干煤气量为40000Nm³h的炼焦煤气的脱硫的工艺计算

1目 录1. 设计任务书 .21.1 设计题目 .21.2 设计内容 .21.3 主要设计参数 .32.脱硫工艺的选择与工艺流程简介 .32.1 脱硫工艺的选择 .32.2 工艺流程简介 .43. 工艺流程中主要发生的化学反应 .54. 脱硫塔设计 .64.1 物料衡算 .64.1.1 入塔的煤气质量 .64.1.2 出塔煤气的变化量 .84.1.3 m3 的计算 .124.1.4 m4 的计算 .124.1.5 脱硫塔的液气比 .124.2 热量衡算 .124.2.1 入塔脱硫煤气带入的热量 .124.2.2 出脱硫塔的煤气带走的热量 .134.2.3 脱硫过程中发生的熔解热和反应热 .144.2.4 总的热量衡算 .154.3 设备计算 .154.3.1 选择填料 .154.3.2 塔径的计算 .164.3.3 传质面积和填料高度 .175.脱硫塔工艺设计结果表 .185.1 总表 .185.2 煤气入塔物质汇总表 .195.3 出塔物质汇总表 .205.4 其他数据 .206.设计小结 .207.参考文献 .2321. 设计任务书1.1 设计题目干煤气量为 40000Nm/h 的炼焦煤气的脱硫的工艺计算。入口煤气 出口煤气温度/ 34 36压力（表压）/Pa 17000 15000煤气中 含量/g/Nm SH2 9.51.0入口煤气中杂质的含量：组分 焦油 苯 SH2HCN 3NH萘 水汽含量/g/Nm 微量 28.45 5.99 1.57 8.37 0.4 23.97剩余氨水：12470Kg/h，t=75，P=0.45MPa，氨的质量分数10%。1.2 设计内容（1）脱硫工艺的选择与工艺流程介绍；（2）脱硫塔的物料衡算；3NHSH22CO HCN挥发氨 24Kg/h 97% 3固定氨 18Kg/h 90%0.18g/L 1.3g/L 0.04g/L3（3）脱硫塔的工艺尺寸计算；（4）对设计过程的评述和有关问题的讨论。1.3 主要设计参数 KPa9640 脱硫塔空塔气速 脱硫效率：98 脱硫液硫容量：0.180.22（ ）/mSH2 脱硫塔传质系数 K：1520kg/（hatm） 脱硫塔液气比：16L/m 脱硫塔溶液喷淋密度：27.5m/ （h） 转化为盐的转化率： 34SH2 HCN 吸收率：90 干煤气组成：煤气成分 2H4CCO 2N2COnmH2摩尔质量/g/mol 2 16 28 28 44 30 32V% 54.7 28 6 5 3 2.5 0.82.脱硫工艺的选择与工艺流程简介2.1 脱硫工艺的选择HPF 法脱硫属液相催化氧化法脱硫，HPF 催化剂在脱硫和再生全过程中均由催化作用，是利用焦炉煤气中的氨做吸收剂，以 HPF 为催化剂的湿式氧化脱硫，煤气中的 H2S 等酸性组分由气相进入液相4与氨反应，转化为硫氢化铵等酸性铵盐，再在空气中氧的氧化下转化为元素硫。HPF 法脱硫选择使用 HPF（醌钴铁类）复合型催化剂，可使焦炉煤气的脱硫效率达到 99%左右。HPF 法脱硫工艺特点：以氨为碱源、HPF 为催化剂的焦炉煤气脱硫脱氰新工艺，具有较高的脱硫脱氰效率（脱硫率 99%，脱氰效率 80%） ，而且流程短，不需外加碱，催化剂用量少，脱硫废液处理简单，操作费用低。一次性投资省。脱硫塔中可填充聚丙烯填料（或波纹钢板网填料） ，不易堵塞，脱硫塔操作阻力较小。脱硫塔、再生塔、反应槽、泡沫槽、废液槽、事故槽等易腐蚀设备材质可用碳钢，内壁涂防腐涂料；输送脱硫液的泵类、管道、管件及阀门为耐腐蚀不锈钢。脱硫废液送往配煤，工艺简单，对周边环境无污染。再生塔采用空气与脱硫液预混再生，节省压缩空气，从而使再生过程排放的尾气量少，排放的尾气含氮量远远低于国家有关标准。2.2 工艺流程简介焦炉煤气经捕除焦油雾后，先进入中间煤气冷却器由约 50冷却到 36。中间煤气冷却器由预冷段、洗气由约 50被冷却到不析出萘的温度。即约 38。在塔中部的洗萘段，用含萘约 5%的洗油喷洒，使煤气中萘段，终冷段三段空喷塔组成。在塔下部的预冷段，5煤的含萘量降至约 0.36g/m，这一含量可保证煤气在终冷段无奈析出。洗萘富油的一部分送往粗苯工序处理。煤气最后在塔上部的终冷段被冷却至 36，然后进入脱硫塔。