年产30万吨合成氨脱硫工段设计.docx
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年产30万吨合成氨脱硫工段设计
年产30万吨合成氨脱硫工段工艺设计
1.总论
1.1.1 栲胶的组成及性质
栲胶是由植物的皮(如栲树,落叶松)、果(如橡椀)、叶(如漆树)和干(如坚木、栗木)的水淬液熬制而成。
栲胶的主要成分是丹宁,丹宁是化学结构十分复杂的化合物组成的混合物。
含有大量邻二或邻三羟基酚。
多元酚的羟基受电子云的影响,间位羟基比较稳定,而连位或邻位羟基则很活泼,容易被空气中的氧氧化。
用于脱硫的栲胶属于水解类热溶栲胶,在碱性溶液中更容易氧化成醌类;已氧化的栲胶在还原过程中氧取代基又被还原为羟基。
虽然丹宁各组分的分子结构相当悬珠,但它们都是具有酚式结构的多羟基化合物,有的还含有醌式结构,这就是栲胶能用于脱硫过程的原因。
1.1.2栲胶脱硫的反应机理
栲胶法脱硫属于湿法脱硫,是利用碱性栲胶[T(OH)O2]的水溶液吸收半水煤气中的H2S,然后借助栲胶和矾作为载体和催化剂将吸收的H2S转化为单质硫,发生吸收反应后的栲胶溶液利用空气在溶液再生槽中进行再生,然后进入溶液循环槽重复循环使用。
其脱硫反应机理如下:
1)碱性溶液吸收H2S的反应:
Na2CO3+H2S=NaHS+NaHCO3
NaHCO3+H2S=NaHS+CO2+H2O
2)NaHS与偏钒酸钠反应生成焦钒酸钠:
硫氢化钠与偏钒酸钠反应生成焦钒酸钠,析出单质硫。
2NaHS+4NaVO3+H2O=Na2V4O9+4NaOH+2S
3)将Na2V4O9氧化成偏钒酸钠:
醌态栲胶氧化四价钒络离子为五价钒络离子使钒络离子恢复活性而醌态栲胶被还原为酚态栲胶失去活性。
4)还原态栲胶的氧化:
酚态栲胶被氧化获得再生,同时生成H2O2。
H2O2+NaHS=H2O+S+NaOH
1.1.3生产中副产品硫磺的应用
硫磺是一种重要的化工原料,肥料工业是硫的最大用户,硫磺的其它用途包括炸药、钢铁酸洗、医药食品工业、安全剥离、水处理、橡胶、电解工业、催化剂、颜料、化学品、硫磺胶泥、硫磺混凝土、醇类、黏合剂、农药、黑色火药、鞭炮等。
作为易燃固体,硫磺主要用于制造硫酸、染料和橡胶制品,也应用于医药、农药、火柴、火药和工业陶瓷、建材制品辅助材料等工业部门。
2.流程方案的确定
2.1栲胶脱硫法的理论依据
栲胶脱硫是利用碱性栲胶水溶液从气体中脱除硫化氢,属于二元氧化还原过程。
栲胶是有酚式结构的多羟基化合物,是一种良好的载氧体,又能对多种重金属离子起络合作用。
其脱硫反应机理如下:
1)碱性溶液吸收H2S的反应:
Na2CO3+H2S=NaHS+NaHCO3
NaHCO3+H2S=NaHS+CO2+H2O
2)NaHS与偏钒酸钠反应生成焦钒酸钠:
硫氢化钠与偏钒酸钠反应生成焦钒酸钠,析出单质硫。
2NaHS+4NaVO3+H2O=Na2V4O9+4NaOH+2S
3)将Na2V4O9氧化成偏钒酸钠:
醌态栲胶氧化四价钒络离子为五价钒络离子使钒络离子恢复活性而醌态栲胶被还原为酚态栲胶失去活性。
4)还原态栲胶的氧化:
酚态栲胶被氧化获得再生,同时生成H2O2。
H2O2+NaHS=H2O+S+NaOH
此外,在生产中还有生成硫代硫酸钠的副反应:
2NaHS+2O2=Na2S2O3+H2O
2Na2S2O3+3O2=2Na2SO4+2SO2
4H2O2+2NaHS=5H2O+Na2S2O3
2NaOH+Na2S2O3+4H2O2=2Na2SO4+5H2O
2.2工艺流程方框图
3.生产流程的简述
3.1简述物料流程
3.1.1气体流程
