1、陕西理工学院毕业设计I年产 30 万吨合成氨脱碳工段工艺设计摘要脱碳工段是合成氨工程中必不可少的工段之一，二氧化碳吸收塔和溶液再生塔是脱碳过程中不可缺少的塔设备。本文权衡众多合成氨脱碳方法之利弊，最终选择碳酸丙烯酯脱碳法。首先进行工艺流程分析并根据工艺参数及有关标准进行二氧化碳吸收塔和解析塔内的物、热量衡算；其次就二氧化碳吸收塔、溶液再生塔等设备利用物理吸收机理、传质传热方程、溶液物性数据等方面的知识进行塔体的总体结构设计和计算，设计出二氧化碳吸收塔的塔径为 2.1m，塔高为 27m，二氧化碳解吸塔塔径 2.4m，塔高 29m；然后对二氧化碳吸收和解吸塔进行了必要的强度校核；最后对脱碳工段车间
2、结构布置进行合理的设计。本设计作为理论上的准备工作，为分析工艺流程、设备设计上存在的问题、确定问题的根源、提出解决问题的合理方案准备了充分的理论依据。关键词 碳酸丙烯酯法；脱碳工艺；工程设计陕西理工学院毕业设计IIThe Design of the Decarbonization Section in the Production of the 40 thousand tons Synthetic Ammonia per yearAbstract: Decarbonizing section is one of the absolutely necessary sections in the
3、Synthetic Ammonia, and the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are indispensable tower equipment in the Synthetic Ammonia. This paper tradeoff advantages and disadvantages of much approach to decarbonization, propylene carbonate (PC) decarboniza-tion are selected fina
4、lly. The technological process was analyzed, and the material and heat was balanced according to parameters and relevant standards firstly. The tower body general structure was designed calculation by using physical absorption Mechanism, mass transfer and heat transfer equation, solution -physical d
5、ata stc secondly.The diameter of absorption tower is 2.1m, the height of tower is 27m, diameter of desorption tower is 2.4m, the height of tower is 29m, which were designed., And then the strength of the Carbon dioxide absorption tower and the solution regeneration tower are checked. The decarbonizi
6、ng section structural arrangement was reasonable design finally. As the theoretical preparation work, this designing prepare sufficient theoretical basis for people to analysis the problems of technological process, equipment design, determined root of problems, posing reasonable plan to solve probl
7、ems.Keywords: Decarbonization process; Carbon dioxide removal with PC method; Proeess design陕西理工学院毕业设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名：
8、日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 陕西理工学院毕业设计学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献
9、的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日陕西理工学院毕业设计目录1 绪 论 .11.1 合成氨工业概况 .11.1.1 我国合成氨工业发展概况 .11.1.2
10、 发展趋势 .11.1.3 合成氨生产工艺简述 .21.1.4 脱碳单元在合成氨工业中的作用 .21.1.5 脱碳方法概述 .21.2 净化工序中脱碳方法 .21.2.1 化学吸收法 .21.2.2 物理吸收法 .31.2.3 物理化学吸收法 .51.2.4 固体吸附 .51.3 碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺基本原理 .51.3.1PC 法脱碳技术国内外现状 .51.3.2 发展过程 .51.3.3 技术经济 .51.3.4 工艺流程 .51.3.5 存在的问题及解决的办法 .61.3.6 PC 法脱碳技术发展趋势 .61.4 工艺设计的意义和目的 .72 全厂总平面的布置和设计 .82.1
