完整版年产10万吨甲醇原料气脱硫工艺设计毕业论文.docx
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年产10万吨甲醇原料气脱硫工艺设计
Theprocessdesignofremovingthesulfurfromtherawgasin：
目 录
年产10万吨甲醇原料气脱硫工艺设计
摘要：
脱硫对水煤气合成甲醇有重要意义，由于硫对化工设备具有较强的腐蚀，如果水煤气的脱硫效果达不到指定的标准，会导致催化剂中毒，破坏生产过程。
湿法脱硫广泛用于水煤气脱硫，脱硫效果比较明显，可以批量化处理含硫水煤气。
并且可以回收有价值的硫元素，水煤气的处理量大，可以连续生产。
本设计采用采用湿法脱硫中的改良ADA法进行脱硫，该方法技术工艺成熟，脱硫效果明显可以大规模生产。
本设计对合成甲醇原料气净化脱硫工艺进行了设计计算，计算结果如下：
水煤气的脱除量40000，ADA溶液的用量800；进吸收塔水煤气所携带的热量kJ/h，出吸收塔的净化气所携带的热量kJ/h，塔径为2.8m，塔高度为12.6m。
关键词：
水煤气ADA法湿法脱硫
Theprocessdesignofremovingthesulfurfromtherawgasin100kt/amethanol
Abstract：
Desulfurizationplaysanimportantroleinmethanolsynthesisbywatergas,becausechemicalequipmentscanbecorrodedbysulfurinwatergas.Ifthedesulfurizationeffectofwatergascannotmeetthestandard,thatwillleadtocatalystpoisoning.Ithasanvitaleffectthatwoulddamagetheprocessofyieldingmethanol.ThewetFGDiswidelyusedinwatergasdesulfurization.Desulfurizationeffectisverygood.Watergasbythiswaywillberemovedsulfurinbatch.Sulfurcanberecoveredintheprocessofdesulfurization.Bythiswaywatergasprocessingcapacityisimprovedgreatly.Andthesulfurinwatergasisremovedcontinuously.
ImprovedADAmethodofthewetdesulfurizationisusedinthisdesigntoremovesulfur.Thetechnicalprocessismature.Andtheeffectofdesulfurizationisperfect.Withthismethod,watergasinlargescaleistackledwith.
Thedesignisaboutthewatergasdesulfurizationprocess,andfromitwecandrawthecalculationsasfollows:
theamountofthewatergasthatiscopedwithis40,000m3/h;theADAsolutionusedintheprocessis800m3/h;theheatcarriedbythewatergasintotheabsorberisKeywords:
Watergas；ADAmethod；aqueousmethoddesulfurization
主要符号说明
序号
符号
意义
单位
01
Ci
焦炉煤气中H2S初始含量
g/m3
02
液体体积流量
03
压力
Mpa
04
ADA溶液的密度
05
热量
06
液体的热量
07
原料气的摩尔流量
08
气体温度
09
筒体壁厚
10
喷淋密度
11
原料气的平均比热容
J/Kg.℃
12
气体的质量流量
13
泛点气速
14
空塔气速
15
传质面积
16
塔径
17
填料高度
18
风载荷
19
风弯矩
20
地震载荷
21
I
惯性距
引言
甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。
主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。
甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。
在合成甲醇之前，首先，制成含H2和CO等组分的水煤气，然后，采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合甲醇合成要求的洁净的水煤气，最后，在合成工段合成甲醇。
对粗原料气进行净化处理，主要是出去粗水煤气中的H2S，因为它对化工设备，腐蚀较大，并且能导致催化剂中毒，使后续的甲醇合成阶段无法进行，因而必须的脱除，并且在脱除的过程中可以得到有价值的硫元素，为其它的化工工艺过程提供了原材料。
煤气脱硫的方法，主要有改良ADA法，环丁砜法、NHD法、低温甲醇洗SCS法、栲胶法，改良ADA法广泛应用于水煤气脱硫。
水煤气脱硫中，改良ADA法是一种化学吸收过程。
