年產(chǎn)50萬(wàn)噸尿素工藝凈化工段工藝設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u287871緒論 2218991.1尿素簡(jiǎn)介 212941.2研究背景 359091.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 321731.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 3251481.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 4226731.4課題意義及研究?jī)?nèi)容 4184402煤制尿素可行性論證 486722.1技術(shù)可行 4177422.2煤制尿素比煤制甲醇、煤制油成本優(yōu)越 528402.3煤制尿素符合可持續(xù)發(fā)展 583653煤制尿素凈化工藝 514093.1MDEA工藝 558813.2NHD脫硫、脫碳工藝 6206483.3低溫甲醇洗技術(shù) 639714工藝論證與說(shuō)明 6114334.1不同技術(shù)方案在不同方面的比較說(shuō)明 7122294.1各技術(shù)方案在能耗上論述 781214.2工藝論述 823575物料與能量衡算 9289655.1物料衡算 9277365.2熱量衡算 11245856設(shè)備選型 13303486.1塔的設(shè)計(jì)要求和選擇 13279496.2浮閥塔的工藝設(shè)計(jì) 14281556.3其他設(shè)備選型 17173966.3.2甲醇洗貯罐 17259986.3.3回收甲醇貯罐 17205116.3.4甲醇洗貯罐及回收甲醇貯罐泵 17134396.3.6解吸塔進(jìn)料泵 1893657環(huán)境保護(hù) 1882907.1凈化工段的廢氣及處理 1976107.2凈化工段的廢水及處理 1952897.3凈化工段的廢渣及處理 19244308勞動(dòng)安全 20151248.1凈化生產(chǎn)過(guò)程中安全管理的重要性 20215498.2凈化工段生產(chǎn)過(guò)程中的安全問(wèn)題 20侯仁霞摘要：低溫甲醇洗工藝對(duì)工業(yè)氣體中CO2、H2S、COS等酸性氣體的脫除性能,具有良好的操作穩(wěn)定性、易再生、能耗低、原料易獲取等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為一種節(jié)能型成熟可靠的酸性氣體凈化工藝。由于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn),出于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、清潔生產(chǎn)及國(guó)家能源安全等因素的考慮,大力發(fā)展煤制尿素化工技術(shù)一直是我國(guó)能源發(fā)展的主要方向。本文針對(duì)煤制尿素凈化工序進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，進(jìn)行物料衡算及能量衡算等相關(guān)計(jì)算，希望能為相關(guān)領(lǐng)域的研究工作做出借鑒指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：煤制尿素；低溫甲醇洗；酸性氣體脫除；凈化工序；1緒論1.1尿素簡(jiǎn)介尿素又稱碳酰胺，主要組成元素是碳(C)、氮(N)、氧(O)和氫(H),是由動(dòng)物蛋白質(zhì)代謝后產(chǎn)生的有機(jī)化合物外觀一般是呈粒狀的白色固體,化學(xué)式是CO(NH2)2。[21]尿素易溶于水，水溶液呈中性反應(yīng)，且尿素能與酸作用生成鹽，可在高溫下進(jìn)行縮合反應(yīng)，對(duì)熱不穩(wěn)定。尿素結(jié)構(gòu)示意圖1.2研究背景我國(guó)富煤少油的資源結(jié)構(gòu)，決定了我國(guó)的一次能源消費(fèi)以煤為主。從國(guó)家能源安全角度出發(fā)，發(fā)展有競(jìng)爭(zhēng)力的煤制石油替代產(chǎn)品是必然選擇。國(guó)內(nèi)煤制尿素裝置很多，規(guī)模從年產(chǎn)幾萬(wàn)噸到上百萬(wàn)噸不等。年產(chǎn)幾萬(wàn)噸到幾十萬(wàn)噸的煤制尿素工藝技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但百萬(wàn)噸級(jí)以上的煤制尿素裝置主要工藝技術(shù)仍需引進(jìn)。目前在國(guó)內(nèi)的大型煤制尿素生產(chǎn)企業(yè)中，工藝的自主性仍較低，除一氧化碳變換和合成尿素精制工段的技術(shù)之外，空分、氣化、氣體凈化和尿素合成等主要工藝技術(shù)均由國(guó)外引進(jìn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐之一，其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)十分重要的地位。