【正文】 計(jì) 11 6 冷卻水 30℃ 1872 萬(wàn)噸 /年 主要危險(xiǎn)品性質(zhì) 該工藝 中所涉及的 原料 和產(chǎn)品有一定的危險(xiǎn)性，其主要危險(xiǎn) 物品 德性質(zhì)見(jiàn)表。至 2021 年我國(guó)硫磺制酸產(chǎn)能已達(dá)到 38000kt/a，產(chǎn)量為32980kt/a， 2021— 2021 年硫磺制酸產(chǎn)能、產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率分別為 %， %。本裝置的產(chǎn)品是符合一等品指標(biāo)濃度為 98%的濃硫酸。到 20 世紀(jì) 90 年代以后，隨著我國(guó)有色冶煉行業(yè)的發(fā)展，以及國(guó)際硫磺價(jià)格的下降和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，硫磺制酸在制酸工業(yè)中占據(jù)了非重要的地位。 80年代后期，我國(guó)開(kāi) 發(fā)了幾種回收利用低溫廢熱的方法和技術(shù)： a. 加熱脫鹽水，提高進(jìn)除氧器的水溫，從而減少除氧器蒸汽消耗。 我國(guó)在硫磺制酸裝置的廢熱回收技術(shù)方面起步較晚。 b) 三塔兩槽循環(huán)流程有：干燥塔、一吸塔共槽，二吸塔單獨(dú)一槽循環(huán)流程；干燥塔、二吸塔共槽，一吸塔單獨(dú)一槽循環(huán)流程；兩個(gè)吸收塔共槽，干燥塔單獨(dú)一槽循環(huán)流程。 兩轉(zhuǎn)兩吸工藝也有多種流程，常見(jiàn)的有“ 3+2”五段轉(zhuǎn)化，“ 3+1”四段轉(zhuǎn)化，“ 2+2”四段轉(zhuǎn)化，“ 2+1”三段轉(zhuǎn)化。 焚硫爐 焚 硫爐一般為鋼制圓筒內(nèi)襯耐火磚和保溫磚的臥式結(jié)構(gòu)，爐內(nèi)設(shè)置多道擋墻及二次風(fēng)入口，以增強(qiáng)空氣與液硫霧化顆粒的混合，確保液硫在爐內(nèi)完全燃燒。特別是我國(guó)，硫磺回收和硫磺制酸發(fā)展迅速， 2021 年我國(guó)硫磺回收產(chǎn)能在 4000~5000kt/a，產(chǎn)量為 2870kt[7]。自 21 世紀(jì)有關(guān)部門人士到含硫化肥在糧食生產(chǎn)中的重要作用，并將發(fā)展含硫化肥放在了重要地位。我國(guó)硫磺制酸也正在向大型化發(fā)展。隨著中國(guó)高濃度磷 復(fù)肥和有色金屬的發(fā)展， 硫酸產(chǎn)量迅速增加。 國(guó)內(nèi)外硫酸工業(yè)概況 硫酸作為傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)基本化工原料， 自 18 世紀(jì)中葉工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，隨著炸 藥、染料工業(yè)的興起而迅速發(fā)展， 現(xiàn)今隨化肥工業(yè)、有色冶金、石油化工、紡織和國(guó)防工業(yè)、輕工業(yè)及其它有關(guān)工業(yè)的發(fā)展而不衰 [2]。 焚硫工段是本文 的 重點(diǎn)研究對(duì)象，本 文給出了 焚硫爐 的主 體 尺寸 的 計(jì)算方法和過(guò)程 ， 并 對(duì) 焚硫爐進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。 Aspen Plus process simulation。 生產(chǎn)硫酸的原料以硫磺為主， 冶煉煙氣次之， 兩者共占所用原料總量的90%以上，而使用硫鐵礦制酸在逐年減少 [2]。至 2021 年我國(guó)以硫鐵礦為原料的產(chǎn)酸量，仍占國(guó)內(nèi)硫酸產(chǎn)量的 3/ 4 左右 [1]。 硫酸市場(chǎng)分析 世界上肥料工業(yè)是硫酸的最大用戶，約占 60%，而磷肥生產(chǎn)又是硫酸的最大消耗部分。 2021 年我國(guó)硫酸裝置總產(chǎn)能約 68000k， t 生產(chǎn)量 57000k， t 占全球產(chǎn)量的 25. 7%[2]。 圖 硫磺制酸流程框圖 Fig Flow diagram of sulfuric acid from sulfuric 焚硫工段 焚硫工段的目的是將硫氧化生成 SO2，將精制液硫通過(guò)精硫泵加壓后，經(jīng)硫第一章 文獻(xiàn)綜述 磺噴槍機(jī)械霧化而噴入焚硫爐焚燒，所需的干燥空氣來(lái)自干燥塔 [10]。 焚硫爐布置 [12] 焚硫爐和廢熱鍋爐是相關(guān)設(shè)備，需要統(tǒng)一布置，由于兩臺(tái)設(shè)備的整體長(zhǎng)度都比較長(zhǎng)， 可根據(jù)場(chǎng)地的情況將兩臺(tái)設(shè)備平行布置或呈“ L”形布置。