合成氨原料气净化脱硫工段设计

1、15万吨/年合成氨原料气净化脱硫工段设计1总论1.1概述合成氨原料气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氢形式存在的无机硫化物,还有少量的有机硫化物。具体来说作为原料气的半水煤气中都含有一定数量的硫化氢和有机硫化物(主要有羰基硫、二硫化碳、硫醇、硫醚等,能导致甲醇、合成氨生产中催化剂中毒,增加液态溶剂的黏度,腐蚀、堵塞设备和管道,影响产品质量。硫化物对合成氨的生产是十分有害的,燃烧物和工业装置排放的气体进入大气,造成环境污染,危害人体健康。硫也是工业生产的一种重要原料。因此为了保持人们优良的生存环境和提高企业最终产品质量,对半水煤气进行脱硫回收是非常必要的。1.2文献综述1.2

2、.1合成氨原料气净化的现状合成氨原料气(半水煤气的净化就是清除原料气中对合成氨无用或有害的物质的过程,原料气的净化大致可以分为“热法净化”和“冷法净化”两种类型,原料气的净化有脱硫,脱碳,铜洗和甲烷化除杂质等,在此进行的气体净化主要是半水煤气的脱硫的净化。煤气的脱硫方法从总体上来分有两种:热煤气脱硫和冷煤气脱硫。在我国,热煤气脱硫现在仍处于试验研究阶段,还有待于进一步完善,而冷煤气脱硫是比较成熟的技术,其脱硫方法也很多。冷煤气脱硫大体上可分为干法脱硫和湿法脱硫两种方法,干法脱硫以氧化铁法和活性炭法应用较广,而湿法脱硫以砷碱法、ADA、改良ADA和栲胶法颇具代表性。煤气干法脱硫技术应用较早,最早

3、应用于煤气的干法脱硫技术是以沼铁矿为脱硫剂的氧化铁脱硫技术,之后,随着煤气脱硫活性炭的研究成功及其生产成本的相对降低,活性炭脱硫技术也开始被广泛应用。干法脱硫既可以脱除无机硫,又可以脱除有机硫,而且能脱至极精细的程度,但脱硫剂再生较困难,需周期性生产,设备庞大,不宜用于含硫较高的煤气,一般与湿法脱硫相配合,作为第二级脱硫使用。湿法脱硫可以处理含硫量高的煤气,脱硫剂是便于输送的液体物料,可以再生,且可以回收有价值的元素硫,从而构成一个连续脱硫循环系统。现在工艺上应用较多的湿法脱硫有氨水催化法、改良蒽醌二磺酸法(A.D.A法及有机胺法。其中改良蒽醌二磺酸法的脱除效率高,应用更为广泛。改良ADA法相

4、比以前合成氨生产中采用毒性很大的三氧化二砷脱硫,它彻底的消除了砷的危害。基于此,在合成氨脱硫工艺的设计中我采用改良ADA法工艺。1.2.2ADA的理化性质ADA是蒽醌二磺酸(Anthraqinone Disulphonic Acid的缩写。作为染料中间体,它有几种主要的异构体。由于栲胶水溶液是胶体溶液,在将其配制成脱硫液之前,必须对其进行预处理,以消除共胶体性和发泡性,并使其由酚态结构氧化成醌态结构,这样脱硫溶液才具有活性。在栲胶溶液氧化过程中,伴随着吸光性能的变化。当溶液充分氧化后,其消光值则会稳定在某一数值附近,这种溶液就能满足脱硫要求。通常制备栲胶溶液的预处理条件列举在表1中:表1 制备

5、栲胶溶液的与处理条件 将纯碱溶液用蒸汽加热,通入空气氧化,并维持温度8090,恒温10h 以上,让丹宁物质发生降解反应,大分子变小,表面活性物质变成非表面活性物质,达到预处理目的。栲胶法脱硫工艺,将碱性栲胶溶液打入溶液循环槽,自循环槽出来,经过滤加压后进入系统的裂脱塔,吸收气体中的H2S,由裂脱塔出来的溶液进入裂脱再生塔,再生好的溶液由塔底流到溶液循环槽,经过滤加压循环使用;脱硫溶液从循环槽出来后经过滤加压送到变脱塔,吸收气体中的H2S,由变脱塔出来的溶液进入变脱溶液再生塔,再生好的溶液由变脱再生塔出来,进入变脱溶液循环槽,再经过滤加压,如此循环使用。1.2.3栲胶法脱硫的优缺点1.2.3.1