與此同時(shí)，煤炭資源作為化石燃料是不可再生的一次能源，在直接的燃燒使用過(guò)程中不僅造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染和危害，同時(shí)也使得燃燒不完全的煤炭資源造成大量的浪費(fèi)。目前，隨著氮肥社會(huì)需求量的不斷增加和農(nóng)業(yè)下屬產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，使其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要。其中，煤制尿素的工藝過(guò)程屬于污染較小的工藝過(guò)程，整個(gè)過(guò)程對(duì)于環(huán)境的危害和影響較小。同時(shí)，煤制尿素在提高煤炭資源的綜合利用率的同時(shí)，還可以聯(lián)產(chǎn)甲醇還可以替代部分的石油，從而在一定程度上緩解了我國(guó)石油資源供不應(yīng)求的矛盾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了我國(guó)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的改善。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于尿素的研究早在18世紀(jì)中后期就展開了。1773年，Rouelle首先在尿液中發(fā)現(xiàn)了尿素。1828年，Woehler將氨和氰酸合成為尿素，開辟了以無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物的先河。20世紀(jì)30年代，世界上首先以一次通過(guò)法實(shí)現(xiàn)尿素的工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)40年代中，改進(jìn)為部分循環(huán)法工藝。20世紀(jì)50年代末，實(shí)現(xiàn)水溶液全循環(huán)法工藝的工業(yè)化生產(chǎn)。之后，陸續(xù)出現(xiàn)各種水溶液全循環(huán)法工藝。20世紀(jì)60年代期間，建立起日產(chǎn)1000噸以上的單系列大型化裝置。1967年，荷蘭Snamprogetti工程公司率先開發(fā)成功高壓等壓氣提工藝，以CO2作為氣提劑在日產(chǎn)220噸裝置上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。隨之意大利Snamprogetti工程公司開發(fā)成功氨氣提工藝，日產(chǎn)300噸裝置投入生產(chǎn)，CO2氣提法工藝在1968年、氨氣提工藝在1971年分別建成1000噸/天以上單系列大型化裝置。20世紀(jì)80年代初，為了進(jìn)一步降低能耗，又推出了多種節(jié)能型高壓氣提工藝，如改良CO2氣提工藝，改良氨自身氣提工藝。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀上世紀(jì)50年代年，我國(guó)開始了煤制尿素的研究。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，在合成氨工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出了生產(chǎn)尿素工藝。到90年代，國(guó)內(nèi)開發(fā)出精脫硫工藝，在引進(jìn)了國(guó)內(nèi)的尿素合成工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了合成尿素的工藝生產(chǎn)階段。合成尿素工藝條件一般反應(yīng)溫度在300～500℃，在高壓下進(jìn)行反應(yīng)。通過(guò)煤制合成氨同時(shí)進(jìn)一步生產(chǎn)尿素有利于資源的合理利用，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。進(jìn)入本世紀(jì)后，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和山西煤炭化學(xué)研究所等在凈化工段和合成氨合成尿素進(jìn)行了深入研究，并解決了煤制尿素過(guò)程中的催化劑失活再生等問(wèn)題，在煤制尿素的自主生產(chǎn)道路上邁出了一大步。1.4課題意義及研究?jī)?nèi)容中國(guó)地形多山，適合耕種的土地并不多，耕地面積為1.2億公頃,世界第四位，次于美國(guó)，俄羅斯和印度。中國(guó)人均耕地很少，只有1.4畝，不到世界平均耕地的一半，到現(xiàn)在為止我們國(guó)家的糧食還是在很大程度上依賴于進(jìn)口。而且現(xiàn)在農(nóng)村人口比例不斷下滑，這又給農(nóng)業(yè)帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。并且在此基礎(chǔ)上我國(guó)的糧食消費(fèi)還要分為三個(gè)部分：口糧消費(fèi)大概占40%，飼料消費(fèi)大概占26%，工業(yè)消費(fèi)34%。因此我們急需在有限的耕地面積上發(fā)揮出它最大的作用，所以肥料的選擇就顯得極為重要。