因中间煤气冷却器循环喷洒的氨水中含有萘、焦油雾及渣子等，所以需将其中一部分送至氨水澄清槽，再从氨水储槽送来补充氨水。脱硫塔为填料塔，焦炉煤气从塔的下部进入，与从塔顶喷洒的吸收液对流接触，煤气中的 即被吸收液吸收。出塔32NHCS、的焦炉煤气送往硫酸铵工序。从塔底排出的吸收液用循环泵送入再生塔底部。再生塔为鼓泡塔、吸收液与空气并流流动，液中的硫氢根离子在催化剂作用下氧化而生成前述的各种铵盐和硫磺。经过氧化再生的溶液具有吸收 的能力，使之从再生塔顶部SH2自流返回脱硫塔顶部循环使用。为了保持各种铵盐及硫磺在吸收液中不大于一定的浓度，部分吸收液需自再生塔顶部自流至希罗哈克斯装置，将硫磺及含硫胺盐湿式氧化为硫酸铵。从再生塔顶部排出的空气送入第一洗净塔，用硫胺工序来的硫酸铵母液洗涤以吸收废气中的氨，吸氨后的母液再送回硫酸铵工序。自第一洗净塔出来的废气再进入第二洗净塔，以此用来过滤水喷洒除去母液酸雾，放入大气中。洗涤水自塔底排出送往活性污泥装置进行处理。3. 工艺流程中主要发生的化学反应在脱硫塔内的主要反应6OHNH423S24C4在再生塔内的主要反应SOHN21HS44COS25S2424432）（）（4. 脱硫塔设计4.1 物料衡算4.1.1 入塔的煤气质量（1）干煤气量干煤气组成表煤气成分 2H4CCO 2N2COnmH2摩尔质量/g/mol 2 16 28 28 44 30 32V% 54.7 28 6 5 3 2.5 0.8其中因为煤气中烃类的分子量一般都比较小，所以把 CmHn 当成C2H6 来计算。干煤气的平均分子质量为： molgM/98.10 08.325.03.405.286.28.016547. 干 煤 气入口干煤气量为 ，其质量流量为hN/37hkg/1.960718.04.2033（2）煤气中杂质的质量焦油：微量，忽略不计。 1苯： 2 hkgNmkghNm/138/1045.28/403-3 苯查表得 .kg苯 mV/1.297.3苯苯苯 H2S： 3 hkgkghS /6.3/109.5/40332 查表得 /.12mkgHSH/3.157/2.922HCN: 4 hmhVkgLolLhkNNHCNC /90.51/2.186./4.7 /86/7033333 :3 hkgNkgm/8.4/7./03333 6.0/4.273 LolLgNHhmhV/53.4/6.08333萘： 6 kgNkm/16/1/4-萘374.5./.218LgolLg萘hV/80.2/74.5633萘萘萘 水汽： 7 hkgNmkgNm/8.95/197./03-3 水 汽80./4.218LolLg水 汽hhV/5.19/0.533水 汽水 汽水 汽 8列表如下：组分 含量 g/Nm3 质量 kg/h 体积 Nm3/h干煤气 478 19607.1 40000焦油 微量 0 0苯 28.45 1138 297.13SH25.99 239.6 157.63HCN 1.57 62.8 51.903N8.37 334.8 440.53萘 0.4 16 2.80水蒸气 23.97 958.8 1198.5(3)入塔煤气的总质量 1mhkgmmNHCSH/1.2357 8.9516.348.62989602水 汽萘苯干 煤 气hmVVVNHCSH/49N.218 .0.20.5.73 32 水 汽萘苯干 煤 气体 积在 34，压力 得实际煤气体积：KPaP4.1)4.96(1hmVTV /238.19.5.273.0302 煤 气 实 际 进 入密度 311 /8.19.4kgm煤 气 实 际 进 入4.1.2 出塔煤气的变化量（1）干煤气量保持不变， hkgm/1.9607干 煤 气 hNmV/403干 煤 气（2）煤气中杂质的质量9 焦油：微量，忽略不计。 苯：保持不变， hkgm/138苯 hNmV/13.297苯 H2S： hkgkS /40./40332 脱硫效率：kNmkhNmhkgmSH /6.235/1./6.39332 %.98.52ShhMVSHS /2.15/4.2363322 HCN：HCN 的吸收率为 90%，所以hkgmHCN /52.6%908.6290NmMV /89.4/.7533 S 产率及耗氨量a. S 产率反应方程式： HSN423OOSH2324)(2设 的消耗量为吸收量的 3.7%（ 转化为盐的转化率：S234%）hkghkgmSH /71.8/%.36257.322 SONN441C3 CNSH44NH4CN 完全参加反应，消耗生成的 S，相当于消耗了 H2S 质10量流量为：hkghNmMmSHCNSH /17./34275.622 实际生成 ShkgSSH /5.14632347.1.865222s S 产率 %09.26.522SHMmYb.