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吸收剂及吸收-解吸工艺的改造

工程技术学院 张杨

  合成氨生产过程除电解法外,不管用何种原料制得的粗原料气中都含有硫化物、一氧化碳、二氧化碳等气体,这些物质都是氨合成催化剂的毒物,在进行氨合成之前,须将它们彻底清除。二氧化碳的脱除,简称为脱碳,是一个典型的且广泛应用的吸收工艺过程,吸收方法有物理吸收、化学吸收和物理化学吸收。就物理吸收来讲,其工艺过程也是发展变化的,该变化过程反映了人们将吸收理论具体应用到化工生产以实现过程强化的技术发展沿革。

  20世纪60年代以前,工业上以氮气和氢气为原料合成氨主要是为了生产尿素,脱碳工艺大部分采用传统的加压水洗和常压淋降式汽提解吸。由于二氧化碳在水中溶解度不大,所以吸收效率不高,如何提高脱碳效率,靠加大水量,流体输送动力消耗很大,且水量消耗也大,操作费用高。20世纪70年代初南京化工集团研究院开发了PC(碳酸丙烯酯,propylene carbonate)技术,该技术的核心是以碳酸丙烯酯为吸收剂。两个小氮肥厂用PC法代替水洗法脱二氧化碳的工业试验装置获得成功,取得了明显的节能效果和经济效益。

  随着经济发展的需要,要求提高合成氨和尿素生产能力,同时也有工艺要求尿素联产碱等产品。这就要求不但脱碳的效率要高,同时对二氧化碳的回收数量和质量提出了高要求,以满足尿素联产碱的工艺需求。至20世纪70年代末先后有100多个厂家使用了PC技术,而这些厂家的生产工艺是尿素联产碱的,在原设备和工艺的基础上单纯将水洗法改为PC法,经过2年多实践,人们逐渐发现此简单的改良还有一些问题。一是碳酸丙烯酯吸收剂损耗较大;二是采用了PC吸收剂,出现了净化气“跑高”问题,即二氧化碳离开吸收塔含量高,这导致操作费用的增加和氨损耗增大。

  针对上诉问题对PC技术进行剖析,碳酸丙烯酯吸收剂损耗较大是由于该系统是在原来水脱碳系统基础上直接改造而来,用碳酸丙烯酯代替水作为吸收剂,是从无机吸收剂转换为有机吸收剂,碳酸丙烯酯的蒸汽压高,且PC回收系统不完善所致;净化气中二氧化碳含量高的原因是PC吸收剂再生效果不好或吸收剂冷却差,根本原因是PC吸收二氧化碳的能力降低了。

  为此,在设备和工艺两方面作了一些改革。为提高PC吸收剂的吸收能力,防止二氧化碳跑高,将原常压解吸改为真空解吸,解吸压力降低,解吸推动力加大,解吸效果好,循环PC溶剂浓度降低,进而提高了吸收推动力;且淋降式解吸塔改为筛板或填料塔,使得解吸能力进一步提高;降低循环溶剂的温度;吸收塔内采用全截面均匀分布的气体和液体分布器,部分或全部采用规整填料,提高通气量以强化气液接触效率,加大气液传质面积,结果大大提高了吸收塔的吸收效果,降低了净化气中二氧化碳浓度。

  与水相比,碳酸丙烯酯的蒸汽压高,常压解吸改为真空解吸,因PC回收系统不完善,造成溶剂碳酸丙烯酯损失增大,吸收剂成本增加。为从根本上解决这一问题,采用复合溶剂法,即对PC吸收剂进行改良,向PC吸收剂直接添加复合溶剂的相关组分,在原PC技术上过渡为PC复合工艺,复合PC吸收剂的蒸汽压降低,吸收剂的损耗大大降低。

  另外一方面,实验证明复合溶剂的选择性和吸收能力优于纯溶剂,特别是在高压下,对二氧化碳的溶解度明显提高,故脱碳效率进一步提高或相同的脱碳率可节省溶剂,总之,采用复合PC技术,二氧化碳净化度高,吸收剂损耗和电力消耗都得以降低。

  上述碳酸丙烯酯复合溶剂脱碳工艺技术沿革说明,吸收剂在吸收过程中所起的作用非常重要,吸收剂的特性既决定吸收效果,也决定解吸效果,同时它是决定能耗和操作费用的主要因素。一个完整的吸收过程是由吸收和解吸联合构成,解吸差直接影响吸收过程,吸收过程的操作费用中解吸费用占大部分,故降低操作费用,重在降低溶剂的解吸费用,提高吸收剂溶解性能、降低吸收剂用量、减少吸收剂损失等目标是关键。

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