半水煤气从造气车间出来后,经过洗涤塔除尘、降温,水封后,从脱硫塔的底部进入塔内,脱硫液从塔顶喷淋而下,水煤气与碱性栲胶溶液在塔内逆向接触,其中的大部分硫化氢气体被溶液吸收,脱硫后的气体从塔顶出来至气柜。
3.1.2溶液流程
从脱硫塔顶喷淋下来的溶液,吸收硫化氢后,称为富液,经脱硫塔液封槽引出至富液槽(又称缓冲槽)。
在富液槽内未被氧化的硫氢化钠被进一步氧化,并析出单质硫,此时,溶液中吸收的硫以单质悬浮状态存在。
出富液槽的溶液用再生泵加压后,打入再生槽顶部,经喷射器高速喷射进入再生槽,同时吸入足够的空气,以达到氧化栲胶和浮选硫膏之目的。
再生后的溶液称为贫液,贫液经液位调节器进入贫液槽,出贫液槽的贫液用脱硫泵打入脱硫塔顶部,经喷头在塔内喷淋,溶液循环使用。
再生槽浮选出的单质硫呈泡沫悬浮于液面上,溢流至硫泡沫槽内,上部清液回贫液槽循环使用,沉淀出的硫膏入熔硫釜生成副产品硫磺。
3.1.3硫磺回收流程
再生槽中溢出的硫泡沫经泡沫槽后在离心机分离,得到硫膏,硫膏放入熔硫釜,用夹套蒸汽加热精制,放出做成98%纯度的硫磺锭,离心分离出的母液至富液槽回系统中使用。
3.2工艺的化学过程
水煤气经过洗涤塔进入脱硫塔,脱硫液从塔顶喷淋下来,气液两相在塔里充分接触后,硫化氢被脱硫液吸收,吸收硫化氢的脱硫液在再生槽中氧化再生后解析出单质硫。
栲胶脱硫的反应过程如下:
(1)碱性水溶液吸收气相中的H2S,生成HS-
Na2CO3+H2S=NaHS+NaHCO3
NaHCO3+H2S=NaHS+CO2+H2O
(2)硫氢化钠与偏钒酸钠反应生成焦钒酸钠,析出单质硫
2NaHS+4NaVO3+H2O=Na2V4O9+4NaOH+2S↓
此反应过程中五价钒被还原成四价钒,但是这个反应不能用吹空气的方法倒转回去使钒再生,必须靠氧化态栲胶将四价钒氧化成五价钒,而还原态栲胶则可利用吹空气再生,这便是栲胶脱硫的根本所在。
(3)醌态栲胶氧化四价钒络离子为五价钒络离子使钒络离子恢复活性而醌态栲胶被还原为酚态栲胶失去活性。
(4)酚态栲胶被氧化获得再生,同时生成H2O2
2H2O2+2NaOH+Na2V4O9=4NaVO3+3H2O
H2O2+NaHS=H2O+S+NaOH
式中
——醌态栲胶
——酚态栲胶
气体中含CO2、O2及溶液中的H2O2引起的副反应
Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3
2NaHS+2O2=Na2S2O3+H2O
4H2O2+2NaHS=5H2O+Na2S2O3
2NaOH+Na2S2O3+4H2O2=2Na2SO4+5H2O
3.3反应条件对反应的影响
3.3.1影响栲胶溶液吸收的因素
Ⅰ、溶液组分浓度的影响栲胶法中含有Na2CO3、NaVO3、T(OH)O2,此外还有生成物S、NaHCO3、Na2S2O3等,上述组分均影响溶液的吸收。
(1)溶液中Na2CO3:
若Na2CO3过低则吸收H2S不完全,脱硫效果差;若过高则副反应加剧、碱耗大、浪费严重,一般Na2CO3浓度控制在3~5g/L。
(2)溶液中NaVO3:
若溶液中NaVO3浓度高,析硫快、颗粒小、难分离,且碱耗增大;若浓度低,则副反应加剧,Na2S2O3的生成速度加快,易析出矾-氧-硫沉淀。
其浓度一般控制在0.75~1.0g/L。
(3)溶液中T(OH)O2:
若T(OH)O2过少,则脱硫效率低、胶性差、硫颗粒易沉淀、碱矾消耗大、副反应快;T(OH)O2过多,溶液胶性过强硫粒细、出硫差,一般控制在1.5~2.0g/L。
(4)溶液的pH值:
溶液的pH值过低,不利H2S的吸收和栲胶的氧化,并降低了氧的溶解度,溶液再生差;pH值过高,则析硫较慢,副反应加快,一般控制在8.15~9.12。
(5)总碱度:
溶液中的碱度较高时,可提高溶液吸氧能力,有利于再生氧化;但过量的碱不仅增加副反应的发生,同时会使硫的回收困难,硫磺产量下降。
