一種從合成氨變換氣中脫除CO₂的方法及裝置的製作方法

2023-06-03 16:22:31

專利名稱：一種從合成氨變換氣中脫除CO2的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於合成氨變換氣中脫除(X)2的技術領域，具體涉及一種以超重機為 吸收設備，以NHD溶劑為吸收劑脫除合成氨變換氣中(X)2的方法，適用於煤制合成氨變換氣 的淨化以及天然氣、油田氣、煉廠氣和城市煤氣中(X)2的脫除。
背景技術：
隨著工業的快速發展，全球對化石燃料的依賴性越來越大，人類大規模地使用煤、 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系統、農業、水資源和海洋等產生深遠影響。如果將排 放的二氧化碳脫除並進行回收，即可利用碳資源，又可治理工業廢氣排放帶來的環境汙染。在合成氨生產過程中，無論採用何種原料(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，還會生成易結晶的碳酸氫銨 堵塞管道和設備。此外，CO2又是製造尿素、乾冰、碳酸氫銨等產品的原料。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，實現其分離回收與綜合利用顯得至關重要。合成氨生產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 的能耗佔總能耗的109Γ15%。因此，開發和推廣應用低能耗脫碳新工藝對節約能源和降低生 產成本具有十分重要的意義。目前工業上廣泛採用的脫碳方法主要分為化學吸收法、物理吸收法和物理化學吸 收法3類。各種吸收方法都是以吸收塔為傳質設備，氣體從塔底進入與塔頂噴淋下來的吸 收劑在填料層內逆流接觸，達到脫除二氧化碳的目的。無論採用何種方法脫碳，脫碳裝置的 傳質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量和淨化氣中CO2含量，從 而影響著脫碳的成本。吸收塔的傳質效率低，脫碳溶劑的吸收能力弱，致使脫碳溶劑的循環 量大，脫碳工藝的再生負荷高。若脫碳裝置的吸收效率高，脫碳溶劑的吸收能力強，可以減 少脫碳溶劑的循環量，降低脫碳工藝的再生負荷，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效率是降低脫碳成本，提高經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，不汙染環境；具有良好的化學穩定性和熱 穩定性，在使用條件下不發生降解、聚合，與空氣接觸不發生氧化。NHD溶劑本身可被其它生 物所降解，一旦發生大量漏液事故，不致造成嚴重的環境汙染；NHD溶劑的凝固點低，適於 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 使運轉泵和配件所受磨損顯著減輕，用於工業生產中時，不必考慮因溶劑的腐蝕性而額外 增加設備投資，工藝裝置可採用碳鋼製作，投資省；NHD溶劑不起泡，不需要消泡劑；NHD溶 劑的蒸氣壓極低，揮發損失很少，流程中不需設置洗滌回收裝置；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徵。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。當系統壓力降低、溫度升高時，溶液中溶解的CO2釋放出來，實現溶劑的再生過程。NHD溶劑 對CO2的吸收能力強，可以減少溶劑循環量，降低能耗。同時，NHD溶劑解吸條件簡單，NHD 溶劑吸收CO2後，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 負荷。NHD溶劑吸收CO2屬於液膜控制過程。因此，在傳質設備的選擇和設計上，應採取提 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，以提高傳質速率。超重機利用轉子旋轉產生的離心力來模擬超重力，是一種能強化傳遞反應過程的 新型設備。通過高速旋轉的填料產生巨大的離心力，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，使相間傳質速率比傳統的塔器提高1 3個數量級。使氣液的傳質 比表面積大大提高，微觀混合和傳質過程得到極大的強化。因此，採用超重機作為脫碳設備 可以降低NHD溶劑的循環量和脫碳工藝的再生負荷，進而降低脫碳成本和能耗。關於超重機及其應用研究方面的專利在本申請人以前的專利中已經公開。(如 脫除工業氣體中硫化氫的設備，專利號C擬870957Y ；利用超重力技術淨化含油煙氣體的 方法及裝置，專利號CN100486670C ；含高濃度氮氧化物廢氣的淨化工藝及設備，專利號 CN1830526A等)。上述專利證明，超重力技術用於強化化學工藝的傳質過程具有較好的效^ ο由於超重力技術在氣液傳質上的獨特優勢，已有研究人員將其用於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鹼溶液、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備，採用鹼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(其中包括二氧化碳氣體)，專利號CN101092576A，在「一種超重力旋轉床裝置 及在二氧化碳捕集純化工藝的應用」中，專利號CN101549274A，也是以超重機為吸收設備， 所用的吸收液是添加活化劑的熱鉀鹼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吸收法做了一些研究，而 採用以超重機為吸收設備，以物理吸收溶劑——NHD溶劑為吸收劑進行(X)2的脫除，在國內 外未見報導。

