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 (4)1.1设计要求 (4)1.2设计依据 (4)2.工艺设计条件 (6)3.工艺流程叙述 (7)3.1概述 (7)3.2生产流程简述 (8)3.2.1原理 (8)3.2.2工艺流程简图 (10)4.要紧工艺指标 (11)4.1设计方案的确定 (11)4.2物料衡算 (11)4.2.1汲取塔的物料衡算 (12)4.2.2各流股的物料衡算 (13)4.3热量衡算 (14)5.工艺设计 (15)5.1 基础物性数据 (15)5.2 汲取塔的设计 (16)5.2.1 塔径计算 (16)5.2.2 塔径校核 (18)5.2.3 填料层高度及分段 (19)5.2.4 填料塔压降的计算 (23)5.2.5 填料支撑板 (25)5.3喷射氧化再生槽的计算 (26)5.3.1 槽体的计算 (26)5.3.2 扩大部分直径 (27)5.3.3 再生槽高度 (27)5.3.4 喷射器计算 (28)5.4 冷却塔的设计 (32)5.4.1 冷却塔的计算 (32)5.4.2 冷却塔校核 (34)5.4.3 分布器的设计 (47)5.4.4 丝网除沫器的设计 (51)5.4.4冷却塔的选管 (53)5.4.5塔底防涡器的设计 (55)6.设计感悟 (56)1.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，填料塔脱硫；富液再生采纳喷射氧化再生槽。
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.脱硫填料汲取塔的工艺设计研究[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H2N2CO CO2O2CH4合计体积（%）42 19 26 11 0.7 1.3 100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：240.0g/m3比重：1034kg/m3再生过程：采纳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，对合成氨生产危害专门大，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。
脱硫方法有专门多，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，或被脱硫溶液所汲取而除去。
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NH3·H2O，并部分电离成NH4+和OH-，因此氨水显弱碱性。
氨水与含硫化氢的原料气接触时，发生如下中和反应：NH4++OH-+H2S→NH4HS+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，溶液汲取硫化氢后温升专门小。
当溶液pH值小于12时，被汲取的硫化氢要紧以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，也被氨水汲取，其反应如下：NH4++OH-+CO2→NH4HCO32NH4++2OH-+CO2→(NH4)2CO3+H2ONH4++OH-+HCN→NH4CN+H2O尽管稀氨水能同时汲取硫化氢和二氧化碳，但在气液两相接触面积专门大、接触时刻专门短的条件下，氨水汲取硫化氢的速度比汲取二氧化碳的速度大80倍左右，具有良好的选择性。
依照这一特点，在脱硫过程中增大气液接触面积，缩短接触时刻，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：OHOHoo+1/2O 2=+H 2O脱硫过程生成的硫氢化铵，在苯醌的作用下氧化为单质硫：OOH+H 2O =NH 4++OH -+S +NH 4HS+再生过程的总反应可用下式表示：NH 4HS+1/2O 2NH 4++OH -+S 对苯二酚生成的单质硫，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：(NH 4)2S 2O 3+H 2O2NH 4HS+2O 2(NH 4)2S 2O 3+H 2O2NH 4++2OH -+S+O 2NH 4CNS NH 4CN+S3.2.2工艺流程简图图1 脱硫工段工艺流程简图原料气从汲取塔下部进入，与塔顶喷淋的脱硫液逆流接触，半水煤气中H2S被脱硫液汲取后从塔顶引出，经气液分离器分离出夹带的液滴后送往下段工序。
汲取了硫化氢的富液从汲取塔底排出，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.要紧工艺指标4.1设计方案的确定汲取塔的工艺设计方案要紧包括汲取剂、汲取流程、解吸方法、设备类型和操作参数的选择等内容。
关于汲取操作，选择适宜的汲取剂，具有十分重要的意义。
汲取剂的好坏对汲取操作的经济性有着十分重要的阻碍。
一般情况下，选择汲取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汲取过程，低浓度汲取，近似满足恒摩尔流假定，即假定在汲取过程中，液相流量L和气相流量G不变，液相中的氨含量为常量，且汲取过程是等温的，传质系数为常量，物料衡算过程如下：4.2.1汲取塔的物料衡算（1）水煤气进（出）塔流量V 0，Nm 3/hV 0=14×104×3200/（310×24）= 60215.05Nm 3/h （2）H 2S 脱除量，G 1 ，kg/hG 1=60215.05×（4.8-0.1）/1000=283.01kg/h（3）溶液循环量L T ，m 3/hS G L T /1式中 S ─溶液硫容量，kg/m 3,S 取(0.24-0.02)=0.22kg(H 2S)/m 3L T =283.01/0.22=1286.41m 3/h（4）理论所需空气量氧化1kgH 2S 所需空气量V 1=1/43×0.5×22.4×1/0.21=1.57Nm 3/h 理论所需空气量V 2=283.01/1.57=180.26Nm 3/（h ·m 3）设计条件所给吹风强度为100Nm 3/（m 3· h ），计算所需最小吹风轻度为180.26 Nm 3/（m 3·h ）,故应使用两台设备。
（5）理论硫回收量，G 2，kg/hG 2=60215.05×(4.8-0.1)/1000×32/34=266.36kg/h （6）理论硫回收率φφ=（4.8-0.1）/4.8×100%=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汲取塔内，原料气中的H2S和CO2与氨水发生中和反应，被汲取，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、出汲取塔的各流股组分、含量如下：表3 原料气气体H2N2C0 O2CO2CH4H2S体积分数% 41.87 18.94 25.92 0.70 10.96 1.30 0.31表4 净化气气体H2N2C0 O2CO2CH4H2S体积分数% 42.42 19.19 26.26 0.70 10.14 1.31 0表5 贫液S含量对苯二酚组分总氮含量碳化度总H2含量1mol/L 0.63 20g/m30.25g/L表6 富液S含量对苯二酚组分总氮含量碳化度总H2含量1mol/L 0.65 240g/m30.25g/L 4.3热量衡算（1）冷却塔热负荷Q，KJ/h（忽略冷却过程中水汽的焓变）Q1=G0×C p×(t1-t2)式中，G0—入冷却塔半水煤气含量，Kmol/hC p—半水煤气的平均等压比热容，KJ/(Kmol·K)计算结果C p=30.44 KJ/(Kmol·K)t1，t2为进、出冷却塔半水煤气温度，取t1=80℃，t2=36℃Q1=60215.05/22.4×30.4555554×（80-36）=3.6×106KJ/h（2）冷却水消耗量，W，Kg/hW=Q/(C p`×Δt)。