合成氨脱硫数据处理资料.docx
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合成氨脱硫数据处理资料
4.物料衡算和热量衡算
4.1物料衡算[6-10]
1基础数据
表4.1半水煤气成分
组分
N2
CO2
CO
H2
CH4
体积/％
23.45
2.88
18.35
54.62
0.7
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=1.26g/m3
⑷净化气中硫化氢含量C2=0.01g/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330个工作日，每天工作24小时，则每小时生产合成氨为：
3000000÷（330×24）=37.879t/h
考虑到在合成时的损失，则以每小时生产38吨计算为基准，所以
nNH3=38000Kg÷17Kg/Kmol=2235.3Kmol
则合成NH3所需要N2的物质的量为
nN2=nNH3÷2=1117.6Kmol
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10%计，则半水煤气中氮气的物质的量为
nN2=1117.6×（1+10%）=1229.4Kmol
所以原料气中N2的体积为
VN2=22.4Nm3/Kmol×1229.4Kmol=27538.6Nm3
根据原料气中各气体的体积比，则其它气体的体积为
VCO2=2.88÷23.45×VN2=3382.14Nm3
VCO=18.35÷23.45×VN2=21549.39Nm3
VH2=54.62÷23.45×VN2=64143.21Nm3
VCH4=0.7÷23.45×VN2=822.05Nm3
则总气体的体积
V=VCO2+VCO+VH2+VCH4+VN2=
3382.14Nm3+21549.39Nm3+64143.21Nm3+822.05Nm3+27538.6Nm3
=117435.39Nm3
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=110875.68m3
则进入脱硫塔的气体的流量为G=110875.68m3/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=1.26g/m3×110875.68m3=139.70Kg
根据设计要求，出塔气体中H2S的含量为0.01g/m3,取出塔气中H2S的含量为0.01g/m3，则塔的脱硫效率是η=（1.26-0.01）÷1.26×100%=99.2%
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≈110875.68m3/h
所以出塔气中H2S的质量为m2=0.01g/m3×110875.68m3=1.109Kg
故在脱硫塔中吸收的H2S的质量为G1=m1－m2=139.70－1.109=138.59Kg
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=
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=（1.26－0.01）÷100=0.0125
脱硫液的循环量L=0.0125×110875.68=1385.95m3/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%）=1385.95×（1+10%）=1524.54m3/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=138.591×8%=11.087Kg/h
6Na2S2O3的生成量G3，Kg/h
2H2S~Na2S2O3
G3=
式中MNa2S2O3——Na2S2O3的分子量
MH2S——H2S的分子量
G3=11.087×158÷（2×34）=25.76Kg/h
7理论硫回收量G4，Kg/h
G4=（G1-G2）×
式中MS——硫的分子量
G4=（138.591－11.087）×
=120.00Kg/h
理论硫回收率，ψ=G4/G1`
ψ=92.00%
8生成Na2S2O3消耗的纯碱量G5，Kg/h
G5=
式中MNa2CO3——Na2CO3的分子量
G5=25.76×106÷158=17.28Kg/h
9硫泡沫生成量G6，Kg/m3
G6=
式中S1——硫泡沫中硫含量，kg/m3,取S1=30kg/m3
G6=4m3/h
10入熔硫釜硫膏量
G7=
式中S2——硫膏含硫量，取S2=98%（质量分数）
G7=120÷98%=122.45Kg/h
表4.3物料衡算表（以每小时计）：
入脱硫塔气体流量
110875.68m3
出脱硫塔气体流量
110875.68m3
脱硫液循环量
1524.54m3
硫泡沫生成量
4m3
硫化氢吸收量
138.59Kg
硫膏量
122.45Kg
消耗的纯碱量
17.28Kg
硫代硫酸钠生成量
25.76Kg
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=（28×23.45%）+（44×2.88%）+（28×18.35%）+（2×54.62%）+（16×0.7%）=14.18kg/kmol
入脱硫塔时半水煤气的密度：
ρg=
=0.669kg/m3
半水煤气的质量流量G0=V0ρg=110875.68×0.669kg/h=74175.83kg/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=1044.03kg/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
CH4
a
26.537
26.88
26.75
27.32
14.15
b/10－3
7.6831
4.347
42.258
6.226
75.496
c/10－6
－1.172
－0.3265
－14.25
－0.9502
－17.99
表4.4
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）
CH4:
CP=14.15+75.496×10-3×（273.15+60）-17.99×10-6×（273.15+60）2=37.305KJ/（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=29.073KJ/（kmol·K）
同理：
半水煤气在45摄氏度的比热容C45P=28.935KJ/（kmol·K）
半水煤气在41摄氏度的比热容C41P=28.935KJ/（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
Cp1=3.839+0.00352×41=3.9833J/（g·℃）=3.983KJ/（kg·℃）
脱硫液的出口温度约为41℃,则出口时的比热容
Cp2≈Cp1
2洗涤塔热量衡算
①洗涤塔热负荷Q1，KJ/h
Q1=G0（C60Pt1－C45Pt2）
式中G0——入洗涤塔半水煤气量
Q1=1.483×106KJ
②冷却水消耗量W3，m3/h
W3=
式中Δt——冷却水温升，取Δt=5℃,CH2O=4.2KJ/（Kg℃）,ρ=1000Kg/m3
W3=70.62m3/h
3硫泡沫槽热量衡算
①硫泡沫槽热负荷，KJ
Q2=VFρFCF（t3－t4）
式中VF——硫泡沫体积，m3，VF=G6=4m3
ρF——硫泡沫密度，kg/m3,ρF=1100kg/m3
CF——硫泡沫比热容，KJ/（kg·℃）,CF=3.68KJ/（kg·℃）
t3——槽中硫泡沫末温，℃，t3=64.5℃
t4——槽中硫泡沫初温，℃，t4=41℃
Q2=4×1100×3.68×（64.5－41）=4.76×105KJ
②蒸汽消耗量W4，kg/h
W4=
式中r1——130℃蒸汽的液化热，KJ/kg，r1=2177.6KJ/kg
W4=
=218.59kg
4熔硫釜热量衡算
①熔硫釜热负荷Q3，KJ/釜
Q3=G8CSρS（t5－t6）+0.98G8ρSCh+4λF6（t5－t6）
式中G8——每一釜硫膏量，m3/釜，设全容积为3m3，熔硫釜装填系数为75%，则G8=3×0.75=2.25m3
CS——硫膏比热容，KJ/（kg﹒℃），CS=1.8KJ/（kg﹒℃）
ρS——硫膏密度，kg/m3，ρS=1770kg/m3
t5——加热终温，℃，t5=150℃
t6——入釜温度，℃，t6=64.5℃
Ch——硫膏的熔融热，KJ/kg，Ch=49.8KJ/kg
λ——熔硫釜向周围空间的散热系数，KJ/（m2·h·℃），λ=12.56KJ/（m2·h·℃）
F6——熔硫釜表面积，m2，F6=10m2
4——熔一釜所需时间，h
0.98——硫膏中含硫膏98%
G8CSρS（t5－t6）表示硫膏升温吸收热量；0.98G8ρSCh表示硫膏熔融吸收热量；4λF6（t5－t6）表示向环境散热量。
Q3=
=850223.88KJ/釜
②蒸汽消耗量，W5，KJ/釜
W5=
式中r2——130℃蒸汽的液化热，KJ/kg，r2=2177.6KJ/kg
W5=
=390Kg/釜
5.设备计算及选型
5.1脱硫塔的设计计算[11-19]
脱硫吸收塔采用填料塔，填料为
76×76×2.6聚丙烯鲍尔环，公称直径为76cm，空隙率为ε=0.92，比表面积为α=114m2/m3,采用乱堆的方式。
5.1.1塔径计算
（a）利用泛点速度计算图求液泛速度
首先根据液体质量流速（L，Kg/h）、气体质量流速（G，Kg/h）、气体密度（ρg，Kg/m3）、液体密度（ρL，Kg/m3），用泛点速度计算图横座标的式子算出数据，以此数据查出“泛点速度计算图”的纵座标上的数据，再用纵座标上的式子，求解出泛点速度W0（m/s）。
图5-1
图中W0——液泛速度，m/s；L——液体质量流速，kg/h；
G——气体质量流速，kg/h；ρL——液体密度，kg/m3
ρg——气体密度，kg/m3；α——填料比表面积，m2/m3
ε——填料空隙率，%；μ——液体粘度，mPa·S，μ=0.837mPa·S
g——重力加速度，m/s2
对于本系统：
（
）1/4（
）1/8
=[1524.54×1044.03÷（0.669×110875.68）]1/4（0.669÷1044.03）1/8=0.8608
由图可读出对应纵坐标为0.0388
即：
=0.0388
所以,W0=2.578
（b）利用泛点速度W0，算出操作气速W1，m/s
取空塔气速为泛点速度的45%，则实际空速为u=0.45W0=.1.160m/s泛据______________________________________________________________________________________________________________________________
（c）根据操作态的每小时气体处理量算出塔径D，m
D=
式中：
D——吸收塔直径，m；
VS——气体的体积流量，m3/s
D=3.90m
圆整后D取540m
5.1.2填料高度计算
（a）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A=20；
W——吸收塔操作气速，m/s；Na——溶液中Na2CO3含量，g/L；
B——吸收过程液气比，L/m3。
KG=20×1.1601.3×5.00.1×（1524540/110875.68）﹣0.01=27.75Kg/（m2·h·atm）
（b）计算吸收过程平均推动力ΔPM,atm
ΔPM=
式中：
P1——吸收塔入口气相H2S分压，atm；
P2——吸收塔出口气相H2S分压，atm；
P1=（139.7×18.1）/（110875.68×34）×1.25=8.384×10-4atm
P2=6.656×10-6atm
P1*，P2*——吸收塔入、出口H2S分压，atm，溶液中H2S含量很低，可以忽略，P1*=P2*=0。
ΔPM=1.720×10-4atm
（c）计算传质面积FP，m2
FP=
式中：
G1——H2S脱除量，Kg/h；
KG——传质系数，Kg/（m2·h·atm）;
ΔPM——吸收过程平均推动力，atm。
FP=138.591/（27.75×1.720×10-4）=29036.455m2
（d）根据以上数据计算出填料高度
HP=
式中a——填料比表面面积
HP=29036.455/（0.785×16×114）=20.28m
取HP=21m
填料分两段，上段10㎝下段11㎝.