南化公司硫磺制酸裝置采用的是“ 3+2”五段轉(zhuǎn)化工藝。 關(guān)于各種循環(huán)流程工 藝的詳細(xì)講解請(qǐng)參照相關(guān)文獻(xiàn) [15]。 焚硫和轉(zhuǎn)化工段高中溫廢熱的回收系統(tǒng)一般設(shè)置，廢熱鍋爐，過(guò)熱器和省煤器。 孟山都環(huán)境化學(xué)公司在 80 年代后期開(kāi)發(fā)了硫酸高溫吸收產(chǎn)生低壓蒸汽的系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 HRS）。 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(shí)可以緩解國(guó)內(nèi)硫酸供給相對(duì)緊張的形勢(shì)。 設(shè)計(jì)依據(jù) ? 化工工廠 初步設(shè)計(jì)文件 內(nèi)容 深度 HG/T206882021 ? 2021 年南京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) ? 該裝置的可行性評(píng)估報(bào)告 ? 本項(xiàng)目的 環(huán)境影響 報(bào)告書(shū)及其批復(fù)文件 ? 職業(yè) 病危害預(yù)評(píng)價(jià)報(bào)告 及其批復(fù) 原文件 設(shè)計(jì)原則 由于化工廠的投資建設(shè)，要考慮到環(huán)境、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)可行性、人員等各方面的因素，所以參照以下設(shè)計(jì)原則。國(guó)內(nèi)硫酸工業(yè)的重心正由硫鐵礦制酸一步步轉(zhuǎn)移到硫磺制酸上來(lái)，該裝置的設(shè)計(jì)與建成不僅是響應(yīng)該行業(yè)的趨勢(shì)，更是本著保護(hù)環(huán)境節(jié)能減排的現(xiàn)代工業(yè)責(zé)任心。盡量采取可行的措施回收工藝流程中的余熱。這種合理性是從國(guó)民經(jīng)濟(jì)角度來(lái)考察的，因?yàn)閲?guó)家的資 源有限，要用有限的資源來(lái)獲得好的經(jīng)濟(jì)效益。所以磷石膏制酸可謂是緩解磷石膏污染的一種有效途徑。與傳統(tǒng)制酸工藝相比， WSA 工藝具有能效高和沒(méi)有副產(chǎn)品產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)， WSA 工藝中氣體不需要干燥，因而生產(chǎn)中沒(méi)有酸損失，也不產(chǎn)生酸性廢水。液 硫經(jīng)噴槍霧化后噴入爐內(nèi)，干空氣由前端進(jìn)氣口進(jìn)入，與霧化后的硫磺充分接觸燃燒。 出 轉(zhuǎn)化器（ R301） Ⅰ段催化劑層約 595℃的爐氣進(jìn)入 高溫過(guò)熱器（ B302） ，在此加熱出中 溫過(guò)熱器（ B303） 的蒸汽至 、 450℃送蒸汽集汽聯(lián)箱，經(jīng) 高溫過(guò)熱器 換熱后的爐氣降溫 至約 455℃進(jìn)入 轉(zhuǎn)化器 Ⅱ段催化劑層繼續(xù)進(jìn)行 SO2 的催化氧化反應(yīng)；出Ⅱ段催化劑層約 517℃的爐氣進(jìn)入熱熱換熱器（ E301），與來(lái)自第一 吸收塔 并經(jīng)冷熱換熱器（ E302）預(yù)熱的 SO2 爐氣換熱，降溫至 440℃后進(jìn)入 轉(zhuǎn)化器 Ⅲ段催化劑層反應(yīng)，出三段催化劑層約 458℃的爐氣依次進(jìn)入冷熱換熱器（ E302）和省煤器Ⅱ（ B303）降溫至 175℃，然后送入第一 吸收塔 吸收 SO3，則 SO2 完成一次轉(zhuǎn)化。 圖 是本工藝的流程簡(jiǎn)?？諝庵兴靠捎墒?43 算得。 ELECNRTL 物性方法是最通用的電解質(zhì)物性方法，它能處理很低和很高濃度的電解質(zhì)溶液，也能處理水溶液和混合溶劑系統(tǒng)。 表 硫磺制酸中的主要化學(xué)反應(yīng) Tab The main chemical reaction of sulfuric acid from sulfric Reaction Reaction Type Stoichiometry 1 Equilibrium S + O2 → SO2 2 Equilibrium SO2 + → SO3 3 Equilibrium SO3 + H2O → H2SO4 4 Equilibrium H2SO4 + H2O → HSO4 + H3O+ 5 Equilibrium HSO4 + H2O → SO42 + H3O+ 各模塊模型的選擇與設(shè)置 干燥塔 T401 （ 1）模型選擇 濃硫酸干燥濕空氣實(shí)質(zhì)上是一個(gè)物理吸收過(guò)程，本設(shè)計(jì)選擇 Radfrac 模型模擬計(jì)算干燥塔。 