6、优点(1 栲胶资源丰富、价格低廉、无毒性、脱硫溶液成本低,因而操作费用要比改良ADA法低。(2 脱硫溶液的活性好、性能稳定、腐蚀性小。栲胶本身既是氧化剂,又是钒的络合剂,脱硫溶液的组成比改良ADA法简单,且脱硫过程没有硫黄堵塔问题。(3 脱硫效率大于98,所析出的硫容易浮选和分离。(4 栲胶法脱硫整个脱硫和再生过程为连续在线过程,脱硫与再生同时进行,不需要设置备用脱硫塔。(5 煤气脱硫净化程度可以根据企业需要,通过调整溶液配比调整,适时加以控制,净化后煤气中H2S含量稳定。1.2.3.2缺点设备较多,工艺操作也较复杂,设备投资较大。1.3 设计任务的依据工艺参数:半水煤气中H2S,C1=0.1

7、6%净化气中H2S,C2=0.003%入吸收塔半水煤气量,G0 = 60000m3/h入冷却塔半水煤气温度,t1=50 出冷却塔入吸收塔半水煤气温度,t2=35 入吸收塔半水煤气压力,0.04MPa(表设计目标:半水煤气中H2S浓度0.003%2 生产流程或生产方案的确定焦炉煤气的净化主要是要脱除煤气中的H2S,脱硫的方法有两种:干法脱硫、湿法脱硫。干法脱硫既可以脱除无机硫,又可以脱除有机硫,而且能脱至极精细的程度,但脱硫剂再生较困难,需周期性生产,设备庞大,不宜用于含硫较高的煤气,一般与湿法脱硫相配合,作为第二级脱硫使用。湿法脱硫可以处理含硫量高的煤气,脱硫剂是便于输送的液体物料,可以再生,

8、且可以回收有价值的元素硫,从而构成一个连续脱硫循环系统。现在工艺上应用较多的湿法脱硫有氨水催化法、改良蒽醌二磺酸法(A.D.A法及有机胺法。其中改良蒽醌二磺酸法的脱除效率高,应用更为广泛。但此法在操作中易发生堵塞,而且药品价格昂贵,近几年来,在改良A.D.A的基础上开发的栲胶法克服了这两项缺点。3 生产流程说明3.1反应机理根据栲胶主组分的分子结构,按醌(酚类物质,变价金属络合物两元氧化还原体系的反应模式,栲胶法脱硫的反应过程如下:3.1.1碱性水溶液吸收H2SNa2CO3+H2SNaHS+NaHCO33.1.2五价钒络合物离子氧化HS-析出硫磺,五价钒被还原成四价钒2V5+HS1-2V4+S

9、+H1+3.1.3 醌态栲胶氧化四价钒成五价钒,空气中的氧氧化酚态栲胶使其再生,同时生成H2O2。TQ(醌态+V4+2H2OTHQ(酚态+V5+2OH-2THQ+O22TQ+H2O23.1.4 H2O2氧化四价钒和HS-H2O2+V4+V5+2OH-H2O2+HS-H2O+S+OH-3.1.5 当被处理气体中有CO2、HCN、O2时产生如下副反应。NaCO3+CO2+H2O2NaHCO3Na2CO3+2HCN2NaCN+H2O+CO2NaCN+SNaCNS2NaCNS+5O2Na2SO4+CO2+SO2+N22NaHS+2O2Na2S2O3+H2O3.2主要操作条件3.2.1溶液组分溶液的主要

10、组分是碱度、NaVO3、栲胶。3.2.1.1 碱度溶液的总碱度与其硫容量成线性关系,因而提高总碱度是提高硫容量的有效途径,一般处理低硫原料气时,采用的溶液总碱度为0.4N,而对高硫含量的原料气则采用0.8N的总碱度。3.2.1.2 NaVO3含量NaVO3的含量取决于脱硫液的操作硫容,即与富液中的HS-浓度符合化学计量关系。应添加的理论浓度可与液相中HS-的摩尔浓度相当,但在配制溶液时往往要过量,控制过量系数在1.31.5左右。3.2.1.3栲胶浓度作为氧载体,栲胶浓度应与溶液中钒含量存在着化学反应的计量关系。从络合作用考虑,要求栲胶浓度与钒浓度保持一定的比例,同时还应满足栲胶对碳钢表面缓蚀作

