生产工艺技术合成氨液氨脱硫工艺设计目录1.设计任务书21.1设计要求21.2设计依据22.工艺设计条件33.工艺流程叙述43.1概述43.2生产流程简述43.2.1原理43.2.2工艺流程简图64.主要工艺指标64.1设计方案的确定64.2物料衡算74.2.1吸收塔的物料衡算74.2.2各流股的物料衡算84.3热量衡算95.工艺设计95.1 基础物性数据95.2 吸收塔的设计105.2.1 塔径计算105.2.2 塔径校核125.2.3 填料层高度及分段125.2.4 填料塔压降的计算165.2.5 填料支撑板175.3喷射氧化再生槽的计算185.3.1 槽体的计算185.3.2 扩大部分直径185.3.3 再生槽高度185.3.4 喷射器计算195.4 冷却塔的设计225.4.1 冷却塔的计算225.4.2 冷却塔校核245.4.3 分布器的设计345.4.4 丝网除沫器的设计375.4.4冷却塔的选管395.4.5塔底防涡器的设计406.设计感悟411.设计任务书1.1设计要求设计年产14万吨合成氨脱硫工艺，半水煤气含硫4.8g/Nm3,脱硫方法用氨水液相催化法，填料塔脱硫；富液再生采用喷射氧化再生槽。1.2设计依据1) 化工工艺设计手册（第四版）（上、下册）2) 小合成氨厂工艺技术与设计手册（上、下册）3) 陈声宗等主编，化学工业出版社出版的化工设计第三版教材4) 填料手册（第二版）5) 化工设备设计全书（塔设备分册）6) 塔填料产品及技术手册7) 小合成氨厂工艺技术与设计手册（上、下册）8) 给水排水设计手册9) 化工设备设计手册（上、下卷）10) 化学化工物性数据手册（无机卷、有机卷）11) 现代塔器技术（第二版）12) 小氮肥厂工艺设计手册13) 李登松.脱硫填料吸收塔的工艺设计研究J.化工装备技术,2013,34(6):41-45.14) 徐组根.冷却塔设计J.河南化工，1999,8:31-34.15) 曾国安.冷却塔的设计计算J.机电产品开发与创新,2009,22(4):76-78.16) 董谊仁，过健.填料塔排管式液体分布器的研究和设计J.化学工程，1990,18（3）：28-35.17) 董谊仁，裘俊红，陈国标等.填料塔液体分布器的设计J.化工生产与技术，1998,18：1-6.18) 张硕德.防涡流器的设计J.化工设备设计，1983,18（23）：42-43.19) 白二川.半水煤气直冷塔的计算与设计J.化肥设计，2010,48（2）：11-15.20) 杨怀林.水冷却塔的设计J.特钢技术，2009,15（58）：53-54.2.工艺设计条件设计能力：14万吨合成氨/年半水煤气中硫含量：4.8g/Nm3年工作日：310天半水煤气消耗定额：3200Nm3/吨氨半水煤气组成（干基）：表1半水煤气组成表组成H2N2COCO2O2CH4合计体积（%）421926110.71.3100半水煤气压力：压缩机出口压力4800mmH2O柱气体温度：36溶液温度：32贫液组成：总氨含量：1.0M碳化度R=C/A=0.63总硫化氢：20.0g/m3硫容：0.17kg/Nm3比重：1034kg/m3脱硫后半水煤气含硫：0.1g/Nm3富液组成：总氨含量：1.0M碳化度R=C/A=0.65总硫化氢：240.0g/m3比重：1034kg/m3再生过程：采用喷射氧化再生槽喷射器入口压力：4atm(表压)液温：30吹风强度：100m3/m33.工艺流程叙述3.1概述由于生产合成氨的各种燃料中含有一定量的硫，因此所制备出的合成氨原料气中，都含有硫化物。其中大部分是无机硫化物硫化氢（H2S），其次还有少量的有机硫化物，如硫氧化碳（COS）、二硫化碳（CS2）、硫醇（RSH）、噻吩（C4H4S）等。原料气中的硫化物，对合成氨生产危害很大，不仅腐蚀设备和管道，而且能使合成氨生产过程所用催化剂中毒。脱硫方法有很多，按脱硫剂物理形态可分为干法和湿法两大类，前者所用的脱硫剂为固体，后者为溶液。当含硫气体通过这些脱硫剂时，硫化物被固体脱硫剂所吸附，或被脱硫溶液所吸收而除去。3.2生产流程简述3.2.1原理脱硫反应氨水对苯二酚氧化法也称为氨水液相催化法，是用含有少量对苯二酚（载氧体）的稀氨水溶液，脱除原料气中的硫化氢。氨溶于水，大部分与水结合为一水合氨NH3H2O，并部分电离成NH4+和OH-，所以氨水显弱碱性。氨水与含硫化氢的原料气接触时，发生如下中和反应：NH4+OH-+H2SNH4HS+H2O+Q该反应为放热反应，但因气体中硫化氢含量较少，放热量不大，溶液吸收硫化氢后温升很小。当溶液pH值小于12时，被吸收的硫化氢主要以HS-形式存在，S2-可忽略不计，因此用稀氨水脱硫时，只生成NH4HS。当原料气中含有二氧化碳及氰化氢时，也被氨水吸收，其反应如下：NH4+OH-+CO2NH4HCO32NH4+2OH-+CO2(NH4)2CO3+H2ONH4+OH-+HCNNH4CN+H2O虽然稀氨水能同时吸收硫化氢和二氧化碳，但在气液两相接触面积很大、接触时间很短的条件下，氨水吸收硫化氢的速度比吸收二氧化碳的速度大80倍左右，具有良好的选择性。根据这一特点，在脱硫过程中增大气液接触面积，缩短接触时间，既能有效的脱除硫化氢，又能减少气体中二氧化碳的损失。