年产10万吨硫酸生产车间工艺设计

1、第一章综述1.1 概述聚丙烯PP具有相对硬度大,密度小,抗拉伸性能好,透明度高,抗应力开裂和耐化学性能好,耐高温,并具有极好的注塑性能,可以与其他材料共混改性等优点,因此PP的应用范围越来越广,而且在2003年中国已经超过美国成为世界上最大的PP市场.PP主要用于生产纤维编织,注塑制品,薄膜,片材,板材,电缆及护套料,吹塑制品以及管材等,具有广泛的应用前景.1.2 聚丙烯成核剂工业的概述聚丙烯PP是合成树脂中的相当重要的品种,开展前景十分广阔.聚丙烯PP具有机械性能好,无毒,密度小,耐高温,耐化学品,加工成型方便等优点,并且价格廉价,能通过加工改性赋予其突出的物理机械性能,在取代工程塑料时可优

2、先考虑聚丙烯,PP的用量占全球通用合成树脂的1/4左右,是五大通用合成树脂中用量增速最快新品种研究最活泼的品种.PP具有无毒、耐热、耐化学药品、相对密度低、容易加工、成型力学性能好等特性,而且丙烯原料丰富,且性价比高,被广泛地在建筑、化纤、化工、轻工等领域.1954年意大利的Natta教授合成具有高度立体规整性的聚丙烯,然后PP在1957年由意大利的Montecatini公司实现工业化以来,已经成为通用合成树脂中开展最快、品种最多的品种.1.3 我国聚丙烯成核剂工业的现状随着近些年来工业的快速开展和人民生活水平的提升,我国的成核剂市场开展很快,很多科研机构和企业都在进行成核剂的相关研究.兰州石

3、化研究院在国内率先开发出第一代DB皱核透明剂,然后继续开发了第二和第三代DBSK核剂.此后还有许多企业进行了成核剂的相关研究,并使技术不断进步.但与国外相比,我国科学研究根底薄弱,现阶段国内企业从事生产的时候还是借鉴国外的专利技术,主要是由于国内的研究机构对成核剂的成核机理没有完全摸清楚,虽然在努力追赶的过程中,但生产出来的产品与国外产品质量还是有差距,导致我国生产的成核剂产品在出口方面情况不容乐观.所以说我们要力争上游,在成核剂对聚丙烯结晶形态,性能和加工工艺等方面进行更加深入详细的研究,尽快形成自己的专利技术,使自己的成核剂产品的性能能够媲美国外产品.1.4 硫酸的几种不同的生产工艺1.4

4、.1 以硫铁矿含伴生硫铁矿为原料硫铁矿这种资源在我国一直就存在,从国家平安与经济开展的长远考虑,保持一定的硫铁矿采矿选矿水平和硫铁矿制取硫酸的水平是非常有必要的.由于受到各种因素的制约,建国以来我国有很长一段时间是应用自有原料,即硫铁矿生产硫酸.然而采用硫铁矿生产硫酸具有其自身的局限性,主要表现为：(1)生产硫酸的技术本身比拟复杂,而且建设装置的投资本钱较高；(2)硫铁矿矿山的勘探、采选本钱较大；(3)我国硫铁矿资源相比照拟分散,并且贫矿多、富矿少,平均采选本钱较高；(4)硫铁矿的运输通常需要铁路来实现,偏远地区会限制其运力.因此在合理应用硫铁矿资源的思路上应该考虑如何能够节约应用,恰当的进口

5、国外的硫资源.目前我国已经是国际经济市场的重要组成局部,因此更加需要研究好、把握好国际市场,为长期开展硫酸工业争取有利条件,硫铁矿制硫酸起到了重要的平衡、调节作用.如果将硫铁矿制硫酸变为硫磺制硫酸,将大大刺激国际硫磺市场的消费需求,保持现在的硫铁矿采选水平而且能够稳步增长不仅有利于国家经济平安,并且能够稳定国际硫磺市场,反过来对我国的硫磺的进口也有利,大体上对于稳定我国的制酸工业发展有利.稳定和开展硫铁矿制取硫酸首要任务是开展硫铁矿的采选水平和开展硫铁矿制酸的技术水平和生产装备的提升.1.4.2 以硫磺为原料从世界范围硫磺的供、需关系来看,硫的供给根本上是能够满足现有市场对硫的需求.上从世纪9

6、0年代以来由于从石油和天然气中回收硫磺数量的迅速增长,国际硫磺市场出现供大于求的态势,硫磺价格走低.这时期我国正处于磷复肥高速开展时期,对硫酸需求量较大,单单用国内的硫铁矿为原料用来生产硫酸已满足不了需求,而硫磺正是硫酸生产最好的原料：干净、投入较小、效益好、方便大型化设置.采用国际市场的硫磺生产硫酸,以补充我国生产硫酸的原料的缺乏,促进我国硫酸工业无论从产量上还是技术上都有了长足的开展.1.4.3 冶炼烟气和其他原料冶炼烟气主要是冶炼金属时金属矿中含有的硫转化为二氧化硫烟气,冶炼烟气制取硫酸其实是企业的副产品,是冶金工业开展的产物.目前我国冶炼烟气制取硫酸已经得到高速开展,并且形成较大的生产

