專利名稱：一種從合成氨變換氣中脫除CO₂的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于合成氨變換氣中脫除(X)2的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以超重 機為吸收設(shè)備，以NHD溶劑為吸收劑脫除合成氨變換氣中(X)2的裝置，適用于煤制合成氨變 換氣的凈化以及天然氣、油田氣、煉廠氣和城市煤氣中(X)2的脫除。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的快速發(fā)展，全球?qū)剂系囊蕾囆栽絹碓酱螅祟惔笠?guī)模地使用煤、 石油、天然氣等含碳化合物燃料，這類燃料燃燒排入大氣中的二氧化碳濃度逐年增加，二氧 化碳的無限制排放必定會對全球生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)、水資源和海洋等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。如果將排 放的二氧化碳脫除并進行回收，即可利用碳資源，又可治理工業(yè)廢氣排放帶來的環(huán)境污染。在合成氨生產(chǎn)過程中，無論采用何種原料(煤、油、天然氣)，何種工藝流程，其粗合 成氣中都含有大量的C02。(X)2對氨合成催化劑有很強的毒性，還會生成易結(jié)晶的碳酸氫銨 堵塞管道和設(shè)備。此外，CO2又是制造尿素、干冰、碳酸氫銨等產(chǎn)品的原料。因此，在合成氣 進入氨合成塔之前，需將(X)2脫除，稱為脫碳工藝。如何高效脫除合成氨變換氣中的CO2，變 廢為寶，實現(xiàn)其分離回收與綜合利用顯得至關(guān)重要。合成氨生產(chǎn)過程是一種高能耗工藝，通常噸氨總能耗為27. 2飛4. 3GJ，而脫碳工序 的能耗占總能耗的109Γ15%。因此，開發(fā)和推廣應(yīng)用低能耗脫碳新工藝對節(jié)約能源和降低生 產(chǎn)成本具有十分重要的意義。目前工業(yè)上廣泛采用的脫碳方法主要分為化學(xué)吸收法、物理吸收法和物理化學(xué)吸 收法3類。各種吸收方法都是以吸收塔為傳質(zhì)設(shè)備，氣體從塔底進入與塔頂噴淋下來的吸 收劑在填料層內(nèi)逆流接觸，達到脫除二氧化碳的目的。無論采用何種方法脫碳，脫碳裝置的 傳質(zhì)效率和脫碳溶劑的吸收能力都直接影響著脫碳溶劑的循環(huán)量和凈化氣中CO2含量，從 而影響著脫碳的成本。吸收塔的傳質(zhì)效率低，脫碳溶劑的吸收能力弱，致使脫碳溶劑的循環(huán) 量大，脫碳工藝的再生負(fù)荷高。若脫碳裝置的吸收效率高，脫碳溶劑的吸收能力強，可以減 少脫碳溶劑的循環(huán)量，降低脫碳工藝的再生負(fù)荷，進而降低能耗。因此，選用吸收能力強的 脫碳溶劑和提高脫碳裝置的傳質(zhì)效率是降低脫碳成本，提高經(jīng)濟效益的最強有力的途徑。NHD溶劑無毒、無味、無臭，不毒害人畜，不污染環(huán)境；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱 穩(wěn)定性，在使用條件下不發(fā)生降解、聚合，與空氣接觸不發(fā)生氧化。NHD溶劑本身可被其它生 物所降解，一旦發(fā)生大量漏液事故，不致造成嚴(yán)重的環(huán)境污染；NHD溶劑的凝固點低，適于 在較低的溫度下運行；NHD溶劑是一種高分子溶劑，本身無腐蝕性，具有一定的潤滑性，可 使運轉(zhuǎn)泵和配件所受磨損顯著減輕，用于工業(yè)生產(chǎn)中時，不必考慮因溶劑的腐蝕性而額外 增加設(shè)備投資，工藝裝置可采用碳鋼制作，投資??；NHD溶劑不起泡，不需要消泡劑；NHD溶 劑的蒸氣壓極低，揮發(fā)損失很少，流程中不需設(shè)置洗滌回收裝置；NHD法脫碳工藝不需添加 活化劑，流程短。NHD溶劑價格昂貴，24000元/噸。NHD法脫碳過程具有典型的物理吸收特征。CO2在NHD溶劑中的溶解度較好地服從 亨利定律，隨著壓力升高、溫度降低而增大。因此，宜在高壓、低溫下進行(X)2的吸收過程。當(dāng)系統(tǒng)壓力降低、溫度升高時，溶液中溶解的CO2釋放出來，實現(xiàn)溶劑的再生過程。NHD溶劑 對CO2的吸收能力強，可以減少溶劑循環(huán)量，降低能耗。