合成氨脫硫工藝設(shè)計(jì).doc

第一章 緒論1.1 我國(guó)脫硫技術(shù)發(fā)展的回顧1.1.1濕法脫硫 20世紀(jì)70年代，特別是70年代后期，我國(guó)生產(chǎn)氮肥上采用的脫硫方法開始多樣化。由于一批有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)入氣體凈化隊(duì)伍，并且有大量小化肥廠作為方便的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，研究出較多別具特色的濕法脫硫方法，如MSQ（鄭州大學(xué)）、栲膠法（廣西化工研究所）、FD法（福州大學(xué)）、茶酚法（浙江化工研究所）和EDTA絡(luò)合鐵法（鄭州大學(xué)工學(xué)院），并且在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。同時(shí)，還對(duì)傳統(tǒng)的ADA法和醇胺法也開始了更為深入的研究。80年代以來(lái)，除了ADA、MSQ等方法外，PDS（酚氰鈷，東北師范大學(xué)開發(fā)）法和栲膠法1是絡(luò)合催化、酚酞催化兩大類方法的典型代表，各具特色，應(yīng)用最廣。他們對(duì)防止塔內(nèi)結(jié)垢和硫堵都有很好的效果。此外，PDS還有一定脫初有機(jī)硫的能力。1.1.2階段研究的鮮明特點(diǎn) 研究具有深度及理論特色剖析了ADA的多種異夠化合物，提出了用于脫硫的主要活性體?？疾炝藵穹摿虻目刂贫危岢隽似鋫髻|(zhì)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。理論和實(shí)踐結(jié)合緊密在傳質(zhì)量研究的基礎(chǔ)上，提出了旋流板塔、噴旋塔等新型脫硫裝置以及噴射再生工藝。深入的調(diào)查研究通過(guò)查定，揭示和運(yùn)用了氮肥廠整個(gè)生產(chǎn)鏈中硫的變化規(guī)律。碳化系統(tǒng)加鐵二次脫硫（太原理工大學(xué)）、無(wú)硫氨水脫硫（江蘇如皋化肥廠）的新方法就是在此基礎(chǔ)上誕生的。脫硫技術(shù)體現(xiàn)了全方位開發(fā)研究的內(nèi)容不僅涉及到催化劑，還包括了脫硫再生設(shè)備和工藝條件的優(yōu)化，以及分析手段的改進(jìn)。廣西大學(xué)、浙江大學(xué)和上?；ぱ芯吭涸谶@方面做了突出的貢獻(xiàn)。大力宣傳國(guó)外脫硫新技術(shù)對(duì)國(guó)外脫硫最新動(dòng)態(tài)的情報(bào)研究及宣傳，為我國(guó)開發(fā)脫硫技術(shù)提供了很好的借鑒。中國(guó)科技情報(bào)研究所重慶分所在這方面做的工作對(duì)我國(guó)當(dāng)時(shí)的脫硫技術(shù)的發(fā)展起到了很重要的作用。1.1.3干法脫硫70年代濕法脫硫在氮肥凈化系統(tǒng)幾乎占到統(tǒng)治地位。當(dāng)時(shí)化工生產(chǎn)還比較粗放，小化肥廠尤其如此。人們對(duì)干法脫硫的認(rèn)識(shí)也較膚淺，直到70年代后期，鄭州大學(xué)采用廉價(jià)煤種為原料制出RS型活性炭并用于化肥廠煤氣粗放硫和原料氣二次脫硫；太原理工大學(xué)開辟新的原料資源，制備TC系列成型/粉狀氧化鐵脫硫劑應(yīng)用于燃?xì)猓簹?、沼氣等）的粗脫硫及化工原料氣的脫硫；西南化工研究院利用貴州錳礦資源2，制備MF型鐵錳復(fù)合中溫脫硫劑并用于天然氣凈化，在全國(guó)干法脫硫技術(shù)上邁出了新的一步。干法脫硫開始形成鋅-鐵-碳-錳四元并存的新格局。它們?cè)诨どa(chǎn)中發(fā)揮了越來(lái)越大的作用，也逐步改變了干法脫硫在人們心目中的地位。1.1.4干法脫硫和濕法脫硫的比較 干法脫硫凈化度高，并能脫除絕大多數(shù)的有機(jī)硫。但是脫硫劑或者不能再生或者再生非常困難，并且周能周期性操作，設(shè)備龐大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，因而干法脫硫僅僅適用于氣體含硫量較低和凈化度要求高的場(chǎng)合。濕法脫硫有ADA法、氨水中和法、栲膠法、PDS法等。它們具有吸收速率快、生產(chǎn)能力大，同時(shí)脫硫劑還可以再生循環(huán)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)操作。目前，對(duì)于生產(chǎn)氮肥采用煤以及含硫量較高的重油、天然氣為原料的的制氨流程中，因?yàn)楹蛄慷枷鄬?duì)較高，絕大多數(shù)原料氣凈化脫硫系統(tǒng)仍采用濕法脫硫。當(dāng)氣體凈化度要求很高時(shí)，可在濕法脫硫系統(tǒng)之后串聯(lián)干法脫硫，使脫硫在工藝和經(jīng)濟(jì)上都更為合理。目前較多采用ADA法和栲膠法脫硫。由于此次工藝設(shè)計(jì)工作是在安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱安陽(yáng)化肥廠）合成一車間凈化ADA脫硫工段基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的，所以此次脫硫設(shè)計(jì)采用ADA法，對(duì)其他的研究方法就不再介紹。