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碳銨工藝技術(shù)方案
4.3 碳酸氫銨工藝技術(shù)方案
4.3.1 碳銨裝置工藝概述 4.3.1.1 產(chǎn)品規(guī)模和規(guī)格 (1)年操作日 年操作日:300天/年 (2)產(chǎn)品產(chǎn)量
時(shí)產(chǎn)量:農(nóng)用碳銨31.25噸+食品碳銨14.58 噸 日產(chǎn)量:1100噸 年產(chǎn)量:330000噸 (3)產(chǎn)品規(guī)格
農(nóng)用碳酸氫銨產(chǎn)品質(zhì)量符合國(guó)標(biāo)GB3559-2001的規(guī)定,主要指標(biāo)見(jiàn)下表:
表4-9 碳酸氫銨主要質(zhì)量指標(biāo)表
食品碳酸氫銨產(chǎn)品質(zhì)量符合國(guó)標(biāo)GB1888-2008的規(guī)定,主要指標(biāo)見(jiàn)下表:
4.3.1.2 碳銨裝置工藝技術(shù)方案
(1)工藝生產(chǎn)方法的比較
碳化生產(chǎn)流程根據(jù)壓力的不同總的可分為低壓碳化和高壓碳化。目前生產(chǎn)中采用的有以下幾種操作壓力:
1) 低壓碳化
采用低壓碳化壓力為0.3~0.34MPa進(jìn)入碳化系統(tǒng)。 2) 高壓碳化
采用高壓碳化壓力為0.6~0.7MPa。 (2) 工藝技術(shù)選擇
碳化生產(chǎn)流程操作壓力雖有大小不一,但碳化系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過(guò)程和操作控制原理相同,上述二種方法技術(shù)均成熟可靠。由于高壓碳化不但可以把原料氣中二氧化碳和氨清除得比較干凈,而且該項(xiàng)目是由天然氣為原料生產(chǎn)合成氨,以氨及副產(chǎn)的CO2和部分弛放氣為原料生產(chǎn)碳酸氫銨。因此本項(xiàng)目的可研報(bào)告則選擇采用0.7MPa左右高壓并聯(lián)碳化流程,用濃氨水吸收二氧化碳,同時(shí)產(chǎn)出成品農(nóng)用及食品碳酸氫銨作為碳銨裝置的工藝方案。 (3)碳銨裝置工藝原理及流程敘述 1) 工藝原理
用氨水吸收二氧化碳,在很早以前就用于焦?fàn)t氣深度冷凍前少量二氧化碳的脫除,我國(guó)的小合成氨廠將此法發(fā)展成為碳化法合成氨生產(chǎn)流程。
氨水溶液的碳化過(guò)程是一個(gè)伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收過(guò)程,其總反應(yīng)如下: CO2+NH3+H2O=NH4HCO3
吸收過(guò)程的總反應(yīng)按如下兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行: 2NH3+CO2+H2O=(NH4)2CO3 碳酸銨 (1) NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 碳酸氫氨 (2)
實(shí)際上的反應(yīng)過(guò)程是氨與二氧化碳首先反應(yīng)生成氨基甲酸銨 2NH3+CO2=NH4COONH2
氨基甲酸銨水解進(jìn)一步反應(yīng)生成碳酸氫銨 NH4COONH2+H2O=NH4HCO3+NH3 氨和水作用生成氫氧化銨 NH3+H2O=NH4OH
水解的碳酸氫銨與氫氧化銨作用生成碳酸銨 NH4HCO3+NH4OH=(NH4)2CO3+H2O 碳酸銨再吸收二氧化碳生成碳酸氫銨 (NH4)2CO3+CO2+H2O=2NH4HCO3
實(shí)際上反應(yīng)過(guò)程是比較復(fù)雜的,具體的反應(yīng)機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究,但大致反應(yīng)可分述如下: A.吸氨過(guò)程
