合成氨变压吸附工艺优化(原文)

合成氨变压吸附工艺优化(原文)（精选4篇）

合成氨变压吸附工艺优化(原文) 第1篇

LUOYANG NORMAL UNIVERSITY

XXXX届本科毕业论文(设计)

合成氨变压吸附工艺优化

院（系）名称

化学化工学院（全名）

专业名称 学生姓名 学号 指导教师 完成时间

XXX 职称 XXXX年XX月

合成氨变压吸附工艺优化

摘要：由于变压吸附技术在化工领域生产中的众多优势，使用变压吸附技术在合成氨的大量生产中渐渐得到了广泛的应用，本篇论文在分析了变压吸附技术的基本原理和目前常用的变压吸附脱碳技术的基础上，从工艺角度对变压吸附工艺进行了优化设计，对于变压吸附技术的进一步推广和优化应用有一定的借鉴意义。

关键词：合成氨；变压吸附；优化

Optimization of Synthetic Ammonia PSA Process Abstract：Because of the many advantages of PSA technology in chemical industry production, implementation of decarburization in ammonia production has gradually been widely used pressure swing adsorption technology, based on the analysis of the basic principle of pressure swing adsorption technology and commonly used PSA technology, optimize the design of pressure swing adsorption process from the process point of view, have certain reference significance for the further promotion and application of optimization of pressure swing adsorption technology.Key words: ammonia synthesis;PSA;optimization

目录 前言.............................................................1 2 合成氨变压吸附概要...............................................2 2.1 合成氨变压吸附技术原理......................................2 2.2 合成氨变压吸附工艺的优势....................................4 2.3 合成氨变压吸附的前景.......................................4 3 合成氨变压吸附工艺的优化.........................................5 3.1 产品纯度的调整.............................................5 3.2 装置参数的调节.............................................6 3.2.1 调整吸附时间..........................................6 3.2.2 产品气升压控制........................................6 3.2.3 粗脱碳系统与净化系统吸附时间的协调控制.................7 3.3 装置工艺的优化.............................................8 结语................................................................9 参考文献...........................................................10 致谢...............................................................12 前言

合成氨工业是氮肥工业的基础，在国民经济中占有重要的地位。由于氨的生产过程有很大的能源消耗，因此节能技术和新型制氨工艺的研究和开发一直是世界上极为关注的重点课题，毫无疑问，在节能技术的推动下，合成氨工业在不断向前发展。

合成氨工艺的原料气仅氢气和氮气。合成氨是以氢气和氮气在3：1的条件下，在高温高压条件下，通过催化剂反应生成氨的化学过程，其反应过程是一个体积缩小的过程。氮气来源于空气，取之不尽、用之不竭，只需要提纯净化即可，而氢气则是最主要的研究对象。制氢技术、氢资源的净化和供应所需采用的工艺方法，这些都是合成氨工业需要逐步解决并及时改进的重大课题。氢气与氮气相反，无法直接从自然界中获得。氢元素主要存在于大量的碳氢化合物和水中，只有通过不同的化学方法把碳氢化合物或水中的氢元素释放出来，生成含氢气的混合气体，然后再通过其它生产手段从含氢混合气体中提纯出氢气，进而为合成氨提供氢原料气，而成熟可靠的变压吸附技术就可以实现从混合气体中提纯得到氢气。[1]

通过变压吸附技术制得的氢气纯度能够超过99.99%，一氧化碳与二氧化碳的总体积不超过1×10-5，空气中提取的高纯度氮气与高纯度氢气配气后就可以进行氨合成环节，整个合成过程中，几乎没有惰性气体的存在，因此能够大大节约用于惰性气体循环的压缩功。利用变压吸附技术进行氨的合成可以最大限度的降低驰放气，进而大大节约压缩功能量。[2]

此外，在合成氨的变换气中约含有18%至30%的二氧化碳，这部分二氧化碳在到达氨合成反应工序以前，必须要全部清除掉。采用哪种工艺路线来实现变换气脱碳会直接影响到氨的产量，由此可见脱碳在整个工艺中占有重要地位。而目前常用的脱碳技术为变压吸附脱碳。[3]

变压吸附脱碳要实现连续分离的效果必须要有两个或多个吸附塔，让其更替操作，并且一定要有一个吸附塔处于吸附阶段，而别的吸附塔处于解吸再生的各个阶段。每一[1][2][3] 李俊成，肖隆斌.变压吸附提纯二氧化碳技术应用[J].大氮肥，2007，01：19-21.王波.几种脱碳方法的分析比较[J].化肥设计，2007，02：34-37.毛薛刚，张玉迅，周洪富，管建平.变压吸附技术在合成氨厂的应用[J].低温与特气，2007，05：39-43.次循环，吸附塔都会一一经过吸附、压力均衡降、逆向放压、抽空、多次压力均衡升、最后升压等步骤。[4]在变压吸附时，由于吸附压力的作用，气体会经过含有吸附剂的吸附床层，因为吸附剂可以强力吸附二氧化碳、水以及硫化物，对于别的成分的吸附力则较弱，因而二氧化碳等气体可以被截留在床层中，而别的气体则被排出。但是由于吸附剂自身的特性和吸附塔死体积的作用，在完成吸附后还是会有少部分氢气、氮气以及一氧化碳等气体没有被排干净，所以还得进行多次均匀才能将其彻底排净。[5]对于截留在吸附剂上的二氧化碳，我们可以采用逆向放压和抽真空的方法将其解离下来，进而实现吸附剂的循环使用。在完成抽真空之后，将少量吸附出口净化气以及均压过程的降压气用于吸附塔的升压，直到达到吸附压力后方可进行重复的吸附分离步骤[6] 合成氨变压吸附概要