11、用的含量要求。目前还无法有化学反应方程计算所需的栲胶浓度,根据实践经验,比较适宜的栲胶与钒的比例为1.11.3左右。工业生产中使用的溶液组成见下表2:表2 工业生产使用的栲胶溶液组成 3.2.2温度常温范围内,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。通常吸收与再生在同一温度下进行,约为3040。3.2.3 CO2的影响栲胶脱硫液具有相当高的选择性。在适宜的操作条件下,它能从含99的CO2原料气中将200mg/m3(标的H2S脱除至45mg/m3(标以下。但由于溶液吸收CO2后会使溶液的PH值下降,使脱硫效

12、率稍有降低。3.3工艺流程拟设计栲胶法脱硫及再生反应过程如下:(1 吸收:在吸收塔内原料气与脱硫液逆流接触硫化氢与溶液中碱作用被吸收;(2 析硫:在反应槽内硫氢根被高价金属离子氧化生成单质硫;(3 再生氧化:在喷射再生槽内空气将酚态物氧化为醌态;以上过程按顺序连续进行从而完成气体脱硫净化,湿法脱硫和再生工艺流程如下(见图: 1-分离器;2-脱硫塔;3-水封;4-循环槽;5-溶液泵;6-液位调节器;7-再生槽;8-硫泡沫槽;9-真空过滤机;10-熔硫釜;11-空气压缩机;图1 湿法栲胶脱硫工艺流程简图3.4主要设备介绍3.4.1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

13、有人孔,以供检查用。国内有些直径为56m大型塔,填料用聚丙烯的塑料鲍尔环(大小为ø76mm×76mm×2.5mm,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。3.4.2 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

14、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要求的空气流量;氧化器的直径;有效的液体容积。空气流量正比

15、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0.6%0.7%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2530m3/(min·m2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。3.4.3硫泡沫槽硫泡沫槽是一锥形底

16、的钢制圆筒,槽顶设有1525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36h的硫泡沫存量计算。3.4.4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6080kg计算。通常采用的真空过滤机,当过滤面积为10m2时,其直径为2.6m,长为1.3m。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2

17、2.550m2。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520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

18、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,1#、2#、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。3.4.5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0.4MPa。其容积

19、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1.2m,有效高度2.5m的熔硫釜,每次熔化所需的时间约为34h。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1.52.0mm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4.1原始数据4.1.1焦炉煤气组分: 4.1.2脱硫液组分: 4.1.3设计工艺参数焦炉煤气中H2S初始含量C1 = 2.5g/m3净化气中H2S含量C2 =0

20、.05g/m3入吸收塔焦炉煤气气量G0 = 60000m3/h入吸收塔焦炉煤气压力P0 = 0.039 Mpa出吸收塔焦炉煤气压力P i = 0.037 Mpa入吸收塔焦炉煤气温度,t0=35o C硫容S = 0.416 Kg(H2S/m3氨产量17.6 t/h熔硫釜的工作周期4h熔硫釜的操作压力0.4Mpa硫泡沫中硫含量S1 = 30 Kg/m3硫泡沫槽溶液初始温度t1 = 400C;硫泡沫槽溶液终温t2 = 800C;熔硫釜硫膏初始温度t3 = 15 0C熔硫釜加热终温t4 = 135 o C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S = 1500 Kg/m3硫泡沫密度f

21、=1100Kg/m3硫泡沫比热容,C f =3.68 KJ/(Kg·K;常用熔硫釜全容积为V r = 1.6m3熔硫釜装填系数为7075%硫膏的比热容C s = 1.8 KJ/(Kg·K硫膏的熔融热C h=38.69 KJ/Kg熔硫釜周围空间的散热系数= 12.56 KJ/(m·h·0C0.2MPa蒸汽的汽化热r1 = 2202.26 KJ/Kg0.4MPa蒸汽的汽化热r2 = 2135.2 KJ/KgH2S气体密度G = 1.05 Kg/m3;脱硫液液体密度G = 1050 Kg/m3熔硫釜表面积F= 92 m2喷射再生槽溶液流速W i = 25 m/