尿素是一種高濃度氮肥，含氮量高達(dá)46%，是固體氮肥中含氮量最高的，屬中性速效肥料，也可用于生產(chǎn)多種復(fù)合肥料。在土壤中不殘留任何有害物質(zhì)，長(zhǎng)期施用沒(méi)有不良影響。其分解釋放出的CO2也可以被作物吸收，促進(jìn)植物的光合作用。在土壤中，尿素能增進(jìn)磷、鉀、鈣和鎂的有效性，且不會(huì)在土壤中有任何殘存廢物。尿素不僅有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在工業(yè)方面也有這舉足輕重的地位。2煤制尿素可行性論證2.1技術(shù)可行目前煤炭的深入開發(fā)利用以煤制甲醇、煤制烯烴和制氮肥等為主，而煤制甲醇的一大缺點(diǎn)就是價(jià)格相對(duì)較高這使得很多國(guó)家開始放棄甲醇燃料繼續(xù)以石油作為主要能源。自20世紀(jì)80年代起，我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)行改革更新媒礦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也持續(xù)得以升級(jí)優(yōu)化，煤制尿素技術(shù)也不斷發(fā)展成熟，由于我國(guó)是世界第一煤炭大國(guó)，因而煤制尿素的原料來(lái)源相當(dāng)穩(wěn)定，因此，煤的深度利用從MTP、MTO慢慢轉(zhuǎn)向了氮肥行業(yè)，而且我國(guó)已經(jīng)有了年產(chǎn)數(shù)十萬(wàn)噸級(jí)煤制尿素項(xiàng)目已經(jīng)投產(chǎn)，技術(shù)上十分可行。2.2煤制尿素比煤制甲醇、煤制油成本優(yōu)越煤制尿素較煤制油的優(yōu)越性具體表現(xiàn)于成本控制上。煤制尿素常與合成氨工藝一起，在生產(chǎn)成本、單位投資與煤制油的成本相比，成本可謂是非常之低，尚且不及煤制油的1/2，因而媒制尿素比煤制油更能體現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，與此同時(shí)煤制尿素在建設(shè)周期、投資回收期上均比煤制油更具優(yōu)勢(shì)。尿素較甲醇的優(yōu)勢(shì)，甲醇的生產(chǎn)原料多來(lái)源天然氣和石油，目前天然氣價(jià)格仍較低，與煤制甲醇相比，天然氣制甲醇在成本方面較低，因此煤制甲醇的收益目前仍較低。而尿素的合成相對(duì)來(lái)說(shuō)工藝路線可供選擇的較少，而且可以與合成氨聯(lián)產(chǎn)，極大的提升了產(chǎn)品的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。而我國(guó)的煤炭資源豐富為煤制尿素項(xiàng)目提供足量的原料，保證尿素的生產(chǎn)以及企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，從能源替代的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度來(lái)看選擇煤制尿素也是更加適宜。2.3煤制尿素符合可持續(xù)發(fā)展我國(guó)尿素的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅作為氮肥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，也被應(yīng)用于人造板、電廠脫硝、三聚氰胺領(lǐng)域。另外在煤制尿素的生產(chǎn)過(guò)程中，主要的副產(chǎn)物是高純度的硫和高純度的二氧化碳不僅不會(huì)污染環(huán)境，對(duì)人體健康也不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面性影響同時(shí)副產(chǎn)品還可以應(yīng)用于其他行業(yè)，比如高純度的硫是較好的化工原料等能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。3煤制尿素凈化工藝煤氣化裝置產(chǎn)出的粗合成氣中除含有CO、H2、CO2外，還含有少量的H2S、COS、CH4、N2、HCN以及微量的氯、氨和鎳等重金屬，硫化物、氯、重金屬鎳等會(huì)使合成催化劑中毒，失去活性，必須除去。凈化單元的主要任務(wù)是脫除變換氣中的CO2和H2S、COS等酸性氣體，因此，也稱為酸性氣脫除單元。對(duì)煤制合成氣來(lái)說(shuō)，可選擇的合成氣凈化技術(shù)有MDEA(甲基二乙醇胺)、NHD(Selexol)和低溫甲醇洗等脫硫脫碳凈化技術(shù)。3.1MDEA工藝MDEA法脫硫脫碳工藝的工業(yè)化應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，BASF公司最早將該技術(shù)應(yīng)用于大型天然氣及合成氣體脫硫裝置上。甲基二乙醇胺(MDEA)溶液對(duì)CO2的吸收屬于物理-化學(xué)吸收，吸收速率與CO2的分壓有較大關(guān)系，對(duì)H2S的吸收屬于化學(xué)吸收，吸收速率很高，因此，MDEA溶液能夠在H2S與CO2同時(shí)存在的情況下有選擇性的脫除H2S而僅吸收部分CO2。