它的主要成分是碳酸钠、碳酸氢钠、ADA、偏钒酸钠。
ADA脱硫溶液的活性好、性能稳定、腐蚀性小，并且沸点高，冰点低，蒸汽压低，对H2S气体具有很强的选择吸收性。
改良ADA法，在脱硫工程中，吸收剂可以再生，因而能循环使用。
吸收了H2S的吸收剂，经过化学反应和过滤，可以得到有价值的硫磺，为其它的化工工艺提供了原料。
因而，改良ADA法，广泛应用于水煤气脱硫。
第1章综述
1.1概述
作为贫油、缺气的能源需求大国,我们必须合理利用我国丰富的煤炭资源[1]。
煤炭资源的加工形成的水煤气，广泛应用于合成甲醇、氨气等化工产品。
但作为原料气的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[2]。
并且水煤气直接燃烧会形成大量的有害气体，如果排放到空气中会造成环境污染，危害人体健康。
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，对水煤气进行脱硫是非常必要的。
1.2合成甲醇水煤气脱硫的现状
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。
煤气干法脱硫技术应用较早，最早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[3]。
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。
1.3脱硫的方法
目前在大型甲醇装置中大多采用湿法脱硫[4]。
湿法脱硫按脱硫溶液的吸收、再生性质可分为氧化法、化学吸收法和物理吸收法三类。
甲醇装置大多使用铜系催化剂，它具有低温活性好，转化率高，选择性好等优点，但对原料气中的硫质量分数有较高的要求，否则会导致催化剂失活，影响产量和催化剂寿命。
因此，甲醇装置均有脱硫工序。
硫在原料气中均以气态存在，包括无机硫和有机硫。
无机硫主要是硫化氢，有机硫包括硫氧碳、二硫化碳、硫醇等成分，目前使用的铜系催化剂均要求原料气中硫质量分数小于0.1×10-6。
现将大型甲醇装置中几种常用的脱硫方法予以介绍。
其中包括ADA法（改良蒽醌二磺酸钠法）、环丁砜法、NHD法、低温甲醇洗SCS法[4]、栲胶法等。
改良ADA法
原理：
ADA脱硫属于氧化法，ADA的吸收与再生可分为以下4步：
（1）在PH值为8.5～9.2的ADA溶液内，稀碱液吸收硫化氢，生成硫氢化物；
（2）在液相中，硫氢化物与偏钒酸盐反应，生成还原性焦钒酸钠,并析出硫；（3）还原性焦矾酸钠与氧化态ADA反应，生成还原态的ADA，而焦钒酸盐则为ADA所氧化，再生为偏钒酸盐；（4）还原态ADA为空气氧化再生。
环丁砜法
原理：
环丁砜法是属于物理与化学吸收相结合的方法，采用环丁砜（化学名称1.1一二氧化四氢噻吩）与烷基醇胺的混合溶液作吸收剂，其中烷基醇胺是一乙醇胺或二异丙醇胺。
在相同的条件下，硫化氢在环丁砜溶液中的溶解度是在水中溶解度的7倍，因此硫化氢以溶解方式被吸收，属于物理吸收法。
NHD法
原理：
NHD脱硫属于物理吸收法（南化集团研究院开发），主要成分是聚乙二醇二甲醚。
它具有沸点高、冰点低、蒸汽压低，对H2S，CO2，COS等酸性气体有很强的选择吸收性，其化学稳定性好，挥发损失小，对碳钢设备无腐蚀性，对环境无毒害，属于清洁生产工艺。
低温甲醇洗SCS法
原理：
甲醇在加压情况下，温度约为4O℃时，对原料气中的H2S，CO2，H2O及轻油进行有选择的物理吸收。
由于H2S和CO2等气体在甲醇中的溶解热很大，甲醇吸收过程中溶液温度不断升高，因此增设氨制冷系统补偿。
栲胶法
原理：
栲胶的脱硫液以碳酸钠溶液为吸收剂，栲胶为载氧催化剂，少量偏钒酸钠和酒石酸钾钠等作为添加剂组成。
栲胶脱硫中，碳酸钠溶液吸收的硫化氢很快被氧化为单质硫，因此，脱硫液中硫化氢的平衡分压比一元催化法低，其吸收硫化氢的推动力大，有利于提高脱硫精度和脱硫效率[5]。
1.4脱硫方法的选取
对于大规模生产的水煤气脱硫，一般都采用湿法脱硫，湿法脱硫的种类如前所述，包括ADA法（改良蒽醌二磺酸钠法）、环丁砜法、NHD法、低温甲醇洗SCS法、栲胶法等。
其中栲胶法是近几年刚研发的脱硫方法，脱硫效果明显，费用较低，环境污染少，是比较理想的脱硫方法[6]。
但栲胶法脱硫所需设备较多，并且设备投资较大，工艺操作也比较复杂，而改良ADA法，在我国得到广泛的应用，其生产工艺成熟，运行稳定可靠，因此我国的大多数化工厂都是采用改良ADA法。
经过上面的分析，在合成甲醇原料气脱硫工艺设计中我采用改良ADA法。
1.5改良ADA的简述
ADA法是英国西北煤公司与克莱顿胺公司共同开发的，于1959年在英国建立了第一套处理焦炉气的中间试验装置，1961年初用于工业生产。
但由于此方法析硫的反应速度慢，需要庞大的反应槽，并且为防止HS-进入再生塔引起副反应，溶液中HS-的浓度必须控制在（50～100）×10-6之间，溶液的硫容量很低，因而使ADA法的应用受到限制。
为此，研究者对ADA法进行了改进，在ADA溶液中添加了适量的偏钒酸钠、酒石酸钾钠。
偏钒酸钠在五价钒还原成四价钒的过程中提供氧,使吸收及再生的反应速度大大加快，提高了溶液的硫容量，使反应槽容积和溶液循环量大大减少。
酒石酸钾钠的作用是防止钒形成“钒-氧-硫”态复合物，沉淀析出，导致脱硫液活性下降[7]这样使ADA法脱硫工艺更趋于完善，从而提高气体的净化度和硫的回收率，经改进的ADA法被称为改良ADA法。
