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亚美体育官网净化装置培训知识

  增大回流比可减少分离所需的理论板数。但回流比的增大,必要求塔釜产生的蒸气量相应增加。回流比增大的上限是全回流即进入冷凝器的蒸气在冷凝后全部返回塔中。在全回流条件下,分离所需的理论板数最少。当回流比减小至某一数值时,理论上为达到指定分离要求所需板数趋于无穷大,这是回流比的下限,称为最小回流比。当操作回流比下降到小于最小回流比时,就不能达到规定的分离要求。最小回流比不仅取决于分离要求,还与料液的相对挥发度和料液组成以及进料的热状态有关。操作中精馏塔的分离能力,主要取决于回流比的大小。增大回流比,就可提高产品纯度,但也增加了能耗。改变回流比,是调节精馏塔操作的方便而有效的手段。

  所以靠完全冷凝,在相应的条件(氮洗条件)下,达不到净化的要求,需要的温度会更低。所以“吸收”更为准确。

  传统克劳斯法是一种比较成熟的多单元处理技术,克劳斯工艺发明伊始就成为硫回收工业的标准工艺流程,也是目前应用最为广泛的硫回收工艺之一。根据过程气中H2S体积百分比的高低,分别采用直流克劳斯法、分流克劳斯法、直接氧化克劳斯法。其工艺过程为含有H2S的酸性气体在克劳斯炉内燃烧,使部分H2S氧化为SO2,然后SO2再与剩余的未反应的H2S在催化剂作用下反应生成硫黄。

  物理吸附,是指吸附剂与吸附质之间是通过分子间引力(即范德华力)而产生的吸附,在吸附过程中物质不改变原来的性质,因此吸附能小,被吸附的物质很容易再脱离。

  物理吸附不发生化学反应,因此它的吸附热较低,一般只有20kJ/mol左右,只相当于相应气体的液化热。也正是由于物理吸附不发生化学反应,因此它吸附的选择性极低,它的选择性只取决于气体的性质和吸附剂的特性。物理吸附只在低温下才较显著,吸附量随温度的升高而迅速减少,且与表面的大小成比例。由于这种吸附属纯分子间引力,所以有很大的可逆性,当改变吸附条件,如降低被吸附气体的分压或升高系统的温度,被吸附的气体很容易从固体表面上逸出,此种现象称为“脱附”或“脱吸”。工业上的吸附操作就是根据这一特性进行吸附剂的再生,同时回收被吸附的物质。

  (二)从国内外煤气化装置中所采用的脱除酸性气体的工艺来看,低温甲醇洗(Rectisol)和NHD(或Selexol)较常见。

  NHD(或Selexol)同低温甲醇洗一样,同属物理吸收,它的主要组分为聚乙二醇二甲醚,其对CO2、H2S等均有较强的吸收能力,可将CO2脱至0.1%以下,H2S小于1ppm。目前世界上大型煤气化装置产生的合成气净化采用低温甲醇洗技术较普遍,采用NHD技术的装置很少,NHD净化大都用于中小型装置。低温甲醇洗的溶剂吸收能力大,循环量小,能耗省,溶剂价格便宜,操作费用低是此法的优越性所在。该法缺点是在低温下操作,装置要求采用低温材料投资较高。而NHD对COS吸收能力差,需另加水解装置,而且该工艺须将脱硫和脱碳分开脱除,流程复杂。另外其溶剂昂贵,吸收能力比甲醇低,因而溶剂循环量大,操作费用较高。该法的优点在非低温下操作,设备无腐蚀,可采用碳钢材料,投资较少。

  (一)低温甲醇洗是50年代初德国林德公司和鲁奇公司联合开发的一种气体净化工艺。该工艺以冷甲醇为吸收溶剂,利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的优良特性,脱除原料气中的酸性气体。该工艺气体净化度高,选择性好,气体的脱硫和脱碳可在同一个塔内分段、选择性地进行。低温甲醇洗脱硫、脱碳技术特点如下:

  (a)溶剂在低温下对CO2、H2S、COS等酸性气体吸收能力极强,溶液循环量小,功耗少。

  超优克劳斯工艺采用过量空气操作从而产生较少的SO2,因此对空气的控制要求不是很严格,不要求精确控制H2S和SO2的苛刻比例,使操作灵活方便,工艺简单可靠、弹性范围大,操作下限可以达到15%。超优克劳斯催化剂具有良好的热稳定性、化学稳定性和机械强度,有害物质排放少,催化剂使用寿命长达8~10年,过程气中高浓度水含量不会影响H2S的转化率,装置运行平稳可靠,维修方便、非计划性停车时间低于1%。

