合成氨脫硫工藝的設(shè)計(jì)

1、1.5 萬噸 /年合成氨脫硫工藝設(shè)計(jì)目錄1 總論 11.1 概述 11.2 文獻(xiàn)綜述 21.2.1 合成氨原料氣凈化的現(xiàn)狀 21.2.2 改良 ADA 的簡述 21.2.3 ADA 的理化性質(zhì) 31.2.4 ADA 脫硫的優(yōu)缺點(diǎn) 31.2.4.1 優(yōu)點(diǎn) 31.2.4.2 缺點(diǎn) 32 生產(chǎn)流程或生產(chǎn)方案的確定 33 生產(chǎn)流程說明 43.1 反應(yīng)機(jī)理 43.2 主要操作條件 53.2.1 溶液組分 53.2.1.1 堿度 53.2.1.2 NaVO3 含量 53.2.1.3ADA 濃度 53.2.2 溫度對(duì) ADA 的影響 53.2.3 CO2 的影響 63.2.4 溶液 PH 的影響 73.3

2、工藝流程 73.4 主要設(shè)備介紹 83.4.1 填料塔 83.4.2 氧化槽 83.4.3 硫泡沫槽 93.4.4 過濾器 93.4.5 熔硫釜 104 工藝計(jì)算書 104.1 原始數(shù)據(jù) 104.1.1 焦?fàn)t煤氣組分 104.1.2 脫硫液組分 104.1.3 設(shè)計(jì)工藝參數(shù) 104.2 物料衡算 124.2.1 H2S 脫除 124.2.2 溶液循環(huán)量 134.2.3 生成 Na2S2O3 消耗 H2S 的量 134.2.4 Na2S2O3 生成量 134.2.5 理論硫回收量 134.2.6 理論硫回收率 134.2.7 生成 Na2S2O3 消耗純堿的量 134.2.8 硫泡沫生成量 13

3、4.2.9 入熔硫釜硫膏量 134.2.10 回收率 144.3 熱量衡算 144.3.1 冷卻塔熱量衡算 144.3.1.1 冷卻塔熱負(fù)荷 144.3.1.2 冷卻水消耗量 154.3.2.1 硫泡沫槽熱負(fù)荷 154.3.2.2 蒸汽消耗量 154.3.3.1 熔硫釜熱負(fù)荷 154.3.3.2 蒸汽消耗量 165 主要設(shè)備的工藝計(jì)算和設(shè)備選型 165.1 主要設(shè)備的工藝尺寸 165.1.1.1 塔徑 165.1.1.2 填料層高度計(jì)算 175.1.1.3 壓降的計(jì)算 185.1.2.1 槽體 195.1.2.2 噴射器 205.2 輔助設(shè)備的選型 226 設(shè)備穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度校核計(jì)算 236

4、.1 壁厚的計(jì)算 236.2 機(jī)械強(qiáng)度的校核 246.2.2.1 風(fēng)載荷的計(jì)算 266.2.2.2 風(fēng)彎矩的計(jì)算 277 設(shè)計(jì)體會(huì)與收獲 288 參考文獻(xiàn) 299 附錄 3010 附圖 341總論11概述我國合成氨工業(yè)的生產(chǎn)始于20世紀(jì)50年代，但生產(chǎn)規(guī)模都很小，合成氨單 系列裝置的生產(chǎn)能力最大僅為4萬噸/年，氨加工產(chǎn)品主要為碳酸氫銨，產(chǎn)量滿 足不了市場的需求。為了滿足市場快速增長的需求，70年代，我國建設(shè)了一批中型氮肥生產(chǎn)裝置，合成氨單系列裝置的生產(chǎn)能力達(dá)到6-12萬噸/年，主要氨加工產(chǎn)品為尿素或硝酸銨,大部分裝置采用我國開發(fā)的以無煙煤為原料的固定層氣 化技術(shù)。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，高濃度

5、化肥的市場需求不斷增加，為了滿足 需求，增加生產(chǎn)能力，我國先后引進(jìn)了 30套以油、天然氣和煤為原料的30萬噸 /年合成氨裝置。除此之外，我國還自行研究設(shè)計(jì)制造了以輕油為原料的生產(chǎn)能 力為30萬噸/年的合成氨生產(chǎn)裝置。隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展，氨的生產(chǎn)要求越來越嚴(yán)格，比如氨原料的提取，氨 原料氣的凈化，氨后續(xù)工藝的要求等等。各種原料制取的粗原料氣，都含有一 些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過程催化劑的中毒，必須在氨合 成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫， 用以保護(hù)轉(zhuǎn)化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變 換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業(yè)脫硫

6、方法種類很多，通 常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法（Rectisol）、聚乙二醇二甲醚法（Selexol）等。在此我們主要研究合成氨原料氣的脫硫。合成氨原料氣中的硫是以不同形式的硫化物存在的，其中大部分是以硫化氫形式存在的無機(jī)硫化物，還有少量的有機(jī)硫化物。具體來說作為原料氣的半水煤 氣中都含有一定數(shù)量的硫化氫和有機(jī)硫化物（主要有羰基硫、二硫化碳、硫醇、 硫醚等），能導(dǎo)致甲醇、合成氨生產(chǎn)中催化劑中毒，增加液態(tài)溶劑的黏度，腐蝕、 堵塞設(shè)備和管道，影響產(chǎn)品質(zhì)量。硫化物對(duì)合成氨的生產(chǎn)是十分有害的，燃燒物 和工業(yè)裝置排放的氣體進(jìn)入大氣， 造成環(huán)境污染，危害人體健康。硫也是工業(yè)生 產(chǎn)的一

