【正文】 （ 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(wú)化學(xué)反 應(yīng) 有化學(xué)反 應(yīng) 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(shí)列出各組分的質(zhì)量流量以便于查找和計(jì)算。穩(wěn)定狀態(tài)過程時(shí)，可以簡(jiǎn)化為： 輸入 =輸出 生成 +消耗 對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)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。 衡算方法 物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，利用某進(jìn)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。 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(shí)，加入分離劑的配比。 圖 全流程模擬截圖 Fig Whole process simulation 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 第五章 物料與能量衡算 物料衡算 物料衡算依據(jù) （ 1）設(shè)計(jì)任務(wù)書中確定的技術(shù)方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時(shí)及操作方法。 圖 第一段轉(zhuǎn)化器操作條件設(shè)置 Fig Operating condition of the first reformer paragraph setting 圖 第一段轉(zhuǎn)化器的化學(xué)反應(yīng)設(shè)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(shè)備的模擬后，并根據(jù)南化公第四章 流程計(jì)算與模擬 司所提供的余熱回收系統(tǒng)，進(jìn)行了全流程工藝模擬。 表 各段轉(zhuǎn)化率和進(jìn)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(jìn)口溫 度 ℃ 420 455 440 422 420 （ 2）模型設(shè)置 轉(zhuǎn)化器各段壓降均為 150mmH2O，以第一段轉(zhuǎn)化為例說(shuō)明 Rstoic 的設(shè)置，其它反應(yīng)器設(shè)置類似。 RStoic 反應(yīng)器按照化學(xué)反應(yīng)方程式的計(jì)量關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，分別指定每個(gè)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，不考慮熱力學(xué)可能性和動(dòng)力學(xué)可行性。 第四章 流程計(jì)算與模擬 圖 反應(yīng)條件設(shè)置 Fig Reaction conditions setting 圖 反應(yīng)產(chǎn)物的設(shè)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(shí)際反應(yīng)時(shí)各段催化劑之間對(duì)化學(xué)反應(yīng)無(wú)影響，所以模擬時(shí)可采用五個(gè)反應(yīng)器來(lái)代替轉(zhuǎn)化器。 （ 2）模型設(shè)置 硫磺燃燒反應(yīng)條件為恒壓絕熱，產(chǎn)物為 SO2和 SO3等。 RGibbs 反應(yīng)器根據(jù)系統(tǒng)的 Gibbs自由能趨于最小值的原則，計(jì)算同時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡時(shí)的系統(tǒng)組成和相分布。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 吸收塔 Reactions 設(shè)置 Fig Reactions settings in Absorber 圖 吸收塔反應(yīng) C1 設(shè)置 Fig Reaction C1 setting in absorber 焚硫爐 F301 （ 1）模型選擇 硫磺燃燒機(jī)理比較復(fù)雜，是一個(gè)連鎖反應(yīng)，過程中產(chǎn)生低級(jí)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(yīng)不能 確定。此外，第一吸收塔 T402 還是用 95%硫酸進(jìn)行吸收，第 3 塊板進(jìn)料。 （ 2）模型設(shè)置 兩吸收塔均為常壓操作， T402 塔頂操作壓力設(shè)置為 2021mmH2Og，全塔壓降為 550mmH2O； T403 塔頂操作壓力設(shè)置為 1000mmH2Og，全塔壓降為350mmH2O。 Radfrac 模擬物理吸收過程時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，在 Setup 頁(yè)面中將收斂基礎(chǔ)由 Standard 改為 Custom；在 Convergence|Adavanced 頁(yè)面將 Radfrac 改為吸收塔，具體見圖 。 Radfrac 是嚴(yán)格精餾模擬中 最常用的模型，能夠準(zhǔn)確地確定各級(jí)第四章 流程計(jì)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。 化學(xué)反應(yīng) 該工藝中所涉及到的主要化學(xué)反應(yīng)和主要的離子反應(yīng)式見表 。該物性方法用于計(jì)算純水和水蒸氣性質(zhì)，溫度范圍為 ~1073K， 最大壓力為 1000bar。 IDEAL 用于計(jì)算反應(yīng)單元和換熱單元中氣相的物性。 ELECNRTL 利用 ElectrolyteNRTL 活度系數(shù)方程計(jì)算非理想電解質(zhì)溶液的物性。 圖 模擬體系中的真實(shí)組分 Fig The real ponent of the model system 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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”。此外，為方便模擬及閱讀，計(jì)算結(jié)果表達(dá)方式為表觀組分。 Electrolytes Expert System 用于生成離子和離子反應(yīng)。 (43) 所得數(shù)據(jù)與南化公司所提供的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 122kmol/h 很接近，計(jì)算時(shí)取南化公司所提供的數(shù)據(jù)。 （ 3）濕空氣中的水含量 FH2O 查物化數(shù)據(jù)表得： 28℃時(shí)飽和水蒸汽的蒸汽壓為 。 (42) 將硫磺用量 ，計(jì)算出 V（空氣）（硫） =，與南化公司所 提供的實(shí)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)。該式計(jì)算的是燃燒 1t 硫磺所需的干空氣量。 