1、理论联系实际、简明易懂、经济实用。本书在编写过程中得到老师的指导，在此表示衷心感谢。由于编者自身的知识水平和认识水平的有限，书中错误与不妥之处，恳请读者批评指正。 编者20年5月 于年产36万吨合成氨脱硫工段工艺设计学生姓名：摘 要：年产36万吨合成氨脱硫工段工艺设计是由指导老师指定产量确定的生产规模，结合生产实习中收集的各类生产技术指标而设计的。本设计所采用的是栲胶脱硫法，其主要原料是半水煤气和脱硫液。本设计详细的介绍了合成氨脱硫工段的生产原理、工艺流程、工艺参数、热量衡算、物料衡算，以及设备选型、厂房布置和三废处理。本设计在脱硫效率和再生率方面的研究有所突破。关键词：栲胶脱硫法 脱硫液 脱
2、硫塔 The year produces 360,000 tons to synthesize an ammonia to take off sulphur work a segment a technological design Name of stendent:Director:Abstract With an annual output of 360,000 tons of synthetic ammonia Desulfurization Process design is specified by the teacher determine the scale of product
3、ion output, with production internship in the collection of various production technologies designed to target.This design is used by the desulfurization extract, its main raw materials and semi-water gas desulfurization liquid.The detailed design of the Section on the production of ammonia desulfur
4、ization principle, process, technology parameters, the heat balance, the material balance and the selection of equipment, plant layout and waste treatment.The design of the desulfurization efficiency and renewable rate of a breakthrough.Keyword: tannin extract to take off a sulphur method take off a
5、 sulphur liquid take off sulphur tower 1. 总 论1.1 概 述1氨是重要的化工产品之一，用途很广。在农业方面，以氨为主要原料可以生产各种氮素肥料，如尿素、硝酸铵、碳酸氢氨、氯化铵等，以及各种含氮复合肥料。液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用。目前，世界上氨产量的85%90%用于生产各种氮肥。因此，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。合成氨工业对农业的作用实质是将空气中游离氮转化为能被植物吸收利用的化合态氮，这一过程称为固定氮。氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业。将氨氧化可以制成硝
6、酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，氨还是常用的冷冻剂。合成氨的工业的迅速发展，也促进了高压、催化、特殊金属材料、固体燃料气化、低温等科学技术的发展。同时尿素的甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展起来的。所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个重要部门。在合成氨工业中，脱硫倍受重视。合成氨所需的原料气，无论是天然气、油田气还是焦炉气、半水煤气都人含有硫化物，这些硫化物主要是硫化氢（H2S）、二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS）、硫醇（RSH）和噻吩（C4H4S）
7、等。其中硫化氢属于无机化合物，常称为“无机硫”。天然气中硫经物的含量（标准状态）一般在0.515g/ m3的范围内，有机硫以硫醇为主，在气田经过粗脱磙处理后的天然气，硫化物的含量（标准状态）在20100mg/ m3左右。合成氨在生产原料气中硫化物虽含量不高，但对生产的危害极大。腐蚀设备、管道。含有H2S的原料气，在水分存在时，就形成硫氢酸（HSH），腐蚀金属设备。其腐蚀程度随原料气中H2S的含量增高而加剧。使催化剂中毒、失活。当原料气中的硫化物含量超过一定指标时，硫化物与催化剂活性中心结合，就能使以金属原子或金属氧化物为活性中心的催化剂中毒、失活。包括转化催化剂、高温变换催化剂、低温变换催化剂
8、、合成氨催化剂等。脱硫的任务是除去原料气中的各种硫化物，同时硫是一种重要的资源，应加以回收和利用。因此，无论原料来源如何，合成氨原料必须首先脱硫。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
