(1)原料天然氣組成分子式C1C2C3N2HS2組成0.82150.02840.00130.00720.0892CO20.0524H2S含量的變化范圍為：9.2%~10.8%；CO2含量的變化范圍為：4%~6%(2)設計規模：15萬噸/年；(3)原料氣溫度：20°C；(4)要求：HS<20mg/m32水蒸氣法將天然氣轉換成水煤氣：CH4+H2O=CO+3H2-206.37kJ/molCH4+2H2O=CO2+4H2-163.71kJ/molCH4+CO?=2CO+2H2-247.39kJ/molCO+H2O=CO2+H2+41.19kJ/molCH22+nH2O=nC+(2n+1)H2-QkJ/mol部分氧化2CH4+O2=2CO+4H2+71.18kJ/molCH4+2O2=CO之+H2O+802.46kJ/mol2H2+O2=2H2O+483.99kJ/mol由以上列的轉化反應式可以看出，用天然氣轉化成水煤氣，從理論上可以得到CO+3H2,一個體積的CH4可以轉化成4個體積的CO+H2,實際上轉化過程平衡條件決定于CO+H2O—CO2+H2最終的水蒸汽轉化氣組分為CO、CO2、H2的混合物，組分中的CO還可以進行合成氨最理想最經濟的轉化方式。其中主要的反應式就是CH4的反應生成的CO、CO2、H2。.根據查找數據根據經驗值得到如下數據在不同溫度下反應生成的平衡組成溫度/C平衡常數平衡組成/%COKPpCH4H2OH2CO240011.7020.8574.423.780.940.006002.52716.5464.1315.393.590.348001.0158.7448.3733.565.553.799000.73294.5541.3841.845.147.0910000.56121.6937.0947.004.369.8511000.44970.4935.6148.853.7111.33根據我們需要選擇產生H2最多的可以使我們的天然氣的利用率最大。所以盡量選擇1100°C。當溫度降低后，可以使水變成液體除去，剩下的都是氣體，所以氣體部分就是H2；0.4885/(1-0.3561)=0.7587CO2：0.0371/(1-0.3561)=0.05762CO：0.1133/(1-0.3561)=0.17596在總體中占的比例就是H2:0.7587X0.8215=0.6233CO2：0.05762X0.8215+0.0524=0.0997CO：0.17596X0.8215=0.1437由于N：H=1：3可以使反應達到最大效益，所以，通入大于0.33倍H2的氮氣最為合適，假設可以通入的氮氣量為30體積，可以使的合成氣變成半水煤氣可得N2:30^130=0.2308H2:62.33：130=0.4795CO2：9.97：130=0.0767CO：14.37：130=0.1105表4.1半水煤氣成分組分N2CO2COH2其他體積/%23.087.6711.05 ，47.9510.25通過查資料可以的到栲膠脫硫的脫硫液成分如下表:表4.2脫硫液成分組分NaCO23NaHCO3總堿總釩栲膠濃度5.050.626.80.61.5（g/L）2計算原料氣的體積及流量以每年300個工作日，每天工作24小時，則每小時生產合成氨為：150000^(300X24)=20.8333t/h考慮到在合成時的損失，則以每小時生產20.8333噸計算為基準，所以%3=208333Kg：17Kg/Kmol=1225.49Kmol則合成NH3所需要N2的物質的量為nN2=nNH3：2=612.745Kmol考慮到半水煤氣經過洗滌、脫硫、變換等工序到合成的過程中氮氣的損失，則損失率以1%計，則半水煤氣中氮氣的物質的量為%=612.75X(1+1%)=612.75Kmol那么原料氣中N2的體積為VN2=22.4Nm3/KmolX612.75Kmol=137250.49Nm3根據半水煤氣中各氣體的體積比，則其它氣體的體積為Vco2=7.67：19.55XVn2=53847.1232Nm3