發明內容
本發明提出一種以超重機為吸收設備，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的方法，吸收劑與變換氣在超重機中進行逆流或錯流接觸並進行傳 質，達到脫除CO2的效果。本發明技術方案
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，通過填料高速旋轉產生巨大的離心力，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； 超重機轉子的轉速為200 2000r/min，優選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； 吸收溫度為-5 5°C，以-5 0°C為最優。實現上述從合成氨變換氣中脫除CO2的方法的裝置，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淨化氣工段相連，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 設置有氨冷器，超重機的液體出口則與富液槽相連。本發明所述的技術方案中
1、採用超重機作為脫碳設備，以NHD溶劑作為吸收劑，進行脫碳。與化學吸收劑相比， NHD溶劑具有無毒、無臭、無腐蝕性，對(X)2的吸收能力強，(X)2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，具有優良的化學穩定性及熱 穩定性，本身可被其它生物所降解，不需要添加活化劑等優點；
2、採用超重機作為吸收設備，以NHD溶劑作為吸收劑，進行脫碳。該工藝流程較為簡 單，佔地小。設備可全部選用國產碳鋼設備，設備投資少；
3、NHD溶劑吸收CO2屬於液膜控制過程。採用超重機作為吸收設備，可以產生較高的 液膜傳質係數並形成較薄的液膜，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CO2的傳質。使得NHD溶劑的循環量減少，降低脫碳液成本。同時， 縮小設備尺寸，降低投資和操作成本；
4、重力加速度增加，系統可以在較寬的氣液流量範圍內操作，可以增加氣體處理量；
5、NHD溶劑吸收(X)2是典型的物理吸收過程。吸收(X)2後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，在幾分鐘內整個工藝系統便可達到穩定。本發明相對現有技術具有如下有益效果
本發明能夠將合成氨變換氣中(X)2的含量脫除到0.1% (體積分數)以下，且採用物理吸 收法的NHD溶劑具有無毒，無腐蝕性，且採用閃蒸和氣提可以再生，使得工藝流程簡單，設 備維修費用降低，整個脫碳工序的再生能耗降低。同時，相對於傳統塔設備脫除CO2的方法， 設備投資少，能耗低，佔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 藝節省了能源，降低了脫碳的成本。


圖1是本發明的工藝流程圖。圖2為表一，實施例二試驗結果。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，通過填料高速旋轉產生巨大的離心力，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；超重機轉子的轉速為200 2000r/ min，優選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；吸收溫度為-5 5°C，以-5 0°C為最優。
本發明採用的吸收劑為新鮮的NHD溶劑，經過超重機吸收後的富液進入富液槽， 進行閃蒸再生和氣提再生。結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與淨化工段相連。 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之間設置有氨冷器12。貧液槽10內放有新鮮的NHD溶 劑。本發明選用的超重機形式不限，旋轉填料的類型與材質可任意選取，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 定溫度。開啟電機6，調節超重機3轉子轉速，調節閥門將冷卻後的NHD溶劑送至超重機3， 將其冷卻到預定溫度。調節流量計控制NHD溶劑流量，通過液體進口 5進入超重機3，NHD 溶劑通過轉子內腔中心的液體分布器均勻的噴灑在填料層內側，在離心力的作用下沿填料 層徑向由內側向外側運動，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 轉的填料層產生的強大的離心力的作用下，氣液兩相逆流或錯流接觸並進行傳質，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 後的氣體通過氣體出口4進入淨化工段，吸收後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同時設有氣體分析裝置，採用紅外 氣體分析儀分析反應器出口氣體中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%; —氧化碳 0.沈％，其餘為少量的惰性氣體。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 節轉子轉速為1200 r/min，調節流量計控制NHD溶劑的流量，將冷卻後的NHD溶劑送至超 重機3，將其冷卻到-5°C。調節氣體壓力於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，調節氣量為60 m3 ^tT1,調節流量計控制NHD溶劑流量為 3m3 · h—1，通過液體進口 5進入超重機，NHD溶劑通過轉子內腔中心的液體分布器均勻的噴 灑在填料層內側，在離心力的作用下沿填料層由內側向外側徑向運動，合成氨變換氣與新 鮮NHD溶劑在超重機中逆流接觸，於_5°C溫度下，脫除其中的二氧化碳，從超重機氣體出口 4出來的淨化氣體進入淨化工段，吸收二氧化碳後的NHD溶劑由液體出口 7通過超重機底 部排除，進入富液槽，準備閃蒸再生和氣提再生。採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、轉子轉速等條件 下，超重機出口氣體中二氧化碳的含量，試驗結果見表1。
權利要求
1.一種從合成氨變換氣中脫除(X)2的方法，其特徵在於將合成氨變換氣與吸收液在超 重機中逆流或錯流接觸，通過填料高速旋轉產生巨大的離心力，使吸收液與氣體接觸，完成 CO2的脫除；氣液按體積流量比為10 60 :1 ；超重機轉子的轉速為200 2000r/min ；吸收液為NHD溶劑；吸收壓力為0. 1 3. 3MPa ；吸收溫度為-5 5°C。
2.根據權利要求1所述的一種從合成氨變換氣中脫除(X)2的方法，其特徵在於氣液按 體積流量比為10 30 :1。
3.根據權利要求1所述的一種從合成氨變換氣中脫除CO2的方法，其特徵在於吸收壓 力為 1. 7 2. 7 MPa0
4.根據權利要求1所述的一種從合成氨變換氣中脫除CO2的方法，其特徵在於吸收溫 度為-5 OV。
5.根據權利要求1所述的一種從合成氨變換氣中脫除CO2的方法，其特徵在於超重機 的轉速為600 1400 r/mino
6.一種實現如權利要求1或2或3或4或5所述的從合成氨變換氣中脫除CO2的方法 的裝置，其特徵在於包括超重機(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)與淨化氣工段相連，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)之間設置有氨 冷器(12)，超重機(3)的液體出口(7)則與富液槽(9)相連。
全文摘要
本發明屬於合成氨變換氣中脫除CO2的技術領域，具體涉及一種從合成氨變換氣中脫除CO2的方法及裝置，所述的方法，將合成氨變換氣與吸收液在超重機中逆流或錯流接觸，通過填料高速旋轉產生巨大的離心力，使吸收液與氣體接觸，完成CO2的脫除。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淨化氣工段相連，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置有氨冷器，超重機的液體出口則與富液槽相連。本發明的有益效果工藝流程簡單，設備維修費用降低，整個脫碳工序的再生能耗降低。
文檔編號C01C1/04GK102125795SQ20111003082
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者侯曉婷, 劉有智, 慄秀萍, 焦緯洲, 申紅豔, 祁貴生, 袁志國 申請人:中北大學