【導讀】硫酸生產(chǎn)工藝主要由五部分組成，包括二氧化硫氣體的制取，爐氣的凈化，二氧化硫氣體的轉(zhuǎn)化，三氧化硫氣體的吸收以及尾氣的處理。本設(shè)計采用二塔二電流程，以年產(chǎn)20萬噸硫酸車間凈化工段工藝設(shè)計，然后以凈化工段為重點，對相關(guān)設(shè)備進行了計算。

　　

【正文】 轉(zhuǎn)化換熱需要的面積急劇增大，對已有裝置，換熱面積以定，當 SO2含量降到一定限度時，由于熱損失超過反應(yīng)放熱會使轉(zhuǎn)化系統(tǒng)無法維持自然平衡。 為了確保在“ 3+2”工藝下總轉(zhuǎn)化率≥ %,本設(shè)計中的 O2/SO2比不能低于,若 O2/SO2比值過大 ,會使風機裝機容量增大，導致成本增大，綜合上述多種因數(shù)，本設(shè)計將轉(zhuǎn)化器進口 SO2的含量定為 %,O2/SO2比值為 。 轉(zhuǎn)化器一段入口氣體的溫度 從圖 可知在多段反應(yīng)過程中，第一段絕熱操作線偏離最佳溫度線較遠。這是因為 ,如使第一段在最佳溫度附近操作，則第一段進氣溫度將很高，很容易使催化劑過熱失活，而且由于受平衡轉(zhuǎn)化率的限制，第一段的轉(zhuǎn)化率將很低； 相反，如使操作溫度偏離最佳溫度線遠一點， 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 22 可在一段獲較高的出口轉(zhuǎn)化率，且不會因為反應(yīng)速率下降，使催化劑用量 大幅度增加。這因為在第一段 SO O2含量較高，采用較低進口溫度，一段反應(yīng)速率亦很快，催化 劑用量不會因降溫增加很多。故實際生產(chǎn)中不要求第一段按最佳溫度操作，而是使進口溫度盡量低，使其接近催化劑起燃溫度，以獲得高轉(zhuǎn)化率，減少轉(zhuǎn)化段數(shù)。此外，第一段溫度越低，預(yù)熱爐使用的換熱面積亦越少。因此，對于 S105 型和 S107 型低溫釩催化劑，進氣溫度一般接近 400℃；對于 S 101 型中溫催化劑一般接近 420℃。因本設(shè)計中轉(zhuǎn)化器一段中采用國產(chǎn)S101 型催化劑 ,為了確保催化劑的溫度使用范圍 ,經(jīng)計算本設(shè)計中一段進口溫度為 410℃ ,又因本設(shè)計采用的是五段轉(zhuǎn)化 ,最終轉(zhuǎn)化率為 %,轉(zhuǎn)化器各段進口溫度和轉(zhuǎn)化率見表 。 表 轉(zhuǎn)化器各段進口溫度和轉(zhuǎn)化率 轉(zhuǎn)化段序號 工藝條件項目 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 所用催化劑 S101 S101 S101 S101 S107 進口溫度，℃ 410 430 430 420 410 累計轉(zhuǎn)化率，％ 62 80 95 ≥ 工藝設(shè)備 [3] 轉(zhuǎn)化工段的主要工藝設(shè)備 我國目前采用較多的轉(zhuǎn)化器型式大體有外部換熱型轉(zhuǎn)化器，內(nèi)部換熱型轉(zhuǎn)化器、臥式內(nèi)部換熱型轉(zhuǎn)化器、徑向轉(zhuǎn)化器等四大類型。無論采用何種型式轉(zhuǎn)化器， 都必須充分考慮以下五個因素： 轉(zhuǎn)化器設(shè)計應(yīng)使 SO2轉(zhuǎn)化反映盡可能地在接近于適宜溫度的條件下進行，單位硫酸產(chǎn)量需用觸媒量要少，一段出口溫度不超過 600℃ 轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)能力要大，單臺轉(zhuǎn)化器能力要與全系統(tǒng)能力配套，不要搞多臺轉(zhuǎn)化器 靠 SO2反應(yīng)放出的熱量，應(yīng)能維持正常操作，不要從外部補充加熱，亦即要吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 23 求達到“自然”平衡。 設(shè)備阻力要小，并能使氣體分布均勻，以減少動力消耗。 設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)便于制造、安裝、檢修和操作，要力求簡單，使用壽命長，投資要少。 本設(shè)計采用外部換熱型轉(zhuǎn)化器。此種轉(zhuǎn)化器外殼用鋼板焊制而成、平底。