CN111013382B - 一种己二酸生产装置尾气处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种己二酸生产装置尾气处理装置及方法，所述装置包括前级预处理系统、尾气增压系统、纯化系统、低温精馏系统以及催化分解系统；所述前级预处理系统与尾气增压系统通过管道连接，尾气增压系统的气体出口与低温精馏系统内的精馏塔下端的再沸盘管连通；再沸盘管的另一端与分液罐连通，且分液罐的出口与纯化系统进口连通，纯化系统的出口与精馏塔入口通过管道连通；精馏塔的塔底设有液态N2O的排放管道，塔顶的出口与催化分解系统连通。本发明可使己二酸装置尾气中的N2O得到有效的回收利用，弥补己二酸工艺中的这一空白，达到经济利益最大化和环境友好的目标。
Description
技术领域
本发明属于废气处理技术领域，尤其是涉及一种己二酸生产装置尾气处理装置及方法。
背景技术
N2O是温室气体的一种，其对臭氧层的破坏作用甚于氯氟烃，引起温室效应的能力比二氧化碳强310倍。这种气体在破坏臭氧层的同时，由于本身化学性质稳定，该物质在大气层中的存留时间可达120年之久。
N2O人为排放主要包括化工生产的尾气，如己二酸和硝酸的生产、煤炭燃烧、尼龙等化工产品生产等过程排放的尾气。研究显示，大气中的N2O背景浓度从工业革命之前的270ppb增加到2007年的320ppb，而且随着工业化进程的不断推进和机动车数目的迅猛增加，N2O背景浓度每年以0.2％～0.3％的速度增加。随着人们环保意识的不断增强，N2O的处理已经引起了广泛的关注，因此研究能够高效消除或利用N2O的技术和方法具有重要的现实意义。
国内生产己二酸主要采用硝酸氧化法，环己醇或醇酮混合物经硝酸氧化生产己二酸，该方法技术成熟，产品收率和纯度都比较高，但是硝酸用量大，在反应过程中生产大量N2O。采用硝酸氧化法年产15万吨己二酸，N2O的年排放量可达4.5万吨。
N2O虽属于温室气体，但其利用价值及产品附加值很高，尤其是电子级高纯N2O。N2O广泛应用于集成电路器件、微电子、光伏等行业，其它行业还包括食品加工、航天、农业等。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种己二酸生产装置尾气处理装置及方法，以克服现有技术的不足，在己二酸生产中设立尾气回收高纯N2O和催化分解联合工艺装置，对于提高产品附加值以及保护环境具有十分重要的意义。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种己二酸生产装置尾气处理装置，包括前级预处理系统、尾气增压系统、纯化系统、低温精馏系统以及催化分解系统；所述前级预处理系统与尾气增压系统通过管道连接，尾气增压系统的气体出口与低温精馏系统内的精馏塔下端的再沸盘管连通；再沸盘管的另一端与分液罐连通，且分液罐的出口与纯化系统进口连通，纯化系统的出口与精馏塔入口通过管道连通；精馏塔的塔底设有液态N2O的排放管道，塔顶的出口与催化分解系统连通。
预处理后的原料气进入设置于尾气增压系统入口的分离器，经计量、组份检测和压力调整后，进入尾气增压系统；
进一步的，所述前级预处理系统包括碱洗塔以及水洗塔；碱洗塔的碱液入口在其塔体的上端，水洗塔的纯水入口在其塔体的上端；碱洗塔的下端设有废气入口，且碱洗塔的气体出口与水洗塔的下端的气体进口连通；水洗塔的气体出口与尾气增压系统的入口连通。
预处理系统主要包括尾气的酸性气体脱除、除尘等。
尾气处理采用两级吸收(碱洗、水洗)，碱洗主要负责脱除酸性气体及除尘，水洗是为了防止碱液进入后续处理系统。
20℃左右的尾气首先进入碱洗塔碱洗，后进入水洗塔水洗。
尾气由吸收塔下部进入后向上部流动，与由塔上部向下流动的碱液或水雾接触进一步将酸性气体、微尘洗去。
