２０１０年第５期 第３７卷总第２０５期 广东化工 Ⅵ Ｖｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｔｏｍ ２５５ １ Ｏ万ｔ／ａ食品级二氧化碳装置设计特点及问题探讨 张茵 （南京金凌石化工程设计有限公司，江苏南京２１００３３） 【摘要】介绍了南京红叶实业总公司ｌＯ万ｔ，ａ食品级二氧化碳装置的概况，从原料、产品、工艺路线、操作条件、能耗、设备选材、压缩机管 道减振等方面探析了装置的设计特点，分析了生产过程中原料稳压罐出现的闯蘧并进行设计改进，采用先进的粗脱硫＋精脱硫技术解决生产中原 料气硫含量波动大的问题，选择多台、小流量压缩机增加调整装置生产规模的灵活性 ｆ关键词】食品级二氧化碳；变压变温吸附（ＰＴＳＡ）；能耗；脱硫；减振 【中豳分类号】ＴＨ ［文献标识码ｌＡ 【文章编号】ｌＯ０７—１８６５（２０１０）０５，０２５５．０２ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ １００ ｋｔ／ａ Ｆｏｏｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｐｌａｎ Ｚｈａｎｇ Ｙｉｎ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉｎｌｉｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ ００３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ １００ ｋｔ／ａ Ｆｏｏｄ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｐｌａｎｔ ａｔ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｈｏｎｇｙｅ ｉｎｄｕｓｔｒｖ Ｃｏ．ｗａｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｒｏｍ ｓｕｃｈ ａｓｐｅｃｔｓ ａｓ ｆｅｅｄｓｔｏｃｋｓ，ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｏｕｔｅｓ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｕｔｉｌｉｔｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｍａｔｅｒｉａｌ—ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｄａｍｐｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆｔｈｅ ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ ｓｕｒｇｅ ｔａｎｋ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｓｉｚｅｄｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ，ａｄｖａｎｃｅｄ ｆｉｎｅ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ＋ｃｒｕｄｅ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｄ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖｏｌａｔｉｌｅ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｉｎ ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ ｇａｓ Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅｓｍａｌｌ－ｆｌｏｗ—ｒａｔｅ ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｉｚｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｏｄ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｉｔｃｈ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ（ＰＴＳＡ）；ｕｔｉｌｉｔｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｄａｍｐｉｎｇ 二氧化碳是工业重要的生产原料，人们主要用其合成尿素 和甲醇，同时在冶金、钢铁、食品、农业、医疗等领域应用广 泛。