碳銨工藝技術(shù)方案

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4.3 碳酸氫銨工藝技術(shù)方案

碳銨工藝技術(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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