同時，NHD溶劑解吸條件簡單，NHD 溶劑吸收CO2后，僅需進行兩級閃蒸及一次惰性氣氣提即可達到徹底解吸條件，降低了再生 負(fù)荷。NHD溶劑吸收CO2屬于液膜控制過程。因此，在傳質(zhì)設(shè)備的選擇和設(shè)計上，應(yīng)采取提 高液相湍動、氣液逆流接觸、減薄液膜厚度及增加相際接觸面積等措施，以提高傳質(zhì)速率。超重機利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來模擬超重力，是一種能強化傳遞反應(yīng)過程的 新型設(shè)備。通過高速旋轉(zhuǎn)的填料產(chǎn)生巨大的離心力，將液體撕裂成微米至納米級的液膜、液 絲和液滴，流體在液膜很薄、高分散、高湍動、強混合以及界面快速更新的情況下與氣體以 極大的相對速度接觸，使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)的塔器提高1 3個數(shù)量級。使氣液的傳質(zhì) 比表面積大大提高，微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大的強化。因此，采用超重機作為脫碳設(shè)備 可以降低NHD溶劑的循環(huán)量和脫碳工藝的再生負(fù)荷，進而降低脫碳成本和能耗。關(guān)于超重機及其應(yīng)用研究方面的專利在本申請人以前的專利中已經(jīng)公開。(如 脫除工業(yè)氣體中硫化氫的設(shè)備，專利號C擬870957Y ；利用超重力技術(shù)凈化含油煙氣體的 方法及裝置，專利號CN100486670C ；含高濃度氮氧化物廢氣的凈化工藝及設(shè)備，專利號 CN1830526A等)。上述專利證明，超重力技術(shù)用于強化化學(xué)工藝的傳質(zhì)過程具有較好的效
^ ο由于超重力技術(shù)在氣液傳質(zhì)上的獨特優(yōu)勢，已有研究人員將其用于CO2氣體的吸 收，針對超重力脫除二氧化碳做了一些研究，在“一種脫除變換氣中二氧化碳的方法”中，專 利號(CN101168115A)提出在超重機中用添加活化劑的熱鉀堿溶液、氫氧化鈉溶液或氫氧 化鉀溶液為吸收劑吸收變換氣中的二氧化碳，在“一種脫除裂解氣中酸性氣體的方法”中， 也提出了以超重機為吸收設(shè)備，采用堿性吸收劑或醇胺類溶液作為吸收劑來吸收裂解氣中 的酸性氣體(其中包括二氧化碳?xì)怏w)，專利號CN101092576A，在“一種超重力旋轉(zhuǎn)床裝置 及在二氧化碳捕集純化工藝的應(yīng)用”中，專利號CN101549274A，也是以超重機為吸收設(shè)備， 所用的吸收液是添加活化劑的熱鉀堿溶液或醇胺類水溶液。目前，在超重機中進行二氧化碳的吸收主要是針對化學(xué)吸收法做了一些研究，而 采用以超重機為吸收設(shè)備，以物理吸收溶劑——NHD溶劑為吸收劑進行(X)2的脫除，在國內(nèi) 外未見報道。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提出一種以超重機為吸收設(shè)備，以NHD溶劑為吸收劑，通過物理吸收 法脫除合成氨變換氣中(X)2的裝置，吸收劑與變換氣在超重機中進行逆流或錯流接觸并進 行傳質(zhì)，達到脫除CO2的效果。本實用新型技術(shù)方案從合成氨變換氣中脫除CO2的裝置，包括超重機，從超重機的氣體進口通入變換工 段的氣體，也即合成氨變換氣，超重機的氣體出口與凈化氣工段相連，超重機的液體進口通 過貧液泵與盛有NHD溶劑的貧液槽相連，超重機的液體進口與貧液泵之間設(shè)置有氨冷器， 超重機的液體出口則與富液槽相連。通過本實用新型實現(xiàn)的從合成氨變換氣中脫除(X)2的方法，將合成氨變換氣與吸收液(貧液)在超重機中逆流或錯流接觸，通過填料高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的離心力，使貧液在 液膜很薄、高分散、高湍動、強混合以及界面快速更新的情況下與氣體以極大的相對速度接 觸，完成(X)2的脫除；氣液按體積流量比為10 60 :1，以10 30 :1為最優(yōu)；超重機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為200 2000r/min，優(yōu)選600 1400 r/min ；吸收劑為NHD溶劑；吸收壓力為0. 