7、水平,其硫酸产量也稳步增长.磷石膏、石膏是我国硫酸工业中潜在的硫资源,目前已有小批量生产的水平,但是近期大规模开展目前条件尚不成熟.“十一五期间,随着煤制甲醇、煤制油、煤制天然气及煤制烯烂等大型煤化工工程的推进,在煤化工行业中也有越来越多的硫磺回收装置.将这些硫资源合理应用势在必行.第二章硫磺制取硫酸的工艺流程现如今,工艺上通常采用快速熔硫、机械过滤液硫、雾化焚硫技术.现今多采用“3+1两转两吸阶段.并且使用中压锅炉回收焚硫阶段产生的废热,运用省煤器来利用转化工序的废热.两个装置都能产生中压过热蒸汽.将经过空气净化阶段处理后的干燥、洁净的空气与处理后熔融态的硫在焚硫炉内燃烧.产生高温二氧化硫气

8、体,通过余热锅炉使得气体温度降低到650680C,之后进入转化器.本次设计采用了转化工序经过两大步骤完成,第一次转化通过一、二、三段触媒,第二次通过第四段触媒.一次转化的三个阶段全部采用外部换热,二次转换的一个阶段采用空气激冷的换热方式.2.1 硫磺制取硫酸的特点以硫磺为原料生产硫酸,炉气不需要净化,当降温至适宜温度便可进入转化工序,转化后用酸吸收即可等到产品.此方法没用废渣、废水的产生,流程简易,投资较少.2.2硫磺制取硫酸工艺流程以硫磺为原料生产硫酸的工艺流程主要有：原料的预处理、焚硫与转化、枯燥及产品的输出.用硫磺味原料来生产硫酸工艺流程的简述如下：2.1.1 原料预处理工段原料预处理工

9、段通常包括硫磺的预处理和空气的预处理.硫磺的预处理阶段主要是为了将固体的硫磺通过加热使之变为熔融态,之后将其进行过滤处理以便于滤去原料硫磺中的杂质,从而能够得到反响所需要的液态硫磺.空气的预处理的主要目的是为了将空气中所含有的水蒸气进行除去,通常将外界的空气通过鼓风机通入浓硫酸枯燥塔中,浓硫酸具有吸水性,能够很好的将空气中的少量水蒸气吸收从而能够得到枯燥的空气.2.1.2 焚硫转化工段焚硫转化工段是整个以硫磺为原料生产硫酸工艺中最为重要的组成局部.焚硫转化工段包括两大局部内容,焚硫工序的主要目的是为了将原料预处理工段处理过的硫磺和空气一起送入焚硫炉中进行充分燃烧,燃烧后产生的二氧化硫气体经过降

10、温后再送入转化塔中.完成焚硫工序的主要设备是焚硫炉,通常为了是通入焚硫炉中的硫磺燃烧的更加充分,在焚硫炉中再增加二次空气入口,使得在焚硫炉中没有充分燃烧的微量硫磺与二次空气做进一步燃烧反响.转化工序主要为了完成二氧化硫的催化氧化从而能够生成三氧化硫.二氧化硫的催化氧化是在转化塔中完成的,转化塔中装填的五氧化二铀是加快反响进程的催化剂.现如今通常将转化塔中的催化剂分段设置,本设计中采用四段催化剂层.将在焚硫工序生成的高温二氧化硫气体经过降温至适宜温度后通入转化塔一段催化反响层,之后依次通入第二段和第三段反响层.在经过前三段反响后产生的三氧化硫首先通入硫酸吸收塔.在第四段转化后产生的三氧化硫也同样

11、通入最终吸收塔.因在本设计中采用两次转化和两次吸收,并且在转化塔中分为前三段和最后一段转换层分别完成催化氧化反响,通常将转化和吸收流程简称为“3+1两转两吸流程.2.1.3 吸收工段吸收工段主要是为了完成将转化工段产生的三氧化硫充分吸收生成产品硫酸.三氧化硫和水结合后能够生成硫酸,然而在实际的工业化生产中通常是用浓硫酸来吸收三氧化硫来生成发烟硫酸.完成吸收工段的主要设备是吸收塔,在吸收塔上部进行浓硫酸的喷淋,将三氧化硫在吸收塔的下部通入,与浓硫酸逆流接触充分吸收生成发烟硫酸.产品输出时可以依据市场所需的硫酸的浓度对发烟硫酸稀释即可.2.3废热回收工艺为了使反响阶段产生的热量不被白白浪费掉,可以

12、使液硫燃烧热、转化反响产生的热量集中处理产生中压过热蒸汽.在焚硫炉的出口处设置余热锅炉产生中压饱和蒸汽,将高温过热器配备在转化塔的第一段,在转化三段,进入第一吸收塔之前设置省煤器,在转化四段后设置省煤器和低温过热器.对于两次转化而言将中温过热器配备在第四段的出口.在整个的硫磺制取硫酸的过程中,硫磺和空气反响产生二氧化硫、二氧化硫转化为为三氧化硫、三氧化硫被吸收形成硫酸,这三个主体反响都是放热反响.在不考虑装置本身的散热的前提下,上述三个反响所释放的热量在理论上是可以完全回收利用的.在焚硫转化工段产生的废热占总体热量的60%吸收工段的占40%然而在我国,由于国产化的制酸装置废热回收的技术起步相对

