【正文】 2)二段進(jìn)口 0430℃時(shí)的平均摩爾熱容為 SO2 KJ/Kmol O2 KJ/Kmol S。 工藝計(jì)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(shí)間 : 300d/a 24h/d 原料硫磺進(jìn)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(jī)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 FSO2= FS=取基準(zhǔn) : 進(jìn)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(jìn)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(jìn)料硫蒸氣為 Kmol/h 物料衡算 進(jìn)一段 :FSO2= Kmol/h FO2= Kmol/h FN2= Kmol/h 出一段 (進(jìn)二段 ):FSO2= ()=FSO3= = Kmol/h FO2=()=FN2= Kmol/h 出二段 (進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 FN2= Kmol/h 出四段 (進(jìn)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(jìn)一段 Kmol Kg m3 V% SO2 17840 6244 O2 N2 ? 100 出一段（進(jìn)二段） SO2 SO3 O2 N2 ? 100 出二段（進(jìn)三段） SO2 SO3 223 7136 O2 N2 ? 100 出三段 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 SO2 SO3 8474 O2 N2 ? 100 進(jìn)四段 SO2 O2 N2 ? 100 出四段（進(jìn)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?dú)庠谌我馄骄鶞囟?T 下的摩爾熱容的表達(dá)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 SO3 : CP=(+－ 105/T2) KJ/Kmol N2 : CP=+ 10－ 10－ 6T2 KJ/Kmol 1)一段進(jìn)口 由上述表達(dá)式計(jì)算 0～ 410℃時(shí)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(jìn)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(jìn) =410= KJ 一段出口溫度的確定 SO2 + 1/2O2 = SO3 + Q 在 0℃時(shí) 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(jì)算： Q= 式中 , T : 絕對(duì)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)。其余各點(diǎn)采用單點(diǎn)數(shù)字顯示儀。 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 其相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)見(jiàn)圖 : 給定信號(hào) 偏差信號(hào) 控制信號(hào) 圖 進(jìn)口氣體溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié) 3） 溫度顯示儀表 轉(zhuǎn)化器溫度測(cè)量點(diǎn)比較多，測(cè)溫儀表應(yīng)正確地選擇測(cè)量范圍并有比較高的精度。 2）轉(zhuǎn)化器一 、 四段進(jìn)口氣體溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié) 因?yàn)橐?、 四段進(jìn)口氣體溫度對(duì)穩(wěn)定操作和提高 SO2轉(zhuǎn)化率有很大影響，因此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 綜合本設(shè)計(jì)的具體情況，現(xiàn)將有關(guān)儀表的設(shè)計(jì)點(diǎn)敘述如下。儀表檢測(cè)及控制的內(nèi)容一般依賴于工藝條件。全部?jī)x表集中到一個(gè)控制室 ,有利于各工段操作人員聯(lián)系，對(duì)工藝操作有利，亦比較美觀。從近幾年來(lái)投產(chǎn)的幾套 硫磺制酸裝置的運(yùn)行情況來(lái)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?？紤]到露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題 ,在本設(shè)計(jì)中將采用熱管省煤器。 本設(shè)計(jì)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(guò)程中 ,進(jìn)吸收塔前的 SO3 煙氣溫度 (170～ 250℃ )接近于露點(diǎn)溫吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 度，很容易造成低溫廢熱回收設(shè)備的露點(diǎn)腐蝕。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)。其二是換熱器單位壓降的傳熱系數(shù)要大。為防止原料氣帶入酸沫沖刷腐蝕 ,延長(zhǎng)使用壽命 ,可采用在殼程氣體進(jìn)口處的管子外加擋板或擴(kuò)大氣體進(jìn)口氣道的辦法。為了減少轉(zhuǎn)化氣對(duì)設(shè)備的腐蝕和易于清理催化劑粉末對(duì)設(shè)備的堵塞 ,一般熱氣流從上向下，冷氣流由下向上流動(dòng)，也就是說(shuō) SO3氣體走管內(nèi)自上而下， SO2氣體走管間，自下而上。擋板通常有 0～ 4 塊，常為偶數(shù)。 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(wú)縫鋼管，一般用脹接法 固定在上下花板上。這塊分布板是用長(zhǎng)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。