变压吸附技术，也简称变压吸附，是当前的一项高新技术，用于对气体混合物进行分离提纯，其主要原理在于吸附剂的选择性以及吸附容量对压力的关系，通过多个吸附塔达到间歇过程连续化的目的。

变压吸附属于物理吸附，依靠的是吸附剂与被分离物质间的分子作用力而进行选择性吸附，其主要特点为：吸附过程中不会发生化学反应，并且具有可逆性。变压吸附能够对混合气体进行分离提纯的原因在于：第一、吸附剂对不同物质的吸附力有所不同；第二、吸附容量与压力呈正相关，与温度呈负相关。利用吸附剂的第一个特性，可以实现对不同吸附力强度的组分的分离；而第二个性质可以用于对吸附剂的再生，实现循环使用，不间断吸附分离的目的。2.1 合成氨变压吸附技术原理

合成氨的变换气中的主要成分为H2、N2、CH4、CO、CO2等，同时还有少量杂质，如H2O、硫化物等。吸附剂对于这些组分的吸附能力大小依次是H2O、硫化物>CO2>CH4>CO>N2>H2。在变压吸附过程中，为了让CO2达到较好的吸附效果，要[4] 殷文华，罗英奇，吴巍，伍毅，曾凡华，李克兵，郜豫川.变压吸附技术在合成氨行业的应用和发展[J].低温与特气，2015，01：45-49.[5][6]尤彪.型煤+变压吸附制氧+富氧连续气化组合及其前景[J].中氮肥，2008，02：5-9.黄立新.变压吸附技术在合成氨中的工艺研究及其优化设计[J].江西化工,2008,03:188-191.选择高选择性的专用吸附剂。在变换气经过吸附剂时，二氧化碳、水、硫化物及部分CH4由于具有较强的吸附作用而被拦截，别的组分由于吸附力较弱则能够顺利通过，由此实现分离的效果；随后再利用吸附剂的吸附能力随压力变化的特点，选择合适的压力对气体再进行分离，也可以实现吸附剂的循环使用，通常情况下利用逆向防压与抽真空的方法便可实现吸附剂的再生，且都在室温下进行。[7]

为了实现连续分离的效果，变压吸附脱碳必须要具备两个及其以上的吸附塔交替运行，要保证始终有一个吸附塔在选择吸附阶段，而其余的塔则处在解吸再生的各个阶段。每一次循环，各个吸附塔都会经过吸附、多次压力均衡降、逆向放压、抽真空等步骤。[8]在变压吸附时，由于存在吸附压力，原料气在经过带有吸附剂的吸附床层时，因为吸附剂可以强烈吸附CO2、H2O、硫化物，对于别的成分的吸附力则较弱，因而二氧化碳等气体可以被截留在床层中，而别的气体则作为脱碳净化气被排出。[9]但是由于吸附剂自身的特性和吸附塔死体积的作用，在完成吸附后还是会有少部分H2、N2、CO等气体没有被排干净，所以还得进行多次均匀才能将其彻底排净。随后，我们可以利用逆向放压与抽真空的技术将吸附剂上的CO2解吸附，让吸附剂再生。抽真空以后，可以通过均压中的降压气以及净化气来逐渐升压，直到吸附塔的压力达到吸附压力后，便可进行重复进行下一次分离。

变压吸附中较为常见的吸附剂主要有氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等。氧化铝为固体，有较强的亲水性，通常用来对气体进行脱水处理。硅胶类吸附剂为合成的无定形的二氧化硅，是Na2SiO3·9H2O与无机酸通过胶凝、洗涤、干燥等步骤制作而成的，其不但具有较强的亲水性，并且对于烷烃以及二氧化碳等成分也具有良好的吸附力。活性炭作为一类广谱耐水的吸附剂，因其表面具有氧化物基团和无机物杂质，因而活性炭极性很小，再加之其较大的内表面积，因此对于弱极性以及非极性分子都具有很好的吸附力。沸石分子筛吸附剂是一种强极性的吸附剂，其含有碱土元素的结晶态偏硅铝酸盐，孔径均匀，选择性很强。如果气源的构成复杂，那么通常会将多种吸附剂联合使用，按[7][8][9] 汤霞槐.变压吸附提氢技术在合成氨弛放气氢回收装置的应用[J].化肥设计，2009，02：37-39+42.汪寿建.变压吸附在合成氨原料气净化中的应用[J].化工设计通讯，2011，02：34-38.洪鉴.80kt/a合成氨变压吸附脱碳装置技术改造[J].小氮肥，2011，08：9-13.照其性质差别对吸附床进行分层填装，进而实现高效分离的效果。[10] 2.2 合成氨变压吸附工艺的优势

1.耗能少。变压吸附工艺能够运行的压力范围很大，因此对压力没有过高的要求和限制。如果气源自身有压力，那么就可以节省再次加压的消耗，并且变压吸附不需要特殊的温度，因此不用加热或者冷却。

2.工艺步骤简单。不需要繁琐的步骤便可以将多种气体分离开来，并且对水、硫化物以及烃类等杂质耐受力较强，不需要经过繁琐的前期处理。

3.装备可灵活调节，操作弹性大。只要稍微调整设备就能够使生产负荷发生变化，并且负荷条件不同时也可以保证产品质量相同，仅回收率可能会发生变化。对于杂质含量与压力等条件，变压吸附装置没有很多的限制，可调节性很大。