錐形頂蓋 ，四周在不同標高處開有扇形氣體進出管道的接口和入門，直徑? 7— 9m，高度 16— 20m,觸媒填裝量 100— 125m3，每臺轉(zhuǎn)化器的能力日產(chǎn) 100%H2SO4 500— 900t，二氧化硫濃度 8%，轉(zhuǎn)化率在 96%— %。 為了防止腐蝕及變形，轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的支柱，隔板均為生鐵鑄制或用低銅鑄鐵鑄制。轉(zhuǎn)化器頂蓋幾殼體內(nèi)壁，為了防止生成氧化鐵皮，一般噴 — ㎜厚的鋁，只要打砂除銹工序處理的好，噴鋁后可有效地防止高溫腐蝕，使用壽命可達 20年以上，是一種良好可靠的防 腐方法。轉(zhuǎn)化器上端在氣體進口處，裝有不銹鋼制分布板，上面鉆有很多小孔，板直徑比進氣口大 200 ㎜左右，主要作用是防止氣流直接沖吹觸媒層，并使氣體分布均勻。這塊分布板是用長絲桿螺絲固定的，水平位置可根據(jù)氣流分布情況加以調(diào)整。 本設(shè)計中轉(zhuǎn)化器規(guī)格：ф 5850mm 16274mm，催化劑裝填量 80m３ 轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu) :采用鋼殼內(nèi)襯耐火磚及內(nèi)表面噴鋁的隔熱防腐結(jié)構(gòu)。 用于二氧化硫轉(zhuǎn)化工序的換熱器有各種形式，其中以管殼式用的最普遍 ,換熱器外殼由 8～ 14mm厚的鋼板卷焊而成 ,管束是無縫鋼管，一般用脹接法 固定在上下花板上。管群間設(shè)有圓形擋板，使氣體折流橫向的穿過管群，以提高傳熱效率。擋板通常有 0～ 4 塊，常為偶數(shù)。為了使氣體流動均勻 ,不產(chǎn)生死角并減少阻力，圓缺形擋板弓形部分不排列管子，折流板切去率約為 。為了減少轉(zhuǎn)化氣對設(shè)備的腐蝕和易于清理催化劑粉末對設(shè)備的堵塞 ,一般熱氣流從上向下，冷氣流由下向上流動，也就是說 SO3氣體走管內(nèi)自上而下， SO2氣體走管間，自下而上。 圖 管殼式換熱器 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 24 1外殼 2膨脹節(jié) 3管束 4上花板 5下花板 6擋板 7人孔 8耐酸泥或耐火泥 為防 止溫度變化引起殼體變形或斷裂，在殼體的 1/2～ 1/3 處設(shè)有膨脹節(jié)。為防止原料氣帶入酸沫沖刷腐蝕 ,延長使用壽命 ,可采用在殼程氣體進口處的管子外加擋板或擴大氣體進口氣道的辦法。換熱器性能好壞，應(yīng)該用兩相指標來衡量，其一是“換熱面定額”要小，即每天每產(chǎn)生 1t酸所需換熱面積要小。其二是換熱器單位壓降的傳熱系數(shù)要大。強化管殼式換熱器，可從管內(nèi)和管間 (殼程 )兩方面著手。提高管內(nèi)傳熱效果，通常采用提高氣速及將管子經(jīng)特殊加工成異形管，以增加氣體在管內(nèi)的湍流程度，從而加大管內(nèi)氣體的給熱系數(shù)。提高殼程傳熱效果是在殼程加折流擋板 。 本設(shè)計中熱換熱器規(guī)格 :ф 2180mm 7800mm F=578 ㎡ 冷換熱器 1:ф 2680mm 8310mm F=696 ㎡ 冷換熱器 2:ф 2680mm 8310mm F=1010 ㎡ 空氣預(yù)熱器 : ф 2680mm 3750mm F=200 ㎡ c 省煤器 [4] 在硫磺制酸過程中 ,進吸收塔前的 SO3 煙氣溫度 (170～ 250℃ )接近于露點溫吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 25 度，很容易造成低溫廢熱回收設(shè)備的露點腐蝕。在實際生產(chǎn)過程中，通常利用普通省煤器回收 SO3煙氣的低溫廢熱，在省煤器的給 水進口處極易發(fā)生露點腐蝕。考慮到露點腐蝕問題 ,在本設(shè)計中將采用熱管省煤器。這是由于熱管省煤器防低溫冷凝腐蝕性好；熱管具有單根獨立性，即使幾根損壞，僅有少量管內(nèi)工質(zhì)漏入爐氣中 ,不會造成整臺設(shè)備或后續(xù)設(shè)備的腐蝕，系統(tǒng)不必因此停工；可將進吸收塔爐氣溫度降至 130～ 180℃ ,這是目前其它廢熱利用設(shè)備難以做到的；熱管元件兩段端可以自由伸縮 ,解決了熱膨脹應(yīng)力問題；熱管的安裝檢修十分方便 . [5,6] 硫磺制酸裝置以投資少、污染小、見效快的特點 ,成為近幾年許多企業(yè)投資的熱點。