6万吨每年合成氨原料气脱硫（栲胶法）

题 目：学 院：专 业：姓 名：学 号：指导老师：完成时间：

毕 业 设 计 6万吨/年合成氨原料气脱硫工段设计 化学与材料工程学院 化学工程与工艺 2013/5/24

河南城建学院本科毕业设计 设计说明 设计说明 硫化物在合成氨原料气中含量不高，但对生产却危害极大。本设计的任务是将合成氨原料气（半水煤气）中的硫含量由2.7g/m3脱降到0.046 g/m3（0.04MPa,47℃）以下，设计采用模拟实验的方法。 本设计通过工艺评选，采用综合经济效益高的栲胶法。栲胶法属湿法脱硫，半水煤气从脱硫塔底部进入，与自上面流下的栲胶液逆向接触，以吸收混合气中硫化物。脱硫后的半水煤气去变换工段，吸收了硫化物的富液去再生系统。本设计计算包括：对工艺的物料衡算、能量衡算、主塔设备填料塔的塔高塔径、填料的选取以及附属设备选型。由设计任务给出的半水煤气流量为20926.87m3/h基础数据计算出，栲胶液循环量为555.3m3/h，副产品硫产量为124.9kg/h，设计出的脱硫塔直径4m，高22.5m，阶梯环填料用量182.12m3；再生槽直径8.4m，再生槽高度7.0m。 关键词： 合成氨 脱硫 栲胶法 工艺设计

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河南城建学院本科毕业设计 设计说明

Design elucidation Sulfide in the feed gas in the ammonia content is not high, but production is extremely harmful. The task is to design the raw material ammonia gas (semi-water gas) in the sulfur content from 2 g/m3 dropped from 0.1 g/m3 (1.46MPa, 40 ℃) below, design a simulation method. China's current water-gas desulfurization for the semi-main extract of the law, improving the ADA law, by law, such as liquid ammonia, through the design selection process, a comprehensive economic benefits of high extract. Extract of a wet desulfurization, semi-water gas desulfurization tower from the bottom of entry, and down from above the liquid extract reverse, with a mixture of sulfides in absorption. Desulfurization after the semi-water gas to transform Section, the absorption of the sulfide-rich liquid to the regeneration system. This design calculation include: materials calculation, energy calculation, the main tower equipment process calculation and ancillary equipment calculation. From design data calculated based, semi-water gas flow to 20926.87m3 / h, to extract liquid cycle of 555.3 m3 / h, sulfur by-product production of 124.9 kg / h, designed to desulfurizer diameter 4.0 m, high 22.5 m, Rasi Central filler amount of182.12 m3。Regeneration tank diameter 8.4 m, regenerated slot height 7.0 m. .Keywords： Production of Ammonla Desulfurization Extract Law Process Design II

河南城建学院本科毕业设计 目录

目 录

设计说明 ............................................................... I Design elucidation .................................................... II 主要符号一览表 ....................................................... iii 引 言 ................................................................. 1 1脱硫工艺评选 ......................................................... 3

1.1 国内当前常用脱硫工艺 .......................................... 3

1.1.1 氨水液相催化法 .......................................... 3 1.1.2 改良ADA法 .............................................. 4 1.1.3 栲胶脱硫工艺 ............................................ 5 1.1.4 FD法脱硫 ................................................ 6 1.1.5 PDS法脱硫 ............................................... 7 1.1.6 KCA法脱硫 ............................................... 8 1.2 脱硫工艺评选 .................................................. 9

1.2.1 工艺评选 ................................................ 9 1.2.2 工艺确定 ............................................... 12 1.3 栲胶脱硫工艺条件确定 ......................................... 13

1.3.1 栲胶溶液的预处理 ....................................... 13 1.3.2 温度 ................................................... 13 1.3.3 压力 ................................................... 13 1.3.4 溶液因素 ............................................... 14

2 工艺计算 ............................................................ 16

2.1 物料衡算 ..................................................... 16

2.1.1H2S脱除量 ................................................ 17 2.1.2 溶液循环量 ............................................. 17 2.1.3 生成Na2S2O3消耗的H2S ................................. 17 2.1.4 Na2S2O3生成量 .......................................... 17

2.1.5 理论硫回收量 ........................................... 18 2.1.6 理论硫回收率 ........................................... 18 2.1.7 生成Na2S2O3消耗的纯碱量 ............................... 18 2.1.8 硫泡沫生成量 ........................................... 18 2.1.9 入熔硫釜硫膏量 ......................................... 18 2.2 能量衡算 ..................................................... 19

2.2.1 脱硫塔热量衡算（按1mol硫化氢计算） .................... 19 2.2.2 冷却塔热量衡算 ......................................... 20 2.2.3 硫泡沫槽热量衡算 ...................................... 20 2.2.4 熔硫釜热量衡算 ........................................ 21 2.3 脱硫塔工艺计算 ............................................... 22

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河南城建学院本科毕业设计 目录

2.4 压降的计算 .................................................... 24 2.5附属设备的计算 ................................................. 26

2.5.1塔的附属高度的计算 ....................................... 26 2.5.2喷射再生槽工艺计算 ....................................... 27 2.5.3喷嘴计算 ................................................. 27 2.5.4 混合管计算 .............................................. 28 2.5.5吸气室计算 ............................................... 28 2.5.6尾管直径计算De .......................................... 29

3填料塔辅助设备的选择 ................................................ 30 3.1液体分布装置 ................................................... 30 3.2喷淋器的选择 ................................................... 30 3.3填料支承板 ..................................................... 31 3.4 液体再分布器 ................................................. 31 3.5 床层限制板 .................................................... 32 3.6气、液相进出口装置 ............................................. 32

3.6.1气体进口装置 ............................................. 32 3.6.2气体出口装置 ............................................. 32 3.6.3液体进口管 ............................................... 32 3.6.4液体的出口装置 ........................................... 32 3.7封头 ........................................................... 32 3.8人孔、手孔 ..................................................... 32 3.9加强圈 ......................................................... 33 4 机械强度的校核 ...................................................... 34

4.1质量载荷 ...................................................... 34 4.2风载荷的计算 .................................................. 34 4.3壁厚 .......................................................... 35

4.3.1筒体壁厚 ................................................. 35 4.3.2封头壁厚 ................................................. 36

设 计 结 果 ........................................................... 37 参 考 文 献 ........................................................... 40 附 录 ................................................................. 42 致 谢 ................................................................. 43

ii

河南城建学院本科毕业设计 主要符号一览表

主要符号一览表

符号 名称 单位 C1 半水煤气中H2S初始含量 g/m3 C2 净化气中 H2S含量 g/m3 G0 入吸收塔半水煤气气量 m3/h P0 入吸收塔半水煤气压力 Pi 出吸收塔半水煤气压力 P 吸收塔的操作压力 t1 入吸收塔半水煤气温度 t2 出冷却塔入吸收塔半水煤气温度 S 硫容 S1 硫泡沫中硫含量 t3 硫泡沫槽溶液初始温度 t4 硫泡沫槽溶液终温 t5 熔硫釜硫膏初始温度 t6 熔硫釜加热终温 ρS 硫膏密度 ρf 硫泡沫密度 Cf 硫泡沫比热容 Vr 常用熔硫釜全容积 Cs 硫膏的比热容 Ch 硫膏的熔融热 λ 熔硫釜周围空间的散热系数 r1 0.2MPa蒸汽的汽化热 r2 0.4MPa蒸汽的汽化热 ρG H2S气体密度 ρG 脱硫液液体密度 F 熔硫釜表面积 Wi 喷射再生槽溶液流速

iii

Mpa Mpa Mpa oC oC g（H2S）/m3 Kg/m3 0C 0C 0C o C Kg/m3 Kg/m3 KJ/(Kg·K) m3 KJ/(Kg·K) KJ/Kg

KJ/(m·h·0C)

KJ/Kg KJ/Kg Kg/m3 Kg/m3 m2 m/s

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α1 喷射再生槽喷嘴入口收缩角 ° L6 喷射再生槽喷嘴喉管长度 mm α2 喷射再生槽吸气室收缩角 ° WA 喷射再生槽管内空气流速 m/s α3 喷射再生槽尾管直径扩张角 ° L4 扩张管长度 mm de We L2 L1 WA dM da L3 m dm L7 L6 N Li di Wi dL L5 H1 η HT H2 H3 D2 尾管直径 尾管中流体速度 吸气室收缩长度 吸气室高度 管内空气流速 吸气室直径 空气入口管直径 混合管长度 喷射器形状系数