22、s通常W i = 1828 m/s喷射再生槽喷嘴入口收缩角1 = 14° 喷射再生槽喷嘴喉管长度L 6 = 3mm 喷射再生槽吸气室收缩角2 = 30°喷射再生槽管内空气流速取W A =3.5 m/s ; 喷射再生槽尾管直径扩张角取3 = 7° 尾管中流体速W e = 1 m/s ; 4.2物料衡算4.2.1H 2S 脱除,G 1,kg/hG 1 =1000C -(C G 210 =60000×(2.5-0.05/ 1000 = 147Kg/h=8.35 Kg/tNH 34.2.2溶液循环量L T ,m 3/hL T =SG 1= 147 / 0.1 =

23、 1470m 3/h=83.52 Kg/tNH 3 式中 S 溶液硫容量,kg/m 3,S = 0.1 Kg (H 2S/m 34.2.3生成Na 2S 2O 3消耗H 2S 的量G 2, Kg/h取Na 2S 2O 3的生成率为脱除量的8,则:G 2 = 147×8 = 11.76 Kg/h=0.67Kg/tNH 34.2.4Na 2S 2O 3生成量,G 3,Kg/hG 3 =SH O S Na M M G 232222= 11.76×158/2×34 = 27.32 Kg/h=3.59 Kg/tNH 3式中M Na2S2O3 Na 2S 2O 3分子量 M

24、H2S H 2S 分子量4.2.5理论硫回收量G 4,kg/hG 4 =(G 1-G 2M S / M H2S = (147-11.76×32/34 = 127.28 Kg/h=7.23 Kg/tNH 3 式中 M S 硫的分子量4.2.6理论硫回收率,= G 4/ G 1 = 127.28/147 = 86.6 4.2.7生成Na 2S 2O 3消耗纯碱的量G 5,Kg/hG 5 = G 3M Na2CO3/ M Na2S2O3 =27.32×106 / 158 = 18.33 Kg/h=1.04 Kg/tNH 3 式中 M Na2CO3 碳酸钠的分子量;4.2.8硫泡沫

25、生成量G 6,m 3/hG 6 = G 4/S 1 = 127.28/30 =4.24 m 3/h =0.24 m 3/tNH 3 式中 S 1 硫泡沫中硫含量,此处取S 1=30/m 3;4.2.9入熔硫釜硫膏量G 7G 7 = G 4/S 2 = 127.28/0.2 = 636.4 Kg/h =36.16Kg/tNH 3 式中 S 2 硫膏含量,此处取S 2=20%;4.2.10回收率, = 121C C C -= (2.5-0.05/ 2.5 =984.3热量衡算 4.3.1冷却塔热量衡算4.3.1.1冷却塔热负荷,1Q ,KJ/t NH 3(10121122P Q G Ct t W

26、i W i=-+- 式中0G 入冷却塔焦炉煤气量,Kmol/(tNH 3;P C 焦炉煤气平均等压比热容,KJ/( kmol.0C;07.20/(.30.15kJ/ kmol P C Kcal Kmol c =12,t t 入、出冷却塔焦炉煤气温度;12,W W 入、出冷却塔焦炉煤气温含水量,Kg/Kmol.查得 120.784/,0.784/W Kg Kmol W Kg Kmol =12,i i 入,出冷却塔条件下水蒸气的焓,Kcal/Kg, 查表知12,i i12619/2591.63/,619.6/2564.83/i Kcal Kg kJ Kg i Kcal Kg kJ Kg = 代入公

27、式计算得(1152.1930.4450350.7842591.632564.83Q =-+-3152.19(30.44150.78426.872687.65/k J t N H=+=4.3.1.2冷却水消耗量,3W ,33/m tNH1131000Q t W =式中 1t 冷却水温升,O C ,此处取15O t C =。 (33372687.6517.6100050.825/W m tNH =÷=4.3.2硫泡沫槽热量衡算4.3.2.1硫泡沫槽热负荷Q 2,KJ/t NH 3Q 2 = V f P f C f (t 3-t 4 = 4.24/17.6×1100×3

