年产10万吨硫酸生产车间工艺设计

第一章 综 述

1.1 概述

聚丙烯（PP）具有相对硬度大，密度小，抗拉伸性能好，透明度高，抗应力开裂和耐化学性能好，耐高温，并具有极好的注塑性能，可以与其他材料共混改性等优点，因此PP的应用范围越来越广，而且在2003年中国已经超过美国成为世界上最大的PP市场。PP主要用于生产纤维编织，注塑制品，薄膜，片材，板材，电缆及护套料，吹塑制品以及管材等，具有广泛的应用前景。

1.2 聚丙烯成核剂工业的概述

聚丙烯（PP）是合成树脂中的相当重要的品种，发展前景十分广阔。聚丙烯（PP）

具有机械性能好，无毒，密度小，耐高温，耐化学品，加工成型方便等优点，并且价格 便宜，能通过加工改性赋予其突出的物理机械性能，在取代工程塑料时可优先考虑聚丙烯，PP的用量占全球通用合成树脂的14左右，是五大通用合成树脂中用量增速最快新品种研究最活跃的品种。PP具有无毒、耐热、耐化学药品、相对密度低、容易加工、成型力学性能好等特性，而且丙烯原料丰富，且性价比高，被广泛地在建筑、化纤、化工、轻工等领域。

1954年意大利的Natta教授合成具有高度立体规整性的聚丙烯，然后PP在1957年由意大利的Montecatini公司实现工业化以来，已经成为通用合成树脂中发展最快、品种最多的品种。

1.3 我国聚丙烯成核剂工业的现状

随着近些年来工业的快速发展和人民生活水平的提高，我国的成核剂市场发展很快，

很多科研机构和企业都在进行成核剂的相关研究。兰州石化研究院在国内率先开发出第一代DBS成核透明剂，然后继续开发了第二和第三代DBS成核剂。此后还有许多企业进行了成核剂的相关研究，并使技术不断进步。但与国外相比，我国科学研究基础薄弱，现阶段国内企业从事生产的时候还是借鉴国外的专利技术，主要是因为国内的研究机构对成核剂的成核机理没有完全摸清楚，虽然在努力追赶的过程中，但生产出来的产品与国外产品质量还是有差距，导致我国生产的成核剂产品在出口方面情况不容乐观。所以

说我们要力争上游，在成核剂对聚丙烯结晶形态，性能和加工工艺等方面进行更加深入

详细的研究，尽快形成自己的专利技术，使自己的成核剂产品的性能能够媲美国外产品。

1.4 硫酸的几种不同的生产工艺

1.4.1以硫铁矿含伴生硫铁矿为原料

硫铁矿这种资源在我国一直就存在，从国家安全与经济发展的长远考虑 ，保持一定的硫铁矿采矿选矿能力和硫铁矿制取硫酸的能力是非常有必要的。由于受到各种因素的制约,建国以来我国有很长一段时间是应用自有原料,即硫铁矿生产硫酸。

然而采用硫铁矿生产硫酸具有其自身的局限性，主要表现为： (1) 生产硫酸的技术本身比较复杂，而且建设装置的投资成本较高； (2) 硫铁矿矿山的勘探、采选成本较大；

(3) 我国硫铁矿资源相对比较分散,并且贫矿多、富矿少,平均采选成本较高； (4) 硫铁矿的运输通常需要铁路来实现，偏远地区会限制其运力。

因此在合理应用硫铁矿资源的思路上应该考虑如何能够节约应用，恰当的进口国外的硫资源。目前我国已经是国际经济市场的重要组成部分，因此更加需要研究好、把握好国际市场，为长期发展硫酸工业争取有利条件，硫铁矿制硫酸起到了重要的平衡、调节作用。如果将硫铁矿制硫酸变为硫磺制硫酸，将大大刺激国际硫磺市场的消费需求，保持现在的硫铁矿采选能力而且能够稳步增长不仅有利于国家经济安全，并且能够稳定国际硫磺市场，反过来对我国的硫磺的进口也有利，大体上对于稳定我国的制酸工业发展有利。稳定和发展硫铁矿制取硫酸首要任务是发展硫铁矿的采选能力和发展硫铁矿制酸的技术水平和生产装备的提高。 1.4.2 以硫磺为原料

从世界范围硫磺的供、需关系来看,硫的供应基本上是能够满足现有市场对硫的需求。上从世纪90年代以来由于从石油和天然气中回收硫磺数量的迅速增长,国际硫磺市场出现供大于求的态势,硫磺价格走低。这时期我国正处于磷复肥高速发展时期,对硫酸需求量较大,单单用国内的硫铁矿为原料用来生产硫酸已满足不了需求,而硫磺正是硫酸生产最好的原料:干净、投入较小、效益好、方便大型化设置。采用国际市场的硫磺生产硫酸,以补充我国生产硫酸的原料的不足,促进我国硫酸工业无论从产量上还是技术上都有了长足的发展。 1.4.2 冶炼烟气和其他原料

冶炼烟气主要是冶炼金属时金属矿中含有的硫转化为二氧化硫烟气，冶炼烟气制取

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

硫酸其实是企业的副产品，是冶金工业发展的产物。目前我国冶炼烟气制取硫酸已经得到高速发展，并且形成较大的生产能力，其硫酸产量也稳步增长。磷石膏、石膏是我国硫酸工业中潜在的硫资源，目前已有小批量生产的能力，但是近期大规模发展目前条件尚不成熟。“十一五”期间，随着煤制甲醇、煤制油、煤制天然气及煤制烯烃等大型煤化工项目的推进，在煤化工行业中也有越来越多的硫磺回收装置。将这些硫资源合理应用势在必行。

第二章 硫磺制取硫酸的工艺流程

第 3 页 共 43 页

现如今，工艺上通常采用快速熔硫、机械过滤液硫、雾化焚硫技术。现今多采用“3+1”两转两吸阶段。并且使用中压锅炉回收焚硫阶段产生的废热，运用省煤器来利用转化工序的废热。两个装置都能产生中压过热蒸汽。将经过空气净化阶段处理后的干燥、洁净的空气与处理后熔融态的硫在焚硫炉内燃烧。产生高温二氧化硫气体，通过余热锅炉使得气体温度降低到650～680℃，之后进入转化器。本次设计采用了转化工序经过两大步骤完成，第一次转化通过一、二、三段触媒，第二次通过第四段触媒。一次转化的三个阶段全部采用外部换热，二次转换的一个阶段采用空气激冷的换热方式。 2.1 硫磺制取硫酸的特点

以硫磺为原料生产硫酸，炉气不需要净化，当降温至适宜温度便可进入转化工序，转化后用酸吸收即可等到产品。此方法没用废渣、废水的产生，流程简易，投资较少。 2.2 硫磺制取硫酸工艺流程

