毕业论文：年产1万吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3合成工段初步设计

齐齐哈尔大学毕业设计摘要本设计是关于年产1万吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3合成工段初步设计。十二烷基苯磺酸钠是目前使用最为广泛的洗涤类表面活性剂，而三氧化硫是合成十二烷基苯磺酸钠的重要原料，同时三氧化硫是重要的化工原料，应用广泛。根据设计任务查阅了大量文献，并结合毕业实习工厂的实际生产要求，对SO3合成工段进行了初步的设计。本设计是十二烷基苯磺酸钠生产中的一部分，根据设计要求进行了厂址选择和生产制度制定，在对现有工艺路线进行详细对比的基础上，确定了以硫磺为原料生产SO3的工艺路线，着重对SO3转化塔、SO3冷却器进行了初步设计，并围绕其进行了物料衡算、热量衡算和设备计算，并对设备进行了选型。对SO3合成工段的自动控制，生产安全，环境保护，三废处理，供电，供水等配套设施等进行了设计。编制了年产1万吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3合成工段初步设计的设计说明书，完成了工艺流程图、车间平立面布置图及主体设备装配图的绘制。关键词：硫；SO3；合成工段；初步设计；AbstractThedesignisaboutapreliminarydesignsectionofanannualoutputof10,000tonstwelvealkylbenzenesulfonateSO3synthesisworkshop.Sulfurtrioxideisanimportantchemicalrawmaterial,widelyused.Sulfonationofthedesignispartoftheproduction,focusingontheSO3conversiontower,SO3coolertocarryoutapreliminarydesignandcarriedoutarounditssimplematerialbalanceandheatbalance,andequipmentselection.Finally,inaccordancewithdesignrequirementsbasedonthedesignissues,siteselection,designandproduction-scalesystem,rawmaterialsandproductspecifications,processtodetermineroutes,auxiliaryequipmentselection,floorautomation,productionsafety,environmentalprotection,wastedisposal,powersupply，watersupplyandothersupportingfacilitiessuchasthedesign.TheultimateprocessmapwasCompleted,shop-pingfacadeandthemainequipmentlayoutweredrawingassembly.Keywords:Sulfur;SO3;worksection;PreliminaryDesign;目录摘要 ⅠAbstract Ⅱ第1章总论 11.1概述 11.1.1选题的意义及作用 11.1.2国内外研究现状及发展前景 11.2设计依据 21.3厂址选择 21.3.1厂址选择的原则 21.3.2方案比较 2设计规模和生产制度 3设计规模 3生产制度 3综合经济分析 3原料特点 41.5.2原料规格 4原料贮存、运输及安全性资料 4产品规格 4综合经济技术指标 4第2章工艺计算与设计 52.1SO3合成反应的原理及特点 62.2工艺路线的选择 7工艺流程概述 7工艺流程示意图 8物料衡算 8.1物料衡算的意义和作用 82.物料衡算 9热量衡算 9热量衡算的意义 10热量衡算的步骤 14第3章设备选型 183.1选型原则 18关键设备选择 18第4章设备一览表 25第5章车间设备布置设计 25车间设备的布置原则 25设计要求 25车间设备平面布置的原则 26车间设备立面图布置原则 26第6章自动控制 27主要的控制原理 27自控水平与控制点 27第7章安全及环境保护 28三废产生情况 28三废处理情况 28第8章公用工程 29供水及排水工程设计 29生产、生活给排水设计 29消防水系统 29节水措施 298.2供电 30照明供电 30照明控制方式 308.3通风 318.4供暖 31结束语 32参考文献 33结束语 34第1章总论概述选题的意义及作用十二烷基苯磺酸钠因生产成本低、性能好，因而用途广泛，是家用洗涤剂用量最大的合成表面活性剂，也生产一部分镁、钙等无机盐及三乙醇胺等有机胺盐。十二烷基苯磺酸钠，由直链烷基苯（LAB）用三氧化硫或发烟硫酸磺化生成烷基磺酸，再中和制成。而三氧化硫是一种十分重要的精细化工初级产品，广泛用于有机合成中，可制备各种磺酸及磺酸盐，也可直接接磺化有机产品，引入磺酸基。因此三氧化硫在这一领域有着广泛的应用和广阔的市场。90年代至今是三氧化硫磺化装置引进和国内开发同步发展的时代，三氧化硫磺化技术也从洗涤剂行业向石油、化工等行业扩展[1]。国内外研究现状及发展前景三氧化硫的工业化生产方法主要有发烟硫酸蒸馏冷凝法和纯二氧化硫、纯氧直接高温催化转化法，烟道气提纯法，硫酸尾气处理法。发烟硫酸蒸馏冷凝法：加热发烟硫酸，将溶解的三氧化硫，蒸发解吸收三氧化硫，制得气体，经冷凝得液体三氧化硫[2]。烟道气提纯法：将起始二氧化硫浓度为50%～60%的混合烟气用空气稀释到12%进入转化系统,采用“3+1”两转两吸流程制酸,Topse与Chemetics公司合作开发了采用含铯催化剂的“4+2”两转两吸流程以加工二氧化硫浓度为40%用空气稀释到18%的烟气。