故碱度应控制在21.3~31.8g/L。
(6)溶液中NaHCO3:
若溶液中NaHCO3浓度高,将使pH值升高,对再生吸氧和析硫都不利。
(7)悬浮硫的影响溶液中悬浮硫浓度越低越好,若过高则易发生沉淀从而堵塞管道设备,还会影响吸收再生,同时伴有副反应发生。
Ⅱ、吸收塔喷淋密度的影响 喷淋密度是指吸收塔内单位截面积的溶液循环量。
适当提高喷淋密度,不但利于提高气体净化度,还有利于对填料表面和空隙中硫的冲刷;但喷淋密度过高,则会使溶液质量下降,还会导致系统阻力上升。
Ⅲ、液气比的影响 液气比增加,溶液的循环量增加,可提高气体的净化度,防止H2S过高,易产生矾-氧-硫沉淀;如液气比小,溶液的循环量小,对气体的净化度有影响,同时产生的硫颗粒易沉积在填料环、管道、设备中,时间长易造成脱硫塔塔阻上涨。
但液气比过高则溶液在反应罐和再生槽内的停留时间短,不利于析硫和溶液再生。
一般液气比控制稍大些即可。
Ⅳ、温度的影响
(1)半水煤气入塔温度的影响:
若半水煤气入塔温度偏低,则煤气中夹带水分分离得好;对栲胶溶液各组分浓度影响小,但温度过低,加剧了气体与溶液的热量交换,会使溶液浓度急剧下降。
若半水煤气入塔温度过高,则会使煤气中夹带水分混入溶液,溶液稀释,且易产生溶液夹带,因此,半水煤气的入塔温度应严格控制在30~35℃之间。
(2)循环系统溶液温度的影响:
若循环系统溶液的温度过高,则气体的溶解度降低,不利于吸氧和栲胶液的再生,且副反应加剧;若循环系统温度低则H2S的吸收和析硫反应速度降低,脱硫效率差,因此,溶液温度应控制在38~50℃为宜。
Ⅴ、液位的影响
(1)脱硫塔底部液位的影响 脱硫塔底部液位应以系统中的溶液量及循环量为依据,若脱硫塔底液位过低,则易造成气泡夹带,使富液泵不打量;若塔底液位过高,则塔底部空间过小,影响脱硫效果,且易造成满液,因此,应将塔底部液位控制在液位显示的50%~60%为宜。
(2)循环槽液位的影响 循环槽液位可根据循环系统中的溶液量及再生槽和脱硫塔等设备内的液位,溶液循环量进行控制,一般情况下以不低于液位显示的50%及不高于循环槽放空管口为宜,以保证贫液泵正常工作及避免循环槽内形成真空。
3.3.2影响溶液再生的因素
溶液的再生是将富液(吸收H2S后的栲胶溶液)变成贫液(再生后的栲胶溶液)的过程,主要是T(OH)3被O2氧化成T(OH)O2过程。
影响栲胶再生的主要因素有再生温度,再生压力,再生槽液位,再生空气量及再生时间。
Ⅰ、温度的影响 温度高再生速度加快,但副产物增多,硫泡沫发粘,不易分离,且氧溶解度降低,所以应控制溶液温度在35±5℃。
Ⅱ、再生压力的影响 再生槽溶液喷射压力是根据再生槽内硫泡沫的形成和栲胶的氧化情况进行控制的。
喷头的开关个数决定了喷射压力的高低,喷射压力越高则空气吸入越多,栲胶再生效果越好,泡沫越易形成,一般不应低于0.13MPa。
另外要注意将所开喷头分散开,尽量保证喷射均匀,以增大反应面积。
Ⅲ、再生槽液位的影响 再生槽液位是根据再生槽硫泡沫层的厚度和循环系统的液位来进行控制的,通过调节再生槽上液位调节器平衡管的高度调节液位高低。
若液位过高,则会出现溶液溢流过多,跑液严重,影响正常生产;若液位调节过低,则硫泡沫无法溢流,随溶液一起进入脱硫塔内,使塔阻升高,不能正常生产。
通常以硫泡沫能均匀溢流、泡沫层厚度适宜为基准进行调节。
Ⅳ、再生时间与再生空气量 再生时间长,则再生空气量大,有利于将还原态栲胶氧化成氧化态栲胶。
但是再生时间过长,溶液循环量要减小,有可能导致吸收不好,使脱硫塔出口气体H2S超标(H2S≤2mg/m3),同时再生空气多,副反应加快,一般可根据煤气量相应地调节再生时间与空气量。
