工艺技术年产八万吨合成氨原料气净化脱碳及再生工艺设计毕业设

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1、工艺技术年产八万吨合成氨原料 气净化脱碳及再生工艺设计毕业 设 工艺技术年产八万吨合成氨原料 气净化脱碳及再生工艺设计毕业 设 设计说明 脱碳工段是合成氨工程中必不可少的工段之一，二氧化碳吸收塔和溶液再生 塔是脱碳过程中不可缺少的塔设备。 本文权衡众多合成氨脱碳方法之利弊，最终选择碳酸丙烯酯脱碳法。首先进 行工艺流程分析并根据工艺参数及有关标准进行二氧化碳吸收塔和解析塔内的 物、热量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生塔等设备利用物理吸收机理、 传质传热方程、溶液物性数据等方面的知识进行塔体的总体结构设计和计算，设 计出二氧化碳吸收塔的塔径为 3.4m，塔高为 30m，由于解吸塔塔径过粗，使用

2、两 塔进行解吸，两塔各操作条件相同，塔径为 2.4m，填料层高度为 16m，然后对二 氧化碳吸收和解吸塔进行了必要的强度校核；最后对脱碳工段车间结构布置进行 合理的设计。 本设计作为理论上的准备工作，为分析工艺流程、设备设计上存在的问题、 确定问题的根源、提出解决问题的合理方案准备了充分的理论依据。 关键词：关键词：碳酸丙烯酯法；脱碳工艺；工程设计 Designelucidation DecarbonizingsectionisoneoftheabsolutelynecessarysectionsintheSyn theticAmmonia,andtheCarbondioxideabsorpt

3、iontowerandthesolutionregener ationtowerareindispensabletowerequipmentintheSyntheticAmmonia. Thispapertradeoffadvantagesanddisadvantagesofmuchapproachtodecarb onization,propylenecarbonate(PC)decarboniza-tionareselectedfinally.Th etechnologicalprocesswasanalyzed,andthematerialandheatwasbalancedacco r

4、dingtoparametersandrelevantstandardsfirstly.Thetowerbodygeneralstruc turewasdesignedcalculationbyusingphysicalabsorptionMechanism,masstran sferandheattransferequation,solution-physicaldatastcsecondly.Thediame terofabsorptiontoweris3.4m,theheightoftoweris30m,Andthenthestrengthof theCarbondioxideabsor

5、ptiontowerisecked.Thedecarbonizingsectionstructu ralarrangementwasreasonabledesignfinally.Asthetheoreticalpreparationw ork,thisdesigningpreparesufficienttheoreticalbasisforpeopletoanalysis theproblemsoftechnologicalprocess,equipmentdesign,determinedrootofpro blems,posingreasonableplantosolveproblems

6、. Keywords:Decarbonizationprocess;CarbondioxideremovalwithPCmethod;Proe essdesign Keywords:Decarbonizationprocess;CarbondioxideremovalwithPCmethod;Proe essdesign 目录 设计说明 I Design elucidationII 主要符号说明 i 1 引 言 1 2 概 述 2 2.1 氨的发现与制取 2 2.2 氨的用途 2 2.3 我国合成氨工业的发展情况 3 2.4 合成氨生产的典型流程 3 2.5 脱碳在合成氨中的作用和地位 4 3

7、 工艺流程的确定 6 3.1 脱碳方法概述 6 3.2 净化工序中脱碳方法 6 3.2.1 化学吸收法 6 3.2.2 物理吸收法 8 3.2.3 物理化学吸收法 10 3.2.4 固体吸附 10 3.3 碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺基本原理 10 3.3.1PC 法脱碳技术国内外现状 10 3.3.2 发展过程 10 3.3.3 技术经济 11 3.3.4 碳酸丙烯酯法脱碳工艺条件的确定 11 3.3.4 操作压力的确定 12 3.3.5 工艺流程 12 4 吸收塔的工艺设计 14 4.1 设计依据 14 4.1.1 碳酸丙烯酯（PC）的物理性质 14 4.1.2 比热计算式 14 4.1.

8、3 CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 14 4.1.4 CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解热 14 4.1.5 运行时间 14 4.2 计算依据 15 4.2.1 CO2在 PC 中亨利系数数据 15 4.2.2 PC 密度与温度的关系 16 4.2.3 PC 蒸汽压的影响 17 4.2.4 PC 的粘度 17 4.2.5 工艺流程确定 17 4.3 物料衡算 18 4.3.1 各组分在 PC 中的溶解量 18 4.3.2 溶剂夹带量 19 4.3.3 溶液带出的气量 19 4.3.4 出脱碳塔净化气量 20 4.3.5 计算 PC 循环量 20 4.3.6 出塔气体的组成 20 4.4

9、计算数据总表 20 4.4.1 混合气体的定压比热容 21 4.4.2 液体的比热容 22 4.4.3.CO2的溶解热 23 4.4.4 出塔溶液的温度 23 4.5 设备计算 23 4.5.1 物性数据 24 4.5.2 脱碳塔泛点速度计算 26 4.5.3 脱碳塔塔径计算 27 4.5.4 填料层高度计算 28 4.6 辅助设备设计 32 4.6.1 液体分布装置 32 4.6.2 填料支承装置 32 4.6.3 液体再分布装置 33 4.6.4 气体分布器 33 4.6.5 床层限制板 34 4.6.6 裙座及人孔 34 4.7 塔体强度校核 34 4.7.1 筒体强度校核 34 4.7