4.吸附剂耐用，如果按照正常流程操作，一般情况下，吸附剂的寿命可高达十几年。5.绿色环保。如果不考虑原料气性质的话，那么变压吸附设备的操作是没有污染的，对环境十分友好。

6.操作步骤简单便捷，可节约气体压缩功的附加耗能。2.3 合成氨变压吸附的前景

上个世纪时，吸附分离是化工操作的一部分，被用作辅助工艺，仅仅应用于工业气体的干燥脱水以及除去极少量的二氧化碳。但是随着工艺技术的发展，变压吸附技术得到了很大的改善，现已变成一种快捷高效的气体分离方法，被应用在众多领域上，是深冷法之后的又一突破分离工艺。在上个世纪80年代，变压吸附制氢被成功应用于工业当中，因为其耗能少、操作简单、制得的产品纯度高等优点，自那以后在我国迅速推广开来，迄今为止，我国已有的以及正在建设的变压吸附设备累计超过一千套。

在应用领域上，随着变压吸附技术的日渐成熟，目前已得到了较大的肯定，就当前情况而言，变压吸附技术主要在以下领域有所应用：（1）从富含氢气的气体中将氢气提纯分离出来；（2）从含有CO2的气体中分离纯化并得到食品级的CO2；（3）从富含CO的气体中收集CO；（4）在合成氨的过程中进行脱碳；（5）纯化天然气；（6）从空气中制取氧气以及氮气；（7）从瓦斯气中提取甲烷；（8）对乙烯进行纯化与提取；（9）对多 姜宏，谯中惠，郜豫川.新型变压吸附脱碳技术在合成氨厂的应用[J].低温与特气，2005，06：28-31.[10]

种气体进行干燥脱水（10）对工业上的废气进行处理等。由此可见，变压吸附技术已被广泛应用到各行各业中。合成氨变压吸附工艺的优化

3.1 产品纯度的调整

利于提高产品氢纯度。吸附循环周期和原料气处理量不变，均压次数过多，均压过程的压力降则越大，被吸附的杂质也会越容易穿透进入下一吸附塔，并留在吸附剂床层顶部被吸附，导致该塔在转入下一次吸附时杂质较容易被氢气带出，降低产品氢纯度。此外，变压吸附变压吸附工艺具有产品纯度范围宽、且易于调整的特点。在工艺参数及气体工艺条件都不变的条件下，纯度受原料气流量变化的影响很大，原料气流量越小，在每一循环周期内进入吸附塔的杂质越少，杂质也就越难以穿透，进而产品氢纯度越高；反之，原料气流量增多，则不设备随着使用时间的增加，如果对程控阀维护不当，造成程控阀动作变慢，同样会严重影响氢气的回收率和纯度。产品气从吸附塔出来后可直接进入产品气缓冲罐，取消减压阀和压力调节阀。原设计的产品气管线上引出了1条压力平衡管线，旨在为6次均升后的吸附塔补充压力，但在产品气缓冲罐前设置减压阀和压力调节阀，势必造成运行中的吸附塔的压力波动，反而不利于吸附塔的平稳运行。因此取消该减压阀和压力调节阀，将产品气缓冲罐的操作压力提高到与系统操作压力一致，这样产品气缓冲罐直接调节均压后管道和设备的压力波动，会有益于吸附塔的稳定生产。[11]

由于产品纯度与产品回收率是成反比关系的，即：在原料气条件不变和解吸压力一定的情况下，产品纯度越高，氢气回收率越低。[12]因而，要保证装置运行于最佳状态，就必须将产品纯度控制在既能满足生产需要，又尽可能低的范围内。修改吸附时间和修改“操作系数”，延长吸附时间、增大“操作系数”，则可以提高产品回收率；缩短吸附时间、减小“操作系数”，则可以提高产品纯度。

Sorption of Carbon Dioxide from Wet Gases by K2CO3-in-Porous Matrix: Influence of the Matrix Nature[J].A.G.[11]Okunev,V.E.Sharonov,Yu.I.Aristov,V.N.Parmon.Reaction Kinetics and Catalysis Letters.2000(2)[12] R and D Note: Separation of a Nitrogen-Carbon Dioxide Mixture by Rapid Pressure Swing Adsorption[J].Zhixiong Zhang,Jianyu Guan,Zhenhua Ye.Adsorption.1998(2)

3.2 装置参数的调节 3.2.1调整吸附时间

依据原料气量的变化和产品纯度的变化自动地计算出最佳吸附循环时间，优化装置的运行状况，使装置在保证产品质量的前提下，还可以自动地获得最高的产品回收率、获得最佳的经济运行效益。

因吸附剂吸附能力一定，按照一般情况来说，循环时间×气量=定值，当系统气量增大时，必须通过减少循环时间来控制出口指标，反之亦然。

气体混合物的流量、组成和循环时间三者之间密切联系。要求获得一定纯度的CO产品气，当气体混合物的流量增大时，需要缩短循环时间；当气体混合物的流量减小时，则需相应增加循环时间。在生产过程中，调节CO纯度、循环时间和气体混合物流量时，必须满足下列条件：[13]

实际吸附时间≦同时处于吸附状态塔数实际吸附压力额定压力4.5

当装置的处理量改变之后（或原料气组成改变后），将有可能影响产品的纯度，这时可调“操作系数”以调整吸附时间，使产品纯度重新运行于最佳范围。由于调整吸附时间后，产品纯度不会马上有所变化，而是有一个滞后期，故在工况变化时，必须提前逐步做好相应调节。

