【正文】 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)任務(wù)：年產(chǎn)10萬噸硫酸的制備；年生產(chǎn)日：按300天計(jì)算；生產(chǎn)原料：以硫磺為原料；尾氣排放形式：生產(chǎn)過程中含硫尾氣以二氧化硫的形式排放到大氣中；吸收規(guī)范：依據(jù)《大氣污染物的綜合排放國家標(biāo)準(zhǔn)》（GB 162971996）之規(guī)定，限定二氧化硫的最高排放標(biāo)準(zhǔn)為960mg/m3,%；建廠地址：湖南省長株潭地區(qū)。（2）在本次設(shè)計(jì)中所涉及的主要化學(xué)反應(yīng)式、投料的比例、轉(zhuǎn)化率、總收率、選擇性、催化劑的狀態(tài)以及催化劑是否能夠回收利用。（4）特殊化學(xué)物質(zhì)的物性參數(shù)，例如熔沸點(diǎn)、飽和蒸汽壓等。 每個(gè)工段的物料衡算本次設(shè)計(jì)的任務(wù)為年產(chǎn)10萬噸硫酸的生產(chǎn)，%，因而硫酸的產(chǎn)量為：以一小時(shí)為基準(zhǔn)，因硫磺和硫酸中硫原子的個(gè)數(shù)比為1:1。（1） 標(biāo)準(zhǔn)通氣量,在第二章經(jīng)論證決定在轉(zhuǎn)化工段進(jìn)氣組成中，二氧化硫的濃度定為9%，%，%， 。可以計(jì)算出爐氣的分配表，見表32表32 爐氣的分配比氣體進(jìn)轉(zhuǎn)化器一段爐氣/ Kmol冷激爐氣/ Kmol二氧化硫氧氣氮?dú)夂嫌?jì)（2）物料衡算這次設(shè)計(jì)使用兩轉(zhuǎn)兩吸方案，轉(zhuǎn)化以“3+1”模式分四段進(jìn)行，第一次轉(zhuǎn)化有三段，第二次轉(zhuǎn)化只有一段。第一段轉(zhuǎn)化率為60%，第二段為80%，第三段為90%，%。出口氣體組成如表33所示表33 出口氣體組成成分表氣體二氧化硫三氧化硫氧氣氮?dú)鈿饬? kmol百分比% 吸收工段的物料衡算 1. 第一吸收塔所需工藝水及硫酸的量第一吸收塔%硫酸去第四轉(zhuǎn)化段硫酸水溶液工藝水N2 O2 SO2 SO3圖31第一吸收塔物料衡算簡圖上圖為吸收工段第一吸收塔的流程簡圖，由圖可以計(jì)算出硫酸和工藝水的用量。由反應(yīng)式，則有：。2. 第二吸收塔所需的硫酸級工藝水的計(jì)算第二吸收塔硫酸水溶液工藝水SO2 O2 N2 SO3%硫酸放空圖32第二吸收塔衡算示意圖上圖為吸收工段第二吸收塔的流程簡圖，由圖可以計(jì)算出硫酸和工藝水的用量。由反應(yīng)式，則有：。 物料衡算表上述各個(gè)工段的物料衡算見表34所示表34 各個(gè)工段的物料衡算匯總表進(jìn) 料出 料工段物料名稱組成質(zhì)量或體積物料名稱組成質(zhì)量或體積硫磺燃燒工段硫磺96%二氧化硫9%氧氣21%氧氣21%氮?dú)?8%氮?dú)?8%轉(zhuǎn)化工段二氧化硫9%二氧化硫%氧氣21%三氧化硫%氮?dú)?8%氧氣%氮?dú)?吸收工段工藝水硫酸混合液工藝水硫酸混合液第4章 熱量衡算 熱量衡算的依據(jù)熱量衡算主要圍繞熱力學(xué)第一定律來進(jìn)行，即能量守恒定律。 確定熱力學(xué)參數(shù) 熱力學(xué)參數(shù)本設(shè)計(jì)中所涉及物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)見表31所示：表31 物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)一覽表物質(zhì)溫度/K 298 298 298 2980 2980 298 等壓熱容各個(gè)工段的熱量衡算可以依據(jù)等壓熱容的定義式(式41)計(jì)算 （41）表42 參與反應(yīng)物質(zhì)的Cp 一覽表物質(zhì)ABCD氧氣二氧化硫三氧化硫氮?dú)?計(jì)算依據(jù) 衡算數(shù)據(jù)在本設(shè)計(jì)中， Kmol； Kmol，由于氧氣的來源為空氣凈化車間，因此在輸送氧氣時(shí)后續(xù)工段所需要的氧氣都是在凈化之后全部先通入焚硫工段。 Kmol。 每個(gè)工段的熱量衡算 焚硫工段（1） Q1 的計(jì)算（進(jìn)入設(shè)備的物質(zhì)所帶來的熱量） (43)通常用0℃作為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。