混合管直径 喷嘴总长度 喷嘴喉管长度 喷嘴个数 每个喷射器溶液量 喷嘴孔径 喷射处溶液流速 溶液入口管直径 喷嘴入口收缩段长度 再生槽有效高度 溶液在再生槽内的停留时间 再生槽高度 喷射器出口到槽底距离 扩大部分高度 再生槽扩大部分直径的计算

iv

mm m/s mm mm m/s mm mm m m m m 个 m3/h m m/s m m m min m m m m

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H1 再生槽高度 m D1 再生槽直径 m Ai 吹风强度 m3 /(h·m2) GA 空气量 m3/h Ci 喷射器抽吸系数 m3/m2 [P] 许用压力 Mpa ζs δe δn C2 C1 Pi K1 K2i ?i q0 D0 K1 Ai De Li ΔPm P1 P2 P1 P2 AP HP L 2

·h

钢板的许用应力 有效厚度 名义厚度 钢板的腐蚀裕量 厚度负偏差 风载荷 空气动力系数 风振系数 风变化系数

距地面10m处风压 塔设备的内径 空气动力系数 迎风面积

塔设备的直径 塔设备的高度 吸收过程平均推动力 吸收塔入口气相H2S分压 吸收塔出口气相H2S分压 吸收塔入口气相H2S平衡分压 吸收塔出口气相H2S平衡分压 所需传质面积 填料层高度

液体的喷淋密度

v

Mpa mm mm mm mm Pa Pa m m m Mpa Mpa Mpa Mpa Mpa m2 m3/m

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LW 填料的润湿率 m3/m 2.h D 塔径 m N 填料个数 个/m3 D 填料尺寸 m α 常数

Ht 总持液量 m3液体/m3料 L 液相流率 de 填料直径 KG 吸收过程传质系数 u 操作气速 CNa 溶液中Na2CO3的含量 B 吸收过程液气比 L 流体质量流量 G 气体质量流量 a 填料比表面积 ε 填料孔隙率 μL 溶液粘度 Φ 湿填料的填料因子 ρG 气体密度 ρL 液体密度 ɡ 重力加速度 GF 泛点质量流速 u 操作气速 ΔPf 压降 D 吸收塔直径 P 吸收塔操作压力 G8 每一釜硫膏量 Vr 常用熔硫釜全容积 Cs 硫膏的比热容 Ch 硫膏的熔融热

vi

m3/m2·h m Kg/m2·h·Mpa m/s g/L L/m3 Kg/h Kg/h m2/m3 m3/ m3 m·Pa·s m-1 Kg/m3 Kg/m3 m/s2 Kg/m2·s m/s Pa/m m Mpa m3/熔硫釜 m3 KJ/(Kg·K) KJ/Kg

河南城建学院本科毕业设计 主要符号一览表

λ 熔硫釜周围空间的散热系数 KJ/(m·h·c) W2 蒸汽消耗量 Kg/釜 LT 溶液循环量 m3/h G2 生成Na2S2O3消耗H2S的量 Kg/h MNa2S2O3 Na2S2O3分子量 M H2S H2S分子量

G4 MS θ G5 M Na2CO3 G6 G7 η Q1 Vf ρf Cf W1 理论硫回收量 硫的分子量

理论硫回收率 生成Na2S2O3消耗纯碱的量 碳酸钠的分子量；

硫泡沫生成量 入熔硫釜硫膏量 回收率 硫泡沫槽热负荷 硫泡沫体积 硫泡沫密度 硫泡沫比热容 蒸汽消耗量

vii

kg/h ﹪ Kg/h m3/h Kg/h ﹪ KJ/t NH3 m3 Kg/m3 KJ/(Kg·K) Kg/t NH3

河南城建学院本科毕业设计 引言

引 言

氨是我国产量最大的化工产品,在国民经济中,氨占有重要地位,特别是对农业生产有着重大意义，氨主要用来制造化肥。液氨可以直接用做肥料，它的加工产品有尿素、硝酸铵、氯化铵和碳酸氢铵以及磷酸铵、氮磷钾混合肥等。氨也是非常重要的工业原料，在化学纤维、塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产内酰胺、尼龙、丙烯氰等单体和脲醛树脂等产品。

由氨制成的硝酸，是各种炸药的基本原料，如：三硝基甲苯、硝化甘油以及其他各种炸药。硝酸铵既是优良的化肥，又是安全炸药，在矿山开发等基本建设中应用广泛。氨在其它工业中应用也非常广泛：在石油炼制、橡胶工业、冶金工业和机械加工等部门以及轻工、食品、医药等工业部门中，氨及其加工产品都是不可缺少的。[18]

合成氨所需的原料主要是天然气、油田气、焦炉气和由煤制成的半水煤气，这些原料气中都含有硫化物。本论文只针对以半水煤气为原料合成氨而做，半水煤气中硫化物主要是硫化氢，占气体总含硫量的90％以上，其次还有羟基硫和二硫化碳，硫醇和噻吩极少。硫化物在半水煤气中含量只有0.05％（体积分数）左右，但是对合成氨生产却危害极大，表现在以下三个方面：

1） 腐蚀设备管 含有硫化氢的原料气，在水分存在时，就形成硫氢酸（H2S）而合成氨所用的设备管道大都是钢材，这样就存在下面化学反应：

H2S + Fe ---- FeS + H2

其腐蚀程度随硫化氢含量增高而加剧，这大大缩短了设备管道的使用寿命，为了降低成本，半水煤气必须首先脱硫。

2）硫化物对脱碳、铜洗过程的影响 硫化氢进入碳酸丙烯酯脱碳系统，空气气提过程中生成硫磺，特别是系统中有铁时，能加速硫化氢氧化成硫的反应。硫磺附着在玻璃液面计上影响液面观察，硫磺和油渍杂质结成垢层附着在管内壁上，影响传质，堵塞管道。硫磺沉积在填料表面上造成填料堵塞。硫磺垢层异常坚硬、难溶，很难用常规方法清除。

活化热钾碱脱碳系统统用钒做缓蚀剂时，要求操作溶液中五价钒与四价钒的比值维持在一定范围内，当硫化氢进入该溶液中时，能导致溶液中五价钒含量下降，四价钒含量上升，造成溶液防腐性能减弱，同时造成碳钢腐蚀加剧，引起溶液发泡，钒耗量增加。

铜氨液吸收硫化氢生成硫化铜沉淀，这种沉淀物颗粒很细，悬浮在溶液中导致溶液粘度增大，发泡性增强，铜耗上升，破环铜洗系统的正常运行。[12] 使催化剂中毒失活

1

河南城建学院本科毕业设计 引言

中温变换催化剂，硫化氢能与中温变换催化剂的活性组分Fe3O4产生如下可逆化学反应：

Fe3O4 + H2S + H2 ＝ FeS + 4H2O

通常，硫化氢含量越高，催化剂活性越低，硫化铁活性为四氧化三铁活性的40％~70％。催化剂活性温度的不同对硫的敏感程度也不同，在硫含量不高的情况下，350℃以上的变换率仍在90％以上，而320℃时的变换率还不到70％，可见硫化氢对低温活性的影响是相当严重的。

低温变换催化剂，硫化氢与铜基低温变换催化剂中的组分发生如下不可逆反应：

CuO + H2S = CuS + H2O ZnO + H2S = ZnS + H2O

即使气相硫的浓度低于1ppm也会被催化剂吸收，逐渐积累起来而使催化剂寿命缩短。催化剂吸硫越多，活性丧失越厉害。若以未吸硫的催化剂活性为100％，吸硫0.1％后活性降低到80％，吸硫0.2％后活性可降低到65％。

甲醇合成催化剂 硫对铜锌系甲醇合成催化剂的毒害作用与铜锌低温变换催化剂相同，而对催化剂的寿命影响更为显著。据中南大学教研组在两个容积为1L的装置内，用半水煤气做脱硫与不脱硫的联醇催化剂寿命影响实验，结果表明，脱硫与不脱硫相比催化剂的寿命大四倍以上。

烃化催化剂 硫是烃化催化剂最重要的毒物，据研究在100℃以上至800℃，无论何种形态的硫化物都会对镍催化剂产生毒害，其原因是硫化物的自由电子对与催化剂中过渡金属（Ni，Co，Fe）的d键形成配价键，致使催化剂中毒。硫化物与镍还能产生下面化学反应：

3Ni + 2H2S = Ni3S2 + 2H2

该反应在催化剂的活性中心进行得非常快，比纯金属快100倍。

氨合成催化剂 硫化物能破坏氨合成催化剂中的α-Fe的活性中心，使催化剂迅速失活：

Fe + H2S = FeS + H2 Fe + COS = FeS + CO 2Fe + CS2 = 2FeS + C 合成催化剂的硫中毒是永久性的。[2]

综合以上各因素，目前国内硫含量净化值是以确保各工段催化剂不中毒为标准规定的。

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河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