MDEA法脫硫脫碳工藝不需低溫冷量，溶劑再生能耗低，在公用工程、物料消耗等方面比其他化學(xué)吸收法經(jīng)濟(jì)，在20世紀(jì)80年代后期得到了較為廣泛的工業(yè)應(yīng)用。近20多年來(lái)，已開發(fā)成功多種以MDEA為主的溶劑體系，在合成氨、甲醇、合成尿素、制氫、硫回收等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于選擇性地脫除H2S和脫除CO2。3.2NHD脫硫、脫碳工藝NHD工藝與Selexol工藝類似，都屬于聚乙二醇二甲醚法脫硫、脫碳工藝。Selexol脫硫、脫碳工藝所用溶劑為聚乙二醇二甲醚，由Allied化學(xué)公司于1965年開發(fā)成功，并進(jìn)行了工業(yè)化試驗(yàn)。NHD工藝總體水平與Selexol工藝相當(dāng)。NHD溶劑的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系物，分子式為CH3-O-(C2H4O)n-CH3，式中的n=2~8，平均分子量為250~270。NHD對(duì)H2S和CO2的吸收是典型的物理吸收。NHD溶劑對(duì)氦氣、氮?dú)?、甲烷、一氧化碳等氣體有一定的吸收能力，但與二氧化碳、硫化氫和硫氧碳等相比，這些氣體在NHD溶劑中的溶解度要小得多。NHD技術(shù)具有重點(diǎn)清除二氧化碳的效果，但是該工藝對(duì)于硫化碳的吸收能力較差，所以必須要添加專門的脫硫脫碳設(shè)備進(jìn)行水解操作，這樣一來(lái)就會(huì)導(dǎo)致操作的流程變得十分復(fù)雜。3.3低溫甲醇洗技術(shù)最早研究低溫甲醇洗技術(shù)的是德國(guó)魯奇和林德兩家公司。[1]低溫甲醇洗(RECTISOL)是一種氣體凈化工藝，主要用來(lái)脫除以煤、焦和渣油為原料生產(chǎn)的粗合成氣中的硫化物和二氧化碳。該工藝以甲醇為吸收溶劑，利用甲醇在低溫下對(duì)硫化氫、二氧化碳等氣體溶解度極大的特性，通過(guò)分段吸收可選擇性地脫除原料氣中的H2S、CO2及COS等有機(jī)硫化物，可將合成氣中的CO2脫至10ppm以下，H2S脫至0.1ppm以下；由于H2S在甲醇中的溶解度比CO2要大得多，利用此特性，通過(guò)分段吸收、閃蒸、氣提等手段，富集H2S氣體，制取高純度CO2。溫度和壓力對(duì)氣體在甲醇中的溶解度影響很大，H2、N2等難溶氣體在甲醇中的溶解度隨著溫度的降低變化不大，而CO2、H2S、COS等易溶氣體在甲醇中的溶解度隨溫度的降低增長(zhǎng)很快，且分壓越高增長(zhǎng)幅度越大。因此，甲醇吸收CO2、H2S、COS宜在低溫下進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)盡可能的提高操作壓力以提高氣體的分壓。以渣油、煤等重質(zhì)氧碳化合物為原料的大型合成氨、合成氨、制氧、IGCC等裝置大多采用低溫甲醇洗凈化工藝脫除合成氣中的CO2、H2S、COS等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上以渣油、煤為原料的合成氨、合成尿素生產(chǎn)裝置采用低溫甲醇洗工藝凈化原料氣。4工藝論證與說(shuō)明4.1不同技術(shù)方案在不同方面的比較說(shuō)明在能耗、轉(zhuǎn)化率、能耗和流程簡(jiǎn)繁上進(jìn)行對(duì)比，再考慮到我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以及相關(guān)政策來(lái)進(jìn)行選擇本項(xiàng)目中采用的工藝。4.1.1能耗各工段中不同工藝路線能耗的比較如表4.1所示：4.1各技術(shù)方案在能耗上論述技術(shù)路線消耗上的論述MDEA凈化法甲基二乙醇胺(MDEA)溶液對(duì)CO2的吸收屬于物理一化學(xué)吸收，吸收速率與CO2的分壓有較大關(guān)系，對(duì)H2S的吸收屬于化學(xué)吸收，吸收速率很高，可以在H2S與CO2同時(shí)存在的情況下有選擇性的脫除H2S而僅吸收部分CO2，總體能耗相對(duì)較低。NHD法NHD法具有重點(diǎn)清除二氧化碳的效果，但該工藝對(duì)于硫化碳的吸收能力較差，所以必須要添加專門的脫硫脫碳設(shè)備進(jìn)行水解操作，這樣一來(lái)就會(huì)導(dǎo)致能耗消耗較大。低溫甲醇洗法低溫甲醇洗工藝技術(shù)的穩(wěn)定性很強(qiáng)，技術(shù)穩(wěn)定，另外，由于氣體的凈化度比較高，所以合成氣中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)能夠得到很好的控制，同時(shí)也會(huì)聯(lián)動(dòng)解決硫化氫含量較高的問(wèn)題，因此其能耗較前兩個(gè)工藝變得更加低廉。4.1.2成本各工段中不同工藝路線成本的比較如表4.2所示：表4.2各技術(shù)方案在成本上論述技術(shù)路線成本上的論述MDEA凈化法物理吸收，對(duì)于H2S的吸收較強(qiáng)，對(duì)于CO2部分吸附，后續(xù)需設(shè)計(jì)處理CO2，吸收劑也較為昂貴，總成本相對(duì)較高。