氣氨溶于水中,大部分與水結(jié)合成一水合氨 NH3(氣)+H2O(液)=NH3·H2O(溶液) 氨 水 一水合氨
由于母液稀氨水中尚存在NH4+、NH2COO-,CO32-等離子。因此,吸氨過(guò)程在溶液中還存在下列可逆反應(yīng),并重新建立各離子之間的平衡。
NH3(溶)+ HCO3- = NH2COO- + H2O 氨 碳酸氫根離子 氨基甲酸根離子 水 NH3(溶)+ HCO3- = NH4++CO32- B.碳化過(guò)程
首先,二氧化碳從氣相溶解于液相: CO2(氣) = CO2(液) 二氧化碳 二氧化碳
溶解態(tài)的二氧化碳與溶液中的游離氨(水合和未水合的氨分子)形成氨基甲酸銨(NH4COONH2)
CO2(液) + 2NH3(液) = NH4COONH2(液) 二氧化碳 氨基酸 氨基甲酸銨
隨后,溶液中的氨基甲酸銨水解形成碳酸氫銨或碳酸銨: NH4COONH2 = NH4+ + NH2COO-
氨基甲酸銨 銨離子 氨基甲酸根離子 NH2COO- + H2O = NH3 + HCO3-
氨基甲酸根離子 水 氨 碳酸氫根離子 NH3 + HCO3- = NH4+ + CO32-
氨 碳酸氫根離子 銨離子 碳酸根離子
在堿性較強(qiáng)的溶液中主要形成CO32-,而在PH值8~10.5之間或高濃度CO32
-
的溶液中主要形成HCO3-。
據(jù)測(cè)定,當(dāng)碳化塔溶液中碳化度由115﹪增加到155﹪時(shí),溶液的PH值由
9.40降低到8.58。因此,碳化主塔內(nèi)主要是生成碳酸氫銨。在碳化過(guò)程中,隨著碳酸氫銨的不斷生成,當(dāng)溶液中碳酸氫銨的濃度超過(guò)它在該溫度下的溶解度時(shí),便以結(jié)晶形成析出。
此外,由于原料氣中含有大量惰性氣,當(dāng)原料氣通過(guò)碳化塔、預(yù)碳化塔時(shí),與濃氨水接觸,就會(huì)有氨氣從溶液中脫吸出來(lái)。
其反應(yīng)如下:
NH3·H2O = NH3 ↑ + H2O 一水合氨 氨 水
在氨回收過(guò)程中,用軟水吸收原料氣帶出的氨和部分CO2,循環(huán)使用。 碳酸氫銨結(jié)晶經(jīng)過(guò)離心分離與溶液機(jī)械分離,得到成品碳酸氫銨。
2) 工藝流程敘述
該碳銨裝置流程,屬于高壓并聯(lián)碳化流程。該流程由下述工序組成: · 壓縮工序 · 碳化工序
· 離心分離、干燥工序 · 吸氨工序
工藝流程說(shuō)明參見(jiàn)工藝流程圖 A.壓縮工序
來(lái)自合成氨裝置脫碳工序的產(chǎn)品CO2氣,通過(guò)原料氣水分離器(02S0102)
至CO2壓縮機(jī)(02C0102ab)入口。經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至0.7MPa(A)與同樣來(lái)自合成氨氫回收裝置補(bǔ)充的弛放尾氣在CO2壓縮機(jī)出口混合,再與來(lái)自碳化工序綜合塔(02T0102)頂?shù)耐ㄟ^(guò)尾氣水分離器(02S0101)至尾氣循環(huán)壓縮機(jī)(02C0101ab)壓縮至0.7MPa(A)循環(huán)使用的尾氣一起配成混合氣(干基計(jì),CO240%V),進(jìn)入碳化工序。 B.碳化工序
配成的混合氣(干基計(jì),CO240%V),壓力0.7MPa(A)、溫度≤38℃,進(jìn)入雙系列并聯(lián)的碳化塔主塔(02T0201-1/ 2)的底部。在碳化塔上部加入從碳化泵(02P0201abc)來(lái)的碳化液(此碳化液為來(lái)自固定副塔并被預(yù)碳化的預(yù)碳化液),與混合氣逆流鼓泡接觸,吸收其中的二氧化碳,大部分CO2被吸收生成碳酸氫銨結(jié)晶。