從近幾年來投產(chǎn)的幾套 硫磺制酸裝置的運行情況來看，只要控制好熔硫部分液體硫磺的溫度及入焚硫爐的硫磺量，爐氣中的二氧化硫濃度就能得到有效控制。 由于硫磺制酸工藝流程比較簡單、設(shè)備布局比較緊湊，故儀表設(shè)計采用集中控制較好。全部儀表集中到一個控制室 ,有利于各工段操作人員聯(lián)系，對工藝操作有利，亦比較美觀。當電氣專業(yè)的控制柜集中在同一個控制室內(nèi)時，應(yīng)考慮儀表柜有良好的接地網(wǎng)及與電氣專業(yè)設(shè)備的屏蔽。儀表檢測及控制的內(nèi)容一般依賴于工藝條件。自控專業(yè)設(shè)計檢測及控制的原則 :在滿足工藝要求的前提下，根據(jù)不同類型、不同廠家儀表的實際運行效果，作出準確 的選型，以保證儀表運行過程中的可靠性。 綜合本設(shè)計的具體情況，現(xiàn)將有關(guān)儀表的設(shè)計點敘述如下。 1） 轉(zhuǎn)化器一段進口 SO2濃度的自動連續(xù)測量 依據(jù)轉(zhuǎn)化器一段進口 SO2濃度的高低控制焚硫爐入口的噴磺量，達到進轉(zhuǎn)化器一段 SO2 濃度的穩(wěn)定，因此在轉(zhuǎn)化器一段進口設(shè)計安放流量自動控制儀表 ,二氧化硫濃度的自動連續(xù)測量記錄儀表。 2）轉(zhuǎn)化器一 、 四段進口氣體溫度的自動調(diào)節(jié) 因為一 、 四段進口氣體溫度對穩(wěn)定操作和提高 SO2轉(zhuǎn)化率有很大影響，因此設(shè)計了相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。選用一段進口調(diào)節(jié)閥時應(yīng)考慮其耐溫性能。 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 26 其相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)見圖 : 給定信號 偏差信號 控制信號 圖 進口氣體溫度的自動調(diào)節(jié) 3） 溫度顯示儀表 轉(zhuǎn)化器溫度測量點比較多，測溫儀表應(yīng)正確地選擇測量范圍并有比較高的精度。本設(shè)計將采用 2臺記錄儀表（ 6 點記錄儀）來分別顯示記錄 15 段進出口溫度，測量范圍 0600℃ 。其余各點采用單點數(shù)字顯示儀。 4） 壓力顯示儀表 在本設(shè)計中，除了安裝溫度顯示儀表，還將在轉(zhuǎn)化器每段進口安裝壓力顯示儀表，其目的是為了了解氣 體進入轉(zhuǎn)化器每段床層時的壓力，以次來分析催化劑床層的阻力。 工藝計算 [1,3] 原料名稱 : 硫磺 產(chǎn)品名稱 : 硫酸 產(chǎn)品規(guī)格 : 純度 98% 生產(chǎn)能力 : 200Kt/a 工作時間 : 300d/a 24h/d 原料硫磺進料流量的確定 (在生產(chǎn)中 SO3的吸收率為 %): S ～ SO2 ～ SO3 ～ H2SO4 1 1 1 1 FS %FSO2 %FSO3 (80 106 98%)/98 300 24 則 :FSO3=調(diào)節(jié)器 執(zhí)行機構(gòu) 轉(zhuǎn)化器 熱電偶 變送器 記錄儀 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 27 FSO2= FS=取基準 : 進料空氣為 100 Kmol/h ,則 O2 為 21 Kmol/h ,N2 為 79 Kmol/h ? S ＋ O2 = SO2 ＋ Q 的轉(zhuǎn)化率為 100% ,轉(zhuǎn)化爐進口的氣體含量為 SO2 ,% ； O2 ,% ,N2 ,79% 則 FSO2=100 %= Kmol/h FO2=100 %= Kmol/h FN2==79 Kmol/h 由上反應(yīng)式可知 ,進料硫蒸氣為 Kmol/h 物料衡算 進一段 :FSO2= Kmol/h FO2= Kmol/h FN2= Kmol/h 出一段 (進二段 ):FSO2= ()=FSO3= = Kmol/h FO2=()=FN2= Kmol/h 出二段 (進三段 ):FSO2= ()=FSO3= =223Kmol/h FO2=(233/2)= Kmol/h FN2=出三段 :FSO2= ()= Kmol/h