一种从合成氨变换气中脱除CO₂的装置的制作方法

专利名称：一种从合成氨变换气中脱除CO₂的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于合成氨变换气中脱除(X)2的技术领域，具体涉及一种以超重 机为吸收设备，以NHD溶剂为吸收剂脱除合成氨变换气中(X)2的装置，适用于煤制合成氨变 换气的净化以及天然气、油田气、炼厂气和城市煤气中(X)2的脱除。
背景技术：
随着工业的快速发展，全球对化石燃料的依赖性越来越大，人类大规模地使用煤、 石油、天然气等含碳化合物燃料，这类燃料燃烧排入大气中的二氧化碳浓度逐年增加，二氧 化碳的无限制排放必定会对全球生态系统、农业、水资源和海洋等产生深远影响。如果将排 放的二氧化碳脱除并进行回收，即可利用碳资源，又可治理工业废气排放带来的环境污染。在合成氨生产过程中，无论采用何种原料(煤、油、天然气)，何种工艺流程，其粗合 成气中都含有大量的C02。(X)2对氨合成催化剂有很强的毒性，还会生成易结晶的碳酸氢铵 堵塞管道和设备。此外，CO2又是制造尿素、干冰、碳酸氢铵等产品的原料。因此，在合成气 进入氨合成塔之前，需将(X)2脱除，称为脱碳工艺。如何高效脱除合成氨变换气中的CO2，变 废为宝，实现其分离回收与综合利用显得至关重要。合成氨生产过程是一种高能耗工艺，通常吨氨总能耗为27. 2飞4. 3GJ，而脱碳工序 的能耗占总能耗的109Γ15%。因此，开发和推广应用低能耗脱碳新工艺对节约能源和降低生 产成本具有十分重要的意义。目前工业上广泛采用的脱碳方法主要分为化学吸收法、物理吸收法和物理化学吸 收法3类。各种吸收方法都是以吸收塔为传质设备，气体从塔底进入与塔顶喷淋下来的吸 收剂在填料层内逆流接触，达到脱除二氧化碳的目的。无论采用何种方法脱碳，脱碳装置的 传质效率和脱碳溶剂的吸收能力都直接影响着脱碳溶剂的循环量和净化气中CO2含量，从 而影响着脱碳的成本。吸收塔的传质效率低，脱碳溶剂的吸收能力弱，致使脱碳溶剂的循环 量大，脱碳工艺的再生负荷高。若脱碳装置的吸收效率高，脱碳溶剂的吸收能力强，可以减 少脱碳溶剂的循环量，降低脱碳工艺的再生负荷，进而降低能耗。因此，选用吸收能力强的 脱碳溶剂和提高脱碳装置的传质效率是降低脱碳成本，提高经济效益的最强有力的途径。NHD溶剂无毒、无味、无臭，不毒害人畜，不污染环境；具有良好的化学稳定性和热 稳定性，在使用条件下不发生降解、聚合，与空气接触不发生氧化。NHD溶剂本身可被其它生 物所降解，一旦发生大量漏液事故，不致造成严重的环境污染；NHD溶剂的凝固点低，适于 在较低的温度下运行；NHD溶剂是一种高分子溶剂，本身无腐蚀性，具有一定的润滑性，可 使运转泵和配件所受磨损显著减轻，用于工业生产中时，不必考虑因溶剂的腐蚀性而额外 增加设备投资，工艺装置可采用碳钢制作，投资省；NHD溶剂不起泡，不需要消泡剂；NHD溶 剂的蒸气压极低，挥发损失很少，流程中不需设置洗涤回收装置；NHD法脱碳工艺不需添加 活化剂，流程短。NHD溶剂价格昂贵，24000元/吨。NHD法脱碳过程具有典型的物理吸收特征。CO2在NHD溶剂中的溶解度较好地服从 亨利定律，随着压力升高、温度降低而增大。因此，宜在高压、低温下进行(X)2的吸收过程。当系统压力降低、温度升高时，溶液中溶解的CO2释放出来，实现溶剂的再生过程。NHD溶剂 对CO2的吸收能力强，可以减少溶剂循环量，降低能耗。