15万吨低温甲醇洗脱碳建议书.docx
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15万吨低温甲醇洗脱碳建议书
15万吨/年低温甲醇洗脱碳装置建议书
一、低温甲醇洗工作原理
低温甲醇洗（Rectisol）是20世纪50年代初德国林德（Linde）公司和鲁奇（Lurgi）公司联合开发的一种气体净化工艺。
第一个低温甲醇洗装置由鲁奇公司于1954年建在南非Sasol的合成燃料工厂，目前世界上有一百多套工业化装置，其中中国引进了十多套。
该工艺为典型物理吸收法，是以低温甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的特性，脱除原料气中的酸性气体。
由于甲醇的蒸汽压较高，所以低温甲醇洗工艺在低温（～－60℃）下操作，在低温下CO2与H2S的溶解度随温度下降而显著地上升，因而所需的溶剂量较少，装置的设备也较小。
在－30℃下，H2S在甲醇中的溶解度为CO2的6.1倍，因此能选择性脱除H2S。
该工艺气体净化度高，可将变换气中CO2脱至小于20ppm，H2S小于0.1ppm，气体的脱硫和脱碳可在同一个塔内分段、选择性地进行，而CO2、H2S再生可在不同的塔中进行，分别得到合格的二氧化碳含量为99%的纯碱原料气和硫回收原料气。
二、低温甲醇洗对各气体的吸附比较
3、设计的物料平衡和H2、N2损失
AA公司原壳牌制气低温甲醇洗脱碳装置设计变换气流量106310Nm3/h，压力3MPa，温度40℃，成分为H252.1％，N26.2%，CO0.3％，CO240.4%，H2S＋COS0.12%，Ar0.2%，H2O0.25%（饱和），以吨氨耗4200Nm3变换气计，设计生产能力为合成氨25.3t/h。
根据带物料点的流程图进行物料衡算，可知总物料平衡如下图。
进料
流量（Nm3/h）
H2
N2
CO2
CO
硫化物
Ar+CH4
水
变换气
106310
55388
6591
42949
319
149
478
266
百分数
100%
52.1
6.2
40.4
0.3
0.14
0.45
0.25
气提氮气
2400
2400
百分数
100％
100
水洗塔用水
1.3t/h
1.3t/h
百分数
100％
100
出料
净化气
62879
55334
6477
1.3
302
0.006
468
百分数
100%
88
10.3
20ppm
0.48
0.1ppm
0.74
CO2产品气
30191
54
188
29949
百分数
100%
0.18
0.62
99.2
放空气
542
59.62
368.6
113.82
百分数
100%
11
68
21
尾气
15091
2264
12601
7.5
百分数
100%
15
83.5
0.05
废水
1.5t/h
含微量甲醇、甲基硫等
99.8
H2回收率＝62879×0.88÷106310÷0.521＝99.9%
N2回收率＝62879×0.103÷106310÷0.062＝98.3%
四、15万吨/年固定床造气低温甲醇洗脱碳物料平衡
通过计算，可得15万吨/年固定床造气低温甲醇洗脱碳物料平衡如下图（设计生产能力为合成氨20吨/小时，吨氨耗变换气4295Nm3，由于硫化物含量不变，假定气提氮气量、放空气量和尾气量和原装置相比按比例缩小）。
进料
流量（Nm3/h）
H2
N2
CO2
CO
硫化物
Ar+CH4
水
变换气
85900
44000
14666
25490
270
120
1139
215
百分数
100%
51.2
17.1
29.7
0.31
0.14
1.32
0.25
气提氮气
1934
1934
百分数
100％
100
水洗塔用水
1.05t/h
1.05t/h
百分数
100％
100
出料
净化气
60088
43956
14546
260
1326
百分数
100%
73.2
24.2
20ppm