传统的三氧化硫生产工艺中，二氧化硫的催化氧化采用的是钒系催化剂，反应温度在300—450℃。由于二氧化硫的氧化是可逆、放热反应，通常采用多段绝热中间冷却工艺，以提高总的转化率，这显然增加了转化工序的复杂程度；同时，低浓度二氧化硫气体较难实现转化的自热平衡，增加了制酸难度。由于钒系催化剂的时空收率不高，催化剂和反应器的投资相对较高[3]。随着绿色化学和化工的发展，人们对采用新的催化剂在低温下催化氧化二氧化硫工艺进行了研究，新工艺主要是处理烟道气、硫酸厂尾气、锅炉排放气中的低浓度二氧化硫。中科院山西煤化所、大连化物所对活性焦吸附氧化法脱除烟道气中的二氧化硫工艺进行了研究。加拿大waterloo大学对活性炭催化剂低温催化氧化二氧化硫新工艺进行了研究[4]。在这次设计中主要完成了该设计内容在国内外的相关研究现状，主要拟采用的方法，并对之进行了相关的比较，选择了本设计中拟采用的方法，在设计过程中队厂址选择进行了相关的选择调研和分析，依旧相关要求完成了厂址的选择，并进行了物料衡算，热量衡算，设备计算，并进行了设备的选型，还对车间的布置进行了相应设计，在公用工程以及三废的处理上结合本次设计的世界情况进行了相关的考量和设计。设计依据本次设计是按照齐齐哈尔大学化学工程与工艺专业下达的《毕业设计任务书》和《齐齐哈尔大学本科生毕业设计（论文）工作手册》，根据在大庆东昊表活剂分公司毕业实习时的所见、所听、通过自己的思考和总结，查阅了大量的中外文资料，充分利用网络资源，了解到国内外氨合成的发展状况及其发展趋势，经过反复论证分析之后而完成的。厂址选择厂址选择的原则一般要求符合城市规划或工业区域规划；尽可能节约占地面积，少占或不占良田﹑耕地；企业生产所需的资源能够落实，原料﹑燃料及辅助材料的供应经济合理；有充足可靠的水源和电源；交通运输条件比较方便﹑经济，不污染环境，不破坏文物古迹，不妨碍文化﹑旅游及其他精神文明建设；对拟建项目留有适当发展馀地。地质条件较好，施工难度小，建设投资省；项目建成投产後，经济效益良好。正确的选择厂址是保障化工生产的重要前提。化工厂的选择应根据城市规划和工业区的要求，按经批准的设计计划任务书指定的地理位置选择厂址。选择厂址应综合分析与权衡厂址的地形条件以及有关的自然和经济资料，进行多方案的技术经济、安全可行性的比较，合理选择，作到安全可靠。以下是厂址选择的基本原则[5]：①土地面积与外形，能满足根据生产工艺流程特点合理布置建筑物、构筑物的需要，即厂区总图的要求。②地形应力求平坦而略有坡度(一般以不超过千分之五至十为宜)，以减少土地平整的土方工程量，有利于厂区排水和运输。③有良好的工程地质条件，厂址不应设在有滑坡、断层、泥石流、岩溶、地下水位过高，有强烈地震以及地基上承载力低于的地区。④应尽可能接近水源地，并便于污水的排放和处理。⑤应靠近主要原料燃料的供应源，靠近动力供应中心，并有利于和有关联企业的协作。方案比较根据以上原则和依据，本设计厂址初步拟定大庆高新技术产业开发区。大庆高新区于1992年4月动工建设，同年11月被国务院批准为国家级高新区。城区功能较为完善。共开发建设了平方公里，建筑面积达913万平方米。新城区集产业功能与城市功能于一体，道路、给水、排水、供热、供电、供汽、通讯等基础设施实现了“七通一平”，具备了承载“大高外”项目的条件。大庆高新区主体区与大庆市东城区连接在一起，成为大庆市中心城的重要部分，全市最大的金融商贸中心和农产品批发市场、家具市场、医院、建筑装饰材料市场等生产要素市场建在高新区内，辖区实现了净化、绿化、亮化、美化，道路畅通。一个融产业发展、创新孵化、商业贸易、科研教育、医疗卫生、居住生活、休闲娱乐等多功能为一体的科技产业新区已具有一定规模[6]。表1-1黑龙江大庆市基本自然条件一览表序号名称指标1地理条件处于平原，海拔米2水文嫩江、松花江3极端最高气温℃4极端最低气温-4056年平均气压年平均相对湿度0.098Mpa％78年平均降雨量雷暴日440mm天/年910最大积雪深度基本雪压60mm0.30kN/m211最大冻土深度1861213全年主导风向平均风速西北风m/s设计规模和生产制度1.3.1设计规模以硫磺为原料年产10000吨的十二烷基苯磺酸钠SO2合成的初步设计，年开工天数300天，即开工7200小时每年。1.3.2生产制度三班两倒同时要求员工要树立“安全第一”的思想，自觉接受安全教育，学习安全知识，提高技术水平，保证生产的安全性。生产中要严格执行安全操作规程，避免各类事故发生。要严格按照工艺要求进行操作，并按规定对设备，管道，现场指示仪表进行巡回检查，以便及时发现安全隐患并处理。生产岗位员工必须按规定穿戴劳动保护用品。车间安全员工要切实履行职责，随时检查安全生产制度，落实情况，制止违章操作和冒险作业。电器和机械设备故障应有专业人员排除，非专业人员严禁自己动手处理。厂区内原则上禁止动用明火，需要动火时要请示领导并做好安全工作[7]。原料规格及特点1.4.1原料特点本设计采用硫磺为原料。通过硫磺燃烧生成SO2。在许多工业过程中也会产生二氧化硫。主要应用于杀虫剂、制冷剂、试剂、溶剂、杀菌剂、漂白剂和还原剂、硫酸的前体等。同时，SO2对人体具有毒性，在大气中，二氧化硫会氧化而成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，是环境酸化的重要前驱物。大气中二氧化硫浓度在m以上对人体已有潜在影响；在1~3ppm时多数人开始感到刺激；当大气中二氧化硫浓度为m，烟尘浓度大于mg/m3时，可使呼吸道疾病发病率增高，慢性病患者的病情迅速恶化[8]。1.4.2原料规格硫磺的含量在99.99%左右，从燃硫炉出来的炉气大约为700℃，SO2体积比为7%。表1-2原料规格一览表固体硫磺空气温度含量（V/V，%）99.999%93%7001.4.3原料贮存、运输及安全性资料硫化物属于危险品，运输和贮存均应考虑其特性。铁路运输时应严格按照铁道部《危险货物运输规则》中的危险货物配装表进行配装。采用钢瓶运输时必须戴好钢瓶上的安全帽。