  精馏原理利用混合物中各组分挥发能力的差异,通过液相和气相的回流,使气、液两相逆向多级接触,在热能驱动和相平衡关系的约束下,使得易挥发组分(轻组分)不断从液相往气相中转移,而难挥发组分却由气相向液相中迁移,使混合物得到不断分离,称该过程为精馏。该过程中,传热、传质过程同时进行,属传质过程控制。

  分子筛对极性分子的吸附力远远大于非极性分子,因此,从甲醇洗来的气体中,CO2、CH3OH因其极性大于H2,就被分子筛选择性的吸附。而H2为非极性分子,因此分子筛对H2的吸附就比较困难。

  节流制冷众所周知,将一种气体节流膨胀可进行制冷。科学实践已经证明,将一种气体在足够高的压力下与另一种气体混合也能制冷。

  该技术的核心是将克劳斯尾气中的SO2通过克劳斯反应器内的催化加氢反应段还原成H2S,然后将只含H2S的尾气经超级克劳斯反应器选择性催化氧化还原成元素硫。与通常的尾气处理工艺不同,该加氢过程不需要单独的反应器,氢气由反应过程本身产生,不需要外供氢气,过程气无需加热和冷却,同时尾气中的H2S无需溶剂吸收,也不需要投资和操作费用极高的溶剂吸收和再生系统。本装置的优点是:

  由于上游克劳斯采用了H2S过量操作,抑制了尾气中SO2含量,因此装置总硫回收率高,且运行过程连续无需周期切换,可连续操作。选择性氧化反应是一个热力学完全反应,因此可以达到很高的转化率。又由于超优克劳斯反应器使用一种特殊的选择性氧化催化剂,该催化剂对水和过量氧均不敏感,且不发生副反应。此外,在尾气不作任何处理的情况下,总硫转化率即可达到99%或99.5%以上水平,并达到环保排放要求,具有硫黄回收和尾气处理的双重作用。

  在精馏段,气相在上升的过程中,气相轻组分不断得到精制,在气相中不断地增浓,在塔顶获轻组分产品。

  在提馏段,其液相在下降的过程中,其轻组分不断地提馏出来,使重组分在液相中不断地被浓缩,在塔底获得重组分的产品。

  回流比是精馏操作中,由精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量L与塔顶产品流量D的比值,即R=L/D。回流比的大小,对精馏过程的分离效果和经济性有着重要的影响。

  对本项目虽然NHD工艺投资低于低温甲醇洗工艺,但其操作费用较高。低温甲醇洗工艺在国内已有丰富的生产操作经验,除少部分低温材料需引进外,设备设计和制造可在国内解决,因此酸性气体脱除推荐采用低温甲醇洗工艺。

  液氮洗主要是脱除净化气中一氧化碳,惰性气体,利用低温下混合气体组分中各物质的沸点不同而实现分离,以达到净化气体的目的,减少有毒气体对下游氨合成触媒的毒害,延长其使用寿命,通过此方法净化气中的惰性气体含量低,氨合成基本上不需驰放气。从整体工艺上考虑,如果装置有空分单元可以提供氮气和液氮,那么采用液氮洗是比较好的,因为甲醇洗是在低温下运行,到液氮洗不需要回温,可以减少气体回温造成的能量损失。同时低温甲醇洗和液氮洗在换热设计上可以统筹考虑,进一步降低能耗。氮洗工段基本原理包括吸附原理、混合制冷原理及液氮洗涤原理:

  从上表可以看出,各组分的临界温度都比较低,氮的临界温度为-147.1℃,故决定于液氮洗需要低温下进行。从各组分的沸点数据可以看出,H2的沸点远远低N2及其它组分,也就是说,在低温液氮洗涤过程中,CH4、Ar、CO较易溶解于液氮中,而原料氢气,则不易溶解于液氮中,从而达到了液氮洗涤的目的。低温清除一氧化碳的原理是利用一氧化碳在液氮中的溶解,即一氧化碳和氮的汽液相平衡。因为欲将一氧化碳降低至5ppm以下,即使总压为70巴,其冷凝温度也将在68K以下。