1.1.5早期ADA法的缺點(diǎn) 硫容低。HS轉(zhuǎn)化成元素硫反映取決于稀堿溶液中所溶解的氧，而氧在脫硫液中的溶解度很小，在保證沒有Na2S2O3生成的前提下溶液的硫容只能控制在106級(jí)。這就必然要以很大的溶液循環(huán)量來(lái)提供反映所需的氧量，從而增加了動(dòng)力消耗。脫硫設(shè)備龐大。由于HS氧化成元素硫反映速度慢，為使反映進(jìn)行完全，必須建立體積龐大的脫硫設(shè)備，以提供足夠的反映時(shí)間和空間。要增設(shè)脫碳工序。由于化肥廠原料氣中總是含有相當(dāng)多的CO2，因而，為了維持脫硫反應(yīng)快速進(jìn)行所需要的pH值，必須另設(shè)一套脫碳工序?qū)⒉糠置摿蛞撼槌鲞M(jìn)行脫碳處理。1.1.6 ADA法的改進(jìn) 為了克服上述這些缺點(diǎn)，人們通過(guò)在ADA脫硫液中加入偏釩酸鈉、酒石酸鉀鈉和少量EDTA等助劑將其進(jìn)行改良并獲得成功。實(shí)際上這是改變了原先ADA法的脫硫機(jī)理。原法HS是直接靠氧化態(tài)ADA（醌式）來(lái)氧化HS單體硫的，而還原態(tài)的ADA（氫醌式）是用空氣中的氧來(lái)氧化再生的。對(duì)于這樣的脫硫反應(yīng)速度太慢。而現(xiàn)今HS氧化改用了偏釩酸鈉。后者被還原成亞四釩酸鈉后，則由醌式ADA把它重新氧化成偏釩酸鈉。而被還原成醌式ADA，再在再生塔（槽）被空氣中氧重新氧化成醌式ADA，從而完成了一個(gè)整體上的氧化還原過(guò)程。由于偏釩酸鈉氧化HS以及醌式ADA氧化亞四釩酸鈉的速度很快，這就大大加快了總體的脫硫過(guò)程的速度。顯然，在此過(guò)程中，ADA僅僅是作為一種載氧劑，將氧傳遞給釩酸鹽。這就要求溶液中的ADA用量應(yīng)與氣相中的硫化氫含量相匹配，以能滿足下列方程式的要求： 2H2SO22S2H2O (1.1)經(jīng)過(guò)這樣改良后，ADA的硫容量由原來(lái)的40100ml/m3提高到5001000 ml/m3。1.2 我國(guó)脫硫技術(shù)存在的問(wèn)題 1.2.1濕法脫硫的硫回收和塔內(nèi)硫堵問(wèn)題 全國(guó)化肥化工廠的脫硫設(shè)備每年承擔(dān)著凈化氣體的重要任務(wù)，同時(shí)也將大量的硫化氫轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)硫，但這一硫資源的回收率不高，不少被排放流失。而且塔內(nèi)易形成硫堵，也嚴(yán)重的影響生產(chǎn)。硫回收和硫堵，二者看是不同，但有內(nèi)在的聯(lián)系。凡是過(guò)細(xì)的硫顆粒，不易過(guò)濾回收，對(duì)填料和器壁的附著力也很強(qiáng)。這些都跟晶種的生成與長(zhǎng)大的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和在非瘤硫材料上的吸附機(jī)理密切相關(guān)。深入的調(diào)查研究其原因，使硫粒子盡量變粗，脫硫液中懸浮硫盡量減少，將有助于該問(wèn)題的徹底解決。此次工藝設(shè)計(jì)工作將針對(duì)安陽(yáng)化肥廠合成一車間凈化脫硫工段中的硫堵問(wèn)題將給予作者詳細(xì)的觀點(diǎn)和改進(jìn)方案，對(duì)其他的相關(guān)脫硫技術(shù)問(wèn)題只做簡(jiǎn)單的介紹。1.2.2合成氨生產(chǎn)鏈中硫化物的變化規(guī)律問(wèn)題3 氨廠氣體中的硫化氫和有機(jī)硫從前到后都在不斷的變化，因此了解和掌握它們?cè)谡麄€(gè)流程中的變化規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)至關(guān)的重要，但是目前，我們對(duì)硫化氫的變化了解較多，而對(duì)羥基硫、二硫化碳的變化規(guī)律了解很少。有機(jī)硫的脫除實(shí)際撒謊能夠包括兩個(gè)方面：一是努力發(fā)揮現(xiàn)有的工藝對(duì)有機(jī)硫的凈化功能，二是增添必要的精脫硫裝置。通過(guò)對(duì)安陽(yáng)化肥廠合成車間整個(gè)凈化系統(tǒng)的變換、碳化、銅洗等工序硫的考察研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)硫，除了在變換中水解轉(zhuǎn)化而大幅度的減低外，在后面的銅氨液或液氮同氣體的接觸工程中，都不同程度的被脫除，尤其對(duì)羥基硫更為顯著。在碳化階段對(duì)有機(jī)硫同樣也存在著二氧化碳的“排代”作用。主塔出口的有機(jī)硫，和硫化氫一樣，濃度不斷的增長(zhǎng)。由于低溫和氣液接觸良好，氫氣對(duì)羥基硫更具有優(yōu)異的脫除能力。氨催化劑硫中毒可能更的多是由于二硫化碳所引起的。