年产九万吨合成氨脱碳工段设计

1年产九万吨合成氨厂脱碳工段初步设计摘要本设计是年产九万吨合成氨厂脱碳工段的初步设计，采用改良的热钾碱法和两段吸收两段再生的的工艺流程来脱除合成气中的二氧化碳，并对吸收液进行再生。脱除原料气中的二氧化碳,对以后的合成工段意义重大,同时回收的二氧化碳也可以用于其他化学物质的合成。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。附带的图纸有带控制工艺流程图、车间设备的平面图和二氧化碳再生塔设备结构图。关键词：热钾碱法;二氧化碳;工艺设计ABSTRACT2Thedesignisanelementarydesignaboutremovingthecarbondioxideofthefactorythatmakesammonia90,000tayear.Recoveringthecarbondioxideisnotonlyveryimportanttothenextmanufacturingprocess,butalsocanbeusedfortheproductionofotherchemicals.Itusesthedevelopedwayofhotsolutionofaqueouspotassiumcarbonateandtheprocessoftwoabsorbtionandtworecoverytoremovethecarbondioxideofsyngasandtorecoverthecarbondioxidefromthesolution.Thecontentofthedesignmainlyincludesthechoiceofthemakingtechnologe,massandenergybalance,thedesignoftheequipmentsandtubes.Besidesthese,itincludesthedrawingofcontrollabletechnologicalprocess,thedrawingofworkshop′sequipments,theequipmentdrawingoftheabsorbingtowerandtherecorveringtowerofcabondioxide.Keywords:Thehotsolutionofaqueous;Carbondioxide;technologicaldesign1第一章前言氨的用途很广，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、车间设备的平面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第二章合成氨的概述[1]2.1氨的发现与制取氨是1754年由J.普里斯特利在加热氯化铵和石灰混合物时发现的，1784年C.L.伯托利确定氨由氢和氮组成。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8～11g/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。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、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。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己二胺、人造丝等产品。氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、空调等系统的制冷济，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。所以说合成氨在国民经济中占有十分重要的地位。2.3我国合成氨工业的发展情况解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。2.4合成氨生产的典型流程3目前企业大多采用直接合成氨法生产氨，即根据化学反应式N2+3H2=2NH3来设计工艺。它除了水电解法以外，不管用什么原料得到的粗原料气中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物都是氨合成催化剂的毒物。因此，在把粗原料气送去氨合成以前，需要把这些杂质除去。这样氨合成生产的原料气过程就包括下述主要步骤。一是造气：即制备含有氢、氮和一氧化碳的粗原料气。二是净化：采用适当的方法除去原料气中氢、氮以外的杂质。主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。三是压缩和合成：将纯净的氮、氢混合气体压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成氨。由于我国煤炭目前储存量还比较多，所以本设计采用以煤炭为原料来制取合成氨的粗原料气。以煤炭为原料制取粗原料气合成氨的流程是采用间歇的流化床气化法生产半水煤气，经过变换，脱碳，铜氨液除少量二氧化碳、一氧化碳等净化步骤后可获得合格的氮氢混合物，然后在铁催化剂存在和适当的温度、压力条件下合成氨。其典型过程如图2.1。