28、.68×(80-40 = 39008 KJ/t NH 3式中 V f 硫泡沫体积,m 3,V f =G 6/17.6 ;f 硫泡沫密度,Kg/m 3 , f = 1100Kg/m 3; C f 硫泡沫比热容,KJ/(Kg·K,C f =3.68 KJ/(Kg·K;T 4 槽中硫泡沫初温,t 1 = 400C ;T 3 槽中硫泡沫终温,t 2 = 800C ; 17.6 小时氨产量,t/h4.3.2.2蒸汽消耗量,W4,Kg/t NH3W4 = Q2/r1 = 39008/2202.26 =17.71 Kg/t NH3式中r1-0.2MPa蒸汽的汽化热,r1 = 2

29、202.26 KJ/Kg4.3.3熔硫釜热量衡算4.3.3.1熔硫釜热负荷Q3,KJ/釜Q2 =G8C ss(t5-t6+0.5G8s C h +4F(t5-t6= 1.2×1.8×1500×(135-15+ 0.5×1.2×1500×38.69 + 4×12.56×92×(135-15= 978270.6 KJ/釜式中G8-每一釜硫膏量,m3/熔硫釜,G8=0.75V r = 0.75×1.6 = 1.2 m3/釜V r-常用熔硫釜全容积为1.6m30.75 -熔硫釜装填系数为75%C s硫膏

30、的比热容,KJ/(Kg·K, C s =1.8 KJ/(Kg·KC h硫膏的熔融热,KJ/Kg ,C h=38.69 KJ/Kg 熔硫釜周围空间的散热系数,KJ/(m·h·0C,= 12.56 KJ/(m·h·0CF 熔硫釜表面积,F= 92 m2T6 -入釜硫膏温度,o C,t3= 15 0Ct5 釜内加热终温, o C ,t4 = 135 o C0.5 硫膏中含硫量504 熔1釜所需时间(工作周期,hS硫膏密度,Kg/m3,S = 1500 Kg/m34.3.3.2 蒸汽消耗量W2,Kg/釜W 2 = Q 3 /r 2 = 978

31、270.6/2135.27 = 458.148 KJ/釜 式中 r 2 0.4MPa 蒸汽汽化热,r 2 = 2135.27KJ/Kg5 主要设备的工艺计算和设备选型5.1主要设备的工艺尺寸5.1.1 填料吸收塔计算5.1.1.1 塔径利用贝恩-霍根关联式计算10112480.23f t v v L g L l V l u a W l A K g W =- 0.204=-114814701050 1.051.7560000 1.051050 =-1.4378 f u = 1.617= 0.85 1.375/f u u m s = 3.93D m = 圆整得, D =4m式中 f u -泛点气速

32、,/m s ,L w - 流体质量流速,Kg/(h.L ,L w = L T L = 1470×1050 = 1543500 Kg/(h.L;v w - 气体质量流速,Kg/(h.L ,v w = G 0G = 60000×1.05 =63000 Kg/(h.L;-填料比表面积,m2/m3,选用50mm×25 mm×1.5mm塑料阶梯环,= 114 m2/m3;-填料孔隙率,m3/ m3,= 0.927 m3/ m3;L-溶液粘度,m·Pa·s,= 0.8 m·Pa·s ;v-气体密度,Kg/m3,v = 1.05

33、 Kg/m3;L-液体密度,Kg/m3,L = 1050 Kg/m3;A.K-关联常数,查相关数据表得A=0.204,K=1.75-重力加速度,m/s2 , = 9.81 m/s2D -吸收塔直径,m ;5.1.1.2填料层高度计算吸收过程传质系数K G的计算6K G = Au1.3C Na0.1B-0.01 = 10×(1.3751.3×(50.1×(24.5-0.01=17.21 kg/m2·h·MPa式中K G -传质系数,kg/m2·h·MPa ;A -经验数,A = 10;u -操作气速,m/s ;C Na-溶液中

