【正文】 2）各種自然規(guī)律； 3）安全要求； 4）衛(wèi)生要求； 5）資源情況； 6）各種必須遵循的標準和規(guī)范； 7）經(jīng)濟要求，經(jīng)濟可行。 原料及產(chǎn)品方案 本套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。 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。 ? 工藝技術的先進性。 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]。但是 WSA工藝也有其局限性。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。 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 轉化器 Ⅱ、Ⅲ段的反應熱升溫至約 420℃后進入 轉化南京工業(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），則完成二次轉化和吸收（ SO2 最終設計轉化率為 %），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。 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）轉化各段轉化率： 64％、 87％、 94％、 ％、 ％ （ 12）轉化各段進口溫度： 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最終轉化率為 %， SO3總的吸收率 為 %，可計算出液硫進料量為： (41) 所得結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)。 (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)。 ELECNRTL 利用 ElectrolyteNRTL 活度系數(shù)方程計算非理想電解質溶液的物性。 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。 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。 RStoic 反應器按照化學反應方程式的計量關系進行反應，分別指定每個反應的轉化率，不考慮熱力學可能性和動力學可行性。 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。 （ 2）確定 硫磺和空氣 。 衡算方法 物料衡算是根據(jù)質量守恒定律，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。 表 各段轉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 總轉化率 ％ 64 87 94 各段轉化率 ％ 64 85 進口溫 度 ℃ 420 455 440 422 420 （ 2）模型設置 轉化器各段壓降均為 150mmH2O，以第一段轉化為例說明 Rstoic 的設置，其它反應器設置類似。 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。 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 。 IDEAL 用于計算反應單元和換熱單元中氣相的物性。 Electrolytes Expert System 用于生成離子和離子反應。該式計算的是燃燒 1t 硫磺所需的干空氣量。 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。爐膛內(nèi)操作溫度控制在 1000℃左右。二是 SO2轉化率受限制，最為一轉一吸工藝， WSA 工藝的 SO2/SO3的平衡曲線將 SO2 轉化率限制在 %~%。之后國內(nèi)外均在磷石膏生產(chǎn)硫酸的技術上有所發(fā)展。 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?；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 量的穩(wěn)定可靠地供應是進行正常生產(chǎn)的基本條件。具體如表 。 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 次轉化工藝。 論文 設計項目內(nèi)容 與 意義 本文 設計項目 為 300 kt/a 硫磺制酸裝置 ，原料為揚子石化 等 裝置回收下來的液體硫磺。 對于干吸工段低溫廢熱的回收，由于品味較低，回收利用在技術上比較困難。除裝置散熱、平排氣等損失外，其余熱量理論上均可回收利用?；侵扑嵫b置的干吸工藝流程按設備配置的不同，可分為三大類：三塔三槽循環(huán)流程，三塔兩槽循環(huán)流程和三塔一槽循環(huán)流程 [14]。 自從 20 世紀 60 年代以來，硫酸生產(chǎn)中 SO2轉化工藝的技術進步是采用兩次轉化、兩次吸收工藝，簡稱兩轉兩吸。塔后流程的優(yōu)點是鼓風機的壓縮熱帶入焚硫爐，可多產(chǎn)生蒸汽，同時可以減少干燥塔循環(huán)水的用量 [12] 。隨著全球對硫酸需求量的不斷增加，硫酸產(chǎn)品會有更廣的市場前景。 1998年全國化肥產(chǎn)量 273616 萬噸 ，比 上年增長 %，其中磷肥 51515929 萬噸 ，前 7 個月磷酸鹽產(chǎn)量增長 4%，全年硫酸產(chǎn)量比上年增長 %。