补充氮气可通过增加造气工段吹风气的回收时间来实现。由于变压吸附脱碳工序装置的氮气损失相对来说要大些，因而工厂可以通过延长造气工段吹风气的回收时间来回收一些氮气弥补损失，使净化气中氢氮比产量达标。与总气量相比，所增加的气体量并不多，以2万t/a合成氨能力的厂为例，生产的半水煤气大约13000m3/h（标态），增加的氮气不到总气量的1%，设备负荷就可以承受。补充氮气的既定原则是：a.氢氮比符合要求；b.加氮气量按PSA装置来说，每处理4800m3/h（标态），变换气增加90m3/h（标态）左右；c.在吹风气补充氮气的过程中，要选择好吹风气回收的时间，最好少带入CO2，应根据各厂的生产操作条件来选择好吹风气回收的时间[14]。3.2.2 产品气升压控制

[13][14]郑黎,周丽莉.变压吸附气体分离技术应用及展望[J].河南化工,2010,(16):4-6.汤士勇.变压吸附脱碳对甲烷、硫化氢等有害气体脱除的探讨[J].小氮肥设计技术,2005,06:33-35.产品气升压调节阀随PID调节来实现对产品气升压的速度的控制，升压调节阀的设定值可由计算机自动计算产生，无需操作工进行手动修改，需要调节的只是升压调节阀的最小、最大开度和PID参数。设置开度大不和PID参数时应使最终升压力在切换时基本上达到符合要求的吸附压力，与吸附压力之差不得高于0.05MPa。[15]

需保持高压机的压力平衡。变压吸附脱碳装置起着1个“碳化工段”的脱碳作用，变换气通常是由高压机三段出口送来，经过脱碳后的净化气返回高压机的四段入口。[16]众所周知，目前合成氨工业用高压机是按一、二、三段压缩变换气和四段之后压缩净化气来设计的，四段之后的压力分配和气缸设计，通常是按变换气中仅脱掉CO2而没有考虑其它气体损失的情况来制定。当变压吸附脱碳装置开始运行以后，在把CO2脱掉的同时，CH4、CO、H2S等有害杂质也会被大部分脱掉，另外也会损耗一部分H2、N2[17]。后两种因素的结果会引起高压机的四段入口压力偏低，如果在压缩机一段入口通过罗茨鼓风机加压来减小高压段的影响，也较容易引起一、二、三段超压。针对不改变高压机而又有气体损失的气缸，能让高压机满负荷压力平衡运行的办法之一是增加1台小型煤气压缩机补偿气体损失，三段出口压力与排气压力接近即可，这样的配置相当于增加了一、二、三段的打气能力，在变压吸附脱碳装置上再损耗一些气体，正好可以满足四段入口的压力要求，由此就可以解决高压机各段压力不平衡的问题，使高压机能满负荷运行，从而保证了高压机各段之间气体损失的减小，同时高压机各段气体之间的压力平衡也有利于气体回收工艺和脱碳工艺的彻底进行。[18] 3.2.3 粗脱碳系统与净化系统吸附时间的协调控制

净化系统逆放气的氢气含量约为23%左右，供给粗脱碳系统初步升压回收利用。如果净化系统与粗脱碳系统吸附时间控制不协调，致使粗脱碳系统无法完全有效地回收净化系统逆放气，净化系统逆放气因压力高被迫放空以维持净化系统彻底再生，这样将大大降低氢气回收率。一般来说，适宜适当加长净化系统吸附时间，以此减少净化系统逆 李博，韩大明，薛东旭.膜分离与变压吸附技术在甲醇和合成氨生产中的应用[J].广州化工，2012，23：132-133.唐莉，王宇飞，李忠.变压吸附脱除并回收合成氨变换气中CO2[J].中氮肥，2000，05：23-24+26.王春燕,杨莉娜,王念榕,丁建宇,王天明,黄秀杰.变压吸附技术在天然气脱除CO2上的应用探讨[J].石油规划设[15][16][17]计,2013,01:52-55.[18]马迎丽，张凡军.变压吸附脱碳在合成氨生产中应用的讨论[J].氮肥技术，2010，01：31+45.放气的解吸量，可适当缩短粗脱碳系统的吸附时间，增加其循环次数，以利用更多的净化系统逆放气量。3.3 装置工艺的优化

近几年，我国为数众多的以生产碳铵为主的中小型合成氨厂由于生产工艺落后、产品成本高、能耗高等原因，已濒临停产，根据市场需要来改单一产品为多元产品、降低产品生产成本、降低能耗已经迫在眉睫。变换气脱碳工段是合成氨生产中能耗高的工段之一，因此要降低合成氨能耗，选择低能耗的变换气脱碳工艺至关重要。[19]合成氨原料气净化的一个重要工序是变换气脱碳，我国许多中小氮肥企业目前采用的均为碳化工艺，即将合成的氨几乎全部返回碳化工序用于脱除变换气中的CO2，同时得到大量碳酸氢铵。[20]

由于碳铵价格受季节、进口化肥等因素的影响会有很大波动，而碳铵生产成本较高，因此以碳氨为主要产品的这些企业大多数都处于举步维艰的状态，由此我们也了解到由碳铵改产尿素是一条新的出路。在已成功开发的变换气脱碳工艺技术和变压吸附提纯CO2技术的基础上，经过研究最终开发出了从合成氨变换气中同时制取双高产品的新工艺，即采用变压吸附装置，用变换气直接制取能用于合成尿素的纯CO2气体和能用于生产合成氨的氢氮气两种产品。该工艺的成功开发，使变压吸附技术成为合成氨厂碳铵改产尿素的经济、有效的方法。该装置所生产多余的纯CO2气体还可直接精制，从而得到工业液体CO2和食品级CO2外售，进一步提高经济效益。[21]