通過(guò)調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在變換的熱水飽和系統(tǒng)，少量硫化氫會(huì)進(jìn)一步深入氧化而生成硫酸鹽，影響到食品碳酸的生產(chǎn)。但這些只是初步工作，要揭示這個(gè)生產(chǎn)鏈中的硫化物的變化規(guī)律，還需要做很多的工作。1.2.3濕法脫硫、脫碳和干法脫硫的合理選擇及優(yōu)化組合問(wèn)題 目前在化肥廠中脫硫、脫碳的方法很多。甲醇洗、NHD、MDEA、HS等方法有同時(shí)脫硫、脫碳的能力。如果使用得當(dāng)，可將H2S、CO2及有機(jī)硫一并脫除至很低的濃度，這樣的事例在當(dāng)前的大氮肥廠已有不少。但在中小氮肥廠使用煤制氣的裝置，因?yàn)闅怏w中含有氧的緣故，情況就變的很復(fù)雜。于是就出現(xiàn)了脫硫和脫碳、濕法和干法如何合理選擇、優(yōu)化組合的問(wèn)題。因此，以費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，如何優(yōu)化凈化工藝，還有許多工作要做。1.3脫硫技術(shù)的展望 回顧我國(guó)脫硫技術(shù)的發(fā)展為我國(guó)的化肥事業(yè)進(jìn)一步深入發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并得到了寶貴的經(jīng)驗(yàn)財(cái)富。我們有理由相信：只要堅(jiān)持創(chuàng)新，不斷的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，我國(guó)的脫硫領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)一個(gè)更加繁榮的局面：濕法脫硫和干法脫硫?qū)⑷鎯?yōu)化，脫硫技術(shù)軟硬并舉。即擁有高質(zhì)量的硬件（催化凈化劑），也擁有高水平的軟件。不論脫硫技術(shù)還是應(yīng)用基礎(chǔ)研究，都將在國(guó)際氣化凈化領(lǐng)域占有重要的位置。第二章 改良ADA法的反應(yīng)原理和工藝操作條件的影響2.1 改良ADA法ADA法也稱蒽醌二磺酸鈉法，ADA是蒽醌二磺酸鈉的英文Anthraquinone Disulphonic Aniline的縮寫。最初的ADA法所用的吸收溶液，是含有少量2，6（或2，7）蒽醌二磺酸鈉的碳酸鈉水溶液。但其硫容量（指單位體積或單位質(zhì)量脫硫劑可以吸收硫的數(shù)量）低，反應(yīng)速度慢，設(shè)備體積龐大，應(yīng)用范圍受到很大的限制。后來(lái)在溶液中添加適量的偏釩酸鈉、酒石酸鉀鈉及三氯化鐵，取的了良好的效果。改良后的ADA法，也稱為改良ADA法，常壓和加壓脫硫均能適用。一般可將硫化氫脫至0.5cm3/m3,或更低。回收的硫磺純度可達(dá)到99.9%。目前在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。 2.1.1 改良ADA法的反應(yīng)機(jī)理 ADA法脫硫的反應(yīng)過(guò)程如下： 在脫硫塔中，根據(jù)安陽(yáng)化肥廠合成一車間凈化脫硫工段中稀純堿溶液PH為8.59.0，吸收硫化氫，生成硫氫化物：Na2CO3H2SNaHSNaHCO3 (2.1) 在液相中，硫氫化物與偏釩酸鹽反應(yīng)，生成還原性焦釩酸鹽，并析出元素硫：2NaHS4NaVO3H2ONa2V4O94NaOH2S (2.2) 還原性焦釩酸鹽與氧化態(tài)ADA反應(yīng)，生成還原態(tài)ADA，而焦釩酸鹽則被ADA氧化，再生成為偏釩酸鹽：Na2V4O92ADA（氧化態(tài)）2NaOHH2O4NaVO32ADA（還原態(tài)） (2.3)反應(yīng)(2.2)、(2.3)是在脫硫塔和富液槽中同時(shí)進(jìn)行的，并析出硫磺。因此脫硫塔下部一般不裝填料，為空塔，防止硫磺堵塞填料。由脫硫塔排出的溶液，進(jìn)入反應(yīng)槽，停留一段時(shí)間，以便(2.2)、(2.3)反應(yīng)完全，然后再送到再生塔進(jìn)行脫硫液的再生。 在再生塔中，還原態(tài)ADA被空氣中的氧氧化成氧化態(tài)ADA2ADA（還原態(tài)）O22ADA（氧化態(tài)）2H2O (2.4)再生后的溶液用貧液泵送到脫硫塔循環(huán)使用。式(2.1)反應(yīng)中所消耗的碳酸鈉，由式(2.2)生成的氫氧化鈉得到補(bǔ)償：NaOHNaHCO3Na2CO3H2O (2.5)溶液中硫氫化物被ADA氧化的速度是很緩慢的，而被偏釩酸鹽氧化的速度是很快的，因而在溶液中加入偏釩酸鹽后加快了反應(yīng)速度。由(2.2)生成的焦釩酸鹽不能被空氣直接氧化，但能被氧化態(tài)ADA氧化，而還原態(tài)ADA能被空氣直接氧化再生。因此，在脫硫過(guò)程中，ADA起了載氧體的作用，偏釩酸鈉起了促進(jìn)劑的作用。 副反應(yīng)當(dāng)原料氣中含有氧、二氧化碳、氰化氫時(shí)，還會(huì)發(fā)生下列副反應(yīng)：2NaHS2O2Na2S2O3H2O (2.6)Na2CO3H2OH2O2NaHCO3 (2.7)Na2CO32HCN2NaCNH2OCO2 (2.8)NaCNSNaCNS (2.9)2NaCNS5O2Na2SO4CO2SO2N2 (2.10)副反應(yīng)消耗了碳酸鈉，降低了溶液的脫硫能力，因此生產(chǎn)中應(yīng)盡量降低原料氣中氧及氰化氫的含量。