发展将会继续围绕“降低能耗、提高效益，改善环境”的基本目标，进一步集中在“大中型化、低耗能、高产量、无污染、运行短”等方面进行技术的研究开发[2]。

2　合成氨的概述

2.1氨合成的基本原理

合成氨的最初原料气是氮和氢，经过造气，除尘，变换，净化（脱硫脱碳），精制，合成，最终生产出合格的氨气。

2.2氨的性质与用途

2.2.1氨的用途

氨在各行各业都有非常大的用途，例如：

生产化肥、合成塑料、制作纤维等等。

所以氨的产量是衡量一个国家工业发展的标准，在国民经济中占有重要地位。

农业产量的提高依赖于化肥的产量，然而，化肥中最重要的是氮肥，氮肥的主要作用是：

提高农作物的抗旱、抗倒，提高农作物的生产速度。

所以氮肥至关重要，而氨的产量高低是氮肥产量的关键。

另外，氨还可以用在制药行业、纯碱行业、含氮无机盐等各行业。

最后，氨氧化物还可以制作硝酸，硝酸是国防的关键，它与提高国防尖端技术密不可分。

2.3合成氨工业的发展情况

第一个提出合成氨工业的人是德国人，他所用的方法是不通过别的过程，原始气体氢气和氮气在催化剂加压高温的作用下直接合成氨，这个方法历经了一百多年。

由于加压和高温不仅使经济效益低，更会使催化剂中毒，所以此方法有待提高。

但是加压和高温都有助于反应的进行，所以此后的一段时间科学家都在研究取一个最适当的温度和压强，在此温度下，催化剂反映效果最好，并且不会中毒，更重要的是减少能源的消耗，经过近一世纪的发展，合成氨技术越来越趋向于完整。

从开始的产量低到后来的产量越来越高，是好几代人的辛苦和努力得来的，他们不断探究，不断实验，随着科学技术的日新月异，氨的生产技术有了很大的创新、改革和跨步。

从一个高耗能、高污染、低效益的大型企业转化成了一个低耗能、高效益的低碳环保型产业。

那么中国的氨生产发展史更是值得借鉴的。

中国是一个有着960万平方公里的大国，人口占世界的五分之一（约有13亿），那么这么多人口需要的粮食数量是非常庞大的。

怎么来满足人们的需求呢？

要求的就是发展农业，而发展农业的关键是化肥的生产产量。

所以中国为了找出更符合国情的可持续发展之路，那么必须发展合成氨工业来发展农业问题[3]。

解放初期，中国的国情是工业落后，所以氨工业的生产基本情况是浪费大、产量低，例如：

邯郸的一个合成氨化工厂（龙港化工）造气时所用的煤要求的是标准十公分方块，当时有一个筛子，低于和高于十公分的都被筛掉，这样就会造成很大的能源浪费。

60年代，为了减少能源浪费，改成5公分的标准煤，后来又经几十年发现，5公分的效果比10公分的反映效果更好，效益有所提高。

当时厂子为了生存和发展大胆创新，把5公分转变成了2公分，到最后的0.5公分。

此时，一个年产8万吨的合成氨化肥厂在国家低碳环保的大趋势下生存下来。

这个化工厂的发展史基本就是中国的合成氨发展史，从高消耗到高产出，中国的化工业发生了翻天覆地的大变化，这与科学家的探究与创新和国家的发展密不可分。

通过这个发展史告诉了我们一个道理：

创新是中国更好发展的必经之路[4]。

化肥塑料和纤维是化工生产的重要产业，氨主要作为氮肥的生产原料。

虽然现在化工产业越来越多，但是随着人民的需求，市场也越来越宽广。

中国是一个蕴含大量的煤、石油等原材料的基地，这样就造就了中国会更好的发展氨生产工业[5]。

虽然看似中国化工产业已跃居世界前列，但是在我国，合成氨工业的生产生产规模仍然很小，并且整个工业中产品单一，不能充分利用副产物，而且能耗大，浪费高，污染严重。

满足不了市场的需求，根据市场供求关系，必然要优化合成氨的生产技术，我国正向此方向发展，逐步建成了大中型的氮肥生产产业，而且产品越来越多，为此我们不断引入外国的先进技术，除此之外，我国的科学人员正艰苦寻找更适合中国国情的产业链。

近年，我国氨合成产量已跃居世界第一位，工艺流程以及技术设备都已经相当成熟，形成了一个既有大型氨生产厂又有小中型生产厂的合理格局。

因此，开发新技术从而推动合成氨工业发展，是各个国家努力的方向[6]。

2.4合成氨工业的发展趋势

根据目前中国的基本国策，我国依然是一个农业大国，其技术发展将会继续以降低能耗、提高产量、减少污染、降低成本为目标，以低碳环保、大型化、自动化、集成化与形成经济生产规模的生产中心主要的发展趋势。