13、较晚,在上世纪70年代时制酸装置中废热回收存在装置只能回收高温废热,而且废热回收装置会经常发生事故等缺陷.之后我国在引进国外先进的制酸技术和生产装置后,废热回收的状况得到明显的改善.在焚硫转化工段中,废热锅炉、省煤器和过热器为主要的废热回收装置.通常将废热锅炉设置在焚硫炉的后端,目前较多的采用火管锅炉.在转化工段通常配备有省煤器和过热器.由于吸收工段的废热品级较低,所以回收的技术相对较复杂.上世纪80年代以后,我国自主研发了以下几种回收低温废热的技术和方法.A.用热的脱盐水来升高进入除氧器的水温,这样能够降低蒸汽消耗.B.生产的热水供给到居民生活区,让居民有效的利用C.生产热水供给到其他的生产

14、装置中第三章物料衡算3.1设计要求:设计任务：年产10万吨硫酸的制备;年生产日：按300天计算;生产原料：以硫磺为原料;尾气排放形式：生产过程中含硫尾气以二氧化硫的形式排放到大气中；吸收标准：依据?大气污染物的综合排放国家标准?(GB16297-1996)之规定,限定二氧化硫的最高排放标准为960mg/n3,吸收率不小于99.5%;建厂地址：湖南省长株潭地区.3.2 物料衡算3.2.1 物料衡算的缘由(1)根据下达的任务书中所确定的方案、产品的的生产规模、年运行时间和具体的操作方法.(2)在本次设计中所涉及的主要化学反响式、投料的比例、转化率、总收率、选择性、催化剂的状态以及催化剂是否能够回收

15、利用.(3)原料的进料方式、产品的输出别离方式、每一工段的转化率和回收率.(4)特殊化学物质的物性参数,例如熔沸点、饱和蒸汽压等.3.2.2 衡算任务这次设计的任务为年产10万吨硫酸的生产,生产方式为连续化生产,物料衡算的主要任务为：(1)确定硫酸的实际生产质量,最终产品的规格和指标；(2)确定空气和硫磺的消耗量,硫酸的最终收率；(3)确定最终的“三废排放量；(4)各个工段的物料衡算,并以此数据来进行主题运行设备的设计与选型；(5)制作总物料衡算表,数据可以用来完成后续的物料流程图的绘制.3.3 每个工段的物料衡算3.3.1 硫磺燃烧工段的物料衡算本次设计的任务为年产10万吨硫酸的生产,产品硫

16、酸的浓度为98.8%,因而硫酸的13722.22Kg/h年产量t1000100000100098.8%30024生产日24以一小时为基准,因硫磺和硫酸中硫原子的个数比为1:1,那么由硫酸的质量为13722.22Kg,可以推算出理论上需要的硫磺的质量为4667.42Kg.然而实际原料中,因硫磺中还含有杂质,取硫磺的含量为96%那么所需硫磺的质量为：y?M硫磺?MIVI硫酸13722.223296%984667.42Kg3.3.2转化工段的物料衡算在第二章中我们已经详细的对硫磺制取硫酸工艺过程中各个参数和物性指标都得到了优化,现利用这些数据进行详细的计算.(1)标准通气量有上述计算可知硫酸的产量为

17、13722.22Kg/h,在第二章经论证决定在转化工段进气组成中,二氧化硫的浓度定为9%氧气的浓度定为8.6%,总转化率为99.5%,吸收率为0.99975.进入转化器的气量以一小时为基准,那么有标准通气量y22.498x?13722.2222.4980.9550.999750.09_335033.97m3/h1564.02Kmol进入第一段转化器的温度为420C,负压为10Kpa,那么实际通气量273tt100000100000H出2734201000001564.02273100000100003505.11Kmol炉气成分:SQ的量4SQ的含量1564020.0914076Kmol900

18、876KgO2的量V标Q的含量1564020.08613406Kmol430418KgN2W量V标VSO2VO15640214Q761340612892Kmol依据已有的生产经验,一般冷激气体是气体总量的16%fc右可以计算出炉气的分配表,见表3-2表3-2炉气的分配比气体进转化器一段炉气/Kmol冷激炉气/Kmol二氧化硫140.7622.52氧气134.0621.45氮气1289.2206.27合计1564.02247.36(2)物料衡算这次设计使用两转两吸方案,转化以“3+1模式分四段进行,第一次转化有三段,第二次转化只有一段.通入转化器的时候,二氧化硫的浓度为9%氧气的浓度为8.6%,

19、第一段转化率为60%第二段为80%第三段为90%第四段也就是最终转化率到达99.5%?第一次转化时：SO2的含量140.7610.656.30Kmol；SO3的含量140.760.684.46Kmol；O2的含量134.0684竺91.83Kmol；2N2的含量1289.2Kmol.?第二次转化时：SO2的含量140.7610.828.15Kmol；SO3的含量140.760.8112.61Kmol；112.61O2的含重134.0677.76Kmol；2N2的含量1289.2Kmol.?第三次转化时：SO2的含量140.7610.914.08Kmol；SO羽含量140.760.9126.68