FSO3= = Kmol/h FO2=()= Kmol/h FN2= Kmol/h 進四段 :考慮三段出口氣體經(jīng)冷換熱器后去第一吸收塔 ,因 SO3的吸收率為不低于%,因而可認為在吸收塔中 SO3全部被吸收 ,而 SO2 ,O2 ,N2的量不變 FSO2= Kmol/h FO2=吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 28 FN2= Kmol/h 出四段 (進五段 ):FSO2= ()=FSO3= = Kmol/h FO2=()= Kmol/h FN2= Kmol/h 出五段 :FSO2= ()= Kmol/h FSO3= = Kmol/h FO2=()= Kmol/h FN2= Kmol/h 表 轉(zhuǎn)化器的物料衡算 進一段 Kmol Kg m3 V% SO2 17840 6244 O2 N2 ? 100 出一段（進二段） SO2 SO3 O2 N2 ? 100 出二段（進三段） SO2 SO3 223 7136 O2 N2 ? 100 出三段 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 29 SO2 SO3 8474 O2 N2 ? 100 進四段 SO2 O2 N2 ? 100 出四段（進五段） SO2 SO2 O2 N2 ? 100 出五段 SO2 SO3 O2 N2 ? 100 能量衡算 氧 ,二氧化硫 ,三氧化硫 ,氮氣在任意平均溫度 T 下的摩爾熱容的表達式為 O2 : CP=(+ 10－ 10 5/T2)SO2 : CP=(+10 － 10 5/T2) KJ/Kmol 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 30 SO3 : CP=(+－ 105/T2) KJ/Kmol N2 : CP=+ 10－ 10－ 6T2 KJ/Kmol 1)一段進口 由上述表達式計算 0～ 410℃時的 SO2 ,O2 ,N2 的平均摩爾熱容如下 : SO2 : KJ/Kmol O2 : N2 : KJ/Kmol 溫度為 410℃ ,進一段氣體每升高 1℃所需熱量 : SO2 : =℃ O2 : = KJ/℃ N2 : = KJ/℃ 則爐氣每升高 1℃所需總熱量為 ? =++= KJ/℃ 則爐氣帶入的熱量為 Q1進 =410= KJ 一段出口溫度的確定 SO2 + 1/2O2 = SO3 + Q 在 0℃時 Q=96162 ,又 Q 隨溫度變化而變化，在溫度 400～ 700℃之間 ,反應(yīng)熱量可用下式計算： Q= 式中 , T : 絕對溫度， K 放出的反應(yīng)熱使 轉(zhuǎn)化氣體溫度升高，反應(yīng)熱的大小與氣體中 SO2含量有關(guān)。由于反應(yīng)放熱 ,氣體經(jīng)過每層觸媒后溫度升高 ,可用下式計算 : t = t0 + ? (X X0) 式中 ,t : 氣體出觸媒層的溫度 t0 : 氣體進觸媒層的的溫度 X : 氣體出觸媒層時的轉(zhuǎn)化率 X0 : 氣體進觸媒層時的轉(zhuǎn)化率 ? : 絕熱溫升系數(shù) ,由開始氣體的組成確定 查表可得 SO2 : 時 ? =308 t1=410+308()=℃ 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 31 反應(yīng)時平均溫度 t1m=2 ?=℃ 計算 0601℃的 SO2,SO3 ,O2,N2 的平均摩爾熱量如下 : pmC? : SO2 KJ/mol O2 KJ/mol SO3 KJ/mol N2 KJ/mol 出一段氣體每升高 1℃所需熱量 : SO2所需熱量 : = KJ/℃ SO3所需熱量 : = ℃ O2所需熱量 : = ℃ N2所需熱量 : = ℃ 所需總熱量 : ? =+++= KJ/℃ 摩爾反應(yīng)熱 Q1= =(273+)= KJ/mol 總反應(yīng)熱 Q1 反 == KJ 一段出口溫度 t=出口平均熱量 反應(yīng)熱氣體帶入 ?= ?=℃ 一段出口氣體帶出熱量為 : Q1出 =595. 29= 因為一段出口的熱量較多 ,是壓力為次中壓可進入 3過熱器組以產(chǎn)生 .400℃ 過熱蒸汽將經(jīng)過 3過熱器組的爐氣降溫至 430℃進入二段。 2)二段進口 0430℃時的平均摩爾熱容為 SO2 KJ/Kmol O2 KJ/Kmol