當(dāng)NaCNS或Na2SO4積累到一定程度后，為維持正常生產(chǎn)必須廢棄部分溶液，并補(bǔ)加相應(yīng)數(shù)量新鮮溶液。2.2工藝操作條件的影響及選擇2.2.1溶液的組成 改良ADA脫硫液5由碳酸鈉、偏釩酸鈉、ADA、酒石酸鉀鈉（KNaC4H4O6）、三氯化鐵及EDTA組成。此外，還含有反應(yīng)生成的碳酸氫鈉、硫酸鈉等成分。溶液的組成和各組分的含量對(duì)脫硫和再生過(guò)程都很大。 總堿度總堿度2指溶液中NaHCO3和Na2CO3的含量之和，工業(yè)上通常以物質(zhì)的量濃度表示總堿度和純堿濃度是吸收反應(yīng)的主要影響因素。吸收總傳質(zhì)系數(shù)、硫容、凈化度都隨著純堿濃度的增加而增加。安陽(yáng)化肥廠采用煤為原料制取的半水煤氣中約含10%的CO2，其量遠(yuǎn)大于H2S的含量（視煤質(zhì)不同一般在0.3%以下），因而在脫硫的同時(shí)脫硫液也會(huì)吸收相當(dāng)數(shù)量的CO2，相應(yīng)溶液的PH值下降而影響脫硫效率。為了使溶液PH值不致變化過(guò)大，由于NaHCO3和Na2CO3本身就是一種緩沖溶液，若能使脫硫塔中吸收的CO2與再生塔中解吸的CO2平衡，那么溶液中的NaHCO3和Na2CO3含量和PH值，也就可以穩(wěn)定在某一數(shù)值。但若液相中的NaHCO3/Na2CO3（摩爾比）過(guò)高時(shí)，則應(yīng)抽取總?cè)芤毫康?%2%去脫碳工序，將溶液加熱到90以上，以使CO2解吸出來(lái)。但在大多數(shù)情況下，借助于提高空塔速度到0.51m/s，以及維持吸收液較低的PH值等方法，這樣也可以減少溶液中CO2干擾的影響。在生產(chǎn)中經(jīng)常補(bǔ)充純堿是必要的，但堿量不宜過(guò)大。若堿量遠(yuǎn)超過(guò)脫除HS所需要時(shí)，按Na2CO3H2OH2O2NaHCO3反應(yīng)，將會(huì)生成大量溶解度較小的NaHCO3，從溶液中結(jié)晶出來(lái)，常會(huì)堵塞泵和閥門。此次設(shè)計(jì)采用安陽(yáng)化肥廠的理論數(shù)據(jù)總堿度為0.40.6mol/L，相應(yīng)的NaHCO3/Na2CO3（摩爾比）6，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐調(diào)查表明，總堿度控制在這一范圍是符合生產(chǎn)要求的。當(dāng)脫除高含量硫時(shí)，總堿度要相應(yīng)的提高，視情況來(lái)控制總堿度范圍。 pH提高溶液的pH值，能加快吸收硫化氫的速率，提高溶液的硫容量，從而提高氣體的凈化度。但pH值過(guò)高，降低了釩酸鹽與硫氫化物的反應(yīng)速率，加快了副反應(yīng)的速率，吸收CO2量增多，容易析出碳酸氫鈉結(jié)晶；反應(yīng)生成的Na2S2O3也會(huì)劇增；且對(duì)ADA/釩酸鹽溶液將HS氧化成單質(zhì)硫也不利。安陽(yáng)化肥廠的實(shí)際生產(chǎn)中脫硫液的PH值選取在8.59.0范圍內(nèi)。 NaVO3的含量溶液中的NaVO3濃度增加，硫氫化物氧化速度加快；脫硫液中的NaVO3濃度過(guò)低，釩含量不足，易析出釩-氧-硫沉淀；并且使析硫反應(yīng)速率減慢，進(jìn)入再生塔的HS生成的Na2S2O3副反應(yīng)速率加快。該廠根據(jù)生產(chǎn)的需要理論計(jì)算把NaVO3的含量控制在1.52.5g/L. ADA的濃度6ADA的作用是將V4+氧化為V5+。經(jīng)過(guò)對(duì)該廠調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，作為脫硫用的ADA，以2，7-ADA為主。在對(duì)脫硫塔發(fā)生硫堵時(shí)曾對(duì)塔內(nèi)填料上的沉積物取樣分析，發(fā)現(xiàn)該沉積物中ADA占有相當(dāng)?shù)谋壤?，其中絕大部分為2，6-ADA，因其溶解度在操作溫度下遠(yuǎn)比2，7-ADA小。據(jù)相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)，2，6-ADA在20%的Na2S2O3溶液中的溶解度比在水中的溶解度低60%，據(jù)此可以可知，當(dāng)脫硫液中有大量的Na2S2O3積累時(shí)，2，6-ADA更容易從溶液中析出。但這對(duì)2，7-ADA并沒有明顯影響。該廠脫硫液中ADA含量控制在2.55 g/L。 酒石酸鉀鈉的用量加入酒石酸鉀鈉的作用是為防止生成釩-氧-硫沉淀，其用量應(yīng)與釩的濃度成正比，目前該廠酒石酸鉀鈉的用量大約為1g/L。 三氯化鐵及EDTA含量為了加快還原態(tài)ADA的氧化速度和改善副產(chǎn)硫磺的顏色，需要加入三氯化鐵，濃度一般為0.050.10g/kg。