VCO=11.05：19.55XVN2=77576.36Nm3Vh2=47.95：19.55XVn2=330629.761Nm3VO2=10.25：19.55XVN2=71959.9756Nm3那么總氣體的體積V=VN2+VCO2+VCO+VH2+VO2二53847.1232Nm3+77576.63Nm3+330629761Nm3+71959.975Nm3+137250.49Nm3二677265.864Nm3根據氣體方程，將0°C、101.325KPa下的體積換算成125KPa、45°C時的體積V0V0=101.325X677265.864X(273.15+45)/(125X273.15)m3=639435.15m3則進入脫硫塔的氣體的流量為G=639435.15m3/h3根據氣體中HS的含量計算HS的質量2 2入脫硫塔中HS的質量：m1=0.09/1.3mg/m3X639435.15m3=442.685Kg2根據設計要求，出塔氣體中H2S的含量為20mg/m3，取出塔氣中H2S的含量為20mg/m3，則塔的脫硫效率是n=(692-20)/692X100%=97.1%.由于原料氣中HS的含量低，故在脫硫的過程中原料氣進入脫硫塔和出脫硫塔的2體積流量視為不變，則出塔氣體的流量W0^617801.29m3/h所以出塔氣中HS的質量為m2=1.5mg/m3X617801.29m3=0.927Kg2故在脫硫塔中吸收的H2S的質量為G1=m1-m2=442.685-0.927=441.758Kg4脫硫液循環量的計算取脫硫液中硫容量為S=100g/m3,根據液氣比L/G=(C1-C2)/S式中：C1為進脫硫塔氣體中硫化氫的含量，g/m3C2為出脫硫塔氣體中硫化氫的含量，g/m3S為硫容量，g/m3L為脫硫液的循環量，m3/hG為進脫硫塔氣體的流量，m3/h則液氣比為L/G=(0.692-0.02)/100=0.0067脫硫液的循環量L=0.0067X639435.15=4284.22m3/h因脫硫液在循環中有損失及再生率為95%，取損失率為10%則液體的循環量為L=L(1+10%)=4284.22X(1+10%)=4712.64m3/hT5生成NaSO消耗的HS的質量G，Kg/hTOC\o"1-5"\h\z223 2 2取Na2S2O3的生成率為H2S脫除量的8%，貝UG2=425.452X8%=34.036Kg/h6NaSO的生成量G，Kg/h223 32HS~NaSO2 223G3=G2MN2S2O3/(2MH2S)式中M ——NaSO的分子量Na2S2O3 223MHS——HS的分子量22G3=34.036X158/(2X34)=79.08Kg/h7理論硫回收量G4，Kg/hG=(G-G)XM/M4 1 2 SH2S式中Ms 硫的分子量G4=(425.452—79.08)X32/34=325.99Kg/h理論硫回收率，W=G/G41W=325.99/425.452X100%=76.62%8生成Na2S2O3消耗的純堿量G5,Kg/hG=GM/M5 3Na2CO3Na2S2O3式中MNa2CO3——Na2CO3的分子量G=79.08X1O6：158=53.054Kg/h59硫泡沫生成量G6,Kg/m3G6=G4/S1式中S1——硫泡沫中硫含量，kg/m3,取S1=30kg/m3G=325.99kg/h：3Okg/m3=10.87m3/h610入熔硫釜硫膏量G7=G4/S2式中S2 硫膏含硫量，取S2=98%(質量分數)G=325.99：98%=332.64Kg/h7表4.3物料衡算表（以每小時計）:入脫硫塔氣體流量639435.15m3出脫硫塔氣體流量639435.15m3脫硫液循環量4712.64m3硫泡沫生成量10.87m3硫化氫吸收量4284.22Kg硫膏量332.64Kg消耗的純堿量53.054Kg硫代硫酸鈉生成量79.08Kg4.2熱量衡算（以0°C為計算基準）1基礎數據半水煤氣的平均式量 