以硫磺为原料生产硫酸的工艺流程主要有：原料的预处理、焚硫与转化、干燥及产品的输出。用硫磺味原料来生产硫酸工艺流程的简述如下：

2.2.1 原料预处理工段

原料预处理工段通常包括硫磺的预处理和空气的预处理。硫磺的预处理阶段主要是为了将固体的硫磺通过加热使之变为熔融态，之后将其进行过滤处理以便于滤去原料硫磺中的杂质，从而能够得到反应所需要的液态硫磺。空气的预处理的主要目的是为了将空气中所含有的水蒸气进行除去，通常将外界的空气通过鼓风机通入浓硫酸干燥塔中，浓硫酸具有吸水性，能够很好的将空气中的少量水蒸气吸收从而能够得到干燥的空气。

2.2.2 焚硫转化工段

焚硫转化工段是整个以硫磺为原料生产硫酸工艺中最为重要的组成部分。焚硫转化工段包括两大部分内容，焚硫工序的主要目的是为了将原料预处理工段处理过的硫磺和空气一起送入焚硫炉中进行充分燃烧，燃烧后产生的二氧化硫气体经过降温后再送入转化塔中。完成焚硫工序的主要设备是焚硫炉，通常为了是通入焚硫炉中的硫磺燃烧的更加充分，在焚硫炉中再增加二次空气入口，使得在焚硫炉中没有充分燃烧的微量硫磺与二次空气做进一步燃烧反应。

转化工序主要为了完成二氧化硫的催化氧化从而能够生成三氧化硫。二氧化硫的催化氧化是在转化塔中完成的，转化塔中装填的五氧化二钒是加快反应进程的催化剂。现如今通常将转化塔中的催化剂分段设置，本设计中采用四段催化剂层。将在焚硫工序生成的高温二氧化硫气体经过降温至适宜温度后通入转化塔一段催化反应层，之后依次通

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

入第二段和第三段反应层。在经过前三段反应后产生的三氧化硫首先通入硫酸吸收塔。在第四段转化后产生的三氧化硫也同样通入最终吸收塔。因在本设计中采用两次转化和两次吸收，并且在转化塔中分为前三段和最后一段转换层分别完成催化氧化反应，通常将转化和吸收流程简称为“3+1”两转两吸流程。

2.2.3 吸收工段

吸收工段主要是为了完成将转化工段产生的三氧化硫充分吸收生成产品硫酸。三氧化硫和水结合后能够生成硫酸，然而在实际的工业化生产中通常是用浓硫酸来吸收三氧化硫来生成发烟硫酸。完成吸收工段的主要设备是吸收塔，在吸收塔上部进行浓硫酸的喷淋，将三氧化硫在吸收塔的下部通入，与浓硫酸逆流接触充分吸收生成发烟硫酸。

产品输出时可以依据市场所需的硫酸的浓度对发烟硫酸稀释即可。

2.3 废热回收工艺

为了使反应阶段产生的热量不被白白浪费掉，可以使液硫燃烧热、转化反应产生的热量集中处理产生中压过热蒸汽。在焚硫炉的出口处设置余热锅炉产生中压饱和蒸汽，将高温过热器配备在转化塔的第一段，在转化三段，进入第一吸收塔之前设置省煤器，在转化四段后设置省煤器和低温过热器。对于两次转化而言将中温过热器配备在第四段的出口。

在整个的硫磺制取硫酸的过程中，硫磺和空气反应产生二氧化硫、二氧化硫转化为为三氧化硫、三氧化硫被吸收形成硫酸，这三个主体反应都是放热反应。在不考虑装置本身的散热的前提下，上述三个反应所释放的热量在理论上是可以完全回收利用的。在焚硫转化工段产生的废热占总体热量的60%，吸收工段的占40%。

然而在我国，由于国产化的制酸装置废热回收的技术起步相对较晚，在上世纪70年代时制酸装置中废热回收存在装置只能回收高温废热，而且废热回收装置会经常发生事故等缺陷。之后我国在引进国外先进的制酸技术和生产装置后，废热回收的状况得到明显的改善。

在焚硫转化工段中，废热锅炉、省煤器和过热器为主要的废热回收装置。通常将废热锅炉设置在焚硫炉的后端，目前较多的采用火管锅炉。在转化工段通常配备有省煤器和过热器。

由于吸收工段的废热品级较低，所以回收的技术相对较复杂。上世纪80年代以后，我国自主研发了以下几种回收低温废热的技术和方法。

第 5 页 共 43 页

A.用热的脱盐水来升高进入除氧器的水温，这样能够降低蒸汽消耗。 B.生产的热水供给到居民生活区，让居民有效的利用。 C.生产热水供给到其他的生产装置中。

第三章 物料衡算

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

3.1 设计要求：

设计任务：年产10万吨硫酸的制备； 年生产日：按300天计算； 生产原料：以硫磺为原料；

尾气排放形式：生产过程中含硫尾气以二氧化硫的形式排放到大气中；

吸收规范：依据《大气污染物的综合排放国家标准》（GB 16297-1996）之规定，限定二氧化硫的最高排放标准为960mg/m3,吸收率不小于99.5%；

建厂地址：湖南省长株潭地区。

3.2 物料衡算 3.2.1 物料衡算的缘由

（1）根据下达的任务书中所确定的方案、产品的的生产规模、年运行时间和具体的操作方法。

（2）在本次设计中所涉及的主要化学反应式、投料的比例、转化率、总收率、选择性、催化剂的状态以及催化剂是否能够回收利用。

（3）原料的进料方式、产品的输出分离方式、每一工段的转化率和回收率。 （4）特殊化学物质的物性参数，例如熔沸点、饱和蒸汽压等。 3.2.2 衡算任务

这次设计的任务为年产10万吨硫酸的生产，生产方式为连续化生产，物料衡算的主要任务为：

（1）确定硫酸的实际生产质量，最终产品的规格和指标； （2）确定空气和硫磺的消耗量，硫酸的最终收率；

（3）确定最终的“三废”排放量；

（4）各个工段的物料衡算，并以此数据来进行主题运行设备的设计与选型； （5）制作总物料衡算表，数据可以用来完成后续的物料流程图的绘制。

3.3 每个工段的物料衡算

3.3.1硫磺燃烧工段的物料衡算

本次设计的任务为年产10万吨硫酸的生产，产品硫酸的浓度为98.8%，因而硫酸的产量为：

第 7 页 共 43 页

y年产量t1000100000100098.8%13722.22Kg/h

生产日2430024以一小时为基准，因硫磺和硫酸中硫原子的个数比为1:1，则由硫酸的质量为13722.22Kg，可以推算出理论上需要的硫磺的质量为4667.42Kg。然而实际原料中，因硫磺中还含有杂质，取硫磺的含量为96%，则所需硫磺的质量为：

m硫磺y•M硫磺•M硫酸13722.22324667.42Kg

96%983.3.2 转化工段的物料衡算

在第二章中我们已经详细的对硫磺制取硫酸工艺过程中各个参数和物性指标都得到了优化，现利用这些数据进行详细的计算。

（1）标准通气量

有上述计算可知硫酸的产量为13722.22Kg/h,在第二章经论证决定在转化工段进气组成中，二氧化硫的浓度定为9%，氧气的浓度定为8.6%，总转化率为99.5%，吸收率为0.99975 。