1脱硫工艺评选

1.1 国内当前常用脱硫工艺

由煤制得的半水煤气，含硫量相对于天然气和重油而言比较高，通常在0.05％（体积分数）左右。而干法脱硫设备机组庞大，反应速率慢，在脱硫剂使用后期，脱硫效率和阻力变化大，脱硫剂再生困难，仅适用于脱除低硫或微量硫。因此当前国内半水煤气脱硫大都使用湿法，湿法脱硫脱硫效率高，可使净化后的气体含硫量低于10ppm，可将H2S进一步转化为单质硫，无二次污染，它既可在常温下操作，又可在加压下操作，大多数脱硫剂可以再生，运行成本低。现将半水煤气各脱硫工艺介绍如下：

1.1.1 氨水液相催化法

氨水液相催化法以氨水作为配制脱硫液的碱液，对苯二酚作催化剂，氨水吸收硫化氢：

NH3 + H2O + H2S = NH4HS + H2O NH4HS = NH4+ + HS-

析硫：

OOH+O2HS-=OH+2S再生：

OH

O+O2=ONH3 + HCO3- = NH4+ + CO3- NH3 + H2O + CO2 = NH4+ + HCO3- NH3 + H2O + HCN = NH4 CN + H2O 2NH4HS + 2O2 = (NH4)2S2O3 + H2O NH4 CN + S = NH4CNS

2NH4CNS + 5O2 = (NH4)2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 4H2O2 + HS- = 5H2O + S2O32-

3

+H2O

OH副反应：

河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

NH3 + HCO3- = NH2COO- + H2O

来自造气工段的半水煤气，经罗茨鼓风机先进入冷却塔，再进入脱硫塔进行脱硫。脱硫后合格半水煤气经清洗塔，静电除焦油器，送往压缩机和变换系统。

由脱硫塔出来的脱硫液（富液）进入富液槽，由泵送入位于喷射氧化再生槽顶部的喷射器中。自吸空气进行溶液初级再生。而后气液从喷射器微管出来同进再生槽底部，并流向上，进一步进行再生。再生好的贫液送往贫液槽。再生时浮选出来的硫泡沫，聚集于槽顶，利用位差自动溢入地下槽。硫泡沫也可直接进入离心机分离出硫膏，炼成硫磺。滤液返回贫液槽，与贫液一并由泵送入脱硫塔脱硫。[5]

1.1.2 改良ADA法

ADA是 Anthraqninone Dislphonic Acicd 的缩写，中文名为蕙醌二磺酸，分子式常见有两种：

ONaSO3NaSO3ONaSO3NaSO3O

2-7ADA 2-6ADA

O

20℃时，2-7ADA在水中的溶剂度30%以上，2-6ADA为3%左右。 脱硫反应机理，碱性水溶液吸收硫化氢： Na2CO3 + H2S = NaHCO3 + NaHS

ADA和V5 +氧化HS-析出硫单质：

2HVO42- + 2HS- = HV2O5- + 2S + 3OH- + 2e

OO3SNaONaSO3OH+2HS-=O3SNaOHNaSO3+2S

还原态ADA（蒽氢醌）遇氧生成蒽醌，同时产生双氧水。

OHO3SNaOHNaSO3+

O2O=O3SNaONaSO3+H2O2

双氧水将V4+氧化成V5+：

HV2O5- + H2O2 +OH- = 2HVO42- + 2H+

双氧水与HS-的反应：

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河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

H2O2 + HS- = H2O + S + OH- 4H2O2 + 2HS- = 5H2O + S2O32- 副反应：

Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3 Na2CO3 + 2HCN = 2NaCN + H2O + CO2 NaCN + S = NaCNS

NaCNS + 5O2 = Na2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O

半水煤气进吸收塔，与塔顶喷淋下的脱硫液逆流接触，脱硫后的净化气从塔顶引出经气液分离器后送往变换工序。

吸收了H2S的富液从塔底引出，经液封进入溶液循环槽，富液泵通过加热器（夏季为冷却）后送入再生塔，与塔底送入的空气自下而上并流氧化再生。在再生塔上部引出的贫液经液位调节器返回吸收塔循环使用。

再生过程中生成的硫磺被送入的空气浮选至塔顶扩大部分，溢流至硫泡沫槽，经加热搅拌澄清分层，清液返回循环槽，硫泡沫至真空过滤机过滤，滤饼放入熔硫釜，滤液返回循环槽。

虑饼经硫膏漏斗放入熔硫釜熔硫，熔融硫放入硫磺铸模，自然冷却后得到副产物硫磺，溶硫废液回收至地下槽。[9]

1.1.3 栲胶脱硫工艺

栲胶是由植物的皮、果、叶和水萃取熬制而成，栲胶的主要成分是丹宁。随着植物的来源不同，栲胶组成可以差异很大，常见的分子量为300~1000，因而它们的外观也不尽一致多为呈浅黄或暗红色的粉末。

栲胶可分为水解型和缩合型两种，作为脱硫剂以水解型为好，不管何种栲胶都是由多羟基芳香族化合物组成的。目前脱硫用的栲胶多为橡椀栲胶，主要有栗木素、栗木橡椀宁酸、橡栗精酸等基团组成。它们的分子结构单元中含有众多的酚式结构的多羟基，易被空气氧化成醌式结构，这些就是栲胶能脱硫的根本原因。

脱硫反应机理，碱性水溶液吸收硫化氢：

Na2CO3 + H2S = NaHCO3 + NaHS

V5 +氧化HS-析出硫磺：

2V5+ + HS- = 2V4+ + S + H+

醌态栲胶氧化HS-，析出硫磺，醌态栲胶被还原成酚态栲胶：

TQ + HS- = THQ + S

醌态栲胶氧化V4+配合离子，使钒离子获得再生：

5

河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

TQ + V4+ + 2H2O = V5+ + THQ + OH-

空气中的氧氧化酚态栲胶，使栲胶获得再生，同时生成双氧水：

2O2 + THQ = TQ + H2O2

双氧水氧化V4+和HS-

H2O2 + HS- = H2O + S + OH-

副反应：

Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3 Na2CO3 + 2HCN = 2NaCN + H2O + CO2 NaCN + S = NaCNS

NaCNS + 5O2 = Na2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O

来自造气工段的半水煤气经过除尘洗涤，进入半水煤气脱硫塔底部，在塔内自下而上与塔顶喷淋而下的栲胶溶液逆流接触，在填料段脱除半水煤气中大部分的硫化氢，脱硫以后的半水煤气从脱硫塔顶部出来，进入塔后分离器，分离出夹带的栲胶液后，由上部出去，进入洗涤塔，在洗涤塔中水煤气自下而上经喷淋水洗涤后，经静电除尘器进口水封进入除尘器底部，经气体分布板向上进入电场空间，除去其中的焦油粉尘等微粒，后经电除尘出口水封送至半水煤气气柜，经半水煤气气柜缓冲，同时沉降出气体中部分粉尘后，经出口水封送往压缩工序。

脱硫塔底部出来的脱硫栲胶富液进入富液槽，由富液泵加压后送往再生槽喷射器，喷射器溶液的压力自吸入空气，空气和栲胶溶液一起进入喷射器的喉管及扩散管中剧烈混合反应，然后液汽一起进入喷射再生槽，进行栲胶液氧化再生和硫泡沫的浮选，再生后的贫液经液位调节器流入贫液槽，由贫液泵和溶液循环泵分别送往半水煤气脱硫塔和变换气加压脱硫塔与半水煤气和变换气进行逆流接触脱除其中的硫化氢，溶液流程如此循环进行，变换气加压脱硫出来的栲胶富液利用余压直接进入再生槽喷射器，实现氧化再生。[14]

1.1.4 FD法脱硫

基本原理：FD法脱硫是以磺基水杨酸配合铁盐作为催化剂的脱硫过程。磺基水杨酸（以Ssal表示）与Fe3+，Fe2+能形成配合物。随着pH的改变而改变的配位体，显现出不同的颜色，具有不同的稳定性。Fe3+，Fe2+被磺基水杨酸配合后，氧化还原电位显著降低。配合铁型的FD脱硫液的点位——pH曲线落在H2S——O2点位曲线的中间，表明FD脱硫液既能氧化HS-又能直接被氧氧化再生。

脱硫反应机理，碱性水溶液吸收硫化氢：

Na2CO3 + H2S = NaHCO3 + NaHS

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河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

析硫反应：

Fe3+(配合态) + HS- = Fe2+（配合态） + S + H+ 固硫反应：

Fe2+（配合态）= Fe2+ + Ssal Fe2+ + HS- = FeS + H+ 再生反应：

4Fe2+（配合态）+ O2 + 2H2O = 4 Fe3+(配合态) + 4OH- 2FeS + O2 + 2H2O = 2Fe2+（配合态）+ 2S + 4OH- 副反应：

NH3 + HCO3- = NH4+ + CO3- NH3 + H2O + CO2 = NH4+ + HCO3- NH3 + H2O + HCN = NH4CN + H2O 2NH4HS + 2O2 = (NH4)2S2O3 + H2O NH4CN + S = NH4CNS

2NH4CNS + 5O2 = (NH4)2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 4H2O2 + HS- = 5H2O + S2O32- NH3 + HCO3- = NH2COO- + H2O 络合铁溶液的制备反应：

通常，由磺基水杨酸和硫酸亚铁制备配合铁溶液：

Fe2+ + Ssal = Fe2+（配合态）

再生空气氧化：

4Fe2+（配合态）+ O2 + 2H2O = 4Fe3+(配合态) + 4OH-

FD法脱硫工艺流程与改良ADA法工艺流程基本相同。[3]

1.1.5 PDS法脱硫

PDS是脱硫催化剂的商品名称，该催化剂是钛箐钴磺酸盐系化合物，它的主要成分是钛箐钴磺酸盐.