7、種重要原料。因此為了保持人們優(yōu)良的生存環(huán)境和提高企業(yè)最終產(chǎn)品質(zhì) 量，對(duì)半水煤氣進(jìn)行脫硫回收是非常必要的151.2 文獻(xiàn)綜述1.2.1 合成氨原料氣凈化的現(xiàn)狀合成氨原料氣 （半水煤氣 ）的凈化就是清除原料氣中對(duì)合成氨無用或有害的 物質(zhì)的過程，原料氣的凈化大致可以分為 “熱法凈化 ”和“冷法凈化 ”兩種類型，原 料氣的凈化有脫硫， 脫碳，銅洗和甲烷化除雜質(zhì)等， 在此進(jìn)行的氣體凈化主要是 半水煤氣的脫硫的凈化。 煤氣的脫硫方法從總體上來分有兩種： 熱煤氣脫硫和冷 煤氣脫硫。在我國，熱煤氣脫硫現(xiàn)在仍處于試驗(yàn)研究階段， 還有待于進(jìn)一步完善， 而冷煤氣脫硫是比較成熟的技術(shù)， 其脫硫方法也很多。 冷煤氣脫硫

8、大體上可分為 干法脫硫和濕法脫硫兩種方法， 干法脫硫以氧化鐵法和活性炭法應(yīng)用較廣， 而濕 法脫硫以砷堿法、 ADA 、改良 ADA 和栲膠法頗具代表性。煤氣干法脫硫技術(shù)應(yīng)用較早， 最早應(yīng)用于煤氣的干法脫硫技術(shù)是以沼鐵礦為 脫硫劑的氧化鐵脫硫技術(shù)， 之后，隨著煤氣脫硫活性炭的研究成功及其生產(chǎn)成本 的相對(duì)降低，活性炭脫硫技術(shù)也開始被廣泛應(yīng)用。干法脫硫既可以脫除無機(jī)硫， 又可以脫除有機(jī)硫， 而且能脫至極精細(xì)的程度， 但脫硫劑再生較困難， 需周期性 生產(chǎn)，設(shè)備龐大，不宜用于含硫較高的煤氣，一般與濕法脫硫相配合，作為第二 級(jí)脫硫使用。濕法脫硫可以處理含硫量高的煤氣， 脫硫劑是便于輸送的液體物料， 可以再

9、 生，且可以回收有價(jià)值的元素硫， 從而構(gòu)成一個(gè)連續(xù)脫硫循環(huán)系統(tǒng)。 現(xiàn)在工藝上 應(yīng)用較多的濕法脫硫有氨水催化法、蒽醌二磺酸法（ A.D.A 法）及有機(jī)胺法。其 中蒽醌二磺酸法的脫除效率高，應(yīng)用更為廣泛。改良 ADA 法相比以前合成氨生 產(chǎn)中采用毒性很大的三氧化二砷脫硫，它徹底的消除了砷的危害?；诖?，在合成氨脫硫工藝的設(shè)計(jì)中我采用改良 ADA 法工藝。1.2.2改良 ADA 的簡述ADA 法是英國西北煤公司與克萊頓胺公司共同開發(fā)的 , 于1959 年在英國 建立了第一套處理焦?fàn)t氣的中間試驗(yàn)裝置 , 1961 年初用于工業(yè)生產(chǎn)。 但由于此方 法析硫的反應(yīng)速度慢 , 需要龐大的反應(yīng)槽 , 并且為防止

10、 HS- 進(jìn)入再生塔引起副 反應(yīng),溶液中HS-的濃度必須控制在（50100） 10- 6之間，溶液的硫容量很低， 因而使ADA法的應(yīng)用受到限制。為此,研究者對(duì)ADA法進(jìn)行了改進(jìn),在ADA 溶液中添加了適量的偏釩酸鈉、 酒石酸鉀鈉。 偏釩酸鈉在五價(jià)釩還原成四價(jià)釩的 過程中提供氧 , 使吸收及再生的反應(yīng)速度大大加快 , 提高了溶液的硫容量 , 使反 應(yīng)槽容積和溶液循環(huán)量大大減少。酒石酸鉀鈉的作用是防止釩形成“釩- 氧- 硫”態(tài)復(fù)合物，沉淀析出，導(dǎo)致脫硫液活性下降，這樣使ADA法脫硫工藝更趨于完善, 從而提高氣體的凈化度和硫的回收率 , 經(jīng)改進(jìn)的 ADA 法被稱為改良 ADA 法。1.2.3 ADA

11、 的理化性質(zhì)ADA 是蒽醌二磺酸 (Anthraqinone Disulphonic Acid) 的縮寫。作為染料中間 體，它有幾種主要的異構(gòu)體。 ADA 的這幾種異構(gòu)體中，在產(chǎn)品中一般含量較高 的是 1.52ADA , 1.82ADA , 2.62ADA , 2.72ADA 。其中 2.62ADA 與 2.72ADA 的 脫硫活性較好 , 而 2.72ADA 又優(yōu)于 2.62ADA , 特別在溶解度上 ,2.72ADA 在 100 克水中的溶解度為：20 C時(shí)3015 g, 100 C時(shí)10 g; 2.62ADA 在100克水中的溶 解度3 g (20 C )。兩者在水中溶解度相差約一個(gè)數(shù)量

12、級(jí),實(shí)際溶液中由于H2S反 應(yīng)不徹底和伴生的副反應(yīng) , 溶液中存在 Na2SO4、NaCNS 和 Na2S2O3 等副產(chǎn)品 , 這些副反應(yīng)產(chǎn)物隨著脫硫生產(chǎn)操作的運(yùn)行 , 在脫硫液中逐漸積累 , 當(dāng)達(dá)到相當(dāng)含 量時(shí) , 會(huì)使 2.62ADA 和 2.72ADA 溶解度快速下降 , 影響脫硫效果 , 而且析出的 ADA 伴隨硫磺夾帶出脫硫系統(tǒng) , 增加 ADA 消耗。1.2.4 ADA 脫硫的優(yōu)缺點(diǎn)1.2.4.1 優(yōu)點(diǎn)(1) ADA 作為染料中間體，它有多種主要的異構(gòu)體。 ADA 的這幾種異構(gòu)體中， 在產(chǎn)品中一般含量較高，便于提取。(2) 脫硫溶液的活性好、性能穩(wěn)定、腐蝕性小。(3) 脫硫效率很高