进入转化器的气量以一小时为基准，则有标准通气量

V标y22.413722.2222.435033.97m3/h1564.02Kmol98x•吸•C进980.9550.999750.09

进入第一段转化器的温度为420℃，负压为10Kpa,则实际通气量

V实V标273t1000002734201000001564.023505.11Kmolt100000H出27310000010000

炉气成分：

SO2的量V标SO2的含量1564.020.09140.76Kmol9008.76KgO2的量V标O2的含量1564.020.086134.06Kmol4304.18Kg N2的量V标VSO2VO21564.02140.76134.061289.2Kmol依据已有的生产经验，一般冷激气体是气体总量的16%左右。 可以计算出炉气的分配表，见表3-2

表3-2 炉气的分配比

气体 进转化器一段炉气/ Kmol 冷激炉气/ Kmol 年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

二氧化硫 氧气 氮气 合计 140.76 134.06 1289.2 1564.02 22.52 21.45 206.27 247.36 （2）物料衡算

这次设计使用两转两吸方案，转化以“3+1”模式分四段进行，第一次转化有三段，第二次转化只有一段。通入转化器的时候，二氧化硫的浓度为9%，氧气的浓度为8.6%。第一段转化率为60%，第二段为80%，第三段为90%，第四段也就是最终转化率达到99.5%。

❶ 第一次转化时：

SO2的含量140.7610.656.30Kmol；SO3的含量140.760.684.46Kmol；

O2的含量134.06 84.4691.83Kmol；2N2的含量1289.2Kmol。❷ 第二次转化时：

SO2的含量140.7610.828.15Kmol；SO3的含量140.760.8112.61Kmol；

O2的含量134.06 112.6177.76Kmol；2N2的含量1289.2Kmol。❸ 第三次转化时：

SO2的含量140.7610.914.08Kmol；SO3的含量140.760.9126.68Kmol；

126.68O2的含量134.0670.72Kmol；2N2的含量1289.2Kmol。❹ 第四次转化时：

SO2的含量140.7610.9950.70Kmol；SO3的含量140.760.995126.680.920.41Kmol； 140.06O2的含量134.0664.03Kmol；2N2的含量1289.2Kmol。在第二次吸收时，二次吸收的总吸收率可以达到99.975%。 出口气体组成如表3-3所示

第 9 页 共 43 页

表3-3 出口气体组成成分表

气体 气量/ kmol 百分比% 二氧化硫 0.7 0.0509 三氧化硫 20.41 0.1485 氧气 64.03 4.649 氮气 1289.2 93.508 3.3.3 吸收工段的物料衡算

1. 第一吸收塔所需工艺水及硫酸的量

98.3%硫酸

去第四转化段 第一吸收塔 N2 O2 SO2 SO3 硫酸水溶液 工艺水

图3-1第一吸收塔物料衡算简图

上图为吸收工段第一吸收塔的流程简图，由图可以计算出硫酸和工艺水的用量。 （1）硫酸的使用量的计算

三氧化硫的总物质的量是转化工段第一、第二、第三阶段的产生的三氧化硫的总和。

nSO3总nSO31nSO32nSO3384.46112.61126.68323.75Kmol 由反应式SO3H2OH2SO4，则有：

nH2SO4产生nH2O需要nSO3总323.75Kmol

则反应所产生硫酸的质量为31727.5Kg，所需水的质量为5827.5Kg。 吸收所需要的浓度为98.3%的硫酸的质量

mH2SO45827.5342794.118Kg

198.3% 年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

则第一吸收塔出口处硫酸混合液的质量为

m混mH2SO498.3%mH2SO4产生mH2O消耗342794.11831727.55827.5368694.12Kg（2）工艺水的计算

设所需水的量为x,则由下式

342794.11898.3%31727.598.3%

x368694.12

解得所需工艺水的量为6376.4Kg。 2. 第二吸收塔所需的硫酸级工艺水的计算

98.3%硫酸 第二吸收塔 放空 SO2 O2 N2 SO3 硫酸水溶工艺水 图3-2第二吸收塔衡算示意图

上图为吸收工段第二吸收塔的流程简图，由图可以计算出硫酸和工艺水的用量。 （2）硫酸的使用量的计算

三氧化硫的总物质的量是转化工段第一四阶段的产生的三氧化硫的总和。

nSO3总nSO3414.64Kmol

由反应式SO3H2OH2SO4，则有：

nH2SO4产生nH2O需要nSO3总14.64Kmol

则反应所产生硫酸的质量为1434.72Kg，所需水的质量为263.52Kg。 吸收所需要的浓度为98.3%的硫酸的质量

mH2SO4

263.5215501.176Kg

198.3%第 11 页 共 43 页

则第一吸收塔出口处硫酸混合液的质量为

m混mH2SO498.3%mH2SO4产生mH2O消耗15501.1761434.72263.5216672.96Kg（2）工艺水的计算

设所需水的量为x,则由下式

15501.17698.3%1434.7298.3%

x16672.96解得所需工艺水的量为287.75Kg。 3.3.4 物料衡算表

上述各个工段的物料衡算见表3-4所示

表3-4 各个工段的物料衡算汇总表

工段 物料名称 硫磺 硫磺燃烧工段 氧气 氮气 二氧化硫 氧气 转化工段 氮气 工艺水 吸收工段 工艺水 287.75Kg 硫酸混合液 16672.96Kg 78% 1289.2Kmol 6376.4Kg 氧气 氮气 硫酸混合液 4.65% 93.51% 64.03Kmol 1289.2Kmol .12Kg 进 料 组成 96% 21% 78% 9% 21% 质量或体积 4667.42Kg 274.76Kmol 1289.2Kmol 140.76Kmol 134.06Kmol 物料名称 二氧化硫 氧气 氮气 二氧化硫 三氧化硫 出 料 组成 9% 21% 78% 0.051% 0.149% 质量或体积 140.76Kmol 134.06Kmol 1289.2Kmol 0.7Kmol 20.41Kmol