34、Na2CO3的含量,C Na= 5 g/L;B-吸收过程液气比,B = L T / G0 3吸收过程平均推动力P mP m = (P1-P1*-(P2-P2*/ (P1-P1*/ (P2-P2*= 0.0023-0.000045/(0.0023÷0.000045=0.57×10-3atm ;式中P1-吸收塔入口气相H2S分压,atm ;P1 = P0C1×22.4/M H2S =1.39×2.5×22.4/34×1000 = 0.0023atmP2-吸收塔出口气相H2S分压,atm ;P2= P i C2×22.4/M H2

35、S= 1.37×0.05×22.4/34×1000 = 0.000045atm ;P 0- 吸收塔入口压力 ,atm ,P 0 = 1.39atm ; P i - 吸收塔出口压力 ,atm ,P i = 1.37atm ; P 1*,P 2*- 吸收塔入,出口气相H 2S 平衡分压 ,Mpa ,溶液中H 2S 含量很低,可以忽略。P 1*= P 2*=0所需传质面积的计算A P = G 1/ K G P m = 147/17.21×0.57×10-3 =14985 m 2 填料层高度的计算H P = A P /0.785D 2=14985/0.

36、785×42×114 = 10.47 m 取填料层高度:H P =11 m 对于阶梯环填料,max 815,6h h mm D= 取8h D =,则 8400032000h mm =计算得填料层高度为11000mm,故无需分段5.1.1.3 压降的计算采用Eckert 通用关联图计算填料层压降10 横坐标为0.5G LG L w w 0.514701050 1.0560000 1.051050= 24.50.03= 0.775=纵坐标为 20.220.2998 1.051.375890.8105010509.81G L L u g = 0.016=u -空塔气速,m/sg

37、-重力加速度,9.81m/s 2-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,3/kg mL -液体粘度,a mp sL W ,G W -液体,气体的质量流量,/kg s 查图得/40/a P Z P m =填料层压降为4011440a p p =塔径与填料尺寸之比:4000/50=80 > 10 所以填料选择正确。查得:液体的喷淋密度 l = 22m 3/m 2·h 填料的润湿率L WL W =l/ = 22/114=0.192 m 3/m 2·h > 0.08 m 3/m 2.h 合适 式中 - 填料的比表面积,m 2/m

38、3 ; 塔截面积A=0.785D 2=0.785×42=12.56m 2 式中 A -塔截面积,m 2D - 塔径,m ;填料个数N =d -3 = 0.77×(0.05-3= 6160 个/m 3 式中 N - 单位体积内填料的个数,个/m 3 ;d - 填料尺寸,m ;- 常数, = 0.77 ;持液量的计算:H t = 0.143(L/d e 0.6 = 0.143(1470/0.050.6 =68.60m 3液体/m 3填料【1】式中 H t - 总持液量,m 3液体/m 3填料 ;L - 液相流率,m 3/m 2·h ;d e - 填料直径,m ;5.1

39、.2喷射再生槽的计算5.1.2.1 槽体再生槽直径D 1的计算 D 1 = I A A G 785.0 = 5.47 m 圆整:D 1 = 6 m式中 D 1 槽体直径,mA i 吹风强度,m 3 /(h·m 2,A i = 150 m 3 /(h·m 2G A 空气量,m 3/h ,G A =L t C i = 1470×2.4 = 3528 m 3/hC i 喷射器抽吸系数,m 3/m 2,设C i =2.4m 3/m 2再生槽扩大部分直径D 2的计算D 2 = 0.4 + D 1 = 0.4 +6 =6.4 m再生槽高度计算H 1 = 21785.0D L

40、T = 1470×8/0.785×62×60 = 6.94 m圆整:H 1 = 7 m式中 H 1 - 再生槽有效高度,m ;- 溶液在再生槽内的停留时间,min ,取 8min ;H T = H 1 + H 2 + H 3 = 7 + 1.5 + 0.5 = 9 m式中 H T - 再生槽高度,m ;H 2 - 喷射器出口到槽底距离,m ,H 2 取0.5 mH 3 - 扩大部分高度,m ,H 3 取1.5m ;5.1.2.2 喷射器(1 喷嘴的计算喷嘴个数,n 个n = L T /L i = 1470/200 =7.35个圆整:n = 8个式中 L i 每个喷

