合成氨脱硫工艺设计

合成氨脱硫工艺设计内容摘要：

在下进行是迅速的，但还原态焦钒酸盐不能为空气直接氧化再生，而必须依赖与反应（ 2），由 ADA 将它氧化而恢复活性，因此要求溶液中 ADA 与偏钒酸钠的化学当量比，按化学反应的当量计溶液中 ADA 含量必须等于或大于偏钒酸钠含量的 倍，工业上实际采用 2 倍以上。 表 3 是工业上采用的两种溶液组，组成（一）适用于含高硫化氢含量与加压情况下的原料气脱硫，组成（二）适用于含低硫化氢含量与常压 情况下的原料气脱硫，但也有使用低浓度的 ADA 溶液来脱硫。 表 3 工业生产使用的 ADA 溶液组成 溶液类别 总碱度 ∕N Na2CO3∕(gL1) ADA∕(gL1) NaKC4H4O6∕(gL1) 含高硫化氢与加压情况 1 5 10 2 含低硫化氢与常压情况 2～ 3 5 1 温度对 ADA 的影响 常温范围内， H2S、 CO2 脱除率及 Na2S2O3 生成率与温度关系不敏感。 再生温度在 45℃ 以下， Na2S2O3 的生成率很低，超过 45℃ 时则急剧升高。 为了保证主要反应进行所需要的条件，又尽可 能的抑制硫代硫酸盐的生成，适宜的吸收温度为 20~30℃。 同时温度与 ADA 的溶解度呈反比关系。 据资料介绍从 20 ℃ 上升到 100 ℃ , 2, 6 72ADA 在水中的溶解度将下降 3 倍以上。 这一点容易被人们忽视。 由于传统习惯 , 一般 ADA 和 Na2CO3 同时添加 ,而 Na2CO3 的溶解度与温度呈正比关系 , 提高温度对 Na2CO3 溶解有利 , 故在加料时 , 采用了蒸汽加热直接搅拌的方法 , 这样对 Na2CO3 溶解速度提高有利 , 但对 ADA 的溶解能力起到了很大的抑制作用。 从我们溶解釜的情况看 , 溶解釜有效容积约 为 850 L。 在加热到近 100 ℃ 时 , 经粗略估算 , 能溶解 85 kg, 而 约为 815 kg, 如我们采用不定期、大剂量添加的方法 ,则 因达饱和而无法溶解 , 造成消耗上升。 还有对脱硫液的温度控制 , 对 ADA 消耗同样很重要。 从表 1 可以看出 , ADA 在有副产物的溶液中溶解度下降很快 , 再加上温度的升高使 ADA溶解度下降 , 双重作用将使 ADA 结晶析出。 特别是对 多的脱硫剂 , 这一现象将更加明显 , 加入量再多也无法提起溶液中 ADA 浓度。 我们曾经使 用过某厂的 ADA , 在使用中溶液浓度始终达不到要求 , 且通过加大 ADA 投放量的方法也无法改变这一现状 , 通过全面检查我们在回收的硫磺中发现了一层异样物 , 经分析 ADA达 4%。 这部分就是 ADA 结晶析出物。 另外 , 氧化还原反应对温度比较敏感 , 脱硫液温度升高 , 反应速度明显加快 , 析硫反应在脱硫塔内快速进行 , 将会造成硫堵。 温度升高 , 还加快了副反应 , 见图 1。 故从溶解度和反应来说 ,温度过高对消耗下降不利。 6060 800温度硫代硫酸盐 图 1 温度对硫代硫酸盐生成的影响 CO2 的影响 当气体中二氧化碳存在时，一部分碳酸钠转化成碳酸氢钠，但碱度对二氧化碳的吸收速度大大慢于对硫化氢的吸收速度，当脱硫塔中吸收的二氧化碳与再生7 塔中解析的二氧化碳达到平衡时，溶液中碳酸氢钠的含量达到一定的平衡值，此平衡数值与气体中的二氧化碳有关。 同时有 CO2 的存在后会使溶液的 PH值下降，使脱硫效率稍有降低。 溶液 PH 的影响 PH 值的适宜为 左右，以下是 PH 值对硫代硫酸钠生成的影响。 60126溶液的PH值硫代硫酸盐 工艺流程 蒽醌二磺酸钠 法可用于常压与加压条件下煤气、焦炉气、天然气等原料气的脱硫。 图 2 所示是加压条件下 蒽醌二磺酸于钠溶液脱出煤气中硫化氢的工艺流程图，操作压力为 左右，进口气体中硫化氢含量 2~5 g/m3， 出口气体中硫化氢含量小于 10m g/m3。 煤气进入一个下部为空塔，上部有一段填料结构的脱硫塔，净化的气体经分液罐分离液滴后排出入后工序。 由吸收塔出来的溶液进入反应槽中，在此，仅 HS 离子与 NaVO3 的反应全部完成，并开始将还原态的钒酸钠用蒽醌二磺酸进行氧化。 溶液出反应槽后减压流入再生塔，空气通入再生塔内，仅还 原状态的蒽醌二磺酸钠氧化；单体硫磺浮集在氧化塔顶，使其溢流入稠厚桶，经过滤机分离而得到副产硫磺。 