為了保持Fe3+穩(wěn)定，防止生成Fe(OH)3沉淀，加入鰲合劑EDTA，其濃度大約為2.7g/kg。2.2.2 溫度 升高溫度可加快吸收和再生反應(yīng)速率，但溫度過(guò)高，也使生成Na2S2O3的副反應(yīng)速率加快；若溫度太低，會(huì)使NaHCO3、ADA、NaVO3溶解度降低而從溶液中沉淀出來(lái)，并且再生速率慢，生成的硫磺過(guò)細(xì)，難以分離。為了使吸收和再生過(guò)程較好的進(jìn)行，該廠將脫硫液溫度維持在45。2.2.3 壓力 改良ADA法脫硫?qū)毫Σ⒉幻舾?，壓力由常壓?.0MPa均可適用。該廠變脫壓力為2.0MPa，符合生產(chǎn)工藝要求。壓力高，可使吸收傳質(zhì)系數(shù)增大，吸收設(shè)備容積小。但壓力高，CO2溶入脫硫液的數(shù)量增大，而在減壓再生時(shí)CO2很容易閃蒸出來(lái)，因而可使溶液中的NaHCO3/Na2CO3(摩爾比)保持低水平。這說(shuō)明加壓脫硫時(shí)CO2的干擾要比常壓時(shí)小，也即加壓脫硫?qū)O2具有更好的適應(yīng)性。當(dāng)然，加壓脫硫時(shí)溶液中所加各組分的濃度都會(huì)相應(yīng)的增大。2.2.4 氧化停留時(shí)間 再生塔內(nèi)通入空氣主要是將還原態(tài)ADA氧化為氧化態(tài)ADA，并使溶液中的懸浮硫以泡沫狀浮在溶液表面，以便回收。氧化反應(yīng)速率除受PH值和溫度影響外，還受再生停留時(shí)間的影響。再生時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)氧化反應(yīng)有利，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使設(shè)備龐大；時(shí)間過(guò)短，硫磺分離不完全，溶液中懸浮硫增多，形成硫堵，使溶液再生不完全。根據(jù)對(duì)安陽(yáng)化肥廠該工段的調(diào)查研究，高塔再生氧化停留時(shí)間一般控制在2530min，噴射再生一般為510 min。在此次的工段設(shè)計(jì)工作中，將會(huì)在后面的章節(jié)中根據(jù)生產(chǎn)的任務(wù)來(lái)確定氧化停留時(shí)間的理論計(jì)算方法。2.2.5 CO2的影響 原料氣中的CO2與溶液中的Na2CO3反應(yīng)生成NaHCO3。當(dāng)氣體中的CO2含量高時(shí)，溶液中的NaHCO3量增大，而Na2CO3量減少，影響對(duì)H2S的吸收。因此根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可將溶液（約1%2%）引出塔外加熱至90脫除CO2后再返回系統(tǒng)。第三章 物料衡算和熱量衡算3.1 生產(chǎn)工藝示意圖 生產(chǎn)工藝流程圖見圖3.1，據(jù)此進(jìn)行物料衡算和熱量衡算。圖3.1的流程簡(jiǎn)述如下：壓力為 2.0MPa，H2S含量為 3.25的半水煤氣，進(jìn)入下部為空塔，上部有一段填料的脫硫塔，與塔頂噴淋下來(lái)的ADA溶液逆流接觸，H2S被溶液吸收，脫硫后后的凈化氣中H2S的含量降至5mg/m3。經(jīng)分離器除去液滴后送往脫碳工序。脫硫后的溶液由塔底經(jīng)過(guò)富液泵本身所具有的壓力高速通過(guò)噴射的噴嘴，與自吸進(jìn)入的空氣充分混合，使脫硫液再生，然后由噴射器下部進(jìn)入浮選槽，在浮選槽內(nèi)硫磺泡沫浮在溶液表面，然后溢流至硫泡沫槽，經(jīng)過(guò)泡沫泵送入熔硫釜，加入的蒸汽對(duì)其進(jìn)行提取高純度的單質(zhì)硫。由浮選槽出來(lái)的貧液被送入循環(huán)槽，然后經(jīng)過(guò)貧液泵送往脫硫塔循環(huán)使用。 圖3.1 噴射再生法脫流工藝流程示意圖Figure 3.1 Spray regeneration process flow diagram of delinking3.2 小時(shí)生產(chǎn)能力按年工作日300天，合成氨設(shè)計(jì)裕量10%計(jì)算，損失是微量的，相對(duì)可以忽略不計(jì)。合成氨小時(shí)生產(chǎn)能力為kg/h3.3 物料衡算和熱量衡算 3.3.1 變脫塔的物料衡算和熱量衡算 計(jì)算依據(jù)a. 合成氨產(chǎn)量 kg/h，即kmol/hb. 原料氣組成（體積分?jǐn)?shù)）表3.1 原料氣組成 Table 3.1 Feed gas composition原料氣組分 H2 CO2 CO N2 Ar(H2S)體積分?jǐn)?shù)（） 50.25 3 27.8 15.8 3.25c. 操作壓力 變脫塔系統(tǒng)操作壓力2.0MPa，變脫壓差小于20kPad. 在脫硫塔內(nèi)全部H2S被脫流液吸收，生成Se. 新鮮Na2CO3吸收劑每月總用量約為1000kgf. 變脫塔進(jìn)口氣體溫度40，出口溫度43；液相進(jìn)口溫度為37，出口溫度為40g. 進(jìn)脫硫塔的原料配比：H2CO2CON2Ar(H2S)16.759.315.31.1h. 