由于吸收過(guò)程發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)，即 SO3和 H2O 反應(yīng)生成硫酸，故需要對(duì) Radfrac進(jìn)行特別設(shè)置，具體設(shè)置如圖 和 所示。 本設(shè)計(jì)選擇 5 個(gè) RStoic 反應(yīng)器模擬轉(zhuǎn)化器。 （ 2）南化公司所提供的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或中式等數(shù)據(jù)，主要有： 1) 化工單元過(guò)程的主要化學(xué)反應(yīng)方程式、反應(yīng)物配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、總收率、催化劑狀態(tài)及加入配比量、催化劑是否回收使用、安全性能（爆炸上下線）等。 衡算任務(wù) 本工藝采取年開(kāi)工 8000 小時(shí)的連續(xù)操作，物料衡算的主要任務(wù)在于： （ 1）確定硫酸的實(shí)際產(chǎn)量以及質(zhì)量指標(biāo)、規(guī)格。系統(tǒng)中物料衡算一般表達(dá)式為： 系統(tǒng)中的積累 =輸入 輸出 +生成 消耗 式中，生成或消耗項(xiàng)是由于化學(xué)反應(yīng)而生成或消耗的量；積累量可以是正值，也可以是負(fù)值，當(dāng)系統(tǒng)中積累量不為零時(shí)稱為非穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)程；積累量為零時(shí)，稱為穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)程。第一段轉(zhuǎn)化器的設(shè)置如圖 和圖 。當(dāng)已知（或未知）化學(xué)反應(yīng)式而不知道反應(yīng)歷程和動(dòng)力學(xué)可行性時(shí)，可以使用 RGibbs 反應(yīng)器估算可能達(dá)到的化學(xué)平衡和相平衡結(jié)果。 圖 干燥塔設(shè)置 Fig The drying column setting 吸收塔 T402， T403 （ 1）模型選擇 工藝流程中的兩個(gè)吸收塔 T402， T403 均選用 Radfrac 模型進(jìn)行模擬。 STEAMTA 物性方法使用 1967 ASME 蒸汽表關(guān)聯(lián)式來(lái)計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)，使用水蒸氣國(guó)際協(xié)會(huì)（ IAPS）關(guān)聯(lián)式來(lái)計(jì)算傳遞性質(zhì)。 H3O+為酸性離子， H2O 和 H2SO4為電解質(zhì)系統(tǒng)， SO2， O2，N2 為亨利組分。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。為了維持干燥塔酸循環(huán)槽內(nèi) 95%酸濃，由吸收系統(tǒng)串入一部分 98%濃硫酸，在干燥塔循環(huán)槽內(nèi)，干燥塔下塔 ％酸和吸收系統(tǒng)串來(lái)的 98%酸混合，混合后，一部分由干燥塔酸循環(huán)泵送入干燥塔 酸冷卻器，冷卻至 50℃ 后送到干燥塔塔頂噴淋；多出的一部分酸串入第一吸收塔內(nèi)。 出焚硫爐（ F301）的爐氣進(jìn)入火管型余熱回收器（ B301），回收熱量后降溫至 415℃，再進(jìn)入轉(zhuǎn)化器（ R301）一段催化劑層，進(jìn)轉(zhuǎn)化的 SO2爐氣濃度控制在 %（摩爾濃度）左右。 隨著世 界石油化工的發(fā)展，化工生產(chǎn)中硫磺的回收量不斷增加，硫磺的市場(chǎng)價(jià)格也隨之下降，在這種環(huán)境下，硫磺制酸由于其裝置操作簡(jiǎn)單，并且擁有原料清潔，不產(chǎn)生礦渣或酸性污水，氣體 SO2濃度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此硫磺制酸在硫酸工業(yè)中所占的比重越來(lái)越大。但是到目前為止該生產(chǎn)工藝還存在很多實(shí)際問(wèn)題，工藝技術(shù)和設(shè)備都不夠成熟難以大量生產(chǎn)工業(yè)所需求得硫酸，并且生產(chǎn)成本也比較高。 硫鐵礦制酸是我國(guó)硫酸工業(yè)最重要的硫酸生產(chǎn)方法之一。 ? 盡可能選擇當(dāng)?shù)鼗蚋浇脑稀? 