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(dá) 20年以上，是一種良好可靠的防 腐方法。錐形頂蓋 ，四周在不同標(biāo)高處開有扇形氣體進(jìn)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(tái)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%— %。 本設(shè)計(jì)采用外部換熱型轉(zhuǎn)化器。 設(shè)備阻力要小，并能使氣體分布均勻，以減少動(dòng)力消耗。 表 轉(zhuǎn)化器各段進(jìn)口溫度和轉(zhuǎn)化率 轉(zhuǎn)化段序號(hào) 工藝條件項(xiàng)目 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 所用催化劑 S101 S101 S101 S101 S107 進(jìn)口溫度，℃ 410 430 430 420 410 累計(jì)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(guó)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。因此，對(duì)于 S105 型和 S107 型低溫釩催化劑，進(jìn)氣溫度一般接近 400℃；對(duì)于 S 101 型中溫催化劑一般接近 420℃。故實(shí)際生產(chǎn)中不要求第一段按最佳溫度操作，而是使進(jìn)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)。這是因?yàn)?,如使第一段在最佳溫度附近操作，則第一段進(jìn)氣溫度將很高，很容易使催化劑過(guò)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(yuǎn)一點(diǎn)， 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 可在一段獲較高的出口轉(zhuǎn)化率，且不會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)速率下降，使催化劑用量 大幅度增加。 為了確保在“ 3+2”工藝下總轉(zhuǎn)化率≥ %,本設(shè)計(jì)中的 O2/SO2比不能低于,若 O2/SO2比值過(guò)大 ,會(huì)使風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量增大，導(dǎo)致成本增大，綜合上述多種因數(shù)，本設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)化器進(jìn)口 SO2的含量定為 %,O2/SO2比值為 。適時(shí)除去轉(zhuǎn)化氣中 SO3，提高后段轉(zhuǎn)化氣原始組成的 O2/SO2比值。由焚硫過(guò)程知，爐氣中 SO2與 O2含量存在確定的關(guān)系，爐氣中 SO2含量增高， O2含量降低， O2/SO2比值降低，一定溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率相應(yīng)降低。 ? 與轉(zhuǎn)化器入口氣體中SO2含量成正比 ,如采用較高 SO2含量操作，第一段床層溫度會(huì)超過(guò) 600℃ ,以至達(dá)催化劑的失活溫度。不過(guò)，這兩種相反的作用在不同的二氧化硫含量范圍里作用程度不同。從制酸全過(guò)程及轉(zhuǎn)化工段的局部來(lái)看， SO2 對(duì)經(jīng)濟(jì)效益存在著二重性。吸收后的廢氣經(jīng)處理后排空 ,工藝流程見(jiàn)圖 。 工藝流程的確定 [2， 5， 6] 綜合上述 ,本設(shè)計(jì)采用兩轉(zhuǎn)兩吸“ 3+2”式工藝流程 ,從焚硫爐來(lái)的氣體降溫到 410℃進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)行 轉(zhuǎn)化 ,出轉(zhuǎn)化器一段催化劑床層的 595℃左右爐氣進(jìn)入 3過(guò)熱器組，與 2過(guò)熱器組來(lái)的蒸汽換熱，爐氣氣溫降到 430℃后又進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段繼續(xù)反應(yīng)；出二段的爐氣進(jìn)入熱換熱器，與第一吸收塔出口經(jīng)第一，第二冷換熱器預(yù)熱的爐氣換熱，溫度降至 430℃后又進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段催化劑床層反應(yīng)；出三段的爐氣依次進(jìn)入第二，第一冷換熱器和 1省煤器降溫到 180℃，然后送入第一吸收塔，完成一次轉(zhuǎn)化。采用“ 3+2”的昆陽(yáng)磷肥廠由 40Kt/a 硫鐵礦制酸裝置改造為 120Kt/a的硫磺制酸裝置 ,也已投產(chǎn)多年 ,運(yùn)行平穩(wěn) ,最終轉(zhuǎn)化率達(dá) %。 圖 “ 3+2”五段轉(zhuǎn)化工藝流程示意 圖 “ 3+1”四段轉(zhuǎn)化工藝流程示意 兩種轉(zhuǎn)化工藝在國(guó)內(nèi)硫磺制酸中的應(yīng)用“ 3+1”四段轉(zhuǎn)化和“ 3+2”五段轉(zhuǎn)吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 化 ,這兩種轉(zhuǎn)化工藝在國(guó)內(nèi)的硫磺制酸裝置中目前都得到了應(yīng)用。目前 ,國(guó)內(nèi)外硫磺制酸裝置大多在轉(zhuǎn)化器的四段出口設(shè)置中溫蒸汽過(guò)熱器 ,用中壓過(guò)熱蒸汽與四段出口的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)行換熱 ,既降低了進(jìn)五段 的轉(zhuǎn)化氣溫度 ,又充分利用了轉(zhuǎn)化氣的余熱。該流程與外部換熱的轉(zhuǎn)化流程相比 ,催化劑的用量要增加 ,且冷激氣補(bǔ)入的位置(催化劑層的段數(shù) )越往后 ,催化劑的增加量越多。冷激式轉(zhuǎn)化流程按所用的冷激氣分為 SO2 氣和空氣兩種。但就催化劑裝填量而言 ,同一種催化劑在同等裝置規(guī)模、最終轉(zhuǎn)吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 化率相等的條件下 ,采用