3.4工艺条件的确定
3.4.1溶液的组成
根据反应机理、吸收速度以及硫负荷来看,主要由碱液浓度和钒酸盐浓度决定,也就是由栲胶浓度决定,一般都是根据钒酸盐的变化和硫化氢的脱除效率来调整溶液组分和pH值。
碱度过高吸收硫化氢过多,钒可能会过度还原。
实际上V4+不可能被栲胶降解及时氧化成V5+,当pH>9时,可能会造成V4+的沉淀,引起钒的损失,因此总碱度不宜过高。
pH值对硫化氢吸收和其氧化成元素硫有着相反影响。
过高PH值会加大生成硫代硫酸的反应速度。
实验证实,脱硫传质过程中,当pH>9时,认为传质过程为气膜控制,pH在8.6~8.9之间时,液膜阻力很明显,pH<8.6时,液膜阻力更加增大,因此pH值宜控制在8.5~9.0之间,栲胶脱硫和ADA一样,在氧化反应中是有氢离子参加的,氢离子的浓度对氧化反应还原电位是有很大影响的,在不同pH条件下,栲胶的氧化还原性能可能是不相同的,因此必须严格控制溶液的pH值。
由于栲胶脱硫溶液是多种氧化还原物质的混合体,电位值又是该混合体氧化还原性的综合体现。
因此测量溶液电位尤为重要。
溶液电位除与测量溶液的标准电极电位有关外,主要与溶液中各种氧化态和还原态物质的浓度有关。
溶液的电位表明溶液的氧化还原能力的大小,反映溶液再生系统溶液再生的好坏,一般控制溶液的电位值在-180mV左右。
3.4.2喷淋密度和液气比的控制
实验证明在pH较高条件下,加大脱硫塔内的气流速度即增加气量可提高传质系数。
而pH值较低时加大溶液量即增大喷淋密度可明显增加脱除硫化氢量。
当负荷较低时,喷淋密度影响较小,说明液气比对吸收效果是有影响的,因此,根据生产过程的气量,及时调节溶液循环量,控制喷淋密度和液气比在适宜范围内是非常必要的。
适当的液气比一方面可保证气体净化度,防止溶液中NaHS浓度过高而产生硫—氧—钒沉淀,另一方面是使其动力消耗不会增得过高,而致提高生产成本,适宜的液气比在设计中已经确定。
3.4.3温度
提高反应温度可加快反应速度,对吸收和再生都有利,冬天温度过底生成硫磺的粒子细,硫泡沫很难捕集,所以在喷射再生槽前设有溶液加热器调节溶液温度。
但是温度过高,大于50℃就会加快硫代硫酸盐的生成,造成溶液对设备管道的腐蚀。
温度超过60℃以后,硫代硫酸盐的生成速度急剧上升。
为使吸收、再生和析硫三者都能顺利进行,溶液温度宜控制在35~45℃。
3.4.4再生空气量
空气的作用是供氧和形成捕集硫粒的气泡。
按2H2S+O2=2H2O+S计算,每公斤硫需要1.67M3空气,采用喷射再生的空气量可能要少一些,主要是在喉管中气液接触好,反应激烈,接触时间也少得多,一般再生时间需要30min以上,由于采用喷射再生,12min就满足了工艺要求,但吹风强度大,达到136m3/(㎡·h)。
故空气量不宜过大,过大会招致空气中的O2与溶液反应,生成硫代硫酸盐和硫酸盐,使碱耗增加,硫酸盐的积累会造成溶液酸性,导致对设备及管道的腐蚀。
4.物料衡算和热量衡算
4.1物料衡算
1基础数据
表4.1半水煤气成分
组分
N2
CO2
CO
H2
O2
体积/%
19.55
8.77
27.82
43.45
0.4
表4.2脱硫液成分
组分
Na2CO3
NaHCO3
总碱
总钒
栲胶
浓度(g/L)
5.0
50.6
26.8
0.6
1.5
⑶半水煤气中硫化氢含量C1=711mg/m3
⑷净化气中硫化氢含量C2=1.5mg/m3
⑸入洗涤塔的半水煤气的温度t1=60℃
⑹出洗涤塔入脱硫塔的半水煤气的温度t2=45℃
⑺出脱硫塔半水煤气的温度t3=41℃
⑻入脱硫塔半水煤气的压力P=0.125MPa(绝压)
2计算原料气的体积及流量
