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1、合成氨原料气(变换气)的脱CO2,励志照亮人生,技能成就未来；,常州励志化工有限公司合成氨原料气（变换气）脱CO2。原料气处理量为1000m3/h(标准状态)，CO2含量为13%（体积百分率，下同），要求合成氨原料气经吸收塔后CO2被吸收90%。 1）根据生产工艺要求，查阅工艺物料（变换气等）的相关信息； 2）能根据工艺要求选用合适的分离方法与分离设备； 3)能识别各种吸收塔设备及相关部件，确定分离方法与设备； 4）能根据生产要求选择合理的吸收方案吸收剂，并编制用水洗脱CO2工艺的初步方案,任务一：,最大用途为氮肥(尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等)，占总产量的85% 炸药（NH3 HNO3
2、硝酸铵等） 化纤及塑料（己内酸胺、尼龙6单体、己二胺、丙烯腈等） 致冷剂 其他（磺胺类药物、维生素、氨基酸等）,1、合成氨工业的重要性,一、合成氨工艺信息,2、合成氨的原料及原则流程,0.5N21.5H2=NH3 H298=46.22 kJmol-1,N2:来源空气， 在制氢过程中直接加入空气，或低温下将空气液化、分离而得；,H2：来源于水或含有烃的各种燃料。 以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用气化得,合成氨生产的原则流程：,3、原料气的制造,把煤或焦炭中的可燃物质转变为H2、CO和CO2。气化所得的气体统称煤气，进行气化的设备叫煤气发生炉。,采用间歇法造气时，空气和蒸汽交替通入煤气发
3、生炉。通入空气的过程称为吹风，制得的煤气叫空气煤气；通入水蒸气的过程称为制气，制得的煤气叫水煤气；空气煤气与水煤气的混合物称为半水煤气。,固体燃料气化法,吹风 2CO23.76N2 = 2CO3.76N2 H0=-248.7 kJmol-1 制气 CH2O(g)= COH2 H0 =131.4 kJmol-1 总反应 7CO23.76 N25H2O(g)=7CO3.76 N25H2H0408.3 kJmol-1,固体燃料气化法的化学计量方程式为：,工业上采用间歇操作送风发热法，即交替进行吹风和制气。,缺点：气化设备简单、便于控制，能耗大，约有一半原料被当作燃料烧掉，生产能力低，产生三废(煤渣、
4、含氰废水、含硫废气等)较多。,烃类蒸汽转化法 以轻质烃为原料生产原料气。,CH4 + H2OH2 + C H0206.4KJ CH4 + 22OH2 + CO2 H0165.3KJ,优点：获得的粗原料气与半水煤气相比，含氢量高，含CO量低，杂质气体亦较少，后处理负担轻。,重质烃是石油蒸馏时，沸点高于350时的馏分。氧,蒸汽和重质烃在炉中燃烧放热,获得H2和CO为主的原料气.重质烃部分氧化法工艺流程种类更多。,重质烃部分氧化法,发生下列反应：,4CmHn + (4m+n)O24mC2 +2n H2O+Q 2CmHn + 2mH2O2mC +(n+2m) H2-Q 2CmHn + 4mH2O2mC
5、2 +(n+4m) H2-Q 2CmHn + 2mCO4mC +n H2 - Q,该法的缺点是需用纯氧作原料，增加较多的投资，另外，去除炭黑也需增加投资。,主要是H2S,其次是CS2,硫氧化碳（COS）,硫醇（RSH）等有机硫。其含量取决于原料的含硫量及加工方法. 以煤为原料，原料气中H2S含量一般为23gm-3，有的高达2030gm-3。,（）原料气的净化,脱硫，变换，脱碳, 气体的精制.,H2S对设备和管道有腐蚀作用，使变换及合成系统的催化剂中毒，还使铜洗系统的低价铜生成硫化亚铜沉淀，增加铜耗。,脱硫,干法脱硫：用固体脱硫剂(如氧化锌、活性炭、分子筛等)将气体中的硫化物除掉； 湿法脱硫：用
