CN102125795A

CN102125795A - 一种从合成氨变换气中脱除co2的方法及装置

Info

Publication number: CN102125795A
Application number: CN2011100308235A
Authority: CN
Inventors: 刘有智; 申红艳; 焦纬洲; 祁贵生; 袁志国; 栗秀萍; 侯晓婷
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明属于合成氨变换气中脱除CO₂的技术领域，具体涉及一种从合成氨变换气中脱除CO₂的方法及装置，所述的方法，将合成氨变换气与吸收液在超重机中逆流或错流接触，通过填料高速旋转产生巨大的离心力，使吸收液与气体接触，完成CO₂的脱除。装置包括超重机，从超重机的气体进口通入变换工段的气体，也即合成氨变换气，超重机的气体出口与净化气工段相连，超重机的液体进口通过贫液泵与盛有NHD溶剂的贫液槽相连，超重机的液体进口与贫液泵之间设置有氨冷器，超重机的液体出口则与富液槽相连。本发明的有益效果：工艺流程简单，设备维修费用降低，整个脱碳工序的再生能耗降低。

Description

一种从合成氨变换气中脱除CO<sub>2</sub>的方法及装置

技术领域

本发明属于合成氨变换气中脱除CO₂的技术领域，具体涉及一种以超重机为吸收设备，以NHD溶剂为吸收剂脱除合成氨变换气中CO₂的方法，适用于煤制合成氨变换气的净化以及天然气、油田气、炼厂气和城市煤气中CO₂的脱除。

背景技术

随着工业的快速发展，全球对化石燃料的依赖性越来越大，人类大规模地使用煤、石油、天然气等含碳化合物燃料，这类燃料燃烧排入大气中的二氧化碳浓度逐年增加，二氧化碳的无限制排放必定会对全球生态系统、农业、水资源和海洋等产生深远影响。如果将排放的二氧化碳脱除并进行回收，即可利用碳资源，又可治理工业废气排放带来的环境污染。

在合成氨生产过程中，无论采用何种原料（煤、油、天然气），何种工艺流程，其粗合成气中都含有大量的CO₂。CO₂对氨合成催化剂有很强的毒性，还会生成易结晶的碳酸氢铵堵塞管道和设备。此外，CO₂又是制造尿素、干冰、碳酸氢铵等产品的原料。因此，在合成气进入氨合成塔之前，需将CO₂脱除，称为脱碳工艺。如何高效脱除合成氨变换气中的CO₂，变废为宝，实现其分离回收与综合利用显得至关重要。

合成氨生产过程是一种高能耗工艺，通常吨氨总能耗为27.2~54.3GJ，而脱碳工序的能耗占总能耗的10%~15%。因此，开发和推广应用低能耗脱碳新工艺对节约能源和降低生产成本具有十分重要的意义。

目前工业上广泛采用的脱碳方法主要分为化学吸收法、物理吸收法和物理化学吸收法3类。各种吸收方法都是以吸收塔为传质设备，气体从塔底进入与塔顶喷淋下来的吸收剂在填料层内逆流接触，达到脱除二氧化碳的目的。无论采用何种方法脱碳，脱碳装置的传质效率和脱碳溶剂的吸收能力都直接影响着脱碳溶剂的循环量和净化气中CO₂含量，从而影响着脱碳的成本。吸收塔的传质效率低，脱碳溶剂的吸收能力弱，致使脱碳溶剂的循环量大，脱碳工艺的再生负荷高。若脱碳装置的吸收效率高，脱碳溶剂的吸收能力强，可以减少脱碳溶剂的循环量，降低脱碳工艺的再生负荷，进而降低能耗。因此，选用吸收能力强的脱碳溶剂和提高脱碳装置的传质效率是降低脱碳成本，提高经济效益的最强有力的途径。