M=(28X23.08%)+(44X7.67%)+(28X11.05%)+(2X47.95%)+(32X10.25%)=17.5kg/kmol半水煤氣的密度：p=PM/TR=1.25X17.5X102/[(273.15+40)X8.314]=0.840kg/m3半水煤氣的質量流量G「V0P=639435.15X0.840kg/h=537125.526kg/h脫硫液密度計算用公式：p「1.0641—0.000446T(g/cm3)脫硫液入脫硫塔時的溫度T入=45°C，則p入二1.0641—O.OOO446X45=1.04403g/cm3=104403kg/m3L入脫硫塔脫硫液的質量流量W入=4712.64p入=4920.14kg/h脫硫液出脫硫塔是的溫度T出Q45C，則p出Qp入出脫硫塔脫硫液的質量流量W出5入平均比熱容的計算根據比熱容的計算式C=a+bT+cT2,J/(mol?K)p將半水煤氣中的各組分的a、b、c值列于表中物COHCONO質2222a26.53726.8826.7527.3228.17b/10-37.68314.34742.2586.2266.297c/10-6—1.172—0.3265—14.25—0.9502—0.7494表4例如在60C的比熱容：CO: C=26.537+7.6831X10-3X(273.15+60)p1.172X10-6X(273.15+60)2=28.967KJ/(kmol?K)H2: Cp=26.88+4.347X10-3X(273.15+60)-0.3265X10-6X(273.15+60)2=28.292KJ/(kmol?K)CO2: Cp=26.75+42.258X10-3X(273.15+60)-14.25X10-6X(273.15+60)2=40.832KJ/(kmol?K)N2: Cp=27.32+6.226X10-3X(273.15+60)-0.9502X10-6X(273.15+60)2=29.289KJ/(kmol?K)O:2C=28.17+6.297X10-3X(273.15+60)-0.7494X10-6X(273.15+60)2=30.275KJ/(kPmol?K)平均比熱容為C=ZYiXCpm pi上式中Yi——為各氣體的體積分數Cpi——為各氣體的比熱容故半水煤氣在60攝氏度的比熱容Cpo=29.78KJ/(kmol?K)同理：半水煤氣在45攝氏度的比熱容 C45=29.30KJ/(kmol?K)半水煤氣在41攝氏度的比熱容 C41=29.30KJ/(kmol?K)脫硫液的比熱容CP，J/(g°C)C=3.839+0.00352TP脫硫液的進口溫度為41C，則進口時的比熱容Cp1=3.839+0.00352X41=3.9833J/(g?C)=3.983KJ/(kg?C)脫硫液的出口溫度約為41C,則出口時的比熱容L2洗滌塔熱量衡算洗滌塔熱負荷Q1，KJ/hQ1=G0(CP0t1-C45t2)式中G0——入洗滌塔半水煤氣量Q=537125.526/18.1X(29.78X60-29.30X40)=1.824X106KJ1冷卻水消耗量W3,m3/h

W=Q/(C?△t)3 1H2O式中△t——冷卻水溫升，取△t=5°C,CH2o=4.2KJ/(Kg°C),p=1000Kg/m3W3=1.824X106/(4.2X1000X5)=868.78m3/h3硫泡沫槽熱量衡算①硫泡沫槽熱負荷，KJQ=VpC(t—t)2FFF3 4式中Vf 硫泡沫體積，m3,VF=G6=10.87m3pf 硫泡沫密度，kg/m3,pf=1100kg/m3Cf——硫泡沫比熱容，KJ/(kg?C),Cf=3.68KJ/(kg?C)t3——槽中硫泡沫末溫，C， t3=64.5Ct4——槽中硫泡沫初溫，C， t4=41CQ=10.87X1100X3.68X(64.5—41)=10.3X10sKJ2②蒸汽消耗量W4，kg/hW4=Q2/r1式中r1——130C蒸汽的液化熱，KJ/kg，r1=2177.6KJ/kgWQ/r=0.22X105/2177.6=10.53kg4=2 14熔硫釜熱量衡算①熔硫釜熱負荷Q3,KJ/釜Q=GCp(t—t)+0.98GpC+4入F(t—t)38SS56 8Sh 6 5 6式中G8——每一釜硫膏量，m3/釜，設全容積為150m3,熔硫釜裝填系數為75%，則G=150X0.75=112.5m38Cs——硫膏比熱容，KJ/(kg.