目前食品级二氧化碳主要需求量在饮料、啤酒、冷冻、烟 草及水果、肉类的保鲜、包装、食品的精制加工、医药等领域。 般食品级二氧化碳装置原料气的主要来源为石灰窑气，合成 氨厂变换气、甲醇转化气、油田伴生气、酒精发酵气及制氢尾 一气。 中石化股份公司金陵分公司化肥水煤浆项目于２００６年３月正 式投产，其副产的二氧化为４００００ Ｎｍ３／ｈ，生产尿素使用二氧化 碳量在２２０００￣２８０００ Ｎｍ ｍ左右，另有１２０００￣１８０００ Ｎｍ３／ｈ的二 氧化碳气体排空，该二氧化碳气体的纯度在９８％以上，南京红 叶实业总公司利用这部分二氧化碳气体，建设一套１０万 食品 级二氧化碳装置。 １装置设计特点 １．１原料及产品 装置原料为煤制氢副产二氧化碳气，进料量为１ １．１万ｔ／ａ， 至装置界区温度：０℃，压力：０．０６ ＭＰａ（Ｇ）。原料气组成如表 １ 表１原料气主要组成 Ｔａｂ．１ Ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ ｇａｓ 对于高纯液体二氧化碳生产工艺，简单说来就是要除去二 氧化碳原料气中的气相杂质和液相杂质，经过冷凝使二氧化碳 由气相被冷凝为液相，再经提纯而得到产品液体二氧化碳。目 前国内国外常用的二氧化碳提纯分离方法有：化学吸收法、变 压吸附法、吸附精馏法、低温蒸馏法、膜分离法、溶剂回收法、 催化燃烧法及联合工艺等，根据二氧化碳的气源、杂质的种类 及精制后产品的用途进行选择。本装置采用变压变温吸附 （ＰＴＳＡ）￣艺技术，经过稳压、压缩、脱硫、净化、冷凝、提 纯等工序，得到食品级二氧化碳。其中净化工序为主要工段， 脱除杂质有：醇、醛、酸、烃、硫、水（少量游离水和饱和水） 及其它杂质。根据原料气中烃类物质含量的不同，可采用不同 的净化方法，烃类物质含量高，采用催化氧化法脱除烃类物质； 烃类物质含量低，采用专用吸附剂脱除其杂质。本装置的原料 气中Ｃ２＋以上烃类含量较低，采用变压吸附和变温吸附（ＰＴＳＡ） 原理，６台（３组）净化器，内装填３种吸附剂，利用吸附剂在不 同压力下吸附容量存在差异和选择吸附的特性，高压常温吸 附、低压高温脱附这些杂质，达到气体净化的目的。三组净化 器切换工作，当一组处于吸附状态时，另两组则处于再生状态。 吸附时间为８ ｈ，再生时间为１６ ｈ。 装填的三种吸附剂分别为： ＣＮＡ一３１８型：主要用于脱除原料气中液相杂质（水、醇、 醛、醚、酸类等）和一部份气相杂质（硫、烃类等）； ＣＡＮ一２４０型：主要用于脱除原料气中烃类杂质； ＣＮＡ一４２１型：主要用于脱除气体中的结合水，由于前工 段脱水后气体中的水含量达不到工艺要求，必须进一步脱水 干燥。 装置工艺流程见图１。 注：其它含氧有机物包括ｎ，ｉ－丙醇、ｎ，ｉ－丁醇、 乙酸乙酯、乙酸异戊酯、丙醛、二甲醚、环氧乙烷。 １．３ 主要设计技术参数 产品为食品级液态二氧化碳，满足食品级二氧化碳国家标 准（ＧＢ１０６２１—２００６）和食品级二氧化碳可口可乐标准。 １．２采用的工艺路线 ［收稿日期］２０１０－０４—０２ 液体二氧化碳生产装置，按其操作压力可分为高压法、中 压法和低压法三种。高压法一般操作压力≥８．０ ＭＰａ。中压法 般操作压力１．０￣６．０ ＭＰａ，具体操作压力根据原料气中二氧 化碳含量等因素来确定。低压法由于二氧化碳液化需要深冷， 能耗高，故现都不采用。高压法的操作压力好处在于冷却介质 一［作者简介］张茵（１９６８－），女，辽宁抚顺人，学士，工程师，主要从事石油化工工艺设计工作。 广２５６ 东化工 ２０１Ｏ年第５期 第３７卷总第２０５期 ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｒｎ．ｃｏｍ 用水而不用液氨或乙二醇，但由于其压力较高，装置设备和管 道、管件等造价太高，因而也不采用此法。目前通常采用的工 艺是较为经济合理中压法，本装置的工艺是将二氧化碳压缩至 １．