5.2喷射再生槽的计算
5.2.1槽体计算
（a）再生槽直径计算
再生槽直径计算可用下式计算：
D1=
式中:
Ai——吹风强度，m3/（h·m2），取Ai=150m3/（h·m2）；
D1——槽体直径，m；
GA——空气量，m3/h。
而空气量用下式计算：
GA=LT×Ci
式中:
Ci——喷射器抽吸系数，m3/m3；Ci=2.4m3/m3
LT——溶液循环量，m3/h。
GA=1524.54×2.4=3658.896m3/h
D1=5.57
（b）计算再生槽扩大部分直径D2，m
D2=0.4+D1
D2=0.4+5.57=5.97m
（c）计算再生槽高度HT，m
HT=H1+H2+H3
H1——再生槽有效高度，m；
H2——喷射器出口到槽底距离，取H2=0.5m;
H3——扩大部分高度，取H3=1.5m;
再生槽有效高度H1下式计算:
H1=
式中:
τ——溶液在再生槽内停留时间，min，一般取τ=8min；
LT——溶液循环量，m3/h；
D1——槽体直径，m
0.785——
/4
再生槽有效高度H1=7.19m
圆整为8m
再生槽高度HT=8+0.5+1.5=10m
5.2.2喷射器计算
（a）喷嘴计算
喷嘴个数（n）确定：
n=
式中：
Li——每个喷射器溶液量，m3/h，取Li=200m3/h;
LT——溶液循环量，m3/h。
n=1524.54/200=7.62
取n=18
喷嘴孔径（dj），m
dj=
式中wj——喷嘴处溶液流速，m/s，取wj=20m/s。
dj=0.0595m
溶液入口管直径dL，m
dL=3dj
dL=3×0.0595=0.178m=178mm取Φ194×5热轧无缝钢管；
喷嘴入口收缩段长度L5，m
L5=
式中α1——喷嘴入口收缩角，通常取α1=14°
L5=0.482m
喷嘴喉管长度L0，m
通常喷嘴喉管长度取L0=3mm。
喷嘴总长度L，m
L=L0+L5
L=0.003+0.482=0.485m
（b）混合管计算
混合管直径（dm）：
dm=1.13
式中:
M—喷射器形状系数，通常取M=8.5
dm=0.174m
取Φ194×5热轧无缝钢管
混合管长度（L3）：
L3=25dm
L3=25×0.174=4.35m
（c）吸气室计算
空气入口管直径da，mm
da=18.8
式中w2——管内空气流速，m/s，取=3.5m/s;
GA——空气流量，m3/h；
n——喷嘴个数
da=214.9mm圆整为215mm
取Φ245×6.5热轧无缝钢管
吸气室直径（dM）：
dM=
式中da——空气入口管直径，mm
dM=378mm取Φ400×8热轧无缝钢管
吸气室高度L1，mm；取L1=350mm
吸气室收缩管长度L2，mm
L2=
式中α2——吸气室收缩角，通常取30°；
dM，dm——分别是吸气室直径和混合管直径。
L2=380.6mm
（d）尾管直径计算（de）
de=18.8
式中Li——每个喷射器溶液量，m3/h；
we——尾管中流体速度，m/s，通常取we=1m/s
de=1266mm取Φ299×7.5热轧无缝钢管
（e）扩散管长度计算L4，mm
L4=
式中α3——扩散角，取α3=7°；
de，dm——分别是尾管直径和混合管直径
L4=752mm
表5.1设备计算一览表
脱硫塔的塔径
4m
喷嘴孔径
0.0595m
传质面积
29036.455m2
混合管规格
Φ194×5
填料层高度
21m
混合管长度
5m
再生槽直径
5.57m
空气入口管规格
Φ245×6.5
再生槽扩大部分直径
5.97m
吸气室规格
Φ400×8
再生槽高度
10m
尾管规格
Φ299×7.5
喷嘴个数
8
扩散管长度
0.752m
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