那么如何才能做到这一点呢？

关键是在工序和设备上，例如：

脱碳脱硫工段。

究竟如何改进脱碳脱硫工段，国内外都在力求做到更好。

主要的方式是：

改变吸收剂，改变吸收塔的构型，改变整个工段的能源转化，充分利用废气废液来提高产业效率[6]。

2.5合成氨的生产工艺流程

工艺主要包含[7]：

造气：

利用煤将水蒸气转化成半水煤气。

脱碳：

脱去原料气中的一氧化碳、二氧化碳（由一氧化碳转化而来）以及一些常见杂质。

脱硫：

脱去原料气中的二氧化硫等有毒气体。

合成氨：

合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨，经反应变为氨气。

甲醇：

由合成氨工段出来的气体进入甲醇合成车间，利用一氧化碳和催化剂转变为甲醇。

甲醛：

由合成甲醇工段出来的气体进入甲醛合成车间，利用一氧化碳和催化剂转变为甲醛。

其典型流程如图2.1[8]

图2.1合成氨典型流程

在氨生产工段中，关键在脱碳单元，为什么脱氮单元是关键呢？

因为，第一，脱碳可以净化合成气，防止催化剂中毒；

第二，在脱碳工段可以回收二氧化碳，二氧化碳又可以用作尿素的生产；

第三，脱去二氧化碳可以提高合成氨的产量。

所以说要想提高氨的产量必须脱去原料气中的二氧化碳，以达到净化气体和回收二氧化碳的目的。

3　脱碳方法及工艺的选择

3.1脱碳方法的选择

3.1.1脱碳方法简介

现在工业所用的脱碳方法主要是用化学、物理技术来吸收二氧化碳，所以总结出我国乃至全世界的脱除二氧化碳的方法主要有三种：

一是物理吸收法；

二是化学吸收法；

三是物理-化学吸收法。

物理吸收法有加压水洗法、低温甲醇法、碳酸丙烯酯法、硅胶吸附等[9]。

化学吸收主要有热钾碱法，烷基醇胺法，其中苯菲尔法和活性MDEA法应用最多。

物理—化学吸收法有苯菲尔法和活化MDEA法。

3.1.2脱碳方法的比较

化学吸收法即利用CO2是酸性气体的特点，采用含有化学活性物质的溶液对合成气进行洗涤，CO2与之反应生成介稳化合物或者加合物，然后在减压条件下通过加热使生成物分解并释放CO2，解吸后的溶液循环使用[10]。

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。

物理化学吸收法脱除CO2工艺主要有环丁砜法和常温甲醇法，物理化学吸收法常用于中等CO2分压的原料气处理。

分析各种脱碳方法：

MDEA法的主要原理是：

利用一种物质与二氧化碳反应生成一种十分稳定的盐类，并且这种盐类对设备没有腐蚀性，一般的在国内外应用比较广泛，原因是：

吸收二氧化碳的效率高，而且所用的溶剂价格低廉，无毒，产生的副产物可以充分利用，另外，所需的热量较低，可以降低大部分能耗开支，产生的产物对大气无污染，装置比较简单，且易于维修和清理。

一般所选用的设备材料是非常便宜的碳钢材料，具有良好的节能效果。

所以优先被国内外广泛使用，但是此工艺适用于大型合成氨厂，不适合年产12万吨的合成氨脱碳技术的设计。

变压吸附气体分离净化技术，是利用压强的改变使吸收塔中的二氧化硅吸收二氧化碳和放出二氧化碳，依据的原理是：

当压力升高时，吸附量增多；

当压力降低时，吸附量减少。

此法所用的是自动化装置，但此自动化装置依然有很大缺陷，例如：

当吸收管道中出现压力过高或过低时，真空泵无法应对，就会发生爆炸现象，对此提出的解决方案是：

可以安装一个自动报警系统，以便保证工作人员的安全。

另外可以减少由于爆炸所引起的经济损失。

此工艺的特点是：

吸收效果显著，主要的吸收剂是聚硅酸和二氧化硅，硅胶的比表面积大，孔径分布趋向于细孔，有利于硅胶对二氧化碳的吸附；

消耗低，无污染，效益较高，但是没有查到相关的工艺计算方法，所以没有办法计算塔径，塔高以及填料层高度等，故而本设计无法采用此方法。

低温甲醇洗工艺是利用溶解度的显著差别，具有气体净化度高、选择性好、溶液吸收能力强，操作费用低等特点，是一种技术先进、经济合理的气体净化工艺。

低温甲醇法具有一次性脱除CO2，溶液经济，能耗低，适用范围广泛等特点[11]。

碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。

其原理是利用在同样压力、温度下，二氧化碳、硫化氢等酸性气体在碳酸丙烯酯中的溶解度比氢、氮气在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多来脱除二氧化碳和硫化氢而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是随压力升高和温度的降低而增加的。