装置的技术指标如下：（1）原料气：合成氨变换气

适用压力：0.7—2.5MPa适用温度：≤400C H2S含量要求：≤500mg/m3 H20：饱和（2）产品一：氢氮混合气

氢气回收率：≥96% 氢氮比：2.8--3.3 氢氮气中CO2含量：≤0.3% [19][20][21] 黄家鹄,王斌,雍思吴,穆春雷.热钾碱法与变压吸附法脱碳工艺比较[J].氮肥技术,2015,(05):10-12+20.于干.化学吸收法/变压吸附法脱除沼气中CO_2的实验研究[D].浙江工业大学,2013.何景连.合成氨分离方法的比较及其吸附分离的初步研究[D].四川大学,2005.输出压力：低于原料气压力0.05MPa（3）产品二：纯二氧化碳气

CO2：含量：≥98 %

CO2：提取率：≥75 % 输出压力：常压

结语

总之，变压吸附技术具有流程简单、能耗低、装置自动化程度高、产品气纯度高、操作简单等优点，且在合成氨企业已得到广泛的应用，随着社会的发展和企业技术的进步，变压吸附技术必将会有越来越重要的作用。

参考文献

[1] 李俊成，肖隆斌.变压吸附提纯二氧化碳技术应用[J].大氮肥，2007，01：19-21.[2] 王波.几种脱碳方法的分析比较[J].化肥设计，2007，02：34-37.[3] 毛薛刚，张玉迅，周洪富，管建平.变压吸附技术在合成氨厂的应用[J].低温与特气，2007，05：39-43.[4] 殷文华，罗英奇，吴巍，伍毅，曾凡华，李克兵，郜豫川.变压吸附技术在合成氨行业的应用和发展[J].低温与特气，2015，01：45-49.[5] 尤彪.型煤+变压吸附制氧+富氧连续气化组合及其前景[J].中氮肥，2008，02：5-9.[6] 黄立新.变压吸附技术在合成氨中的工艺研究及其优化设计[J].江西化工，2008，03：188-191.[7] 汤霞槐.变压吸附提氢技术在合成氨弛放气氢回收装置的应用[J].化肥设计，2009，02：37-39+42.[8] 汪寿建.变压吸附在合成氨原料气净化中的应用[J].化工设计通讯，2011，02：34-38.[9] 洪鉴.80kt/a合成氨变压吸附脱碳装置技术改造[J].小氮肥，2011，08：9-13.[10] 姜宏，谯中惠，郜豫川.新型变压吸附脱碳技术在合成氨厂的应用[J].低温与特气，2005，06：28-31.[11] Sorption of Carbon Dioxide from Wet Gases by K2CO3-in-Porous Matrix: Influence of the Matrix Nature[J].A.G.Okunev,V.E.Sharonov,Yu.I.Aristov,V.N.Parmon.Reaction Kinetics and Catalysis Letters.2000(2 [12] R and D Note: Separation of a Nitrogen-Carbon Dioxide Mixture by Rapid Pressure Swing Adsorption[J].Zhixiong Zhang,Jianyu Guan,Zhenhua Ye.Adsorption.1998(2)[13] 郑黎,周丽莉.变压吸附气体分离技术应用及展望[J].河南化工,2010,(16):4-6.[14] 汤士勇.变压吸附脱碳对甲烷、硫化氢等有害气体脱除的探讨[J].小氮肥设计技术，2005，06：33-35.[15] 李博，韩大明，薛东旭.膜分离与变压吸附技术在甲醇和合成氨生产中的应用[J].广州化工，2012，23：132-133.[16] 唐莉，王宇飞，李忠.变压吸附脱除并回收合成氨变换气中CO2[J].中氮肥，2000，05：23-24+26.[17] 王春燕，杨莉娜，王念榕，丁建宇，王天明，黄秀杰.变压吸附技术在天然气脱除CO2上的应用探讨[J].石油规划设计，2013，01：52-55.[18] Separation of Bulk Carbon Dioxide-Hydrogen Mixtures by Selective Surface Flow Membrane[J].M.Paranjape,P.F.Clarke,B.B.Pruden,D.J.Parrillo,C.Thaeron,S.Sircar.Adsorption.1998(3)

[19] 马迎丽，张凡军.变压吸附脱碳在合成氨生产中应用的讨论[J].氮肥技术，2010，01：31+45.[20] 黄家鹄,王斌,雍思吴,穆春雷.热钾碱法与变压吸附法脱碳工艺比较[J].氮肥技术,2015,(05):10-12+20.[21] 何景连.合成氨分离方法的比较及其吸附分离的初步研究[D].四川大学,2005.[22] 于干.化学吸收法/变压吸附法脱除沼气中CO_2的实验研究[D].浙江工业大学,2013.[23] 杨军红,肖红玲,李小倍.变压吸附提纯一氧化碳工艺系统的优化运行[J].大氮肥,2013,(02):115-117.[24] 强艳波.变压吸附（PSA）分离净化煤气提纯一氧化碳的工艺过程分析与优化[D].华东理工大学,2011.[25] 李耀刚.变压吸附脱碳工艺的发展及优化[J].中氮肥,2010,(01):45-47.[26] 徐冬,张军,翟玉春,刘丽影,李刚.变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展[J].化工进展,2010,(01):150-156+162.[27] 李耀刚.变压吸附提氢工艺的优化[J].化肥设计,2009,(03):36-38.[28] 李刚,母荣新,范培水.优化变压吸附脱碳工艺减少有效气体损耗[J].小氮肥,2005,(06):8-10.[29] 王祥云.合成氨气体净化技术进展(下)——脱碳技术的进展[J].化肥工业,2005,(02):19-28+37.[30] 陈道远.变压吸附法脱除二氧化碳的研究[D].南京工业大学,2003.[31] 宋伟杰.变压吸附空分制氧吸附剂的研制[D].大连理工大学,2001.[32] 吴楷.变压吸附富氧工艺用于合成氨制气过程的技术经济分析[J].化工技术经济,1996,(06):23-27+13.[33] 黄家鹄.变压吸附技术改革合成氨工艺设想[J].中氮肥,1985,(04):1-5.11