13、，所析出的硫容易浮選和分離。(4) ADA 脫硫整個(gè)脫硫和再生過程為連續(xù)在線過程，脫硫與再生同時(shí)進(jìn)行，不需 要設(shè)置備用脫硫塔。(5) 煤氣脫硫凈化程度可以根據(jù)企業(yè)需要，通過調(diào)整溶液配比調(diào)整，適時(shí)加以控 制，凈化后煤氣中 H2S 含量穩(wěn)定。1.2.4.2缺點(diǎn)蒽醌二磺酸法脫硫在生產(chǎn)過程中存在一點(diǎn)問題。反應(yīng)速度太慢，需時(shí) 30min 以上，這就需要龐大的反應(yīng)槽并使副反應(yīng)加重，同時(shí)此法在操作中易發(fā)生堵塞， 而且藥品價(jià)格有些昂貴。2 生產(chǎn)流程或生產(chǎn)方案的確定焦?fàn)t煤氣的凈化主要是要脫除煤氣中的 H2S,脫硫的方法有兩種：干法脫硫、 濕法脫硫。干法脫硫既可以脫除無機(jī)硫， 又可以脫除有機(jī)硫， 而且能脫至極精細(xì)

14、的程度， 但脫硫劑再生較困難，需周期性生產(chǎn)，設(shè)備龐大，不宜用于含硫較高的煤氣，一般與濕法脫硫相配合，作為第二級(jí)脫硫使用濕法脫硫可以處理含硫量高的煤氣， 脫硫劑是便于輸送的液體物料， 可以再 生，且可以回收有價(jià)值的元素硫， 從而構(gòu)成一個(gè)連續(xù)脫硫循環(huán)系統(tǒng)。 現(xiàn)在工藝上 應(yīng)用較多的濕法脫硫有氨水催化法、 改良蒽醌二磺酸法 (A.D.A 法)及有機(jī)胺法。 其中改良蒽醌二磺酸法的脫除效率高，應(yīng)用更為廣泛。3 生產(chǎn)流程說明3.1 反應(yīng)機(jī)理改良 ADA 的脫硫反應(yīng)歷程：最新的研究表明 , 改良 ADA 法反應(yīng)歷程如下。堿液吸收硫化氫2Na2CO3+ 2H2S= 2NaHS+ 2NaHCO 3(1)氧化析硫2

15、NaHS+ 4N aVO 3+ H2O = Na2V4O 9+ 4NaOH+ 2S(2)焦釩酸鈉被氧化Na2V4O9+ 2H2O2+ 2NaOH+ ADA (氧化態(tài)) = 4NaVO3+ 3H2O + ADA ( 還原態(tài)) (3) 堿液再生2NaOH+ 2NaHCO 3= 2Na2CO 3+ 2H2O(4)ADA 再生ADA (還原態(tài)) + O 2= ADA ( 氧化態(tài)) + H2O2(5)當(dāng)氣體中有氧、二氧化碳、氰化氫存在時(shí)還產(chǎn)生如下副反應(yīng)： 2NaHS+2O2=Na2S2O3+H2O Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3 Na2CO3+2HCN=2NaCN+H 2O+CO2NaCN

16、+S=NaCNS 2NaCNS+5O2=Na2SO4+2CO+SO2+N2 從上述反應(yīng)歷程來看 , 要使 H2S 較徹底地還原為單質(zhì)硫 , 偏釩酸鈉 (NaVO 3) 是否足量是個(gè)重要的因素 , 而要使偏釩酸鈉濃度高 , 焦釩酸鈉較完全轉(zhuǎn)化為偏釩 酸鈉是反應(yīng)的關(guān)鍵。而在這一反應(yīng)中 H2O2 濃度起著決定性的作用 , 如 H2O2 濃 度低 , 就容易造成焦釩酸鈉轉(zhuǎn)化不徹底 , 使溶液中有效偏釩酸鈉濃度降低 , 從而 使溶液中 HS- 含量上升, Na2S2O 3、NaCNS 等副產(chǎn)物增加 , 加大了堿和釩的消耗 而且反應(yīng)所需的 H2O2 是在 ADA 再生過程中生成的 反應(yīng)式(5) , 故操作

17、中一定 要保持 ADA 有一定濃度和足夠的再生空氣。二者不足均會(huì)使溶液中氧 化態(tài)的ADA濃度降低,H2O2的生成量減少,最終造成物耗上升。3.2主要操作條件321溶液組分溶液的主要組分是堿度、NaV03、ADA。3.2.1.1 堿度溶液的總堿度與其硫容量成線性關(guān)系，因而提高總堿度是提高硫容量的有效 途徑，一般處理低硫原料氣時(shí)，采用的溶液總堿度為 0.4N，而對(duì)高硫含量的原 料氣則采用1N的總堿度。3.2.1.2 NaV03 含量NaV03的含量取決于脫硫液的操作硫容，即與富液中的HS-濃度符合化學(xué)計(jì) 量關(guān)系。應(yīng)添加的理論濃度可與液相中 HS的摩爾濃度相當(dāng)，但在配制溶液時(shí)往 往要過量。從反應(yīng)機(jī)理

18、可知，硫化氫首先被堿液吸收生成硫化物后再與ADA釩酸鹽溶液反應(yīng)3.2.1.3ADA 濃度反應(yīng)式（2）在氧的存在下進(jìn)行是迅速的，但還原態(tài)焦釩酸鹽不能為空氣直 接氧化再生，而必須依賴與反應(yīng)（2），由ADA將它氧化而恢復(fù)活性，因此要求 溶液中ADA與偏釩酸鈉的化學(xué)當(dāng)量比，按化學(xué)反應(yīng)的當(dāng)量計(jì)溶液中ADA含量必須等于或大于偏釩酸鈉含量的1.69倍，工業(yè)上實(shí)際采用2倍以上。表3是工 業(yè)上采用的兩種溶液組，組成（一）適用于含高硫化氫含量與加壓情況下的原料 氣脫硫，組成（二）適用于含低硫化氫含量與常壓情況下的原料氣脫硫，但也有 使用低濃度的ADA溶液來脫硫。表3工業(yè)生產(chǎn)使用的 ADA溶液組成溶液類別總堿度/N