°C)，Cs=1.8KJ/(kg?C)ps 硫膏密度，kg/m3，ps=1770kg/m3t5t5——加熱終溫，C，t6——入釜溫度，C，t5=150Ct6=64.5C硫膏的熔融熱，KJ/kg，廠49.8KJ/kg入——熔硫釜向周圍空間的散熱系數，KJ/(m2?h?°C)，入=12.56KJ/(m2?h?°C)F6 熔硫釜表面積，m2，F6=130m24——熔一釜所需時間，h0.98——硫膏中含硫膏98%GCp(t—t)表示硫膏升溫吸收熱量；0.98GpC表示硫膏熔融吸收熱8SS5 6 8Sh量；4入F6(t5—16)表示向環境散熱量。0=112.5X1.8X1770X(150 —364.5)+0.98X112.5X1770X49.8+4X12.56X130X(150—64.5)二40921851.6KJ/釜②蒸汽消耗量，W5,KJ/釜W5=Q3/r2式中r2——130°C蒸汽的液化熱，KJ/kg, r2=2177.6KJ/kgW=40921851.6/2177.6=18792.18Kg/釜5表4.4熱量衡算表：收入KJ/kg支出KJ/kg半水煤氣帶入的熱量半水煤氣帶出的熱量0.091X106洗滌塔GC60t46.48X106冷卻水吸收的熱量1.824X106(/h)0P1總和46.48X106總和1.915X106硫泡沫脫硫液帶入的熱量2.77X105脫硫液帶出的熱量2.99X105蒸汽冷凝放出的熱量10.3X105槽(/h)總和13.07X105總和2.99X105硫膏帶入的熱量4.624X105硫膏帶出的熱量1.302X106熔硫釜蒸汽冷凝放出的熱量8.502X105環境吸收的熱量0.107X105/（釜）總和1.3126X106總和1.3126X1065. 設備計算及選型5.1脫硫塔的設計計算nW]脫硫吸收塔采用填料塔，填料為76X76X2.6聚丙烯鮑爾環，公稱直徑為

76cm，空隙率為￡=0.92，比表面積為a=72.2m2/m3，米用亂堆的方式。5.1.1塔徑計算利用泛點速度計算圖求液泛速度首先根據液體質量流速(L，Kg/h)、氣體質量流速(G，Kg/h)、氣體密度(pg，Kg/m3)、液體密度(pl，Kg/m3)，用泛點速度計算圖橫座標的式子算出數據，以此數據查出“泛點速度計算圖”的縱座標上的數據，再用縱座標上的式子，求解出泛點速度W(m/s)。1.00.8QE0.40.20,10,08□.OB0.04□.02□.5□.080.006D.0040,002Q.0D10.10*0.3Ck40.5Q.60.70.30.31.01112131.4t5, i/4z 1/B(L"費照3度計黑圖圖一圖中mPa,SW0——液泛速度，m/s； L——液體質量流速，kg/h；圖中mPa,SG——氣體質量流速，kg/h；pl——液體密度，kg/m3p 氣體密度，kg/m3； a 填料比表面積，m2/m3￡——填料空隙率，%； p——液體粘度，mPa?S，p=0.837g 重力加速度，m/s2對于本系統:(L/G)1/4(p/pL)1/8=[(484.13X1044.03)/(0.869X61988.94)]1/4(0.871/1045.81)1/8=0.72123由圖可讀出對應縱坐標為0.0664即：W；/g(a/￡3)(pg/pl)p0.2=0.0664所以,W0=[0.0664g(￡3/a)(pL/p)/p0.2L/2=[0.0664X9.81X(0.923/72.2)X(1044.03/0.869)/0.8370.2]1/2=2.957m/s利用泛點速度W0,算出操作氣速W「m/s取空塔氣速為泛點速度的45%，則實際空速為u=0.45W°=.1.331m/s根據操作態的每小時氣體處理量算出塔徑D,mD=；'4V/us式中：D 吸收塔直徑，m；Vs——氣體的體積流量，m3/sD=[4X61988.94：3600：(3.14X1.331)]1/2=4.06m圓整后D取4.2m5.1.2填料高度計算吸收過程傳質系數KG計算KG二AW1.3Na0.1B-0.01式中：KG 傳質系數，Kg/(m2?h?atm)；A 經驗數，取A=20；W——吸收塔操作氣速，m/s； Na——溶液中N"。