41、射器溶液量,m 3/h ,取L i =200 m 3/h ; 喷嘴孔径,d i ,m d i = i i W L 785.0= = 0.0532 m 式中 W i 喷射处溶液流速,m/s , W i = 25 m/s溶液入口管直径,d i ,md i =3d i = 3×0.0532 =0.160 m喷嘴入口收缩段长度,L 5,mmL 5 = 2/21tg d d i L -= 0.160-0.0532/2tg (14/2= 0.434 m 式中 1 喷嘴入口收缩角,1 = 14°喷嘴喉管长度L 6 ,mL 6 = 3mm喷嘴总长度L 7 ,mL 7 = L 5 + L 6

42、 = 0.434 + 0.003 = 0.437 m(2 混合管的计算混合管直径d m ,md m = 1.132785.0i md 式中 m 喷射器形状系数,取m = 8.5选168×5的管混合管长度L 3 ,mL 3 = 25d m = 25×0.155 =3.875 m圆整:L 3 =4 m(3 吸气室的计算空气入口管直径d a ,mmd a 选245×6.5的管W A 管内空气流速,m/s ,取W A =3.5 m/s ;吸气室直径d M ,mmd M = 21.3a d= = 408 mm 选426×9的管吸气室高度L 1 取L 1=350mm

43、吸气室收缩长度L 2L 2 = 2/22tg d d m M - = 408-158/2tg (30/2= 466.5 mm 式中 2 吸气室收缩角,取2 = 30°尾管直径的计算d e =18.8ei W L = 18.8×(200/10.5 = 266 mm 选2997.5的管式中 d e 尾管直径,mm ;W e 尾管中流体速度,m/s ,取W e = 1 m/s ;扩张管长度的计算L 4 = 2/23tg d d m e -= 284-158/ 2tg (7/2= 1030 mm 式中 L 4 扩张管长度,mm ;3 扩张角,取3 = 7°5.2辅助设备的

44、选型5.2.1液体分布装置采用溢流槽式布液器,具体尺寸如下表5.1:表5.1 溢流分布器尺寸 槽宽140mm ,高度340mm5.2.2液体再分布器采用梁型再分布器,具体尺寸如下:表5.2 梁型再分布器尺寸 5.2.3填料支承板采用梁型气体喷射式支承板,具体尺寸如下:表5.3梁型气体喷射式支承板尺寸 支承板采用塑料材料,板厚6mm,最大液体负荷200m3/m2·h,最大跨度1600mm 5.2.4填料压板采用床层限制板,限制板外径比塔径小25mm,用塑料制品5.2.5封头选用椭圆型封头,具体尺寸如下:表5.4椭圆型封头尺寸 塔的总高:H = 11000+5700+5000+1000=

45、22700m5.2.6裙座选5m5.2.7人孔,手孔人孔选用600,手孔选用标准尺寸DN2505.2.8加强圈加强圈选用6个,每3.75m一个6 设备稳定性及机械强度校核计算6.1壁厚的计算6.1.1塔体壁厚122c id t c P D c P =+-选用235Q C -查表得125t MP -0.139C P MP -1.0-2c -双面腐蚀取40.139400055644 6.23212510.139249.861d mm =+=+=- 考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,圆整后取10n mm =厚的235Q C -钢板作筒体6.1.2封头壁厚采用标准椭圆形封头,双面对接焊缝100%探伤 1

46、.0=设计壁厚d 按下式计算1220.5c id t c P D c P =+-0.13940004212510.50.1392.2246.22mm =+-=+=考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,圆整后取10n mm =厚的235Q C -钢板作封头,所以塔体壁厚和封头壁厚均取10n mm =校核罐体与封头水压试验强度的计算由下式1(0.92s T i e T eP D += 式中 1.25 1.250.1390.17375T a p p MP =10 4.8 5.2e n c mm =-=-=120.84 4.8c c c =+=+=径向应力235s MP =则(2T i e T eP D +

47、= (0.13754000 5.22 5.2+= 66.91MP =0.90.91235211.5s MP =0.9sT 所以水压试验满足强度要求6.2 机械强度的校核6.2.1 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。设备操作时的质量012345a e m m m m m m m m =+式中 1m -塔体和裙座质量,kg2m -内件质量,kg3m -保温材料质量,kg4m -平台,扶梯质量,kg5m -操作时塔内物料质量,kga m -人孔,接管,法兰等附件质量,kge m -偏心质量,

