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1、河南城建学院毕业设计 总论12万吨年合成氨原料气脱碳及再生工艺设计毕业论文1总论121.1概述121.2文献综述131.3设计任务的依据151.4主要原材料及公用工程情况152 生产方案的确定172.1脱碳及再生的方法172.2 NHD的脱碳原理182.2.1 NHD溶剂的物理性质182.2.2 计算的热力学基础182.2.3计算的动力学基础192.3 脱碳及再生工艺参数的选定202.3.1 脱碳流程的选择202.3.2气提剂的选择202.3.5 脱碳再生操作压力的选定212.3.6脱碳塔气液比的确定222.3.7 冷凝器的位置及选定232.3.8腐蚀及材料选择233 脱碳再生生产流程说明24
2、4 吸收过程的工艺计算264.1物料恒算274.2热量恒算294.2.1原料气带入的热量304.2.2单位时间内气体的溶解热304.2.3进塔溶液带入的热量304.2.4净化气带出的热量314.2.5塔底富液带出的热量314.3吸收塔的工艺设计324.3.1 塔径及气速的计算324.3.2填料层高度的计算334.3.3塔厚度的计算354.3.4塔压降的计算35l4.3.5辅助设备的计算和选型354.3.6塔体的强度校核385 解吸过程的工艺计算425.1物料恒算425.1.1闪蒸过程的物料恒算425.1.2气提过程的物料恒算435.2热量恒算435.2.1闪蒸过程的热量恒算435.2.2气提过
3、程的热量恒算445.3气提塔的工艺设计455.3.1塔径及气速的计算455.3.2 填料层高度的计算465.3.3塔厚度的计算485.3.4塔压降的计算485.3.5辅助设备的计算和选型485.3.6塔体的强度校核50主要符号说明54致谢56参考文献571总论1.1概述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。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到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。 合成氨的主要原料可分为固体原料、液
4、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。它的应用可分为物理应用和化学应用。1)物理应用：
5、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。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。 2)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
6、、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、聚碳酸酯、聚脲等。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。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
7、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)。1.2文献综述用于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(Amisol)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
8、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。 MDEA和Selexol，均属国外技术，如使用须付给国外技术使用费和软件费。与低温甲醇法方法相比，均为国外引进技术，NHD为国内自行开发的技术，其吸收能力为碳丙的1.15倍，在工程设计中应优先考虑自有技术。这里用低温甲醇法和NHD两种方法相比较进行选定。(1)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%)，
9、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(-60)，因此需要补充-40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。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。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
10、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。 (2) 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，该工艺在常温(-510)条件下操作，设备材质大部分为碳钢，国内可以解决，价格也便宜。NHD工展出1，在P=3.5MPa压力下，溶液对CO2选择吸收能力强，溶液循环量不大，能耗较低。NHD溶剂物化性能稳定，蒸气压低，挥发损失小，无气味、无毒、不腐蚀、不分解。该工艺能耗低、消耗低、成本低。 NHD工艺技术是国内南京化工研究院开发，化工部第一设计院已在鲁南化肥厂期工程净化系统成功的设计了一套年产810万吨氨装置，现已投产三年多，运行十分稳定。在此基础上还可以进
11、一步优化设计，降低能耗，节省投资。从后面的技术比较可以清楚看出本技术的优越性。 (3)低温甲醇洗与NHD都是先脱硫后脱碳，脱硫后的溶剂采用热再生，脱CO2后的溶剂均采用汽提，因此二者流程是相似的。低温甲醇洗脱硫与脱碳是用同一个高的吸收塔分为两段，上段脱二氧化碳，下段脱硫，上塔吸收CO2的溶剂一部分去下塔脱S；NHD目前的流程是脱S和脱CO2溶剂分开各自成立系统循环，但低温甲醇洗额外增加一个甲醇水蒸馏塔。低温甲醇洗吸收温度是-60，NHD脱CO2吸收温度10，因此流程中换热部分低渐甲醇洗比NHD要复杂得多，总的来说NHD流程比低温甲醇洗流程简单，同时，值得注意的是工厂内如果没有空分装置，则低温甲
12、醇洗的气提用氮气将无法解决，而相反NHD可以用空气作气提剂。1.3设计任务的依据 我的设计是参照以下两方面制定的：1根据国家计委、国家科委及国产化办公室颁发的“七五”重点科技专题，引进技术消化吸收一条龙计划，采用NHD净化工艺，解决德士古煤浆气化技术的酸性气脱除，NHD净化技术合同编号7576。 2 NHD脱硫脱碳基础设计是根据一九九年八月，由南化公司研究院与化工部第一设计院签定的国产化一条龙子项合同引进技术消化吸收一条龙子项76，30万吨/年氨厂，NHD脱硫脱碳基础设计及 九年十月南化研究院第029号便函。1.4主要原材料及公用工程情况NHD是南京化学工业公司研究院近年来开发的一种优良的物理
13、吸收溶剂。它的主要组分为聚乙二醇二甲醚(国外称Selexol), 是一种有机溶剂。它具有沸点高，冰点低，蒸汽压低，对CO2气体有很强的选择吸收性，能适合于以煤(油)为原料，酸气分压较高的合成气等的气体净化，脱碳时需消耗少量冷量，属低能耗的净化方法。其化学稳定性、热稳定性好，挥发损失小，对碳钢设备亦无腐蚀性。洒落地下时可被生物降解，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。 根据化工部“七五”国家重点科技攻关计划合成氨一条龙中“7576NHD净化技术的研究”合同，即采用NHD物理溶剂法脱除合成原料气中的硫化物和二氧化碳，并选择一个中型厂使用此项技术，然后提供大型厂使用，“七五”
14、为油头和煤头大型厂净化技术作准备，提出气液平衡数据和工业化基础设计。 1988年批准的山东鲁南化肥厂二期扩建工程为年产8万吨合成氨，造气部分引进德士古煤浆气化技术，其它部分由国内配套。由于煤气中硫化物和二氧化碳含量较高，经多方研究认可选用了NHD溶剂脱除合成气中二氧化碳的工艺，于1992年投产。 在气液平衡数据的测定和鲁化厂年产8万吨生产装置的基础上，提供了大型厂设计参数，进行此项年产30万吨合成氨NHD脱硫脱碳基础设计，条件是以德士古煤浆气化气经中低温耐硫变换后的气体为原料在2MPa压力下将含CO2 43%，的变换气净化至CO2 0.1%，每吨氨总能耗99万大卡，溶剂损耗0.5公斤南化集团公司研究院开发的NHD净化技术，目前已在20多家氨厂、甲醇厂、醋酸厂的脱硫、脱碳装置上得到成功应用。作为一种典型的物理吸收过程，NHD技术适合于硫化物和二氧化碳含量高的煤制气净化，因此在化肥工业、煤化工、碳一化学领域具有广阔的前景，适合我国国情。河南城建学院毕业设计 生产方案的确定2 生产方案的确定2.1脱碳及再生的方法一种净化气体的过程，指脱除混合气体中的二氧化碳，主要见于合成氨生产原料气或煤气的处理。脱除原料气中二氧化碳的方法，分为3类。(1) 物理吸收法 最早采用加压水脱除二氧化碳，经过减压将水