NHD法吸收加成本高昂，且必須要添加專門的脫硫脫碳設(shè)備進(jìn)行水解操作，需要的設(shè)備較多，成本最高。低溫甲醇洗法操作需低溫下進(jìn)行，但是所需設(shè)備較為簡(jiǎn)單，吸收劑為甲醇，價(jià)格最為低廉因此總成本最低。4.1.3流程繁簡(jiǎn)各工段中不同工藝路線流程繁簡(jiǎn)的比較如表4.3所示：表4.3各技術(shù)方案在流程繁簡(jiǎn)上論述技術(shù)路線流程繁簡(jiǎn)上的比較MDEA法吸收受CO2濃度影響，操作難度大，但對(duì)于硫化氫吸收效果好，不需要二次脫硫，工藝較為簡(jiǎn)單NHD法由于對(duì)于COS無(wú)法脫除，后續(xù)需要進(jìn)一步處理，工藝最為復(fù)雜低溫甲醇洗法工藝難度適中，一步法與兩步法相差了二次變換的過(guò)程，流程較復(fù)雜4.2工藝論述凈化工段的工藝如下：低溫甲醇洗是一種典型的物理吸收方法。[2]本工藝模擬的為采用低溫甲醇洗技術(shù)凈化合成氣的過(guò)程，首先采用低溫甲醇洗技術(shù)將上一工段的氣體中的硫脫除，塔頂采出的為H2，塔底采出的為含甲醇等的混合物，該塔溫度較低，進(jìn)料溫度控制在-50℃，壓力為常壓，然后通過(guò)閃蒸將CO2等氣體分離，塔底為回收的甲醇，二氧化碳的回收和解吸采用二乙醇胺作為吸收劑，吸收解吸后的二氧化碳純度較高，可以用于尿素合成工段的原料使用。5物料與能量衡算5.1物料衡算5.1.1設(shè)計(jì)計(jì)劃書根據(jù)本設(shè)計(jì)目標(biāo)，計(jì)劃尿素生產(chǎn)年產(chǎn)量需要達(dá)到50萬(wàn)噸/年，需要除去尿素生產(chǎn)中因國(guó)家法定節(jié)假日休息和工廠生產(chǎn)車間因?yàn)槿粘；揪S修所需要而產(chǎn)生的不能生產(chǎn)時(shí)間，即法定假日有11天，休息日為104天，總共115天。車間檢查和維修在周末進(jìn)行，則年平均工作日為：365-115=250天。車間生產(chǎn)設(shè)置為每天兩班輪換，每班生產(chǎn)時(shí)間為8h，則一年工時(shí)為：250×16=4000h，日均生產(chǎn)產(chǎn)量為可以達(dá)到2000噸/天，每小時(shí)尿素生產(chǎn)125噸。查詢資料，氨氣合成尿素公式為：2NH3+CO2NH2CONH2+H20，轉(zhuǎn)化率約為60%，氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨氣的公式為：N?+3H??2NH?，轉(zhuǎn)化率約為80%，粗合成氣的組分如表1所示，一氧化碳變換后的氣體組分如表2所示，經(jīng)過(guò)低溫甲醇一步法酸性氣體脫除后的凈化氣組分如表3所示，各個(gè)步驟損耗如圖1所示：表1粗合成氣的組分組分H2COCO2N2CH4ArH2S+COSNH3Mol%35.5440.9722.70.30.10.130.120.13表2變換氣組分組分H2COCO2N2CH4ArH2S+COSNH3Mol%53.611.4744.370.220.070.090.080.09表3凈化氣組分組分H2COCO2N2CH4ArH2S+COSCH3OHMol%96.422.80.00010.460.130.1900.0004所需氨氣的量：125000÷60×2÷60%=6944.5kmol/h=118055.6kg/h所需二氧化碳的量：6944.5÷2=3472.25kmol/h生成水的量：6944.5÷2=3472.25kmol/h所需氫氣的量：6944.5×3÷2÷80%=13020.8kmol/h=26041.6kg/h凈化氣氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)：(96.42×2)/(96.42×2+28×2.8+44×0.0001+28×0.46+16×0.13+40×0.19+32×0.0004)=65.66%凈化氣的量：26041.6÷0.6566=39660.4kg/h變換氣氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)：(53.61×2)/(53.61×2+28×1.47+44×44.37+28×0.22+16×0.07+40×0.09+47×0.08+17變換氣組分量：26041.6÷0.0506=514644.3kg/h變換氣中二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：(44×44.37)/(53.61×2+28×1.47+44×44.37+28×0.22+16×0.07+40×0.09+47×0.08+17吸收二氧化碳的量：514644.3×92.22%=474605kg/h回收二氧化碳量：474605×70%=332223.5kg/h粗合成氣CO、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)：(40.97×44+28×22.7)/(35.54×2+40.97×44+28×22.7+28×0.3+18×0.1+40×0.13+47×0.12+17×0.13=96.28%粗合成氣的量：474605÷0.9628=492492.5kg/h粗合成氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)：(28×22.7)/(35.54×2+40.97×44+28×22.7+28×0.3+18×0.1+40×0.13+47×0.12+17×0.13=25.18%粗合成氣中CO的量：492492.5×25.18%=124009.6kg/h=4428.9kmol/h5.2熱量衡算5.2.1一氧化碳變換工段熱量衡算查閱資料可以得到以下數(shù)據(jù)，造氣后氣體進(jìn)入變換工段是氣體溫度正好為反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)放出大量的熱，經(jīng)過(guò)冷卻水降溫維持反應(yīng)溫度，使變換平穩(wěn)進(jìn)行。CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)ΔH=-41.20KJ/molT1=240℃，變換氣的進(jìn)口溫度T2=240℃，變換氣的出口溫度t1=0℃，冷卻水入口溫度t2=40℃，冷卻水出口溫度L——冷卻水的量；⑴Q0放熱量Q0=ΔH×M=41.2kJ/mol×103×4428.9kmol/h=182433600kJ/h⑵Q1散發(fā)到空氣的熱量一般為放熱量的10%Q1=Q0×10%=18433600kJ/h×10%=1824360kJ/h⑵Q2冷卻水的吸收的能量Q2=Q0-Q1=182433600kJ/h-18243360kJ/h=164190240kJ/h⑵L冷卻水量Q2=LC(t2-t1)L=Q2/C(t2-t1)L=164190240kJ/h/4.2×(40-0)L=4104756kg/h5.2.2低溫甲醇洗工段能量衡算物料名稱進(jìn)料流量L1(kg/h)平均比熱容（kJ/(kg/K）溫度℃進(jìn)(t1)出(t2)變換氣514644.38.03240-50制冷劑L24.61-70-55⑴變換氣熱量Q3Q3=L1Cp△T=(-50-240)×8.03×514644.3=-1198452181.4kJ/h⑵冷卻劑流量L2L2=Q3/C△TL2=-1198452181.4kJ/h/4.61×(-55--70)L2=4104756kg/h=79896812kg5.2.3液氮洗滌精制能量衡算物料名稱進(jìn)料流量L3(kg/h)平均比熱容（kJ/(kg/K）溫度℃進(jìn)(t3)出(t4)凈化氣39660.414-50-192Q4=L3Cp△T=(-192--50)×14×39660.4=-78844875.2kJ/h6設(shè)備選型6.1塔的設(shè)計(jì)要求和選擇本項(xiàng)目為50萬(wàn)噸/年煤制尿素凈化工段工藝設(shè)計(jì)。因此需要考慮塔生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，選擇適合的塔的設(shè)備。塔的生產(chǎn)設(shè)備需求主要有：(1)生產(chǎn)能力大。在較大的氣液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。(2)操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣液負(fù)荷量有較大的波動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。并且塔設(shè)備應(yīng)能保證長(zhǎng)期連續(xù)操作。(3)流體流動(dòng)的阻力小，即流體通過(guò)塔設(shè)備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動(dòng)力消耗，以降低經(jīng)常操作費(fèi)用。對(duì)于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無(wú)法維持必要的真空度。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過(guò)程中的投資費(fèi)用。(5)耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。吸收塔主要有板式塔和填料塔兩種，填料塔和板式塔均可用于物料的蒸餾、吸收等，但是兩者之間的選擇需要從多方面考慮，比如物料的物理性質(zhì)、吸收凈化的操作條件和塔的日常使用和維護(hù)方面做出考慮，填料塔和板式塔各有優(yōu)點(diǎn)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。一般在填料塔和板式塔選擇依據(jù)下表進(jìn)行參考：指標(biāo) 類型填料塔板式塔壓降小尺寸填料壓降較大，大尺寸以及規(guī)整填料壓降較小較大塔効率傳統(tǒng)填料效率比較低，使用新型填料可提高效率效率較高且穩(wěn)定空塔流速小尺寸填料時(shí)空塔流速低，使用大尺寸填料則空塔流速較高流速較大液氣比對(duì)液體的量有一定要求適用范圍廣，使用量大持液量比較小較大維護(hù)困難維護(hù)便捷造價(jià)使用新型填料消費(fèi)高，投資大，成本高大型塔造價(jià)成本較低根據(jù)資料和目前低溫甲醇洗裝置的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，甲醇洗滌塔、二氧化碳?xì)馓崴?