变压吸附技术在合成氨装置上的应用.doc

变压吸附技术在合成氨装置上的应用1、装置简介 宁夏石化公司一化肥合成氨装置是年产合成氨30万吨的大型化肥装置，是以空分分子筛净化、德士古气化、林德低温甲醇洗和液氮洗以及托普索合成技术组成的工艺流程。2003年在保留原流程的基础上，对空分系统实施了分子筛改造；对气化系统实施了气（天然气）代油（渣油）改造、低温甲醇洗系统增加真空解吸、二氧化碳回收系统，原料由来源由渣油转变为天然气。 2、问题的产生 2.1目前，我公司两套合成氨装置共用两座液氨贮罐，一座5000吨，1988年建厂时建成使用；另外一座2000m3（1100吨），1999年建成2000年投入使用自投产以来，一直存在氨罐液位偏高、液氨库存量大的问题历史上，我氨罐液位经常超过10m，最高达16.3m。1999年10月，二化肥投产后，客观上加剧了氨碳不平衡的矛盾。随着原料由渣油被天然气所替代，气成分含量特别是碳含量的不同造成CO2产量较改造前下降了3000-4000m3/h左右，但同时氨产量却有较大富裕，这就带来两个问题：一、氨库液位长时间处于高位运行，公司为保证安全，被迫外卖液氨，但作为高危化学品，无疑给安全带来了很大隐患；二、尿素装置不能满负荷运行，造成消耗、冷耗上升，不能发挥装置的最佳效果。 2.2 甲醇洗装置CO2气提塔及甲醇再生塔分别有一定量的含CO2气体被放空。 项目 CO2 % N2% 流量m3/h 气提塔尾气 61% 39% 7600 再生塔尾气 78% 21% 1000 其中还含有微量甲醇、H2S等气体，由于纯度过低，尿素装置无法回收利用,但从上表可以计算，大约有45003/h量的CO2被损失，对应每天100吨左右的富裕液氨量，如果回收利用基本可以实现氨碳比的平衡。 吸附的概念 变压吸附（PSA）技术是近30 多年来发展起来的一项新型气体分离与净化技术。吸附是指：当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）称为吸附质。 吸附按其性质的不同可分为四大类，即：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。变压吸附（PSA）气体分离装置中的吸附主要为物理吸附。物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。 变压吸附气体分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个基本性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。 吸附剂 工业PSA-H2装置所选用的吸附剂都是具有较大比表面积的固体颗粒，主要有：活性氧化铝类、活性炭类、硅胶类和分子筛类吸附剂；另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的特殊吸附材料，如CO专用吸附剂和碳分子筛等。吸附剂最重要的物理特征包括孔容积、孔径分布、表面积和表面性质等。不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面积和不同的表面性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附能力和吸附容量。 吸附剂对各种气体的吸附性能主要是通过实验测定的吸附等温线和动态下的穿透曲线来评价的。优良的吸附性能和较大的吸附容量是实现吸附分离的基本条件。 同时，要在工业上实现有效的分离，还必须考虑吸附剂对各组分的分离系数应尽可能大。所谓分离系数是指：在达到吸附平衡时，（弱吸附组分在吸附床死空间中残余量/弱吸附组分在吸附床中的总量）与（强吸附组分在吸附床死空间中残余量/强吸附组分在吸附床中的总量）之比。分离系数越大，分离越容易。一般而言，变压吸附气体分离装置中的吸附剂分离系数不宜小于3。 另外，在工业变压吸附过程中还应考虑吸附与解吸间的矛盾。一般而言，吸附越容易则解吸越困难。如对于C5、C6等强吸附质，就应选择吸附能力相对较弱的吸附剂如硅胶等，以使吸附容量适当而解吸较容易；而对于N2、O2、CO等弱吸附质，就应选择吸附能力相对较强的吸附剂如分子筛等，以使吸附容量更大、分离系数更高。 此外，在吸附过程中，由于吸附床内压力是周期性变化的，吸附剂要经受气流的频繁冲刷，因而吸附剂还应有足够的强度和抗磨性。 吸附平衡 吸附平衡是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在吸附相和气相、两相中的分布达到平衡的过程，吸附分离过程实际上就是一个平衡吸附状态