吸收反应，碱性水溶液吸收硫化氢：

Na2CO3 + H2S = NaHCO3 + NaHS

NaHS + Na2CO3 + (x-1)S = Na2Sx + NaHCO3 RHS + Na2CO3 = RSNa + NaHCO3 COS + 2NaOH = Na2CO2S + H2O

再生反应：

NaHS + 02 = 2S + 2NaOH

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河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

H2O + Na2Sx + 0.5O2 = xS + 2NaOH RSNa + 0.5O2 + H2O = RSSR + 2NaOH Na2CO2S + 0.5O2 = Na2CO3 + S Na2CO2S + O2 = Na2CO3 + 2S

副反应：

NH3 + HCO3- = NH4+ + CO3- NH3 + H2O + CO2 = NH4+ + HCO3- NH3 + H2O + HCN = NH4CN + H2O 2NH4HS + 2O2 = (NH4)2S2O3 + H2O NH4CN + S = NH4CNS

2NH4CNS + 5O2 = (NH4)2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 4H2O2 + HS- = 5H2O + S2O32- NH3 + HCO3- = NH2COO- + H2O H2O2 + HS- = H2O + S + OH- 4H2O2 + 2HS- = 5H2O + S2O32- Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3 Na2CO3 + 2HCN = 2NaCN + H2O + CO2 NaCN + S = NaCNS

NaCNS + 5O2 = Na2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O

PDS法脱硫工艺流程与改良ADA法工艺流程基本相同。[26]

1.1.6 KCA法脱硫

KCA是脱硫催化剂的商品代号，KCA是用野生植物为原料经特殊制备的聚酚类物质KC与少量金属混配而成的棕色粉末状物质，将其溶解于氨水或纯碱中便成为脱硫液。KCA法从KC的制备到脱硫过程，都酷似栲胶法。

原料气中的硫化氢被碱液吸收，生成NH4HS或NaHS:

NH3 + H2O + H2S = NH4HS + H2O Na2CO3 + H2S = NaHCO3 + NaHS

NH4HS或NaHS被氧化态金属离子Mox氧化成单质硫，同时Mox被还原成Mre：

NH4HS + Mox + 2OH- = Mre + S + NH4OH + H2O NaHS + Mox + 2OH- = Mre + S + NaOH + H2O

醌态聚酚物质KCq将Mre氧化成Mox，本身被还原为酚态KCf：

KCq + Mre = KCf + Mox

8

河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

KCq将HS氧化成单质硫：

KCq + NH4HS + OH- = KCf + NH4OH + S KCq + NaHS + OH- = KCf + S + NaOH

式中：Mox——氧化态金属配合离子； Mre——还原态金属配合离子； KCq——氧化态KCA； KCf——还原态KCA

KCf转化为KCq时生成的双氧水将Mre氧化成Mox：

Mre + H2O2 + 2OH- = Mox + 2H2O

双氧水将HS-氧化成单质硫：

H2O2 + 2HS- = S + 2H2O

KCf被空气中的氧氧化成KCq，同时生成双氧水：

KCf + O2 = KCq + H2O2

副反应：

NH3 + HCO3- = NH4+ + CO3- NH3 + H2O + CO2 = NH4+ + HCO3- NH3 + H2O + HCN = NH4CN + H2O 2NH4HS + 2O2 = (NH4)2S2O3 + H2O NH4CN + S = NH4CNS

2NH4CNS + 5O2 = (NH4)2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 4H2O2 + HS- = 5H2O + S2O32- NH3 + HCO3- = NH2COO- + H2O H2O2 + HS- = H2O + S + OH- 4H2O2 + 2HS- = 5H2O + S2O32- Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3 Na2CO3 + 2HCN = 2NaCN + H2O + CO2 NaCN + S = NaCNS

NaCNS + 5O2 = Na2SO4 + 2CO2 + SO2 + N2 NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O

KCA法脱硫工艺流程与改良ADA法工艺流程基本相同。[22]

1.2 脱硫工艺评选

1.2.1 工艺评选

根据2007年半水煤气脱硫调查报告统计,中原地区300多家中氮厂有112家

9

河南城建学院本科毕业设计 脱硫工艺评选

使用栲胶法脱硫，占总数的35%，有91家使用改良ADA法脱硫，占总数的29%，有70家使用氨水液相催化法脱硫，占总数的23%，这三种脱硫方法技术成熟，规范化程度高，技术经济指标较好。在全国节能委员会的调查报告中查得，各脱硫方法的技术经济指标比较见下表：

表3各脱硫方法的技术经济指标比较

项目 处理气量（m/h） 入塔气H2S(g/m) 出塔气H2S(g/m) 脱硫温度（℃） 再生温度（℃） 再生时间（min） 再生空气比（m/m） 溶液循环量（m/h） 脱硫液浓度（mg/L） 脱硫效率（%） 硫磺回收率（%） 有机硫脱除率（%） 副反应生成率（%） 硫容（kg/m3）

33

3333

改良ADA

法 36000

栲胶法

氨水液相催化法 36000

KCA法 PDS法 FD法

50000 10000~12000 27000 27000

2~4 2.35 2~4 5~8 1.3~2.2 3.0

10~15 5~10 10~15 小于70 小于43.3 小于70

30~40 35~50 35~42 30~40 30~40 20~60

30~50 30~50 40~42 30~45 30~40 20~60

20~25 30~40 10~15 10~15 8~15 10~15

4.0 5.5 3.5 4.5 4.5 4.0

480 480 780 400 200~300 200~300

4000 3000 3500 1000 300 200

96 97 94~97 99 93~99 98

90 —— 3~5 0.36

85~90 —— 7~9 0.15~0.2

60 —— 较少 0.375

10

70 —— 多 0.2

90 50~60 多 0.5~1.2

90 30~40 多 0.75~1.15

河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

2 工艺计算

2.1 物料衡算

物料衡算基础数据：

表6半水煤气组成

组分 体积（％）

H2 39.8

CO 26.5

N2 21

CO2 10.5

CH4 1.4

O2 0.5

Ar 0.3

表7脱硫液组成

组成 含量（g/L）

Na2CO3 5

NaHCO3 25

栲胶 1.0

NaVO3 1.0

半水煤气中硫化氢含量：c1 = 0.18%=2.7 g/m3 净化气中硫化氢含量：c2 = 0.003%= 0.046 g/m3

入吸收塔半水煤气量：c0 =20926.87m3 /h （折合353.6kmol/t氨） 入冷却塔半水煤气温度：t1 = 47℃ 出冷却塔入脱硫塔半水煤气温度：t2 =33℃ 入脱硫塔半水煤气压力：0.04MPa

生产能力：8.33t/h（NH3）

以每年300个工作日，每天工作24小时，则每小时生产合成氨为：

60000÷（300×24）=8.33 t/h

考虑到在合成时的损失，则以每小时生产8.36吨计算为基准，所以

nNH=8360 Kg÷17Kg/Kmol=491.76 Kmol

3

则合成NH3所需要N2的物质的量为

nN= nNH÷2=245.88Kmol

2

3

考虑到半水煤气经过洗涤、脱硫、变换等工序到合成的过程中氮气的损失，则损失率以1%计，则半水煤气中氮气的物质的量为

nN

所以原料气中N2的体积为

2

=245.88×（1+1%）=248.34 Kmol

VN2=22.4Nm3/Kmol×248.34Kmol=5562.84 Nm3

16

河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

根据原料气中各气体的体积比，则其它气体的体积为

VCO2=8.77÷19.55×VN2= 2495.45 Nm3 VCO=27.82÷19.55×VN2=7916.02Nm3 VH2=43.45÷19.55×VN2=12363.44 Nm3 VO2=0.4÷19.55×VN2=113.81Nm3