同时，NHD溶剂解吸条件简单，NHD 溶剂吸收CO2后，仅需进行两级闪蒸及一次惰性气气提即可达到彻底解吸条件，降低了再生 负荷。NHD溶剂吸收CO2属于液膜控制过程。因此，在传质设备的选择和设计上，应采取提 高液相湍动、气液逆流接触、减薄液膜厚度及增加相际接触面积等措施，以提高传质速率。超重机利用转子旋转产生的离心力来模拟超重力，是一种能强化传递反应过程的 新型设备。通过高速旋转的填料产生巨大的离心力，将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液 丝和液滴，流体在液膜很薄、高分散、高湍动、强混合以及界面快速更新的情况下与气体以 极大的相对速度接触，使相间传质速率比传统的塔器提高1 3个数量级。使气液的传质 比表面积大大提高，微观混合和传质过程得到极大的强化。因此，采用超重机作为脱碳设备 可以降低NHD溶剂的循环量和脱碳工艺的再生负荷，进而降低脱碳成本和能耗。关于超重机及其应用研究方面的专利在本申请人以前的专利中已经公开。(如 脱除工业气体中硫化氢的设备，专利号C拟870957Y ；利用超重力技术净化含油烟气体的 方法及装置，专利号CN100486670C ；含高浓度氮氧化物废气的净化工艺及设备，专利号 CN1830526A等)。上述专利证明，超重力技术用于强化化学工艺的传质过程具有较好的效
^ ο由于超重力技术在气液传质上的独特优势，已有研究人员将其用于CO2气体的吸 收，针对超重力脱除二氧化碳做了一些研究，在“一种脱除变换气中二氧化碳的方法”中，专 利号(CN101168115A)提出在超重机中用添加活化剂的热钾碱溶液、氢氧化钠溶液或氢氧 化钾溶液为吸收剂吸收变换气中的二氧化碳，在“一种脱除裂解气中酸性气体的方法”中， 也提出了以超重机为吸收设备，采用碱性吸收剂或醇胺类溶液作为吸收剂来吸收裂解气中 的酸性气体(其中包括二氧化碳气体)，专利号CN101092576A，在“一种超重力旋转床装置 及在二氧化碳捕集纯化工艺的应用”中，专利号CN101549274A，也是以超重机为吸收设备， 所用的吸收液是添加活化剂的热钾碱溶液或醇胺类水溶液。目前，在超重机中进行二氧化碳的吸收主要是针对化学吸收法做了一些研究，而 采用以超重机为吸收设备，以物理吸收溶剂——NHD溶剂为吸收剂进行(X)2的脱除，在国内 外未见报道。
发明内容本实用新型提出一种以超重机为吸收设备，以NHD溶剂为吸收剂，通过物理吸收 法脱除合成氨变换气中(X)2的装置，吸收剂与变换气在超重机中进行逆流或错流接触并进 行传质，达到脱除CO2的效果。本实用新型技术方案从合成氨变换气中脱除CO2的装置，包括超重机，从超重机的气体进口通入变换工 段的气体，也即合成氨变换气，超重机的气体出口与净化气工段相连，超重机的液体进口通 过贫液泵与盛有NHD溶剂的贫液槽相连，超重机的液体进口与贫液泵之间设置有氨冷器， 超重机的液体出口则与富液槽相连。通过本实用新型实现的从合成氨变换气中脱除(X)2的方法，将合成氨变换气与吸收液(贫液)在超重机中逆流或错流接触，通过填料高速旋转产生巨大的离心力，使贫液在 液膜很薄、高分散、高湍动、强混合以及界面快速更新的情况下与气体以极大的相对速度接 触，完成(X)2的脱除；气液按体积流量比为10 60 :1，以10 30 :1为最优；超重机转子的转速为200 2000r/min，优选600 1400 r/min ；吸收剂为NHD溶剂；吸收压力为0. 