工艺技术合成氨液氨脱硫工艺设 计 工艺技术合成氨液氨脱硫工艺设 计 郑州大学郑州大学 化工与能源学院化工与能源学院 专业化学工程与工艺 班级 4 班 专业化学工程与工艺 班级 4 班 姓名 张晓丹 学号 20110380429 姓名 张晓丹 学号 20110380429 题目 年产 14 万吨合成氨脱硫工艺设计 题目 年产 14 万吨合成氨脱硫工艺设计 指导老师 万亚珍 职称 教授 指导老师 万亚珍 职称 教授 李亦帆 职称 博士 李亦帆 职称 博士 系主任 侯翠红 职称 教授 系主任 侯翠红 职称 教授 2015 年 1 月 24 日2015 年 1 月 24 日 目录 1.设计任务书1.设计任务书 2 1.1 设计要求1.1 设计要求 2 1.2 设计依据1.2 设计依据 2 2.工艺设计条件2.工艺设计条件 3 3.工艺流程叙述3.工艺流程叙述 4 3.1 概述3.1 概述 4 3.2 生产流程简述3.2 生产流程简述 4 3.2.1 原理3.2.1 原理 4 3.2.2 工艺流程简图3.2.2 工艺流程简图 6 4.主要工艺指标4.主要工艺指标 6 4.1 设计方案的确定4.1 设计方案的确定 6 4.2 物料衡算4.2 物料衡算 7 4.2.1 吸收塔的物料衡算4.2.1 吸收塔的物料衡算 7 4.2.2 各流股的物料衡算4.2.2 各流股的物料衡算 8 4.3 热量衡算4.3 热量衡算 9 5.工艺设计5.工艺设计 9 5.1 基础物性数据5.1 基础物性数据 9 5.2 吸收塔的设计5.2 吸收塔的设计 10 5.2.1 塔径计算5.2.1 塔径计算 10 5.2.2 塔径校核5.2.2 塔径校核 12 5.2.3 填料层高度及分段5.2.3 填料层高度及分段 12 5.2.4 填料塔压降的计算5.2.4 填料塔压降的计算 16 5.2.5 填料支撑板5.2.5 填料支撑板 17 5.3 喷射氧化再生槽的计算5.3 喷射氧化再生槽的计算 18 5.3.1 槽体的计算5.3.1 槽体的计算 18 5.3.2 扩大部分直径5.3.2 扩大部分直径 18 5.3.3 再生槽高度5.3.3 再生槽高度 18 5.3.4 喷射器计算5.3.4 喷射器计算 19 5.4 冷却塔的设计5.4 冷却塔的设计 22 5.4.1 冷却塔的计算5.4.1 冷却塔的计算 22 5.4.2 冷却塔校核5.4.2 冷却塔校核 24 5.4.3 分布器的设计5.4.3 分布器的设计 34 5.4.4 丝网除沫器的设计5.4.4 丝网除沫器的设计 37 5.4.4 冷却塔的选管5.4.4 冷却塔的选管 39 5.4.5 塔底防涡器的设计5.4.5 塔底防涡器的设计 40 6.设计感悟6.设计感悟 41 1.设计任务书1.设计任务书 1.1 设计要求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1.2 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/m3 3.工艺流程叙述3.工艺流程叙述 3.1 概述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 生产流程简述 3.2.13.2.1原理原理 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-+CO2NH4HCO3 2NH4+2OH-+CO2(NH4)2CO3+H2O NH4+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.主要工艺指标 4.1 设计方案的确定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4.2.1 吸收塔的物料衡算 （1）水煤气进（出）塔流量 V0，Nm3/h V0=141043200/（31024）=60215.05Nm3/h （2）H2S 脱除量，G1，kg/h G1=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)/m3 LT=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/h G2=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/h G3=G2/S0 式中 S0硫泡沫中硫含量，kg/m3,此处取 S0=30kg/m3 G3=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180.26Nm3 H2S 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8.88m3 4.2.2 各流股的物料衡算4.2.2 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/L 4.3 热量衡算4