则总气体的体积V= VN2 +VCO2 +VCO +VH2 +VO2

=5562.84Nm3+2495.45Nm3+7916.02Nm3+12363.44Nm3+113.81

Nm3

=12477.25Nm3

根据气体方程，将0℃、101.325KPa下的体积换算成40KPa、33℃时的体积V0

V0=101.325×12477.25×(273.15+33)/(40×273.15) m3=35424.8938m3

则进入脱硫塔的气体的流量为G=20926.87m3/h

物料衡算 对于H2、CO、N2、CO2、CH4、Ar、O2而言，进入脱硫塔量与出脱硫塔量相等，这部分物料不参与反应。在本工段，这些物质不再衡算。

2.1.1 H2S脱除量

H2S脱除量，G1，kg/h

G1 = [G0（c1–c2）]/1000

G1 =20926.87×（2.7–0.046）/1000 =55.53kg/h

2.1.2 溶液循环量

溶液循环量，LT，m3/h LT = G1/s

式中，s为溶液硫容量，kg/m3，s取0.1 kg/m3（H2S） LT = 55.53/0.1 =555.3m3/h

2.1.3 生成Na2S2O3消耗的H2S

生成Na2S2O3消耗的H2S，G2，kg/h

取Na2S2O3的生成率为H2S脱除量的8%，则： G2 = 55.53×8% = 4.44kg/h

2.1.4 Na2S2O3生成量

Na2S2O3生成量，G3，kg/h

G3 = G2× MNa2S2O3/2MH2S

17

河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

式中，MNa2S2O3是Na2S2O3的分子量 MH2S是H2S的分子量， G3 = 4.44×158/（2×34） = 10.32kg/h

2.1.5 理论硫回收量

理论硫回收量，G4, kg/h G4 = （G1 - G2）×MS/MH2S 式中MS是硫的分子量

G4 = （55.53-4.44）×32/34 =48.08kg/h

2.1.6 理论硫回收率

理论硫回收率，￠

￠ = G4/G1×100

￠ = 48.08/55.53×100% = 86.6%

2.1.7 生成Na2S2O3消耗的纯碱量

生成Na2S2O3消耗的纯碱量，G5，kg/h G5 = G3×MNa2CO3/ MNa2S2O3 MNa2CO3是Na2CO3的分子量， G5 =10.32×106/158 = 6.92kg/h

2.1.8 硫泡沫生成量

硫泡沫生成量，G6,m3/h G6 = G4/S1

式中，S1是硫泡沫中硫含量，kg/m3，此处取S1G6 = 48.08/30 = 1.9m3/h

2.1.9 入熔硫釜硫膏量

入熔硫釜硫膏量，G7, kg/h G7 = G3/S2

式中，S2是硫膏含硫量，此处取S2 = 50% G7 = 48.08/0.5 =96.16kg/h

18

= 30 kg/m3 河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

表8物料衡算汇总

项目 H2S脱除量 溶液循环量 生成Na2S2O3消耗的H2S

Na2S2O3生成量 理论硫回收量 理论硫回收率 生成Na2S2O3消耗的纯碱量

硫泡沫生成量量 入熔硫釜硫膏 单位 kg/h m3/h kg/h kg/h kg/h % kg/h m3/h kg/h 计算量 55.53 555.3 4.44 10.32 48.08 86.60 6.92 1.60 96.16 2.2 能量衡算

2.2.1 脱硫塔热量衡算（按1mol硫化氢计算）

反应：

Na2CO3 + H2S = NaHCO3 + NaHS + 44kJ/mol 2V5+ + HS- = 2V4+ + S + H+ + 91 kJ/mol TQ + HS- = THQ + S + 33 kJ/mol

Q放 =（n1×44 + n2×91 + n3×33）1000

=（3832.95×44×0.05% + 1533.18×91×0.05% + 2299.77×33×0.05%）×1000 = 84324.9 + 69759.7 + 37946.2 = 192030.8kJ/mol 脱硫塔热负荷Q0,

Q0 = 192030.8 kJ/mol = 38766.2 kJ/t NH3 = 978756.9 kJ/h 在使混合物升温过程中，设有10%能量传入空气中。 Cp液 = 4300kJ/（kmol×℃） Cp气 = 30.44 kJ/（kmol×℃） 由 Δt = Q/（ρVCp）

Δt = 192030.8×90%×1000/（1631×1000×4300） = 2.4℃

×

注示：该计算以反应热的90%用以使脱硫液和半水煤气升温，实际生产中，

脱硫液和半水煤气温度并未达到平衡。通常，半水煤气出口比进口温度高5℃左右，而脱硫液进出口温度几乎一样。

19

河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

2.2.2 冷却塔热量衡算

1) 冷却塔热负荷，Q1

Q1 = G0[Cp（t1 - t2）+ W×i1– W×i2

式中，G0 入冷却塔半水煤气量，kmol/t氨； Cp 半水煤气平均等压比热容，kJ/(kmol×℃)； 计算结果：

Cp = 7.27 kcal/（kmol×℃） = 30.44 kJ/(kmol×℃) t1，t2 入出冷却塔半水煤气温度，℃

W1,W2 入出冷却塔半水煤气含水量，kg/kmol； 计算结果：W1 = 0.784 kg/kmol W2 = 0.784 kg/kmol

i1，i2 入出冷却塔条件下半水煤气的热焓，kcal/kg； 查表得：i1 = 619 kcal/kg = 2591.63kJ/kg i2 = 619.6 kcal/kg = 2564.83kJ/kg

Q1 = 353.6×[30.44×（47 - 33）+ 0.784（2591.63 - 2564.83）] = 1353.6×[426.6 + 21.01] = 67880.4kJ/t氨 = 857070.7kJ/h 2）冷却水消耗量，W3，

W3 = Q1/1000Δt1

式中，Δt1为冷却水升温，℃，此处Δt1 = 5℃

W3 = 67880.4/（4186.8×5） = 3.24m3/t NH3 = 40.9m3/h

2.2.3 硫泡沫槽热量衡算

1）硫泡沫槽热负荷

Q2 = VF×Ψf×CF(t3 - t4)

式中 VF 硫泡沫槽体积，m3，VF = G6/12.62； 25.25 小时产氨量

Ψf 硫泡沫密度， kg/m3，Ψf = 1100 kg/m3；

CF 硫泡沫比热容，kJ/（kg×℃），CF = 3.68 kJ/（kg×℃）； t3 槽中硫泡沫终温，t3 = 80℃ t4 槽中硫泡沫初温，t4 = 40℃ Q2 = 7.66×1100×3.68×（80 - 40）/12.62 = 98281.1kJ/t NH3

20

河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

= 1240307.2kJ/h 2）蒸汽消耗量，W4 W4 = Q2/r1

式中 r1 蒸汽的汽化热，kJ/kg，查表得： r1 = 526kcal/kg = 2202.26 kJ/kg

W4 =98281.1/2202.26 =44.6 kg/t NH3 = 563.2 kg/h

2.2.4 熔硫釜热量衡算

1) 熔硫釜热负荷，Q3,

Q3 = C8CSρS(t5 - t6) + 0.5G8ρSCH+ 4MxF6(t5 - t8)

式中，C8 每一釜硫膏量，m3/釜，常用的熔硫釜全容积为6m3，熔硫釜的填装系数为75%； 则 C8 = 6×0.75 = 4.5m3

CS 硫膏的比热容，kJ/（kg.℃），CS = 1.8 kJ/（kg.℃） CH 硫膏的熔融热，kcal/kg，CH = 38.69 kcal/kg

Mx 熔硫釜向周围空间散热系数，kJ/（m2.h.℃），Mx = 12.65 kJ/（m2.h.℃）

F6 熔硫釜表面积，m3，此处F6 = 9.2m3 t5 釜内加热终温，℃，t5 = 135℃ t6 入釜硫膏温度，℃，t6 = 15℃ 0.5 硫膏中含硫50% 4 熔每釜所需时间，h

ρS 硫膏密度，kg/m3，ρS = 1500 kg/m3

Q3 = 1.2×1.8×1500×(135–15) + 0.5×4.5×1600×38.69 + 4×12.56×9.2×(135 - 15 ) = 581297.5kJ/釜