造气除尘脱硫CO变换脱除CO2压缩脱除CO合成空气焦炭或煤蒸汽氨图2.1合成氨典型流程下面从合成原料气的三个步骤详细论述：（1）造气：因为空气中含有71%的氮气，目前已经有很多的技术从空气中分离出满足上述反应的氮气，所以造气就是提供维持该反应的氢气的过程。最早的造气光阴就是将煤或焦碳在高温下与水反应生成水煤气或半水煤气，这种混合气体就是原料气。这4种工艺在二十世纪前半期一直是主流造气工艺，而且一直沿用至今。二十世纪六十年代出现了以天然气、石油重油、石脑油等新的造气原料。由于天然气、油田气、石油这样的原料可以用管道输送，其设施投资成本比固态原料设施要低很多，所以该工艺自发明以来就逐渐取代了煤炭造气工艺。但从目前能源的储量、开采和消耗走势来看，煤炭造气可能要重新被重视。（2）净化粗合成气：主要是对合成气中的硫化物、碳的氧化物等有害杂质进行脱除的过程。对于半水煤气，主要含无机硫（H2S），有机硫包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CS2），硫醇（RSH），硫醚（RSR），噻吩（C4H4S）等；天然气中主要是无机硫（H2S）。天然气、石油重油、石脑油等中的硫化物的含量因产地不同而不同。但是这些硫化物不但使产品不纯净，更重要的是它们对设备有极强烈的腐蚀作用，而且特别容易使催化剂中毒失活。脱硫的方法归纳起来分湿法和干法两类。湿法包括物理法、化学法、物理-化学法三种，但湿法脱硫精度不及干法。干法脱硫适合脱出低量或微量，其也有物理吸附和化学吸附之分。通常干法脱硫装置设备庞大复杂。脱碳是净化合成气的另有个重要步骤，因为任何方法制取的原料气都含有CO和一定量的CO2，其体积分数一般为12%~40%。而CO在生产过程中还可能被氧化为CO2，而在后续工段中CO2容易使催化剂中毒，容易在某些低温工段固化成干冰堵塞管道设备，在甲烷化过程中还会消耗大量H2生成无用气体CH4。而对CO2加以回收可以在尿素、碳酸氢铵等产品的生产中利用。可见脱碳的意义是十分重大的。因为本设计的题目就是合成氨脱碳工段的工艺设计，所以不在此对其赘述，在后面有对脱碳工段的详细介绍。总的说来，对于粗合成气的净化是系统而且复杂的工作，它不仅关系产品质量，也对生产中能量的综合利用，环境的保护有重要的影响。脱硫脱碳后还需要对原料气进行最终净化，将原料气中少量的CO和CO2除去，使其总量不超过10cm3/m3。最终净化有铜氨液吸收法、深冷分离法和甲烷化法。（3）氨的合成：将纯净的氢、氨混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在下进行的由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol工业中反应压力在10~35MPa之间，根据能量利用合理来取值。关于催化剂，人们已经开发出一系列催化剂，但比较广泛使用的是寿命比较长，活性良好而且价廉易得的铁系催化剂。该催化剂早期制备时还加入了促进剂。对于产品的分离，目前工业上有两种方法：水吸收法和冷凝法。2.5脱碳在合成氨中的作用和地位5脱碳也就是二氧化碳的脱除和回收，它属于原料气的净化阶段。因为无论是固体燃料还是以烃类为原料制得的原料气经一氧化碳变换后都含有15%~40%的二氧化碳。而在合成氨生产过程中经过变换后气体一般含有21%~30%的二氧化碳。它不仅会使氨合成催化剂中毒，而且给清除少量一氧化碳的过程带来困难。例如：采用铜氨液洗涤法时二氧化碳与其中的氨生成碳酸氨，而且会形成晶体堵塞管道和设备；采用液氨洗涤时，它容易固化成干冰也会堵塞管道与设备；在甲烷化过程中二氧化碳过多会消耗大量的氢又生成无用的气体甲烷。又因为按合成工序补充气中必须满足CO和CO2含量小于20PPm。此外，二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢氨、纯碱的原料。因此，在合成系统前不但必须将二氧化碳气体清除干净而且还必须回收利用。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。6第三章脱碳方法及工艺的选择3.1脱碳方法的选择3.1.1脱碳方法种类及简介脱碳方法很多，一般采用溶液吸收法，根据吸收剂的性能不同，主要可分为三大类：一是物理吸收法；二是化学吸收法；三是物理-化学吸收法。下面分别简单介绍三种方法。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。典型的物理吸收法有加压水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、Selexol法、低温甲醇法(Rectisol法)、碳酸丙烯酯法(Flour法)等。工业上常用的有水洗法、碳酸丙烯脂法、低温甲醇吸收法等。化学吸收方法是利用二氧化碳是酸性气体，能与碱性化合物反应的特性将其吸收。该方法靠减压闪蒸解吸的二氧化碳有限，通常都需要热再生法。主要有热钾碱法(苯菲尔法、砷碱法及空间位阻法等)和烷基醇胺法(MEA法、DEA法、MDEA法等),其中苯菲尔法和活性MDEA法应用最多。常用的化学吸收剂有氨水、催化热钾碱液、乙醇胺。物理-化学吸收法是综合了两种吸收的方法，将其合在一套生产工艺中。比如说常用的环丁砜法，其吸收剂是环丁砜和烷基醇胺水溶液，两者分别是物理吸收和化学吸收。还有德国的BASF公司开发的活化M