钢瓶一般平放，并应将瓶口朝同一方向不可交叉；高度不得超过车辆的防护栏板，并用三角木垫卡牢。严禁与易燃物或可燃物、氧化剂、还原剂、食用化学品等混装混运。1.4.4产品规格液硫在燃烧炉中燃烧生成SO2后，进入转化塔，经过四层催化剂的转化，转化率最后达到97%，出来的SO3和剩余的SO2进入冷却器冷却。表1-3进入转化塔产品规格气体SO2空气SO3含量（体积比，%）7930综合经济技术指标技术经济是人类社会进行物质生产过程是不可以缺少的两方面，任何技术的社会实践都离不开经济；而任何技术的好坏与否，脱离了经济效益的标准都是无法判断的。技术经济是技术生产方面的经济问题，技术经济分析是对不同技术政策、技术方案、技术措施进行经济效果的评定、论证和预测，力求技术上先进和经济上合理相结合，为确定对发展最有利的技术提供科学依据和最佳方案，也是技术经济分析的基本任务。起根本目的就是是每一项工程，每一个企业都用尽量少的物质消耗生产出更多符合社会需求的合格产品，取得最大的使用价值，从而实现最大经济效益。对建设1万吨十二烷基苯磺酸钠装置的建厂指标进行了估算，其原料、公用工程需用量如下：表1-5经济指标一览表项目指标价格十二烷基苯磺酸钠t硫磺t/h电kW·h汽t／h100002100160010721596200第2章工艺计算与设计SO3合成反应的原理及特点反应原理：S+O2→SO22SO2+O硫磺先经融硫炉熔融，然后液硫经气化同空气中的氧气反应生成SO2。硫的气化是利用另一部分硫的燃烧放出的热来完成的。硫蒸汽再和空气混合，使氧化反应趋于完全。SO3的工业制法是接触法。SO2在400至600℃的温度下，用负载在硅藻土上的含氧化钾或硫酸钾（助催剂）的五氧化二钒作为催化剂，将二氧化硫用氧气氧化为三氧化硫。该反应的特点是：反应放热量大，反应迅速，转化率高。反应特点：反应迅速，转化率高。放热反应，反应放出大量的热。可逆反应，故压力对反应速率有影响。需要控制压力变化。2.1.1磺化工艺中SO3合成磺化装置的转化塔装有4层V2O5催化剂。从燃硫炉出来的混合气体(SO2约占气体总体积的7％)大约650℃左右，经过转化塔的顶端被冷却到435℃，原料气进入第一层催化剂床层后，SO2在催化剂的作用下大部分转化为SO3，转化率可达到％由于反应是放热反应，混合气体的温度升高到560℃，一般控制温度不超过600℃。温度升高虽可提高反应速度，但平衡转化率将会降低，同时温度过高也会降低催化剂的使用寿命和催化活性[9]。在第一床层和第二床层之间的反应气体通过换热器冷却，温度降至445℃，该温度即第二层催化剂的入口温度。通常换热器用冷空气作为冷却介质来冷却来自第一床层出口的气体。反应后混合气体的温度由445℃升高至℃，SO2的转化率达到9％。由于经过第二床层反应后的温升相对较小，同时炉气中的氧含量也逐渐降低，因此在第二床层与第三床层间利用冷激风冷却同时提高氧含量，促使反应过程向产物方向发展。温度由7℃冷却到440℃后，进入第三层催化剂[10]。反应后的混合气体的温度升高至3℃，此时SO2的转化率达到97.5％。在第三床层与第四床层间同样补充干燥的空气进行冷却，冷却到425℃后，进入第四层催化剂，SO2的转化率达98％。反应后的混合气体的温度升高至℃。该热量有多种用途：可用于11单元的硅胶(或分子筛)干燥剂的再生，也可以用来发生蒸汽或在合成洗涤剂厂用于合成洗衣粉装置干燥的热风。2.1.2工艺路线的选择①发烟硫酸蒸馏冷凝法加热发烟硫酸，将溶解的三氧化硫，蒸发解吸收三氧化硫，制得气体，经冷凝得液体三氧化硫[11]。②PEA工艺PEAProcessEngineeringAssociates公司推出了一种两段式硫酸生产工艺[12],其特点是SO2排放几乎为零。该工艺也可处理浓度低、波动大的SO2该工艺分两段：第一段是接触段，SO2气体冷却净化后在一单层催化转化器中转化,转化率65%～70%,可生产HSO95%～98%的硫酸、SO32%的发烟酸，剩余气体进入第二段;第二段是一种游离改进NO工艺即以前的铅室法或塔式法工艺，SO在此几乎完全转化，生成HSO76%的硫酸[13]。该工艺与标准两转两吸工艺相比具有压力损失小，产量高,酸纯度高的优点。③高浓度二氧化硫烟气转化的三转三吸随着富氧冶炼技术的迅猛发展，人们对高浓度二氧化硫气体制酸方法进行了研究。1991年建成的国外某铜冶炼厂将起始二氧化硫浓度为50%～60%的混合烟气用空气稀释到12%进入转化系统,采用“3+1”两转两吸流程制酸，Topse与Chemetics公司合作开发了采用含铯催化剂的“4+2”两转两吸流程以加工二氧化硫浓度为40%用空气稀释到18%的烟气[14]。然后对烟气采用吸附利用的方法进行收集进行制酸。随着绿色化学和化工的发展，人们对采用新的催化剂在低温下催化氧化二氧化硫新工艺进行了研究，新工艺主要是处理烟道气、硫酸厂尾气、锅炉排放气中的低浓度二氧化硫。中科院山西煤化所、大连化物所对活性焦吸附氧化法脱除烟道气中的二氧化硫工艺进行了研究。加拿大waterloo大学对活性炭催化剂低温催化氧化二氧化硫新工艺进行了研究。工艺流程概述将片状硫磺倒入融硫槽，利用夹套蒸汽加热融化（130～150℃），液体硫磺通过液硫输送泵经过滤器送到液硫恒位槽中，液硫恒位槽中的液硫通过过滤器，防止泵和阀的结渣堵塞，然后由液下泵经流量计计量送入硫磺燃烧炉中。融化的硫磺与燃烧空气逆向进入燃烧炉中，然后落在耐火球上，燃硫率接近100%。从燃烧器中出来的SO2气体温度在700℃左右，体积浓度大约为7%（V/V）。在到达SO2/SO3转化器的催化剂层前，SO3气体通过内置冷却器被冷却到约420℃。塔内装有四层五氧化二钒催化剂。借助安装在第一与第二层催化剂之间的中间冷却器，以及在其它层之间注入骤冷空气，可将反应温度控制在最佳温度范围内。转化塔出口SO2气转化率约为97%，操作温度420℃~450℃。通过两台串联的冷却器将SO3/空气（SO3和空气的混合气体）约420℃冷却到45℃左右工艺流程示意图该图为工艺流程示意图图2-1工艺流程图物料衡算2.5.1物料衡算的意义和作用物料衡算是通过每一道工序的物料变化情况进行平衡计算，从而得到在正常生产情况下各股物料的量。