年产30万吨合成氨脱碳工段工艺设计Word下载.doc
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1.1.3合成氨生产工艺简述 2
1.1.4脱碳单元在合成氨工业中的作用 2
1.1.5脱碳方法概述 2
1.2净化工序中脱碳方法 2
1.2.1化学吸收法 2
1.2.2物理吸收法 3
1.2.3物理化学吸收法 5
1.2.4固体吸附 5
1.3碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺基本原理 5
1.3.1PC法脱碳技术国内外现状 5
1.3.2发展过程 5
1.3.3技术经济 5
1.3.4工艺流程 5
1.3.5存在的问题及解决的办法 6
1.3.6PC法脱碳技术发展趋势 6
1.4工艺设计的意义和目的 7
2全厂总平面的布置和设计 8
2.1全场总平面布置的任务 8
2.2全厂总平面设计的原则 8
2.3全厂总平面布置内容 8
2.4全厂平面布置的特点 8
2.5全厂人员编制 8
3吸收塔和解吸塔的物料衡算和热量衡算 10
3.1计算依据CO2的PC中的溶解度关系 10
3.2PC的密度与温度的关系 10
3.3PC的蒸汽压 11
3.4PC的黏度 11
3.5物料衡算 11
3.5.1各组分在PC中的溶解量 11
3.5.2溶剂夹带量 11
2.5.3溶液带出的气量 11
3.5.4出脱碳塔净化气量 11
3.5.5计算PC循环量 12
3.5.6入塔液中CO2夹带量 12
3.5.7带出气体的质量流量 12
3.5.8验算吸收液中净化气中CO2的含量 12
3.5.9出塔气的组成 12
3.6热量衡算 12
3.6.1混合气体的定压比热容 12
3.6.2液体的比热容 13
3.6.3CO2的溶解热 13
3.6.4出塔溶液的温度 13
4吸收塔和解吸塔的结构设计 14
4.1确定吸收塔塔径及相关参数 14
4.1.1求取泛点气速和操作气速 14
4.1.2求取塔径 14
4.1.3核算操作气速 14
4.1.4核算径比 14
4.1.5校核喷淋密度 14
4.2填料层高度的计算 15
4.2.1建立相应的操作线方程和向平衡方程 15
4.2.2利用两线方程求取传质推动力 15
4.2.3气相传质单元数的计算 16
4.2.4气相总传质单元高度 16
4.2.5塔附属高度 20
4.2.6填料层压降计算 20
4.2.7液体初始分布器 21
4.2.8丝网除沫器 22
4.2.9防涡流挡板的选取 22
4.2.10填料支撑装置 22
4.2.11填料床层限制器 22
4.2.12裙座的设计计算与选取 22
4.2.13填料吸收塔设计小结 22
4.3确定解吸塔塔径及相关参数 22
4.3.1求取解析塔操作气速 23
4.3.2求取塔径 23
4.3.3核算操作气速 23
4.3.4核算径比 23
4.3.5校核喷淋密度 24
4.4填料层高度的计算 24
4.4.1建立相应的操作线方程和向平衡方程 24
4.4.2利用两线方程求取传质推动力 24
4.4.3传质单元数的计算 25
4.4.4气相总传质单元高度 25
4.4.5塔附属高度 29
4.4.6填料层压降计算 29
4.4.7初始分布器和再分布器设计 29
4.4.8气体分布器 30
4.4.9丝网除沫器 31
4.4.10填料解吸塔设计小结 31
5塔内件机械强度设计及校核 32
5.1吸收塔机械强度设计及校核 32
5.1.1吸收塔筒体和裙座壁厚计算 32
5.1.2吸收塔塔的质量载荷计算 32
5.1.3地震载荷计算 33
5.1.4风载荷计算 34
5.1.5各种载荷引起的轴向应力 36
5.1.6筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 36