預計到“十二五”末期我國硫磺制酸產(chǎn)能將達到 47000~50000kt/a，產(chǎn)量約 40000kt/a[7]。 我國的硫酸工業(yè)起始于 19 世紀 70 年代，當時產(chǎn)量很少。 常用的稀硫酸濃度為 15%和 20%左右，濃硫酸濃度一般為 93%和 98%酸，發(fā)煙酸濃度常用為 %和 %。 I 畢業(yè)論文 (設計 ) (2021 年 ) 課題名稱 300kt/a 硫磺制酸裝置 焚硫轉化工段 焚硫爐工藝設計 300kt/a 硫磺制酸裝置焚硫轉化工段 焚硫爐工藝設計 摘要 本文 論述了硫磺制酸生產(chǎn)裝置的 工藝 流程與建設意義 。 硫酸按濃度分，一般分為稀硫酸（密度小于 ）、濃硫酸（密度約為）和發(fā)煙硫酸（密度大于 ）。 1995 年，以硫鐵礦為原料的硫酸產(chǎn)量為20210kt 左右，占硫酸總產(chǎn)量的 13%； 1997 年，除中國以外，其余地區(qū)以硫鐵礦為原料的硫酸產(chǎn)量下降了 8%[34]； 1998 年全球硫鐵礦產(chǎn)量 6270kt(折 100%硫， 下同 )，硫鐵礦制酸的產(chǎn)量約 18000kt； t 2021 年全球硫鐵礦產(chǎn)量降至 5730kt，僅為所有形態(tài)硫總生產(chǎn)量的 %[2]。至 2021 年我國硫磺制酸產(chǎn)能已達到 38000kt/a，產(chǎn)量為 32980kt/a， 2021— 2021 年硫磺制酸產(chǎn)能、產(chǎn)量年均增長率分別為 %， %。 1995 年化肥生產(chǎn)用酸占硫酸總產(chǎn)量的 %(其中磷肥占 %、硫酸銨占 %) ， 1997 年占全年硫酸總產(chǎn)量的 %。 21世紀的這十年中，特別是我國的硫酸工業(yè)更是發(fā)展迅速，硫酸產(chǎn)量不斷提高。 根據(jù)空氣鼓風機的布置不同可分為：塔前流程，即鼓風機布置在干燥塔上游，風機進口為濕空氣，它對鼓風機的耐腐蝕要求低；塔后流程，即將鼓風機布置在干燥塔下游，風機進口為干燥空氣（含微量酸霧），它對鼓風機耐腐性要求較高，氣量比塔前流程大，相應的干燥塔直徑稍大。 轉化工段平 轉化工段的任務是將 SO2轉化成 SO3，由焚硫爐出來的含有 SO2的高溫氣體，首先進入廢熱鍋爐回收熱量，溫度降低后進入轉化器，在催化劑上反應生成 SO3。吸收塔用來吸收由轉化器出來的 SO3。 第一章 文獻綜述 廢熱回收 在硫磺制酸過程中，從硫磺燃燒生產(chǎn)二氧化硫、二氧化硫催化氧化生成三氧化硫到三氧化硫吸收生成硫酸，每一步反應都是放熱的，總得反應熱約 500kJ/mol硫酸。一般在焚硫爐后設有廢熱鍋爐，目前多采用火管鍋爐，在轉化工段設有過熱器和省煤器。該裝置的應用，使得廢熱的回收率從傳統(tǒng)裝置的 70%提高到 93%[18]。 第二章 總論 第二章 總論 項目概述 本文設計一套年產(chǎn) 30 萬噸的硫磺制酸裝置，本裝置的原料采用樣子石化等裝置硫回收下來的液體硫磺，原料的質量和數(shù)量有保障。 （ 2）設計考慮的內(nèi)部約束條件： 1）生產(chǎn)技術：技術軟硬件的來源、技術成熟程度、價格和使用條件； 2）材料： 原材料、建筑材料、關鍵設備等供應的難易； 3）時間：允許和需要的設計時間； 4）人員：素質和數(shù)量； 5）產(chǎn)品規(guī)格； 6）建設單位的具體要求； 7）建廠地區(qū)的具體情況。 產(chǎn) 品規(guī)格為 98%的工業(yè)硫酸， 98%工業(yè)硫酸質量符合國家標準 GB534/T2021一等品指標。 工藝路線選擇 工藝路線選擇原則 ? 原料來源的可靠性。技術的先進是指項目建設投資后，生產(chǎn)的產(chǎn)品質量指標、 產(chǎn)量、運轉的可靠性及安全性等既先進又符合國家標準。 1986 年Lurgi 公司開發(fā)成功循環(huán)流化床節(jié)能型磷石膏熱分解法制硫酸和聯(lián)產(chǎn)水泥技術并進行了中試，其磷石膏分解率達 99%。一是原料氣體濃度受限制，考慮到 WSA 冷卻器的結構和材料，不可能處理硫酸露點高于 260℃的氣體，這相當于進轉化器的 SO2不能高于6%~7%。為防止硫磺燃燒不完全，設有二次風，用于補充氧量和調(diào)節(jié)爐溫，促使反應完全，不致產(chǎn)生升華硫。 干吸工段 空氣通過空氣過濾器過濾后由干燥 塔下部進入干燥塔， 95％濃硫酸從干燥塔上部進入干燥塔，與空氣逆向接觸， 95%濃度的酸吸收水分后，濃度下降到約%左右，從塔底部流入干燥塔酸循環(huán)槽，空氣從塔頂部出，含水量在 以下，進入空氣風機升壓后進入焚硫轉化工段焚硫爐與液硫混合燃燒。 （ 2）干空氣量 FAir 已知焚硫爐出口 SO2 的濃度為 %， SO3 為 %，可由式 41 計算工藝所第四章 流程計算與模擬 需的干空氣進料量。 組分設置 因為體系含有電解質，使用 Aspen Plus 模擬時，輸入 S， SO2 等基礎組分后，需要使用電解質向導 Elec Wizard 進行組分設置。此外，亨利定律用于計算 SO2， O2， N2 在硫酸中的氣體溶解度。 （ 2）模型設置 干燥塔為常壓操作，全塔壓降為 300mmH2O，經(jīng)優(yōu)化后確定塔板數(shù)為 6 塊，濕空氣從第六塊塔板下方進料，硫酸由塔頂進料。硫磺燃燒發(fā)生在焚硫爐中，本設計選擇 RGibbs 反應器模擬焚硫爐。南化公司提供了各段轉化率和南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計 23 進口氣體溫度見表 。 3) 特殊化學品的物性，如沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等