6、碱性物质或氧化剂的水溶液即脱硫剂(如氨水法、碳酸盐法、乙醇胺法、蒽醌二磺酸钠法及砷碱法等)吸收气体中的硫化物。,用煤或烃生产出的气体都含有相当量的CO，如固体燃料制得的半水煤气含2831，气体烃蒸汽转化法含1518，重油气化法含46左右。CO对氨合成催化剂有毒害，必须除去。变换利用水蒸气把CO变换为H2和易清除的CO2，同时又制得了所需的原料气H2。其反应为：,CO + H2O(g)= CO2 + H2 H0= -41 kJmol-1,变换,脱碳,粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多(15-35)。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造
7、尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。,脱除CO2的方法很多，工业上常用的是溶液吸收法，分为物理吸收和化学吸收两种。,利用CO2溶解于水或有机溶剂的性质完成。如加压水洗法、低温甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯（Flour法），聚乙醇二甲醚（Selexd法）、N甲基吡啶烷酮（Purisol法)。吸收CO2后的溶液可用减压解析法再生。,物理吸收,化学吸收,用氨水、有机胺(如乙醇胺)或碳酸钾的碱性溶液为吸收剂，利用CO2能与溶液中的碱性物质进行化学反应而将其吸收。大中型厂多采用改良热钾碱法，此法以K2CO3水溶液为吸收液，并添加少量活化剂如氨基乙酸或乙二醇胺，缓蚀剂如
8、V2O5等。吸收解吸反应如下：,K2CO3 + CO2 + H2O = 2KHCO3,下一任务,气体的精制,气体的精制就是将少量的CO、CO2进一步脱除 常用的有醋酸铜氨液洗涤法(铜洗法)和甲烷化法。,我们主要考察的是脱CO2过程。,二、气体分离方法的确定,1 深冷分离法（气体液化技术） 通常采用机械方法,如用节流膨胀或绝热膨胀等方法，把 气体压缩、冷却后，利用不同气体沸点上的差异进行蒸馏，使不同气体得到分离。有时也叫气体精馏分离。 其特点是产品气体纯度高，但压缩、冷却的能耗很高。 该法适用于大规模气体分离过程，如空气分离以制取氧、氮、氩及稀有气体，目前，在我国制氧量的80%是用该法完成的；天
9、然气分离提取氦气；焦炉气及水煤气分离获得氢或氢氮混合气等。,裂解气深冷分离,2、变压吸附法（Pressure Swing Adsorption简称PSA）,吸附分离是利用吸附剂只对特定气体吸附和解吸能力上的差异进行分离的。为了促进这个过程的进行，常用的有加压法和真空法等。 变压吸附法制氧、氮是在常温下进行的，其工艺有加压吸附/常压解吸或常压吸附/真空解吸两种。 常见吸附剂：活性炭；硅胶；活性氧化铝；沸石分子筛。,3 膜分离法,其原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解-扩散上的差异，即渗透速率差来进行分离的。 如利用气体分离膜分离氢气，氧气等。,4、分凝法,
10、亦称部分冷凝法，它是根据混合气体中各组分冷凝温度的不同，当混合气体冷却到某一温度后，高沸点组分凝结成液体，而低沸点组分仍然为气体，这时将气体和液体分离也就将混合气中组分分离。气体分离膜分离氢气，氧气等。 分凝法一般用于分离沸点相距较远的气体混合物，如富氧空气和氮气等。,5、吸收法,（一）什么是吸收？,利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸收操作。,总结提高,（二）基本概念,吸收质或溶质A:混合气体中，能够溶解于液体中的组分；,惰性气体B:不能溶解的组分；,吸收剂S:吸收操作所用的溶剂；,吸收液或简称溶液:吸收操作所得到的溶液 ；,吸收尾气：排出的气体。,（三）
11、吸收过程分类,按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分： 物理吸收：如水吸收二氧化碳 化学吸收：如硫酸吸收氨 按被吸收组分数目分： 单组分吸收：如水吸收氯化氢气体 多组分吸收：如洗油处理焦炉气，苯、甲苯、二甲苯等组分均溶解,按吸收前后温度是否发生变化分： 等温吸收： 非等温吸收：溶解过程有一定的溶解热 按溶质在气液两相中组成大小分： 低组成吸收：气、液相的溶质气体均为低浓度 高组成吸收：进塔气体浓度高，但塔内液相仍可能 是低浓度,本章重点讨论单组分低组成的等温物理吸收,净化或精制气体制取某种气体的液态产品分离混合气体以回收所需组分工业废气的治理,（四）吸收操作在化工生产中的应用：,工业的吸收过程常