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)=8.33t/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
nNH3=8360Kg÷17Kg/Kmol=491.76Kmol
则合成NH3所需要N2的物质的量为
nN2=nNH3÷2=245.88Kmol
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=245.88×(1+1%)=248.34Kmol
所以原料气中N2的体积为
VN2=22.4Nm3/Kmol×248.34Kmol=5562.84Nm3
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=2495.45Nm3
VCO=27.82÷19.55×VN2=7916.02Nm3
VH2=43.45÷19.55×VN2=12363.44Nm3
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+113.81Nm3
=12477.25Nm3
根据气体方程,将0℃、101.325KPa下的体积换算成125KPa、45℃时的体积V0
V0=101.325×12477.25×(273.15+45)/(125×273.15)m3=11780.29m3
则进入脱硫塔的气体的流量为G=11780.29m3/h
3根据气体中H2S的含量计算H2S的质量
入脱硫塔中H2S的质量:
m1=711mg/m3×11780.29m3=8.375Kg
根据设计要求,出塔气体中H2S的含量为1.5~2mg/m3,取出塔气中H2S的含量为1.5mg/m3,则塔的脱硫效率是η=(711-1.5)/711×100%=99.8.%.
由于原料气中H2S的含量低,故在脱硫的过程中原料气进入脱硫塔和出脱硫塔的体积流量视为不变,则出塔气体的流量W0≈11780.29m3/h
所以出塔气中H2S的质量为m2=1.5mg/m3×11780.29m3=0.0176Kg
故在脱硫塔中吸收的H2S的质量为G1=m1-m2=8.375-0.0176=8.3574Kg
4脱硫液循环量的计算
取脱硫液中硫容量为S=100g/m3,根据液气比L/G=(C1-C2)/S
式中:
C1为进脱硫塔气体中硫化氢的含量,g/m3
C2为出脱硫塔气体中硫化氢的含量,g/m3
S为硫容量,g/m3
L为脱硫液的循环量,m3/h
G为进脱硫塔气体的流量,m3/h
则液气比为L/G=(0.711-0.0015)/100=0.0071
脱硫液的循环量L=0.0071×11780.29=82.462m3/h
因脱硫液在循环中有损失及再生率为95%,取损失率为10%
则液体的循环量为LT=L(1+10%)=82.462×(1+10%)=90.708m3/h
5生成Na2S2O3消耗的H2S的质量G2,Kg/h
取Na2S2O3的生成率为H2S脱除量的8%,则
G2=8.3574×8%=0.668Kg/h
6Na2S2O3的生成量G3,Kg/h
2H2S~Na2S2O3
G3=G2MNa2S2O3/(2MH2S)
式中MNa2S2O3——Na2S2O3的分子量
MH2S——H2S的分子量
G3=0.668×158/(2×34)=1.55Kg/h
7理论硫回收量G4,Kg/h
G4=(G1-G2)×MS/MH2S
式中MS——硫的分子量
G4=(8.3574-0.668)×32/34=7.23Kg/h
理论硫回收率,ψ=G4/G1
ψ=7.23/8.3574×100%=86.51%
8生成Na2S2O3消耗的纯碱量G5,Kg/h
G5=G3MNa2CO3/MNa2S2O3
