万m3h合成氨原料气脱碳工艺设计毕业525088.docVIP

5万m3/h合成氨原料气脱碳工艺设计 引 言 在合成氨 碳酸丙烯酯法脱碳工艺自60年代开发以来，由于能同时脱除二氧化碳、硫化氢及有机硫化物，加之再生能耗等优点，在国外的天然气、合成气和制氢工业上，已广泛应用。在国内，最先是在小型合成氨装置中用以代替加压水洗，对老合成氨厂水洗工艺进行改造，使脱碳能耗降低。近几年来，在我国年产4万吨小尿素、小纯碱装置的合成氨配套工程中，用碳酸丙烯酯法脱出变换气中二氧化碳，得到了良好的效果：工程投资省、工艺流程简单、运行可靠、溶剂无毒害、浓溶剂对碳钢无腐蚀、再生不耗热、回收的二氧化碳浓度高，回收率可以满足尿素及纯碱生产的需要等优点，因而得到推广。 合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。别名：氨气。分子式NH3英文名：synthetic ammonia。世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大部分是合成的氨。 N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol 合成氨的催化机理在热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335kJ/mol。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126kJ/mol～167kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13kJ/mol。由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能， 因而反应速率加快了。物理吸收法 最早采用加压水脱除二氧化碳，经过减压将水再生。此法设备简单，但脱除二氧化碳净化度差，出口二氧化碳一般在2％(体积)以下，动力消耗也高。近20年来开发有甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等，与加压水脱碳法相比，它们具有净化度高、能耗低、回收二氧化碳纯度高等优点，而且还可选择性地脱除硫化氢，是工业上广泛采用的脱碳方法。 化学吸收法 具有吸收效果好、再生容易，同时还能脱硫化氢等优点。主要方法有乙醇胺法和催化热钾碱法。后者脱碳反应式为： 为提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸钾溶液中添加某些无机或有机物作活化剂，并加入缓蚀剂以降低溶液对设备的腐蚀。此外，还有氨水吸收法。在碳酸化法合成氨流程中，采用氨水脱除变换气中的二氧化碳，同时又将氨水加工成碳酸氢铵。 物理—化学吸收法 以乙醇胺和二氧化四氢噻吩(又称环丁砜)的混合溶液作吸收剂，称环丁砜法。因乙醇胺是化学吸收剂，二氧化四氢噻吩是物理吸收剂，故此法为物理与化学效果相结合的脱碳方法 1.3 设计任务 设计题目：5万m3/h合成氨原料气的脱碳成分 CO2 CO H2 N2 CH4 合计 % 250.00 18.10 0.72 100 m3 13750 1840 25000 9050 360 50000 kmol 507.68 21.43 935.36 303.21 18.04 1785.71 脱碳方法：碳酸丙烯酯法； 碳酸丙烯酯的摩尔质量：102.09kg/mol； 假设出塔液及溶解气的温度：37℃； 操作温度为：3CO2分压较高，净化度要求低的情况，再生时不用加热，只需降压或汽提，总能耗比化学吸收法低，但CO2分离回收率低，在脱CO2前需将硫化物去除。物理吸收是利用原料气中的溶质(CO2)在吸收剂中的溶解度较大而除去的方法。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。此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、N2甲基吡咯烷酮法、低温甲醇法、碳酸丙烯酯法(Flour法)等[2]。 早期的合成氨厂中的脱碳多采用加压水洗法。加压水洗脱碳常在填料塔或筛板塔中进行，此法设备简单，但CO2的净化度差，且水洗的喷淋密度大，动力消耗高，因此近年来合成氨厂的新建脱碳工艺已被其他方法所取代。以N2甲基吡咯烷酮为吸收剂的方法称为吡咯烷酮法。吡咯烷酮具有对CO2溶解度高、黏度较小、沸点较高、蒸汽压较低等优点。此法特别适应气体压力大于7 MPa的场合，但由于N2甲基吡咯烷酮较贵，因此应用受到限制。以聚乙二醇二甲醚为吸收剂的脱碳过程称为Selexol法。聚乙二醇二甲醚是一种淡黄色透明的有机液体，无毒、无特殊气味、冰点低、沸点高、化学性质稳定、腐