  这是因为在系统总压力不变的情况下,气体在混合物中分压是降低的,要确切做到这一点,互相混合气体的主要组分沸点至少平均相差33℃,最好相差57℃。

  氮洗工艺设计中就运用了这一原理,在换热器中用洗涤塔的产品来冷却氮气和原料气,在洗涤中,让原料气和液氮逆流接触,在此过程中,不仅将原料气中的CO、CH4、Ar等洗涤下来,同时配入部分氮气。但这部分氮气并不能使出塔气中H2/N2达到3:1,因此设计出塔气另一种配氮方式,此过程是在换热器内完成的,使H2/N2达到3:1,同时,在氮气与原料气混合的过程中,获得了系统所需的大部分冷量。

  超优克劳斯是克劳斯延伸型工艺,在克劳斯硫回收基础上突破传统观念的基础上,巧妙地组合了近年开发的新技术,对传统的克劳斯工艺进行改进,从改善热力学平衡和强化硫回收的角度出发,这包括发展新型催化剂、富氧燃烧技术、深冷器技术等,对克劳斯工艺作了较大的改造,在传统克劳斯转化之后,最后一级转化段使用新型选择性氧化催化剂,增加一个选择性催化氧化反应器(超级克劳斯反应器),成为超级克劳斯(SuperClaus)工艺,与此同时在最后一级克劳斯催化反应器床层中的克劳斯催化剂下面装填了一层加氢还原催化剂,构成加氢催化还原反应器(超优克劳斯反应器),将SO2还原成硫和H2S后再选用选择性氧化催化剂,使总硫回收率得以大大提高。根据酸性气体进料量和催化反应器数量,回收率可以达到99.4%以上或更高。超优克劳斯工艺流程见图1.

  液氮洗涤近于多组份精馏,又不同于多组份的精馏,它是利用氢与CO、Ar、CH4的沸点相差较大,将CO、CH4、Ar从气相中溶解到液氮中,从而达到脱除CO、CH4、Ar等杂质的目的。下表为一些气体的物性常数。

  超优克劳斯装置由一个高温段及二个或三个反应段构成.高温段包括H2S燃烧炉和废热锅炉,利用气体中的H2S在克劳斯燃烧炉内使其部分氧化生成SO2,燃烧反应是H2S 1.5O2→ SO2 H2O,约有1/3的H2S于1200℃左右温度下与空气在燃烧炉内反应生成SO2。其余未反应的H2S同SO2在温度较低的转化段借助于催化剂继续完成克劳斯反应,再与部分H2S作用生成硫黄。在克劳斯反应器中的反应是2H2S SO2→ 3S 2H2O。随后在在加氢催化还原反应器中,SO2通过加氢催化还原反应,被克劳斯尾气中的H2和CO还原生成硫和H2S,反应式为SO2 2H2→S 2H2O,SO2 3H2→H2S 2H2O,SO2 2 CO→S 2 CO2。通过一个选择性催化氧化反应段或最后一级转化反应器改用选择性氧化催化剂处理传统克劳斯硫回收尾气,在通入过量空气的情况下将来自最后一级克劳斯段的过程气中剩余的H2S选择性氧化反应成为元素硫:H2S 0.5O2→S H2O。

  (g)该工艺技术成熟,由于操作温度低,设备、管道需低温材料,且有部分设备需国外引进,所以投资较高。

  (h)低温甲醇洗溶剂在低温(-50℃)下吸收,含硫酸气采用热再生,回收CO2采用降压解吸,脱碳采用气提再生,热耗很低。

  虽然低温甲醇洗工艺投资较高,但与其它脱硫、脱碳工艺相比具有电耗低、蒸汽消耗低,溶剂价格便宜,操作费用低,工艺气体净化度高,可将CO2脱至20ppm以下,H2S小于0.1ppm。

  超优克劳斯工艺适用于酸性气浓度范围广,H2S浓度可以在23%~93%之间,既可用于新建装置,也适用于现有的克劳斯装置技术改造,还能和富氧氧化硫回收工艺结合使用。装置运行中过程气连续气相催化,中间不需要进行冷凝脱水,无“三废”处理问题。同时催化剂仅对H2S进行选择性氧化,H2、CO等其他组分均不被氧化,不会因副反应生成COS或CS2,即使在超过化学计量的氧存在下,S02生成量也非常少。