12、在吸收塔中进行。生产中除少部分直接获得液体产品的吸收操作外，一般的吸收过程都要求对吸收后的溶剂进行再生，即在另一称之为解吸塔的设备中进行与吸收相反的操作解吸。因此，一个完整地吸收分离过程一般包括吸收和解吸两部分。,（五）工业吸收过程,部分吸收剂循环,吸收塔串联,工业吸收过程示意图,三、选用合适的分离设备,板式吸收塔：气体与液体逐级逆流接触,填料吸收塔：湿壁塔、降膜塔，液体呈膜状流下，通常在塔内充填有瓷环之类的填料。,在此类设备中，气体或液体中可溶组分的浓度随塔板高度的变化而呈阶梯式的变化。,在此类设备中，气体或液体中可溶组分的浓度随设备高度的变化而呈连续式变化。,这两种设备由于吸收过程浓度变化
13、方式不同，采用的是完全不同的计算方法，需要注意加以区分。,四、识别吸收塔设备及相关部件,（一）填料塔结构及作用,1. 填料层 提供气液接触的场所。,2. 液体分布器 均匀分布液体，以避免发生沟流现象。 3. 液体再分布器 避免壁流现象发生。 4. 支承板 支承填料层，使气体均匀分布。 5. 除沫器 防止塔顶气体出口处夹带液体。,（二）常用填料,材料：陶瓷、金属、塑料 堆放：整砌、乱堆,环形 （拉西环、鲍尔环、阶梯环，十字环） 鞍形 （矩鞍形、弧鞍形） 波纹形（板波纹、网状波纹）,拉西环,环,四氟冲孔拉西环,十字环,塑料矩鞍环填料,共轭环,阶梯环,陶瓷鞍形环,花环填料,异鞍环,液面覆盖球,金属环
14、矩鞍填料,鲍尔环,多面空心球,板波纹,金属丝网波纹,瓷质连环,双星球形填料填料,槽式液体分布器,筛孔板式液体分布器,规整波纹堆填,组片式规整填料,五、吸收剂的选择要求,（1）溶解度大；,（2）选择性高；,（3）再生容易；,（4）挥发性小；,（5）粘度低；,（6）化学稳定性高；,（7）腐蚀性低；,（8）无毒、无害、价廉等。,选择原则：经济、合理。,六、影响吸收分离效果的因素,(1)气膜控制 加大气体流速，减少气膜厚度 (2)液膜控制 增大液体流速，减少液膜阻力 （3）中等溶解度的气体 同时增大气体和液体流速。,1、吸收质的溶解性能,2、吸收剂的选择,(1)溶解度 吸收剂对混合气体中被吸收组分的溶
15、解度要尽可能大(2)选择性 吸收剂对于要吸收组分有很好的吸收能力 (3)挥发性 要求吸收剂的挥发性能力差(4)粘性 吸收剂的粘度低(5)其它 所选收剂还应尽可能无毒，不易燃、化学性能稳定，无腐蚀、不发泡、冰点及比热尽可能低，价廉易得等优点。,改变吸收剂用量是吸收过程最常用的方法。当气体流量一定时，增大吸收剂流量，吸收速率增大，溶质吸收量增加，气体的出口浓度减小，回收率增大。当液相阻力较小时，增大液体的流量，传质总系数变化较小或基本不变，溶质吸收量的增大主要是由于传质推动力的增加而引起，此时吸收过程的调节主要靠传质推动力的变化。当液相阻力较大时，增大吸收剂流量，传质系数大幅增加，传质速率增大，溶
16、质吸收量增大。,3吸收剂用量,4、温度的影响,低温操作可以增大气体在液体中的溶解度，对气体吸收有利 但温度太低时，对吸收又是不利的。所以要选择一个适宜的吸收温度。,5、压力,增加吸收塔系统的压力，但过高地增加气体系统压力，会使动力消耗增大，设备耐压性、密封性增强，设备要求高，使设备投资和日常性生产费用加大。 一般能在常压下进行吸收操作的就不要无故地提高压力。,吸收剂入塔浓度升高，使塔内的吸收推动力减小，气体出口浓度Y2升高。吸收剂的再循环会使吸收剂入塔浓度提高，对吸收过程不利。但有时采用吸收剂再循环可能有利，例如当新鲜吸收剂量过小以致不能满足良好润湿填料的要求时，采用吸收剂再循环，推动力的降低可由有效比表面积和体积传质系数KY的增大得到补偿，吸收效果好；某些有显著热效应的吸收过程，吸收剂经塔外冷却后再循环可降低吸收剂的温度，相平衡常数减小，全塔吸收推动力有所提高，吸收效果好。,