進(jìn)口脫硫液的組成表3.2 進(jìn)口脫硫液組成Table 3.2 Composition of imports desulfurization組成 V Na2CO3 NaHCO3 S SO4-2 Na2S2O3g/L 1.4 1.3 35 20 0.5 5.5物料衡算圖3.2 脫硫塔局部流程圖Figure 3.2 Desulfurizer partial flow charta. 反應(yīng)器進(jìn)口原料氣中各組分的流量H2 kmol/hkg/hCO2 kmol/hkg/hCO kmol/hkg/hN2 kmol/hkg/hAr(H2S) kmol/hkg/hb. 反應(yīng)器出口混合氣中各組分的流量出塔氣體各組分的量和反應(yīng)器入口氣體相同H2 kmol/hkg/hCO2 kmol/hkg/hCO kmol/hkg/hN2 kmol/hkg/hc. 根據(jù)進(jìn)口脫硫液的組成和流量計(jì)算進(jìn)塔熱水的量為 260（1001.41.335200.55.5）kg/h9438kg/h524.3kmol/h出口富液中水的量為： （9438547.1）kg/h8890.9kg/h494kmol/hd. 排出富液S的液體流量及其組成進(jìn)塔氣中含有1094.2kg/h的H2S，在塔內(nèi)被脫硫液吸收生成單質(zhì)硫，其反應(yīng)的方程式如下：Na2CO3H2SNaHSNaHCO3 (3.1)2NaHS4NaVO3H2ONa2V4O94NaOH2S (3.2)硫的生成量，即需要連續(xù)排出的含硫液體流量為：kg/hkmol/h排出的富液流量為1860.14/0.53720.28kg/h，其中硫的含量為50e. 需要補(bǔ)充的新鮮吸收劑（Na2CO3）的量為：kg/hf. 反應(yīng)器中物料平衡表 表3.3 反應(yīng)器物料平衡表Table 3.3 Reactor material balance反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)器出口kmol/hkg/h%（mol）%(wt)kmol/hkg/h%(mol)%(wt)H2497.6995.232.833.45497.6995.232.933.42CO2 275.312113.218.1641.98275.312113.218.2241.67CO29.7831.82.02.8829.7831.82.02.86N2156.54380.610.3315.18156.54380.610.3615.07H2S32.21094.22.123.790000S000058.131860.143.856.40H2O524.3943834.6032.714948890.932.6930.58合計(jì)1515.6288531001001511.2329071.84100100 熱量衡算各物質(zhì)040的質(zhì)量定壓熱容表3.4 物質(zhì)質(zhì)量定壓熱容Table 3.4 Material quality constant pressure heat物質(zhì)H2CO2CON2H2SArCpkJ/()10.130.6530.7540.7450.3220.804進(jìn)塔的熱負(fù)荷及產(chǎn)生蒸汽量 衡算基準(zhǔn)：0氣態(tài)氣體，0液態(tài)水 a. 進(jìn)口原料氣中各組分所帶入的熱Q1n Cp，mt (3.3)可知Q1（995.210.13）（12113.20.653）（831.80.754）（4380.60.745）（1094.20.322）(400)89104 kJ/hb. 進(jìn)塔噴淋液所帶入的熱量Q22601003.45（370）332104 kJ/hc. 新鮮吸收劑所帶入的熱Q3 37、Na2CO3的比熱容為1.06kJ/(kgk)Q31.391.06(370) 54.52kJ/hd. 出口氣體所帶出的熱Q4 Q4（995.210.13）（12113.20.653）（831.80.754）（4380.60.745）（430）94.10104 kJ/he. 塔底排放的富液帶出的熱量Q58890.94.184（400）149104 kJ/hf. 塔中化學(xué)反應(yīng)所參與的熱量Q6 Q6434.0kJ/h熱損失取4，則變脫塔裝置的熱負(fù)荷為Q（10.04）（Q1Q2Q3Q4Q5Q6）171104 kJ/h變脫塔裝置產(chǎn)生7KPa的飽和蒸汽（飽和溫度為38.8）38.8飽和蒸汽焓steam2566.3 kJ/kg38.8飽和水焓H2O 162.44 kJ/kg則產(chǎn)生的蒸汽為G 711.36 kJ/h3.3.2 再生槽的物料衡算和熱量衡算計(jì)算依據(jù)a.此設(shè)備按反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算和熱量衡算b.噴射氧化再生槽中貧液的溫度為40，富液進(jìn)口溫度為40，貧液的出口溫度為40c.自吸空氣的進(jìn)口溫度為20，相對(duì)濕度80，組成及含量：表3.5 空氣組成及含量Table 3.5 Composition and content of the air組成O2N2（體積）7921d.