含CO2約10%(Vol%)的氣體從主塔頂出來(lái),進(jìn)入碳化副塔,被從綜合塔來(lái)的濃氨水吸收CO2后,含CO2約1 0%(Vol%)的氣體再進(jìn)入綜合塔底部,分別被綜合塔固定副塔段濃氨水吸收CO2使尾氣中的CO2含量小于0.4%(Vol%),進(jìn)入綜合塔上部回收清洗段,經(jīng)清洗段脫鹽水吸收CO2和清洗NH3后,CO2含量小于0.4%(Vol%)NH3含量小于0.07%(Vol%),壓力為0.5MPa(A) 的尾氣經(jīng)尾氣水分離器至尾氣循環(huán)壓縮機(jī)壓縮至0.7MPa(A)配成混合氣后再進(jìn)入碳化工序循環(huán)使用。、
在綜合塔回收清洗段上部,加入經(jīng)過(guò)軟水冷卻器(02E0201)冷卻至20℃的軟水進(jìn)入回收清洗塔上部,在回收清洗段通過(guò)篩板進(jìn)入吸收,用以回收氣體中的NH3和CO2,保證尾氣合格。
碳化主塔在吸收后CO2,生成碳銨結(jié)晶,大部分以懸浮液送到后工段,少量結(jié)晶粘附在塔壁和冷卻水箱上,影響水箱換熱。生產(chǎn)中每1-2個(gè)班次將碳化主、副塔調(diào)換1次,將有結(jié)晶的主塔調(diào)換為副塔,由濃氨水在內(nèi)鼓泡清洗溶化結(jié)晶碳銨。
C.離心分離、干燥工序
在進(jìn)入雙系列并聯(lián)的碳化塔(02T0201-1/ 2)中生成的碳酸氫銨固體懸浮液,含結(jié)晶40%左右的懸浮液從塔下部取出,送入稠厚器(02S0401),然后流入離心機(jī)(02C0401)分離,使碳酸氫銨結(jié)晶與母液分離,得到濕的碳酸氫銨成品。其中一部分濕的碳酸氫銨作為農(nóng)用碳酸氫銨成品經(jīng)皮帶稱(chēng)稱(chēng)重包裝后送去成品倉(cāng)庫(kù)。
另一部分濕的碳酸氫銨經(jīng)螺旋輸送機(jī)(02L0401)送入熱風(fēng)干燥管(02L0402)。熱風(fēng)干燥管底部通入來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)(02C0402)并經(jīng)空氣加熱器(02E0401)預(yù)熱后的熱空氣,通過(guò)氣流輸送把干燥后的碳酸氫銨送至旋風(fēng)分離器(02L0403)進(jìn)一步分離,得到食品級(jí)碳酸氫銨成品。食品碳酸氫銨成品經(jīng)皮帶稱(chēng)稱(chēng)重包裝后
送去成品倉(cāng)庫(kù)。
出離心機(jī)的液體稱(chēng)為母液,含有穿漏的碳酸氫銨結(jié)晶,進(jìn)入晶液分離器(02S0402),液體經(jīng)溢流管進(jìn)入母液貯槽(02V0302ab)。下部的晶漿經(jīng)濾液泵(02P0401ab)返回稠厚器。
出旋風(fēng)分離器含粉塵的氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)(02C0403)進(jìn)入尾氣洗滌塔(02T0401)底部與從上部填料床層噴淋加入的軟水作吸收劑,下部填料床層噴淋加入自底部尾洗塔循環(huán)泵(02P0402ab)并經(jīng)尾洗塔循環(huán)冷卻器(02E0402)冷卻后的循環(huán)液作吸收劑進(jìn)一步吸收。出尾氣洗滌塔的吸收液送入稀氨水槽(02V0303)。出尾氣洗滌塔的氣體通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥排入大氣。 D.吸氨工序
綜合塔回收清洗段上部加入的軟水,吸收放空尾氣中的氨,生成4%(Wt%)的稀氨水,送入稀氨水槽(02V0303)。母液貯槽的母液與稀氨水貯槽的稀氨水混合后經(jīng)吸氨泵(02P0302ab)送入吸氨噴射器(02X0301),與界區(qū)外送來(lái)的液氨經(jīng)液氨蒸發(fā)器(02E0301)后的氣氨進(jìn)行反應(yīng),制成濃氨水,濃氨水經(jīng)吸氨冷卻器(02E0302)冷卻后,送入濃氨水貯槽,用濃氨水泵(02P0301ab)送到綜合塔的副塔段,在塔內(nèi)吸收一部分CO2而生成高碳化度濃氨水液,經(jīng)濃氨水加壓泵加壓后送入碳化副塔,副塔氨水吸收CO2后,還溶解部分結(jié)疤成預(yù)碳化液,由碳化泵送入碳化主塔塔內(nèi),進(jìn)一步吸收CO2并生成碳酸氫銨結(jié)晶。離心機(jī)分離得到的母液進(jìn)入母液貯槽,與稀氨水一起被吸氨泵打入吸氨噴射器中吸氨而做成濃氨水,形成循環(huán)。