碳酸丙烯酯法具有无毒、化学性质稳定、无腐蚀、流程操作简单等优点[12]。

该法CO2的回收率很高，能耗很低，但投资费稍高。

适用于吸收压力较高、CO2净化度稍低的流程，国内主要是小中型厂使用。

用碳丙液作为溶剂来脱除合成氨变换气中CO2工艺是一项比较适合我国国情的先进技术，加上再生无需热能，能耗较低等优势，在国外合成氨和制氢工业上已得到广泛应用[13]。

3.1.3脱碳方法的确定及详细介绍

碳酸丙烯酯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。

碳酸丙烯酯法是以碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。

它对CO2、H2S溶解度较大，具有溶解热低、粘度小、蒸汽压低、无毒性、化学性质稳定、无腐蚀等特点。

该法CO2的回收率较高，能源消耗较低[14]。

PC是20世纪80年代新兴的一项技术，是由中国的化学研究院研发的，主要适用范围是中小型合成氨厂，由于它装置简单，价格低廉，易于操作，自动化程度高，条件易于达到，据有关部门统计，国内外多家中小型企业使用该装置，总脱碳能力约600万吨每年，PC技术经过多年的创新与改进，已经越来越满足市场的需求，为小中型企业带来很大的经济效益，带活了多家濒临倒闭的工厂，而且PC技术开工装置数为MDEA、NHD法总和的数倍[15]。

碳丙脱碳纯属物理过程，因而所耗能最高的部位在输送流体时所须的电能上。

如果想降低成本，可以在输送流体上寻找更完整的工艺，碳丙溶剂对CO2等酸性气体的吸收能力较大，因此，代替碳酸钾脱除变换气中CO2不但满足铜洗要求，而且回收CO2的浓度和回收率也能满足尿素、甲醇等生产的要求。

3.2脱碳工艺的选择

3.2.1脱碳工艺流程的分类及比较

（1）原料气流程

脱碳车间的工艺要求：

第一，温度必须应在装置所需范围内，上下不能超过15摄氏度；

第二，所需压力为1.8Mpa；

第三，开车和停车前都要考虑压力的变化；

第四，脱碳工段属于高压车间，必须安装防火防爆墙，来保证工作环境的安全性；

第五，要每隔一小时，测量二氧化碳进出口的含量，来保证反应浓度在规定范围内，若二氧化碳含量低于或高于规定范围，应及时调节吸收时间来确保二氧化碳浓度在规定范围内。

1.8MPa的变换气首先进入塔底部与水在塔内逆流接触，洗去变换气中的大部分油污并将气体温度降低，同时还可以降低水蒸汽含量。

然后气体出来进入分离器，与塔顶喷淋下来的碳酸丙烯酯溶液逆流接触，将二氧化碳脱至所需要求。

净化气进去洗涤塔底部，与自上而下的稀液（或脱盐水）逆流接触，目的是将碳酸丙烯酯液滴与蒸气洗涤下来。

（2）解吸气体回收流程

由吸收塔出来的二氧化碳经过解吸塔与解吸塔中的溶液逆流接触，目的是使接触更充分，可以充分将二氧化碳解析出来，另外，根据温度对解析的影响可知，温度越低越有利于解吸的进行，所以要对溶液进行降温处理。

解析出来的二氧化碳，一部分用于合成化肥，另一部分用作日常消费品，例如干冰等。

此时，贫碳酸丙烯酯溶液从二氧化碳吸收塔塔顶喷淋下来，由塔底排出的液体称为富液。

富液进入闪蒸槽，与从闪蒸槽出来的碳酸丙烯酯液一部分进入过滤器，二者混合过后进入常解-汽提塔的常解段，由泵加压后经碳酸丙烯酯溶液冷却器降温，进入二氧化碳吸收塔，从而完成了碳酸丙烯酯溶液的整个解吸过程。

流程图如图3.1[15]