1.6ADA的物理化学性质
ADA是蒽醌二磺酸的缩写[5]。
作为染料中间体，它有几种主要的异构体。
ADA的这几种异构体中在产品中含量较高有：
1.52ADA，1.82ADA，2.62ADA，2.72ADA[5]。
其中2.62ADA与2.72ADA的脱硫活性较好，而2.72ADA又优于2.62ADA。
两者在水中溶解度相差约一个数量级，实际溶液中由于H2S反应不彻底和伴生的副反应，溶液中存在Na2SO4、NaCNS、Na2S2O3等副产品，这些副反应产物随着脱硫生产操作的运行，在脱硫液中逐渐积累，当达到相当含量时，会使2.62ADA和2.72ADA溶解度快速下降，影响脱硫效果，而且析出的ADA伴随硫磺夹带出脱硫系统，增加ADA消耗。
1.7改良ADA脱硫的优缺点
1.7.1优点
ADA作为染料中间体，它有多种主要的异构体。
ADA的这几种异构体中，在产品中一般含量较高，便于提取。
脱硫溶液的活性好、性能稳定、腐蚀性小[8]。
脱硫效率很高，所析出的硫容易浮选和分离。
ADA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。
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。
1.7.2缺点
脱硫过程中偶尔会发生堵塔现象[4]。
所需脱硫剂价格有点昂贵。
这一章主要介绍了水煤气的脱硫方法并且确定了自己所选用的脱硫方法（改良ADA法），下一章将介绍改良ADA法的脱硫工艺流程。
第2章脱硫工艺流程设计
2.1改良ADA脱硫发反应机理
最新的研究结果表明，改良ADA法反应历程如下[8]。
（1）碱液吸收硫化氢
2Na2CO3+2H2S=2NaHS+2NaHCO3（2-1）
（2）氧化析硫
2NaHS+4NaVO3+H2O=Na2V4O9+4NaOH+2S（2-2）
（3）焦钒酸钠被氧化
Na2V4O9+2H2O2+2NaOH+ADA（氧化态）=4NaVO3+3H2O+ADA（还原态）（2-3）
（4）碱液再生
2NaOH+2NaHCO3=2Na2CO3+2H2O（2-4）
（5）ADA再生
ADA（还原态）+O2=ADA（氧化态）+H2O（2-5）
当气体中有氧、二氧化碳、氰化氢存在时还产生如下副反应：
2NaHS+2O2=Na2S2O3+H2O
Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3
Na2CO3+2HCN=2NaCN+H2O+CO2
NaCN+S=NaCNS
2NaCNS+5O2=Na2SO4+2CO+SO2+N2
从上述反应历程来看，要使H2S较彻底地还原为单质硫，偏钒酸钠（NaVO3）
是否足量是个重要的因素。
在反应过程中要保持较高浓度ADA，才能保证生成的焦钒酸钠较完全转化为偏钒酸钠，这是反应的关键。
并且在这一反应中H2O2浓度起着决定性的作用，如H2O2浓度低，就容易造成焦钒酸钠转化不彻底，使溶液中有效偏钒酸钠浓度降低，从而使溶液中HS-含量上升，Na2S2O3、NaCNS等副产物增加，加大了碱和钒的消耗[9],而且反应所需H2O2是在ADA再生过程中生成的（反应式2-5），故操作中一定要保持ADA有一定浓度和足够的再生空气。
二者不足均会使溶液氧化态的ADA浓度降低，H2O2的生成量减少，最终造成物耗上升。
2.2工艺流程
改良ADA法脱硫及再生过程如下：
H2S的吸收
原料气从脱硫塔
（1）底部进入，在塔内与从塔顶喷淋而下的吸收液逆流接触，硫化氢被溶液吸收，被洗净的脱硫气进入下一工序，吸收硫化氢后的溶液进入富液槽
（2）。
析硫
在富液槽
（2）内吸收了H2S的吸收液与偏钒酸钠和过量的水进一步反应析出硫单质。
富液的传送
在富液槽
（2）内的液体其中包括未反应的吸收液，还原性焦钒酸钠，氢氧化钠，和生成的单质硫进过富液泵（3）送到喷射再生槽的顶部。
碱液的再生、偏钒酸钠的再生、ADA的再生
在喷射再生槽（4）内还原性焦矾酸钠与氧化态ADA反应，生成还原态的ADA，而焦钒酸盐则为ADA所氧化，再生为偏钒酸盐；还原态的ADA被从塔顶喷射而入的空气氧化成氧化态的ADA。
重生的吸收液的传送
在喷射再生槽的底部，重生的吸收液体经过溶液循环泵被传送到脱硫塔的顶部，重新与原料气接触除去原料气中的H2S，至此脱硫循环过程完成。
硫泡沫的传送
在喷射再生槽的顶部形成的硫泡沫依靠重力的作用被送到硫泡沫储槽（6），然后经过硫泡沫泵被传送到硫泡沫高位槽（8）。
粗硫磺的形成
经过硫泡沫高位槽的搅拌，是形成的硫单质和液体保持泡沫状态，然后从硫泡沫高位槽的底部，进入容硫釜（9），然后形成粗硫膏。
至此煤气净化，和硫元素的回收完成。
（流程图见图2.1）
图2.1湿法改良ADA脱硫工艺流程图
2.3主要操作条件
2.3.1吸收液指标
吸收液的主要指标是碱度、NaVO3含量、ADA浓度[10]。
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1N的总碱度。
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1.2～1.7左右。
ADA浓度
反应式（2-5）在氧的存在下进行是迅速的，但还原态焦钒酸盐不能为空气直接氧化再生，而必须依赖反应式（2-3），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1.69倍，工业上实际采用2倍以上[11]。
