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1、郑州大学化工与能源学院 专业 化学工程与工艺 班级 4班 姓名 张晓丹 学号 20110380429 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 李亦帆 职称 博士 系主任 侯翠红 职称 教授 2015年 1 月 24 日 、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、.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,
3、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)
4、 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
5、-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:3200 Nm3/ 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4800 mmH2O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: 0.1 g/Nm3富液组成:总氨含量:1.0M 碳化度R=C/A=0.65 总硫化氢:240
6、.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
7、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
8、。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:
9、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
10、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)
11、塔流量V0,Nm3 /h V0=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/(m3
12、 h),计算所需最小吹风轻度为180.26 Nm3/(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/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180.26 Nm3H2S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8.88 m34.2.2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H2