20、Kmol；O2的含量134.06126.6870.72Kmol；2N2的含量1289.2Kmol.?第四次转化时：SO2的含量140.7610.9950.70Kmol；SO3的含量140.760.995126.680.920.41Kmol；140.06O2的含重134.0664.03Kmol；2N2的含量1289.2Kmol.在第二次吸收时,二次吸收的总吸收率可以到达99.975%.出口气体组成如表3-3所示表3-3出口气体组成成分表气体二氧化硫三氧化硫氧气氮气气里/kmol0.720.4164.031289.2百分比%0.05090.14854.64993.5083.3.3吸收工段的物料衡算

21、1.第一吸收塔所需工艺水及硫酸的量98.3%硫酸去第四转化段N2O2SO2SO3硫酸水溶液工艺水图3-1第一吸收塔物料衡算简图上图为吸收工段第一吸收塔的流程简图,由图可以计算出硫酸和工艺水的用量.(1)硫酸的使用量的计算三氧化硫的总物质的量是转化工段第一、第二、第三阶段的产生的三氧化硫的总和.nSO3总nSO31nSO32nSO3384.46112.61126.68323.75Kmol由反响式SO3H2OH2sO4,那么有:nH2so4产生Hh2o需要nSO3总323.75Kmol那么反响所产生硫酸的质量为31727.5Kg,所需水的质量为5827.5Kg.吸收所需要的浓度为98.3%的硫酸的

22、质量mH2SO43342794.118Kg2198.3%那么第一吸收塔出口处硫酸混合液的质量为m昆mH2SO498.3%叫2SO4产生mH2O消耗34279411831727.55827.536869412Kg(2)工艺水的计算设所需水的量为X,那么由下式98.3%342794.11898.3%31727.5x368694.12解得所需工艺水的量为6376.4Kg02.第二吸收塔所需的硫酸级工艺水的计算98.3%硫酸放六第一,吸收SO2O2N2SO3塔硫酸溶工艺水图3-2第二吸收塔衡算示意图上图为吸收工段第二吸收塔的流程简图,由图可以计算出硫酸和工艺水的用量.(2)硫酸的使用量的计算三氧化硫的

23、总物质的量是转化工段第一四阶段的产生的三氧化硫的总和.批3总03414.64Kmol由反响式SO3H2OH2SO4,那么有：2SO4产生也.需要豆总14.64Kmol那么反响所产生硫酸的质量为1434.72Kg,所需水的质量为263.52Kg.吸收所需要的浓度为98.3%的硫酸的质量mH2SO42著1550176Kg1 98.3%那么第一吸收塔出口处硫酸混合液的质量为m昆mH2sO498.3%mH2sO4产生mH2O消耗15501.1761434.72263.521667296Kg(2)工艺水的计算设所需水的量为x,那么由下式15501.17698.3%1434.7298.3%x16672.9

24、6解得所需工艺水的量为287.75Kg03.3.4物料衡算表上述各个工段的物料衡算见表3-4所示表3-4各个工段的物料衡算汇总表进料出料工段物料名称组成质量或体积物料名称组成质量或体积硫磺燃烧工段硫磺96%4667.42Kg二氧化硫9%140.76Kmol氧气21%274.76Kmol氧气21%134.06Kmol氮气78%1289.2Kmol氮气78%1289.2Kmol转化工段二氧化硫9%140.76Kmol二氧化硫0.051%0.7Kmol氧气21%134.06Kmol三氧化硫0.149%20.41Kmol氮气78%1289.2Kmol氧气4.65%64.03Kmol氮气93.51%12

25、89.2Kmol吸收工段工艺水6376.4Kg硫酸混合液368694.12Kg工艺水287.75Kg硫酸混合液16672.96Kg第四章热量衡算4.1 热量衡算的依据热量衡算主要围绕热力学第一定律来进行,即能量守恒定律.然而在本设计中具体计算中,还需要参照化工热力学中的热力学定律,以及查阅无机化学和化工工艺手册中的物性参数等综合来完成热量衡算.4.2 确定热力学参数本设计中所涉及物质的热力学参数见表3-1所示:表3-1物质的热力学参数一览表物质温度/K2986.657277.17236.7167.82927.3298-296.8-300.1248.239.9298-395.7-371.1256

26、.850.72988.680205.15229.42988.670191.60929.1298-285.83-237.17869.9175.2914.2.2等压热容各个工段的热量衡算可以依据等压热容的定义式(式4-1)计算CpABTCT2DT3(4-1)表4-2参与反响物质的Cp一览表物质ABCD氧气6.713-8.79E-074.17E-06-2.54E-09二氧化硫5.6971.60E-02-1.19E-053.17E-09三氧化硫7.5861.72E-02-1.89E-055.27E-09氮气7.44-3.24E-036.40E-06-2.79E-094.3 计算依据4.3.1 衡算数据

27、在本设计中,焚硫炉所需要的氧气的物质的量为140.02Kmol;转化器所需要的氧气的物质的量为134.06Kmol,由于氧气的来源为空气净化车间,因此在输送氧气时后续工段所需要的氧气都是在净化之后全部先通入焚硫工段.那么氧气的通入量为274.08Kmolo氮气的物质的量一直为1289.2Kmol.进入转化器的三氧化硫的物质的量为140.76Kmol.(注：以上数据都是以一小时为基准)4.3.2 计算过程依据在本设计中涉及到了换热设备,其遵循平衡方程式Q1Q2Q3Q4Q5(4-2)式中：Q1进入设备的物质所带来的热量,Kj;Q2反响过程的热效应,Kj;Q3离开设备的物质所带走的热量,Kj;Q4加