硫泡沫的出口溫度為40，出口液體硫泡沫的含量為80e.貧液出口液體的組成： 表3.6 出口液體的組成Table 3.6 Liquid component exports 組成Na2CO3NaHCO3Na2S2O3SO4-2總硫g/L1.5340.84.515f.富液進(jìn)口液體的組成：表3.7 進(jìn)口液體的組成Table 3.7 Imports the composition of the liquid組成Na2CO3NaHCO3Na2S2O3SO4-2總硫g/L1.8320.66.040g.假設(shè)變脫塔富液出口流量和進(jìn)入再生槽頂部的富液流量相同物料衡算 圖3.3 噴射再生槽局部示意圖Figure 3.3 Spray tank local renewable Sketcha. 進(jìn)口自吸空氣的各組分流量根據(jù)反應(yīng)方程2H2SO22S2H2O (3.4)求得需要O2的量為kg/h17.1kmol/h進(jìn)口的空氣流量為547.1/0.212605.24kg/h進(jìn)口N2的流量為2605.240.792058kg/h73.5kmol/h查的常溫下相對(duì)濕度80時(shí)空氣濕含量為0.022 kg水氣/kg干空氣，因此，進(jìn)口空氣帶入的水蒸氣量為kg/hb.進(jìn)口富液中各組分的流量S 3720.28401488.11kg/h46kmol/hH2O3720.2820744kg/h41.33kmol/hNa2CO3 3720.281.867kg/h0.63kmol/hNaHCO3 3720.28321190kg/h14.17kmol/hNa2S2O3 3720.280.622.32kg/h0.14kmol/hc.貧液出口液體中各組分的流量假設(shè)貧液出口的流量占進(jìn)口富液總量的百分比為，根據(jù)進(jìn)口硫的含量和出口硫的含量相等的原則，則有 (3.5) 0.62即貧液出口液體的流量為 3720.28622289kg/hNa2CO3 22891.534kg/h0.32kmol/hNaHCO3 228934778kg/h9.27kmol/hNa2S2O3 22890.818.31kg/h0.12kmol/hS 228915343.35kg/h10.7kmol/hH2O 228943984.3kg/h54.7kmol/hd.硫泡沫出口液體中各組分的流量為硫泡沫出口液體流量3720.28（162）1413.7kg/hS 1413.7801131kg/h35.3kmol/hH2O 1413.720282.7kg/h15.7kmol/he.噴射再生槽的物料平衡表表3.8 物料平衡表Table 3.8 Material balance反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)器出口kmol/hkg/h%（mol）%(wt)kmol/hkg/h%（mol）%(wt)O217.1547.18.78.860000N273.520583733.3373.5205836.8236.56S461488.1123.4624.1461474.3523.0426.19H2O44.5801.3222.712.9870.4126735.2722.5Na2CO30.63670.321.190.32340.160.6NaHCO314.1711907.2319.279.277784.6413.82合計(jì)196.046173.84100100199.615629.66100100 熱量衡算 熱衡算基準(zhǔn)：0氣態(tài)空氣，0液態(tài)水a(chǎn).常溫下進(jìn)口空氣帶入的熱量Q120蒸汽焓值為2531.8kJ/kg,干空氣在020的平均比熱容Cp1.004 kJ/(kgK)Q12605.241.004(200)(57.322531.8) 1.9105kJ/hb.40進(jìn)口富液帶入的熱量Q2Q23720.284.184（400）6.2105 kJ/hc.出口硫泡沫液體所帶出的熱量Q3Q31413.73.68（400）2.1105 kJ/hd.出口貧液所帶出的熱量為Q4Q422894.184（400）3.8105 kJ/he.氧氧化還原態(tài)ADA所參與的熱量Q5此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，因參與的反應(yīng)溫度較低，假設(shè)熱量損失忽略不計(jì)，根據(jù)熱量守恒定律有Q1Q2Q3Q4Q5 (3.6)Q52.2105 kJ/h第四章 主要設(shè)備的工藝計(jì)算4.1 填料吸收塔4.1.1計(jì)算依據(jù)a.進(jìn)塔空氣的組成和流量表4.1 進(jìn)塔空氣的組成和流量Table 4.1 Into the tower and the composition of the air traffic組分H2CO2CON2H2S合計(jì)kmol/h497.6275.329.7156.532.2991.3kg/h995.212113.2831.84380.61094.219415b.