【正文】 裝置的原料采用揚子石化等裝置硫回收下來的液體硫磺，原料經(jīng)精硫槽處理后可以直接使用。 表 主要物料消耗表 Tab The main material consumption 序號 項目 規(guī)格 數(shù)量 備注 1 液硫 按供給 萬噸 /年 2 空氣 環(huán)境空氣 3 鍋爐給水 104℃ / 萬噸 /年 4 催化劑 工業(yè)等級 288m3 一次裝填量 5 電 350/220V 萬千瓦時 /年 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 11 6 冷卻水 30℃ 1872 萬噸 /年 主要危險品性質(zhì) 該工藝 中所涉及的 原料 和產(chǎn)品有一定的危險性，其主要危險 物品 德性質(zhì)見表。 生產(chǎn)規(guī)模 本文設計 30 萬噸 /年硫磺制酸裝置以滿足各個行業(yè)日益增長的需求，同時緩解我國過去以硫鐵礦制酸帶來的環(huán)境和產(chǎn)量的壓力。 ? 經(jīng)濟性。 ? 工藝技術(shù)的先進性。硫鐵礦制酸工藝包括焙燒、凈化、轉(zhuǎn)化等若干工序，制酸過程中，焙燒工序和吸收工序會排放大量南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 13 干燥廢棄、增濕廢氣和制酸尾氣，嚴重地危害著周邊的環(huán)境。 1969年 Linz 化學公司建成第一家利用磷石膏制硫酸并聯(lián)產(chǎn)水泥的工廠 [20]。 c 在最近 15 年中，托普索公司的 WSA（濕法制酸）技術(shù)在低濃度 SO2氣體（ SO2不產(chǎn)過 6%~7%）制酸方面得到了廣泛的應用。但是 WSA工藝也有其局限性。 本文的設計選擇使用硫磺生產(chǎn)硫酸，生產(chǎn)原料為揚子石化等裝置回收的液體硫磺。焚硫爐內(nèi)設置三道擋墻，以強化硫磺與空氣的混合和確保停留時間。余熱回收器回收熱量后產(chǎn)生的 的中壓飽和蒸汽送轉(zhuǎn)化工序低溫過熱 器、中溫過熱器和高溫過熱器過熱繼續(xù)回收熱量。 經(jīng)第一 吸收塔 吸收 SO3 后的爐氣依次通過冷換熱器（ E302）和熱換熱器（ E301），利用 轉(zhuǎn)化器 Ⅱ、Ⅲ段的反應熱升溫至約 420℃后進入 轉(zhuǎn)化南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 15 器 Ⅳ段催化劑層反應，出Ⅳ段約 438℃的爐氣進入中溫過熱器 （ B303） ，在此加熱出低 溫過熱器（ B304） 的蒸汽，經(jīng)中 溫過熱器 換熱后的爐氣降溫至約 420℃進入 轉(zhuǎn)化器 Ⅴ段催化劑層繼續(xù)進行 SO2 的催化氧化反應；出Ⅴ段催化劑層約 422℃的爐氣進入 低溫過熱器（ B304） 和省煤器Ⅰ（ B306），降溫至 160℃后進第二吸收塔（ T402），則完成二次轉(zhuǎn)化和吸收（ SO2 最終設計轉(zhuǎn)化率為 %），經(jīng)第二吸收塔（ T403）吸收后的尾氣可直接通過尾氣煙囪（ S401）排放。 吸收系統(tǒng)是用濃硫酸吸收由焚硫轉(zhuǎn)化工段來的 SO3氣體。 圖 30 萬噸 /年硫磺制酸工藝流程簡圖 Fig Process flow diagram of 300kt/a sulfuric acid from sulfuric 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 17 第四章 流程計算 與模擬 基礎 數(shù)據(jù)計算 已知 基礎 文獻 數(shù)據(jù) （ 1）產(chǎn)品規(guī)格： 98％硫酸 （ 2）產(chǎn)品規(guī)模： 900 噸 /天 (折 100％硫酸 ) （ 3）工藝流程：“ 3+2”兩轉(zhuǎn)兩吸，塔后風機 （ 4）當?shù)卮髿鉁囟龋?28℃ （ 5）當?shù)卮髿鈮海? （ 6）當?shù)啬昶骄鄬穸龋?81％ （ 7）焚硫爐出口氣體濃度： SO2濃度： ％； SO3 ： ％ （ 8）干燥塔上塔酸濃： 95％；上塔酸溫： 50℃；噴淋密度： 18m3/ （ 9）第一吸收塔上塔酸濃： 98％；上塔酸溫 70℃；噴淋密度： 23m3/ （ 10）第二吸收塔上塔酸濃： 98％；上塔酸溫 70℃；噴淋密度： 18m3/ （ 11）轉(zhuǎn)化各段轉(zhuǎn)化率： 64％、 87％、 94％、 ％、 ％ （ 12）轉(zhuǎn)化各段進口溫度： 420℃、 455℃、 440℃、 420℃、 420℃ （ 13）吸收率： ％ 基礎數(shù)據(jù)計算 （ 1）液硫進料量 Fs（ kg/h） 根據(jù)產(chǎn)品規(guī)模 900 噸 /天（折 100%硫酸計）， SO2最終轉(zhuǎn)化率為 %， SO3總的吸收率 為 %，可計算出液硫進料量為： (41) 所得結(jié)果與南化公司提供的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 12277kg/h 相當一致，這里取南化公司提供的數(shù)據(jù)。 (42) 將硫磺用量 ，計算出 V（空氣）（硫） =，與南化公司所 提供的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 87737Nm3/h 有一定的出入，這里取南化公司所提供的數(shù)據(jù)。 (43) 所得數(shù)據(jù)與南化公司所提供的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 122kmol/h 很接近，計算時取南化公司所提供的數(shù)據(jù)。此外，為方便模擬及閱讀，計算結(jié)果表達方式為表觀組分。 ELECNRTL 利用 ElectrolyteNRTL 活度系數(shù)方程計算非理想電解質(zhì)溶液的物性。該物性方法用于計算純水和水蒸氣性質(zhì)，溫度范圍為 ~1073K， 最大壓力為 1000bar。 Radfrac 是嚴格精餾模擬中 最常用的模型，能夠準確地確定各級第四章 流程計算與模擬 上的溫度 、 壓力 、 流率 、 相平衡和傳熱速率，它可以模擬精餾塔，吸收塔和汽提塔等。 （ 2）模型設置 兩吸收塔均為常壓操作， T402 塔頂操作壓力設置為 2021mmH2Og，全塔壓降為 550mmH2O； T403 塔頂操作壓力設置為 1000mmH2Og，全塔壓降為350mmH2O。 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 21 圖 吸收塔 Reactions 設置 Fig Reactions settings in Absorber 圖 吸收塔反應 C1 設置 Fig Reaction C1 setting in absorber 焚硫爐 F301 （ 1）模型選擇 硫磺燃燒機理比較復雜，是一個連鎖反應，過程中產(chǎn)生低級硫氧化物（中間產(chǎn)物） 、 SO2 和 SO3 等，而具體的可能發(fā)生的反應不能 確定。 （ 2）模型設置 硫磺燃燒反應條件為恒壓絕熱，產(chǎn)物為 SO2和 SO3等。 RStoic 反應器按照化學反應方程式的計量關(guān)系進行反應，分別指定每個反應的轉(zhuǎn)化率，不考慮熱力學可能性和動力學可行性。 圖 第一段轉(zhuǎn)化器操作條件設置 Fig Operating condition of the first reformer paragraph setting 圖 第一段轉(zhuǎn)化器的化學反應設置 Fig The first paragraph converter set of chemical reactions 全流程模擬 完成焚硫爐、轉(zhuǎn)化器、干燥塔和吸收塔等關(guān)鍵設備的模擬后，并根據(jù)南化公第四章 流程計算與模擬 司所提供的余熱回收系統(tǒng)，進行了全流程工藝模擬。 2) 原料及產(chǎn)品的分離方式，各步的回收率，采用物料分離劑 時，加入分離劑的配比。穩(wěn)定狀態(tài)過程時，可以簡化為： 輸入 =輸出 生成 +消耗 對無化學反應的穩(wěn)定過程，又可表示為： 輸入 =輸出 物料衡算包括總質(zhì)量衡算、組分衡算和元素衡算。 （ 2）確定 硫磺和空氣 。 第五章 物料與能量衡算 表 物料 衡算 范圍 類別 Tab Material balance range categories 類別 物料衡算形式 無化學反 應 有化學反 應 總衡算式 總質(zhì)量衡算式 適用 適用 總物質(zhì)衡算式 適用 不適用 組分衡算式 組分質(zhì)量衡算式 適用 不適用 組分物質(zhì)的量衡算式 適用 不適用 元素原子衡算式 元素原子質(zhì)量衡算式 適用 適用 元素原子物質(zhì)的量衡算式 適用 適用 本工藝主要采用，總質(zhì)量衡算的方法，同時列出各組分的質(zhì)量流量以便于查找和計算。 衡算方法 物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，利用某進出化工過程中某些已知物流的流量和組成，通過建立有關(guān)物料的平衡式和約束式，求出其他未知物流的流量和組成的過程。 圖 全流程模擬截圖 Fig Whole process simulation 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 25 第五章 物料與能量衡算 物料衡算 物料衡算依據(jù) （ 1）設計任務書中確定的技術(shù)方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時及操作方法。 