通过物料平衡，在已知产品生产任务情况下算出所需原材料、生成的副产物及废物等的生成量；或者在已知原材料投放情况下算出产品、副产物及废物量。此外，通过物料衡算，不仅可算出原材料消耗定额，并在此基础上作出能量平衡，算出动能消耗定额，算出生产过程所需热量或冷量，同时为设备选型和计算提供依据[16]。物料衡算的结果直接关系到生产成本和车间运输量，对工厂技术经济指标有举足轻重的影响。2.5.2物料衡算年产10000吨十二烷基苯磺酸钠：M=g磺化转化率为99.9%，生产过程中计有2%的损失，生产过程中十二烷基苯和三氧化硫的。则可计算年需要的三氧化硫量为3.078×107molSO2在转化塔内反应生成SO3转化率为97%计损耗为0.5%进入转化塔时SO2的气浓为7%（V/V）通过以上的转化率可以算出实际情况的全年物料的消耗量n(SO2)=3.198×107moln(O2)=1.594×107mol①燃硫炉计算S在燃硫炉内燃烧生成SO2转化率大于99.9%损耗为0.5%则有S消耗为3.205×107molO2消耗为3.205×107mol表2-1燃硫炉物料平衡表入口出口（SO2kmol/h）硫磺氧气SO2年产300天即7200小时每小时的SO3消耗的摩尔量为每小时的SO2消耗的摩尔量为②转化塔计算转化塔的各层转化率为一层转化率为：60%二层转化率为：90%三层转化率为：95%四层转化率为：97%第一层物料入口转化率为60%出口 第二层物料入口n2(SO2)=kmol/hn2(SO3)=kmol/h转化率为90%出口n2(SO2)=kmol/h×(1-90%)=0.443kmol/hn2(SO3)=kmol/hkmol/h第三层物料入口n3(SO2)=kmol/hQUOTE1.2975kmol/hn3(SO3)=QUOTE11.6775kmol/hkmol/h 转化率为95%出口n3＇(SO2)=QUOTE12.975kmol/h×(1-95%)=kmol/hQUOTE0.64875kmol/hn3(SO3)=×95%QUOTE5.71×103mol/h×95%=kmol/h第四层物料入口n4(SO2)=kmol/hQUOTE0.64875kmol/hn4(SO3)=kmol/h转化率为97%出口n4(SO2)=×(1-97%)=kmol/hQUOTE0.38925kmol/hn4(SO3)=4.43×97%QUOTE12.975kmol/h×97%=kmol/h表2-2转化塔物料平衡表转化塔层数入口（kmol/h）出口（kmol/h）SO2SO3SO2SO3一层0.001.772二层三层四层热量衡算2.热量衡算的意义与步骤同物料衡算一样，能量衡算也是化工计算中一种基本计算，它不仅对生产工艺条件的确定、设备设计是不可缺少的，且在实际生产中分析生产问题、评价技术经济效果等方面的工作也是很需要的。对于新设计的车间，能量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。而对于已经投产的车间，进行能量衡算是为了更加合理的利用能量，进而从技术上、管理上制定出节能的措施，以最大限度降低单位产品的能耗。在化工生产中，能量衡算概括起来应用于以下几个方面：确定功率：如流体输送、搅拌、过滤、粉碎等单元操作中所需功率。确定热量或冷量：如蒸发、蒸馏、冷凝、冷却、闪蒸等所需热量或冷量。确定供热速率或放热速率：如化学反应中，由于热效应（使体系温度的上升或下降）需确定的一个合适温度。确定节能措施：充分利用余热，降低总能耗而采取相应措施。分析各股物料之间热平衡关系必须根据各股物料走向及变化具体分析热量间关系，然后借助热平衡建立各热量之间的数学关系式。热量衡算步骤如下：收集数据必须弄清过程中存在的热量形式，从而确定需要收集的物性数据，要注意数据的准确性，以保证结果的可靠性。标绘能量衡算示意图。确定衡算范围。选定计算基准。列出输入—输出热量平衡表。各设备的热量衡算(1)转化塔的热量计算①转化塔顶部的第一个小换热器SO2与空气的混合气进入转化塔的入口温度是700℃，SO2比定压热容Cp(SO2)kJ/(kg·℃)，体积浓度为7%空气的比定压热容Cp(空气)=kg·℃SO3比定压热容Cp(SO3)kJ/(kg·℃)由公式Q=Cm△T(2-1)Q(混合气)=Q(空气)+Q(SO3)②转化塔第一层催化剂入口温度450℃，n(SO2)=kmol/h，转化率为60%出口n(SO3)=kmol/h，n(SO2)=kmol/hSO3比定压热容Cp(SO3)kJ/(kg·℃)空气的比定压热容Cp(空气)=1.009kJ/(kg·℃)则由2SO2+O2=2SO3在450℃时SO2转化为SO3的反应热为98712kJ/kmol则Q(450,SO2—SO3)=kmol/h×98712kJ/kmol=×105kJ/h从入口到出口的温差设为x，SO3气体温度升高吸收的热量为Q(SO3)=mSO3CpSO3△T(2-2)=kmol/h×80gkJ/(kg·℃)x剩余的SO2升高到出口温度时吸收的热量为Q(SO2)=mSO2CpSO2=kmol/h×64g/mol×0.502kJ/(kg·℃)x在转化中消耗的氧气量为N(氧气)=kmol/h/2=1329kmol/h空气从入口到出口吸收的热量为N(空气)=(kmol/h/7%)-kmol/h=kmol/hQ(空气)=(n空气–n氧气)M空气△T=(kmol/h-kmol/h)×29gkJ/(kg·℃)xSO2转化放出的热量用来给剩余气体升高温度则Q(总)=Q(SO2)+Q(SO3)+Q(空气)×105kJ/h=x+xx得：x=137.14℃所以出口温度为450℃+137.14℃=587.14℃③转化塔顶部的第二个小换热器入口温度出口温度450出口m(SO3)=kmol/hm(SO2)=kmol/hM(SO3)=kmol/h×80g/mol=m(SO2)=kmol/h×64g/molm(空气)=kg则换热