19、Na2CO3 / (g-1) LADA/ (g -1LNaKC4H4O6 / (g-1) I含咼硫化氫與加壓情況15102含低硫化氫與常壓情況0.423513.2.2溫度對(duì)ADA的影響常溫范圍內(nèi)，H2S、CO2脫除率及Na2S2O3生成率與溫度關(guān)系不敏感。再生 溫度在45C以下，Na2S2O3的生成率很低，超過 45C時(shí)則急劇升高。為了保證 主要反應(yīng)進(jìn)行所需要的條件，又盡可能的抑制硫代硫酸鹽的生成， 適宜的吸收溫 度為 2030C。同時(shí)溫度與ADA的溶解度呈反比關(guān)系。據(jù)資料介紹從20 C上升到100 C , 2,72ADA在水中的溶解度將下降3倍以上。這一點(diǎn)容易被人們忽視。由于傳統(tǒng)習(xí) 慣,一般

20、ADA和Na2CO3同時(shí)添加，而NaCOs的溶解度與溫度呈正比關(guān)系,提 高溫度對(duì)NazCO3溶解有利，故在加料時(shí)，采用了蒸汽加熱直接攪拌的方法，這 樣對(duì)NazCOs溶解速度提高有利，但對(duì)ADA的溶解能力起到了很大的抑制作 用。從我們?nèi)芙飧那闆r看,溶解釜有效容積約為850 L。在加熱到近100 C時(shí), 經(jīng)粗略估算,2.72ADA能溶解85 kg,而2.62ADA約為815 kg,如我們采用不定 期、大劑量添加的方法，則2.62ADA因達(dá)飽和而無法溶解，造成消耗上升。還有 對(duì)脫硫液的溫度控制，對(duì)ADA消耗同樣很重要。從表1可以看出，ADA在有副 產(chǎn)物的溶液中溶解度下降很快，再加上溫度的升高使AD

21、A溶解度下降，雙重作 用將使ADA結(jié)晶析出。特別是對(duì)2.62ADA多的脫硫劑，這一現(xiàn)象將更加明顯， 加入量再多也無法提起溶液中ADA濃度。我們?cè)?jīng)使用過某廠的ADA ,在使用 中溶液濃度始終達(dá)不到要求，且通過加大ADA投放量的方法也無法改變這一現(xiàn) 狀，通過全面檢查我們?cè)诨厥盏牧蚧侵邪l(fā)現(xiàn)了一層異樣物，經(jīng)分析ADA達(dá)4%。這部分就是ADA結(jié)晶析出物。另外，氧化還原反應(yīng)對(duì)溫度比較敏感，脫硫液溫度 升高，反應(yīng)速度明顯加快，析硫反應(yīng)在脫硫塔內(nèi)快速進(jìn)行，將會(huì)造成硫堵。溫度 升高，還加快了副反應(yīng)，見圖1。故從溶解度和反應(yīng)來說，溫度過高對(duì)消耗下降不 利。硫代硫酸鹽圖1溫度對(duì)硫代硫酸鹽生成的影響3.2.3 CO

22、z的影響當(dāng)氣體中二氧化碳存在時(shí)，一部分碳酸鈉轉(zhuǎn)化成碳酸氫鈉，但堿度對(duì)二氧化 碳的吸收速度大大慢于對(duì)硫化氫的吸收速度，當(dāng)脫硫塔中吸收的二氧化碳與再生 塔中解析的二氧化碳達(dá)到平衡時(shí)，溶液中碳酸氫鈉的含量達(dá)到一定的平衡值，此 平衡數(shù)值與氣體中的二氧化碳有關(guān)。同時(shí)有CO2的存在后會(huì)使溶液的PH值下降， 使脫硫效率稍有降低。324溶液PH的影響PH值的適宜為8.5左右，以下是PH值對(duì)硫代硫酸鈉生成的影響。3.3工藝流程蒽醌二磺酸鈉法可用于常壓與加壓條件下煤氣、焦?fàn)t氣、天然氣等原料氣的 脫硫。圖2所示是加壓條件下 蒽醌二磺酸于鈉溶液脫出煤氣中硫化氫的工藝流程圖， 操作壓力為1.8MPa左右，進(jìn)口氣體中硫化

23、氫含量25 g/m3,出口氣體中硫化氫含 量小于10m g/m3。煤氣進(jìn)入一個(gè)下部為空塔，上部有一段填料結(jié)構(gòu)的脫硫塔， 凈化的氣體經(jīng)分液罐分離液滴后排出入后工序。由吸收塔出來的溶液進(jìn)入反應(yīng)槽中，在此，僅HS離子與NaV03的反應(yīng)全部完成，并開始將還原態(tài)的釩酸鈉用 蒽醌二磺酸進(jìn)行氧化。溶液出反應(yīng)槽后減壓流入再生塔， 空氣通入再生塔內(nèi)，僅 還原狀態(tài)的蒽醌二磺酸鈉氧化；單體硫磺浮集在氧化塔頂，使其溢流入稠厚桶， 經(jīng)過濾機(jī)分離而得到副產(chǎn)硫磺。溶液則由塔上部經(jīng)液位調(diào)節(jié)器后進(jìn)入溶液循環(huán) 槽，然后用泵將壓力升至2.0MP左右，仍送入吸收塔應(yīng)用。1 吸收塔；2分液罐；3再生塔；4 液位調(diào)節(jié)器；5硫泡沫槽；6