、硫化氫濃縮塔和甲醇再生塔都采用浮閥塔，浮閥采用高效的導(dǎo)向浮閥。甲醇水分離塔采用篩板塔。所以，根據(jù)設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)需要，結(jié)合已經(jīng)成熟的工藝，本設(shè)計(jì)凈化工段采用高效導(dǎo)向浮閥塔。6.2浮閥塔的工藝設(shè)計(jì)6.2.1塔直徑板間距的數(shù)值應(yīng)按照規(guī)定取整數(shù),如300mm,450mm,500mm,600mm,800mm等數(shù)值，查詢資料可得到一般浮閥塔塔直徑和板間距之間的關(guān)系，如下表所示：表6.2.1浮閥塔塔徑與板間距參數(shù)塔直徑D(m)0.5~0.80.8~1.61.6~2.02.0~2.4>2.4板間距Hr(mm)200~300350~450450~600600~800>600根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，將變換氣進(jìn)料溫度設(shè)定為223K，進(jìn)料壓強(qiáng)為7.8MPa，根據(jù)氣體體積公式；進(jìn)料體積流量為：PV=nRTV=nRT/P=(m÷M平均)RT/P=(514644.3÷20.7)×0.0814×223/76.98=5862.6m3/h查資料得出223K，7.8MPa時(shí)CO2在甲醇中的溶解度為：37.7m3/(t *atm)每小時(shí)需要甲醇溶劑的量為：5862.6÷37.7=155.5噸，凈化工段中甲醇一般循環(huán)使用假設(shè)一個(gè)小時(shí)循環(huán)三次，則：甲醇的體積流量為Vh=155.5÷0.7918÷=65.4m3/h板設(shè)計(jì)中取板間距HT=450mm根據(jù)塔徑公式：Di內(nèi)徑，mVs塔內(nèi)氣體流量，m3/su空塔氣速，m/s最大允許速度為：pL液相密度，kg/m3pV氣相密度，kg/m3umax極限空塔氣速，m/sC負(fù)荷系數(shù)，m/s板上液層高度本設(shè)計(jì)取hL=0.08m。則液相密度為791.8kg/m3，氣相密度為514644.3/5862.6=87kg/m3，HT-hL=0.45-0.08=0.37，查史密斯關(guān)聯(lián)圖文獻(xiàn)可以得知C20=0.10，此時(shí)的物系的表面張力為σ=20mN/m的載荷系數(shù)，且公式中C為操作物系的負(fù)荷系數(shù)，將數(shù)據(jù)帶入計(jì)算可以得到C=0.1，帶入上面公式，可以得出umax=0.28m/s，設(shè)計(jì)一般取空塔氣速的0.8倍，即：u=0.8umax，所以：u=0.8×0.28=0.224m/s，Di=3m所以塔直徑為3m6.2.2塔的有效高度塔的一般有效高度計(jì)算公式為：其中Hz塔的有效高度；NT塔的理論塔板數(shù)；ET總板效率；浮閥塔主要吸收的氣體為二氧化碳和硫化氫氣體，甲醇吸收劑的量為L(zhǎng)=155500kg，并且?guī)缀跞课斩趸己土蚧瘹?，V=475156kg,吸收效率為φ=100%，因此其吸收系數(shù)為A=L/mV=1.05。結(jié)合解析法求理論塔板數(shù)公式：φ帶入解得NT=15。查閱文獻(xiàn)得知，全塔效率為51%，帶入公式為：Hz=15÷0.51×0.45=13.5m塔的有效高度為13.5m6.2.3塔頂空間高度HD塔頂空間高度是塔頂?shù)谝粔K板到封頭與接線的距離，作用是安裝塔板和開人孔、破沫裝置的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，減少塔頂出口氣體中液滴夾帶。塔頂空間高度HD一般取1.2-1.5m，塔徑大時(shí)可適當(dāng)增大，本設(shè)計(jì)中取塔頂部空間高度為1.5m，即H6.2.4塔底空間高度HB塔底空間高度是塔底第一塊板到塔底接線的距離，塔底空間具有中間貯槽的作用，塔釜料液在塔底有一定的儲(chǔ)量，以保證塔底料液不致排完，以保持塔底產(chǎn)品穩(wěn)定抽出。本設(shè)計(jì)中，取塔底液體停留時(shí)間θ=2min，則H6.3其他設(shè)備選型6.3.1二氧化碳解吸塔二氧化碳解吸塔選型與吸收塔選型相同，塔高為13.5m，理論塔板數(shù)為15，塔徑為3m6.3.2甲醇洗貯罐20℃甲醇密度為791.0kg/m3，甲醇進(jìn)料流量為155500kg/h且循環(huán)吸收，設(shè)定每小時(shí)循環(huán)三次，所以甲醇的體積流量為：v=155500÷3/791.0=65.5m3/h其中新鮮甲醇為60%，回收甲醇為40%。按停留時(shí)間3天計(jì)算新鮮甲醇貯罐的體積：V=65.5×60%×24×3=2829m3裝料系數(shù)取0.8，則貯罐實(shí)際體積為：V選用型號(hào)為HG21502.1-1992-282碳鋼固定頂儲(chǔ)罐，全容積5000m3，計(jì)算容積3754.35m3，儲(chǔ)罐內(nèi)徑23700mm，罐壁高度12530mm，拱頂高度2573mm，總高15103mm，總重126195kg。