耗氨量：除 H2S 和 HCN 的反应为：OHCNONS244 H2S 和 NH4OH 反应按 1:1 的物质的量比来反应，消耗 的量：3NHmol33109.64.5按质量流量算为 hkg/81.701.33HCN 和 NH4OH 反应按 1:1 的物质的量比来反应，消耗 的3NH量：hkg/59.310725.63因此消耗的氨量为 hkg/4.138.7.mMmVNH /N.204.153.233 c. 补氨量：11hkgmNH /48.39.0197.243 mMV/N021.5. 333 萘：保持不变 ，hkgm/16萘 hV/8.3萘水汽：出塔时煤气中的水达到饱和，查表得 30时水的饱和蒸 汽压 40时水的饱和蒸汽压kPa247.1 kPa276.36时 k149.627.4-6.10）（水出塔后除水蒸气外气体总体积 VhmVOHNHCNSH/7.4059 5.19802.53.289.46.12831 232 hmPOH /N.23614.6-4.7.05- 32 ）（水总 水hkg/93184.2983612计算结果列表如下：组分 含量 g/Nm3 质量 kg/h 体积 Nm3/h干煤气 478 19607.1 40000焦油 微量 0 0苯 28.45 1138 297.13H2S 0.1 4 2.63HCN 0.157 6.28 5.21NH3 6.97 220.88 291.04萘 0.4 16 2.80水汽 50.28 934.94 2361.98（3）出塔煤气的总质量 2m12hkgmmNHHCNSOH/286 48.39152.63594.1.357322体积 hVOH /75.7.032 mTP /42./.42915.34. 3102 煤 气 实 际 进 入其密度为 332 /17.0/.86kgkgVm煤 气 实 际 进 入4.1.3 的计算3脱硫液的硫容取 0.20 3/kghmmVSH/N17820.65. 3323/2kgOLhkg/1780134.1.4 的计算4m由全塔物料衡算得：hkg/1.74286170.235314 4.1.5 脱硫塔的液气比，符合液气比要求。33313 /16/95.27/49.2807mLmLV其中， 为入塔煤气的体积， 。3为入塔脱硫液的体积，L。34.2 热量衡算4.2.1 入塔脱硫煤气带入的热量13（1）干煤气带入的热量 ：干煤气的比热 。干 煤 气Q)/(73.0kgcalc干 煤 气h/kcal29.486 /)347.09814.20( hkltmQ干 煤 气干 煤 气干 煤 气(2）苯带入的热量 ：苯的比热 。苯 )/(257.0kgcalc苯hkltcmQ/)34257.018(苯苯苯hkal/4.93(3) 带入的热量 : 的比热 。SH2SH2 )/(234.02 kgcalcSHhkltcmQS /)34.069(22 hkal/.1906(4)HCN 带入的热量 :HCN 的比热HCN )/(317.0kgcalcHCNhkltcmQHCN /)4317.082(hkal/6.7(5) 带入的热量 ： 的比热 。33NH3 )/(503.3 kgcalcNHhkltcmQNH /)450.84(33 hkal/75.2（6）萘带入的热量 ：萘的比热 。萘 )/(25.0kgcal萘hkcaltcmQ/)34.016(萘萘萘hkal/3（7）水汽带入的热量 ：34 的水蒸气的焓 。水 汽QkgcalH/17.6水 汽hkcalHmQ/17.68.95）（水 汽水 汽水 汽 hkcal/0.58（8）所以煤气带入的总热量：14hkcalQ /80.591367.5286.72.19084.329.486 ）（煤 气 入 hkcal/.1074.2.2 出脱硫塔的煤气带走的热量（1）干煤气带走的热量 ：干煤气的比热 。