第四章 热量衡算

4.1 热量衡算的依据

热量衡算主要围绕热力学第一定律来进行，即能量守恒定律。然而在本设计中具体

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

计算中，还需要参照化工热力学中的热力学定律，以及查阅无机化学和化工工艺手册中的物性参数等综合来完成热量衡算。 4.2 确定热力学参数 4.2.1 热力学参数 本设计中所涉及物质的热力学参数见表3-1所示： 表3-1 物质的热力学参数一览表 物质 温度/K 298 298 298 298 298 298 6.657 8.68 8.67 277.17 -296.8 -395.7 0 0 -285.83 236.7 -300.1 -371.1 -237.178 167.829 248.2 256.8 205.152 191.609 69.91 27.3 39.9 50.7 29.4 29.1 75.291 4.2.2 等压热容 各个工段的热量衡算可以依据等压热容的定义式(式4-1)计算 CpABTCT2DT3 （4-1） 表4-2 参与反应物质的Cp 一览表 物质 氧气 二氧化硫 三氧化硫 氮气 A 6.713 5.697 7.586 7.44 B -8.79E-07 1.60E-02 1.72E-02 -3.24E-03 C 4.17E-06 -1.19E-05 -1.89E-05 6.40E-06 D -2.54E-09 3.17E-09 5.27E-09 -2.79E-09 4.3 计算依据 4.3.1 衡算数据

在本设计中，焚硫炉所需要的氧气的物质的量为140.02 Kmol；转化器所需要的氧气

第 13 页 共 43 页

的物质的量为134.06 Kmol，由于氧气的来源为空气净化车间，因此在输送氧气时后续工段所需要的氧气都是在净化之后全部先通入焚硫工段。则氧气的通入量为274.08Kmol。 氮气的物质的量一直为1289.2Kmol。 进入转化器的三氧化硫的物质的量为140.76 Kmol。 （注：以上数据都是以一小时为基准） 4.3.2 计算过程依据 在本设计中涉及到了换热设备，其遵循平衡方程式 Q1Q2Q3Q4Q5 (4-2) 式中： Q1——进入设备的物质所带来的热量，Kj； Q2——反应过程的热效应，Kj； Q3——离开设备的物质所带走的热量，Kj； Q4——加热或冷却设备时所消耗的热量，Kj； Q5——装置向外界所散失的热量，Kj。 4.4 每个工段的热量衡算 4.4.1 焚硫工段 （1）Q1 的计算（进入设备的物质所带来的热量） Q1nCpT (4-3) 通常用0℃作为反应的标准。  Cp 的计算 Cp 的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp 见表4-3 所示： 表4-3 物质的Cp 一览表 温度 140℃ A(氧气） 6.704 B（氮气） 6.997 单位为j/mol•K

 每种物质所带入的热量的计算

Q1A274.086.704140273758859.584Kj

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

Q1B1289.26.9971402733725479.88Kj Q1Q1AQ1B758859.5783725479.884484339.43Kj 计算时忽略杂质的Q1。 （2）Q2 的计算（反应过程的热效应） 焚硫工段的过程的热效应为在焚硫炉内的热效应。通常以0℃为基准来进行反应过程的热量衡算。在反应过程中难免会有副反应的发生，然而副反应的存在对整个过程的热量衡算来说几乎可以忽略不计。每次都只计算主反应的热量，对于副反应则忽略。。 查化学工程手册可以得到在25℃时各个物质的生成焓见表4-4所示 表4-4 物质的生成焓一览表 温度 25℃ A（硫磺） 277.07 B（氧气） 0 C（二氧化硫） -296.8 单位为Kj/mol。 由生成焓的计算式

HnCpdT (4-4)

T1T2焚硫工段所发生的反应为SO2燃烧SO2。 则在140℃时硫的生成焓为

H140.021402523.7381624.51Kj

在140℃时二氧化硫的生成热为

H140.021402539.9642481.77Kj

Q2HSHSO2381624.54642481.771024106.31Kj

（3）Q3 的计算（离开设备的物质所带走的热量）

在焚硫炉内硫磺与氧气充分燃烧生成二氧化硫，此时还有氮气和氧气的剩余，此反应为放热反应，但焚硫炉内的温度一直保持在140℃左右。

Q3nCpT (4-5)

通常用0℃作为反应的标准。  Cp 的计算

Cp 的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp 见

第 15 页 共 43 页

表4-5 所示： 表4-5物质的Cp 一览表 温度 140℃ A(氧气） 6.704 B（二氧化硫） 10.507 C（氮气） 6.997 单位为j/mol•K  各物质的Q3 的计算 Q3A140.026.704140273387680.655Kj Q3B140.7610.507140273610812.677Kj Q3C1289.26.9971402733725479.88Kj Q3Q3AQ3BQ3C387680.6553725479.88610812.6774723973.21Kj

其中杂质的Q3 忽略不计。 (4) Q4Q5的计算 Q1Q2Q3Q4Q5 Q4Q5Q1Q2Q3 (4-6) 由式4-6可以计算Q4Q5的值为.1Kj。 4.4.2 转化工段的计算 转化工段的反应式为SO2O2催化剂SO3 (1) Q1 的计算（进入设备的物质所带来的热量） Q1nCpT (4-7) 通常用0℃作为反应的标准。  Cp 的计算 Cp 的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp 见表4-3 所示： 表4-6 物质的Cp 一览表 温度 430℃ A(氧气） 6.714 B（氮气） 7.356 C（二氧化硫） 7.356 年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

单位为j/mol•K  每种物质所带入的热量的计算 Q1A274.086.7144302731293641.7Kj Q1B1289.27.9984302736666798.7Kj Q1C140.767.98943027379045.74Kj Q1Q1AQ1BQ1C8750977.14Kj 计算时忽略杂质的Q1。 (2) Q2 的计算（反应过程的热效应） 转化工段的过程的热效应为在转化塔内的热效应。通常以0℃为基准来进行反应过程的热量衡算。在反应过程中难免会有副反应的发生，然而副反应的存在对整个过程的热量衡算来说几乎可以忽略不计。每次都只计算主反应的热量，对于副反应则忽略。。 查化学工程手册可以得到在25℃时各个物质的生成焓见表4-7所示 表4-8 物质的生成焓一览表 温度 25℃ A（二氧化硫） -296.8 B（氧气） 0 C（三氧化硫） -395.7 单位为Kj/mol。 由生成焓的计算式

HnCpdT (4-8)

T1T2则在430℃时二氧化硫的生成焓为

H140.764302539.92274611.22Kj

在430℃时二氧化硫的生成热为

H140.764302550.72890295.46Kj Q2HSO3HSO25164906.68Kj

(3) Q3 的计算（离开设备的物质所带走的热量）

在焚硫炉内二氧化硫催化氧化为三氧化硫，此时还有氮气和氧气的剩余，此反应为放热反应，但焚硫炉内的温度一直保持在430℃左右。

Q3nCpT (4-9)

第 17 页 共 43 页

通常用0℃作为反应的标准。  Cp 的计算

Cp 的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp 见表4-5 所示：

温度 430℃ A(氧气） 6.714 B（二氧化硫） 7.989 C（氮气） 7.356 D（三氧化硫） 12.152 表4-9 物质的Cp 一览表

单位为j/mol•K  各物质的Q3 的计算

Q3A64.036.714430273302217.886Kj Q3B0.77.9894302733931.387Kj Q3C1289.27.3564302736666798.71Kj Q3D140.7612.1524302731202497.41Kj Q3Q3AQ3BQ3CQ3D8175445.39Kj