1 3. 3MPa，1. 7 2. 7 MPa为最优；吸收温度为-5 5°C，以-5 0°C为最优。本实用新型所述的技术方案中1、采用超重机作为脱碳设备，以NHD溶剂作为吸收剂，进行脱碳。与化学吸收剂相 比，NHD溶剂具有无毒、无臭、无腐蚀性，对(X)2的吸收能力强，CO2在NHD溶剂中的溶解度较 好地服从亨利定律，随着压力升高、温度降低而增大，蒸汽分压低，具有优良的化学稳定性 及热稳定性，本身可被其它生物所降解，不需要添加活化剂等优点；2、采用超重机作为吸收设备，以NHD溶剂作为吸收剂，进行脱碳。该工艺流程较为 简单，占地小。设备可全部选用国产碳钢设备，设备投资少；3、NHD溶剂吸收CO2属于液膜控制过程。采用超重机作为吸收设备，可以产生较 高的液膜传质系数并形成较薄的液膜，使气液会更快速地达到平衡，气液混合程度更佳，且 增加填料的有效界面积，强化(X)2的传质。使得NHD溶剂的循环量减少，降低脱碳液成本。 同时，缩小设备尺寸，降低投资和操作成本；4、重力加速度增加，系统可以在较宽的气液流量范围内操作，可以增加气体处理 量；5、NHD溶剂吸收CO2是典型的物理吸收过程。吸收CO2后的富液不需要热再生， 再生时只需闪蒸和气提，从而降低了再生能耗；6、开停车方便，在几分钟内整个工艺系统便可达到稳定。本实用新型相对现有技术具有如下有益效果本实用新型能够将合成氨变换气中(X)2的含量脱除到0. 1% (体积分数)以下，且采 用物理吸收法的NHD溶剂具有无毒，无腐蚀性，且采用闪蒸和气提可以再生，使得工艺流程 简单，设备维修费用降低，整个脱碳工序的再生能耗降低。同时，相对于传统塔设备脱除CO2 的方法，设备投资少，能耗低，占地面积和空间体积大幅减小，从而降低基建投资和操作费。 整个工艺节省了能源，降低了脱碳的成本。


图1是本实用新型的示意图。图2为表一，实施例二试验结果。图中1-气体取样口，2-气体进口，3-超重机，4-气体出口，5-液体进口，6-电机， 7-液体出口，8-富液出口，9-富液槽，10-贫液槽，11-贫液泵，12-氨冷器。具体实施方案从合成氨变换气中脱除(X)2的方法，将合成氨变换气与贫液(吸收液)在超重机中 逆流或错流接触，通过填料高速旋转产生巨大的离心力，使贫液与气体接触，完成(X)2的脱 除；气液按体积流量比为10 60 1,以10 30 1为最优；超重机转子的转速为200 2000r/min,优选600 1400 r/min ；吸收剂为NHD溶剂；吸收压力为0. 1 3. 3MPa, 1. 7 2. 7 MPa为最优；吸收温度为_5 5°C，以_5 0°C为最优。本实用新型采用的吸收剂为新鲜的NHD溶剂，经过超重机吸收后的富液进入富液 槽，进行闪蒸再生和气提再生。结合附图进行如下说明变换工段的合成氨变换气从超重机3的气体进口 2进入，气体出口 4与净化工段 相连。通过贫液泵11使贫液槽10与超重机3的液体进口 5相连，富液出口 8与富液槽9 相连。超重机3的液体进口 5与贫液泵11之间设置有氨冷器12。贫液槽10内放有新鲜的 NHD溶剂。本实用新型选用的超重机形式不限，旋转填料的类型与材质可任意选取，气液接 触方式不受限制，可以是逆流、错流等任意方式的气液接触。具体操作步骤如下开启贫液泵，将新鲜的NHD溶剂送到氨冷器12，将其冷却到预 定温度。开启电机6，调节超重机3转子转速，调节阀门将冷却后的NHD溶剂送至超重机3， 将其冷却到预定温度。