NHD溶剂无毒、无味、无臭，不毒害人畜，不污染环境；具有良好的化学稳定性和热稳定性，在使用条件下不发生降解、聚合，与空气接触不发生氧化。NHD溶剂本身可被其它生物所降解，一旦发生大量漏液事故，不致造成严重的环境污染；NHD溶剂的凝固点低，适于在较低的温度下运行；NHD 溶剂是一种高分子溶剂，本身无腐蚀性，具有一定的润滑性，可使运转泵和配件所受磨损显著减轻，用于工业生产中时，不必考虑因溶剂的腐蚀性而额外增加设备投资，工艺装置可采用碳钢制作，投资省；NHD溶剂不起泡，不需要消泡剂；NHD溶剂的蒸气压极低，挥发损失很少，流程中不需设置洗涤回收装置；NHD法脱碳工艺不需添加活化剂，流程短。NHD溶剂价格昂贵，24000元/吨。

NHD法脱碳过程具有典型的物理吸收特征。CO₂在NHD溶剂中的溶解度较好地服从亨利定律，随着压力升高、温度降低而增大。因此，宜在高压、低温下进行CO₂的吸收过程。当系统压力降低、温度升高时，溶液中溶解的CO₂释放出来，实现溶剂的再生过程。NHD溶剂对CO₂的吸收能力强，可以减少溶剂循环量，降低能耗。同时，NHD溶剂解吸条件简单，NHD溶剂吸收CO₂后，仅需进行两级闪蒸及一次惰性气气提即可达到彻底解吸条件，降低了再生负荷。

NHD溶剂吸收CO₂属于液膜控制过程。因此，在传质设备的选择和设计上，应采取提高液相湍动、气液逆流接触、减薄液膜厚度及增加相际接触面积等措施，以提高传质速率。

超重机利用转子旋转产生的离心力来模拟超重力，是一种能强化传递反应过程的新型设备。通过高速旋转的填料产生巨大的离心力，将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，流体在液膜很薄、高分散、高湍动、强混合以及界面快速更新的情况下与气体以极大的相对速度接触，使相间传质速率比传统的塔器提高1～3个数量级。使气液的传质比表面积大大提高，微观混合和传质过程得到极大的强化。因此，采用超重机作为脱碳设备可以降低NHD溶剂的循环量和脱碳工艺的再生负荷，进而降低脱碳成本和能耗。

关于超重机及其应用研究方面的专利在本申请人以前的专利中已经公开。（如：脱除工业气体中硫化氢的设备，专利号：CN2870957Y；利用超重力技术净化含油烟气体的方法及装置，专利号：CN100486670C；含高浓度氮氧化物废气的净化工艺及设备，专利号：CN1830526A等）。上述专利证明，超重力技术用于强化化学工艺的传质过程具有较好的效果。

由于超重力技术在气液传质上的独特优势，已有研究人员将其用于CO₂气体的吸收，针对超重力脱除二氧化碳做了一些研究，在“一种脱除变换气中二氧化碳的方法”中，专利号：（CN101168115A）提出在超重机中用添加活化剂的热钾碱溶液、氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液为吸收剂吸收变换气中的二氧化碳，在“一种脱除裂解气中酸性气体的方法”中，也提出了以超重机为吸收设备，采用碱性吸收剂或醇胺类溶液作为吸收剂来吸收裂解气中的酸性气体（其中包括二氧化碳气体），专利号：CN101092576A，在“一种超重力旋转床装置及在二氧化碳捕集纯化工艺的应用”中，专利号：CN101549274A，也是以超重机为吸收设备，所用的吸收液是添加活化剂的热钾碱溶液或醇胺类水溶液。

目前，在超重机中进行二氧化碳的吸收主要是针对化学吸收法做了一些研究，而采用以超重机为吸收设备，以物理吸收溶剂——NHD溶剂为吸收剂进行CO₂的脱除，在国内外未见报道。

发明内容

本发明提出一种以超重机为吸收设备，以NHD溶剂为吸收剂，通过物理吸收法脱除合成氨变换气中CO₂的方法，吸收剂与变换气在超重机中进行逆流或错流接触并进行传质，达到脱除CO₂的效果。

本发明技术方案：

从合成氨变换气中脱除CO₂的方法，将合成氨变换气与吸收液（贫液）在超重机中逆流或错流接触，通过填料高速旋转产生巨大的离心力，使贫液在液膜很薄、高分散、高湍动、强混合以及界面快速更新的情况下与气体以极大的相对速度接触，完成CO₂的脱除；