5.1.7裙座和筒体水压试验应力校核 37
5.1.8基础环设计 39
5.1.9地脚螺栓计算 39
5.2解析塔机械强度设计及校核 40
5.2.1吸收塔筒体和裙座壁厚计算 40
5.2.2解析塔塔的质量载荷计算 40
5.2.3塔自振周期计算 41
5.2.4地震载荷计算 41
5.2.5风载荷计算 42
5.2.6各种载荷引起的轴向应力 44
5.2.7筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 45
5.2.8裙座和筒体水压试验应力校核 45
5.2.9基础环设计 47
5.2.10地脚螺栓计算 48
6辅助设备设计与选取 49
6.1储罐的选择 49
6.2泵的选择 49
6.3接管管径计算 50
6.3.1进塔气管径 50
6.3.2出塔气管径 50
6.3.3液体进料管径 50
6.3.4釜液排出管径 50
主要符号说明 51
参考文献 52
附图 53
致谢 54
1绪论
1.1合成氨工业概况
1898年，德国A.弗兰克等人发现空气中的氮能被碳化钙固定而生成氰氨化钙（又称石灰氮），进一步与过热水蒸气反应即可获得氨：
CaCN2＋3H2O（g）→2NH3（g）＋CaCO3
在合成氨工业化生产的历史中，合成氨的生产规模（以合成塔单塔能力为依据）随着机械、设备、仪表、催化剂等相关产业的不断发展而有了极大提高。
50年代以前，最大能力为200吨/日，60年代初为400吨/日，美国于1963年和1966年分别出现第一个600t/d和1000t/d的单系列合成氨装置，在60-70年代出现1500-3000t/d规模的合成氨。
世界上85%的合成氨用做生产化肥，世界上99%的氮肥生产是以合成氨为原料。
虽然全球一体化的发展减少了用户的选择范围，但市场的稳定性却相应地增加了，世界化肥生产的发展趋势是越来越集中到那些原料丰富且价格便宜的地区，中国西北部有蕴藏丰富的煤炭资源，为发展合成氨工业提供了极其便利的条件。
1.1.1我国合成氨工业发展概况
我国是一个人口大国，农业在国民经济中起着举足轻重的作用，而农业的发展离不开化肥。
氮肥是农业生产中需要量最大的化肥之一，合成氨则是氮肥的主要来源，因而合成氨工业在国民经济中占有极为重要的位置。
我国合成氨工业始于20世纪30年代，经过多年的努力，我国的合成氨工业得到很大的发展，建国以来合成氨工业发展十分迅速，从六十年代末、七十年代初至今，我国陆续引进了三十多套现代化大型合成氨装置，已形成我国特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小规模并存的合成氨生产格局。
目前我国合成氨产能和产量己跃居世界前列。
但是，由于在我国合成氨工业中，中小型装置多，技术基础薄弱，国产化水平低，远远不能满足农业生产和发展的迫切需要，因此，开发新技术的同时利用计算机数学模型来提高设汁、生产、操作和管理等的核算能力，促进设计、管理和生产操作的优化，从而推动合成氨工业发展，提升整体技术水平，己成为国内当前化学工程科研、工程设计的重要课题。
我国的合成氨原料主要集中在重油，天然气和煤，到目前为止，中国化肥产量己居世界第一位。
但人均耕地面积只有世界平均水平的47%，而人口在本世纪中叶将达到约16亿，粮食始终是至关重要的问题。
化肥对农作物的增产作用己为大家所公认，中国施肥水平还有很大的提高空间，尤其是中西部市场。
与国外比较，我国氮肥行业主要存在一些比较严重的问题，集中表现为装置规模小，因而有效生产能力不足，致使行业整体竟争能力差。
进入WTO后，氮肥行业这种结构性矛盾日趋显著，成为影响行业发展的一个主要因素。
对原有合成氨装置进行改扩建，利用国家对农业的倾斜政策，节能技术改造见效快、可很快提高企业生产规模，改扩建改造会给企业带来了巨大的经济和社会效益。
1.1.2发展趋势
原料路线的变化方向。