进一步的，所述纯化系统内含有分子筛；所述尾气增压系统与再沸盘管连通的管道上设有换热器。气体增压后升温，可经过换热器稍降温，再将热气体作为塔的加热热源，换热器的主要用途是调整精馏塔釜热量输入。
进一步的，所述纯化系统的出口与精馏塔入口连通的管道上设有预冷器，且精馏塔塔顶出口与催化分解系统连通的管道也经过预冷器，两个分别与预冷器的热源管道以及冷源管道连通。
纯化系统脱水净化后的原料气与精馏塔的塔顶出料低温气体换热降温，预冷后的气体进入精馏塔精馏。
进一步的，所述精馏塔的入口位于塔釜的中间位置，在塔釜的上部的冷凝盘管的冷源为低于-120℃冷剂，优选为液氮。
精馏塔的塔顶采用冷剂冷却，塔底采用压缩后的高温气体加热。
N2O回收率控制在90～95％。通过降低回收率，①实现降低精馏塔能耗、提高精馏温度；②规避过高的N2O提取率导致的轻烃组份在精馏塔部分区域浓度较高的爆炸风险。
低温精馏采用单塔精馏工艺。
经吸附处理后的合格气体方可进行深冷精馏。首先脱水后气体原料被深冷精馏塔的塔顶不凝气在预冷器中换热，预冷至-40～-60℃。塔顶与塔釜分别内置冷凝盘管与再沸盘管。塔釜使用，尾气增压系统处理的80～110℃压缩气体作为热源，产生的一氧化二氮蒸汽直接向上进入填料层进行传质。塔釜产物为液化N2O，作为产品送出界区。塔顶使用液氮(或低于-120℃冷剂)作为冷源，冷凝得到的液体直接向下进入填料层进行传质，未凝结的气体从塔顶送出，减压后在预冷器中作为冷源预冷进塔气体，升温至5～15℃后直接排往废气催化分解系统。
尾气增压系统增压的压力不同，精馏对应的温度也不同。主要根据N2O产品的储存压力需求进行设定。例如：0.7MPaG对应精馏塔顶塔釜温度为-105～-115℃、-40～-46℃，2.1MPaG对应精馏塔顶塔釜温度为-90～-102℃、-13～-14.1℃。
进一步的，所述催化分解系统包括预热器以及催化反应器，预热器位于精馏塔与催化反应器连通的管道上，且该管道连通预热器的冷源管道；催化反应器的出口设有余热回收锅炉；余热回收锅炉与预热器的热源管道连通。
余热锅炉对烟气出口温度有要求，无法直接用完。所以降温后继续预热精馏尾气。
进一步的，尾气的输入管道分为两路，一路与前级预处理系统连通；另一路与催化分解系统连通。
低温精馏采用单塔精馏工艺提取N2O。塔顶采用部分冷凝，气相节流至0.1～0.3MPaG后排至催化分解工序处理。塔底得到纯度高于99.9994V％高纯N2O。
低温精馏塔顶废气与剩余的己二酸装置尾气合并后进入装载有N2O催化分解催化剂的固定床反应器进行反应，尾气催化分解后N2O分解率达到99.9％。
本发明还提供一种利用如上所述的装置进行己二酸生产装置尾气处理的方法，包括如下步骤，
1)尾气进入前级预处理系统进行预处理，洗去酸性气体以及微尘；
2)经预处理后气体送入尾气增压系统，加压至0.7～2.1MpaG；增压后的气体升温至80～110℃，进入精馏塔的再沸盘管作为热源；
3)气体的温度降到10～20℃，在分液罐分液后，进入纯化系统进行脱水，控制水含量不高于0.4ppm(质量)；
4)经过脱水处理的气体进入精馏塔进行深冷精馏，精馏塔塔顶冷源为低于-120℃的冷剂；冷凝得到的液体直接向下进入填料层进行传质，未凝结的气体从塔顶送出，减压后在预冷器中作为冷源预冷进塔气体，升温至5～15℃后直接排往废气催化分解系统；塔釜产物为液化N2O，作为产品送出界区；
5)精馏塔顶部排出的气体进入废气催化分解系统。催化分解催化剂包括活性中心和载体，所述活性中心包括量子点的氧化物和尖晶石型结构化合物，载体为Al2O3载体，例如可以使用的催化剂的分子通式为LⅡxO/MⅡ1-xNⅢ2O4/Al2O3，其中：LⅡ和MⅡ均为二价金属阳离子，NⅢ为三价金属阳离子，x＝0.01～1.0；所述催化分解系统催化分解N2O的温度低，一般的催化剂催化温度约需要500～800℃的高温，而该所述类型的催化剂催化温度能到达400℃左右。