1 3. 3MPa，1. 7 2. 7 MPa為最優(yōu)；吸收溫度為-5 5°C，以-5 0°C為最優(yōu)。本實用新型所述的技術(shù)方案中1、采用超重機作為脫碳設(shè)備，以NHD溶劑作為吸收劑，進行脫碳。與化學(xué)吸收劑相 比，NHD溶劑具有無毒、無臭、無腐蝕性，對(X)2的吸收能力強，CO2在NHD溶劑中的溶解度較 好地服從亨利定律，隨著壓力升高、溫度降低而增大，蒸汽分壓低，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性 及熱穩(wěn)定性，本身可被其它生物所降解，不需要添加活化劑等優(yōu)點；2、采用超重機作為吸收設(shè)備，以NHD溶劑作為吸收劑，進行脫碳。該工藝流程較為 簡單，占地小。設(shè)備可全部選用國產(chǎn)碳鋼設(shè)備，設(shè)備投資少；3、NHD溶劑吸收CO2屬于液膜控制過程。采用超重機作為吸收設(shè)備，可以產(chǎn)生較 高的液膜傳質(zhì)系數(shù)并形成較薄的液膜，使氣液會更快速地達到平衡，氣液混合程度更佳，且 增加填料的有效界面積，強化(X)2的傳質(zhì)。使得NHD溶劑的循環(huán)量減少，降低脫碳液成本。 同時，縮小設(shè)備尺寸，降低投資和操作成本；4、重力加速度增加，系統(tǒng)可以在較寬的氣液流量范圍內(nèi)操作，可以增加氣體處理 量；5、NHD溶劑吸收CO2是典型的物理吸收過程。吸收CO2后的富液不需要熱再生， 再生時只需閃蒸和氣提，從而降低了再生能耗；6、開停車方便，在幾分鐘內(nèi)整個工藝系統(tǒng)便可達到穩(wěn)定。本實用新型相對現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果本實用新型能夠?qū)⒑铣砂弊儞Q氣中(X)2的含量脫除到0. 1% (體積分?jǐn)?shù))以下，且采 用物理吸收法的NHD溶劑具有無毒，無腐蝕性，且采用閃蒸和氣提可以再生，使得工藝流程 簡單，設(shè)備維修費用降低，整個脫碳工序的再生能耗降低。同時，相對于傳統(tǒng)塔設(shè)備脫除CO2 的方法，設(shè)備投資少，能耗低，占地面積和空間體積大幅減小，從而降低基建投資和操作費。 整個工藝節(jié)省了能源，降低了脫碳的成本。


圖1是本實用新型的示意圖。圖2為表一，實施例二試驗結(jié)果。圖中1-氣體取樣口，2-氣體進口，3-超重機，4-氣體出口，5-液體進口，6-電機， 7-液體出口，8-富液出口，9-富液槽，10-貧液槽，11-貧液泵，12-氨冷器。具體實施方案從合成氨變換氣中脫除(X)2的方法，將合成氨變換氣與貧液(吸收液)在超重機中 逆流或錯流接觸，通過填料高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的離心力，使貧液與氣體接觸，完成(X)2的脫 除；氣液按體積流量比為10 60 1,以10 30 1為最優(yōu)；超重機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為200 2000r/min,優(yōu)選600 1400 r/min ；吸收劑為NHD溶劑；吸收壓力為0. 1 3. 3MPa, 1. 7 2. 7 MPa為最優(yōu)；吸收溫度為_5 5°C，以_5 0°C為最優(yōu)。本實用新型采用的吸收劑為新鮮的NHD溶劑，經(jīng)過超重機吸收后的富液進入富液 槽，進行閃蒸再生和氣提再生。結(jié)合附圖進行如下說明變換工段的合成氨變換氣從超重機3的氣體進口 2進入，氣體出口 4與凈化工段 相連。通過貧液泵11使貧液槽10與超重機3的液體進口 5相連，富液出口 8與富液槽9 相連。超重機3的液體進口 5與貧液泵11之間設(shè)置有氨冷器12。貧液槽10內(nèi)放有新鮮的 NHD溶劑。本實用新型選用的超重機形式不限，旋轉(zhuǎn)填料的類型與材質(zhì)可任意選取，氣液接 觸方式不受限制，可以是逆流、錯流等任意方式的氣液接觸。具體操作步驟如下開啟貧液泵，將新鮮的NHD溶劑送到氨冷器12，將其冷卻到預(yù) 定溫度。開啟電機6，調(diào)節(jié)超重機3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)閥門將冷卻后的NHD溶劑送至超重機3， 將其冷卻到預(yù)定溫度。