,含量，g/L；B——吸收過程液氣比，L/m3。KG=20X1.3311.3X5.00.1X(484130/61988.94)-0.01=33.38Kg/(m2?h?atm)計算吸收過程平均推動力△PM,atm△PM=[(P-P*)—(P—P*)]/ln[(P—P*)/(P—P*)]1 1 2 2 1 1 2 2式中：P1 吸收塔入口氣相H2S分壓，atm；P2——吸收塔出口氣相H2S分壓，atm；P1=(40.92/34)/(53868.39/18.1)X1.25=5.055X10-4atmP=(0.086/34)/(53868.39/18.1)X1.25=1.062X10-6atm2P*,P*——吸收塔入、出口HS分壓，atm，溶液中HS含量很低，1 2 2 2可以忽略，P]*=P2*=0。PM=(5.055X10-4-1.062X10-6)/ln[(5.055X10-4)/(1.062X10-6)]=8.182X10-5atm計算傳質面積FP，m2FP=G1/(KGXAPM)式中：G1——H2S脫除量，Kg/h；KG 傳質系數，Kg/(m2?h?atm);PM——吸收過程平均推動力，atm。FP=43.98/(33.38X8.182X10-5)=16103.097m2根據以上數據計算出填料高度HP=FP/(0.785D2Xa)式中 a——填料比表面面積HP=16103.097/(0.785X4.22X72.2)=16.1m取HP=17m填料分兩段，上段8cm下段9cm.5.2噴射再生槽的計算5.2.1槽體計算再生槽直徑計算再生槽直徑計算可用下式計算：D1=(GA/0.75A.)1/2式中：A. 吹風強度，m3/(h?m2)，取A.=70m3/(h?m2)；D1——槽體直徑，m；GA——空氣量，m3/h。而空氣量用下式計算：GA=LtXC.式中：C 噴射器抽吸系數，ms/m3；C=2.4ms/m3Lt——溶液循環量，ms/h。GA=484.13X2.4=1162ms/hD1=(1162/0.75X70)i/2=4.70m計算再生槽擴大部分直徑D2,mD2=0.4+D1D=0.4+4.70=5.10m2計算再生槽高度HT,mHT=H1+H2+H3H1——再生槽有效高度，m；H2——噴射器出口到槽底距離，取H2=0.5m;H3——擴大部分高度，取H3=1.5m;再生槽有效高度H下式計算：1H1=(LtXt)/(0.785D；X60)式中：t 溶液在再生槽內停留時間，min，一般取t=13min；Lt——溶液循環量，m3/h；D1——槽體直徑，m0.785 /4再生槽有效高度H1=(484.13X13)/(0.785X4.702X60)=6.05m再生槽高度HT=6.05+0.5+1.5=8.05m5.2.2噴射器計算噴嘴計算設噴嘴個數(n)確定：n=Lt/L.在式中：Li——每個噴射器溶液量，m3/h，取Li=40m3/h;Lt——溶液循環量，m3/h。n=484.13/40=12.1那么取n=13噴嘴的孔徑(d「，mq=(Li/0.785X3600Xw「1/2在式中Wj 噴嘴處的溶液流速，m/s，取Wj=20m/s。q二(40/0.785X3600X20)i/2=0.027m溶液入口管直徑dL，mdL=3d.dL=3X0.027=0.081m=81mm 取089X4熱軋無縫的鋼管；噴嘴入口的收縮段長度L5,mL5=(dL-d.)/2tan(a/2)式中ai——噴嘴入口的收縮角，通常取ai=14°L5=(0.081