11、全场总平面布置的任务 .82.2 全厂总平面设计的原则 .82.3 全厂总平面布置内容 .82.4 全厂平面布置的特点 .82.5 全厂人员编制 .83 吸收塔和解吸塔的物料衡算和热量衡算 .103.1 计算依据 CO2 的 PC 中的溶解度关系 .103.2 PC 的密度与温度的关系 .103.3 PC 的蒸汽压 .113.4 PC 的黏度 .113.5 物料衡算 .113.5.1 各组分在 PC 中的溶解量 .113.5.2 溶剂夹带量 .112.5.3 溶液带出的气量 .113.5.4 出脱碳塔净化气量 .113.5.5 计算 PC 循环量 .12陕西理工学院毕业设计3.5.6 入塔液中
12、 CO2 夹带量 .123.5.7 带出气体的质量流量 .123.5.8 验算吸收液中净化气中 CO2 的含量 .123.5.9 出塔气的组成 .123.6 热量衡算 .123.6.1 混合气体的定压比热容 .123.6.2 液体的比热容 .133.6.3 CO2 的溶解热 .133.6.4 出塔溶液的温度 .134 吸收塔和解吸塔的结构设计 .144.1 确定吸收塔塔径及相关参数 .144.1.1 求取泛点气速和操作气速 .144.1.2 求取塔径 .144.1.3 核算操作气速 .144.1.4 核算径比 .144.1.5 校核喷淋密度 .144.2 填料层高度的计算 .154.2.1 建
13、立相应的操作线方程和向平衡方程 .154.2.2 利用两线方程求取传质推动力 .154.2.3 气相传质单元数的计算 .164.2.4 气相总传质单元高度 .164.2.5 塔附属高度 .204.2.6 填料层压降计算 .204.2.7 液体初始分布器 .214.2.8 丝网除沫器 .224.2.9 防涡流挡板的选取 .224.2.10 填料支撑装置 .224.2.11 填料床层限制器 .224.2.12 裙座的设计计算与选取 .224.2.13 填料吸收塔设计小结 .224.3 确定解吸塔塔径及相关参数 .224.3.1 求取解析塔操作气速 .234.3.2 求取塔径 .234.3.3 核算
14、操作气速 .234.3.4 核算径比 .234.3.5 校核喷淋密度 .244.4 填料层高度的计算 .244.4.1 建立相应的操作线方程和向平衡方程 .24陕西理工学院毕业设计4.4.2 利用两线方程求取传质推动力 .244.4.3 传质单元数的计算 .254.4.4 气相总传质单元高度 .254.4.5 塔附属高度 .294.4.6 填料层压降计算 .294.4.7 初始分布器和再分布器设计 .294.4.8 气体分布器 .304.4.9 丝网除沫器 .314.4.10 填料解吸塔设计小结 .315 塔内件机械强度设计及校核 .325.1 吸收塔机械强度设计及校核 .325.1.1 吸收
15、塔筒体和裙座壁厚计算 .325.1.2 吸收塔塔的质量载荷计算 .325.1.3 地震载荷计算 .335.1.4 风载荷计算 .345.1.5 各种载荷引起的轴向应力 .365.1.6 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 .365.1.7 裙座和筒体水压试验应力校核 .375.1.8 基础环设计 .395.1.9 地脚螺栓计算 .395.2 解析塔机械强度设计及校核 .405.2.1 吸收塔筒体和裙座壁厚计算 .405.2.2 解析塔塔的质量载荷计算 .405.2.3 塔自振周期计算 .415.2.4 地震载荷计算 .415.2.5 风载荷计算 .425.2.6 各种载荷引起的轴向应力 .4
16、45.2.7 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 .455.2.8 裙座和筒体水压试验应力校核 .455.2.9 基础环设计 .475.2.10 地脚螺栓计算 .486 辅助设备设计与选取 .496.1 储罐的选择 .496.2 泵的选择 .496.3 接管管径计算 .506.3.1 进塔气管径 .506.3.2 出塔气管径 .506.3.3 液体进料管径 .50陕西理工学院毕业设计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陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 54 页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
17、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： CaCN23H 2O（g）2NH 3（ g）CaCO 3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
18、。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
19、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
20、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
21、 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
22、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。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 54 页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
23、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
24、，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
25、 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，CO 2 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
