己二酸尾氣綜合利用提取N2O項目設(shè)計

叢鳳英， 孟麗莉， 張 星

(山西陽煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

引 言

一氧化二氮,化學(xué)式為N2O，俗稱“笑氣”，是一種具有溫室效應(yīng)的氣體，是《京都議定書》規(guī)定的6種溫室氣體之一。其在大氣中的存留時間長，并可輸送到平流層，也是導(dǎo)致臭氧層損耗的物質(zhì)之一。與二氧化碳相比，其單分子增溫潛勢是二氧化碳的310倍[1-2]。

N2O具有氧化性和麻醉作用，可以用于半導(dǎo)體芯片、液晶顯示面板和醫(yī)療等行業(yè)。目前，國內(nèi)笑氣市場緊俏，主要是由國外大公司進(jìn)口供應(yīng)。因此，在國內(nèi)發(fā)展超純N2O特種氣體不但能夠為國內(nèi)高速發(fā)展的半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)以及液晶顯示面板產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航，而且在國際市場上也有著廣闊的市場空間[3-5]。

某公司己二酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工藝尾氣量為1 400 m3/h～1 600 m3/h，其中，N2O體積分?jǐn)?shù)為40%～50%。因此，建立尾氣提純N2O生產(chǎn)裝置顯得尤為重要，不僅可以很好地改善空氣質(zhì)量，積極響應(yīng)國家政策，并且可以回收大量的產(chǎn)品，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝設(shè)計

目前工業(yè)化生產(chǎn)N2O技術(shù)主要有三種：硝酸銨熱分解法、氨接觸氧化法、尾氣提純法。其中，尾氣提純法具有原料來源容易、產(chǎn)品純度高、成本低等優(yōu)勢。現(xiàn)以公司己二酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工藝尾氣為原料，通過洗滌、壓縮、吸附、精餾等步驟提取其中的高純N2O。工藝流程圖見第104頁圖1。

圖1 工藝流程框圖

1.1 洗滌單元

含有N2O的尾氣壓力(0.16 MPa，現(xiàn)有裝置內(nèi)已有壓力泄放設(shè)施，防止進(jìn)入生產(chǎn)裝置的尾氣超壓)進(jìn)入第一級洗滌塔，根據(jù)CO2氣體在水中有一定溶解度的原理，去除大量CO2雜質(zhì)。原料尾氣中CO2體積分?jǐn)?shù)約6%，經(jīng)過洗滌后，CO2雜質(zhì)體積分?jǐn)?shù)可以降低到0.2%以內(nèi)。氣體洗滌塔排出的洗滌水進(jìn)入洗滌水再生儲罐，通過抽真空處理，解析洗滌水中溶解的CO2雜質(zhì)，再生后循環(huán)使用。去除CO2后的己二酸尾氣進(jìn)入第二級堿洗塔，主要深度去除CO2氣體和微量NO2氣體。經(jīng)過堿洗后，CO2和NO2雜質(zhì)體積分?jǐn)?shù)降到小于3×10-6。第二級洗滌堿液往一級洗滌水再生儲罐排放。第二級洗滌后氣體進(jìn)入第三級堿洗塔。第三級洗滌堿液往二級堿液儲罐排放。

主要反應(yīng)式如式(1)、式(2)。

1.2 壓縮單元

第三級堿洗塔洗滌后的氣體經(jīng)過5 m3緩沖罐緩沖后進(jìn)入壓縮機增壓(入口壓力0.12 MPa，溫度常溫；出口壓力1.5 MPa，溫度小于45 ℃)。

1.3 吸附單元

壓縮機出來的氣體進(jìn)入冷干機組(3 ℃，1.9 MPa)干燥。壓縮空氣進(jìn)入冷凍干燥機后，先進(jìn)入冷干機預(yù)冷器中，在此與來自冷干機蒸發(fā)器的干燥低溫冷空氣進(jìn)行熱交換，其溫度及含濕量得到初步降低，但還未達(dá)到干燥要求，之后被干燥后空氣繼續(xù)進(jìn)入冷干機蒸發(fā)器，在冷干機蒸發(fā)器中與制冷劑進(jìn)行熱交換，溫度降低，在冷干機蒸發(fā)器出口，其溫度達(dá)到所要求的壓力露點溫度。通過冷干機蒸發(fā)器的氣水混合物進(jìn)入冷干機氣水分離器，在氣水分離器中分離出的液態(tài)水分經(jīng)自動排水器排出機外。干燥后的空氣再進(jìn)入冷干機預(yù)冷器，并與進(jìn)入冷干機預(yù)冷器的熱空氣進(jìn)行熱交換，使其溫度升高后，排出冷凍干燥機，進(jìn)入生產(chǎn)管線。初步干燥后的尾氣進(jìn)入2級變壓吸附去除水分雜質(zhì)(3 ℃，1.9 MPa)。經(jīng)過干燥和變壓吸附后的氣體水分體積分?jǐn)?shù)小于2×10-6。干燥機出來的氣體進(jìn)入脫碳吸附塔內(nèi)，深度去除CO2。CO2含量控制0.1 ppm以內(nèi)。

1.4 精餾提純單元

吸附出來的氣體進(jìn)入預(yù)冷器，將氣體從常溫降至-20 ℃左右，冷源來自一級精餾塔頂排空工藝尾氣。經(jīng)過預(yù)冷器預(yù)冷的氣體進(jìn)入一級精餾塔去除低沸點雜質(zhì)(N2、O2、CO、Ar、NO)等。從一級塔底出來的氣體進(jìn)入二級精餾塔，去除高沸點雜質(zhì)(H2O、NO2等)。從二級塔頂出來的氣體進(jìn)入吸附塔，從吸附塔出來的合格產(chǎn)品(流量450 m3/h)進(jìn)入氣體收集塔收集后，從氣體收集塔底部出來的產(chǎn)品進(jìn)入成品儲罐(溫度-27 ℃，壓力1.2 MPa)。

生產(chǎn)過程中，對精餾塔內(nèi)部各組份含量進(jìn)行在線分析，實時掌握尾氣的分離情況。

2 主要設(shè)備的選型

本著安全、適用、高效的原則，綜合考慮生產(chǎn)工藝、控制技術(shù)、操作技術(shù)和管理等各方面內(nèi)容。本項目主要設(shè)備選型見表1。

表1 主要設(shè)備選型表

3 結(jié)語

本項目采用己二酸工業(yè)尾氣為原料，對尾氣進(jìn)行洗滌、壓縮、吸附、精餾等步驟后可生產(chǎn)出高純N2O氣體。整個純化過程主要都是根據(jù)各個雜質(zhì)的物理性質(zhì)進(jìn)行分離純化，純化工藝相對簡單、安全。由于工藝尾氣成本較低，主要考慮回收過程的能耗、人員工資、生產(chǎn)損耗等，因此成本相對低廉。以己二酸工業(yè)尾氣為原料生產(chǎn)高純N2O，提高了己二酸尾氣的資源化利用，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時，從工業(yè)尾氣中回收N2O，減少了工業(yè)尾氣的排放，符合國家節(jié)能減排的政策要求。