其中杂质的Q3 忽略不计。 （4）Q4Q5的计算

Q1Q2Q3Q4Q5

Q4Q5Q1Q2Q3 (4-10)

由式4-10可以计算Q4Q5的值为.43Kj。 4.4.3 吸收工段的热量衡算

吸收工段的反应式为nSO3H2OH2SO4n1SO3Q (1)Q1 的计算（进入设备的物质所带来的热量）

Q1nCpT (4-11)

通常用0℃作为反应的标准。  Cp 的计算

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

Cp 的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp 见表4-11 所示： 表4-11 物质的Cp 一览表 温度 150℃ A(氧气） 6.713 B（二氧化硫） 10.585 C（氮气） 7.004 D（三氧化硫） 11.874 单位为j/mol•K  每种物质所带入的热量的计算 Q1A70.726.713150273200812.441Kj Q1B123.6810.585150273567203.999Kj Q1C1289.27.0041502733819502.53Kj Q1D126.6811.874150273636275.889Kj Q1Q1AQ1BQ1CQ1D5223798.86Kj 计算时忽略杂质的Q1。 (2)Q2的计算（反应过程的热效应） Q2nfH （4-12） 由式4-12可得吸收工段的热效应为 Q288126.6814.64Kj14193.23Kj (3) Q 3的计算（离开设备的物质所带走的热量） 在吸收塔内三氧化硫被硫酸吸收生成硫酸产品，此时还有氮气和氧气的剩余，此反应为放热反应，但焚硫炉内的温度一直保持在150℃左右。 Q3nCpT (4-13) 通常用0℃作为反应的标准。  Cp 的计算 Cp 的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp 见表4-12 所示： 表4-12物质的Cp 一览表 温度

A(氧气） B（二氧化硫） 第 19 页 共 43 页

C（氮气） D（三氧化硫） 150℃ 6.713 10.585 7.004 11.874 单位为j/mol•K

 各物质的Q3 的计算

Q3A64.386.713150273182813.38Kj Q3B0.710.5851502733133.92Kj Q3C1289.27.0041502733819502.53Kj Q3D14.6411.87415027373532.36Kj

其中杂质的Q3 忽略不计。 （4）Q4Q5的计算

Q1Q2Q3Q4Q5

Q4Q5Q1Q2Q3 (4-10)

由式4-10可以计算Q4Q5的值为.9Kj

第五章 主要设备的设计与选型

在以硫磺为原料生产硫酸的装置中,焚硫和转化是最为重要的关键流程。虽然现有的生产技术和运行装置都相对比较先进,然而当在实际的工业化生产中更加需要进一步的技术革新，同时更加应该与时俱进，时刻遵循“环境保护”和“节能减排”这两大主旨。在本次设计中，重点对焚硫转化工段中的主要设备进行详细阐述，这样可以更加直

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

接、方便的指导硫酸的实际生产。

5.1 熔硫工段（包括原料准备工段）

空气净化工段的主要设备有空气鼓风机，熔硫工段的主要配备有输送机、熔硫槽、过滤助虑槽、液体硫磺过滤器、液硫贮槽、精硫槽、硫磺泵等，主题管道采用夹套管。以下对主要的设备进行简述。

5.1.1 空气鼓风机

空气鼓风机是以硫磺生产硫酸的比较关键的设备之一，其运行是否良好直接关系到此工艺的稳定性和连续性，也是开车阶段最为重要的控制部位。评价一台鼓风机的性能是否良好，除了要看它是否满足工艺条件，还要综合其是否能长期运行和有良好的操作弹性，另外还需考虑其成本低、噪声小等因素。大型鼓风机主要有离心式和轴流式两种类型。

由于轴流式鼓风机的结构相对复杂，造价、安装成本较高，因而在国外生产硫酸的装置中一般采用离心式空气鼓风机。空气鼓风机的驱动方式有电驱动和蒸汽驱动两种方式。蒸汽驱动使用的设备是背压式蒸汽透平直接驱动鼓风机，蒸汽是用设备在运行时附带产生的中压过热蒸汽。优点是直接利用了一部分生产装置所产生的蒸汽，使得另一部分的蒸汽送入发电系统进行发电，这样减少发电机组的负荷和整个硫酸生产装置的用电负荷。虽然蒸汽驱动方式的装置成本比电驱动方式的成本高，但是综合总的投资效益，这种方式的选择是合理的。 5.1.2 液体硫磺泵

在熔硫工段的设备中，液体硫磺的输送拟选用屏蔽泵。熔融态的硫磺输送时温度在140℃左右，为了不产生主轴密封渗油现象，采用屏蔽泵型式。 5.1.3液体硫磺过滤器

本次设计使用卧式叶片液体硫磺过滤器。熔融态的硫磺中掺杂硅藻土一起进入卧式叶片过滤器，在叶片过滤网表面上形成硅藻土滤饼层，达到标准的液体硫磺在叶片框架内流动，最后一起输出。每次在一定时间清理硅藻土滤饼层时，在顶盖配备的自动液压将顶盖打开，叶片框架直接能移出设备的外面，当在处理滤饼的时候，清理完毕后，自动放进设备和顶盖关闭。该设备具有结构紧凑，过滤效果好的优点。

5.2 焚硫转化工段

焚硫转化工段的主要设备有焚硫炉、热力设备主要包括过滤器、废热锅炉、省煤器等、转化塔、热热换热器、冷热换热器。主题管道是用来输送气体，大部分管道是钢板

第 21 页 共 43 页

现场卷制或是直接购买的螺旋管。本次设计的焚硫炉内部要配备耐火砖，换热器、热力设备、转化器和管道都需要保温。

5.2.1 焚硫炉

硫磺和空气燃烧的反应速率较快，焚硫炉的结构相对比较简单，本设计使用卧式焚硫炉。用的最多的是喷雾焚硫炉。焚硫炉的构造为最外层设置钢壳，里面配备有二层隔热砖，二层耐火砖。炉内的硫磺喷枪使用高压喷嘴型式，增设空气导流装置用以加强雾化效果。进口干燥空气和雾化后液体硫磺同方向进入焚硫炉炉内，炉子中部设有二次空气以便燃烧更加充分。炉体上部设有遮雨棚，防止热量的散失，支座为鞍式支座，设有固定支座和活动支座。

图5-1 焚硫炉的结构示意图

焚硫炉的燃烧能力的弹性较大，一般控制在1～2.5 之间。在实际生产过程中，由经验可得，容积为1m3的焚硫炉，大概能够每天能够燃烧1t左右的硫磺，可以用来生产3t的硫酸。燃烧能力较高的焚硫炉一天可以燃烧2t的硫磺。但一般的规律显示，大型炉能力偏大，小型炉的能力偏小。主要原因是炉体内气速和雾化情况不同造成的。