溶液则由塔上部经液位调节器后进入溶液循环槽，然后用泵将压力升至 左右，仍送入吸收塔应用。 8 3456148 911 12 1310718171615 1－吸收塔； 2－分液罐； 3－再生塔； 4－液位调节器； 5－硫泡沫槽； 6－温水槽； 7－反应槽； 8－循环槽； 9－溶液过虑器； 10， 11－循环泵； 12－地下槽； 13溶碱槽； 14过滤机； 15空气压缩机； 16空气冷却机； 17空 气缓冲器； 18空气过滤器 图 2 湿法 ADA 脱硫工艺流程简图 主要设备介绍 填料塔 填料塔用于要求高的 H2S 脱除效率。 用作脱硫的填料塔每段填料间设有人孔，以供检查用。 国内有些直径为 5～ 6m 大型塔，填料用聚丙烯的塑料鲍尔环（大小为 248。 76mm76mm），塑料的表面较光滑，所以不易被硫堵塞，用这种填料同时有很高的脱硫效率。 氧化槽 世界上使用最多的是有空气分布板的垂直槽，圆形多孔板安装于氧化槽的底部，孔径一般为 2mm，空气压力必须克服氧化槽内溶液的压头与分布板的阻力，空 气在氧化器的截面均匀的鼓泡，液体与空气并流向上流动，硫泡沫在槽顶部的溢流堰分离，分离硫后的清液在氧化槽顶部下面一点引出。 这种形式的氧化槽需要鼓风机将空气压入。 中国很多工厂使用一种自吸空气喷射型的氧化槽，不需要空气鼓风机。 液体加压从喷嘴进入，空气从文丘里的喉管吸入。 氧化槽是一大直径的圆槽，槽内放置多支喷射器。 氧化槽目前使用最佳的是9 双套筒二级扩大式，脱硫液通过喷射再生管道反应，氧化再生后，经过尾管流进浮选筒，在浮选筒进一步氧化再生，并起到硫的浮选作用。 由于再生槽采用双套筒，内筒的吹风强度较大，不仅有利于氧化再 生，而且有利于浮选。 内筒上下各有一块筛板，板上有正方形排列的筛孔，直径 15mm，孔间距 20mm，开孔率 44%。 内筒吹风强度大，气液混合物的重度小，而内外筒的环形区基本上无空气泡，因此液体重度大。 在内筒和环形空间由于重度不同形成循环。 氧化槽的设计有如下三个基本参数 ① 要求的空气流量； ② 氧化器的直径； ③有效的液体容积。 空气流量正比于硫的产量、反比于液体在氧化器内的有效高度，比值可按氧化器内每米有效液面高度氧利用率为 %～ %来计算。 氧化器直径正比于空气流量与空气比重的平方，为了得到良好的硫浮选，空气流速一般选25～ 30m3/(minm2)截面。 液体在氧化器的停留时间正比于液体流量，要求的停留时间与氧化器数量有关，当用一个氧化器时，停留时间约 45min，用两个氧化器停留时间不超过 30min，多级氧化器有较高的气液传质效率，第一个氧化器出来的液体供给第二个氧化器，硫泡沫从第二个氧化器顶部分离，第一个氧化器的空气流量大，增大湍流使传质加快。 第二个氧化器空气流量较小，使硫浮选。 硫泡沫槽 硫泡沫槽是一锥形底的钢 制圆筒，槽顶设有 15～ 25 转 /min 的搅拌机一个，以保持槽内硫泡沫经常呈悬浮状态。 此槽容积可按存放 3～ 6h 的硫泡沫存量计算。 过滤器 工业上常用连续作业的鼓形真空过滤机，所需过滤面积可按每 1m2 过滤面积于 1h 内能滤过干燥硫磺 60～ 80kg 计算。 通常采用的真空过滤机，当过滤面积为10m2 时，其直径为 ，长为。 传统的硫回收装置，是将硫泡沫经真空过滤机过滤成硫膏，硫膏再送入熔硫釜中熔融。 中国最近使用戈尔膜过滤器来过滤硫泡沫。 该过滤元件是由多振过滤薄膜袋组成，多孔膜的材料是聚四氟乙烯薄 膜，可根据工作负荷的大小调整过滤薄膜袋的数量和膜的孔径，以达到良好的过滤效果，单台过滤器的膜面积为 ～ 50m2。 戈尔薄膜滤料由于表面有一层致密而多孔的薄膜，不需要传统滤料的初始滤饼层，一开始过滤就是有效过滤，当经过一段时间后滤饼层积累到一定厚度，同样也影响过滤流量，这时可以给滤料一个以秒计的反向推动力，将滤料表面全部的滤饼迅速而轻松地从滤料表面推卸下来，称为反清洗。 由于聚四氟乙烯自身的化学特性，它与任何物质均不粘连，因而所有的滤饼均可被清洗下来，滤料又恢10 复新滤料的过滤能力，这样过滤，反清洗，再过滤， 再反清洗，一次又一次循环。 这一工艺可在同样的时间内达到传统过滤器 5～ 20 倍的过滤流量，而用传统的过滤材料是无法实现这种频繁的反清洗工艺的。 