9、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 + NaHCO3NaHCO3+H2SNaHS+CO2+H2O2） 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
10、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+NaHSH2O+S+NaOH1.1.3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
11、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。1.2 文献综述由于生产合成氨的各种燃料中含有一定的硫，因此所制备出来的合成氨原料气中，都含有硫化物，其中大部分是无机硫化物硫化氢（H2S），其次还含有少量的的机硫化物，如二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS）、硫醇（RSH）和噻吩（C4H4S）等。原料气中硫化物的含量取决于气化所用燃料中硫的含量。以煤为原料制得的煤气中一般含硫化氢16g/ m3 ，有机硫化物0.10.8g/ m3 。用高硫煤作原料时，硫化氢高达2030g/ m3 。天然气、轻油及重油中硫化物含量，因产地不同，差别很大。原
12、料气中的硫化物，对合成氨生产危害很大，不仅能腐蚀设备和管道，而且能使合成氨生产过程所用的催化剂中毒而失去活性。例如，天然气蒸汽所用镍催化剂，要求原料烃中总硫含量小于0.5cm3 / m3 ，铜锌系低变催化剂要求原料气中总硫含量小于1mg/ m3 ，若硫含量超过上述标准，催化剂将中毒而失去活性。此外，硫是一种很重要的化工原料，应予以回收。因此，原料气中的梳化物，必须脱除干净。脱除原料气中硫化物的过程，称为脱硫。目前原料气脱硫的方法很多，据统计达四五十种。随着石油化工的发展，还会开发出新的脱硫方法。按脱硫剂的物理形态分为干法（脱硫剂为固态）和湿法（脱硫剂为液态）两大类。干法脱硫又分为吸附法以活性炭
13、、分子筛为脱硫剂；接触反应法以氧化锌、氧化铁等为脱硫剂；加氢转化法以钴钼为催化剂，先将有机硫转化为H2S，再脱除。干法脱硫具有郊率高、设备简单、操作简单、维修方便等优点。但脱硫反应速度慢，脱硫过程是间歇操作，设备庞大；在脱硫剂使用后期，脱硫效率和阻力变大，脱硫剂阻力变大，脱硫剂再行困难。因此，大型合成厂广泛将此法用于业精细脱硫。湿法脱硫又分为化学吸收法（按脱硫溶液与H2S发生的反应，又分为中和法如乙醇胺法和氧化法如ADA法、氨水催化法等）、物理吸收法（如低温甲醇洗涤法等）和物理化学吸收法（如环丁砜法等）。湿法脱硫有着明显的优点，即脱硫剂是便于输送的液体、可以再生并能回收硫磺，构成一个连续的脱硫
14、系统。但此法净化度不高，出口含硫量在20100 cm3 / m3 。当原料气含硫较高时，宜先采用湿法脱去大量的硫，然后串联干法精脱，以达到工艺上和经济上都合理的要求。这么多湿式氧化法的脱硫方法，如果对它们之间的优缺点都进行比较，是很困难的。传统的中型氮肥厂，以前对改良ADA法和栲胶法用的比较多；对小型氮肥厂，以前对苯二酚法用得较多。对氮肥厂来说，采用什么方法，它有多种因素决定，有半水煤气硫含量高低的问题，有操作费用的问题，有习惯性的问题，有改造资金的问题等等。因此即便有一种方法有明显的优势，他也不一定就很快采用。1.3 设计任务的依据本课题是指导老师为提高毕业生设计能力而选定的。2. 流程方案
15、的确定2.1 各脱硫方法对比25脱硫方法很多，按脱硫剂物理形态可分为干法和湿法两大类，前者所用脱硫剂为固体，后者为溶液。当含硫气体通过这些脱硫剂时，硫化物被固体脱硫剂所吸附，或被脱硫溶液所吸收而除去。湿法脱硫主要用于脱除原料气中硫化氢。根据脱硫溶液吸收过程性质的不同，湿法脱硫又可分为化学吸收法，物理吸收法和物理化学吸收法三种。化学听收法 在化学吸收法中，脱硫溶液与硫化氢发生了化学反应。按反应不同，化学吸收法分为中和法和湿式氧化法。中合法，用弱碱性溶液为吸收济，与原料气中的酸性气体硫化氢进行中和反应，生成硫氢化物而除去。吸收了硫化氢的溶液，在减压、加热的条件下，使硫氢化物分解放出硫化氢，溶液再生
16、后循环使用。中和法主要有烷基醇胺法、氨水法和碳酸法等。湿式氧化法，用弱碱性溶液吸收原料气中的硫化氢，生成硫氢化物，再借助溶液中载氧体（催化剂）的氧化作用，将硫氢化物氧化成元素硫，同时获得副产品硫磺，然后还原载氧体，再被空气氧化成氧化态的载氧体，使脱硫溶液得到再生后循环使用。根据所用载氧体的不同，湿式氧化法主要有蒽醌二磺酸钠法（简称ADA法）、氨水对苯二酚催化法、铁氨法、硫酸锰-水杨法、硫酸锰-水杨酸-对苯二酚法（简称MSQ法）、改良砷碱法和栲胶法等。与中和法相比，湿式氧化法脱硫的优点是反应速度快，净化度高，能直接回收硫磺。目前国内中、小氨厂绝大部分采用湿式氧化法脱硫，因此原料气中有机硫含量高时
17、，变换后气体中硫化氢含量增加，需要经过二次脱硫。物理吸收法 是依靠吸收剂对硫化物的物理溶解作用进行脱硫的。当温度升高、压力降低时，硫化物解吸出来，使吸收剂再生，循环使用。吸收剂一般为有机溶剂，如甲醇、聚乙二醇二甲醚、碳酸丙烯酯等。这类方法除了能脱硫化氢外，还能脱除有机硫和二氧化碳。生产中往往用这些溶剂，同时脱除原料气中的酸性气体硫化物和二氧化碳。物理化学吸附法 用环丁砜的烷基醇的混合溶液，脱除原料气中硫化物的过程，属于物理化学吸收过程，称为环丁砜法。溶液中的环丁砜是物理吸收剂，烷基醇胺为化学吸收剂。我国有少数中型氨厂采这种方法脱硫。干法脱硫是用固体脱硫剂，脱除原料气中硫化物。优点是既能脱除硫化