气液按体积流量比为10～60：1，以10～30：1为最优；

超重机转子的转速为：200～2000r/min，优选600～1400 r/min；

吸收剂为：NHD溶剂；

吸收压力为：0.1～3.3MPa，1.7～2.7 MPa为最优；

吸收温度为：-5～5℃，以-5～0℃为最优。

实现上述从合成氨变换气中脱除CO₂的方法的装置，包括超重机，从超重机的气体进口通入变换工段的气体，也即合成氨变换气，超重机的气体出口与净化气工段相连，超重机的液体进口通过贫液泵与盛有NHD溶剂的贫液槽相连，超重机的液体进口与贫液泵之间设置有氨冷器，超重机的液体出口则与富液槽相连。

本发明所述的技术方案中：

1、采用超重机作为脱碳设备，以NHD溶剂作为吸收剂，进行脱碳。与化学吸收剂相比，NHD溶剂具有无毒、无臭、无腐蚀性，对CO₂的吸收能力强，CO₂在NHD溶剂中的溶解度较好地服从亨利定律，随着压力升高、温度降低而增大，蒸汽分压低，具有优良的化学稳定性及热稳定性，本身可被其它生物所降解，不需要添加活化剂等优点；

2、采用超重机作为吸收设备，以NHD溶剂作为吸收剂，进行脱碳。该工艺流程较为简单，占地小。设备可全部选用国产碳钢设备，设备投资少；

3、 NHD溶剂吸收CO₂属于液膜控制过程。采用超重机作为吸收设备，可以产生较高的液膜传质系数并形成较薄的液膜，使气液会更快速地达到平衡，气液混合程度更佳，且增加填料的有效界面积，强化CO₂的传质。使得NHD溶剂的循环量减少，降低脱碳液成本。同时，缩小设备尺寸，降低投资和操作成本；

4、重力加速度增加，系统可以在较宽的气液流量范围内操作，可以增加气体处理量；

5、 NHD溶剂吸收CO₂是典型的物理吸收过程。吸收CO₂后的富液不需要热再生，再生时只需闪蒸和气提，从而降低了再生能耗；

6、开停车方便，在几分钟内整个工艺系统便可达到稳定。

本发明相对现有技术具有如下有益效果：

本发明能够将合成氨变换气中CO₂的含量脱除到0.1%（体积分数）以下，且采用物理吸收法的NHD溶剂具有无毒，无腐蚀性，且采用闪蒸和气提可以再生，使得工艺流程简单，设备维修费用降低，整个脱碳工序的再生能耗降低。同时，相对于传统塔设备脱除CO₂的方法，设备投资少，能耗低，占地面积和空间体积大幅减小，从而降低基建投资和操作费。整个工艺节省了能源，降低了脱碳的成本。

附图说明：

图1是本发明的工艺流程图。

图2为表一，实施例二试验结果。

图中：1-气体取样口，2-气体进口，3-超重机，4-气体出口，5-液体进口，6-电机，7-液体出口，8-富液出口，9-富液槽，10-贫液槽，11-贫液泵，12-氨冷器。

具体实施方案：

从合成氨变换气中脱除CO₂的方法，将合成氨变换气与贫液（吸收液）在超重机中逆流或错流接触，通过填料高速旋转产生巨大的离心力，使贫液与气体接触，完成CO₂的脱除；气液按体积流量比为10～60：1，以10～30：1为最优；超重机转子的转速为：200～2000r/min，优选600～1400 r/min；吸收剂为：NHD溶剂；吸收压力为：0.1～3.3MPa，1.7～2.7 MPa 为最优；吸收温度为：-5～5℃，以-5～0℃为最优。

本发明采用的吸收剂为新鲜的NHD溶剂，经过超重机吸收后的富液进入富液槽，进行闪蒸再生和气提再生。

结合附图进行如下说明：

变换工段的合成氨变换气从超重机3的气体进口2进入，气体出口4与净化工段相连。通过贫液泵11使贫液槽10与超重机3的液体进口5相连，富液出口8与富液槽9相连。超重机3的液体进口5与贫液泵11之间设置有氨冷器12。贫液槽10内放有新鲜的NHD溶剂。