圖 30 萬(wàn)噸 /年硫磺制酸工藝流程簡(jiǎn)圖 Fig Process flow diagram of 300kt/a sulfuric acid from sulfuric 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 第四章 流程計(jì)算 與模擬 基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)計(jì)算 已知 基礎(chǔ) 文獻(xiàn) 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(fēng)機(jī) （ 4）當(dāng)?shù)卮髿鉁囟龋?28℃ （ 5）當(dāng)?shù)卮髿鈮海? （ 6）當(dāng)?shù)啬昶骄鄬?duì)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(zhuǎn)化各段轉(zhuǎn)化率： 64％、 87％、 94％、 ％、 ％ （ 12）轉(zhuǎn)化各段進(jìn)口溫度： 420℃、 455℃、 440℃、 420℃、 420℃ （ 13）吸收率： ％ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算 （ 1）液硫進(jìn)料量 Fs（ kg/h） 根據(jù)產(chǎn)品規(guī)模 900 噸 /天（折 100%硫酸計(jì)）， SO2最終轉(zhuǎn)化率為 %， SO3總的吸收率 為 %，可計(jì)算出液硫進(jìn)料量為： (41) 所得結(jié)果與南化公司提供的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 12277kg/h 相當(dāng)一致，這里取南化公司提供的數(shù)據(jù)。二次轉(zhuǎn)化來(lái)的 SO3 氣體，從第二吸收塔下部進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。 吸收系統(tǒng)是用濃硫酸吸收由焚硫轉(zhuǎn)化工段來(lái)的 SO3氣體。 濃硫酸吸收水分的過程是一個(gè)放熱反應(yīng)，所以，干燥塔出塔酸溫高于塔進(jìn)口酸溫。 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(yīng)熱升溫至約 420℃后進(jìn)入 轉(zhuǎn)化南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 器 Ⅳ段催化劑層反應(yīng)，出Ⅳ段約 438℃的爐氣進(jìn)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(jìn)入 轉(zhuǎn)化器 Ⅴ段催化劑層繼續(xù)進(jìn)行 SO2 的催化氧化反應(yīng)；出Ⅴ段催化劑層約 422℃的爐氣進(jìn)入 低溫過熱器（ B304） 和省煤器Ⅰ（ B306），降溫至 160℃后進(jìn)第二吸收塔（ T402），則完成二次轉(zhuǎn)化和吸收（ SO2 最終設(shè)計(jì)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。進(jìn) 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(fēng)機(jī)（ C301）出口旁路來(lái)控制。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。爐膛內(nèi)操作溫度控制在 1000℃左右。焚硫爐內(nèi)設(shè)置三道擋墻，以強(qiáng)化硫磺與空氣的混合和確保停留時(shí)間。 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。 本文的設(shè)計(jì)選擇使用硫磺生產(chǎn)硫酸，生產(chǎn)原料為揚(yáng)子石化等裝置回收的液體硫磺。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 %~%。但是 WSA工藝也有其局限性。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]。 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(yīng)用。之后國(guó)內(nèi)外均在磷石膏生產(chǎn)硫酸的技術(shù)上有所發(fā)展。 1969年 Linz 化學(xué)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]。據(jù)中國(guó)磷肥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)， 2021 我國(guó)磷石膏排放量約 5000 萬(wàn)噸占工業(yè)副產(chǎn)石膏的 70%以上 [19]。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(huì)排放大量南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 干燥廢棄、增濕廢氣和制酸尾氣，嚴(yán)重地危害著周邊的環(huán)境。 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。 ? 工藝技術(shù)的先進(jìn)性。 ? 資源利用的合理性。 ? 經(jīng)濟(jì)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(yīng)是進(jìn)行正常生產(chǎn)的基本條件。 生產(chǎn)規(guī)模 本文設(shè)計(jì) 30 萬(wàn)噸 /年硫磺制酸裝置以滿足各個(gè)行業(yè)日益增長(zhǎng)的需求，同時(shí)緩解我國(guó)過去以硫鐵礦制酸帶來(lái)的環(huán)境和產(chǎn)量的壓力。該套裝置可以將揚(yáng)子石化等裝置硫回收下來(lái)的液硫轉(zhuǎn)化成98%的硫酸產(chǎn)品。 表 主要物料消耗表 Tab The main material consumption 序號(hào) 項(xiàng)目 規(guī)格 數(shù)量 備注 1 液硫 按供給 萬(wàn)噸 /年 2 空氣 環(huán)境空氣 3 鍋爐給水 104℃ / 萬(wàn)噸 /年 4 催化劑 工業(yè)等級(jí) 288m3 一次裝填量 5 電 350/220V 萬(wàn)千瓦時(shí) /年 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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)見表。具體如表 。 原料及產(chǎn)品方案 本套裝置的原料采用揚(yáng)子石化等裝置硫回收下來(lái)的液體硫磺，原料經(jīng)精硫槽處理后可以直接使用。 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)。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 %， %。 項(xiàng)目建設(shè)意義 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)工藝不斷改善和提高，產(chǎn)量更是迅速增長(zhǎng)。 環(huán)境保護(hù)條例