28、热或冷却设备时所消耗的热量,Kj;Q5装置向外界所散失的热量,Kj.4.4 每个工段的热量衡算4.4.1 焚硫工段(1) Q的计算(进入设备的物质所带来的热量)Q1nCpT(4-3)通常用0c作为反响的标准.Cp的计算Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算,经过计算所得到的物质的Cp见表4-3所示：表4-3物质的Cp一览表温度A氧气B氮气140c6.7046.997单位为j/mol?K每种物质所带入的热量的计算Q1A274.086.704140273758859.584KjQib1289.26.9971402733725479.88KjQ1Q1AQ1B758859.5783725479.8

29、84484339.43Kj计算时忽略杂质的Q1.（2） Q的计算反响过程的热效应焚硫工段的过程的热效应为在焚硫炉内的热效应.通常以0c为基准来进行反响过程的热量衡算.在反响过程中难免会有副反响的发生,然而副反响的存在对整个过程的热量衡算来说几乎可以忽略不计.每次都只计算主反响的热量,对于副反响那么忽略.查化学工程手册可以得到在25c时各个物质的生成始见表4-4所示表4-4物质的生成始一览表温度A硫磺B氧气C二氧化硫25C277.070-296.8单位为Kj/mol.由生成始的计算式T2HnCpdT4-4T1焚硫工段所发生的反响为S.2燃烧SQ.那么在140c时硫的生成始为H140.021402

30、523.7381624.51Kj在140c时二氧化硫的生成热为H140.021402539.9642481.77KjQ2HsHSO2381624.54642481.771024106.31Kj（3） Q的计算离开设备的物质所带走的热量在焚硫炉内硫磺与氧气充分燃烧生成二氧化硫,此时还有氮气和氧气的剩余,此反应为放热反响,但焚硫炉内的温度一直保持在140c左右.Q3nCpT4-5通常用0c作为反响的标准.Cp的计算Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算,经过计算所得到的物质的Cp见表4-5所示:表4-5物质的Cp一览表温度A氧气B二氧化硫C氮气140c6.70410.5076.997单位为j/

31、mol?K各物质的Q的计算Q3a140.026.704140273387680.655KjQ3b140.7610.507140273610812.677KjQ3c1289.26.9971402733725479.88KjQ3Q3AQ3bQ3c387680.6553725479.88610812.6774723973.21Kj其中杂质的Q忽略不计.（4） Q4Q5的计算QiQ2Q3Q4Q5Q4Q5QiQ2Q3(4-6)由式4-6可以计算Q4Q5的值为3485846.1Kj.（5） .2转化工段的计算转化工段的反响式为SO2.2催化剂SO3（1） Q1的计算(进入设备的物质所带来的热量)QinCp

32、T(4-7)通常用0c作为反响的标准.Cp的计算Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算,经过计算所得到的物质的Cp见表4-3所示：表4-6物质的Cp一览表温度A氧气B氮气C二氧化硫430c6.7147.3567.356单位为j/mol?K每种物质所带入的热量的计算Qia274.086.7144302731293641.7KjQ1B1289.27.9984302736666798.7KjQic140.767.98943027379045.74KjQ1Q1AQ1BQ1c8750977.14Kj计算时忽略杂质的Q1.（2） Q2的计算反响过程的热效应转化工段的过程的热效应为在转化塔内的热效应.通

33、常以0c为基准来进行反响过程的热量衡算.在反响过程中难免会有副反响的发生,然而副反响的存在对整个过程的热量衡算来说几乎可以忽略不计.每次都只计算主反响的热量,对于副反响那么忽略.查化学工程手册可以得到在25c时各个物质的生成始见表4-7所示表4-8物质的生成始一览表温度A二氧化硫B氧气C三氧化硫25C-296.80-395.7单位为Kj/mol.由生成始的计算式T2HnCpdT4-8T1那么在430c时二氧化硫的生成始为H140.764302539.92274611.22Kj在430c时二氧化硫的生成热为H140.764302550.72890295.46KjQ2HSO3HSC25164906

34、.68Kj（3） Q3的计算离开设备的物质所带走的热量在焚硫炉内二氧化硫催化氧化为三氧化硫,此时还有氮气和氧气的剩余,此反响为放热反响,但焚硫炉内的温度一直保持在430c左右.Q3nCpT4-9通常用0c作为反响的标准.Cp的计算Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算,经过计算所得到的物质的Cp见表4-5所示:温度A氧气B二氧化硫C氮气D三氧化硫430c6.7147.9897.35612.152表4-9物质的Cp一览表单位为j/mol?K各物质的Q的计算Q3a64.036.714430273302217.886KjQ3b0.77.9894302733931.387KjQ3c1289.27.