致谢

本论文是在导师的谆谆教诲和指导下完成的，从选题、构思到定稿无不渗透着导师的心血和汗水；导师渊博的知识和严谨的学风使我受益终身，在此表示深深的敬意和感谢。

这次写论文的经历也会使我终身受益，我感受到，做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程。没有认真学习和钻研，自己就不可能有研究的能力，就不可能有自己的研究，就不会有所收获和突破。希望这个经历，在今后的学习和生活中能够继续激励我前进。

另外，还要特别感谢我的家人，他们时刻关心我，给我提供了学习的机会，时时刻刻为我鼓劲、为我加油，进而促使我不断成长和进步。同时，也要感谢寝室的室友以及所有关心我的朋友，感谢他们陪伴我走过了很多美好的时光，在我遇到困难时他们关心我、帮助我。在完成毕业论文的过程中，很多朋友都给了我无私的帮助和支持，在此表示由衷的谢意！

最后，因本人水平有限，论文肯定还有不少不足之处，恳请各位老师批评指正，我希望可以有机会继续去完善，我将不断努力继续充实自己。

吕先豪

2017年5月12日于洛阳师范学院

合成氨变压吸附工艺优化(原文) 第2篇

物料在精馏低塔系统处理完毕后，剩余的不凝气体经过预热器预热进入吸附塔，乙炔和氯乙烯被吸附下来，无法被吸附剂吸附下来的其他气体通过尾排阀门排放到大气中。

吸附饱和的吸附塔经过压力均降，逆放，抽空一，抽空二，抽冲，抽空三，压力均升，终充8个步骤进行处理，塔内吸附的乙炔和氯乙烯完全解吸出来，通过压力差和真空泵送入转化。

下面将变压吸附的9个步骤进行分步介绍：

1、吸附

不凝气体在尾排前进入预热器，原料气在预热器内加热到40℃后，通过KV1阀送到吸附塔内。六塔流程为两个塔同时进行吸附，其他四个塔进行处理。原料气内氯乙烯和乙炔在吸附塔内被吸附下来，剩余未被吸附的气体，经过KV2阀到达尾排，通过压力调节阀门排放至空气中。

此过程需要的时间为804S，压力比精馏系统的压力低0.02MPa，在0.47～0.49 MPa。总时间的设定是根据原料气流量、净化气内的氯乙烯和乙炔含量决定的。

如精馏系统出现波动，变压吸附的压力也同时跟着波动。所以，我们在操作时，要保证精馏压力及原料气的流量稳定。当精馏停车时，系统通过KV10，KV11或KV15,KV16阀切换至直排；精馏压力低到设定值（0.45 MPa）时，系统自动进行切换。

2、压力均降 吸附结束后，饱和的吸附塔在设定好的T2步骤进行压力降，通过KV5和KV9阀，将吸附塔内的压力泄入中间罐内。均降步骤在16S就可完成，剩余的时间留给抽空三，使得抽空三步压力尽可能的抽至-0.09MPa吸附塔的解吸更彻底。

吸附塔压力由0.48MPa降至0.22MPa。

3、逆放

均压结束后，吸附塔的逆放为T4和T6步骤，共计130S。此时，吸附塔的压力通过KV17阀进入转化二级混脱，为防止转化压力波动，控制HV102阀门的开度调节，使气体的压力缓慢释放。

压力由0.22MPa降至0.04～0.05MPa。HV102的斜率系数为1.00，阀门的最小开度为25%，最大开度为100%。

4、抽空一

逆放结束后为吸附塔的T8抽空一，打开KV18或KV19阀控制HV102阀门的开度，真空泵

设定的时间为132S，达到要求的真空度-0.05 MPa。

5、抽空二

6、抽冲

7、抽空三

8、压力均升

合成氨变压吸附工艺优化(原文) 第3篇

甲醇合成反应是在催化剂上进行的复杂的、可逆的化学反应。主反应有:

CO+2H2→CH3OH+102.5 kJ/mol

CO2+3H2→CH3OH+H2O+59.6 kJ/mol

义马气化厂甲醇合成装置所采用的是以氧化铜为基础的三元低温催化剂,该催化剂能有效地抑制副反应的进行,同时加速主反应的进行。甲醇合成反应是按下面五个过程进行的。

(1)扩散——气体自气机扩散到气体和催化剂的界面。

(2)吸附——各种气体在催化剂的活性表面进行化学吸附。

(3)表面反应——化学吸附的反应物在活性表面上进行反应,生成产物。

(4)解吸——反应产物脱附。

(5)扩散——反应产物气体自催化剂界面扩散到气相去。

以上五个过程,(1)、(5)进行得最快;(2)、(4)进行的速度比(3)快得多,因此整个反应过程取决于第三个过程,即反应物分子在催化剂的活性表面的反应速度。

对于甲醇合成反应,从化学平衡看,分子比H2/CO=2/1,但由于CO在催化剂的活性中心的吸附速率比H2要快得多。所要以达到吸附相中H2/CO=2/1,就要使气相中的H2过量一些。一般认为在合成塔入口的H2/CO=4～5较为合适,而且过量的氢可以减少副反应以及降低催化剂的中毒程度。