器需要换热的总量为Q(总)=Q(SO2)+Q(SO3)+Q(空气)=[212.64kg/h×0.567kJ/(kg℃)+g/h×0.502kJ/(kg·℃)+1164.272×1.009kJ/(kg℃)]×(587.14-450)℃=1.854×10④转化塔第二层催化剂入口温度450℃，n(SO3)=kmol/h，n(SO2)=kmol/h，转化率90%出口n(SO3)=kmol/h，n(SO2)=kmol/hSO2—SO3的反应热为Q(450，SO2—SO3)=mCp△T=(-)kmol/h×98712kJ/kmol=×105kJ/h从入口到出口的温差设为x，SO3气体温度升高吸收的热量为Q(SO3)=mCp△T=kmol/h×80gkJ/(kg·℃=xSO2气体温度升高吸收的热量为Q(SO2)=mCp△T=kmol/h×64gkJ/(kg·℃=x消耗氧气n(氧气)=(-)/2=kmol/hn空气=1643Q(空气)=mCp△Tkmol/h×29gkJ/(kg·℃空气温度升高吸收的热量为Q(450,SO2—SO3)=Q(SO3)+Q(SO2)+Q(空气)×105kJ/h=x+x+x得：x=70.81℃ 出口温度为450+70.81=520.81℃⑤转化塔第一段空气激冷第三层、第四层催化剂采用空气冷激的方法降温过程第二层催化剂出口温度520.81℃，n(SO3)=kmol/h，n(SO2)=kmol/h，N(空气)=1643第三层催化剂入口温度440℃用空气冷激的方法使混合气体由℃冷却到440℃，放热量为Q(放热量)=Q(SO3)+Q(SO2)+Q(空气)=×64×0.502+1643=KJ/h=×105kJ/h空气入口温度为20℃，冷激空气用量Q(放热量)=Q(吸热量)×105kJ/h=n(空气)×29gkJ/(kg·℃)×(440-20得：n(空气)=kmol/h⑥转化塔第三层催化剂在第三层催化剂作用下SO2转化为SO3的反应热为Q(440，SO2—SO3)=(kmol/h-kmol/h)×98712kJ/mol=×104kJ从入口到出口的温差设为x，SO3气体温度升高吸收的热量为Q(SO3)=kmol/h×80gkJ/(kg·℃)x=SO2气体温度升高吸收的热量为Q(SO2)=kmol/h×64g/mol×0.502kJ/(kg·℃)x消耗的氧气用量N(氧气)=kmol/h/2=0.11075kmol/hM(空气)=kg/h+12.18×29=/hQ(空气)=xSO2转化为SO3的反应热使混合气体温度升高Q(440,SO2—SO3)=Q(SO3)+Q(SO2)+Q(空气)×104kJ=x+4x+x得：x=℃ 则出口温度为449.9℃⑦转化塔第二段激冷空气要达到生产目标，转化塔出口SO3的量为n(SO3)=kmol/hSO3出口的气体浓度为5.4%第三层出口为℃，第四层出口为440℃加入激冷空气使混合气体温度下降，温度设为xSO3气体温度降低放出的热量为Q(SO3kmol/h×80gkJ/(kg·SO2气体温度降低放出的热量为Q(SO2kmol/h×64g/mol×0.502kJ/(kg·原有的空气温度降低放出的热量为Q(空气)=kJ/(kg·℃)=新补充的空气升高温度吸收的热量为Q(新空气)=()=J/h则原有混合气体与新空气之间热量平衡Q(新空气)=Q(SO3)+Q(SO2)+Q(空气)21865=1.009×29×n×420kmol/h⑧转化塔第四层催化剂入口温度440℃，n(SO2)=0.221kmol/h，n(SO3)=kmol/h，m(空气)=kg/h出口n(SO2)=0.1329kmol/h，n(SO3)=kmol/h，SO2转化为SO3的反应热为Q(405，SO2—SO3)=(kmol/h-kmol/h)×98712kJ/mol=8745.9kJ从入口到出口的温差设为x，SO3气体温度升高吸收的热量为Q(SO3)=kmol/h×80g/mol×0.567kJ/(kg·℃)x=xSO2气体温度升高吸收的热量为Q(SO2)=0.1329kmol/h×64g/mol×0.502kJ/(kg·℃)xx消耗的氧气用量n(氧气)=(kmol/h-kmol/h)/2=0.0443kmol/hQ(空气)=(kmol/h–0.0443)kJ/(kg·℃)x=xSO2转化为SO3的反应热使混合气体温度升高Q(405,SO2—SO3)=Q(SO3)+Q(SO2)+Q(空气)x+x+x得：x=3.96℃ 第四层催化剂出口温度为440℃+3.96℃=4℃(2)熔硫炉的计算硫磺有多种形式的同素异形体，在低于95度下稳定的称为α-硫，属斜方晶。融硫所需的热量包括融化不含水的固体硫磺所消耗的热量以及散热损失Q=Q硫+Q散Q融硫不含水的固体硫磺所消耗的热量Q硫=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5式中Q硫——不含水的固体硫磺融化所消耗的热量，kJ/hQ1——正交晶硫从常温加热到度的显热，kJ/hQ2——正交晶硫从度转变为单斜晶硫的转化热,kJ/hQ3——单斜晶硫从度到度的显热,kJ/hQ4——单斜晶硫在度的熔解热,kJ/hQ5——液硫从度加热到140度的显热,kJ/h正交晶硫从常温加热到度的显热正交晶硫的平均热熔CP可用下式求出：CP=（×10-5T2）kJ/(kg.k)式中T为正交晶硫从常温加热到度的平均温度K，在大气温度为30度加热到度的显热为。正交晶硫在度时转变为单斜晶硫的转变热为kJ/kg单斜晶硫从加热到度的显热单斜晶的平均热容可用下式算出CP=[3.388+0.006854T+0.080351/(388.336-T)2]kJ/(kg.k)计算得到单斜晶硫从度到度时的平均热容为kJ/(kg.k)即每千克单斜晶硫从度加热到度时的显热为kJ单斜晶硫在度的熔解热为kJ/kg液硫从度加热到140度的显热液硫从度到140时的平均热容为kJ/(kg.k).计算求得每千克液硫从度到140时的显热为kJ。