按生成碳酸氫銨的化學(xué)平衡,即生成1噸碳酸氫銨在理論上需要加軟水256Kg,加上生成來(lái)的4%(Wt%)的稀氨水,用吸氨噴射而生成為濃氨水循環(huán)的方法,可不排放稀氨水,故而本工序無(wú)廢水排放。
表4-11 消耗定額(以一噸產(chǎn)品碳銨計(jì))
(4)碳銨裝置主要設(shè)備概述 1) 主要設(shè)備選型 A.碳化塔
碳化工序中的主要設(shè)備為碳化塔,碳化塔主要結(jié)構(gòu)型式與傳統(tǒng)碳銨碳化塔基本一樣,為滿足工藝要求本塔采用內(nèi)徑3000mm,高度16000mm,內(nèi)件設(shè)有冷卻水箱14層,分上、中、下三部分,每層互錯(cuò)設(shè)置有6個(gè)U型φ420左右的水箱,U型冷卻管材料為φ25×2.5的SS304不銹鋼管,冷卻面積約1100m2,本方案主要考慮了材質(zhì)的選擇,以前大部分采用碳鋼加防腐冷卻管,這一次采用SS304不銹鋼管。相比碳鋼防腐壽命長(zhǎng),比全部采用鋁管合理。因?yàn)樵谒闹、下部出現(xiàn)大量的碳銨結(jié)晶體,由于純鋁管不耐沖刷和腐蝕故壽命較短,現(xiàn)改為SS304不銹鋼管可提高使用壽命,大大減少更換水箱次數(shù),這樣既節(jié)省了費(fèi)用又增加了產(chǎn)量從而提高了效益。
B.離心機(jī)
離心機(jī)是離心分離工序的主要設(shè)備,主電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓全速旋轉(zhuǎn),物料由進(jìn)料管連續(xù)引入,均勻分布到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)段濾網(wǎng)壁上,在離心力作用下,液相物穿過(guò)濾網(wǎng)和轉(zhuǎn)鼓壁濾孔排出轉(zhuǎn)鼓,經(jīng)機(jī)殼排液管排出機(jī)外,固相物截留在轉(zhuǎn)鼓內(nèi),形成環(huán)形濾餅層。推料盤(pán)與轉(zhuǎn)鼓同時(shí)旋轉(zhuǎn)的同時(shí),在活塞推動(dòng)下,連續(xù)軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng),推動(dòng)濾餅層間歇不斷地向轉(zhuǎn)鼓外端移動(dòng)排出轉(zhuǎn)鼓,從前機(jī)殼底部排出機(jī)外。 離心機(jī)選用臥式活塞單級(jí)推料、連續(xù)操作帶式過(guò)濾離心機(jī),離心機(jī)為六開(kāi)二備。生產(chǎn)能力8~12 T/h,含濕量小于3%,適合分離含固相物粒度大于0.1mm,濃度大于40%的懸浮物。
C.CO2壓縮機(jī)
CO2壓縮機(jī)為二段離心式壓縮機(jī)。
合成氨裝置脫碳工序來(lái)的CO2壓力0.13MPa(A),溫度40℃,CO2純度最低98.5%。
壓縮機(jī)為一開(kāi)一備。排出壓力0.7MPa(A),溫度≤38℃。 D.尾氣循環(huán)壓縮機(jī)
尾氣循環(huán)壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī),壓縮機(jī)為一開(kāi)一備。
壓縮機(jī)吸入壓力0.5MPa(A),排出壓力0.7MPa(A),溫度≤38℃。 2)碳銨裝置主要設(shè)備表
表4-12 碳銨裝置主要設(shè)備表
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