出塔空氣的組成和流量表4.2 出塔空氣的組成和流量Table 4.2 On the composition and tower air traffic組分H2CO2CON2合計(jì)kmol/h497.6275.329.7156.5959.1kg/h995.212113.2831.84380.618320.8c.塔頂噴淋液量260m3/h，溫度為37d.塔底排出液量3720.28kg/h，溫度為40e.入塔氣溫度40，出塔氣溫度為43f.變脫塔進(jìn)口和出口操作壓力均取2.0MPa，變脫壓差小于20kPa，計(jì)算忽略壓差的影響g.填料用50501.5塑料鮑爾環(huán)（規(guī)整）4.1.2塔徑的確定 塑料塑料鮑爾環(huán)填料的泛點(diǎn)氣速計(jì)算公式為： (3.7)式中，泛點(diǎn)空塔氣速，m/s； 重力加速度，9.8m/s2； 干填料因子，； 氣相和液相密度，kg/m3； L,G氣相和液相流量，kg/h； 液體的粘度，mPas(cP)。 5050塑料鮑爾環(huán)的干填料因子為82。a.塔頂處 kg/m3 100 kg/m3 26000 kg/h 18320.8 kg/h 0.8 mPas(cP)把數(shù)據(jù)帶入(3.7)式： 解得：1.13m/s 泛點(diǎn)率取70，則氣體空塔速度為：0.71.130.8m/s出塔操作條件下的氣量：1259.6m3/h0.35m3/s根據(jù)公式 (3.8)計(jì)算塔徑為 mb.塔底處 kg/m3 100kg/m3 3720.28kg/h 19415kg/h 0.9mPas(cP)把數(shù)據(jù)帶入式： 解得 1.24m/s氣體空塔速度為0.71.240.868m/s入塔氣在操作條件下的氣量：1289.48 m3/h0.36m3/s塔徑為 m結(jié)合實(shí)際情況整圓塔徑取1.0m。4.1.3填料的高度a.吸收過(guò)程傳質(zhì)系數(shù)KG的計(jì)算： (3.9) = 200（0.8）1.3（1.3）0.1（3）-0.01= 155.31Kg/m2hMPa式中 KG 傳質(zhì)系數(shù)，kg/m2hMPa ； A 經(jīng)驗(yàn)數(shù)，A =200； 氣體空塔速度；CNa溶液中Na2CO3的含量，CNa= 1.3g/L； B吸收過(guò)程液氣比，B=L/G =260/800003L/m3b.吸收過(guò)程平均推動(dòng)力Pm： (3.10) 0.17310-6MPa式中 吸收塔入口氣相H2S分壓 ，MPa ； ； 吸收塔出口氣相H2S分壓，MPa ； ； 吸收塔入口壓力 ，2MPa ； 吸收塔出口壓力 ，2MPa； ，吸收塔入、出口氣相H2S平衡分壓，因溶液中H2S量很低，可以忽略，即0c.所需傳質(zhì)面積的計(jì)算: (3.11) 1094/4.3=254.4md. 填料層高度的計(jì)算 (3.12) 31.46m結(jié)合實(shí)際情況整圓取32m 。4.2 噴射再生糟4.2.1槽體計(jì)算依據(jù)a.進(jìn)塔氣體的組成和流量表4.3 進(jìn)塔空氣的組成和流量Table 4.3 Into the tower and the composition of the air traffic組分O2N2H2O合計(jì)kmol/h17.173.53.293.8kg/h547.1205857.322662.42b.噴射壓力為0.6MPa,再生槽在常壓下操作c.進(jìn)口塔頂富液流量為3720.28kg/h，溫度為40d.塔底排出液量3702.7kg/h，溫度均為40e.再生槽內(nèi)部無(wú)填料，采用空槽設(shè)計(jì)4.2.2塔徑的確定 (3.13)按塔底情況計(jì)算，進(jìn)口氣體體積流量為m3/h0.1m3/s液泛氣速為0.1/0.785320.01m/s因物系易發(fā)泡，取操作空塔氣速等于液泛氣速的50，即：0.010.50.005m/s故塔徑為m根據(jù)實(shí)際情況整圓取3.0m 。4.2.3再生槽高度計(jì)算 H1 =67.246/0.7851.8260=2.64m 整圓取2.7m式中， H1為再生槽有效高度，m；HT = H1 + H2 + H3 = 2.7 + 1.5 + 0.5 = 4.7mHT 再生槽高度，m；H2 噴射器出口到槽底距離，m，H2 取0.5m；H3 擴(kuò)大部分高度，m，H3 取1.5m 。4.2.4噴嘴的計(jì)算 n = LT/Li = 67.24/40 = 1.68個(gè)圓整：n = 2個(gè)n噴嘴個(gè)數(shù)；Li 每個(gè)噴射器溶液量，m3/h，取Li = 40m3/h ；LT，其中為空氣量，m3/h；為噴射器抽吸系數(shù)，m3/m2；設(shè)Ci=2.4m3/m2第五章 工藝設(shè)備一覽表表5.1 工藝設(shè)備一覽表Table 5.1 Process equipment list序號(hào)名稱設(shè)備規(guī)格單位數(shù)量材料1變脫塔填料塔，塔徑1000，內(nèi)裝50501.5的塑料鮑爾環(huán)，填料共分兩層，兩層填料間設(shè)液體分布再分布器，總高3.2m臺(tái)1不銹鋼2噴射再生槽無(wú)填料空槽，槽體塔徑3000，槽體有效高度4.7 m，噴嘴2個(gè)，噴射器11枚均勻分布3貧液泵耐腐蝕離心泵