24、溫水槽；7 反應(yīng)槽；8循環(huán)槽；9 溶液過慮器；10, 11循環(huán)泵；12地下槽；13-溶堿槽；14-過濾機(jī)；15-空氣壓縮機(jī)；16-空氣冷卻機(jī)；17-空氣緩沖器；18-空氣過濾器圖2濕法ADA脫硫工藝流程簡圖3.4主要設(shè)備介紹3.4.1填料塔填料塔用于要求高的H2S脫除效率。用作脫硫的填料塔每段填料間設(shè)有人 孔，以供檢查用。國內(nèi)有些直徑為 56m大型塔，填料用聚丙烯的塑料鮑爾環(huán) （大小為？76mM 76mM 2.5mm）,塑料的表面較光滑，所以不易被硫堵塞，用 這種填料同時(shí)有很高的脫硫效率。3.4.2氧化槽世界上使用最多的是有空氣分布板的垂直槽，圓形多孔板安裝于氧化槽的底 部，孔徑一般為2mm,

25、空氣壓力必須克服氧化槽內(nèi)溶液的壓頭與分布板的阻力， 空氣在氧化器的截面均勻的鼓泡，液體與空氣并流向上流動(dòng)，硫泡沫在槽頂部的 溢流堰分離，分離硫后的清液在氧化槽頂部下面一點(diǎn)引出。這種形式的氧化槽需要鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓入。中國很多工廠使用一種自吸空氣噴射型的氧化槽，不需要空氣鼓風(fēng)機(jī)。液體加壓從噴嘴進(jìn)入，空氣從文丘里的喉管吸入。氧化槽是一大直徑的圓槽，槽內(nèi)放置多支噴射器。氧化槽目前使用最佳的是 雙套筒二級(jí)擴(kuò)大式， 脫硫液通過噴射再生管道反應(yīng)， 氧化再生后， 經(jīng)過尾管流進(jìn) 浮選筒，在浮選筒進(jìn)一步氧化再生， 并起到硫的浮選作用。 由于再生槽采用雙套 筒，內(nèi)筒的吹風(fēng)強(qiáng)度較大，不僅有利于氧化再生，而且有利于浮選

26、。內(nèi)筒上下各 有一塊篩板，板上有正方形排列的篩孔，直徑15mm,孔間距20mm,開孔率44%。 內(nèi)筒吹風(fēng)強(qiáng)度大， 氣液混合物的重度小， 而內(nèi)外筒的環(huán)形區(qū)基本上無空氣泡， 因 此液體重度大。在內(nèi)筒和環(huán)形空間由于重度不同形成循環(huán)。氧化槽的設(shè)計(jì)有如下三個(gè)基本參數(shù)要求的空氣流量； 氧化器的直徑； 有效的液體容積?？諝饬髁空扔诹虻漠a(chǎn)量、 反比于液體在氧化器內(nèi)的有效高度, 比值可按氧化器內(nèi)每米有效液面高度氧利用率為0.6%0.7%來計(jì)算。氧化器直徑正比于空氣流量與空氣比重的平方, 為了得到良好的硫浮選, 空氣流速一般選 2530m3/(min m2)截面。液體在氧化器的停留時(shí)間正比于液體流量，要求的停留

27、時(shí)間與氧化器數(shù)量有關(guān)，當(dāng)用一個(gè)氧化器時(shí)，停留時(shí)間約45min，用兩個(gè)氧化器停留時(shí)間不超過30min，多級(jí)氧化器有較高的氣液傳質(zhì)效率，第一個(gè)氧化器出來 的液體供給第二個(gè)氧化器， 硫泡沫從第二個(gè)氧化器頂部分離， 第一個(gè)氧化器的空 氣流量大，增大湍流使傳質(zhì)加快。第二個(gè)氧化器空氣流量較小，使硫浮選。3.4.3硫泡沫槽硫泡沫槽是一錐形底的鋼制圓筒，槽頂設(shè)有 1525轉(zhuǎn)/min的攪拌機(jī)一個(gè)， 以保持槽內(nèi)硫泡沫經(jīng)常呈懸浮狀態(tài)。此槽容積可按存放 36h 的硫泡沫存量計(jì) 算。3.4.4 過濾器工業(yè)上常用連續(xù)作業(yè)的鼓形真空過濾機(jī)，所需過濾面積可按每1m2過濾面積 于1h內(nèi)能濾過干燥硫磺6080kg計(jì)算。通常采用的

28、真空過濾機(jī)，當(dāng)過濾面積為 10m2時(shí)，其直徑為2.6m，長為1.3m。傳統(tǒng)的硫回收裝置， 是將硫泡沫經(jīng)真空過濾機(jī)過濾成硫膏， 硫膏再送入熔硫 釜中熔融。中國最近使用戈?duì)柲み^濾器來過濾硫泡沫。 該過濾元件是由多振過濾薄膜袋 組成，多孔膜的材料是聚四氟乙烯薄膜， 可根據(jù)工作負(fù)荷的大小調(diào)整過濾薄膜袋 的數(shù)量和膜的孔徑，以達(dá)到良好的過濾效果， 單臺(tái)過濾器的膜面積為 22.550m2。戈?duì)柋∧V料由于表面有一層致密而多孔的薄膜， 不需要傳統(tǒng)濾料的初始濾 餅層，一開始過濾就是有效過濾， 當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間后濾餅層積累到一定厚度， 同 樣也影響過濾流量， 這時(shí)可以給濾料一個(gè)以秒計(jì)的反向推動(dòng)力， 將濾料表面全部

29、的濾餅迅速而輕松地從濾料表面推卸下來， 稱為反清洗。 由于聚四氟乙烯自身的 化學(xué)特性， 它與任何物質(zhì)均不粘連， 因而所有的濾餅均可被清洗下來， 濾料又恢 復(fù)新濾料的過濾能力，這樣過濾，反清洗，再過濾，再反清洗，一次又一次循環(huán)。 這一工藝可在同樣的時(shí)間內(nèi)達(dá)到傳統(tǒng)過濾器 520倍的過濾流量，而用傳統(tǒng)的過 濾材料是無法實(shí)現(xiàn)這種頻繁的反清洗工藝的。戈?duì)栠^濾器是由罐體、管路、花板、濾芯、氣動(dòng)撓性閥、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。戈?duì)柲み^濾器一般安裝在硫泡沫槽后。泡沫液經(jīng)1#閥進(jìn)入過濾器，空氣經(jīng)3#閥排放后關(guān)閉3#閥，溶液經(jīng)上腔進(jìn)入貯槽。過濾一段時(shí)間后濾餅達(dá)到定值時(shí)， 控制系統(tǒng)進(jìn)入反沖狀態(tài)，1#、2#、4#閥自動(dòng)切