故融硫每千克硫磺所消耗为Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5kJ/h融硫槽散热损失：Q散Q散FαT(tw-1).kJ/h式中：F—融硫槽顶盖外表面温度，m2αT—对流和辐射传热分系数，w/(m2..k)tw—融硫槽顶盖外表面温度，K或℃tw=55t—大气温度，℃，t=30当融硫槽置于室内的时，则：αT=（8+0.05tw）QαT(tw-t)=3硫磺熔融所需的总热量QQ=Q硫+Q散KJ/h融硫的蒸汽耗量用（绝压）饱和蒸汽融硫，汽化热为2093KJ/kg.由前面得到融硫所需的热量为kJ/h，则蒸汽量为kg由蒸汽传到硫磺的总传质系数为K，K=58w/(m2.k)融硫一般只考虑利用蒸汽冷凝潜热，故mpa饱和蒸汽冷凝温度约为158℃，所以：温差为：18℃传热面积：容积为m3加热面积与容积比：加热面积的融硫能力：kg/(m2燃硫炉的计算液硫的燃点为250℃CpkJ/(kg.k)Q=CmT液硫升温至燃点所需的热量=0.783×142.4×（250-140）kJ/(kg.℃)Q=CmT空气升温所需热量=1701.13×0.9735×（250-20）kJ/(kg.℃)设升温温度为x燃烧热热效应S+O2=SO2+HQ=GH(2-3)式中：G——液硫消耗量，kg/hH——硫磺燃硫热，9282kJ/kg故，Q燃烧热=9282×142.4=1.32×106kJ/hQSO2=284.8×xxQ(空xxQ(放)=Q(吸)1.32×106xxx出口温度为：250+455.2=表2-4热量平衡表输入输出组分热量（kJ/h）组分热量（kJ/h）固态硫磺液态硫磺液态硫磺二氧化硫二氧化硫三氧化硫合计合计第3章设备选型选型原则所谓设备选型即是从多种可以满足相同需要的不同型号、规格的设备中，经过技术经济的分析评价，选择最佳方案以作出购买决策。设备选型首先应考虑的是生产上适用；其次是技术上先进，在生产适用的基础上力求做到技术上先进，经济上合理。把生产上适用、技术上先进与经济上合理统一起来选以获得最大的单位产量；能适应产品品种变化的要求，并确保产品质量；能降低劳动强度提高劳动生产率，能降低原材料及相应的公用工程（水、电、气）的能耗；能改善环境保护；设备制造较易，材料易得，操作及维修保养方便。化工设备进行设备选型时要注意以下经济指标的满足：即单位生产能力高、消耗系数低、设备价格便宜、制造容易、结构简单、用材不多、管理费用低的设备。另外除了要满足这些经济指标外，在结构上还应满足下述各项要求。设备成熟可靠，作为工业生产，不允许吧不成熟或未经生产考验的设备用于设计。设计中选用的设备不但技术性能可靠，设备材质也要可靠。对从国外引进的设备，同样必须强调设备及其所采用材质的可靠性。特别对生产中的关键设备，一定要在充分调查研究和对比的基础上，作出科学地选定。在设备选型时尽量采用国产设备，可以促进我国机械制造工业的发展。当然，根据条件和可能，引进少量进口装置或关键设备也是必要的，但同样必须坚持设备先进可靠，经济合理，并应考虑在引进的基础上如何消化吸收以及仿制等工作。关键设备选择转化塔设计在转化塔中SO2的流速范围在0.66~0.924m/s（常压，450℃），选取流速为m/s进入转化塔的SO2与空气的混合气的体积流量为3m3/s塔径的计算塔式容器的国家标准系列为400，500，600，700，800，1000，1200，1400等。所以选取塔直径为1000mm塔壁厚设计由壁厚设计公式S=C1=mm，C2=mm，C工作温度为475℃，[σ]t=40MPa，Di取1200mm，焊接系数φ取取钢板厚度为6—16mm，所以圆整到6mm，塔高计6480mm封头设计K取1，φ取，[σ]t=40MPa故圆整到6mm转化塔顶部第一个换热器入口的SO3气体温度 t/℃ 400→200冷却空气 t/℃ 200←20则SO3走管径，空气走壳程定性温度壳程

管程则在300℃温度下，SO3的物性数据为：ρSO3=kg/mCp(SO3)kJ/kg℃J/mol·k导热系数入SO3W/M·K粘度￡SO3×（）其中-52℃﹤T﹤955℃所以300℃下￡SO3×10-6在300℃下空气的物性数据：表3-1物性数据表物性空气密度ρ空气Cp(空气)导热系数入空气粘度￡空气数据0.615kg/m329.53J/mol·K42.68W/M·K3×10-6Pa·S表3-2SO3与空气混合的数据物性混合气密度ρ混合Cp(混合)导热系数入混合粘度￡空气数据0.673kg/m330.38J/mol·K0.00101W/M·K×10-6Pa·S估算换热面积热负荷Q混合=m混合·Cp混合·△T混合=mSO3·CpSO3·△TSO3+m空气·Cp空气·△T空气=80××200+59××180×KWQUOTE233.069-12.975×29.53J/mol=1416354.623kw平均传热温差SO3：400—200℃；△t=200℃空气：200—20℃；△t=180℃℃平均传热温度校正及壳程数根据管程数为，P值利用对数平均温差校正系数算图，查出温度校正系数△I△t△I△t℃由于平均传热温差校正系数大于，同时壳程流速大，故取单壳程合适。传热面积K估kcal/m2h℃kw/m2则QUOTE400-200200-20富裕量30%×（）=由于原料为清洁流体，故可选取小径口管，增加换热面积可取管式换热管θ25×2mm设流速为u=20m/s所以根取管数为184根m故取管长为6换热面积m2换热管长L=6m换热管数n=184根管间距t0外×25=3mm正六角形排列层数六角形对角线排管bQUOTE×588根，取15根。取挡板间隙h=200取外×mm设备直径D=t0(b-1)+2l=30×(15-1)+2×37.5=495所以取工称直径为500mm查表得选择列管式换热器的型号为G273—4.2—1.60—Ⅰ表3-1 列管式换热器的数据参数表项目参数公称直径DN(mm) 500公称压力换热面积A(m2管长L(mm) 4000管程数Np 1管子根数n 184中心排管数6管子规格 碳钢φ25×2同理根据此方法计算，第二个冷却器，与第一个相同。