35、3564302736666798.71KjQ3d140.7612.1524302731202497.41KjQ3Q3aQ3bQ3cQ3d8175445.39Kj其中杂质的Q忽略不计.（4） Q4Q5的计算Q1Q2Q3Q4Q5Q4Q5Q1Q2Q3(4-10)由式4-10可以计算Q4Q5的值为5740438.43Kj.（5） .3吸收工段的热量衡算吸收工段的反响式为nSO3H2OH2SO4n1SO3Q1Qi的计算进入设备的物质所带来的热量Q1nCpT4-11通常用0c作为反响的标准.Cp的计算Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算,经过计算所得到的物质的Cp见表4-11所示：表4-11物质的C

36、p一览表温度A氧气B二氧化硫C氮气D三氧化硫150C6.71310.5857.00411.874单位为j/mol?K每种物质所带入的热量的计算Q1A70.726.713150273202112.441KjQ1B123.6810.585150273567203.999KjQ1C1289.27.0041502733819502.53KjQid126.6811.874150273636275.889KjQiQiaQibQiCQiD5223798.86Kj计算时忽略杂质的Q1.2Q2的计算反响过程的热效应Q2nfH4-12由式4-12可得吸收工段的热效应为Q288126.6814.64Kj14193.

37、23Kj（3） Q3的计算离开设备的物质所带走的热量在吸收塔内三氧化硫被硫酸吸收生成硫酸产品,此时还有氮气和氧气的剩余,此反应为放热反响,但焚硫炉内的温度一直保持在150c左右.Q3nCpT4-13通常用0c作为反响的标准.Cp的计算Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算,经过计算所得到的物质的Cp见表4-12所示：表4-12物质的Cp一览表温度A氧气B二氧化硫C氮气D三氧化硫150C6.71310.5857.00411.874单位为j/mol?K各物质的Q的计算Q3A64.386.713150273182813.38KjQ3b0.710.5851502733133.92KjQ3c1289

38、.27.0041502733819502.53KjQ3d14.6411.87415027373532.36Kj其中杂质的Q忽略不计.（4） Q4Q5的计算Q1Q2Q3Q4Q5Q4Q5Q1Q2Q3(4-10)由式4-10可以计算Q4Q5的值为1159009.9Kj第五章主要设备的设计与选型在以硫磺为原料生产硫酸的装置中,焚硫和转化是最为重要的关键流程.虽然现有的生产技术和运行装置都相比照拟先进,然而当在实际的工业化生产中更加需要进一步的技术革新,同时更加应该与时俱进,时刻遵循“环境保护和“节能减排这两大主旨.在本次设计中,重点对焚硫转化工段中的主要设备进行详细阐述,这样可以更加直接、方便的指导硫

39、酸的实际生产.5.1 熔硫工段包括原料准备工段空气净化工段的主要设备有空气鼓风机,熔硫工段的主要配备有输送机、熔硫槽、过滤助虑槽、液体硫磺过滤器、液硫贮槽、精硫槽、硫磺泵等,主题管道采用夹套管.以下对主要的设备进行简述.5.1.1 空气鼓风机空气鼓风机是以硫磺生产硫酸的比拟关键的设备之一,其运行是否良好直接关系到此工艺的稳定性和连续性,也是开车阶段最为重要的限制部位.评价一台鼓风机的性能是否良好,除了要看它是否满足工艺条件,还要综合其是否能长期运行和有良好的操作弹性,另外还需考虑其本钱低、噪声小等因素.大型鼓风机主要有离心式和轴流式两种类型.由于轴流式鼓风机的结构相对复杂,造价、安装本钱较高,

40、因而在国外生产硫酸的装置中一般采用离心式空气鼓风机.空气鼓风机的驱动方式有电驱动和蒸汽驱动两种方式.蒸汽驱动使用的设备是背压式蒸汽透平直接驱动鼓风机,蒸汽是用设备在运行时附带产生的中压过热蒸汽.优点是直接利用了一局部生产装置所产生的蒸汽,使得另一部分的蒸汽送入发电系统进行发电,这样减少发电机组的负荷和整个硫酸生产装置的用电负荷.虽然蒸汽驱动方式的装置本钱比电驱动方式的本钱高,但是综合总的投资效益,这种方式的选择是合理的.5.1.2 液体硫磺泵在熔硫工段的设备中,液体硫磺的输送拟选用屏蔽泵.熔融态的硫磺输送时温度在140c左右,为了不产生主轴密封渗油现象,采用屏蔽泵型式.5.1.3 液体硫磺过滤

41、器本次设计使用卧式叶片液体硫磺过滤器.熔融态的硫磺中掺杂硅藻土一起进入卧式叶片过滤器,在叶片过滤网外表上形成硅藻土滤饼层,到达标准的液体硫磺在叶片框架内流动,最后一起输出.每次在一定时间清理硅藻土滤饼层时,在顶盖配备的自动液压将顶盖翻开,叶片框架直接能移出设备的外面,当在处理滤饼的时候,清理完毕后,自动放进设备和顶盖关闭.该设备具有结构紧凑,过滤效果好的优点.5.2 焚硫转化工段焚硫转化工段的主要设备有焚硫炉、热力设备主要包括过滤器、废热锅炉、省煤器等、转化塔、热热换热器、冷热换热器.主题管道是用来输送气体,大局部管道是钢板现场卷制或是直接购置的螺旋管.本次设计的焚硫炉内部要配备耐火砖,换热器

42、、热力设备、转化器和管道都需要保温.5.2.1 焚硫炉硫磺和空气燃烧的反响速率较快,焚硫炉的结构相比照拟简单,本设计使用卧式焚硫炉.用的最多的是喷雾焚硫炉.焚硫炉的构造为最外层设置钢壳,里面配备有二层隔热砖,二层耐火砖.炉内的硫磺喷枪使用高压喷嘴型式,增设空气导流装置用以增强雾化效果.进口枯燥空气和雾化后液体硫磺同方向进入焚硫炉炉内,炉子中部设有二次空气以便燃烧更加充分.炉体上部设有遮雨棚,预防热量的散失,支座为鞍式支座,设有固定支座和活动支座.图5-1焚硫炉的结构示意图焚硫炉的燃烧水平的弹性较大,一般限制在12.5之间.在实际生产过程中,由经验可得,容积为1m3的焚硫炉,大概能够每天能够燃烧

