【正文】 吸收系統是用濃硫酸吸收由焚硫轉化工段來的 SO3氣體。轉化工段分兩次轉化，吸收過程也有兩次吸收過程 : 一次轉化來的 SO3氣體，從第一吸收塔下部進入，第一吸收塔上部噴淋 98%濃硫酸，氣體與液體逆向接觸， 98％酸吸收爐氣中 SO3后，濃度達到約 %，自塔底排至吸收塔酸循環(huán)槽中。二次轉化來的 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，經成品酸冷卻器冷卻至 40℃ 后送成品酸貯罐貯存。 圖 是本工藝的流程簡。 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 數據計算 已知 基礎 文獻 數據 （ 1）產品規(guī)格： 98％硫酸 （ 2）產品規(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）當地大氣溫度： 28℃ （ 5）當地大氣壓： （ 6）當地年平均相對濕度： 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： ％ 基礎數據計算 （ 1）液硫進料量 Fs（ kg/h） 根據產品規(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數據 12277kg/h 相當一致，這里取南化公司提供的數據。 （ 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。該式計算的是燃燒 1t 硫磺所需的干空氣量。 錯誤 !未找到引用源。 (42) 將硫磺用量 ，計算出 V（空氣）（硫） =，與南化公司所 提供的實際生產數據 87737Nm3/h 有一定的出入，這里取南化公司所提供的數據。 FAir=V（空氣）（硫） /=。 （ 3）濕空氣中的水含量 FH2O 查物化數據表得： 28℃時飽和水蒸汽的蒸汽壓為 。空氣中水含量可由式 43 算得。 (43) 所得數據與南化公司所提供的實際生產數據 122kmol/h 很接近，計算時取南化公司所提供的數據。 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。 Electrolytes Expert System 用于生成離子和離子反應。 H3O+為酸性離子， H2O 和 H2SO4為電解質系統， SO2， O2，N2 為亨利組分。此外，為方便模擬及閱讀，計算結果表達方式為表觀組分。模擬中體系的真實組分見圖 。 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，故全局物性方法選擇“ ELECNRTL”。 ELECNRTL 物性方法是最通用的電解質物性方法，它能處理很低和很高濃度的電解質溶液，也能處理水溶液和混合溶劑系統。 ELECNRTL 利用 ElectrolyteNRTL 活度系數方程計算非理想電解質溶液的物性。此外，亨利定律用于計算 SO2， O2， N2 在硫酸中的氣體溶解度。 IDEAL 用于計算反應單元和換熱單元中氣相的物性。 STEAMTA 物性方法使用 1967 ASME 蒸汽表關聯式來計算熱力學性質，使用水蒸氣國際協會（ IAPS）關聯式來計算傳遞性質。該物性方法用于計算純水和水蒸氣性質，溫度范圍為 ~1073K， 最大壓力為 1000bar。本設計涉及公用工程為冷卻水和蒸汽，溫度和壓力滿足該物性方法使用范圍，故選擇STEAMTA 計算水與水蒸氣所有的熱力性質。 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 。 表 硫磺制酸中的主要化學反應 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置 干燥塔 T401 （ 1）模型選擇 濃硫酸干燥濕空氣實質上是一個物理吸收過程，本設計選擇 Radfrac 模型模擬計算干燥塔。 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 干燥塔為常壓操作，全塔壓降為 300mmH2O，經優(yōu)化后確定塔板數為 6 塊，濕空氣從第六塊塔板下方進料，硫酸由塔頂進料。 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 。 圖 干燥塔設置 Fig The drying column setting 吸收塔 T402， T403 （ 1）模型選擇 工藝流程中的兩個吸收塔 T402， T403 均選用 Radfrac 模型進行模擬。 （ 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。兩塔塔板數均為 6 塊，氣體均從第 6 塊板下方進料， 98%硫酸均為塔頂噴淋。此外，第一吸收塔 T402 還是用 95%硫酸進行吸收，第 3 塊板進料。 由于吸收過程發(fā)生化 學反應，即 SO3和 H2O 反應生成硫酸，故需要對 Radfrac進行特別設置，具體設置如圖 和 所示。 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，過程中產生低級硫氧化物（中間產物） 、 SO2 和 SO3 等，而具體的可能發(fā)生的反應不能 確定。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。 RGibbs 反應器根據系統的 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組成和相分布。當已知（或未知）化學反應式而不知道反應歷程和動力學可行性時，可以使用 RGibbs 反應器估算可能達到的化學平衡和相平衡結果。 （ 2）模型設置 硫磺燃燒反應條件為恒壓絕熱，產物為 SO2和 SO3等。模擬中，反應器設置如圖 和 。 第四章 流程計算與模擬 圖 反應條件設置 Fig Reaction conditions setting 圖 反應產物的設置 Fig Reaction products setting 轉化器 R15 （ 1）模型選擇 轉化器分 五段轉化，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化器。 本設計選擇 5 個 RStoic 反應器模擬轉化器。 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。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 。 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。第一段轉化器的設置如圖 和圖 。 圖 第一段轉化器操作條件設置 Fig Operating condition of the first reformer paragraph setting 圖 第一段轉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、轉化器、干燥塔和吸收塔等關鍵設備的模擬后，并根據南化公第四章 流程計算與模擬 司所提供的余熱回收系統，進行了全流程工藝模擬。圖 49 為全流程模擬截圖。 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 （ 1）設計任務書中確定的技術方案、產品生產能力、年工作時及操作方法。 （ 2）南化公司所提供的要求、設計參數及實驗室試驗或中式等數據，主要有： 1) 化工單元過程的主要化學反應方程式、反應物配比、轉化率、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。 2) 原料及產品的分離方式，各步的回收率，采用物料分離劑 時，加入分離劑的配比。 3) 特殊化學品的物性，如沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。 衡算方法 物料衡算是根據質量守恒定律，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。系統中物料衡算一般表達式為： 系統中的積累 =輸入 輸出 +生成 消耗 式中，生成或消耗項是由于化學反應而生成或消耗的量；積累量可以是正值，也可以是負值，當系統中積累量不為零時稱為非穩(wěn)定狀態(tài)過程；積累量為零時，稱為穩(wěn)定狀態(tài)過程。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 物料衡算包括總質量衡算、組分衡算和元素衡算。各種衡算方法的適用情況如表 所示。 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 總質量衡算式 適用 適用 總物質衡算式 適用 不適用 組分衡算式 組分質量衡算式 適用 不適用 組分物質的量衡算式 適用 不適用 元素原子衡算式 元素原子質量衡算式 適用 適用 元素原子物質的量衡算式 適用 適用 本工藝主要采用，總質量衡算的方法，同時列出各組分的質量流量以便于查找和計算。 衡算任務 本工藝采取年開工 8000 小時的連續(xù)操作，物料衡算的主要任務在于： （ 1）確定硫酸的實際產量以及質量指標、規(guī)格。 （ 2）確定 硫磺和空氣