48、kg其中2211124(m D D H =- 22314(4 3.9821.77.81021216.7kg=-= 22 3.981154.34m =7431kg =30m =取笼式扶梯2222.745.4L H m =44045.41816m kg =254105068.6 3.9811m = 9852396kg =0a m =0e m =所以 021216743118169852396m =+9882860kg =6.2.2 风载荷6.2.2.1风载荷的计算根据塔高将其分五段,分别为2.7m,5m,5m,5m,5m.如下图所示: 两相邻计算截面间的水平压力为1612010i i i i ei

49、 p k k q f L D -=式中 i p -水平风力,N0q -基本风压,查表但均不应小于250N/ m 2 ,取400N/mi L -第 段计算长度,mmi f -风压高度变化系数,按表选取0.81k - 体型系数,圆柱直立设备取0.7ei D - 塔设备各计算段的有效直径,mm2i k -风振系数风振系数K 2i :K 2i = 1 + m i 式中 m i - 脉动系数,;- 动力系数,;K 21 = K 22 = K 23 = K 24 = 1 + 3.20.35 =2.12K 25 =1 + 3.20.32 =2.024代入式中得61121011110e p k k q f L

50、 D -=60.7 2.124000.82700(400020105103N -=-= 2p 6122022210e k k q f L D -=60.7 2.124000.85000(400020104725N -=-=2345p p p p =4725N6.2.2.2 风弯矩的计算在计算风载荷时,常常将塔设备沿塔高分为若干份,任意截面的风弯矩为112121222i i i i i w i i i i i i L L L M P P L P L L -+=+ 11312121312222w L L L M P P L P L L -=+ 5441235123422L L P L L L P

51、L L L L + 688924570481957182095445246919N m=+= 22235243242352342222w L L L L M P P L P L L P L L L -=+ 55554725472554725554725555222211812.535437.559062.582687.5189000N m=+ =+=33354343534222w L L L M P P L P L L -=+ 55554725472554725554725555222211812.535437.559062.5106312.5N m=+ =+=554444422wL L M

52、P P L -=+554725472552211812.535437.547250N m=+ =+= 55552w L M P -= 54725211812.5N m =7 设计体会与收获随着毕业日子的到来,毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结,但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多,以前总觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。通过这次毕业设计,

53、我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中我们的同学关系更近了一步,同学之间互相帮助,有什么不懂的大家在一起商量,听听不同的看法可以让我们更好的理解知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学。此外,还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现还是一无所知,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢指导老师宋军超对我的悉心指导,感谢老师给我的帮助。在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,虽经历了不少艰辛,但收

54、获很大。在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对未来的信心,相信对今后的学习工作生活会有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。设计中出现的不足之处我会在以后的工作学习中进一步完善。8 参考文献1 陈国桓.化工设备机械基础M. 北京:化学工业出版社.1995-2.174-175,205-2082 王树仁.合成氨生产工M.北京:化学工业出版社. 2005-023 符德学.无机化工工艺学M.西安: 西安交通大学出版社. 2005-084 陈五平.无机化工工艺学第三版上下册M.北京:化学工业出版社.20015 魏兆灿,李

55、宽宏.塔设备设计M.上海:上海科学技术出版社.1988,116 梅安华主编.小合成氨厂工艺技术与设计手册M.北京:化学工业出版社.1995 . 330-3607 化工部第六设计院编.化学工程手册M.第1 篇.北京:化学工业出版社.19808 化工部第六设计院编.化学工程手册M.第13 篇.北京:化学工业出版社.19809 国家医药管理局上海医药设计院.化工工艺设计手册M.上海: 化学工业出版社.199610 贾邵义柴诚敬.化工传质与分离过程M.上海: 化学工业出版社.2005 . 278-28411 贾绍义.柴诚敬化工原理课程设计M.天津:天津大学出版社.200212 谭天恩.麦本熙.丁惠华化工原理M.北京:化学工业出版社.1998附录重要符号一览表:符号名称单位C1焦炉煤气中H2S初始含量g/m3C2净化气中H2S含量g/m3G0入吸收塔焦炉煤气气量m3/h