戈尔过滤器是由罐体、管路、花板、滤芯、气动挠性阀、自动控制系统等组成。 戈尔膜过滤器一般安装在硫泡沫槽后。 泡沫液经 1阀进入过滤器，空气经3阀排放后关闭 3阀，溶液经上腔进入贮槽。 过滤一段时间后滤饼达到定值时，控制系统进入反冲状态， 4阀自动切换，反冲清膜，滤饼脱离袋沉降到锥底部，系统重新进入过滤状态。 滤饼达到一定量时，开 6阀排硫膏，去熔硫釜熔成硫磺或脱水 生成硫膏出售。 使用戈尔膜过滤器，可将硫泡沫高度净化，如进过滤器前悬浮硫含量为 8g/L，出膜过滤器清液悬浮硫含量 8mg/L，取出的硫是硫膏，水分含量低，缩短了熔硫釜的熔硫时间，并节省蒸汽。 熔硫釜 熔硫釜是一个装有直接蒸汽和间接蒸汽加热的设备，其操作压力通常为。 其容积按能充满 70%～ 75%计算，而放入的硫泡沫含有 40%～ 50%的水分。 对于直径 ，有效高度 ，每次熔化所需的时间约为 3～ 4h。 脱硫主要设备都用碳钢制作，为了防腐，在吸收塔、再生器的内表面可用适当的涂料 涂刷。 中国常用大漆、环氧树脂作涂料。 中国介绍，用玻璃纤维加强聚酯涂料，在液体浸湿到的部位涂刷 ～ 厚。 溶液泵的主要部分要用不锈钢制作，卧式再生槽的喷射器也用不锈钢，泵的密封用机械密封，以减少溶液的漏损。 4 工艺计算书 原始数据 焦炉煤气组分 组分 CO CO2 H2 N2 CH4 O2 体积 /% 脱硫液组分 组分 Na2CO3 NaHCO3 ADA NaVO3 g/L 5 25 3 设计工艺参数 焦炉煤气中 H2S 初始含量 C1 = 11 净化气中 H2S 含量 C2 = 入吸收塔焦炉煤气压力 P0 = Mpa 出吸收塔焦炉煤气压力 Pi = Mpa 入吸收塔焦炉煤气温度， t0=35℃ 硫容 S = Kg（ H2S） /m3 熔硫釜的工作周期 4h 熔硫釜的操作压力 硫泡沫中硫含量 S1 = 30 Kg/m3 硫泡沫槽溶液初始温度 t1 = 40℃ ； 硫泡沫槽溶液终温 t2 = 79℃ ； 熔硫釜硫膏初始温度 t3 = 15℃ 熔硫釜加热终温 t4 = 135℃ 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 ρS = 1500 Kg/m3 硫泡沫密度 ρf =1100Kg/m3 硫泡沫比热容 ,Cf = KJ/(KgK)； 常用熔硫釜全容积为 Vr = 熔硫釜装填系数为 70﹪～ 75% 硫膏的比热容 Cs = KJ/(KgK) 硫膏的熔融热 Ch= KJ/Kg 熔硫釜周围空间的散热系数 λ= KJ/(mh℃ ) 蒸汽的汽化热 r1 = KJ/Kg 蒸汽的汽化热 r2 = KJ/Kg H2S 气体密度 ρG = Kg/m3 ； 脱硫液液体密度 ρG = 1050 Kg/m3 熔硫釜表面积 F = 92 m2 喷射再生槽溶液流速 Wi = 25 m/s 通常 Wi = 18～ 28 m/s 喷射再生槽喷嘴入口收缩角 α1 = 14176。 喷射再生槽喷嘴喉管长度 L6 = 3mm 喷射再生槽吸气室收缩角 α2 = 30176。 喷射再生槽管内空气流速取 WA = m/s ； 喷射再生槽尾管直径扩张角取 α3 = 7176。 尾管中流体速 We = 1 m/s ； 12 物料衡算 H2S 脱除 (1) 计算原料气的体积及流量 以每年 330 个工作日，每天工作 24 小时，则每小时生产合成氨为： 15000247。 （ 33024） = t/h 考虑到在合成时的损失，则以每小时生产 吨计算为基准，所以 nNH3=1894 Kg247。 17Kg/Kmol= 则合成 NH3 所需要 N2 的物质的量为 nN2= nNH3247。 2= 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 nN2 =（ 1+1%） = 所以原料气中 N2 的体积为 VN2== Nm3 根据原料气中各气体的体积比，则其它气体的体积为 VCO2=247。 VN2= Nm3 VCO=247。 VN2= VH2=247。 VN2= VO2=247。 VN2= VCH4=247。 V N2= Nm3 则总气体的体积 V= VN2 +VCO2 +VCO +VH2 +VO2+ VCH4 =+++++ = 根据气体方程，将 0℃ 、 下的体积换算成 150KPa、。