表2.1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[12]。
表2.1工业生产使用的ADA溶液组成
溶液类别
总碱度/N
Na2CO3/（g·L-1）
ADA/（g·L-1）
（一）含高硫化氢与加压情况
1
5
10
（二）含低硫化氢与常压
0.4
2～3
5
2.3.2温度对脱硫效果的影响
常温范围内，H2S、CO2脱除率及Na2S2O3生成率与温度关系不敏感[12]。
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℃。
2.3.3CO2对脱硫效果的影响
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[5]。
2.3.4溶液PH对脱硫效果的影响
PH值的适宜为8.5左右[13]，这样能达到很好的脱硫效果。
2.4主要设备介绍
2.4.1脱硫塔
脱硫塔采用填料吸收塔。
对填料塔来说填料是它的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。
填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等[15]。
常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH—1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。
填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。
该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300～700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.5～1.2m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度6～8m3/（m2，h）以保证填料润湿，液气比控制在2～10L/m3。
填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。
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阶梯环（大小为50mm×25mm×1.5mm），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。
它由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。
2.4.2喷射再生槽
世界上使用最多的是有空气分布板的垂直槽，圆形多孔板安装于喷射再生槽的底部，孔径一般为2mm，空气压力必须克服喷射再生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，分离硫后的清液在喷射再生槽顶部下面一点引出。
这种形式的喷射再生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喷射再生槽，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。
喷射再生槽是一大直径的圆槽，槽内放置多支喷射器。
喷射再生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。
喷射再生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25～30m3/（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[14]。
2.4.3硫泡沫高位槽
硫泡沫高位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[4]。
此槽容积可按存放3～6h的硫泡沫存量计算。
2.4.4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。
其容积按能充满70%～75%计算，而放入的硫泡沫含有40%～50%的水分[16]。
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[15]。
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1.5～2.0mm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。
这一章首先介绍了改良ADA法脱硫的工艺流程，让后介绍该脱硫工艺流程的主要设备。
下一章将介绍填料塔的物料衡算，热量衡算，塔径、塔高的计算，和吸收塔的一些辅助设备的计算。
第3章吸收过程的工艺计算
经资料查询以及实际情况分析可知进口气体的组成和吸收液的组成见下表：
表3.1进口气体组成见
组分
CO
CO2
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