0.43
0.1ppm
2.2
CO2产品气
15100
42.3
108.7
14949
百分数
100%
0.28
0.72
99
放空气
438
52.6
297.8
87.6
百分数
100%
12
68
20
尾气
12194
1890
10243
6
百分数
100%
15.5
84
0.05
废水
1.2t/h
百分数
100%
含微量甲醇、甲基硫等
99.8
H2回收率＝43956/44000＝99.9%
N2回收率＝14546÷14666＝99.2％
后工序H2损失：
甲烷化反应剩余的CO消耗H2：
13×3＝39Nm3，加上微量CO2消耗的H2，合计损失H240Nm3/吨氨，因甲烷化反应增加的甲烷，导致合成放空增加H2损耗60Nm3/吨氨，合计H2总损失102Nm3/吨氨。
5、甲醇洗涤塔塔径计算
现AA公司低温甲醇洗日产合成氨688吨/天，其中壳牌制气提供531吨/天合成氨气量，固定床造气提供157吨/天合成氨气量，甲醇洗涤塔已实现满负荷，壳牌制气吨氨需变换气4200Nm3，固定床造气吨氨需变换气4295Nm3，下段吸收温度为-30℃，上段吸收温度－45℃，吸收压力为3MPa，上段压力2.9MPa，甲醇循环量261吨/小时，洗涤塔塔径为DN2500×30×54185。
洗涤塔下段空速＝（4295×157/24＋4200×531/24）÷30×243.15÷273.15×4÷3.14÷2.44÷2.44÷3600＝0.2046m/s
洗涤塔上段空速＝（3004×157/24＋2484×531/24）÷29×228.15÷273.15×4÷3.14÷2.44÷2.44÷3600＝0.1277m/s
新装置甲醇洗涤塔下段空速取0.2m/s，上段空速取0.13m/s，通过计算可知，新洗涤塔下段内径需达到2.08m，上段内径需达到2.17m，建议新装置甲醇洗涤塔规格为DN2300×30。
其中一、四段塔板数及塔板间距保持不变，二、三段各减少两块塔板。
塔板间距不变。
6、甲醇循环量计算
AA公司现甲醇洗涤塔共脱除CO24200×531/24×0.404＋1274.5×157/24＝45879Nm3/h＝90.12t/h
吨甲醇吸收CO2量为：
45879/261＝175.8Nm3＝345kg
由于变换气中CO2浓度降低，新装置吨甲醇吸收CO2量会有所降低，以吨甲醇吸收160Nm3CO2计，得新装置甲醇循环量＝1274.5×20÷160＝159.3吨/小时＝201.4m3/h
新装置甲醇泵的输送能力以250m3/h选型。
7、现装置设计CO2回收率和需达到的CO2回收率
现装置设计CO2回收率＝30191×0.992÷106310÷0.404＝69.7%
AA公司公司现日产合成氨688吨，日产纯碱1950吨，吨碱耗合成氨353kg，耗CO2350Nm3，如采用固定床制合成氨，CO2回收率需达到1/0.353×350÷1274.5＝77.8％
通过物料平衡表可知，如只使用CO2产品气，理论CO2回收率＝15100×0.99÷1274.5÷20＝58.6％，远远不能满足纯碱生产需要，所以需要把尾气中的二氧化碳加以利用，和产品CO2气混合作为纯碱碳化塔下段气来源。
由于尾气中理论H2S含量为0.05×10×34/22.4＝0.76g/m3，需设置尾气脱硫及二氧化碳精脱硫装置。
（AA公司公司现尾气的分析数据为硫化物含量3ppm，但总硫不平衡，硫化物有可能在废水中富集，如此数据为真，只需设二氧化碳精脱硫装置）
8、气提氮气需求量
原软件包气提N2需求量为2400Nm3/h，此时变换气气量为106310Nm3/h。
AA公司公司现气提N2使用量为1960Nm3/h，进口变换气量121021.5Nm3/h。
由于气提氮气主要用于气提甲醇富液中的H2S，可以认为气提氮气使用量和进口变换气量成正比，如采用软件包数据，需N2量4295×20÷106310×2400＝1939Nm3/h，如采用生产数据，需N2量4295×20÷121021.5×1960＝1391Nm3/h，本装置气提氮气输送能力以2000Nm3/h设计，氮气由AA公司公司空分装置富余的氮气提供。