2）蒸汽消耗量，W5

W5 = Q3×r2

式中，r2 蒸汽汽化热，kJ/kg，由表查出：

r2 = 510kcal/kg = 2135.27 kJ/kg

W5 = 581297.5/2135.27 = 272.3 kg/釜

21

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表9热量衡算汇总

项目

脱硫塔热负荷（反应放热） 半水煤气升温（经验值）

冷却塔热负荷 冷却水消耗量 硫泡沫槽热负荷 蒸汽消耗量 熔硫釜热负荷 蒸汽消耗量

计算理论值 978756.9 kJ/h

5℃ 857070.7kJ/h 40.9m3/h 1240307kJ/h 272.3 kg/h 581297.5kJ/釜 272.3 kg/釜

2.3 脱硫塔工艺计算

塔径计算：

先利用泛点速度计算图求出液泛速度

（L/G）(ρg/ρl)＝0.905 [W02×α×ρ2/（g×ξ3×ρ1）] × μ0.18＝0.020 式中 W0 液泛速度，m/s；

L 液体质量流速，kg/（h×l） = LT×ρ1 =555.3×1050 G 气体质量流速，kg/（h×G） = G0×ρ = 209026.87×1.05 ρ1 气体密度，kg/m3，计算结果1.05 kg/m3

22

0.250.125

1

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ρ2 液体密度，kg/m3，取1050 kg/m3 g 重力加速度，m/s2，取9.81 m/s2

α 填料比表面积，m2/m3，此处选用θ50×25×1.5聚丙烯阶梯环，α取114 m2/m3。

ξ 填料空隙率，%，取0.927 μ 溶液粘度，mPa×s，取0.8 mPa×s

W0 = [0.027×9.81×0.9273×1050/（114×1.05×0.80.16）]0.5 W1 = 0.5W0

式中，W1操作气速，m/s W1 = 0.5×1.19 = 0.59 m/s

A、K－关联常数，查相关数据表得A=0.204 ,K=1.75

式中，D 脱硫塔直径，m

?u?1.05.5?1050??1.05??114?14950.2?lg?F????0.8?0.204?1.75???????? 3???15000?1.05??105?0?9.81?0.92710502 lg0.014uF??2.13 得uF=1.75m/s

u对于散装填料，空塔气速=0.5～0.85

uf取安全系数为0.6

则操作气速 u=0.6uF=0.85×1.75 =1.49m/s 根据，

600004VS3600 ? D??u3.14?1.49 =3.8

4?21418圆整取D=4m。

填料高度计算：

吸收过程传质系数KG计算: KG = AW1.3Na0.1B-0.01

式中，KG 传质系数，kg/（m2.h.atm） A 经验数，取20

W 吸收塔操作气速，0.69m/s

23

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Na 溶液中碳酸钠含量，Na = 5g/L B 吸收过程液气比。

B = 555.3×1000/20926.87= 26.54

KG = 20×0.691.3×50.1×18.99-0.01 = 20×0.617×1.17×0.92 =16.42kg/（m2×h×atm） 吸收过程平均推动力ΔPm计算

ΔPm = [（P1–P1×）-（P2–P2×）]/ln[（P1–P1×）/（P2–P2×）] 式中，P1 吸收塔入口气象H2S分压，atm； P1 = PiCi×22.4/（MH2S×1000） P2 吸收塔出气象H2S分压，atm； P2 = P0C2×22.4/（MH2×1000）

Pi 吸收塔入口压力，atm，Pi = 15.60atm（绝压） P0 吸收塔出口压力，atm，P0 = 15.58atm（绝压） P1 = 15.60×2.7×22.4/（34×1000） = 0.0277atm P2 = 15.58×0.0046×22.4/（34×1000） = 0.00047atm

P1×，P2×,吸收塔入、出口H2S平衡分压，atm，溶液中H2S含量很低，可以忽略,

即：P1× = P2× = 0

ΔPm = （0.0277–0.00047）/ln（0.0277/0.00047）

= 0.00067atm

所需要的传质面积计算： Fp = G1/（KG×ΔPm）

Fp = 55.53/(16.42×0.000175) = 20393.2m2 填料高度计算：

Hp = Fp/（0.785D2×α）

Hp = 20393.2/（0.785×42×114） = 14.2m 取Hp=14.5 填料用量计算： S = Hpπ×D2/4 S = 3.14×42×14.5/4=182.12m3

2.4 压降的计算

采用Eckert通用关联图计算填料层压

24

河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

??G?555.3?1050?1.05??= ?? ??20926.87?1.05??1050??L? =0.839

?u2??G0.29981.05()u?0.4382?89???0.80.2 纵坐标为 g?Ll10501050 =0.0016

w横坐标为 LwG0.50.5u－空塔气速，m/s

g－重力加速度，9.81m/s2 ?－填料因子，m-1

?－液体密度校正系数，?=?水/?液 ?L,?G－液体,气体的密度，kg/m3 ?L－液体粘度，mpa?s

WL,WG－液体，气体的质量流量，kg/s 查图得 △P∕Z=10Pa∕m 填料层压降为 △P=10×10=100Pa

D4?1000??100?8 d40所以选填料规格适宜。 塔径与填料尺寸之比：

最小润湿速率取为：(lw)min?0.08m3/m2.h 查附录知at?114.2m2/m3

最小喷淋密度：Umin?(lw)min?at?0.08?114 =9.136m3/m2?h

1495.5操作喷淋密度：U?

??52432 =155.52 m/m?h ?Umin

15000/3600操作空塔气速：u?

??3.524 =0.43m/s

25

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u0.43 ）?100%??100%?58.9%(在允许范围内uF0.73经校核，选用D=4m合理。 塔截面积 A=0.785D2=0.785×42=12.56 m2

式中 A －塔截面积，m2

D － 塔径，m ；

填料个数：查附录可知为10740个/m3； 持液量的计算：

Ht?0.143(L/d)0.6

安全系数

= 0.143(1495.5/0.05)0.6 = 69.32m3液体/m3填料

式中 Ht － 总持液量，m3液体/m3填料 ；

L － 液相流率，m3/m2·h ； d － 填料直径,m ；

2.5附属设备的计算

2.5.1塔的附属高度的计算

塔上部空间高度，可取为2.5m。塔下部空间高度，可取为2.5m。液体再分布器空间高度约为1m，塔底液相停留时间按三分钟考虑，则塔釜液所占空间高度为

1?2D h?V341555.3?3?60?1.2m = 3??3.824 裙座，即塔设备的支座。裙座主要由基础环。螺栓座和裙座圈组成。其作用是防止风载荷或地震载荷所引起的弯矩而造成翻到。采用圆筒形裙座。一般取1500mm

塔的总高度=15+2.5+2.5+1+1+1+1.5=24.5

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河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

表10脱硫塔工艺计算汇总

项目 塔径 填料高度 吸收过程传质系数KG 吸收过程平均推动力ΔPm

填料用量 塔高

计算结果 4m 15m

16.42kg/（m2×h×atm）

0.00067atm 182.12m3 24.5m

2.5.2喷射再生槽工艺计算

槽体计算：

再生槽直径计算：

D1 = [GA/（0.785 Ai）]0.5

式中，Ai 吹风强度，m3/（h.m2），取70 m3/（h.m2） D1 槽体直径，m

GA 空气量，m3/h， GA = Lr.C1

C1 喷射器抽吸系数，m3/m3，取2.4 m3/m3. D1 = [1631×2.4/（0.785×70）]0.5 = 8.4m 扩大部分直径计算：

D2 = 0.4 + D1 = 0.4 + 8.4 = 8.8m 再生槽高度，HT,m HT = H1 + H2 + H3

式中，H1 再生槽有效高度，m H1 = LT×η/（0.785×D12×60）

η 溶液在再生槽内停留时间，min，取6min。 H1 = 1631×8/（0.785×8.42×60） = 3.93m 取4m H2 喷射器出口到槽低距离，m，取0.5m。 H3 扩大部分高度，m，取2.5m HT = 4 + 0.5 + 2.5 = 7m

2.5.3喷嘴计算

喷嘴个数，n个 n = LT/Li

式中，Li 每个喷嘴器溶液量，m3/h，取40 m3/h.