30、換，反沖清膜，濾餅脫離袋沉降到 錐底部，系統(tǒng)重新進(jìn)入過濾狀態(tài)。濾餅達(dá)到一定量時(shí)，開6#閥排硫膏，去熔硫釜熔成硫磺或脫水生成硫膏出售。使用戈?duì)柲み^濾器，可將硫泡沫高度凈化，如進(jìn)過濾器前懸浮硫含量為8g/L, 出膜過濾器清液懸浮硫含量8mg/L，取出的硫是硫膏，水分含量低，縮短了熔硫 釜的熔硫時(shí)間，并節(jié)省蒸汽。3.4.5熔硫釜熔硫釜是一個(gè)裝有直接蒸汽和間接蒸汽加熱的設(shè)備，其操作壓力通常為 0.4MPa。其容積按能充滿70%75%計(jì)算，而放入的硫泡沫含有40%50%的水 分。對(duì)于直徑1.2m，有效高度2.5m的熔硫釜，每次熔化所需的時(shí)間約為34h。 脫硫主要設(shè)備都用碳鋼制作，為了防腐，在吸收塔、再生

31、器的內(nèi)表面可用適當(dāng)?shù)?涂料涂刷。中國常用大漆、環(huán)氧樹脂作涂料。中國介紹，用玻璃纖維加強(qiáng)聚酯涂 料，在液體浸濕到的部位涂刷1.52.0mm厚。溶液泵的主要部分要用不銹鋼制 作，臥式再生槽的噴射器也用不銹鋼，泵的密封用機(jī)械密封，以減少溶液的漏損。4工藝計(jì)算書4.1原始數(shù)據(jù)4.1.1焦?fàn)t煤氣組分組分COCO2H2N2CH4O2體積/%28.2610.0038.6721.741.030.304.1.2脫硫液組分組分Na2CO3NaHCO3ADANaVO3g/L52531.54.1.3設(shè)計(jì)工藝參數(shù)焦?fàn)t煤氣中H2S初始含量C1 = 2.06g/m33 凈化氣中 H2S含量C2 = 0.07g/m 入吸收塔

32、焦?fàn)t煤氣壓力 P0 = 0.050 Mpa 出吸收塔焦?fàn)t煤氣壓力 Pi = 0.038 Mpa 入吸收塔焦?fàn)t煤氣溫度，to=35C 硫容 S = 0.416 Kg(H2S)/m3 熔硫釜的工作周期 4h 熔硫釜的操作壓力 0.4Mpa 硫泡沫中硫含量 S1 = 30 Kg/m3 硫泡沫槽溶液初始溫度ti = 40C； 硫泡沫槽溶液終溫t2 = 79C； 熔硫釜硫膏初始溫度t3 = 15C 熔硫釜加熱終溫 t4 = 135C 入熔硫釜硫膏初始含水率80% 出熔硫釜硫膏含水率50% 硫膏密度 p = 1500 Kg/m3 硫泡沫密度p =1100Kg/m3 硫泡沫比熱容,Cf =3.68 KJ/(

33、Kg K); 常用熔硫釜全容積為 Vr = 1.6m3 熔硫釜裝填系數(shù)為70%75% 硫膏的比熱容Cs = 1.8 KJ/(Kg K)- 硫膏的熔融熱 Ch=38.69 KJ/Kg 熔硫釜周圍空間的散熱系數(shù)入=12.56 KJ/(m Ch -0.2MPa蒸汽的汽化熱 門=2202.26 KJ/Kg0.4MPa 蒸汽的汽化熱 r2 = 2135.2 KJ/Kg H2S 氣體密度 p = 1.05 Kg/m3 ;脫硫液液體密度 pG = 1050 Kg/m3 熔硫釜表面積 F= 92 m2 噴射再生槽溶液流速 Wi = 25 m/s通常Wi = 1828 m/s 噴射再生槽噴嘴入口收縮角a = 1

34、4 噴射再生槽噴嘴喉管長度 L6 = 3mm 噴射再生槽吸氣室收縮角a2= 30噴射再生槽管內(nèi)空氣流速取 WA =3.5 m/s ； 噴射再生槽尾管直徑擴(kuò)張角取a3 = 7尾管中流體速 We = 1 m/s ；4.2 物料衡算421 H2S脫除(1) 計(jì)算原料氣的體積及流量以每年 330 個(gè)工作日，每天工作 24小時(shí)，則每小時(shí)生產(chǎn)合成氨為：15000-( 330 24) =1.894 t/h考慮到在合成時(shí)的損失，則以每小時(shí)生產(chǎn) 1.894 噸計(jì)算為基準(zhǔn)，所以 nNH3=1894 Kg -1 7Kg/Kmol= 1 1 1 .4 1 Kmol 則合成 NH3 所需要 N2 的物質(zhì)的量為nN2=

35、nNH3-2=55.71Kmol 考慮到半水煤氣經(jīng)過洗滌、 脫硫、 變換等工序到合成的過程中氮?dú)獾膿p失， 則損 失率以 1%計(jì)，則半水煤氣中氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為nN2 =55.71 (1+1%) =56.26Kmol所以原料氣中 N2 的體積為33 VN2=21.74Nm3/Kmol56.26Kmol=1223.16 Nm3根據(jù)原料氣中各氣體的體積比，則其它氣體的體積為3VCO2=10.00 -21.74 VN2=562.63 Nm33V CO=2 8 .26 -21.74 VN2=1590.01Nm33VH2=38.67 -21.74 VN2=2175.69Nm33VO2=0.30 -21.74