从世界燃料储量来看，煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后，从煤制氨路线重新受到重视，但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故，预计到20世纪末，世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。
节能和降耗。
合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。
现在已提出以天然气为原料的节能型合成氨新流程多种，每吨液氨的设计能耗可降低到约29.3GJ。
与其他产品联合生产。
合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。
如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。
中国开发的用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺，以及中国、意大利等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺，都有明显的优点。
1.1.3合成氨生产工艺简述
合成氨是一个传统的化学工业，诞生于二十世纪初。
就世界范围来说，氨是最基本的化工产品之一，其主要用于制造硝酸和化学肥料等。
合成氨的生产过程一般包括三个主要步骤:
（l）造气，即制造含有氢和氮的合成氨原料气，也称合成气；
（2）净化，对合成气进行净化处理，以除去其中氢和氮之外的杂质；
（3）压缩和合成，将净化后的氢、氮混合气体压缩到高压，并在催化剂和高温条件下反应合成为氨。
其生产工艺流程包括：
脱硫、转化、变换、脱碳、甲烷化、氨的合成、吸收制冷及输人氨库和氨吸收八个工序[1]。
在合成氨生产过程中，脱除CO2是一个比较重要的工序之一，其能耗约占氨厂总能耗的10%左右。
因此，脱除CO2，工艺的能耗高低，对氨厂总能耗的影响很大，国外一些较为先进的合成氨工艺流程，均选用了低能耗脱碳工艺。
我国合成氨工艺能耗较高，脱碳工艺技术也显得比较落后，因此，结合具体情况，推广应用低能耗的脱除CO2工艺，非常有必要。
1.1.4脱碳单元在合成氨工业中的作用
在最终产品为尿素的合成氨中，脱碳单元处于承前启后的关键位置，其作用既是净化合成气，又是回收高纯度的尿素原料CO2。
以沪天化1000t/d合成氨装置脱碳单元为例，其需要将低变出口的CO2含量经吸收后降到0.1%以下，以避免甲烷化系统超温并产生增加能耗的的合成惰气，同时将吸收的CO2再生为99%纯度的产品CO2。
在此过程中吸收塔压降还应维持在合理范围内以降低合成气压缩机的功耗。
系统的扩能改造工程中，脱碳单元将为系统瓶颈，脱碳运行的好坏，直接关系到整个装置的安全稳定与否。
脱碳系统的能力将影响合成氨装置的能力，必须同步进行扩能改造。
但是不论用什么原料及方法造气，经变换后的合成气中都含有大量的CO2，原料中烃的分子量越大，合成气中CO2就越多。
用天然气（甲烷）为原料的烃类蒸汽转化法所得的CO2量较少，合成气中CO2浓度在15-20%，每吨氨副产CO2约1.0-1.6吨。
这些CO2如果不在合成工序之前除净，不仅耗费气体压缩功，空占设备体积，而且对后续工序有害。
此外，CO2还是重要的化工原料，如合成尿素就需以CO2为主要原料。
因此合成氨生产中把脱除工艺气中CO2的过程称为“脱碳”，在合成氨尿素联产的化肥装置中，它兼有净化气体和回收纯净CO2的两个目的。
1.1.5脱碳方法概述
由变换工序来的低变气进脱碳系统的吸收塔，经物理吸收或者化学吸收法吸收二氧化碳。
出塔气中二氧化碳含量要求小于0.1%。
为了防止气体夹带出脱碳液，脱碳后的液体进人洗涤塔，用软水洗去液沫后再进入甲烷化换热器。