9、冰机冷冻量计算及冰机选型
原软件包冰机主要用于循环甲醇深冷器、富甲醇深冷器1、贫甲醇深冷器、酸气深冷器。
设计冷冻量为－40℃液氨3480kW。
即300万大卡/小时。
根据软件包的流程图和物料数据，冷冻量主要消耗在E-05（甲醇深冷器），E-04（富甲醇深冷器）E-13（贫甲醇深冷器）、E-17（酸气深冷器），各换热器需要的冷冻量分别计算如下：
E-05Q1=2.48×203×14×1000+36×0.653×14×1000=7.38×106KJ
E-04Q2=2.48×112×3×1000+45×0.653×3×1000=0.92×106KJ
E-13Q3=203×1000×2.48×5=2.517×106KJ
E-17Q4=132×1167+132×2.48×63+63×542/22.4×44×0.653=0.218×106KJ
总换热量Q=Q1+Q2+Q3+Q4=11.033×106KJ
总换热效率=11.033×106÷3600÷3480=88%
换热器E-05、E-04、E-13、E-17的冷冻需求量主要来自甲醇降温或冷凝，可认为冰机负荷及各换热器换热面积和甲醇循环量成正比，现有换热器和冰机可满足261t/h甲醇循环量需要，当甲醇循环量降为159.3t/h时，冰机制冷量=300×159.3÷261=183万大卡
整个系统的冷冻换热效率计算：
从整个系统来看，冰机的冷冻量主要用于进口气体降温和循环甲醇降温，其中进口气体温度从40℃降到30℃，甲醇温度从38℃降到24℃，气体降温需要冷冻量Q1=10×106310×0.35302×4.18=1.56×106KJ
甲醇降温需要冷冻量Q2=203×1000×2.48×14=7.048×106KJ
总冷冻效率=（Q1+Q2）/12528000=68.4%
新装置换热器E-05、E-04、E-13、E-17的相关参数如下：
E-05甲醇深冷器现参数DN1600×16×10150，F=161m2，SA-203GrD
新装置参数：
DN1200×14，F=100m2，SA-203GrD
管程吸收CO2的甲醇溶液180.5t/h，其中甲醇159.3t/h-21℃降温到-35℃壳程液氨-33℃蒸发为气氨，为甲醇溶液提供冷冻量
E-04富甲醇深冷器参数DN900×12×6320，F=69.5m2，SA-516Gr70
新装置参数：
DN700×10，F=45m2，SA-516Gr70
管程吸收CO2的甲醇溶液180.5t/h，其中甲醇159.3t/h-21℃降温到-35℃壳程液氨-33℃蒸发为气氨，为甲醇溶液提供冷冻量
E-13贫甲醇深冷器参数DN1100×12×8102，F=188m2，SA-516Gr70
新装置参数：
DN1000×12，F=120m2，SA-516Gr70
管程贫甲醇溶液159.3t/h，-31℃降温到-36℃
壳程液氨-36℃蒸发为气氨，为甲醇溶液提供冷冻量
E-17酸气深冷器参数DN700×10×4160，F=14.5m2，SA-516Gr70
新装置参数：
DN700×10×4160，F=14.5m2，，SA-516Gr70
管程甲醇、二氧化碳、硫化氢等气体，其中甲醇95kg，不凝气体438Nm3/h，29.8℃降温到-33℃
壳程液氨-33℃蒸发为气氨，为甲醇溶液提供冷冻量
10、未考虑的投资
变换触媒增加投资800万元（现变换装置触媒总投资1422万元，其中中变触媒K8－1153.68吨，16万元/吨，低变触媒QCS－0470.4吨，8万元/吨，预计新装置变换触媒总投资1100万元，比传统变换触媒投资增加800万元），尾气脱硫及冰机增加投资800万元。
合计增加投资1600万元。
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