０ ＭＰａ（压缩机二级出Ｅ１）时进行脱硫、净化，二氧化碳压缩 机三级出口３．０ ＭＰａ压力下进行冷凝至一７℃，进入提纯塔，提 纯塔底部出来的产品液体二氧化碳经减压至１．８ ＭＰａ，送至液 体二氧化碳贮罐，供充瓶或装槽车。 原 ｌ～原料气稳压罐；２－ｃｏ２压缩机；３－冷却分离器；４－粗脱硫器；５－精脱硫器；６－净化器；７－再生气电加热器；８－压缩机后冷却器；９－除油器；１０－净化ＣＯ２气 预冷却器；１１．ＣＯ２／ＮＨ３蒸发冷凝器；１２．提纯塔；１３一ＮＨ３压缩机；１４一产品储罐；１５－Ｃ０２装车泵 图１二氧化碳生产工艺流程图 Ｆｉｇ．１ Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ １．３．１主要设备操作条件 表２设备操作条件 Ｔａｂ．２ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ １．３．２装置物料平衡 表３装置物料平衡 Ｔａｂ．３ Ｕｎｉｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ Ｃ０２回收率≥８８％。 １．４主要技术特点 １．４．１能耗低 二氧化碳装置的主要能耗是用电量，装置设计工作压力的 正确选用，影响到装置运行时能耗，同时也有利于产品质量的 提高。本装置的二氧化碳压缩机采用三级压缩，压缩机三级出 口压缩至３．０ ＭＰａ再进行冷却液化，采取的节能措施为：利用 部分高压二氧化碳闪蒸降温来对气态二氧化碳冷却，降低氨 压机负荷，该气体是在提纯器顶部逸出的闪蒸气，经调节阀一 级减压后，气体温度降至一３５￣－４０℃，原料气经ＰＴＳＡ净化后再 至压缩机三级压缩进入蒸发冷凝器前，该气体通过换热器与经 减压后的闪蒸气换热，在加热闪蒸气的同时原料气被冷却，使 其能量得到充分的利用。该措施可以减少装置用电５５０ ｋＷ／ｈ， 节能效果非常显著。 １．４．２原料气由上游装置直接供给 本装置距水煤浆制氢装置约４００ ｍ，二氧化碳原料气经管 道自压进入本装置，未设置增压机，节约投资成本。 １．４．３设备选材考虑防腐措施 二氧化碳在换热、分离、升压过程中，由于原料中饱和水 的存在，当原料气被冷却到露点以下时会形成含有碳酸的低 ｐＨ冷凝液，这种凝液对碳钢及低铬钢（铬含量＜５％）会产生腐 蚀。这种腐蚀呈点蚀状态，压力越高，含水越多，腐蚀越严重。 所以相关的设备及压缩机级问冷却器、分液罐等在材料选择 上，采用了不锈钢（０Ｃｒｌ ８Ｎｉ９）。 １．４．４压缩机管道防振设计 二氧化碳压缩机为Ｍｗ一４７／（０．５—３２）Ｘ往复式压缩机。在生 产中，由于气流脉动产生的激振力，或者设备与管道产生共振， 或者压缩机安装中动平衡没做好，都会产生振动。强烈的振动 会使管线及附属设备产生磨损、松动，在振动产生的交变应力 作用下，会导致疲劳破坏、严重时使管道焊缝及管夹振坏，影 响机组正常运转或发生事故。设计中，首先将管线安装图提供 给压缩机厂，由厂家对压缩机的管路系统进行脉动计算，经过 厂家的核算，确认管线支架位置，使管道固有频率与压缩机激 发频率避开共振区。其次，根据计算结果，在缓冲器出口处加 设了减振孔板；且各支架均衬有减振橡胶垫。通过以上措施， 使压缩机及管线的振动满足＜（ＡＰＩ６１８－１９９５９、￣ＧＢ７７７７—２００３９ 等标准要求。 （下转第２５４页） 一２０１０年第５期 ２５４ ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ 第３７卷总第２０５期 程师的书面指令。 （７）定期举行监理工程例会，在会上及时解决与协调施工 单位各方存在的问题及提出出施工单位需注意的问题，排除施 工单位所影响石油化工安装质量的问题。 （８）若在施工中出现的各种技术上的问题，必要时，可邀 请建设单位或有关专家人员参加，以协调解决工程上的技术问 题，对于复杂的技术问题，总监理工程师可召开专家会议，进 行专题研讨。根据专家意见和合同条件，再由总监理工程师作 出结论。这样可减少监理工程师处理复杂技术问题的片面性， 避免失误。 （９）监理工程师应充分利用合同赋予的在支付方面的审核 签字权，承包商的任何工程行为达不到监理工程师的满意，都 应有权拒绝支付工程进度款项，这就保证了监理工程师的控 制、协调有效。以约束承包商认真按合同规定的条件完成各项 任务。 （１０）当承包商无视监理工程师的指示，违反合同条件进行 工程活动时，由总监约见承包商的主要负责人，指出承包商在 工程上存在问题的严重和可能造成的后果，并提出挽救的途 径。如仍不听劝告，监理工程师可进一步采取制裁措施。 （１ １）对变更要求和技术核定，要严格地进行审核，并报业 主和设计单位同意后办理。 （１２）运用统计手段，通过排列图、因果分析图、质量直方 图、控制图等，分析质量波动及变异原因，判断施工是否正常， 评价施工管理水平。 工序应进行交接、交叉工序的检查。石油化工安装工程开始必 须是建立在上一道工序经验收合格后，并需经交接、交叉工序 的检查基础上才能进行下一道工序的施工。对已完工程监理工 程师要及时组织承包商进行检查评定，并对缺陷进行处理。 （２）分部、分项或专项工程验收，承包商必须组织内部验 收合格，向监理提出书面验收申请和完整的验收资料，由总监 组织验收资料核查、结构安全及使用功能质量检测，观感质量 检查，提出质量评估报告后，由总监组织相关单位符合验收资 格的人员验收。单位工程竣工验收，应由承包商组织检查评定 后，向监理单位提出经法定代表人、技术负责人签署的 竣工 报告＞）和完整的竣工资料。 （３）监理工程师要及时组织承包商做好技术资料的整理归 档工作，为编制完整合格的竣工技术资料做好准备。 以上为本人对石油化工安装工程质量控制几点体会，如说 得不对，希望同行给予指正。除上述以外，施工工艺对保证石 油化工安装质量也至关重要。石油化工安装工程监理现场工作 的方式方法，我们仍要继续摸索。施工监理要全面贯彻有关规 范和规定要求，才能更好地把石油化工安装工程质量控制得更 好，才能建出更多的优良工程。 参考文献 ［１］石油化工施工安全技术规程（ｓＨＪ３５Ｏ５一】９９９）［Ｓ］． ［２］石油化工设备安装工程质量检验评定标准（ＳＨ３５１４－２００１）［Ｓ］ ３石油化工安装工程各施工工序完成后的质 量控制工作方面 （１）督促施工单位对影响石油化工安装工程质量中的前一 （上接第２５６页） （本文文献格式：黄勇瑞．浅谈石油化工安装工程施工的质量 控制［Ｊ】＿广东化工，２０１０，３７（５）：２５３－２５４） ２主要问题探讨 ２．１原料气稳压罐采用全真空设计 由于原料气由上游装置直接供给，当上游装置出现故障紧 急停车，二氧化碳压缩机来不及停时，操作工会误操作关闭供 气阀门，使得装置原料稳压罐被抽瘪，本装置开工过程中出现 了此种误操作现象，因此对原料稳压罐进行了修改，按全真空 设计。 可以用１．０ ＭＰａ蒸汽再生反复使用。粗脱硫剂价格较低（约 ５０００元／ｔ），节约了生产成本。 ２．３压缩机选型宜考虑操作灵活性 食品级二氧化碳主要用于饮料、啤酒等行业，市场需求会 随着季节变化而变化，夏季是饮料行业的旺季，二氧化碳需求 量增加，冬季是饮料行业的淡季，二氧化碳需求量减少，所以 装置生产负荷波动较大。压缩机是装置的主要设备，选用多台 小处理量压缩机是比较好的选择，虽然一次性投资及设备占地 ２．２原料气中硫含量波动大，增加粗脱硫设施 原料气中的脱硫常采用干法常温脱硫，脱硫剂有氧化铁系 脱硫剂、水解转化型脱硫剂、特种活性炭等。其中特种活性炭 具有转化、吸收有机硫和无机硫的双重作用，特别适用于原料 气中硫含量不高，且要求高精度脱硫的生产工艺，硫容在２Ｏ％ 以上。本装置原料气中的硫含量值在生产过程中波动范围较 大，仅采用氧化铁及特种活性炭类脱硫剂很容易饱和，且更换 精脱硫剂价格较高（约１ ５０００元／ｔ），因此，仅采用精脱硫设施 并不适于脱除原料气中的无机硫和有机硫含量波动大的工况。 根据装置开工后的运行情况，在精脱硫设施前增加了粗脱硫设 施，粗脱硫剂采用８５２水解脱硫剂，将原料气中硫３～８ ｐｐｍ 脱至Ｏ．２～０．３ ｐｐｍ，操作温度：４５℃，操作压力：１．０ ＭＰａ， 然后再加精脱硫剂一活性炭脱硫剂（椰壳类），该脱硫剂饱和后 略大，但具有较好的操作灵活性。当市场需求量大，需提高生 产能力时，同时开多台压缩机，当市场需求量小，降量生产时， 可仅开一台压缩机，节约全装置的电力消耗。 ３结语 １０万ｔ／ａ食品级二氧化碳装置的工程设计采用变压变温 吸附（ＰＴＳＡ）技术，得到的二氧化碳纯度高达９９．５％；采用粗 脱硫＋精脱硫的技术使脱硫效果能够满足产品质量要求的同 时节约了生产成本；多台、小负荷压缩机的选择增加了调整生 产负荷波动的灵活性。 （本文文献格式ｉ张茵．１ ０万ｔ／ａ食品级二氧化碳装置设计特 点及问题探讨［Ｊ】。广东化工，２０１０，３７（５）：２５５—２５６）