18、氢，又能脱除在机硫，净化度高，可将气体中硫化物脱除至1cm3/m3以下。缺点是再生比较麻烦或者难以再生，回收硫磺比较困难，设备体积较大，有些为间歇操作，一般只作为脱除有机硫和精细脱硫的手段。在气体中含硫量高的情况下，应先采用湿法除去绝大部分的硫化氢，再采用干法脱除有机硫的残余硫化氢。常用的干法脱硫有氧化锌法、钴钼加氢法、活性炭法、分子筛法等。目前我国以天然气的轻油为原料的大型氨厂，通常先采用烷基醇胺等湿法，除去天然气或轻油中大部分硫化物。以煤和重油为原料的大型氨厂，用甲醇洗法脱除原料气中的硫化物和二氧化碳等酸性气体。绝大部分中小型氨厂，均采用湿式氧化法脱除原料气中的硫化物，部分厂采用氧化锌等干
19、法脱除残余的硫化物，有铜洗的氨厂，经过湿式氧化法脱硫后不再设置干法脱硫，因为铜洗过程可以除去残余的硫化氢。但近年来，有铜洗的氨厂，在湿法脱硫之后，也串接了干法脱硫，这样可以降低铜洗过程中的铜消耗和防止氨合成催化剂中毒。本课题是采用湿法对水气煤脱硫，主要是采用栲胶脱硫法，栲胶法是我国特有的脱硫技术，是目前国内使用较多的脱硫方法之一。该法主要有矸性栲胶脱硫（以栲胶和偏钒酸钠作催化剂）和氨法栲胶（以氨代替矸）两种。栲胶是由植物的果皮、叶和干的水淬液熬制而成。主要成分是丹宁，由于来源不同，丹宁组分也不同，但都是化学结构十分复杂的多羟基芳香烃化合物组成，具有酚式或醌式结构。栲胶法有如下优点：（1）栲胶资
20、源丰富，价廉易得，运行费用比改良ADA低。（2）基本上无硫堵塔的问题。（3）栲胶既是氧化剂又是钒的配合剂，溶液的组成比改良ADA法简单。（4）栲胶脱硫液腐蚀性小。（5）栲胶需要熟化预处理，栲胶质量及其配制方法得当与否是决定栲胶法使用效果的主要因素。2.2 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。H2O2+NaHSH2O+S+NaOH 此外 ,在生产中还有生成硫代硫酸钠的副反应:2NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O2Na2S2O3 + 3O2
21、= 2Na2SO4 + 2SO24H2O2+2NaHS5H2O+Na2S2O3 2NaOH+Na2S2O3+4H2O22Na2SO4+5H2O2.3 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
22、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
23、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+H2SNaHS+NaHCO3 21NaHCO3+H2SNaHS+CO2+H2O 22（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 23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
24、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。 24（4）酚态栲胶被氧化获得再生，同时生成H2O2 252H2O2+2NaOH+Na2V4O94NaVO3+3H2O 26H2O2+NaHSH2O+S+NaOH 27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+H2O2NaHCO3 282NaHS+2O2Na2S2O3+H2O 294H2O2+2NaHS5H2O+Na2S2O3 2102NaOH+Na2S2O3+4H2O2=2Na2SO4+5H2O 2113.3 反应条件对
25、反应的影响3.3.1 影响栲胶溶液吸收的因素、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 35g/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 0.751.0g/ L 。（3） 溶液中T（OH）O
26、2：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 1.52.0g/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 8.159.12。（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21.331.8g/L。（6） 溶液中NaHCO3：若溶液中NaHCO3 浓度高，将使pH值升高，对再生
27、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。、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。、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
28、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。、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 3035 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3
29、850为宜。、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。、温度的影响 温度高再生速度加快，但副产物增多，硫泡沫