本申请的催化分解系统也可以采用其他的催化剂，且催化分解的过程参数采用常规的催化反应即可，不予以特别限定。
进一步的，步骤1)中，尾气在碱洗塔进行碱洗，脱除酸性气体及除尘；然后进行入水洗塔进行水洗，防止碱液进入后续处理系统；
步骤2)中，增加后的气体进入再沸盘管之前，经过换热器进行降温处理；
步骤4)中，经过脱水处理的气体进入精馏塔之前，经过精馏塔的塔顶不凝气在预冷器中换热，进行预冷处理，预冷到-40～-60℃。
进一步的，尾气中的组分包括，N2 30～50wt％、O2 3～4wt％、N2O不低于30wt％、CO2低于5wt％、轻烃组份低于0.1wt％，其它组份还包括少量水份、NO和NO2(总量<2wt％)；一部分尾气进入前级预处理系统，尾气流量为500～1000kg/h；另一部分尾气直接进入催化分解系统进行催化分解处理，催化分解效率大于99.9％；催化分解采用固定床反应器进行分解，热量采用余热锅炉回收。
相对于现有技术，本发明所述的一种己二酸生产装置尾气处理装置及方法，具有以下优势：
(1)本发明所述的装置以及方法，可使己二酸装置尾气中的N2O得到有效的回收利用，弥补己二酸工艺中的这一空白，达到经济利益最大化和环境友好的目标。
(2)本发明所述的装置以及方法，最大化合理提取富含N2O尾气的工业气体价值，通过低温精馏回收及催化分解反应的方法综合处理尾气；得到纯度高于99.9994V％高纯N2O；且尾气催化分解后N2O分解率达到99.9％，既保证了回收的N2O的纯度，又可以保证富裕的N2O不排放到大气中。
(3)本发明所述的装置以及方法，充分利用了自身的能源，减少生产成本，同时也减少能源的浪费。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的己二酸生产装置尾气处理装置的简单结构示意图；
附图标记说明：
1、前级预处理系统；101、碱洗塔；102、水洗塔；2、尾气增压系统；3、纯化系统；4、低温精馏系统；401、换热器；402、分液罐；403、预冷器；404、精馏塔；405、再沸盘管；406、冷凝盘管；5、催化分解系统；501、预热器；502、催化反应器；503、余热回收锅炉。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种己二酸生产装置尾气处理装置，包括前级预处理系统1、尾气增压系统2、纯化系统3、低温精馏系统4以及催化分解系统5；所述前级预处理系统1与尾气增压系统2通过管道连接，尾气增压系统2的气体出口与低温精馏系统4内的精馏塔404下端的再沸盘管405连通；再沸盘管405的另一端与分液罐402连通，且分液罐402的出口与纯化系统3进口连通，纯化系统3的出口与精馏塔404入口通过管道连通；精馏塔404的塔底设有液态N2O的排放管道，塔顶的出口与催化分解系统5连通。
所述前级预处理系统1包括碱洗塔101以及水洗塔102；碱洗塔101的碱液入口在其塔体的上端，水洗塔102的纯水入口在其塔体的上端；碱洗塔101的下端设有废气入口，且碱洗塔101的气体出口与水洗塔102的下端的气体进口连通；水洗塔102的气体出口与尾气增压系统2的入口连通。
所述纯化系统3内含有13X分子筛；所述尾气增压系统2与再沸盘管405连通的管道上设有换热器401。
所述纯化系统3的出口与精馏塔404入口连通的管道上设有预冷器403，且精馏塔404塔顶出口与催化分解系统5连通的管道也经过预冷器403，两个分别与预冷器403的热源管道以及冷源管道连通，进行交叉换热。
所述精馏塔404的入口位于塔釜的中间位置，在塔釜的上部的冷凝盘管406的冷源为液氮。