耐火球的计算：Ms=kgS燃=kg/(m2故所需的燃硫面积为9.11m2耐火球直径为100mm或60mm大球占1/30,小球占29/30大球：小球：接触面积约为35%，故大球为29个，小球为2229个。燃硫炉的选型计算：燃硫炉烧出7%的SO2，炉内设计温度为200℃硫烧出率为100%，气体在炉内的停留时间为1秒m/s炉子强度U炉床=34465CSO2U/CsntU炉床2.床层]CSO2—焙烧气体中SO2的浓度，%（体积分数）U—操作条件下气体线速度Cs—硫磺中的S含量—硫的烧出率，以单位分数计T—气体温度K容积强度U容积[t硫磺2炉子容积)U容积=34465CSO2/CSnti气体在炉子中的停留时间Ｕ容积—34465×7/[100×(200＋2)炉子工艺尺寸计算故设备取长×宽×厚为1900×2800×6其他设备选型：熔硫炉1800*1900*16熔硫恒位槽2850*1620*1000预热空气电加热器500*1980*6第4章设备一览表下表为设计过程中完成的设备选型一览表表4-1设备一览表序号名称位号规格型号材质数量备注1熔硫炉V2511800*1900*16Q235B12燃硫炉H1211900*2800*616MnR13冷却器E123500*4000*630424转化塔E1011000*6480*630415熔硫恒位槽V2522850*1620*1000Q235B16预热空气电加热器E120500*1980*630417风机K141QYJ10118016MR第5章车间设备布置设计车间设备的布置原则本设计是年产一万吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3工段的初步设计，车间的平面布置考虑了整个厂内的各个车间和设施，按照生产中的实际情况进行了合理的布置和安排，把各种工艺设备在一定的区域内进行排列。在设备布置的过程中要考量熔硫炉的摆设，燃硫炉的位置，转化塔的位置，以及换热器冷却器的摆放等。车间设备布置就是在给定的区域范围内确定各个工艺设备在车间平面和立面上的位置；确定场地与建、构筑物的尺寸；确定管道、电气仪表管线、采暖通风管道的走向和位置。进行设备布置时需要考虑以下一些技术问题：保证工艺流程的畅通，保证工艺流程在水平方向和垂直方向的连续性；考虑合适的设备间距，间距过大会增加投资，间距过小会导致维修困难；满足生产，方便操作，设备之间尽可能达到自动流送物料以减少输送设备；满足安装、检修、拆卸的要求；考虑设备布置与建筑物的关系；考虑运输通道，每排设备至少一侧要留有通道；典型设备的布置：(1)容器：容器一般应按已有的通用设计系列图中进行选择，其支脚、接管条件由布置设计决定，其外型尺寸按布置需要加以调整活在初选时就按布置要求加以考虑确定。(2)换热器：换热器的布置原则是顺应工艺流程和缩短管道长度。(3)泵：泵在布置时应注意尽量靠近供料设备，以保证良好的吸热条件。室外布置的泵，一般宜在路旁或管廊下面排成一列或二列，电动机对齐排在中心管道的两侧。吸入端与排出端对着工艺设备。泵的排列次序由相关的设备位置与管道布置所决定。5.2设计要求(1)生产设备要按工艺流程的顺序配置，在保证生产要求、安全及环境卫生的前提下，尽量节省厂房面积与空间，减少各种管道的长度。(2)保证车间尽可能充分利用自然采光与通风条件，使各个工作地点有良好的劳动条件。(3)保证车间内交通运输及管理方便。万一发生事故，人员能迅速安全地疏散。(4)厂房结构要紧凑简单，并为生产发展及技术革新等创造有利条件。(5)合理安排厂房的出入口，每个车间出入口不应少于2个，厂房大门的宽度应比所需通过的设备宽度大200mm左右，比满载的运输工具宽度要大600~1000mm，总的宽度不应小于2000~2500mm。(6)要考虑必要的锥料面积。(7)遵守国家的有关劳动卫生及防火安全等方面的各项规定，《建筑设计防火规范》。(8)要考虑到厂房扩建的需要。(9)在满足生产工艺需要的同时，设备布置要尽量符合建筑结构标准化要求，18m以下，采用3m的倍数，18m以上采用6m的倍数，多层厂房跨度和柱距均以6m进位，高度应为300mm的倍数。(10)车间布置相关专业的要求。5.3车间设备平面布置本设计为年产10000吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3合成工段的初步设计，车间平面面积为108m2，车间平面布置长宽分别为18m和6m，熔硫炉据墙为1m，其余各设备间距都大于1m，从而保证设备的布局合理，实现安全防火的规范。车间的二楼有控制室进行控制。各设备之间的距离都考虑了相应的要求，满足走人，设备维修的方便性，并在左上角去开有门，以及右上角开有门。熔硫炉间为单独布置并开有门。5.4车间设备立面图布置车间的立面形式为两层相结合的形式，从左至右依次为熔硫炉，恒位槽，燃硫炉，空气加热器，转化塔，2个换热器。其中熔硫炉为地下安装，为地下一米，并且熔硫炉为单独的融硫车间布置，恒位槽也为地下1米，转化塔上有旋梯，方便观测和检修用。换热器为悬空形式摆放，这样可以达到更好的换热效果。第6章自动控制6.1主要的控制原理在设计中熔硫炉的进料采用人工倒硫磺的方式进料，融硫过程利用蒸汽加热自动控制，燃硫炉采用自动控制系统进行控制，在转化塔中系统依据温度进行自动控制进行调节进入塔的冷激空气量。在工业生产过程中采用自动控制装置，部分或全部地取代人工操作，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来操纵和管理生产过程的办法，称为工业自动化。工业自动化一般主要包括自动检测、自动控制、自动保护、自动操纵等方面的内容[23]。本装置采用分散控制系统（DCS），通过DCS对工艺过程进行集中控制、监测、记录和报警，并且在DCS系统上设置了网络接口[19]。装置的主要操作参数均引入控制室，由DCS进行实时控制，完成数据采集、信息处理、过程控制、安全报警等系统功能，对影响装置正常操作或产品质量的工艺参数在中央控制室内均设置越线报警。