己二酸尾气综合利用提取N2O项目设计

丛凤英， 孟丽莉， 张 星

(山西阳煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

引 言

一氧化二氮,化学式为N2O，俗称“笑气”，是一种具有温室效应的气体，是《京都议定书》规定的6种温室气体之一。其在大气中的存留时间长，并可输送到平流层，也是导致臭氧层损耗的物质之一。与二氧化碳相比，其单分子增温潜势是二氧化碳的310倍[1-2]。

N2O具有氧化性和麻醉作用，可以用于半导体芯片、液晶显示面板和医疗等行业。目前，国内笑气市场紧俏，主要是由国外大公司进口供应。因此，在国内发展超纯N2O特种气体不但能够为国内高速发展的半导体集成电路产业以及液晶显示面板产业发展保驾护航，而且在国际市场上也有着广阔的市场空间[3-5]。

某公司己二酸生产过程中产生的工艺尾气量为1 400 m3/h～1 600 m3/h，其中，N2O体积分数为40%～50%。因此，建立尾气提纯N2O生产装置显得尤为重要，不仅可以很好地改善空气质量，积极响应国家政策，并且可以回收大量的产品，具有可观的经济效益。

1 工艺设计

目前工业化生产N2O技术主要有三种：硝酸铵热分解法、氨接触氧化法、尾气提纯法。其中，尾气提纯法具有原料来源容易、产品纯度高、成本低等优势。现以公司己二酸生产过程中产生的工艺尾气为原料，通过洗涤、压缩、吸附、精馏等步骤提取其中的高纯N2O。工艺流程图见第104页图1。

图1 工艺流程框图

1.1 洗涤单元

含有N2O的尾气压力(0.16 MPa，现有装置内已有压力泄放设施，防止进入生产装置的尾气超压)进入第一级洗涤塔，根据CO2气体在水中有一定溶解度的原理，去除大量CO2杂质。原料尾气中CO2体积分数约6%，经过洗涤后，CO2杂质体积分数可以降低到0.2%以内。气体洗涤塔排出的洗涤水进入洗涤水再生储罐，通过抽真空处理，解析洗涤水中溶解的CO2杂质，再生后循环使用。去除CO2后的己二酸尾气进入第二级碱洗塔，主要深度去除CO2气体和微量NO2气体。经过碱洗后，CO2和NO2杂质体积分数降到小于3×10-6。第二级洗涤碱液往一级洗涤水再生储罐排放。第二级洗涤后气体进入第三级碱洗塔。第三级洗涤碱液往二级碱液储罐排放。

主要反应式如式(1)、式(2)。

1.2 压缩单元

第三级碱洗塔洗涤后的气体经过5 m3缓冲罐缓冲后进入压缩机增压(入口压力0.12 MPa，温度常温；出口压力1.5 MPa，温度小于45 ℃)。

1.3 吸附单元

压缩机出来的气体进入冷干机组(3 ℃，1.9 MPa)干燥。压缩空气进入冷冻干燥机后，先进入冷干机预冷器中，在此与来自冷干机蒸发器的干燥低温冷空气进行热交换，其温度及含湿量得到初步降低，但还未达到干燥要求，之后被干燥后空气继续进入冷干机蒸发器，在冷干机蒸发器中与制冷剂进行热交换，温度降低，在冷干机蒸发器出口，其温度达到所要求的压力露点温度。通过冷干机蒸发器的气水混合物进入冷干机气水分离器，在气水分离器中分离出的液态水分经自动排水器排出机外。干燥后的空气再进入冷干机预冷器，并与进入冷干机预冷器的热空气进行热交换，使其温度升高后，排出冷冻干燥机，进入生产管线。初步干燥后的尾气进入2级变压吸附去除水分杂质(3 ℃，1.9 MPa)。经过干燥和变压吸附后的气体水分体积分数小于2×10-6。干燥机出来的气体进入脱碳吸附塔内，深度去除CO2。CO2含量控制0.1 ppm以内。

1.4 精馏提纯单元

吸附出来的气体进入预冷器，将气体从常温降至-20 ℃左右，冷源来自一级精馏塔顶排空工艺尾气。经过预冷器预冷的气体进入一级精馏塔去除低沸点杂质(N2、O2、CO、Ar、NO)等。从一级塔底出来的气体进入二级精馏塔，去除高沸点杂质(H2O、NO2等)。从二级塔顶出来的气体进入吸附塔，从吸附塔出来的合格产品(流量450 m3/h)进入气体收集塔收集后，从气体收集塔底部出来的产品进入成品储罐(温度-27 ℃，压力1.2 MPa)。

生产过程中，对精馏塔内部各组份含量进行在线分析，实时掌握尾气的分离情况。

2 主要设备的选型

本着安全、适用、高效的原则，综合考虑生产工艺、控制技术、操作技术和管理等各方面内容。本项目主要设备选型见表1。

表1 主要设备选型表

3 结语

本项目采用己二酸工业尾气为原料，对尾气进行洗涤、压缩、吸附、精馏等步骤后可生产出高纯N2O气体。整个纯化过程主要都是根据各个杂质的物理性质进行分离纯化，纯化工艺相对简单、安全。由于工艺尾气成本较低，主要考虑回收过程的能耗、人员工资、生产损耗等，因此成本相对低廉。以己二酸工业尾气为原料生产高纯N2O，提高了己二酸尾气的资源化利用，具有可观的经济效益。同时，从工业尾气中回收N2O，减少了工业尾气的排放，符合国家节能减排的政策要求。