表 工業(yè)一等品 98%硫酸指標(biāo) Tab The indicator of industrial Grade sulfuric acid with 98%w/w 項(xiàng) 目 98%工業(yè)硫酸指標(biāo) H2SO4 ≥ 98% 灰分 ≤ ％ Fe ≤ % As ≤ % 透明度 ≥ 50mm 色 度 ≤ Hg ≤ % Pb ≤ % 本裝置每年生產(chǎn) 符合該標(biāo)準(zhǔn)的濃硫酸 30 萬(wàn)噸（折 100%硫酸計(jì)） 主要物料規(guī)格及消耗 本 工藝所需要的原料 用量 以及公用工程的消耗量列于表 。到 20 世紀(jì) 90 年代以后，隨著我國(guó)有色冶煉行業(yè)的發(fā)展，以及國(guó)際硫磺價(jià)格的下降和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，硫磺制酸在制酸工業(yè)中占據(jù)了非重要的地位。采用中壓余熱回收器、過(guò)熱器和省煤器回收焚硫和轉(zhuǎn)化工段的廢熱產(chǎn)生中壓過(guò)熱蒸汽。 作為重要的無(wú)機(jī)基礎(chǔ)化工原料，自其工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，其生產(chǎn)工藝不斷改善南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 和提高，產(chǎn)量更是迅速增長(zhǎng)。我國(guó) 80 年代前這些熱量都是由淋灑式鑄鐵排管冷卻后隨冷卻水帶到環(huán)境中?；厥盏臒崃恐蟹倭蚝娃D(zhuǎn)換部分的高溫廢熱約占 60%，干吸部分的低溫廢熱約占 40%[16]。 a) 三塔三槽為三塔各自設(shè)循環(huán)槽，循環(huán) 流程有：三塔各自獨(dú)立循環(huán)流程；二吸塔獨(dú)立循環(huán)，干燥塔和一吸塔交叉循環(huán)流程；一吸塔獨(dú)立循環(huán)，二吸塔和干燥塔交叉循環(huán)流程；干燥塔獨(dú)立循環(huán)，一吸塔和二吸塔交叉循環(huán)流程。與傳統(tǒng)的一轉(zhuǎn)一吸工藝相比 ，兩轉(zhuǎn)兩吸工藝具有以下特點(diǎn)： ○ 1 最終轉(zhuǎn)化率高： 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 ○ 2 能夠處理 ?(SO2)較高的爐氣； ○ 3 可以減少尾氣中 SO2的排放量； ○ 4 所需的換熱面積較大； ○ 5 系統(tǒng)阻力比一轉(zhuǎn)一吸工藝增加 4~5kPa。這兩種路程目前都有使用，南化公司硫磺制酸裝置采用的是塔后流程。 硫磺制酸 正如上一節(jié)所提到的，隨著我國(guó)際硫磺價(jià)格的下降和硫磺回收量的增加，硫磺制酸在硫酸產(chǎn)量中所占的比例也越來(lái)越大。 1999 年國(guó)家化肥生產(chǎn)計(jì)劃安排 3000 萬(wàn)噸 (折純 ) ，其中磷肥 660 萬(wàn)噸 [1]。 目前世界各國(guó)硫酸工程都趨向于大型化發(fā)展， 進(jìn)入 21 世紀(jì)的幾年中， 全球建成規(guī)模最大的硫酸生產(chǎn)裝置， 在硫磺制酸方面，單系列最大規(guī)模已達(dá)4500t/d。新中國(guó)建立后，尤第一章 文獻(xiàn)綜述 其是 20 世紀(jì) 80 年代以后，硫酸工業(yè)獲得了快速地發(fā)展 [6]。 生產(chǎn)硫酸的原料主要有硫鐵礦、硫磺、石膏、硫化氫、有色金屬冶煉煙氣、廢酸和各種含硫排放物，全世界硫資源近 90%用于生產(chǎn)硫酸 [1]。本文 介紹了使用Aspen Plus 流程 模擬軟件 模擬 主要裝置的方法， 并對(duì) 整個(gè)流程進(jìn)行了模擬 ， 對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行了 物料衡算和 能量衡算。 burning sulfur furnace 目錄 摘要 ................................................................................................. I Abstract ....................................................................................... III 第一章 文獻(xiàn)綜述 ........................................................................... 1 硫酸簡(jiǎn)介 .....................................................................