所述催化分解系统5包括预热器501以及催化反应器502，预热器501位于精馏塔404与催化反应器502连通的管道上，且该管道连通预热器501的冷源管道；催化反应器503的出口设有余热回收锅炉503；余热回收锅炉503与预热器501的热源管道连通。
尾气的输入管道分为两路，一路与前级预处理系统1连通；另一路与催化分解系统5连通。
一种利用如上所述的装置进行己二酸生产装置尾气处理的方法，包括如下步骤，
1)尾气进入前级预处理系统1进行预处理，洗去酸性气体以及微尘；尾气在碱洗塔101进行碱洗，脱除酸性气体及除尘；然后进行入水洗塔102进行水洗，防止碱液进入后续处理系统；碱洗塔101中碱液的浓度为10～50wt％；
2)经预处理后气体送入尾气增压系统2，加压至0.7～2.1MpaG；增压后的气体升温至90℃左右，进入精馏塔404的再沸盘管405作为热源；增加后的气体进入再沸盘管405之前，经过换热器401进行降温处理；
3)气体的温度降到10～20℃，在分液罐402分液后，进入纯化系统3进行脱水，控制水含量不高于0.4ppm(质量)；
4)经过脱水处理的气体进入精馏塔404进行深冷精馏，精馏塔404塔顶冷源为低于-120℃的冷剂；冷凝得到的液体直接向下进入填料层进行传质，未凝结的气体从塔顶送出，减压后在预冷器中作为冷源预冷进塔气体，升温至～5℃后直接排往废气催化分解系统；塔釜产物为液化N2O，作为产品送出界区；
经过脱水处理的气体进入精馏塔404之前，经过精馏塔404的塔顶不凝气在预冷器403中换热，进行预冷处理，预冷到-50℃左右。
5)精馏塔404顶部排出的气体进入废气催化分解系统。
尾气中的组分包括，N2 30～50wt％、O2 3～4wt％、N2O不低于30wt％、CO2低于5wt％、轻烃组份低于0.1wt％，其它组份还包括少量水份、NO和NO2；一部分尾气进入前级预处理系统1，尾气流量为500～1000kg/h；另一部分尾气直接进入催化分解系统5进行催化分解处理；催化分解采用固定床反应器进行分解，热量采用余热锅炉回收。
实施例1
某己二酸装置尾气组成如下表所示：
以上组分的583kg/h原料尾气经质量浓度为20％碱液循环碱洗后，由水洗塔进行二次洗涤防止碱液进入预处理后的原料气。
预处理后的原料气进分离器，经计量、组分检测和压力调整后，进入原料气压缩机(尾气增压系统设定压力为0.7MPaG)，进入脱水工序(脱水至水含量低于0.4ppm)。
低温精馏采用单塔精馏工艺提取N2O。塔顶采用部分冷凝，气相节流至0.2MPaG后气相出料排至废气处理系统。脱水净化后的原料气(10℃)与塔顶出料低温气体换热降温。预冷后的气体(-50℃)进入低温精馏塔精馏。精馏塔顶冷凝器采用液氮冷却，塔底采用增压后气体(90℃)加热。N2O回收率95％，塔顶温度-107℃，塔底温度-46℃。
一氧化二氮低温精馏塔顶排出废气及己二酸装置尾气未进行精馏回收笑气的尾气合并管道进入催化分解系统。催化分解系统催化分解温度400℃。高温烟气进废热锅炉产1.0MPaG蒸汽，废气排放温度低于60℃(经废气预热器换热后)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种己二酸生产装置尾气处理装置，其特征在于：包括前级预处理系统(1)、尾气增压系统(2)、纯化系统(3)、低温精馏系统(4)以及催化分解系统(5)；所述前级预处理系统(1)与尾气增压系统(2)通过管道连接，尾气增压系统(2)的气体出口与低温精馏系统(4)内的精馏塔(404)下端的再沸盘管(405)连通；再沸盘管(405)的另一端与分液罐(402)连通，且分液罐(402)的出口与纯化系统(3)进口连通，纯化系统(3)的出口与精馏塔(404)入口通过管道连通；精馏塔(404)的塔底设有液态N2O的排放管道，塔顶的出口与催化分解系统(5)连通；