本发明选用的超重机形式不限，旋转填料的类型与材质可任意选取，气液接触方式不受限制，可以是逆流、错流等任意方式的气液接触。

具体操作步骤如下：开启贫液泵，将新鲜的NHD溶剂送到氨冷器12，将其冷却到预定温度。开启电机6，调节超重机3转子转速，调节阀门将冷却后的NHD溶剂送至超重机3，将其冷却到预定温度。调节流量计控制NHD溶剂流量，通过液体进口5进入超重机3，NHD溶剂通过转子内腔中心的液体分布器均匀的喷洒在填料层内侧，在离心力的作用下沿填料层径向由内侧向外侧运动，含有CO₂的合成氨变换气从气体进口2进入超重机3，在高速旋转的填料层产生的强大的离心力的作用下，气液两相逆流或错流接触并进行传质，气液两相在液膜很薄、高分散、高湍动、强混合以及界面快速更新的情况下完成CO₂的吸收。吸收后的气体通过气体出口4 进入净化工段，吸收后的液体通过液体出口7 从超重机3底部排出，进入富液槽9，气提再生。在气体进口2和气体出口4同时设有气体分析装置，采用红外气体分析仪分析反应器出口气体中CO₂的含量。

实施例一：

合成氨变换气组成：氢气：52.20%；二氧化碳：28.40%；氮气：18.58%；一氧化碳：0.26%，其余为少量的惰性气体。

吸收剂组成：新鲜的NHD溶剂。

开启贫液泵10将新鲜的NHD溶剂送至氨冷器12中冷却到-5℃。开启电机6，调节转子转速为1200 r/min，调节流量计控制NHD溶剂的流量，将冷却后的NHD溶剂送至超重机3，将其冷却到-5℃。调节气体压力于2.7 MPa，将含28.4% CO₂的合成氨变换气通过超重机气体进口2进入超重机，调节气量为60 m³·h^-1，调节流量计控制NHD溶剂流量为3m³·h^-1，通过液体进口5进入超重机，NHD溶剂通过转子内腔中心的液体分布器均匀的喷洒在填料层内侧，在离心力的作用下沿填料层由内侧向外侧径向运动，合成氨变换气与新鲜NHD溶剂在超重机中逆流接触，于-5℃温度下，脱除其中的二氧化碳，从超重机气体出口4 出来的净化气体进入净化工段，吸收二氧化碳后的NHD溶剂由液体出口 7通过超重机底部排除，进入富液槽，准备闪蒸再生和气提再生。采用红外气体分析仪分析超重机出口气体中CO₂的含量，出口气体中CO₂的含量为0.07%。

实施例二：

工艺流程同实例一，实例二考察不同温度、压力、气体流量、液体流量、转子转速等条件下，超重机出口气体中二氧化碳的含量，试验结果见表1。

Claims

1.一种从合成氨变换气中脱除CO₂的方法，其特征在于将合成氨变换气与吸收液在超重机中逆流或错流接触，通过填料高速旋转产生巨大的离心力，使吸收液与气体接触，完成CO₂的脱除；

气液按体积流量比为10～60：1；

超重机转子的转速为：200～2000r/min；

吸收液为：NHD溶剂；

吸收压力为：0.1～3.3MPa；

吸收温度为：-5～5℃。

2.根据权利要求1所述的一种从合成氨变换气中脱除CO₂的方法，其特征在于气液按体积流量比为10～30：1。

3.根据权利要求1所述的一种从合成氨变换气中脱除CO₂的方法，其特征在于吸收压力为1.7～2.7 MPa。

4.根据权利要求1所述的一种从合成氨变换气中脱除CO₂的方法，其特征在于吸收温度为-5～0℃。

5.根据权利要求1所述的一种从合成氨变换气中脱除CO₂的方法，其特征在于超重机的转速为600～1400 r/min。

6.一种实现如权利要求1或2或3或4或5所述的从合成氨变换气中脱除CO₂的方法的装置，其特征在于包括超重机（3），从超重机（3）的气体进口（2）通入变换工段的气体，超重机（3）的气体出口（4）与净化气工段相连，超重机（3）的液体进口（5）通过贫液泵（11）与盛有NHD溶剂的贫液槽（10）相连，超重机（3）的液体进口（5）与贫液泵（11）之间设置有氨冷器（12），超重机（3）的液体出口（7）则与富液槽（9）相连。