脱碳塔出来的富液经换热器后，减压送至二氧化碳再生塔，用蒸汽加热再沸器，再脱去二氧化碳。
由再生塔顶出来的CO2，经空冷器和水冷器，气体温度降至40℃，再经二氧化碳分离器除去冷凝水，送到尿素车间作原料。
再生后的脱碳液（贫液），先进溶液空冷器，冷却至65℃左右，由溶液循环泵加压，再经溶液水冷器冷却至40℃后，送入二氧化碳吸收塔循环使用。
1.2净化工序中脱碳方法
在合成氨的整个系统中，脱碳单元将为系统关键主项，脱碳工序运行的好坏，直接关系到整个装置的安全稳定与否。
脱碳系统的能力将影响合成氨装置和尿素装置的能力。
CO2是一种酸性气体，对合成氨合成气中CO2的脱除，一般采用溶剂吸收的方法。
根据CO2与溶剂结合的方式，脱除CO2的方法有化学吸收法、物理吸收法和物理化学吸收法三大类。
1.2.1化学吸收法
化学吸收法即利用CO2是酸性气体的特点，采用含有化学活性物质的溶液对合成气进行洗涤，CO2与之反应生成介稳化合物或者加合物，然后在减压条件下通过加热使生成物分解并释放CO2，解吸后的溶液循环使用。
化学吸收法脱碳工艺中，有两类溶剂占主导地位，即烷链醇胺和碳酸钾。
化学吸收法常用于CO2分压较低的原料气处理。
（l）烷链醇胺类的脱碳工艺有：
①-乙醇胺（monoethanolamine，H2NCH2CH2OH，MEA）法；
②甲基二乙醇胺（methyldiethanolamine，CH3N（CH2CH2OH）2，MDEA）法；
③活化MDEA法（即aMDEA工艺）。
（2）碳酸钾溶液作吸收剂的脱碳工艺，即热钾碱脱碳工艺有：
①无毒G-V法；
②苯菲尔法；
③催化热钾碱（Catacarb）法；
④Flexsorb法[2]。
1.2.1.1.1MEA法
MEA法是一种比较老的脱碳方法。
吸收过程中，MEA与CO2发生反应生成碳酸化合物，经过加热即可将CO2分解出来。
该法的最大优点是可以在一个十分简单的装置中，把合成气中的CO2脱除到可以接受的程度。
但它本身存在两个缺点：
（1）CO2能与吸收反应生成的碳酸化合物发生进一步反应生成酸式碳酸盐，该盐较稳定，不易再生；
（2）CO2能与MEA发生副反应，生成腐蚀性较强的氨基甲酸醋，容易形成污垢。
1.2.1.2甲基二乙醇胺MDEA
MDEA法脱碳过程中，CO2与甲基二乙醇胺（MDEA，一种叔胺）生成的碳酸盐稳定性较差，分解温度低，且无腐蚀性。
相对其它工艺，MDEA法有以下优点：
（1）能耗和生产费用低；
（2）脱碳效率高，净化气中CO2含量可小于100ppm；
（3）使用范围广，可用于大、中、小各型合成氨厂；
（4）溶剂稳定性好；
（5）溶剂无毒、腐蚀性极小；
（6）能同时脱硫。
由于MDEA具有以上优点，所以不需要毒性防腐剂，设备管道允许采用廉价碳钢材料，不需要钝化过程，耗热低，设备管道不需要伴热盘管，能达到很好的节能效果[3]。
在MDEA溶液中添加少量活化剂即为aMDEA法，活化剂为眯哇、甲基咪哇等，浓度约为2-5%。
活性MDEA工艺开发于20世纪60年代末，第一套活化MDEA脱碳工艺装置是1971年在德国BAFS公司氨三厂投入使用在此后的几年里，另有8套装置采用了活化MDEA，这些装置的成功使用，使得aMDEA工艺自1982年后备受欢迎。
我国在大型装置中使用MDEA脱碳工艺，乌鲁木齐石化公司化肥厂属于首例[4]。
BAFS公司推出的aMDEA脱碳工艺，主要用于对原来MEA工艺的改造，近几年我国一些研究单位正在对这方面进行积极的研究。
1.2.1.3低热耗苯菲尔法
相对上述脱除CO2的吸收剂溶液，碳酸钾溶液更价廉易得，并具有低腐蚀，操作稳定，吸收CO2能力较强等特性。
但碳酸钾溶液本身吸收CO2的速度缓慢，需要添加一些活化剂。
其中如无毒G-V法工艺就是由意大利Giammaro-Vetrocoke公司所开发，最初使用的活化剂和缓蚀剂为As2O3，但对人体有毒。