调节流量计控制NHD溶剂流量，通过液体进口 5进入超重机3，NHD 溶剂通过转子内腔中心的液体分布器均勻的喷洒在填料层内侧，在离心力的作用下沿填料 层径向由内侧向外侧运动，含有CO2的合成氨变换气从气体进口 2进入超重机3，在高速旋 转的填料层产生的强大的离心力的作用下，气液两相逆流或错流接触并进行传质，气液两 相在液膜很薄、高分散、高湍动、强混合以及界面快速更新的情况下完成(X)2的吸收。吸收 后的气体通过气体出口4进入净化工段，吸收后的液体通过液体出口7从超重机3底部排 出，进入富液槽9，气提再生。在气体进口 2和气体出口 4同时设有气体分析装置，采用红外 气体分析仪分析反应器出口气体中ω2的含量。实施例一合成氨变换气组成氢气52. 20% ；二氧化碳28. 40% ；氮气18. 58% ；一氧化碳 0.沈％，其余为少量的惰性气体。吸收剂组成新鲜的NHD溶剂。开启贫液泵10将新鲜的NHD溶剂送至氨冷器12中冷却到_5°C。开启电机6，调 节转子转速为1200 r/min，调节流量计控制NHD溶剂的流量，将冷却后的NHD溶剂送至超 重机3，将其冷却到-5°C。调节气体压力于2. 7 MPa，将含28. 4% CO2的合成氨变换气通过 超重机气体进口 2进入超重机，调节气量为60 m3 ^tT1,调节流量计控制NHD溶剂流量为 3m3 · h—1，通过液体进口 5进入超重机，NHD溶剂通过转子内腔中心的液体分布器均勻的喷 洒在填料层内侧，在离心力的作用下沿填料层由内侧向外侧径向运动，合成氨变换气与新 鲜NHD溶剂在超重机中逆流接触，于_5°C温度下，脱除其中的二氧化碳，从超重机气体出口 4出来的净化气体进入净化工段，吸收二氧化碳后的NHD溶剂由液体出口 7通过超重机底 部排除，进入富液槽，准备闪蒸再生和气提再生。采用红外气体分析仪分析超重机出口气体 中(X)2的含量，出口气体中(X)2的含量为0. 07%。实施例二 工艺流程同实例一，实例二考察不同温度、压力、气体流量、液体流量、转子转速等 条件下，超重机出口气体中二氧化碳的含量，试验结果见表1。
权利要求1. 一种从合成氨变换气中脱除(X)2的装置，其特征在于包括超重机(3)，从超重机(3) 的气体进口(2)通入变换工段的气体，超重机(3)的气体出口(4)与净化气工段相连，超重 机(3 )的液体进口( 5 )通过贫液泵(11)与盛有NHD溶剂的贫液槽(10 )相连，超重机(3 )的 液体进口(5)与贫液泵(11)之间设置有氨冷器(12)，超重机(3)的液体出口(7)则与富液 槽(9)相连。
专利摘要本实用新型属于合成氨变换气中脱除CO2的技术领域，具体涉及一种从合成氨变换气中脱除CO2的装置。包括超重机，从超重机的气体进口通入变换工段的气体，也即合成氨变换气，超重机的气体出口与净化气工段相连，超重机的液体进口通过贫液泵与盛有NHD溶剂的贫液槽相连，超重机的液体进口与贫液泵之间设置有氨冷器，超重机的液体出口则与富液槽相连。本实用新型设备投资少，能耗低，占地面积和空间体积大幅减小，从而降低基建投资和操作费，整个工艺节省了能源，降低了脱碳的成本。
文档编号C01B31/20GK201930685SQ20112002996
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者侯晓婷, 刘有智, 栗秀萍, 焦纬洲, 申红艳, 祁贵生, 袁志国 申请人:中北大学