36、 VN2=16.88Nm33VCH4=1 .03 -21 .74 VN2=57.95 Nm3則總氣體的體積 V= V N2 +VCO2 +VCO +VH2 +VO2+ VCH43=1223.16+562.63+1590.01+2175.69+16.88+57.95Nm33=5626.32Nm3根據(jù)氣體方程，將0C、101.325KPa下的體積換算成150KPa、35C時(shí)的體積Vo33V0=101.325 5626.32 (273.15+35)/(150 273.15) m3=4287.57m3則進(jìn)入脫硫塔的氣體的流量為 G0=4287.570m3/h 根據(jù)氣體中H2S的含量計(jì)算H2S的質(zhì)量1

37、33入脫硫塔中 H2S 的質(zhì)量：m =2.06g/m 4287.57m =8.83Kg根據(jù)設(shè)計(jì)要求，出塔氣體中H2S的含量為w 0.07g/m取出塔氣中H2S的含量為 0.07 mg/m3，則塔的脫硫效率是 n(2.06 0.07) /2.06 00%=96.60%.由于原料氣中 H2S 的含量低，故在脫硫的過程中原料氣進(jìn)入脫硫塔和出脫硫塔的體積流量視為不變，則出塔氣體的流量 Wo須287.57m3/h233所以出塔氣中H2S的質(zhì)量為m =0.07g/m X4287.57m =0.30Kg故在脫硫塔中吸收的H2S的質(zhì)量為 Gi= m1 m2=26.49716 0.900389 Kg=25.60

38、Kg=6.144 Kg/tNH 34.2.2溶液循環(huán)量G13Lt =1 = 25.60 / 0.1 =256m /h=78.12Kg/tNH 3式中 S 溶液硫容量，kg/m3, S = 0.1 Kg (H2S)/m34.2.3生成W2S2O3消耗H2S的量取Na2S2O3的生成率為脫除量的8%,則：G2 =25.60 8% =2.048 Kg/h=0.625Kg/tNH 34.2.4 NCI2S2O3 生成量G3 = G2M Na?%3 =2.048 158/2 34 =4.76 Kg/h=2.51Kg/tNH 32M h2s式中M Na2S2O3 Na2S2O3 分子量M H2S H2S分

39、子量4.2.5理論硫回收量G4 ( G1 G2) M S/M H2S = (25.6 2.048) 32/34 = 22.17 Kg/h=11.71Kg/tNH3式中 Ms 硫的分子量4.2.6理論硫回收率9 = G G1 = 22.17/25.6= 86.6%4.2.7生成Na2S2O3消耗純堿的量G5 = G3M Na2CO3/ M Na2S2O3 =4.76 106 / 158 = 3.19 Kg/h=1.68 Kg/tNH 3式中 M Na2CO3 碳酸鈉的分子量；4.2.8硫泡沫生成量33G6 = G4/S1 =22.17/30 =0.74m3/h =0.39m3/tNH3式中S1

40、硫泡沫中硫含量，此處取 S1=30 kg/m3;4.2.9入熔硫釜硫膏量G7 = G4/S2 = 28.23/0.2 = 141.15Kg/h =74.52Kg/tNH3式中 S2 硫膏含量，此處取S2=20%;4.2.10回收率n = C1 C2 = (2.06-0.07) /2.06 100%=96.60%.Cl4.3熱量衡算4.3.1冷卻塔熱量衡算4.3.1.1冷卻塔熱負(fù)荷半水煤氣的平均式量M=(28X0.2826)+(44 0XI)+(2 0.3867)+(28 02174)+(18 00103)+(32 %.003)=19.5kg/kmol半水煤氣的密度：2 3p=PM / TR=1

41、.5 19.5 X0 /(273.15+35) 8314=1.142kg/m半水煤氣的質(zhì) 量流量 G0=V0 p =4287.57 1.142kg/h=4896.40kg/h=2585.21Kg/tNH3=132.58 Kmol/(tNH 3)Q1 = GC( t- 2 + vy卜叫 2 式中G。一入冷卻塔焦?fàn)t煤氣量，Kmol/(tNH 3);cp 焦?fàn)t煤氣平均等壓比熱容，KJ/( kmol. T)；CP =7.20 Kcal / (Kmol .T) = 30.15kJ/ kmolt1，t2 入、出冷卻塔焦?fàn)t煤氣溫度；W，W2 入、出冷卻塔焦?fàn)t煤氣溫含水量，Kg/Kmol.查得 W = 0.7

42、84Kg / Kmol 二 0.784Kg / Kmoli1,i2 入，出冷卻塔條件下水蒸氣的焓，Kcal/Kg,查表知ij?h =619Kcal/Kg =2591.63kJ / 2 =619.6Kcal/Kg =2564.83kJ / Kg代入公式計(jì)算得Q1 =132.58 |30.44 50 -350.784 2591.63 - 2564.83= 1 32.58 (30.44 1 50.784 26.8)=6. 33 10J tNH4.3.1.2冷卻水消耗量W3 二島T式中 述 冷卻水溫升，C ,此處取.：t5OC。W3 =6.33 10仁 17.6 1000 5 i=0.72m3/tNH

43、34.3.2硫泡沫槽熱量衡算4.3.2.1硫泡沫槽熱負(fù)荷Q2 = Vf RCf (t3-t4)=0.74/1.894 11 區(qū)0 3.68 ( 79-40)4=6.17 10 KJ/NH 3式中 Vf 硫泡沫體積，m3, Vf =G6/1.894;p 33硫泡沫密度，Kg/m , fp 1100Kg/m ;Cf -硫泡沫比熱容，KJ/(Kg K),Cf=3.68 KJ/(Kg K;T4 -槽中硫泡沫初溫，t1 = 400C;T3 -槽中硫泡沫終溫，t2 = 790C;1.894 小時(shí)氨產(chǎn)量，t/h4.3.2.2蒸汽消耗量4W4 = Q2/r1 =6.17 X0/2202.26 =28.01 K