(1)主要工艺过程的重要部位的控制和检测集中在控制和显示，以便操作，维护和防寒。(2)进出装置的原料、产品和公用工程均设有流量累计，以便进行物料衡算和经济衡算。(3)本装置采用集散型控制系统DCS和ESD联锁保护以提高装置的管理水平并实现过程的部分优化控制，提高轻质油收率，降低能耗，确保油品质量，提高经济效益。6.2自控水平与控制点本工艺中有相关的19个，具体如下：熔硫炉内有三个控制点，分别为温度调节蒸汽量，温度调节出料量，温度调节排空。液硫恒位槽内在液硫输送泵出安装有温度调节以及控制点。燃硫炉出口处安装有温度调节控制，并有流量自控控制点。转化塔各层催化塔板间都有相应的温度控制点，并有压力表，流量表等仪表控制。在换热器部分有温度调节控制。本设计通过以上控制系统用于控制温度、流量、压力从而控制整个流程的质量，由于采用DCS和ESD联锁保护故自动控制水平较高。第7章安全及环境保护7.1三废产生情况本设计过程中主要可能产生的废水为含硫水及生活污水，废气为燃硫炉燃烧烟气，废渣为废催化剂等。在轻化工工厂，从原料、辅助原料、中间产品到最终产品，大都具有易燃、易爆、有毒、有腐蚀等化学危险品；工艺生产过程繁复多变，高压、高温、高速、深冷等不安全因素很多。为保证生产地顺利进行，不断提高工厂的经济效益，搞好安全防火，减少火灾爆炸损失，就成为工厂设计中一项十分重要的内容。工业生产中的有害物质主要是指化学性物质，通常称为工业有害物质或称生产性有害物质。工业有害物质对环境的污染有着密切的关系。工业生产中形成的“三废”，如果未经处理或处理不当即大量排放到环境中去，就可能造成污染。而环境污染对人体健康会产生严重的后果。因此，在化工生产中，深刻了解和认识在生产过程中所形成“三废”的影响和危害，并积极采取措施，治理对环境可能产生的污染，是非常重要和必须的。7.2三废处理情况轻化工工厂如何处理好“三废”，不仅对工厂生产、职工生活有着直接影响，同时对城乡环境、土壤质量、农业生产等都会带来影响。三废处理方案：含硫及生活污水：排入全厂污水管网；燃硫炉燃烧烟气：火炬高空排放；催化剂再生废气：高空排放；废催化剂：4年后由催化剂制造厂回收；废脱硫剂：专业厂回收。公用工程本设计为年产一万吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3合成工段的初步设计，在设计过程中主要的公用工程有蒸汽，给排水，供电，激冷空气。具体有熔硫炉消耗蒸汽，各设备间中泵用电，转化塔中冷却调节用激冷空气等。对公用工程设计的总体要求是：满足生产需要；符合环保、卫生要求；运行可靠，费用经济。工厂设计除进行工艺流程设计、设备选型与设计、设备布置设计及管道布置设计等外，还需要进行有关公用工程项目的设计。公用工程一般是指对全厂各个部门有密切关系，为这些部门所共有的一类动力类辅助设施的总称，是一类非工艺项目的设计。8.1供水及排水工程设计8生产、生活给排水设计给水划分为生产、生活及低压消防给水系统、高压消防水系统、循环水系统；排水为含油污水系统。按系统给出装置改造后增加的给排水水量、水压、水质和水温等有关参数见表8-1。表8-1给排水水量表名称变化水量（m3/h）水压（Mpa）水温（℃）水质备注生活给水常温/间断生产给水常温/连续循环给水增加173.1（最大）28/连续循环回水增加173.1（最大）38/连续生活污水0常温/间断含油污水0常温/连续8消防水系统(1)由低压消防水系统（0.2MPa）向装置区界限内提供低压消防水。在重整装置内加热炉区新设地下式消火栓1个；在储运设施改造罐区新设地下式消火栓2个。(2)由高压消防水系统(0.8MPa)向装置内高压消防水炮提供高压消防水。原装置设有固定式消防水炮4门，改造后在新增炉区增设2门水炮，型号为PSD40。8节水措施(1)循环水进装置设置计量水表，严格控制循环水换热温差，节省循环水用量。(2)严格控制地面冲洗水、设备冲洗水和生活用水。(3)在工业用水管道上采用优质的阀门、法兰和管件，防止泄漏。(4)加强计量管理，从而达到节水目的。(5)蒸汽凝结水全部回收。(6)新增设备的冷却水采用循环水，密闭使用。8.2供电本次催化重整改造工程电气设计范围包括在催化重整装置内拆除建立一座6kV变电所、和6kV变电所的供电系统设计以及催化重整装置内部、储运配套设施改造部分、脱砷泵房部分的供电、配电、户内外照明、防雷接地电气设计。8照明供电由装置变电所低压供电负荷中心对装置区、配电室、照明箱放射式直供。照明箱内每一单相分支回路不得超过15A，所接灯头数不得超过23个。8照明控制方式装置内照明在照明配电箱上集中控制。配电室照明分散就地控制。。照度推荐值名称照度值(LX)照度计算点主控室300屏面（地面）250屏水平面（地面）150屏背面（地面）主压缩机室100地面管架下泵区30地面炉区、塔区20地面设备区、框架区15地面操作平台20地面工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求：安全：在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。可靠：应满足电能用户对供电可靠性的要求。优质：应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。经济：供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能。此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部的当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。按负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件等，合理确定设计方案。工厂供电设计是整个工厂设计中的重要组成部分。工厂供电设计的质量直接影响到工厂的生产及发展。8.3通风为保证操作人员