6.3.3回收甲醇貯罐回收甲醇占總進(jìn)料的40%，按停留時(shí)間3天計(jì)算，且裝料系數(shù)0.8：儲(chǔ)罐體積V=選用型號(hào)為HG21502.1-1992-227碳鋼固定頂儲(chǔ)罐，全容積3000m3，計(jì)算容積2500.2m3，儲(chǔ)罐內(nèi)徑18900mm，罐壁高度11760mm，拱頂高度2049mm，總高13809mm，總重76785kg。6.3.4甲醇洗貯罐及回收甲醇貯罐泵根據(jù)甲醇儲(chǔ)罐流量65.5m3/h選用150S-78S型單級(jí)雙吸離心泵參數(shù)如下：流量/m3/h揚(yáng)程/m泵出口直徑泵腔承壓：?jiǎn)蝺r(jià)/元0.8~1205.6~33080~800mm≤4.0MPa125006.3.5CO2吸收塔進(jìn)料泵根據(jù)進(jìn)料流量q=選用150S-78S離心泵參數(shù)如下： 流量/m3/h揚(yáng)程/m效率/%功率/kw單價(jià)/元120330554.1125006.3.6解吸塔進(jìn)料泵根據(jù)進(jìn)料流量q=65.5選用150S-78S離心泵參數(shù)如下：流量/m3/h揚(yáng)程/m轉(zhuǎn)速/r/min效率/%泵腔承壓：?jiǎn)蝺r(jià)/元70130145043≤4.0MPa125007環(huán)境保護(hù)在凈化工段生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，均會(huì)排出不同類型污染物。這些污染物如果沒(méi)有得到有效處理就排放到空氣或城市水體當(dāng)中，不僅會(huì)對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生不容忽視的威脅，還會(huì)在很大程度上使環(huán)境的安全性遭到極大的破壞。因此，只有深刻分析這些污染物產(chǎn)生的原因并采取有效的措施來(lái)對(duì)其加以處理，才能夠在最大限度上降低煤制尿素生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的污染。7.1凈化工段的廢氣及處理7.1.1粉塵氣體的處理一般來(lái)說(shuō)，粉塵氣體會(huì)集中出現(xiàn)在以下三個(gè)地方，第一個(gè)地方是儲(chǔ)存煤炭的倉(cāng)庫(kù)，第二個(gè)地方是粉煤倉(cāng)，第三個(gè)地方是運(yùn)輸粉煤的過(guò)程當(dāng)中。由于粉塵氣體的密度較輕，因此往往會(huì)集中在倉(cāng)頂部位，技術(shù)人員可以通過(guò)在倉(cāng)頂設(shè)置除塵器的方式，來(lái)收集這些四散到空氣當(dāng)中的粉塵，并將其進(jìn)行有效的回收利用。一般來(lái)說(shuō)，如果能夠?qū)⒖諝猱?dāng)中的粉塵控制在120mg/m2這一指標(biāo)范圍之內(nèi)是最好的。7.1.2工藝氣體的處理方式在正式開始生產(chǎn)煤制尿素之前，相關(guān)企業(yè)必須致力于建立一套火炬設(shè)備，用于燃燒生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的有害氣體。這套設(shè)備不僅能夠使得煤制尿素生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)的一系列有害氣體得到有效的處理，還能夠使得這些有害氣體對(duì)環(huán)境造成的污染得到有效的控制，一舉多得。除此之外，在凈化生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)一些膨脹氣體和不凝氣等，這些氣體當(dāng)中往往含有一些可燃燒氣體的組成部分，例如H2、CO等。相關(guān)企業(yè)如果能夠借助相應(yīng)的氣體回收裝置，來(lái)對(duì)這些氣體進(jìn)行回收，并將其轉(zhuǎn)化為生活燃料，則能夠?qū)@些氣體進(jìn)行有效的處理，同時(shí)還能夠起到節(jié)約能源的目的。7.2凈化工段的廢水及處理為了有效降低污水處理的成本，相關(guān)企業(yè)往往會(huì)在生產(chǎn)工藝當(dāng)中，提前設(shè)置一個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)來(lái)對(duì)凈化工段生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的污水進(jìn)行提前的處理。一般來(lái)說(shuō)，在解吸階段，往往會(huì)出現(xiàn)一些冷凝液，這些冷凝液如果能夠得到有效的收集，那么也能夠在煤氣的洗滌環(huán)節(jié)進(jìn)一步發(fā)揮其作用。7.3凈化工段的廢渣及處理雖然和廢氣廢水相比，廢渣對(duì)人體以及環(huán)境所造成的危害較少，但是也必須對(duì)其進(jìn)行有效的處理。在凈化工段的時(shí)候，往往會(huì)出現(xiàn)單質(zhì)硫和廢填料等種種廢渣。這些廢渣如果沒(méi)有得到有效的處理，就會(huì)在大風(fēng)天氣當(dāng)中分散到空氣當(dāng)中，對(duì)空氣質(zhì)量造成極大的破壞。因此，相關(guān)人員必須在凈化工段之后，對(duì)