10、.2 封头设计 35 4.7.3 塔裙座高度 36 4.7.4 塔体载荷计算 36 4.7.5 接管管径计算 38 5 解吸塔的工艺设计 40 5.1 确定解吸塔塔径及相关参数 40 闪蒸过程的物料恒算 40 5.1.1 求取解析塔操作气速 40 5.1.2 求取塔径 41 5.1.3 核算操作气速 42 5.1.4 核算径比 42 5.1.5 校核喷淋密度 42 5.2 填料层高度的计算 42 5.2.1 建立相应的操作线方程和向平衡方程 42 5.2.2 利用两线方程求取传质推动力 43 5.2.3 传质单元数的计算 44 5.2.4 气相总传质单元高度 44 5.2.5 塔附属高度 48

11、 5.2.6 填料层压降计算 49 5.2.7 初始分布器和再分布器设计 50 5.2.8 气体分布器 51 5.2.9 丝网除沫器 51 6 车间布置 52 6.1 车间布置要考虑的问题 52 6.2 厂房布置 52 6.2.1 厂房平面布置 52 6.2.2 设备布置的安全距离 52 6.3 车间内辅助室和生活室布置 53 7 存在的问题及解决方法 54 7.1 碳丙法脱碳装置存在的问题及改造措施 54 7.1.1 吸收塔堵塔 55 7.1.2 加强溶剂回收，降低消耗 55 7.2 改造措施 55 7.2.1 吸收塔改造 55 7.2.2 降低溶剂温度 55 7.3 小结 56 工艺参数一

12、览表 57 参考文献 58 致谢 59 主要符号说明 符 号 符 号 意义和单位意义和单位符号符号意义和单位意义和单位 比热容DCO2的扩散系数 T/cm2/s 纯气体组分的黏度，MPas气体的摩尔流率 kmol/m2h 关联指数V气体质量流率，kg/（m2h） 表面张力，kg/h2L液体质量流率，kg/（m2h） 液相传质系数，kmol/（m3hatm）H0塔附属高度，m 体积传质系数，kmol/（m3h）传质单元高度，m Z塔高，m填料层压降，Pa 压力降，Pa液泛气速，m/s 密度，填料的总比表面积， CO2的气相分压操作气速，m/s 热力学温度，KC腐蚀裕量，mm G入塔气体的摩尔流率

13、，kmol/（m2s）m2封头的质量，kg n 筒体名义厚度，mm填料形状系数 塔内径，mm填料材质的临界表面张力 p鲍尔环填料的堆积密度，kg/m3g重力加速度， 平台、扶梯质量，kgN总布液点数，个 笼式扶梯的单位质量，kg/m溶解热， 全塔操作质量，kg干填料因子 T1塔自振周期，s塔截面积， 脉动增大系数，标准状态下温度， 气体处理量，填料因子， 塔顶出塔气体量，轴向许用压应力，MPa 塔底出气量，空间距离， 温度，通用气体常数 粘度，泛点空塔速率， 溶解热，入塔气体平均分子量， 出塔液体温度，摩尔比 1 引言 氨的用途很广，在国民生产中具有举足轻重的地位。在合成氨的过程中，经 变换后

14、的合成气含有较多的二氧化碳，如不将其清除，在合成氨生产时二氧化碳 会使合成氨催化剂中毒。此外，二氧化碳是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵等的重要 原料，二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务，也在合成氨中占有较 重要的地位。 本课题是年产九万吨合成氨厂脱碳工段的初步设计。设计的目的是为了寻找 出一套合理的脱碳工艺，获得纯度较高的净化气，提高二氧化碳的回收率，简化 流程，降低能耗，达到较高的经济效益指标。设计内容主要包括生产工艺的确定 和比较，物料衡算和能量衡算，设备的选型与设计和管道尺寸设计以及绘制带控 制点的工艺流程图和一张主体设备结构图。 由于脱碳分离过程中，溶液吸收和再生是可逆过程，所以溶

15、液的浓度、循环 量以及吸收和再生的温度、压力都需要进行合理的选择，这就是本课题所要解决 的关键问题。在本设计中，主要是参考相关资料进行选择。 本次设计力求以理论为基础，贴近实际为目标，争取让设计更合理。但由于 本人水平有限，经验不足，时间有限，资料收集不全面等因素，本次设计难免有 疏漏甚至错误，敬请老师批评指正。 2 概述 2.1 氨的发现与制取 1898 年，德国 A.弗兰克等人发现空气中的氮能被碳化钙固定而生成氰氨化 钙（又称石灰氮） ，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨： CaCN23H2O（g）2NH3（g）CaCO3 在合成氨工业化生产的历史中，合成氨的生产规模（以合成塔单塔能力为依

16、据）随着机械、设备、仪表、催化剂等相关产业的不断发展而有了极大提高。50 年代以前， 最大能力为 200 吨/日， 60 年代初为 400 吨/日， 美国于 1963 年和 1966 年分别出现第一个 600t/d 和 1000t/d 的单系列合成氨装置，在 60-70 年代出现 1500-3000t/d 规模的合成氨。 世界上 85%的合成氨用做生产化肥，世界上 99%的氮肥生产是以合成氨为原 料。虽然全球一体化的发展减少了用户的选择范围，但市场的稳定性却相应地增 加了， 世界化肥生产的发展趋势是越来越集中到那些原料丰富且价格便宜的地区。 19 世纪中叶，炼焦工业兴起，生产焦炭过程中制得了氨。煤中的氮约有 20%25% 转化为氨，煤气中氨含量为 811g/m3，因而可从副产焦炉气中回收氨。但这样 回收的氨量不能满足需要，促使人们研究将空气中的游离态氮变成氨的方法，20 世纪初先后实现了氰化法和直接合成法制氨的工业方法。 2.2 氨的用途 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 氯水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨作为原料的。合成氨是大宗