表 各段轉(zhuǎn)化率和進口氣體溫度 Tab The temperature of paragraphs conversion rate and inlet gas 一 段 二 段 三 段 四 段 五 段 總轉(zhuǎn)化率 ％ 64 87 94 各段轉(zhuǎn)化率 ％ 64 85 進口溫 度 ℃ 420 455 440 422 420 （ 2）模型設置 轉(zhuǎn)化器各段壓降均為 150mmH2O，以第一段轉(zhuǎn)化為例說明 Rstoic 的設置，其它反應器設置類似。 第四章 流程計算與模擬 圖 反應條件設置 Fig Reaction conditions setting 圖 反應產(chǎn)物的設置 Fig Reaction products setting 轉(zhuǎn)化器 R15 （ 1）模型選擇 轉(zhuǎn)化器分 五段轉(zhuǎn)化，實際反應時各段催化劑之間對化學反應無影響，所以模擬時可采用五個反應器來代替轉(zhuǎn)化器。 RGibbs 反應器根據(jù)系統(tǒng)的 Gibbs自由能趨于最小值的原則，計算同時達到化學平衡和相平衡時的系統(tǒng)組成和相分布。此外，第一吸收塔 T402 還是用 95%硫酸進行吸收，第 3 塊板進料。 Radfrac 模擬物理吸收過程時，需要對其進行設置，在 Setup 頁面中將收斂基礎由 Standard 改為 Custom；在 Convergence|Adavanced 頁面將 Radfrac 改為吸收塔，具體見圖 。 化學反應 該工藝中所涉及到的主要化學反應和主要的離子反應式見表 。 IDEAL 用于計算反應單元和換熱單元中氣相的物性。 圖 模擬體系中的真實組分 Fig The real ponent of the model system 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 19 物性方法的選擇 硫磺制酸體系含有電解質(zhì)，故全局物性方法選擇“ ELECNRTL”。 Electrolytes Expert System 用于生成離子和離子反應。 （ 3）濕空氣中的水含量 FH2O 查物化數(shù)據(jù)表得： 28℃時飽和水蒸汽的蒸汽壓為 。該式計算的是燃燒 1t 硫磺所需的干空氣量。二次轉(zhuǎn)化來的 SO3 氣體，從第二吸收塔下部進入，第二吸收塔上部噴淋 98%濃硫酸，氣液逆向接觸， 98％酸吸收爐氣中 SO3后，濃度升高到 %,自塔底也排至吸 收塔酸循環(huán)槽中，第一吸收塔和第二吸收下塔酸在吸收塔酸循環(huán)槽中混合 . 為了維持吸收塔循環(huán)槽的濃度為 98%，向吸收酸循環(huán)槽中加入工藝水進行混合，混合后的酸，一部分通過吸收塔酸循環(huán)泵送入吸收塔酸冷卻器冷卻至 70℃后分別送到第一吸收塔和第二吸收塔頂進行噴淋，多于的成品酸從吸收循環(huán)泵出第三章 工藝 流程 口引出，經(jīng)成品酸冷卻器冷卻至 40℃ 后送成品酸貯罐貯存。 濃硫酸吸收水分的過程是一個放熱反應，所以，干燥塔出塔酸溫高于塔進口酸溫。進 轉(zhuǎn)化器 Ⅰ段催化劑層爐氣溫度可通過余熱回收器旁路調(diào)節(jié)， SO2 濃度可以通過調(diào)節(jié)空氣風機（ C301）出口旁路來控制。爐膛內(nèi)操作溫度控制在 1000℃左右。 第三章 工藝 流程 工藝流程介紹 焚硫轉(zhuǎn)化工段 精制液體硫磺由精硫泵連續(xù)送往焚硫爐（ F301）前端的兩只硫磺噴槍。二是 SO2轉(zhuǎn)化率受限制，最為一轉(zhuǎn)一吸工藝， WSA 工藝的 SO2/SO3的平衡曲線將 SO2 轉(zhuǎn)化率限制在 %~%。全世界簽的 WSA 裝置已 超 80套，主要用于石油煉制、煤化工和煤氣化、焦化、冶金、粘膠纖維生產(chǎn)等行業(yè) [21]。之后國內(nèi)外均在磷石膏生產(chǎn)硫酸的技術(shù)上有所發(fā)展。據(jù)中國磷肥工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計， 2021 我國磷石膏排放量約 5000 萬噸占工業(yè)副產(chǎn)石膏的 70%以上 [19]。 工藝路線的比較及選擇 目前硫磺的生產(chǎn)工藝主要有硫鐵礦制酸、 WSA 濕法制酸 、硫磺制酸、磷石膏制酸等。 ? 資源利用的合理性?；どa(chǎn)過程大部分是連續(xù)的生產(chǎn)過程，原料數(shù)量及 質(zhì) 量的穩(wěn)定可靠地供應是進行正常生產(chǎn)的基本條件。該套裝置可以將揚子石化等裝置硫回收下來的液硫轉(zhuǎn)化成98%的硫酸產(chǎn)品。具體如表 。 本裝置的建成可以吸收周邊石油化工裝置回收的硫磺，同時可以緩解國內(nèi)硫酸供給相對緊張的形勢。 項目建設意義 作為重要的無機基礎化工原料，自其工業(yè)化生產(chǎn)以來，其生產(chǎn)工藝不斷改善和提高，產(chǎn)量更是迅速增長。 本文設計裝置年產(chǎn) 98%工業(yè)硫酸 30 萬噸，裝置運轉(zhuǎn)市場為 8000 小時 /年。本裝置焚硫采用機械噴嘴霧化的噴霧式焚硫爐，采用國產(chǎn)催化劑、“ 3+2”兩 次轉(zhuǎn)化工藝。預計到“十二五”末期我國硫磺制酸產(chǎn)