5.2.2 转化塔

转化塔是保证二氧化硫催化氧化为三氧化硫的核心设备。转化塔长期在高温环境下作业，还要处理腐蚀性气体在转化塔的各个阶段温度的不同所产生的不同膨胀热应力。在各个转化阶段绝对不能允许有毒气体的逸出，另外还要满足最终的生产要求而达到一定的转化率。因此，转化塔需要综合各个因素来选择。

目前转化塔在结构上有中心筒式结构和积木式结构两种形式。中心筒式结构转化塔中设置两个同心立式圆筒，内部直接使用中心管，既可以支撑隔板和催化剂的重量，又可以作为部分反应的气体通道。积木式结构转化塔平地球冠盖立式回筒形容器，内部结构为自下而上的若干支撑柱和桩柱支撑隔板和格栅。以上两种形式的转化塔在国内大型制酸装置中都有所应用。

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

图5-2 转化塔的结构示意图

在转化反应中，因在每一转化阶段需保持适宜的温度，所以需要在反应时设置换热设备来及时移走热量使得反应顺利进行。通常采用两种方法来达到换热的目的一种是绝热操作，这是通常普遍采用的方法。另外一种是恒温操作，该方法受到反应设备体积的限制通常采用的较少。

5.2.3 废热锅炉

废热锅炉也是硫酸生产装置中最为重要的设备之一，有时锅炉发生故障是导致开车不顺利的重要原因，因而性能良好的锅炉是硫酸生产工艺长期、安全运行的必要条件。硫磺生产硫酸装置中废热锅炉有两种形式，一种是火管锅炉，另外一种是水管锅炉。这两种形式的锅炉在国内形成成熟的设计经验。在国内的硫磺生产硫酸装置中，大多采用火管锅炉。火管锅炉具有无炉气滞留区、气流分布均匀、能过承受较高的气体压力、不易发生局部腐蚀、安全可靠。

火管锅炉的管板采用绕性管板用以吸收火管的热膨胀，为了减小管板和火管的焊缝应力，在前管板增设特殊材料加以保护。为了降低管板两侧的温差应力，可以采用特殊管套加以保护。为了保证焊缝的可靠性，可以采用特殊的焊接形式。

废热锅炉有双锅壳单汽包和单锅壳单汽包两种形式，双锅壳单汽包造价高、占地较大，并且对烟气的控制要求较高。因此一般选用单锅壳单汽包废热锅炉。

因焚硫炉出口炉气的温度较高。用来降低进入转化器一段的气体温度的高温调控阀和高温副线都需要内衬，而在实际生产过程中因温度较高其损耗也较严重。此时可以将

第 23 页 共 43 页

焚硫炉的出口和废热锅炉的进口直接连接，把废热锅炉直接分为两段式，转化器一段的高温副线在废热锅炉的两端引出，此时阀门和管道的温度易于控制，选用普通阀门和不锈钢管段就能满足生产要求。

图5-3 第一废热锅炉（水管废热锅炉）结构图

图5-4 第二废热锅炉（低温过热器）结构图

5.2.5 过热器

一般在转化器一段炉气出口设置高温过热器，由于炉气的温度较高，则应考虑高温

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

热应力的影响。在硫磺生产硫酸装置中，高温过热器有立式内支撑不锈钢结构和卧式悬吊管内衬结构。卧式悬吊管内衬结构的过热器，炉气进口与转化器的出口直接相连，底部配备有固定支座。立式内支撑不锈钢结构的过热器设置为垂直烟道横向冲刷式，外形为箱式结构，烟道流向是侧进上出。过热器本身包括外壳、中温过热管束、高温过热管束、喷水降温器和支座组成。将水平支撑蛇形螺旋翅片管结构作为过热器的受热面，蒸汽的流向为上进下出，正好与烟道气逆流换热，过热器的管束安装在其内部的管板上，可以自由膨胀。高温过热器在进口前烟道管道上设置有喷水降温器，可以调节过热蒸汽的温度，喷水采用锅炉给水，这种结构的过热器安全可靠、占地小。

省煤器、高温过热器和低温过热器的换热管和焊缝，既需要进行100%的超声波探伤，还需要有100%的涡流探伤检验。

5.3 干吸工段

5.3.1 干吸塔

高效干吸塔系统是将高效填料塔、高效除雾器、高效分酸器、填料支承结构形式与塔的尺寸、喷淋酸的喷淋密度等因素统一考虑，优势互补，从而形成高效率、高强度吸收塔。用以达到最终的工艺要求。

干吸塔属于塔结构的范畴，塔体采用立式圆筒型结构，碳钢内衬耐酸砖，一般使用高铝制耐酸瓷填料支撑结构，有的则采用高开孔率、大跨度的耐酸高铝瓷条梁。

干吸塔一般采用进口网垫式或国产抽屉式金属丝除雾器。第一吸收塔的酸的温度高、颗粒较小、雾量大，为了防止后面的换热设备不被损耗，可采用高效纤维除雾器，在第二吸收塔为了使尾气能够达到国家标准，也采用高效纤维除雾器。

第 25 页 共 43 页

图5-6 干吸塔的结构示意图

5.4 焚硫炉的设计和计算

5.4.1 焚硫炉的基本性能包括：

（1）耐高温，能确保炉膛内有足够高的热强度； （2）雾化效果较好；

（3）隔热效果较好，能保证焚硫炉的外侧温度低于60℃； （4）耐腐蚀性能良好，不易堵塞； （5）消耗材料较少，制造与安装方便。 5.4.2 焚硫炉的设计基础

本设计采用卧式喷雾式焚硫炉，炉体的大体结构都比较简单，只有喷嘴的结构相对较复杂。由于本设计在焚硫炉之前还设有鼓风机，则喷嘴选用低压喷嘴即可达到生产要求。图5-7是焚硫炉的设计简图。

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

图5-7 焚硫炉的设计简图

5.4.2 焚硫炉的设计要求

表5-1 焚硫炉的主要工艺参数和特性

炉膛操作温度/℃ 1014 空气流量/35034 炉膛操作压力/kPa 140 空气温度/℃ 103.5 雾化方式 机械雾化 液流温度/℃ 140 喷硫量2.32 设备外壳温度/℃ ≤60 5.4.3 焚硫炉主体尺寸计算 5.4.3.1 炉膛容积

焚硫炉的炉膛容积，依照总的有效容积来计算，由式5-1 所示；

VQ （5-1） q式中：

V——焚硫炉的炉膛容积，m3 Q——焚硫炉的有效热量，Kj/h; q——炉膛容积热强度，Kj/(m3h) 5.4.3.2 容积热强度

当焚硫炉的炉膛容积一定时，炉膛容积热强度越高，焚硫炉的生产能力越大。但生产能力过大会使炉膛温度超过正常的范围，在操作上产生不利因素。如表5-2所示。

第 27 页 共 43 页

表5-2 焚硫炉的容积热强度

炉型 卧式 卧式 卧式（古巴毛阿镍厂） 卧式（日本三井） 容积热强度 ～ ～ 喷嘴形式 低压喷嘴 低压喷嘴 机械喷嘴 机械喷嘴 5.4.3.2 硫磺燃烧时的热效应