式中MNa2CO3——Na2CO3的分子量
G5=1.55×106÷158=1.04Kg/h
9硫泡沫生成量G6,Kg/m3
G6=G4/S1
式中S1——硫泡沫中硫含量,kg/m3,取S1=30kg/m3
G6=7.23kg/h÷30kg/m3=0.241m3/h
10入熔硫釜硫膏量
G7=G4/S2
式中S2——硫膏含硫量,取S2=98%(质量分数)
G7=7.23÷98%=7.377Kg/h
表4.3物料衡算表(以每小时计):
入脱硫塔气体流量
11780.29m3
出脱硫塔气体流量
11780.29m3
脱硫液循环量
90.708m3
硫泡沫生成量
0.241m3
硫化氢吸收量
8.3574Kg
硫膏量
7.377Kg
消耗的纯碱量
1.04Kg
硫代硫酸钠生成量
1.55Kg
4.2热量衡算(以0℃为计算基准)
1基础数据
①半水煤气的平均式量M=(28×19.55%)+(44×8.77%)+(28×27.82%)+(2×43.45%)+(32×0.4%)=18.1kg/kmol
半水煤气的密度:
ρg=PM/TR=1.25×18.1×102/[(273.15+40)×8.314]=0.869kg/m3
半水煤气的质量流量G0=V0ρg=11780.29×0.869kg/h=10237.07kg/h
②脱硫液密度计算
用公式:
ρL=1.0641-0.000446T(g/cm3)
脱硫液入脱硫塔时的温度T
=45℃,则
ρ
=1.0641-0.000446×45=1.04403g/cm3=104403kg/m3
入脱硫塔脱硫液的质量流量
W
=90.708ρ
=94701.87kg/h
脱硫液出脱硫塔是的温度T
≈45℃,则
ρ出L≈ρ
出脱硫塔脱硫液的质量流量
W出L≈W
③平均比热容的计算
根据比热容的计算式
Cp=a+bT+cT2,J/(mol·K)
将半水煤气中的各组分的a、b、c值列于表中
物质
CO
H2
CO2
N2
O2
a
26.537
26.88
26.75
27.32
28.17
b/10-3
7.6831
4.347
42.258
6.226
6.297
c/10-6
-1.172
-0.3265
-14.25
-0.9502
-0.7494
表4
例如在60℃的比热容:
CO:
Cp=26.537+7.6831×10-3×(273.15+60)-1.172×10-6×(273.15+60)2=28.967KJ/(kmol·K)
H2:
CP=26.88+4.347×10-3×(273.15+60)-0.3265×10-6×(273.15+60)2=28.292KJ/(kmol·K)
CO2:
CP=26.75+42.258×10-3×(273.15+60)-14.25×10-6×(273.15+60)2=40.832KJ/(kmol·K)
N2:
CP=27.32+6.226×10-3×(273.15+60)-0.9502×10-6×(273.15+60)2=29.289KJ/(kmol·K)
O2:
CP=28.17+6.297×10-3×(273.15+60)-0.7494×10-6×(273.15+60)2=30.275KJ/(kmol·K)
平均比热容Cpm=ΣYi×Cpi
式中Yi——各气体的体积分数
Cpi——各气体的比热容
故半水煤气在60摄氏度的比热容C60P=29.78KJ/(kmol·K)
同理:
半水煤气在45摄氏度的比热容C45P=29.30KJ/(kmol·K)
半水煤气在41摄氏度的比热容C41P=29.30KJ/(kmol·K)
④脱硫液的比热容CP,J/(g℃)
CP=3.839+0.00352T
脱硫液的进口温度为41℃,则进口时的比热容