43、1t左右的硫磺,可以用来生产3t的硫酸.燃烧水平较高的焚硫炉一天可以燃烧2t的硫磺.但一般的规律显示,大型炉水平偏大,小型炉的水平偏小.主要原因是炉体内气速和雾化情况不同造成的.5.2.2 转化塔转化塔是保证二氧化硫催化氧化为三氧化硫的核心设备.转化塔长期在高温环境下作业,还要处理腐蚀性气体在转化塔的各个阶段温度的不同所产生的不同膨胀热应力.在各个转化阶段绝对不能允许有毒气体的逸出,另外还要满足最终的生产要求而到达一定的转化率.因此,转化塔需要综合各个因素来选择.目前转化塔在结构上有中央筒式结构和积木式结构两种形式.中央筒式结构转化塔中设置两个同心立式圆筒,内部直接使用中央管,既可以支撑隔板和

44、催化剂的重量,又可以作为局部反响的气体通道.积木式结构转化塔平地球冠盖立式回筒形容器,内部结构为自下而上的假设干支撑柱和桩柱支撑隔板和格栅.以上两种形式的转化塔在国内大型制酸装置中都有所应用.图5-2转化塔的结构示意图在转化反响中,因在每一转化阶段需保持适宜的温度,所以需要在反响时设置换热设备来及时移走热量使得反响顺利进行.通常采用两种方法来到达换热的目的一种是绝热操作,这是通常普遍采用的方法.另外一种是恒温操作,该方法受到反响设备体积的限制通常采用的较少.5.2.3 废热锅炉废热锅炉也是硫酸生产装置中最为重要的设备之一,有时锅炉发生故障是导致开车不顺利的重要原因,因而性能良好的锅炉是硫酸生产

45、工艺长期、平安运行的必要条件.硫磺生产硫酸装置中废热锅炉有两种形式,一种是火管锅炉,另外一种是水管锅炉.这两种形式的锅炉在国内形成成熟的设计经验.在国内的硫磺生产硫酸装置中,大多采用火管锅炉.火管锅炉具有无炉气滞留区、气流分布均匀、能过承受较高的气体压力、不易发生局部腐蚀、平安可靠.火管锅炉的管板采用绕性管板用以吸收火管的热膨胀,为了减小管板和火管的焊缝应力,在前管板增设特殊材料加以保护.为了降低管板两侧的温差应力,可以采用特殊管套加以保护.为了保证焊缝的可靠性,可以采用特殊的焊接形式.废热锅炉有双锅壳单汽包和单锅壳单汽包两种形式,双锅壳单汽包造价高、占地较大,并且对烟气的限制要求较高.因此一

46、般选用单锅壳单汽包废热锅炉.因焚硫炉出口炉气的温度较高.用来降低进入转化器一段的气体温度的高温调控阀和高温副线都需要内衬,而在实际生产过程中因温度较高其损耗也较严重.此时可以将焚硫炉的出口和废热锅炉的进口直接连接,把废热锅炉直接分为两段式,转化器一段的高温副线在废热锅炉的两端引出,此时阀门和管道的温度易于限制,选用普通阀门和不锈钢管段就能满足生产要求.图5-3第一废热锅炉水管废热锅炉结构图图5-4第二废热锅炉低温过热器结构图5.2.5 过热器一般在转化器一段炉气出口设置高温过热器,由于炉气的温度较高,那么应考虑高温热应力的影响.在硫磺生产硫酸装置中,高温过热器有立式内支撑不锈钢结构和卧式悬吊管

47、内衬结构.卧式悬吊管内衬结构的过热器,炉气进口与转化器的出口直接相连,底部配备有固定支座.立式内支撑不锈钢结构的过热器设置为垂直烟道横向冲刷式,外形为箱式结构,烟道流向是侧进上出.过热器本身包括外壳、中温过热管束、高温过热管束、喷水降温器和支座组成.将水平支撑蛇形螺旋翅片管结构作为过热器的受热面,蒸汽的流向为上进下出,正好与烟道气逆流换热,过热器的管束安装在其内部的管板上,可以自由膨胀.高温过热器在进口前烟道管道上设置有喷水降温器,可以调节过热蒸汽的温度,喷水采用锅炉给水,这种结构的过热器平安可靠、占地小.省煤器、高温过热器和低温过热器的换热管和焊缝,既需要进行100%勺超声波探伤,还需要有1

48、00%勺涡流探伤检验.5.3 干吸工段5.3.1 干吸塔高效干吸塔系统是将高效填料塔、高效除雾器、高效分酸器、填料支承结构形式与塔的尺寸、喷淋酸的喷淋密度等因素统一考虑,优势互补,从而形成高效率、高强度吸收塔.用以到达最终的工艺要求.般使用干吸塔属于塔结构的范畴,塔体采用立式圆筒型结构,碳钢内衬耐酸砖,高铝制耐酸瓷填料支撑结构,有的那么采用高开孔率、大跨度的耐酸高铝瓷条梁干吸塔一般采用进口网垫式或国产抽屉式金属丝除雾器.第一吸收塔的酸的温度高、颗粒较小、雾量大,为了预防后面的换热设备不被损耗,可采用高效纤维除雾器,在第二吸收塔为了使尾气能够到达国家标准,也采用高效纤维除雾器.图5-6干吸塔的结