硫磺在焚硫炉内的燃烧过程中，先是液态硫磺蒸发，空气与硫磺蒸气混合，气流中氧气与硫磺发生反应，产生二氧化硫之后向外逸出，该反应是放热反应。由热对流和热辐射向硫磺传热，使得硫磺继续蒸发从而开始反应。液态硫磺在周围的燃烧反应速率是以硫磺的蒸发速率为主要的控制因素的。采用提升雾化质量、增大液态硫磺的蒸发表面积、加强空气的湍流程度、提高空气的温度等都可以加速液态硫磺的蒸发速度。对改善和提高硫磺的燃烧速率起到重要作用。

硫磺燃烧的热效应是焚硫炉的有效热量，硫磺与氧气燃烧的反应式为

S正交硫O2SO2H (5-2)

QG•H (5-3)

式中：

Q——液流消耗量，Kg/h;

H——硫磺的燃烧热，9282 Kj/Kg； 5.4.3.4 焚硫炉炉膛的容积

由第三章物料衡算的结果可知，硫磺的消耗量为G=4667.42 Kg/h，则由式（6-3）可得：

QG•H4667.42928243322992.4Kj/h

按式（5-1）可以计算炉膛容积V，本设计选用低压喷嘴，查表5-2可得炉膛的容积热强度取q=Kj/(m3h)，将Q，q 带入式（5-1）可得炉膛容积

VQ43322992.4134.33m3 q3225005.4.3.4 焚硫炉的长度和直径

焚硫炉的长度和直径（内径）的比值是由焚硫炉的炉型和喷嘴的型式决定，算出焚

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

硫炉的有效容积后，根据所选定的炉型和喷嘴型式来决定焚硫炉的长径比。常见的几种焚硫炉的长径比见表5-2所示：

表5-2 常见的几种焚硫炉的长径比

炉型 卧式 卧式（美国） 卧式（古巴毛阿镍厂） 卧式（日本三井） 卧式及立式蓄热型 长径比L/D 3.2～4 1.5～2.5 2.75 2.8 0.8～0.9 备注 低压喷嘴 低压喷嘴 机械喷嘴 机械喷嘴 硫化氢燃烧炉 由上表选择本设计的长径比为L/D=3.6，则由炉膛容积V，可由

4D2•LV 带入数据解得D=3.6m，L=12.96m。

5.4.3.5 进气和出气孔径的计算

炉气和干燥空气的流速依据20m/s计算，有物料衡算的数据可知，焚硫炉的进气量为9.73m3/s,出气量为33.65m3/s。

由此可得

进气口的截面积S1G9.730.49m2 u12040.490.79m 3.14进气口的直径d14S1出气口的截面积S2G33.651.68m2 u22041.681.46m 3.14出气口的直径d24S25.4.3.6 二次风进口口径

在低负荷操作条件下，炉膛的温度较低，此时燃烧不够充分，反应时间延长。设置二次风的作用是能够向焚硫炉中补充氧气，并且能够将火焰向炉头方向压缩，促使燃烧反应完全，使得液态硫磺 不会剩余。此时，炉口温度高于炉膛温度，调节二次风的流量可以起到降温的目的。一般二次空气的量是总空气的量的15%左右。

二次空气进量G29.730.151.46m3/s

第 29 页 共 43 页

二次空气进口截面积S34S3G1.460.073m2 u32040.0730.30m

3.14空气进口直径d35.4.3.7 人孔的设置

为了方便焚硫炉的检修，需要设计一个人孔，人孔设置在焚硫炉的一端，这样做不会削弱筒体的整体强度。本设计选用碳钢回转盖人孔，人孔的直径设计为600mm。

5.5 焚硫炉的详细设计 5.5.1 炉墙的设计 5.5.1.1 炉墙的结构

焚硫炉的主要结构为耐火砌体，由工艺设计的要求，设备不设置外保温结构。钢壳的操作温度不超过60℃，因此内部的耐火砖和保温砖是保证炉体隔热保温的关键。

在开始建设焚硫炉前，先将石墨粉水玻璃防腐涂料刷在壳体的内表面，这样做是为了防止在壳体制造完成到焚硫炉建设的这段时间内外界物质对壳体的氧化腐蚀。在开始筑造焚硫炉时，先衬一层3mm的石棉板，用水玻璃粘结在一起，它可以在砌体和外壳之间起到衬垫作用。之后开始砌保温砖，保温砖的厚度为230mm,再砌两层耐火砖，厚度分别为114mm和230mm。炉体建筑完毕后，将两层磷酸盐防磨涂料刷在耐火砖表面。其可以缓解火焰和气流对耐火砖的磨损和冲刷，使得焚硫炉能够运行更长的时间。

5.5.1.2 炉墙材料 ① 耐火砖

粘土质耐火砖的成分为三氧化二铝，质量分数为30%～48%的硅酸铝耐热品，它的最高使用温度可以达到1250℃，其具有良好的热稳定性，粘土质耐火砖属于弱酸性耐火材料范畴，其具有较强的抗酸性腐蚀能力，抗熔渣渗透性也较好。以上耐火砖的特性能够满足焚硫炉正常生产的要求。同时该材料的价格相对低廉，可以降低筑造成本。因此，本次设计中耐火砖都是使用用粘土质耐火砖。

本设计的耐火砖的形状大部分是矩形和楔形砖。依据GB4415-84《粘土质耐火砖》，选择牌号为N-1的耐火砖。其物理指标最好，耐火温度可高达1750℃，常温耐火砖的压强大于30MPa。

② 保温砖

各种保温材料都有其自己的适用温度，在运用时千万不能超过其适用范围，否则既

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

不能达到最终的生产要求，严重时会导致生产事故。粘土质隔热耐火砖属于轻质砖的范畴，在砖的生产过程中向其中添加了特殊物质使得其具有导热率低、气孔率高、密度小的特点。保温砖的多孔结构保证了其具有良好的保温性能。但是由于保温砖的气孔率较大，组织疏松，抗渣性较差，炉渣很容易被气流带入气孔内，使得其不能到达正常的效果。另外，这种保温砖的机械强度也较弱，抗震性能和耐磨性能都不好，一般只将其作为隔热保温层，不在迎火面上使用。