干 煤 气Q )/(73.0kgcalc干 煤 气hkltcmQ/)673.09814.20(干 煤 气干 煤 气干 煤 气hkal/71.52（2）苯带走的热量 ：苯的比热 。苯 )/(25.kgcalc苯hkltcmQ/)3625.08(苯苯苯hkal/7.1052（3） 带走的热量 : 的比热 。SH2SH2 )/(234.02 kgcalcSHhtcmQS )61.04(322 hkal/70.3（4）HCN 带走的热量 :HCN 的比热 。HCNQ)/(317.0kgcalcHCNhktcmQHCN )6.)52.68(hkal/67.1（5） 带走的热量 : 的比热 。33NH )/(503.3 kgcalcNHhltcmQNH /6)489.158.4(33 hkal/70.9（6）萘带走的热量 ：萘的比热 。萘 )/(251.0kgcalc萘hkltcmQ4/)3625.1(萘萘萘（7）水汽带走的热量 ：36 时水蒸气的焓 。水 汽 kgcalH/08.612水 汽15hkcalhkcalHmQ /86.1739/08.6124.2983 ）（水 汽水 汽水 汽（8）所以煤气带走的总热量： kcl/.47.39.7.38.1057.52 ）（煤 气 出 hkcal/4.6934.2.3 脱硫过程中发生的熔解热和反应热1. 溶解热 溶 解 热Q（1） 的溶解热，查表得它的溶解热为SH2 kg/cal3.19hklkgcal/08.32/.1396.52 （2） 的溶解热，查表得它的溶解热为3Ncal/.47kkclQH 256/.47)8.(3（3）HCN 的溶解热，查表得它的溶解热为 cal/mo0.hkkgcalHCN 871/10275.60.3（4）总的溶解热为：37kcal/h.102.642.5.38932 HCNSHQQ溶 解 热2. 反应热 反 应 热（1） 的反应热，查表得他的反应热为2 mol/kca1hkclQSH /53.76210346.532 （2）HCN 的反应热，查表得他的反应热为 cal/4.0kclHCN /.04.27.3（3）总的反应热为：2kcal/h.863947.2153.62 HCNSQ反 应 热164.2.4 总的热量衡算反 应 热溶 解 热脱 硫 液 出煤 气 出补 充 水脱 硫 液 入煤 气 入 QQQ由于在整个过程中脱硫液质量变化不大，温度基本不变，所以可近似认为 脱 硫 液 出脱 硫 液 入所以 溶 解 热反 应 热煤 气 入煤 气 出补 充 水 QQ-37.102.286394.109742.16973hkcal/58即 hkgm/79.31.69.3补 充 水补 充 水4.3 设备计算4.3.1 选择填料选择散装填料，聚丙烯鲍尔环 50 填料能满足生产要求。此填料比表面积 a=100 ，空隙率 。出塔时为 。32/m%91 3/506.mkg4.3.2 塔径的计算平均密度 3/52.0217.58.0mkg平均温度 Ct364平均表压为 ， （绝压 112.4kpa）kpap1故 4026.59.30LV由贝恩-霍根公式即可计算泛点气速：1781412.032 75.94lg LVLVF Ga 其中， 为泛点气速，m/s为重力加速度，取g2/8.9smga 为填料比表面积，取 310a为填料空隙率，取%为脱硫液密度，L3/95.mkgL为脱硫液黏度，sPa720L-为脱硫液流量 hkg/5.173.41843 G-为煤气流量， G26.521解得 smF/6.1对于填料塔，操作气速为泛点气速的 0.50.7 倍，（1）当操作气速为泛点气速的 0.5 倍时空塔气速为： smuF/83.06.15.0塔径： 。VD25.4.4392（2）当操作气速为泛点气速的 0.7 倍时空塔气速为： smuF/16.7.05.塔径： 。VD59.3.14328所以塔径圆整到 D=4m。塔截面积为 22256.4mAT实际空塔气速： sVuTS /94.03.1818则脱硫塔脱硫液的喷淋密度为)/(5.27)/(79.356.12823hmhmAVT 液因此设计符合实际生产要求。