再生反应再生塔内，对苯二酚在碱性溶液中被空气氧化为苯醌：脱硫过程生成的硫氢化铵，在苯醌的作用下氧化为单质硫：再生过程的总反应可用下式表示：生成的单质硫，呈泡沫状态浮于液面，使溶液获得再生。同时，有如下副反应发生：3.2.2工艺流程简图图1脱硫工段工艺流程简图原料气从吸收塔下部进入，与塔顶喷淋的脱硫液逆流接触，半水煤气中H2S被脱硫液吸收后从塔顶引出，经气液分离器分离出夹带的液滴后送往下段工序。吸收了硫化氢的富液从吸收塔底排出，经液封、富液槽、富液泵通过溶液加热器加热(夏季则为冷却)后送往喷射器；从喷射器尾部出来的两相液体由再生槽下部上升，完成与再生塔相同的浮选过程，再生槽上部溢流出的硫泡沫经硫泡沫分离槽放入熔融釜熔硫。硫磺放入硫磺铸模冷却后即成硫锭。由再生槽贫液出口处引出的贫液经液位调节器、贫液泵送回脱硫塔循环使用。4.主要工艺指标4.1设计方案的确定吸收塔的工艺设计方案主要包括吸收剂、吸收流程、解吸方法、设备类型和操作参数的选择等内容。对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。吸收剂的好坏对吸收操作的经济性有着十分重要的影响。一般情况下，选择吸收剂要着重考虑如下问题：1) 对溶质的溶解度大；2) 对溶质有较高的选择性；3) 不易挥发；4) 再生性能好；4.2物料衡算氨水液相中和法脱硫为化学吸收过程，低浓度吸收，近似满足恒摩尔流假定，即假定在吸收过程中，液相流量L和气相流量G不变，液相中的氨含量为常量，且吸收过程是等温的，传质系数为常量，物料衡算过程如下：4.2.1吸收塔的物料衡算（1）水煤气进（出）塔流量V0，Nm3/hV0=141043200/（31024）=60215.05Nm3/h（2）H2S脱除量，G1，kg/hG1=60215.05（4.8-0.1）/1000=283.01kg/h（3）溶液循环量LT，m3/h式中S溶液硫容量，kg/m3,S取(0.24-0.02)=0.22kg(H2S)/m3LT=283.01/0.22=1286.41m3/h（4）理论所需空气量氧化1kgH2S所需空气量V1=1/430.522.41/0.21=1.57Nm3/h理论所需空气量V2=283.01/1.57=180.26Nm3/（hm3）设计条件所给吹风强度为100Nm3/（m3h），计算所需最小吹风轻度为180.26Nm3/（m3h）,故应使用两台设备。（5）理论硫回收量，G2，kg/hG2=60215.05(4.8-0.1)/100032/34=266.36kg/h（6）理论硫回收率=（4.8-0.1）/4.8100%=97.9%（7）硫泡沫生产量，G3，m3/hG3=G2/S0式中S0硫泡沫中硫含量，kg/m3,此处取S0=30kg/m3G3=266.36/30=8.88m3/h表2物料衡算表（以小时计）入（出）脱硫塔气体流量60215.05Nm3再生理论所需空气量180.26Nm3H2S脱除量283.01Kg硫磺理论产量266.36Kg脱硫液循环量1286.41m3硫泡沫生成量8.88m34.2.2各流股的物料衡算在吸收塔内，原料气中的H2S和CO2与氨水发生中和反应，被吸收，因此净化气中含量相对减少。液相中对苯二酚为氧化再生时催化剂，假定整个过程中含量不变。进、出吸收塔的各流股组分、含量如下：表3原料气气体H2N2C0O2CO2CH4H2S体积分数%41.8718.9425.920.7010.961.300.31表4净化气气体H2N2C0O2CO2CH4H2S体积分数%42.4219.1926.260.7010.141.310表5贫液组分总氮含量碳化度总H2S含量对苯二酚含量1mol/L0.6320g/m30.25g/L表6富液组分总氮含量碳化度总H2S含量对苯二酚含量1mol/L0.65240g/m30.25g/L4.3热量衡算（1）冷却塔热负荷Q，KJ/h（忽略冷却过程中水汽的焓变）Q1=G0Cp(t1-t2)式中，G0入冷却塔半水煤气含量，Kmol/hCp半水煤气的平均等压比热容，KJ/(KmolK)计算结果Cp=30.44KJ/(KmolK)t1，t2为进、出冷却塔半水煤气温度，取t1=80，t2=36Q1=60215.05/22.430.（80-36）=3.6106KJ/h（2）冷却水消耗量，W，Kg/hW=Q/(Cpt)式中，t冷却水温升，此处取t=6Cp水的比热容，取Cp=4.178KJ/(KgK)W=3.6106/(4.1786)=143.6103Kg/h5.工艺设计5.1基础物性数据（1）液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，32时溶液的有关物性数据如下：密度为L=1034kg/m3黏度为L=0.6828mPa.s=2.46kg/(m.h)；=993/1034=0.96表面张力为L=69.9410-3N/m由手册查得，15时H2S在水中的扩散系数D0=1.7710-9m2/s，黏度0=1.2mPa.s，故可得32时H2S在水中的扩散系数DL=D0T/T00/L=1.7710-9（32+273.15）/（15+273.15）（1.2/0.6828）=3.310-9m2