2 膜分离技术

2.1 膜分离技术综述

膜作为气体分离技术,应用于20世纪80年代前后,而对甲醇弛放气中氢气回收效果较好的膜技术则是美国空气产品公司所生产的聚酰亚胺材质的中空纤维膜,1977年,美国MONSANTO公司率先推出了商品化的普里森Prism®气体膜分离装置,用于合成气H2/CO的比例调节。其所用的分离膜是梯度致密的中空纤维复合膜。

(1)梯度致密——很薄的致密分离层及多孔网状支撑层使得膜在能承受两侧较大压差的同时,气体通过膜壁的阻力很低,有较高的渗透速率。

(2)中空纤维——在细小的空间中提供巨大的分离面积,使膜分离器紧凑高效。

(3)复合涂层——防止机械缺陷产生孔道筛分而降低分离系数。这是气体膜分离技术的一次根本性突破[1]。

2.2 膜分离分离气体工作原理

膜分离系统的工作原理是利用一种高分子聚合物(作为氢气回收的膜材料通常是聚酰亚胺)薄膜来选择“过滤”进料气而达到分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时,各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异,导致其渗透通过膜壁的速率不同。由此,可将气体分为“快气”(如H2O、H2、He等)和“慢气”(如N2、CH4及其它烃类等)。当混合气体在驱动力—膜两侧相应组分分压差的作用下,渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集,而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集[2]。

3 变压吸附技术

3.1 变压吸附技术原理

吸附,当两种相态不同的物质接触时,其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。具有吸附作用的物质(一般为密度相对较大的多孔固体)被称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。

吸附按其性质的不同可分为四大类,即:化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩、物理吸附。

3.2 主要讨论的变压吸附:物理吸附

物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力(即范德华力)进行的吸附。其特点是:吸附过程中没有化学反应,吸附过程进行的极快,参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成,并且这种吸附是完全可逆的[3]。

3.2.1 吸附平衡

吸附平衡是指在一定的温度和压力下,吸附剂与吸附质充分接触,最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。这个过程为动态平衡,对于相同的吸附剂和吸附质,其平衡吸附容量是一个定值,这个量主要受压力与温度影响。

从图1的B→A和C→D可以看出:在温度一定时,随着压力的升高吸附容量逐渐增大;从上图的B→C和A→D可以看出:在压力一定时,随着温度的升高吸附容量逐渐减小。一般吸附在常温状态下吸附,视作等温[4]。

故而变压吸附(PSA),就是利用吸附剂对不同气体组分随压力变化而变化的吸附特性,加压吸附部分组分,降压解吸这些组分,从而使吸附剂得到再生,并使不同气体得到分离的过程。显而易见它有如下优点:

(1)产品纯度高;

(2)一般可在室温和不高的压力下工作,床层再生时不用加热,节能经济;

(3)设备简单,操作、维护简便;

(4)连续循环操作,可完全达到自动化。

4 工业应用实例

国内某厂甲醇合成装置弛放气量达到60000 Nm3/h,如何高效利用该弛放气中有效组分CO,CO2和H2为合成甲醇和合成氨提供合适的原料将具有重大意义。综合比较普利森膜和变压吸附技术的优点,研究决定采用普利森膜+变压吸附串联提纯氢气,尾气返回甲醇合成系统的工艺路线。

注:入变压吸附原料气取整38000 Nm3/h。

从表1中数据对比我们可以得出以下结论:

(1)甲醇弛放气经过膜分离预处理后的非渗透气可以经过减压送往甲醇合成系统,其中的CO,CO2,H2组分用作调整甲醇合成气的氢碳比,最大限度的利用,避免浪费。

(2)入变压吸附的原料气(膜渗透气)经过处理后,提取其中的氢气(纯度高达99.99%),可以为合成氨生产供给高纯氢气,减轻气体中杂质对合成氨催化剂的毒害作用,具有可观的经济效果。

(3)经过变压吸附处理后的解析气经过增压后也送往甲醇合成系统,以利用其中的CO,CO2,H2调整甲醇合成气的氢碳比。

(4)本工艺路线将甲醇弛放气中的有效组分尽最大限度利用,避免了工艺运行过程中物料的无序排放及对环境造成的污染,经济高效。

参考文献

[1]孙桂林.气体膜分离技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2004:50-55.

[2]刘茉娥.膜分离技术[M].北京:化学工业出版社,1998:60-72.

[3]李耀,张卫.气体吸附制取操作指南[M].北京:机械工业出版社,2011:62-68.