調(diào)節(jié)流量計控制NHD溶劑流量，通過液體進口 5進入超重機3，NHD 溶劑通過轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中心的液體分布器均勻的噴灑在填料層內(nèi)側(cè)，在離心力的作用下沿填料 層徑向由內(nèi)側(cè)向外側(cè)運動，含有CO2的合成氨變換氣從氣體進口 2進入超重機3，在高速旋 轉(zhuǎn)的填料層產(chǎn)生的強大的離心力的作用下，氣液兩相逆流或錯流接觸并進行傳質(zhì)，氣液兩 相在液膜很薄、高分散、高湍動、強混合以及界面快速更新的情況下完成(X)2的吸收。吸收 后的氣體通過氣體出口4進入凈化工段，吸收后的液體通過液體出口7從超重機3底部排 出，進入富液槽9，氣提再生。在氣體進口 2和氣體出口 4同時設(shè)有氣體分析裝置，采用紅外 氣體分析儀分析反應(yīng)器出口氣體中ω2的含量。實施例一合成氨變換氣組成氫氣52. 20% ；二氧化碳28. 40% ；氮氣18. 58% ；一氧化碳 0.沈％，其余為少量的惰性氣體。吸收劑組成新鮮的NHD溶劑。開啟貧液泵10將新鮮的NHD溶劑送至氨冷器12中冷卻到_5°C。開啟電機6，調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1200 r/min，調(diào)節(jié)流量計控制NHD溶劑的流量，將冷卻后的NHD溶劑送至超 重機3，將其冷卻到-5°C。調(diào)節(jié)氣體壓力于2. 7 MPa，將含28. 4% CO2的合成氨變換氣通過 超重機氣體進口 2進入超重機，調(diào)節(jié)氣量為60 m3 ^tT1,調(diào)節(jié)流量計控制NHD溶劑流量為 3m3 · h—1，通過液體進口 5進入超重機，NHD溶劑通過轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中心的液體分布器均勻的噴 灑在填料層內(nèi)側(cè)，在離心力的作用下沿填料層由內(nèi)側(cè)向外側(cè)徑向運動，合成氨變換氣與新 鮮NHD溶劑在超重機中逆流接觸，于_5°C溫度下，脫除其中的二氧化碳，從超重機氣體出口 4出來的凈化氣體進入凈化工段，吸收二氧化碳后的NHD溶劑由液體出口 7通過超重機底 部排除，進入富液槽，準(zhǔn)備閃蒸再生和氣提再生。采用紅外氣體分析儀分析超重機出口氣體 中(X)2的含量，出口氣體中(X)2的含量為0. 07%。實施例二 工藝流程同實例一，實例二考察不同溫度、壓力、氣體流量、液體流量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等 條件下，超重機出口氣體中二氧化碳的含量，試驗結(jié)果見表1。
權(quán)利要求1. 一種從合成氨變換氣中脫除(X)2的裝置，其特征在于包括超重機(3)，從超重機(3) 的氣體進口(2)通入變換工段的氣體，超重機(3)的氣體出口(4)與凈化氣工段相連，超重 機(3 )的液體進口( 5 )通過貧液泵(11)與盛有NHD溶劑的貧液槽(10 )相連，超重機(3 )的 液體進口(5)與貧液泵(11)之間設(shè)置有氨冷器(12)，超重機(3)的液體出口(7)則與富液 槽(9)相連。
專利摘要本實用新型屬于合成氨變換氣中脫除CO2的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種從合成氨變換氣中脫除CO2的裝置。包括超重機，從超重機的氣體進口通入變換工段的氣體，也即合成氨變換氣，超重機的氣體出口與凈化氣工段相連，超重機的液體進口通過貧液泵與盛有NHD溶劑的貧液槽相連，超重機的液體進口與貧液泵之間設(shè)置有氨冷器，超重機的液體出口則與富液槽相連。本實用新型設(shè)備投資少，能耗低，占地面積和空間體積大幅減小，從而降低基建投資和操作費，整個工藝節(jié)省了能源，降低了脫碳的成本。
文檔編號C01B31/20GK201930685SQ20112002996
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者侯曉婷, 劉有智, 栗秀萍, 焦緯洲, 申紅艷, 祁貴生, 袁志國 申請人:中北大學(xué)