图3.1两段吸收两段再生流程

3.2.2本设计工艺流程的确定

通过以上的比较，本设计选“两段吸收两段再生”流程。

下面简单介绍一下该流程及问题[9]。

碳酸丙烯酯法脱除CO2的工艺流程很多，基本都是分段吸收分段再生的。

这种流程有哪些优点呢？

第一在吸收塔中吸收二氧化碳要有足够的推动力，由于该反应装置放热所以可以利用此热量来保证所需推动力。

第二二氧化碳和pc溶液的反应速率与温度有关，工艺中温度较高有利于反应向正方向进行，因此可以将气体的大部分二氧化碳吸收和回收再利用。

总的来说：

此装置既加快了吸收二氧化碳的反应速度，又降低了溶液表面的二氧化碳平衡分压。

对于能量的综合利用也比较充分，所以目前他能流行。

综合分析PC法脱碳各厂的使用情况，最具代表性的问题有：

（1）溶剂损耗高。

造成这一问题原因有三个因素：

a.PC溶剂所需要的蒸汽压较高，热量较大；

b.PC溶剂气相回收系统有待完善，操作管理水平低的影响。

（2）净化气中CO2含量容易过高，吨位耗电量高。

此时通过每小时测量的二氧化碳含量知道的，那么就要想尽办法降低二氧化碳含量，多数是通过控制PC装置来增加吸收时间。

目前，碳丙脱碳技术已提高到一个新的阶段，工业应用的或即将应用的最有吸引力的进展都符合现在低碳循环经济的要求。

当今世界基本大趋势是需要更高的氨，所以对氨的技术要求和工艺要求越来越严格。

所以我所做的课题是通过多脱碳工艺的研究，来尽量使丙烯酯法脱碳工艺所用成本更少，得到效益更高，更充分合理利用，力求做到污染更小更环保。

3.2.3本设计工艺流程简述

首先本工艺设计是年产12万吨的合成氨的设计，所选用的是10分米的煤将水蒸气变换成半水煤气，然后中含二氧化碳28%变换气进入吸收塔中，吸收塔的温度125℃压力是1.8MPa。

我所选用的是pc溶液吸收，吸收后进入冷凝器，降低气体出塔温度，再是气体进入分离器，将气体分离，回收二氧化碳，用于碳肥等物质利用。

最后是出塔净化气温度约80℃CO2含量低于1%。

（1）流程图如图3.2[16]

热水塔来的变换气

图3.2变换气净化流程

（2）流程概述

首先上一造气与变换工段的原料气从上一工段出来后进入水洗塔中，水洗的作用是降低温度，去除部分杂质，从底端出来的气体进入吸收塔与从再生塔下来的溶液进行热交换升温后进入分离器，目的是分离其中冷凝水，同时，1.8Mpa，温度降至125℃左右的变换气进入CO2吸收塔下部，经吸收塔吸收后是原料气得到充分净化，得到净化的气体从顶塔出来，经冷却器和分离器，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3.3

图3.3再生气流程

从吸收塔出来的富液，进入再生塔再生，通过解析溶剂和温度压强的变化使CO2从流体中解吸此过程需要温度的改变，因为温度低压强高有利于解析进行。

解吸出来的CO2首先进入再生塔经过顶部除沫层后，经过除沫层与三层罩板上喷淋而下的流体接触，这一过程的目的是使CO2更充分除净。

CO2出塔的温度为98℃，经过再生气冷却系统后为40℃左右，再经过CO2分离器分离出冷凝液，送往其他车间，例如加工碳肥或干冰的工段[17]。

（2）冷凝水系统设计作用

冷凝水装备的设计对整个设计有非常大的影响，所以冷凝水装置的合理利用不仅可以降低能耗，减少运行的成本还可以环保减少热能的损失合理利用能源。

另外还可以减少气蚀，起到保护管路的作用。

（1）流程图如图3.4

图3.4循环水冷却水流程

3.3脱碳工段主要设备的选择

脱碳工段的主要设备是吸收塔，他的结构可以分为板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收和塔文氏管、喷雾塔，填料吸收塔以及降膜吸收塔两种。

本文用填料吸收塔。

它由外壳、填料、填料支承板、液体分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，常用的填料有不锈钢金属、鲍尔环和陶瓷制的马鞍形填料。

由于pc溶液能对陶瓷的原料二氧化硅有侵蚀作用因而一定要选择优质的陶瓷做填料。

考虑各方面因素和经济核算考虑采用金属鲍尔环填料。

4工艺计算

4.1工艺过程

设计任务：

合成12万吨氨

（1）要求出塔净化气中CO2的浓度不超过1%；

（2）各项进入塔内温度为170℃；

（3）操作压强为1.8MPa；

（4）变换气的含量每吨为4278Nm,基准为15.0t/h

4.1.1计算过程如下

V1=4.278km3/h

V3=18660Nm3/h=1.244km3/h

V2=4.278--1.244=3.304km3/h

L0=0.2/22.4×

44×

1134=445.5kg/h

进入塔中气体的总质量流量：

307+35300=35607kg/h

从塔中出来气体的质量流量计算后得：

V2=30776.25÷

22.4×

10.99=15099kg/h

经过计算