49、构示意图5.4 焚硫炉的设计和计算5.4.1 焚硫炉的根本性能包括：(1)耐高温,能保证炉膛内有足够高的热强度；(2)雾化效果较好；(3)隔热效果较好,能保证焚硫炉的外侧温度低于60C；(4)耐腐蚀性能良好,不易堵塞；(5)消耗材料较少,制造与安装方便.5.4.2 焚硫炉的设计根底本设计采用卧式喷雾式焚硫炉,炉体的大体结构都比拟简单,只有喷嘴的结构相对较复杂.由于本设计在焚硫炉之前还设有鼓风机,那么喷嘴选用低压喷嘴即可到达生产要求.图5-7是焚硫炉的设计简图.图5-7焚硫炉的设计简图5.4.3 焚硫炉的设计要求表5-1焚硫炉的主要工艺参数和特性炉膛操作温度/c炉膛操作压力/kPa雾化方式101

50、4140机械雾化2.32空气流量/空气温度/c液流温度/c设备外壳温度/c35034103.5140<605.4.4 焚硫炉主体尺寸计算5.4.4.1 炉膛容积焚硫炉的炉膛容积,依照总的有效容积来计算,由式5-1所示;Q,、V(5-1)q式中:V焚硫炉的炉膛容积,吊Q焚硫炉的有效热量,Kj/h;q炉膛容积热强度,Kj/(m3h)5.4.3.2 容积热强度当焚硫炉的炉膛容积一定时,炉膛容积热强度越高,焚硫炉的生产水平越大.但生产水平过大会使炉膛温度超过正常的范围,在操作上产生不利因素.如表5-2所示表5-2焚硫炉的容积热强度炉型容积热强度喷嘴形式卧式293000377000低压喷嘴卧式24

51、0000380000低压喷嘴卧式(古巴毛阿馍厂)515000机械喷嘴卧式(日本三井)670000机械喷嘴5.4.3.2硫磺燃烧时的热效应硫磺在焚硫炉内的燃烧过程中,先是液态硫磺蒸发,空气与硫磺蒸气混合,气流中氧气与硫磺发生反响,产生二氧化硫之后向外逸出,该反响是放热反响.由热对流和热辐射向硫磺传热,使得硫磺继续蒸发从而开始反响.液态硫磺在周围的燃烧反响速率是以硫磺的蒸发速率为主要的限制因素的.采用提升雾化质量、增大液态硫磺的蒸发外表积、增强空气的湍流程度、提升空气的温度等都可以加速液态硫磺的蒸发速度.对改善和提升硫磺的燃烧速率起到重要作用.硫磺燃烧的热效应是焚硫炉的有效热量,硫磺与氧气燃烧的反

52、响式为S正交硫.2SO2H(5-2)QG?H(5-3)式中：Q-液流消耗量,Kg/h;H硫磺的燃烧热,9282Kj/Kg;5.4.3.4 焚硫炉炉膛的容积由第三章物料衡算的结果可知,硫磺的消耗量为G=4667.42Kg/h,那么由式6-3可得：QG?H4667.42928243322992.4Kj/h本设计选用低压喷嘴,查表5-2可得炉膛的容积带入式5-1可得炉膛容积按式5-1可以计算炉膛容积V,热强度取q=322500Kj/m3h,将Qq43322992.43134.33m3225005.4.3.4焚硫炉的长度和直径焚硫炉的长度和直径内径的比值是由焚硫炉的炉型和喷嘴的型式决定,算出焚硫炉的有

53、效容积后,根据所选定的炉型和喷嘴型式来决定焚硫炉的长径比.常见的几种焚硫炉的长径比见表5-2所示：表5-2常见的几种焚硫炉的长径比炉型长径比L/D备注卧式3.24低压喷嘴卧式美国1.52.5低压喷嘴卧式古巴毛阿馍厂2.75机械喷嘴卧式日本三井2.8机械喷嘴卧式及立式蓄热型0.80.9硫化氢燃烧炉由上表选择本设计的长径比为L/D=3.6,那么由炉膛容积V,可由-D2?LV带入数据解得D=3.6m,L=12.96mo5.4.3.5 进气和出气孔径的计算炉气和枯燥空气的流速依据20m/s计算,有物料衡算的数据可知,焚硫炉的进气量为9.73m3/s,出气量为33.65m7s.由此可得进气口的截面积§GUi9.7320.49m20进气口的直径d1,4S140.49八0.79m3.14出气口的截面积S2-U233,6521.68m220出气口的直径d2,恪.4681.46m23.145.4.3.6 二次风进口口径在低负荷操作条件下,炉膛的温度较低,此时燃烧不够充分,反响时间延长.设置二次风的作用是能够向焚硫炉中补充氧气,并且能够将火焰向炉头方向压缩,促使燃烧反响完全,使得液态硫磺不会剩余.此时,炉口温度高于炉膛温度,调节二次风的流量可以起到降温