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河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

n = 1631/40 = 40.8 圆整为 41个 喷嘴孔径，Dj，m

Dj = [L1/（0.785×3600×Wj）]0.5

式中，Wj 喷嘴处溶液流速，m/s，通常为18~25 m/s，此处取20 m/s。 Dj = [40/（0.785×3600×20）]0.5 = 0.0266 取0.027m 溶液入口管直径，Dl，m Dl = 3Di = 3×0.027 = 0.08m 取 θ89×4管 喷嘴入口收缩段长度，L5,m L5 = （Dl– Di）/2tg（α/2） 式中，α 喷嘴入口收缩角，取14。

L5 = （0.081 - 0.027）/2tg（14/2） = 0.22m

喷嘴喉管长度，L0,mm， 取3mm 喷嘴总长度，

L7 = L0 + L6 = 0.22 + 0.003 = 0.223m

2.5.4 混合管计算

混合管直径，Dm，m

Dm = 1.13×（m×0.785d12）0.5 式中，m 喷射器形状系数，取8.5

Dm = 1.13×（8.5×0.785×0.0272）0.5 = 0.079m

Dm取 θ89×4管 混合管长度，L3，m

L3 = 25Dm = 25×0.079 = 1.98m 取2.0m

2.5.5吸气室计算

空气入口管直径，Da，mm Da = 18.8×[GA/（Wa×n）]0.5

式中，Wa 管内空气流速，m/s，取3.5m/s

Da = 18.8×[3914/（3.5×41）]0.5 = 98mm 取Φ108×4管 吸气室直径，Dm，mm Dm =（3.1da2）0.5

Dm =（3.1×1002）0.5 = 176mm 取Φ219×6管 吸气室高度，L1 ，取330mm

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河南城建学院本科毕业设计 工艺计算

吸气室收缩管长度，L2，mm L2 = （Dm1–Dm）/2tg（α2/2） 式中，α2 吸气室收缩角，取30。

L2 = （207–81）/2tg（30/2） = 233mm

2.5.6尾管直径计算De

De = 18.8×（Li/We）0.5

式中，We 尾管中流体流速，m/s，取1m/s De = 18.8×（40/1）0.5 = 119mm 取Φ133×4管 扩散管长度计算，L4,mm

L4 = （Dm1– Dm）/2tg（α3/2） 式中，α3 扩散角，取7。

L4 = （125 -81）/2tg（7/2） = 361mm

表11喷射再生槽工艺计算结果汇总

项目 再生槽直径 扩大部分直径 再生槽高度 喷嘴个数 喷嘴孔径 溶液入喷嘴口管 喷嘴入口收缩段长度

喷嘴喉管长度 喷嘴总长度 混合管 混合管长度 空气入吸气室口管 吸气室型号 吸气室高度 吸气室收缩管长度

尾管 扩散管长度

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计算结果 8.4m 8.8m 7.0m 41个 0.027m θ89×4管 0.22m 3mm 0.223m θ89×4管 2.0m Φ108×4管 Φ219×6管 330mm 233mm Φ133×4管 361mm

河南城建学院本科毕业设计 塔辅助设备的选择

3填料塔辅助设备的选择

3.1液体分布装置

液体分布装置的作用是使液体的初始分布尽可能地均匀。对液体分布器的选型与设计，一般要求液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大，不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且制造安装方便，容易调整水平

采用溢流槽式分布器，具体尺寸如下表 塔径 喷淋槽 外径(mm) D-25 数量 8 中心距(mm) 375 数量 3 分配槽 中心距(mm) 1500 液体负荷范围 (mm) 4000 (m3/h) 33～680 槽宽150mm，高度340mm

溢流槽式布液器是适应性较好的分布器，特别适宜于大流量操作，一般用于塔径D大于1000mm的场合，溢流槽式分布器是由若干个喷淋槽及置于其上的分配槽组成。

溢流槽式分布器不易堵塞，可处理含固体粒子的液体，它的自由截面大，适应性好，处理量大，操作弹性也好。分布器的分块结构尺寸，以能否通过人孔安装拆卸为准，可用金属、塑料或陶瓷制造。

3.2喷淋器的选择

喷淋器是为了有效地分布液体，提高填料表面的有效利用率。安装位置需高于填料层表面150～300mm。对喷淋器的选择原则是能使液体均匀地分散开来，使整个塔截面的填料表面很好地润湿，结构简单，制造和检修方便。

选用排管式喷淋器，它是目前应用较为广泛的分布器之一

液体引入排管喷淋器的方式有两种：一是液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋；二是由垂直的中心管引入，经水平主管通过支管上的小孔喷淋。具体尺寸如下表9

表9 塔径（mm） 主管直径（mm） 支管排数 排管外缘直径（mm） 最大体积流量（m3/h） 4000 150 8 2940 176 排管式喷淋器一般用可拆连接结构，以便通过人孔进行装配和拆卸。 排管式喷淋器一般用不锈钢或塑料制造。塑料的重量轻、耐腐蚀性能好，所以焦炉煤气的脱硫工艺设计中采用塑料。

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河南城建学院本科毕业设计 塔辅助设备的选择

排管式喷淋器的操作弹性较小。

3.3填料支承板

填料支承板是用于支撑塔内填料及所持有的气体和液体的重量的装置。对于填料支承板要有足够的强度以支撑填料的重量，提供足够大的自由截面，尽量减小气液两相的流动阻力；有利于液体的再分布，耐腐蚀性能好，便于用各种材料制造；以及安装拆卸方便等

采用粱型气体喷射式支承板，它是目前性能最优的大塔支承板，使用塔径最大达12m。具体选择数据如下表10。

表10 塔径（mm） 板外径（mm） 支承板分块数 承载能力（Pa） 近似重量（N） 4000 3960 24 18500 3800 这种支承板由若干条支承梁组装而成，各条支承梁除长度不同外，其余结构尺寸均相同，以便成批生产。

这种支承板的特点是：气体通道大，可提供大于100%的自由截面；液体负荷高，液体不仅可从盘上的开孔排出，而且可从条与条之间的间隙穿过；梁式结构增加的强度，也便于安装拆卸。

支承梁的板厚：不锈钢为3~4mm；碳钢为6mm。

3.4 液体再分布器

液体再分布器主要是用来收集由上部填料床层流下的液体并将其均匀分配到下部填料床层。选用梁型再分布器。

粱型再分布器适用于直径大于1200mm以上的大塔。为了便于制造安装，设计成可拆卸结构，整个分布器由多条粱型结构拼装而成。再分布器与支持圈之间用卡子连接。

粱型再分布器与粱型气体喷射式支承板配套使用。支承板无主梁时，升气管上缘至填料支承板下缘的距离宜尽量缩短，应小于75~100mm，以防从支承板流下的液体进入升气管，影响再分布效果。如果结构上必须超过上述距离，则宜在升气管上方加设帽盖。具体选择数据如下表11。

表11 塔径（mm） 4000 盘外径（mm） 5450 螺栓圆直径（mm） 5285 分块数 30 升气管数 10 液体负荷范围（m3/h） 22~900

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河南城建学院本科毕业设计 塔辅助设备的选择

3.5 床层限制板

填料在大压降下操作时，由于气流冲击和负荷波动，如无压板，则陶瓷填料将会破碎而堵塞填料层。对金属填料因其较轻易于松动或不均匀膨胀，致使流体分布不均或被气流带走。为此，对陶瓷填料须安装填料压板，对塑料或金属填料须设床层限制板

床层限制板，为金属网与支架组成，重力约300Pa，直径较塔内径小10~38mm，边缘以螺钉固定于塔壁的凸台上。

3.6气、液相进出口装置

3.6.1气体进口装置

气体进口装置的设计，应能防止淋下的液体进入管内，同时还要使气体分散均匀。因此，不宜使气流直接由管接口或水平管冲入塔内，而应使气流的出口朝向下方，使气流折转向上。气体入塔速度一般为10~18 m/s，以降低突然扩大造成的压力损失，并有利于气流均匀分布。

3.6.2气体出口装置

气体的出口装置，要求既能保证气体畅通，又应能尽量除去被夹带的雾沫。可在气体出口前加装除沫挡板，当气体夹带较多雾滴时，需另装除沫器。

3.6.3液体进口管

液体的进口管直接通向喷淋装置 3.6.4液体的出口装置

液体出口装置的设计应便于塔内液体的排放，防止破碎的瓷环堵塞出

口，并且要保证塔内有一定的液封高度，防止气体短路。

3.7封头

选用椭圆型封头，具体尺寸如下表2

表12

椭圆型封头内径（mm） 曲面高度(mm) 直边高度(mm) 4000 1040 40 内表面积（m2） 容积（m3） 17.846 8.8802 3.8人孔、手孔

手孔和人孔的作用是为了检查设备的内部以及便于安装和拆卸设备内部构件。采用标准公称直径为DN150 mm的手孔。由于填料直径大于900 mm，因直径为此，应开设人孔。采用圆形标准公称DN450 mm的人孔。3.75m设一个人孔，故

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河南城建学院本科毕业设计 塔辅助设备的选择

设人孔5个

3.9加强圈

补强圈是作为补强金属非焊接在壳体与接管连接外。补强圈的材料一般与器壁的材料相同。被强圈与被补强的器壁之间要很好地焊接，使其与器壁能同时受力，否则起不到补强的作用。

补强圈的最大间距：3.75m

所以加强圈选用5个，每3.75m一个

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河南城建学院本科毕业设计 机械强度的校核

4 机械强度的校核

4.1质量载荷

塔设备的质量包括塔体，裙座体，内构件，保温材料，扶梯和平台及各种附件等的质量，还包括在操作，停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量。