头孢吡肟中间体合成工艺优化 第4篇

【关键词】头孢吡肟；中间体；合成方式；优化方案

头孢吡肟中间体的合成工艺可以分为四分部分，包括目的、方法、结果以及结论。目的是为了在已有的实验环境下以7-ACA作为原料来合成头孢吡肟中间体，并借此在一定层面上提高其收率。具体的操作方法与国外一些文章报道的相关操作相一致。同时，在采用了正交的设计方法进行一些关键步骤的考察（温度、时间、剂量）对收率的影响度。其最终的结论就是是中间体的收率在80%左右。由此得出该方法更易于控制中间体的合成，减少一些复杂的操作，同时降低成本。

一、头孢吡肟的作用与中间体的合成

1、作用

新一代的孢菌素药物——头孢吡肟，主要由二氯甲烷、三甲基碘硅烷以及六甲基二硅胺烷在一定的温度下进行热反应得到的。主要用于敏感菌感染造成的泌尿道感染、皮肤感染、腹部感染、妇科感染以及败血症等，头孢吡肟作为第四代的头孢菌素与第三代相比，其抗菌作用有了更深层次的发展，平衡的抗菌性和对阴性杆菌具有良好的抗菌活性，这些特点使它成为日后临床医学更为广泛接受的的抗菌性质的药物。

2、中间体的合成

首先是实验部分。在这个方面又包括实验的方法、设计、结果等方面。具体的来说就是：在拥有氮气保护的条件下将50g的7—ACA原料溶解在350ml的CF3CC13溶液中，同时加入0.22molHMDS原料以及5.5mmol的TMSI溶液，在一定時间内加热回流，反应完全之后要将其冷却到室温，过一段时间之后继续滴加TMSI溶液，结束之后搅拌反应时间达到30分钟。当温度冷却5～10℃之后继续滴加N-甲基吡咯烷溶液，一段时间之后添加同温度的CF3CC13原料，之后在0～5℃的温度条件下反应时间约为30min左右。反应结束之后添加甲醇溶液（约为25ml），在同一温度下搅拌15min左右之后移开冰浴，加入盐酸（125ml），密度约为3mol/L，之后将温度升高至室温条件使反应进行15min。用水萃取，并且用活性炭脱色后（室温）提取到桔黄色的溶液。加入甲醇，可以看到逐渐出现结晶，此时静置30min。搅拌之后继续添加甲醇溶液（850ml），冷却到0～5℃时继续进行搅拌。之后就是过滤操作，冷甲醇一水（200ml×2）、丙酮（100ml）按照先后顺序依次进行洗涤，之后在40℃的环境温度下进行减压以及干燥处理，这样就可以得到中间产物，即白色粉末。以上就是在一定的环境条件下进行的头孢吡肟中间产物的合成工艺，综上所述，这些合成原料的配比十分慎重合理，缺一不可。

二、如何优化中间体的合成工艺

纵然已经了解到了如何在一定的环境条件下进行中间体的生产过程，但是不难看出中间体的收成率并不高并且过程需要十分慎重，由此可见，必须在现有的技术基础上进行一定程度的优化方案，已解决上面所提到的问题。对合成工艺的优化其目的也就是为了提高提成率，那么从根本上来说就是要有一个合理的、详细的、充分的实验设计方法，所以在合成过程中采用了正交的实验设计原理对其过程进行过一定程度的优化。具体的来说就是：控制反应时间、控制反应过程中TMSI的用量以及另外一种原料——N-甲基吡咯烷的用量，这三者之间的时间控制合理之后就可以在很大程度上提高对中间体的合成。通过一系列的实验反应可以得出以下结论，其都可以用来优化中间体的合成过程。首先是温度的影响，在反应时间达到10小时左右时中间体的收成率最高，如果反应时间有一定程度的缩短则会造成反应不完全进行，容易浪费原料；过长的反应时间则会造成大量的副产物产生，不易于中间体的提取。其次就是TMSI的用量，从大量的实验数据以及生产实践过程可以看出，TMSI的用量直接决定着中间体的生成，其用量越多，生成的产物也就越多，而且一般用量在45ml左右时产量最高，这个因素也是影响提成率最高的重要原因之一。最后就是N-甲基吡咯烷的分量问题。其主要的影响趋势与TMSI大致相同，都是与分量的多少呈正比例关系，用量越多，产量也就越高，一般最为合适的用量大致在20g左右徘徊。由此可见，通过对各个影响变量的分析可以看到，要对中间体的合成过程进行优化就必须将这三个方面紧密结合在一起，三者缺一不可，都是影响提成率的决定性因素，利用三者之间的合作关系能更加充分的提高合成功效，在原有的技术基础之上更加合理的、充分的利用原材料，是三者之间的配合比例达到协调，更深层次的提高产量以及质量，做到保质保量。

三、对于此类合成工艺的总结

众所周知，头孢吡肟作为新一代（第四代）的头孢性质的菌素，自从其面世到现在的广泛运用已经经历了很多实验与生产实践的挑战，其作用及其中间的生成物的合成也在随着科技的进步在不断的得到推广和发展。这一切都源自原料本身具有的诸些性质，比如说其具有的特殊的、优良的药代且包含动力学性质的特点使其作用在医学领域得到更进一步的推广和发展，结构独特的头孢吡肟在很多方面都具有很特殊的功效，低毒以及耐细菌的特点使其成为在治疗外科感染、呼吸道感染问题等一列的细菌引起的感染问题上一把坚韧的利器。同时，其中间产物（主要是盐酸性质的头孢吡肟）更是其主要作用的重要角色之一，因此在如何把握合成中间体的问题上更加值得探究与思考，要在减少成本的基础上又能够提高生成率已然成为目前必须解决的重大医药难题之一。如果可以在此类研究性的问题上取的突破性的进展，那必将可以更加充分的利用这一绝好的原料，更加高效的为医学领域做贡献，在这一行业的探究还远远没有结束，它仍然是一种潜力巨大的科技财富。

参考文献

[1]徐兆瑜.医药中间体的发展和市场前景（二） [J].《化工中间体》，2003， 13.

[2]高洪建，余中心.抗菌药物中间体开发研究[J].精细化工中间体，2001，31（2）

[3]王荣耕.头孢类抗生素用中间体市场分析[J].精细与专用化学品，2001，9（8）