4.3.3 传质面积和填料高度（1）吸收推动力 P出入 出入 Pln式中 为入塔前 吸收推动力（atm ）入PSH2为出塔后 吸收推动力（atm）出atm04.134.9.5103243-）（）（入P6862-）（）（出at014.08.4ln.ln出入 出入（2）总传质系数 K 在 1520 )/(3tmhkg取 K=17 )/(3atmhkg（3）传热面积的计算2279.13504.1765PKGA式中 A-为吸收面积（ ）m为吸收推动力（atm）G 为吸收 的质量（kg/h)SH2K 为总传质系数（ ）)/(3atmhkg19（4）填料高度填料层体积： 3326.1079.125maAV填料高度： ZT.6.圆整后 m12因此应设计两座吸收塔来吸收硫化氢即可满足生产要求，平时生产是两座塔都开，当一座塔发生故障时另一座足以满足生产任务。5.脱硫塔工艺设计结果表5.1 总表项目 数值及说明 备注塔径/m空塔气速 u，m/s填料填料高度，m脱硫效率， %脱硫液流容量脱硫塔传质系数 K脱硫塔液气比脱硫塔溶液喷淋密度转化为盐的转化率，SH240.937聚丙烯鲍尔环 501298.330.201727.9593.793.7整齐堆放20%HCN 的吸收率，%905.2 煤气入塔物质汇总表入塔干煤气 40000 ，温度为 34，压力为 17000PahNm/3组分 含量 g/Nm3 质量 kg/h 体积 Nm3/h干煤气 478 19607.1 40000焦油 微量 0 0苯 28.45 1138 297.13SH25.99 239.6 157.63HCN 1.57 62.8 51.903N8.37 334.8 440.53萘 0.4 16 2.80水蒸气 23.97 958.8 1198.55.3 出塔物质汇总表出塔温度为 36，压力为 15000Pa 组分 含量 g/Nm3 质量 kg/h 体积 Nm3/h干煤气 478 19607.1 40000焦油 微量 0 0苯 28.45 1138 297.13H2S 0.1 4 2.63HCN 0.157 6.28 5.2121NH3 6.97 220.88 291.04萘 0.4 16 2.80水汽 50.28 934.94 2361.985.4 其他数据（1）入塔脱硫液的质量流量为 hkgm/17803（2）出塔富液的质量流量由几部分组成，包括入塔脱硫液量，生成盐及补充蒸汽生成水量。（3）出塔富液的质量流量为 hkgm/1.744（4）补入水蒸汽量为 。/9.3水 蒸 气6.设计小结（1）HPF 法是以氨为碱源的脱硫工艺，脱硫液中的氨含量维持在一定水平是很有必要的。脱硫反应是放热反应，氨极易挥发，当脱硫液温度较高时，会增大溶液表面上的氨气分压，使脱硫液中的氨含量降低，脱硫效率随之下降。但脱硫液的温度太低也不利于再生反应的进行，因此，生产脱硫液的温度应控制在 3035 ,煤气温度应控制在28，这对系统的正常运行也是十分重要的。（2）干煤气中的成分不被液体溶解吸收，故当做惰性气体来进行计算。按本题设计条件，已知的是标况下的干煤气进气量40000Nm/h，在计算煤气杂质含量时，实际上应该是煤气杂质的质量分数乘以煤气的进气量，而在本题设中，将煤气杂质的质量分数换算成为以干煤气的进气量为标准，计算时必须要注意。22（3） 煤气中杂质对脱硫效率的影响：煤气中的焦油和萘等杂质不仅容易堵塔，增大系统阻力，而且对脱硫效率也有较大影响，还会使硫磺颜色发黑。在氨法 HPF 脱硫工艺中要求煤气中的焦油含量要50mg/m，萘含量要 0.5g/m。（4）在设计过程中，需要查一些物性数据，脱硫段和再生段计算耗氨量时依据也不同，并且选择填料和塔径计算中存在的问题比较多，这都需要我们认真地去解决。该脱硫方法不仅涉及气液相间及液相内部的传热传质过程，而且涉及催化反应过程，从而使设计问题变得十分复杂。为了尽可能的节约成本，必须完善设计过程，提高脱硫效率。本次脱硫塔的设计，经过几天的学习和研究，终于在自己的努力，还有老师和同学们的指导下完成了本设计。在计算的过程中，需要很认真地去查找数据、计算，若出现错误将会对整个设计产生很大的误差。设计过程有大量的数据需要处理而且是环环相扣的，只要有一个数据出错，那么接下来计算出来的结果也可能是错误的，需要从出错的数据开始，重新再计算，工作量很大。在处理数据过程中，有的数据要进行单位换算，有的要选值，