（2） Q2 的計(jì)算（反應(yīng)過程的熱效應(yīng)）焚硫工段的過程的熱效應(yīng)為在焚硫爐內(nèi)的熱效應(yīng)。在反應(yīng)過程中難免會有副反應(yīng)的發(fā)生，然而副反應(yīng)的存在對整個(gè)過程的熱量衡算來說幾乎可以忽略不計(jì)。查化學(xué)工程手冊可以得到在25℃時(shí)各個(gè)物質(zhì)的生成焓見表44所示表44 物質(zhì)的生成焓一覽表溫度A（硫磺）B（氧氣）C（二氧化硫）25℃0單位為Kj/mol。則在140℃時(shí)硫的生成焓為在140℃時(shí)二氧化硫的生成熱為（3） Q3 的計(jì)算（離開設(shè)備的物質(zhì)所帶走的熱量）在焚硫爐內(nèi)硫磺與氧氣充分燃燒生成二氧化硫，此時(shí)還有氮?dú)夂脱鯕獾氖Ｓ啵朔磻?yīng)為放熱反應(yīng)，但焚硫爐內(nèi)的溫度一直保持在140℃左右。? Cp 的計(jì)算Cp 的計(jì)算可以應(yīng)用熱容與溫度的關(guān)聯(lián)式來計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算所得到的物質(zhì)的Cp 見表45 所示：表45物質(zhì)的Cp 一覽表溫度A(氧氣）B（二氧化硫）C（氮?dú)猓?40℃單位為? 各物質(zhì)的Q3 的計(jì)算 其中雜質(zhì)的Q3 忽略不計(jì)。 轉(zhuǎn)化工段的計(jì)算轉(zhuǎn)化工段的反應(yīng)式為 (1) Q1 的計(jì)算（進(jìn)入設(shè)備的物質(zhì)所帶來的熱量） (47)通常用0℃作為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。 (2) Q2 的計(jì)算（反應(yīng)過程的熱效應(yīng)）轉(zhuǎn)化工段的過程的熱效應(yīng)為在轉(zhuǎn)化塔內(nèi)的熱效應(yīng)。在反應(yīng)過程中難免會有副反應(yīng)的發(fā)生，然而副反應(yīng)的存在對整個(gè)過程的熱量衡算來說幾乎可以忽略不計(jì)。查化學(xué)工程手冊可以得到在25℃時(shí)各個(gè)物質(zhì)的生成焓見表47所示表48 物質(zhì)的生成焓一覽表溫度A（二氧化硫）B（氧氣）C（三氧化硫）25℃0單位為Kj/mol。 (49)通常用0℃作為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。 （4）的計(jì)算 (410)。? Cp 的計(jì)算Cp 的計(jì)算可以應(yīng)用熱容與溫度的關(guān)聯(lián)式來計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算所得到的物質(zhì)的Cp 見表411 所示：表411 物質(zhì)的Cp 一覽表溫度A(氧氣）B（二氧化硫）C（氮?dú)猓〥（三氧化硫）150℃ 單位為? 每種物質(zhì)所帶入的熱量的計(jì)算 計(jì)算時(shí)忽略雜質(zhì)的Q1。 (413)通常用0℃作為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。 （4）的計(jì)算 (410)第5章 主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型在以硫磺為原料生產(chǎn)硫酸的裝置中,焚硫和轉(zhuǎn)化是最為重要的關(guān)鍵流程。在本次設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)對焚硫轉(zhuǎn)化工段中的主要設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)闡述，這樣可以更加直接、方便的指導(dǎo)硫酸的實(shí)際生產(chǎn)。以下對主要的設(shè)備進(jìn)行簡述。評價(jià)一臺鼓風(fēng)機(jī)的性能是否良好，除了要看它是否滿足工藝條件，還要綜合其是否能長期運(yùn)行和有良好的操作彈性，另外還需考慮其成本低、噪聲小等因素。