所述催化分解系统(5)包括预热器(501)以及催化反应器(502)，预热器(501)位于精馏塔(404)与催化反应器(502)连通的管道上，且该管道连通预热器(501)的冷源管道；催化反应器(502)的出口设有余热回收锅炉(503)；余热回收锅炉(503)与预热器(501)的热源管道连通；
所述前级预处理系统(1)包括碱洗塔(101)以及水洗塔(102)；碱洗塔(101)的碱液入口在其塔体的上端，水洗塔(102)的纯水入口在其塔体的上端；碱洗塔(101)的下端设有废气入口，且碱洗塔(101)的气体出口与水洗塔(102)的下端的气体进口连通；水洗塔(102)的气体出口与尾气增压系统(2)的入口连通；
所述纯化系统(3)内含有分子筛；所述尾气增压系统(2)与再沸盘管(405)连通的管道上设有换热器(401)；
所述纯化系统(3)的出口与精馏塔(404)入口连通的管道上设有预冷器(403)，且精馏塔(404)塔顶出口与催化分解系统(5)连通的管道也经过预冷器(403)，两个分别与预冷器(403)的热源管道以及冷源管道连通，进行交叉换热；
所述精馏塔(404)的入口位于塔釜的中间位置，在塔釜的上部的冷凝盘管(406)的冷源为低于-120℃冷剂。
2.根据权利要求1所述的己二酸生产装置尾气处理装置，其特征在于：分子筛为13X分子筛。
3.根据权利要求1所述的己二酸生产装置尾气处理装置，其特征在于：在塔釜的上部的冷凝盘管(406)的冷源为液氮。
4.根据权利要求1所述的己二酸生产装置尾气处理装置，其特征在于：尾气的输入管道分为两路，一路与前级预处理系统(1)连通；另一路与催化分解系统(5)连通。
5.一种利用如权利要求1～4任一项所述的装置进行己二酸生产装置尾气处理的方法，其特征在于：包括如下步骤，
1)尾气进入前级预处理系统(1)进行预处理，洗去酸性气体以及微尘；
2)经预处理后气体送入尾气增压系统(2)，加压至0.7～2.1MPaG；增压后的气体升温至80～110℃，进入精馏塔(404)的再沸盘管(405)作为热源；
3)气体的温度降到10～20℃，在分液罐(402)分液后，进入纯化系统(3)进行脱水，控制水含量不高于0.4ppm(质量)；
4)经过脱水处理的气体进入精馏塔(404)进行深冷精馏，精馏塔(404)塔顶冷源为低于-120℃的冷剂；冷凝得到的液体直接向下进入填料层进行传质，未凝结的气体从塔顶送出，减压后在预冷器中作为冷源预冷进塔气体，升温至5～15℃后直接排往废气催化分解系统；塔釜产物为液化N2O，作为产品送出界区；
5)精馏塔(404)顶部排出的气体进入废气催化分解系统。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤1)中，尾气在碱洗塔(101)进行碱洗，脱除酸性气体及除尘；然后进行入水洗塔(102)进行水洗，防止碱液进入后续处理系统；碱洗塔(101)中碱液的浓度为10～50wt％；
步骤2)中，增加后的气体进入再沸盘管(405)之前，经过换热器(401)进行降温处理；
步骤4)中，经过脱水处理的气体进入精馏塔(404)之前，经过精馏塔(404)的塔顶不凝气在预冷器(403)中换热，进行预冷处理，预冷到-40～-60℃。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：尾气中的组分包括，N230～50wt％、O23～4wt％、N2O不低于30wt％、CO2低于5wt％、轻烃组份低于0.1wt％，其它组份还包括少量水分、NO和NO2，且水分、NO和NO2的总量<2wt％；一部分尾气进入前级预处理系统(1)，尾气流量为500～1000kg/h；另一部分尾气直接进入催化分解系统(5)进行催化分解处理；催化分解采用固定床反应器进行分解，热量采用余热锅炉回收。
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