设备操作时的重量：

m0?m1?m2?m3?m4?m5?ma?me 式中 m1?塔体和裙座质量，kg

m2?内件质量，kg m3?保温材料质量，kg m4?平台，扶梯质量，kg

m5?操作时塔内物料质量，kg ma?人孔，接管，法兰等附件质量,kg me?偏心质量，kg

其中，

1?D12?D22?H?? 41 =???3.52?3.42??21?7.8?103

4 =88722.27Kg

1m2???3.42?10?22

4 =1996.4 Kg m3?0

L?2H?2?21?42m1???m4?35?42?1470Kg m5?350000Kgma?0,me?0

因此，m0?88722.27?1996.4?1470?350000=442188.67 Kg

4.2风载荷的计算

（1） 风速V

V = 4q0

式中 V － 距地面10m处风速，m/s ；

q0 － 距地面10m处风压，Pa ；查得，该焦化厂所处地区年平均风雅

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河南城建学院本科毕业设计 机械强度的校核

为400Pa。

则，V?4400?80m/s （2） 雷诺数Re

Re = VD0/γ

式中 D0 － 塔设备的内径，m ；

γ－系数，γ = 0.145×10-4 ； 查得,空气动力系数K1 = 0.8

则，Re?3.5?800.145?10?4=1.93×107 （3）迎风面积Ai

Ai = Dehi

式中 De － 塔设备的直径，m ；

hi－ 塔设备的高度, m ；

则，Ai?3.5?18=63m2 （4）风振系数Ki Ki?1?m脉?i

式中 m脉 － 脉动系数, m脉 = 0.35 ；

ζi － 动力系数, ζi = 1.0

Ki?1?0.35?1=1.35

（5）风载荷Pi

Pi?K1?Ki?q0?fi?Ai 式中 Pi－ 风载荷，Pa ；

K1 － 空气动力系数 ； Ki －风振系数Ki ； ?i－ 风变化系数，?i = 1.0。

则，Pi?0.8?1.35?400?1.0?63=27216Pa

4.3壁厚

4.3.1筒体壁厚

?d?PcDi2?????Pctt?c2

???选用16MnR钢查得

?170MPaPc?0.05MPa??1.0

c2?双面腐蚀取4

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河南城建学院本科毕业设计 机械强度的校核

则， ?d?0.0?53500?4

2?17?01 =4.5mm

考虑钢板厚度负偏差c1=0.8及冲压减薄量，圆整后取?n?10mm厚的选用

16MnR 钢板作筒体。

4.3.2封头壁厚

采用标准椭圆形封头，双面对接焊缝100%探伤??1.0，设计壁厚?d按下式PcDi计算。?d??c2 t2?????Pc???选用16MnR钢查得

t?170MPaPc?0.05MPa

??1.0

c2?双面腐蚀取4

则， ?d?0.0?53500?4

2?17?01 =4.5mm

???150?170MPa,?s?345MPa

考虑钢板厚度负偏差c1=0.8及冲压减薄量，圆整后取?n?10mm厚16MnR钢板作封头，所以塔体壁厚和封头壁厚均取?n?10mm。

校核罐体与封头水压试验强度的计算由下式 P?D????T?Tie?0.9??s 2?e式中 pT?1.25p?1.2?50.?050.M0P 6a2?e??n?c?10?4.8?5.2mm

c?c1?c2?0.8?4?4.8 径向应力?s?345MPa 则?T?=

PT?Di??e?

2?e0.0625??3500?5.2?

2?5.2=21.1MPa

0.9??s?0.9?1?345?310.5MPa

?T?0.9??s

所以水压试验满足强度要求

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河南城建学院本科毕业设计 设计结果

设 计 结 果

本设计是栲胶法合成氨原料气脱硫工段设计。本文首先对脱硫的现状和发展做了介绍，和其他脱硫技术进行了对比，突出了栲胶法的特点和优势，并且对工艺做了相关阐述和计算。

1）物料衡算 采用栲胶法脱除原料气中的硫化氢，原脱硫塔气体中硫化氢含量为0.18%，净化后硫化氢的含量为0.003%。计算时，由20926.87m3/h的原料气进入脱硫塔，计算得脱硫量为55.53kg/h,循环量为555.3m3/h

2）热量衡算 分别对冷却塔，硫泡沫槽，熔硫釜进行了热量衡算，算得冷却塔的热负荷为857070.7kJ/h,冷却水的消耗量40.9m3/h，硫泡沫槽的热负荷 为1240307.2kJ/h，蒸汽消耗量为563.2kg/h；熔硫釜的热负荷为581297.5kJ/釜，蒸汽消耗量为272.3kg/釜。

3）填料塔的计算 计算得塔径为4.0m，塔高为24.5m，填料层高度为15m。 4) 强度校核 塔体的壁厚为10mm，封头壁厚10mm，风载荷校核得水平最大风力为27216Pa。

在设计的每一个阶段，都在李老师的精心指导下，查阅多方资料，综合考虑了技术的合理性和先进性、资源情况、工艺现有水平、安全可靠性等多方面的因素，方得出最终方案，从而完成设计任务。

通过本设计，得到对于6万吨/年合成氨原料气脱硫工段设计所需的脱硫塔尺寸、机械强度的结果符合要求。

栲胶溶液预处理条件表

处理物质 碳酸钠 氢氧化钠

设计生产中工艺控制条件见下表

总碱度 碳酸钠浓度 碳酸氢钠浓度

栲胶 矾酸钠 pH值 溶液硫容量 入脱硫塔气体温度

37

栲胶浓度 10~30g/L 30~50g/L

碱度 1.0~2.5g/L 1.0~2.0g/L

氧化温度 70~90℃ 60~90℃

空气量 不外翻为准 不外翻为准

溶液消光值 0.45左右 0.45左右

0.4 mol/L 0.1 mol/L 0.3 mol/L 1.0~2.0g/L 1.0~1.5 g/L 8.5~9.0 约0.1 g/L 36~45℃

河南城建学院本科毕业设计 设计结果

再生温度

脱硫塔溶液温度高于气体温度

硫泡沫槽内溶液温度 熔硫釜加热温度

吸收压力 再生压力 原料气中硫化氢 净化气中硫化氢 熔硫釜内压力 再生塔内溶液停留时间 喷射再生槽内溶液停留时间

再生塔吹风强度 喷射再生槽吹风强度 喷射再生槽喷射器喷嘴液速

物料衡算汇总表

项目 H2S脱除量 溶液循环量 生成Na2S2O3消耗的H2S

Na2S2O3生成量 理论硫回收量 理论硫回收率 生成Na2S2O3消耗的纯碱量

硫泡沫生成量量 入熔硫釜硫膏

单位 kg/h m3/h kg/h kg/h kg/h % kg/h m3/h kg/h

35~40℃ 3~5℃ 65~80℃ 130~150℃ 常压~2.0MPa

常压 10.0g/m3 小于0.3g/m3 小于0. 8MPa 25~30min 5~10min 80~120m3/（m2×h） 70~120 m3/（m2×h）

15~20m/s

计算量 55.53 555.3 4.44 10.32 48.08 86.60 6.92 1.60 96.16

热量衡算汇总表

项目

脱硫塔热负荷（反应放热） 半水煤气升温（经验值）

冷却塔热负荷 冷却水消耗量 硫泡沫槽热负荷

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计算理论值 978756.9 kJ/h

5℃ 857070.7kJ/h 40.9m3/h 1240307kJ/h

河南城建学院本科毕业设计 设计结果

蒸汽消耗量 熔硫釜热负荷 蒸汽消耗量

272.3 kg/h 581297.5kJ/釜 272.3 kg/釜

脱硫塔工艺计算汇总表

项目 塔径 填料高度 吸收过程传质系数KG 吸收过程平均推动力ΔPm

填料用量 塔高 人孔直径 手孔直径

计算结果 4m 15m

16.42kg/（m2×h×atm）

0.00067atm 182.12m3 24.5m 450mm 250mm

喷射再生槽工艺计算结果汇总表

项目 再生槽直径 扩大部分直径 再生槽高度 喷嘴个数 喷嘴孔径 溶液入喷嘴口管 喷嘴入口收缩段长度

喷嘴喉管长度 喷嘴总长度 混合管 混合管长度 空气入吸气室口管 吸气室型号 吸气室高度 吸气室收缩管长度

尾管 扩散管长度

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计算结果 8.4m 8.8m 7.0m 41个 0.027m θ89×4管 0.22m 3mm 0.223m θ89×4管 2.0m Φ108×4管 Φ219×6管 330mm 233mm Φ133×4管 361mm

河南城建学院本科毕业设计 参考文献

参 考 文 献

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40

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/isfo.html