由于軸流式鼓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，造價(jià)、安裝成本較高，因而在國外生產(chǎn)硫酸的裝置中一般采用離心式空氣鼓風(fēng)機(jī)。蒸汽驅(qū)動(dòng)使用的設(shè)備是背壓式蒸汽透平直接驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，蒸汽是用設(shè)備在運(yùn)行時(shí)附帶產(chǎn)生的中壓過熱蒸汽。雖然蒸汽驅(qū)動(dòng)方式的裝置成本比電驅(qū)動(dòng)方式的成本高，但是綜合總的投資效益，這種方式的選擇是合理的。熔融態(tài)的硫磺輸送時(shí)溫度在140℃左右，為了不產(chǎn)生主軸密封滲油現(xiàn)象，采用屏蔽泵型式。熔融態(tài)的硫磺中摻雜硅藻土一起進(jìn)入臥式葉片過濾器，在葉片過濾網(wǎng)表面上形成硅藻土濾餅層，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的液體硫磺在葉片框架內(nèi)流動(dòng)，最后一起輸出。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊，過濾效果好的優(yōu)點(diǎn)。主題管道是用來輸送氣體，大部分管道是鋼板現(xiàn)場卷制或是直接購買的螺旋管。 焚硫爐 硫磺和空氣燃燒的反應(yīng)速率較快，焚硫爐的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，本設(shè)計(jì)使用臥式焚硫爐。焚硫爐的構(gòu)造為最外層設(shè)置鋼殼，里面配備有二層隔熱磚，二層耐火磚。進(jìn)口干燥空氣和霧化后液體硫磺同方向進(jìn)入焚硫爐爐內(nèi)，爐子中部設(shè)有二次空氣以便燃燒更加充分。圖51 焚硫爐的結(jié)構(gòu)示意圖焚硫爐的燃燒能力的彈性較大，一般控制在1～ 之間。燃燒能力較高的焚硫爐一天可以燃燒2t的硫磺。主要原因是爐體內(nèi)氣速和霧化情況不同造成的。轉(zhuǎn)化塔長期在高溫環(huán)境下作業(yè)，還要處理腐蝕性氣體在轉(zhuǎn)化塔的各個(gè)階段溫度的不同所產(chǎn)生的不同膨脹熱應(yīng)力。因此，轉(zhuǎn)化塔需要綜合各個(gè)因素來選擇。中心筒式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化塔中設(shè)置兩個(gè)同心立式圓筒，內(nèi)部直接使用中心管，既可以支撐隔板和催化劑的重量，又可以作為部分反應(yīng)的氣體通道。以上兩種形式的轉(zhuǎn)化塔在國內(nèi)大型制酸裝置中都有所應(yīng)用。通常采用兩種方法來達(dá)到換熱的目的一種是絕熱操作，這是通常普遍采用的方法。 廢熱鍋爐廢熱鍋爐也是硫酸生產(chǎn)裝置中最為重要的設(shè)備之一，有時(shí)鍋爐發(fā)生故障是導(dǎo)致開車不順利的重要原因，因而性能良好的鍋爐是硫酸生產(chǎn)工藝長期、安全運(yùn)行的必要條件。這兩種形式的鍋爐在國內(nèi)形成成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。火管鍋爐具有無爐氣滯留區(qū)、氣流分布均勻、能過承受較高的氣體壓力、不易發(fā)生局部腐蝕、安全可靠。為了降低管板兩側(cè)的溫差應(yīng)力，可以采用特殊管套加以保護(hù)。廢熱鍋爐有雙鍋殼單汽包和單鍋殼單汽包兩種形式，雙鍋殼單汽包造價(jià)高、占地較大，并且對煙氣的控制要求較高。因焚硫爐出口爐氣的溫度較高。此時(shí)可以將焚硫爐的出口和廢熱鍋爐的進(jìn)口直接連接，把廢熱鍋爐直接分為兩段式，轉(zhuǎn)化器一段的高溫副線在廢熱鍋爐的兩端引出，此時(shí)閥門和管道的溫度易于控制，選用普通閥門和不銹鋼管段就能滿足生產(chǎn)要求。在硫磺生產(chǎn)硫酸裝置中，高溫過熱器有立式內(nèi)支撐不銹鋼結(jié)構(gòu)和臥式懸吊管內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。立式內(nèi)支撐不銹鋼結(jié)構(gòu)的過熱器設(shè)置為垂直煙道橫向沖刷式，外形為箱式結(jié)構(gòu)，煙道流向是側(cè)進(jìn)上出。將水平支撐蛇形螺旋翅片管結(jié)構(gòu)作為過熱器的受熱面，蒸汽的流向?yàn)樯线M(jìn)下出，正好