后来有人用氨基乙酸取代As2O3，消除了毒性，成为无毒G-V法。
我国栖霞山化肥厂就采用了这种工艺。
由美国联碳公司开发的低热耗苯菲尔法，用二乙醇胺（DEA）作活化剂，V2O5作为腐蚀防护剂。
我国于20世纪90年代相继以布朗工艺建了4套装置，即锦西天然气化工厂、建峰化肥厂、四川天华公司化肥厂和乌鲁木齐石化总厂第二化肥厂，规模都是日产氨1000吨。
低热耗苯菲尔工艺是由美国联碳公司在传统苯菲尔工艺基础上开发的，采用了节能新技术。
国内在20世纪70年代引进的13套大型化肥装置中，有10套采用苯菲尔脱碳工艺。
从1985年起，己有7套进行了用低热耗苯菲尔工艺改造。
国内新建的以天然气为原料的大型合成氨装置，脱碳系统也多采用低热耗苯菲尔工艺，如锦天化厂、建峰厂、天华公司等。
中海石油化学有限公司合成氨装置脱碳系统采用改良型苯菲尔流程[5]。
苯菲尔法可在高温下运行，再生热低，添加的V2O5可防腐蚀，但该工艺需对设备进行钒化处理，要求工人的操作水平较高，并且浪费溶剂，能耗大，特别蒸汽用得多，有效气体损失也大，运行成本高等缺点。
1.2.2物理吸收法
物理洗涤是CO2被溶剂吸收时不发生化学反应，溶剂减压后释放CO2（不必加热），解吸后的溶液循环使用。
相对化学吸收法，物理洗涤法的最大优点是能耗低，CO2不与溶剂形成化合物，减压后绝大部分CO2被闪蒸出来，然后采用气提或负压实现溶剂的完全再生。
这就使得工艺投资省、能耗低、工艺流程简单。
物理吸收法主要有Selxeol法、Elour法、变压吸附法及低温甲醇法等[6]。
物理吸收法常用于高CO2分压的原料气处理。
1.2.2.1NHD法
NHD法被认为是目前能耗最低的脱碳工艺之一，该法使用的溶剂为聚乙二醇二甲醚的混合物，其分子式为CH3-O-（CH2-CH2-O）n-CH2，式中n=2-8。
NHD是兖矿鲁南化肥厂与南京化学工业集团公司研究院、杭州化工研究所共同开发成功的一种物理吸收硫化氢和二氧化碳等酸性气体的高效溶剂[7]。
NHD气体净化技术改造系脱除酸性气体的物理吸收新工艺，适合于合成气、天然气、城市煤气等的脱硫脱碳。
NHD具有对设备无腐蚀，对CO2、H2S等酸性气体的吸收能力强、蒸汽压低，挥发性小、热稳定性和化学稳定性好、不会起泡，无腐蚀性等优点，并且该法在NHD的再生过程中几乎不需要能量，通常利用空分装置富余的低压氮气在气提塔进行脱碳富液的气提再生，其优点是减少利用空气气提带来系统内NHD溶液含水量的富集，省去了空气水冷、气水分离及NHD脱水设备，节约了投资，简化了流程[8]。
1.2.2.2碳酸丙烯酯法（PC）法
碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法。
其原理是利用在同样压力、温度下，二氧化碳、硫化氢等酸性气体在碳酸丙烯酯中的溶解度比氢、氮气在碳酸丙烯酯中的溶解度大得多来脱除二氧化碳和硫化氢而且二氧化碳在碳酸丙烯酯中溶解度是随压力升高和温度的降低而增加的，CO2等酸性气体在碳丙溶剂中溶解量一般可用亨利定律来表达，因而在较高的压力下，碳酸丙烯酯吸收了变换气中的二氧化碳等酸性气体，在较低的压力下二氧化碳能从碳酸丙烯酯溶液中解吸出来，使碳酸丙烯酯溶液再生，重新恢复吸收二氧化碳等酸性气体的能力。
碳酸丙烯酯法具有溶解热低、粘度小、蒸汽压低、无毒、化学性质稳定、无腐蚀、流程操作简单等优点。
该法CO2的回收率较高，能耗较低，但投资费用较高。
适用于吸收压力较高、CO2净化度不很高的流程，国内主要是小型厂使用。
用碳丙液作为溶剂来脱除合成氨变换气中CO2工艺是一项比较适合我国国情的先进技术，与水洗工艺比较，除具有物理吸收过程显著的节能效果外，在现有的脱碳方法中，由于它能同时脱除二氧化碳、硫化氢及有机硫化物，加上再生无需
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