44、g 式中 r1 0.2MPa 蒸汽的汽化熱，r1 = 2202.26 KJ/Kg4.3.3熔硫釜熱量衡算4.3.3.1熔硫釜熱負(fù)荷Q3 =G8Cs p(t5-t6)+0.5G8 pCh +4 入 F5-t6)=1.2 K8 1500X( 135-79) + 0.5 K2 500 38.69 + 4 12.56 92 (135-79)=475097.48 KJ釜3 3式中 G8 每一釜硫膏量，m/熔硫釜，G8=0.75Vr = 0.75 1.6 = 1.2 m /釜Vr 常用熔硫釜全容積為1.6m30.75 熔硫釜裝填系數(shù)為75%Cs 硫膏的比熱容，KJ/(Kg K), Cs =1.8 KJ/(

45、Kg K) Ch 硫膏的熔融熱，KJ/Kg ，Ch=38.69 KJ/Kg入容硫釜周圍空間的散熱系數(shù)，KJ/(m 0C)，入=12.56 KJ/(m C) h -2F 熔硫釜表面積，F(xiàn)= 92 m T6 入釜硫膏溫度，oC, t3= 79 C t5 釜內(nèi)加熱終溫,oc , t4 = 135 oc0.5 硫膏中含硫量50%4 熔1釜所需時(shí)間（工作周期），h p 硫膏密度，Kg/m3, p = 1500 Kg/m3433.2蒸汽消耗量W2 = Q3 /r2 = 475097.48/2135.27 = 222.50 KJ釜 式中 r2 0.4MPa 蒸汽汽化熱，r2 = 2135.27KJ/Kg5主

46、要設(shè)備的工藝計(jì)算和設(shè)備選型5.1主要設(shè)備的工藝尺寸5.1.1填料吸收塔計(jì)算5.1.1.1 塔徑利用貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算1036巾204 - 1.75326 1050仃 1.05 “8113888.9匯 1.05 丿(1050=-1.4214-1.6480.0379 9.81 0.9273 1050 耳114x1.05x0.80.2u = 0.85uf =1.401m/ s圓整得，D二2.0m塔的橫截面積S= - D23.14 22= 3.14式中 uf-泛點(diǎn)氣速，m/s.Wl 流體質(zhì)量流速,Kg/(h.L) ，wL = Lt p = 326X1050 =342300Kg/(h.L)；z 氣體質(zhì)

47、量流速，Kg/(h.L) , wv = Gopg = 13888.9 K05 = 14583.345Kg/(h.L)；a 填料比表面積，m2/m3，選用0 50mrK 25 mm 10 所以填料選擇正確。查得：液體的噴淋密度I = 22m3/m 2 h填料的潤濕率Lw3232Lw=I/ a = 2214=0.192 m/m h 0.08 m/m .h 合適式中 a填料的比表面積，m2/m3 ;塔截面積 A=0.785D2=0.785 送2=3.14m2式中 A 塔截面積，m2 D 塔徑，m ;333填料個(gè)數(shù) N = ad = 0.77 *0.05)= 6160 個(gè)/m式中 N 單位體積內(nèi)填料的

48、個(gè)數(shù)，個(gè)/m3 ;d 填料尺寸，m ； a常數(shù)，a = 0.77;持液量的計(jì)算：Ht = 0.143(L/de)0.6 = 0.143(326/0.05)0.6 =27.79m3 液體/m3填料【1 式中 Ht 總持液量，m3液體/m3填料；L 液相流率，m /m h ; de 填料直徑,m ;5.1.2噴射再生槽的計(jì)算5.1.2.1 槽體再生槽直徑D1的計(jì)算D1 =Ga0.785AI326 2.40.785 150=2.59 m圓整：D1 = 3 m式中 D1 -槽體直徑，mAi -吹風(fēng)強(qiáng)度，m3 /(h m2)，Ai = 150 m3 /(h m2)Ga -空氣量，m3/h，Ga =LQ

49、= 326 送.4 =782.4m3/hCi -噴射器抽吸系數(shù)，m3/m2，設(shè)Ci=2.4m3/m2再生槽擴(kuò)大部分直徑D2的計(jì)算D2 = 0.4 + Di = 0.4 +3=3.4 m再生槽高度計(jì)算Hi =LT _ =326X8/0.785 32 60 = 6.15 m0.785D1圓整：Hi = 7 m式中Hi 再生槽有效高度，m； n-溶液在再生槽內(nèi)的停留時(shí)間，min, n取8min ；Ht = Hi + H2 + H3 = 7 + 1.5 + 0.5 = 9 m式中 Ht 再生槽高度，m；H_ 噴射器出口到槽底距離，m, H_取0.5 m H3 擴(kuò)大部分高度，m，H3取i.5m；5.I.

50、2.2噴射器(i) 噴嘴的計(jì)算噴嘴個(gè)數(shù)，n個(gè)n = LT/Li = 326/200 =i.63 個(gè)圓整：n = 2個(gè)式中 Li 每個(gè)噴射器溶液量，m3/h,取Li =200 m3/h ； 噴嘴孔徑，di，m200=0.0532 mV 0.7850.785X3600X25式中 Wi 噴射處溶液流速，m/s, Wi = 25 m/s 溶液入口管直徑，di，mdi =3di = 3 X.0532 =0.i60 m噴嘴入口收縮段長度，L5，mmpl_ plL5 =L 一 = 0.i60-0.0532/2tg (i4/2) = 0.434 m2tg% /2式中 a 噴嘴入口收縮角，a = i4 噴嘴喉管長度L6，mL6 = 3mm噴嘴總長度L7，mL7 = L5 + L6 = 0.434 + 0.003 = 0.437 m(2) 混合管的計(jì)算混合管直徑dm，mdm = 1.13. 0.785md= 1.13 X0.785 8.5 0.05322 = 0.155 m式中 m 噴射器形狀系數(shù)，取m = 8.