粘土质隔热耐火砖的尺寸允许误差和理化指标都应符合国标GB3994-835《粘土质隔热耐火砖》，本设计中选用牌号为NG-0.4。

5.5.1.3 钢壳温度校核

由钢壳的操作温度，本设计选用普通碳钢Q235-A碳钢作为壳体钢壳。

计算时不考虑石棉板和外壳的热阻，由多层圆筒壁导热公式（式5-4）进行计算。

Q2Lt1ta （5-4）

1r21r31lnln1r12r2r30式中：

Q——传热量，W； L——圆筒的长度，m；

r1,r2,r3——耐火砖和保温砖的内外径，m； t1——耐火砖的内表面温度，℃； t2——耐火砖的内表面温度，℃；

1，2——耐火砖、保温砖的导热系数，W/（m2℃）；

0——炉外墙与空气间的给热系数，W/（m2℃）。

011.67w

w——风速，m/s；

由式（5-4）可以求得多层圆筒壁的传热量，之后可以推算出外壳表面温度。

t2t1Qrln2 （5-5） 2L1r1rQln3 （5-6）

2L2r2第 31 页 共 43 页

t3t2

式中：

t1，t2 ——耐火砖和保温砖的接触温度，℃；

t3—— 保温砖外侧表面温度，℃。

对于本设计所选用的保温砖和耐火砖，其导热系数分别为： 粘土质隔热耐火砖：

10.090.1610-3tm （5-7）

粘土质耐火砖：

20.840.5810-3tm （5-8）

式中：

tm——耐火砖或保温砖的平均温度，℃。

在本设计中由于焚硫炉的热损失较小。。t1为1014℃，大气温度按照年平均温度ta为20℃计算，查经验手册可以得知当地的风速为6m/s，可以计算出给热系数0的数值为28.7W/（m2℃）。

采用试差法来验证炉墙的设计是否合理。假设t2850℃，t345℃，由式5-7,5-8可以计算出11.38W/m•℃，20.166W/m•℃。采用迭代法计算，得到

t2852℃，t339℃，此时可以得出钢壳的温度为39℃，结果较为满意。

5.5.1.3 膨胀缝的设计

砌体在操作条件下，由于温度的变化，气体会发生收缩和膨胀，由于砌体的膨胀量和水泥的收缩量可能会不一致。当砌体不考虑设置膨胀缝时，焚硫炉内部产生的内应力促使炉子发生变形，或者会使砌体拱起、拱碎。膨胀缝的设计原则是：膨胀缝不会削弱砌体的强度，严禁气体通过膨胀缝。另外，还应该分开均匀的设置，膨胀缝的大小主要取决于操作温度和耐火砖材料的性质。

热膨胀量的线性关系式为：

lLtt0 （5-9）

式中：

l——热膨胀量，mm；

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

——平均线性膨胀系数，1/℃；

L——冷态温度下砌体的长度，mm； t——砌体的最高温度，℃；

t0——冷态温度，℃。

本设计中选用的保温砖和耐火砖的平均线性膨胀系数分别为

5.2106/℃，6106/℃，保温砖和耐火砖的设计长度分别为13000mm和12600mm，处

于操作状态下时，由式（5-9）可以计算出保温砖、内层耐火砖与外层耐火砖的热膨胀量分别为58mm、75mm和68mm。

在设计时，筒体的炉墙和墙后端墙体都需要留设20～25mm的膨胀缝，对于内层耐火砖，由于挡墙内砌有耐火砖，所以在每个挡墙的两侧分别留有10 mm 的膨胀缝，用以保证总的膨胀量。对于外层的耐火砖而言，除过两端留设的膨胀缝之外，再设计时设置10mm的膨胀缝若干条，用以保证总的膨胀量。

5.5.1.4 挡板的设计

焚硫炉内设有折流挡板，可以使得炉内气体的湍动程度大大增强，又可以增加炉气的湍动速度，同时还可以改善焚硫炉内炉气的分布与延长停留时间。这样做可以加速硫磺在焚硫炉内的燃烧速度使其充分燃烧。同时可以消除炉气湍动过程中的炉内存在的死区。本设计的焚硫炉设置三堵挡墙。第一、第三堵挡墙位于上部，第二堵挡墙开口在中部。

由于挡墙会直接受到气流的冲击作用，并且由于挡墙的两侧存在温度差，会逐渐倾斜和倒塌。为了避免上述现象的发生，将挡墙配备在内层耐火砖砌体内，并且在四周留有膨胀缝。

对于整个炉膛而言，挡墙位置的载荷较为集中，由图 5-7可知，每堵挡墙的位置均设置了支座。

5.5.1.5 旋流装置

在炉墙端部空气进口处安装旋流装置起导流作用。从已经投入生产的硫磺制取硫酸的装置来看，空气导流叶片不设置在焚硫炉的入口处，因为细炭灰聚集在气体入口下部分。

由下图5-8 可知，气体被分为两部分进入旋流装置，一部分由切向进口管进入圆筒，并从小圆锥圆筒旋转出去；剩下的那些气体会在内外圆锥筒之间的空隙中流动，将几条

第 33 页 共 43 页

螺旋叶片设置在空隙内，气流进入后沿着槽道各自做螺旋运动。经过旋流装置之后，可以使早期的混合程度加强，炉内的气体开始迅速的旋转，形成切向扰动，使得死角得以消除。旋流装置的结构比较简单、加工方便、阻力小、投入生产之后的效果比较明显。

图5-8 旋流装置示意图

因焚硫炉在燃硫工段的温度较高，选用耐热钢2Cr25Ni20作为旋流装置材料，该材料抗疲劳性能、抗氧化性能较好，最高温度上限较高，能够满足焚硫炉正常生产要求。

5.5.1.6 鞍座的设计

鞍座由底板、垫板、肋板和腹板组成，如图5-9所示，鞍座和垫板起到容器载荷的作用。肋板将腹板、垫板和底板连为一体，从而使得刚性大大加强，一起来抵抗传递压缩力和外弯矩。鞍座有活动鞍座和固定鞍座两种形式，由于热胀冷缩原理设备在高温下会伸长，假如限制了设备生产的趋势，此时设备会在局部产生热应力。通常钢制容器温度每升高1℃，设备会产生大约2.5MPa的应力。本设计中设备的温度由25℃上升至39℃，由此可以得出产生的热应力大约为45MPa。

由于在操作条件下焚硫炉的伸缩长度为2.9mm，所以在本设计中，设备配有一个固定鞍座，其余皆为活动鞍座。这样可以使装置在运行时自由伸缩。本设备中配备了7个鞍座，每个鞍座的下部安装有基础垫板，基础垫板的表面必须平整光滑，固定鞍座配备在有出口管道的焚硫炉的一侧，用垫板焊接固定，其他垫板与鞍座不必要焊接。

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

图5-9 鞍座结构示意图

5.5.1.7 硫磺碰嘴

对于硫磺喷嘴而言，其喷雾角度大、易于形成气化的微粒，并且能够均匀的分散是保证其正常运行的必要条件。

根据雾化和喷入焚硫炉的形式将硫磺喷嘴分为两种形式：一类是空气雾化，由加压空气使得液态硫磺雾化；另一类是机械雾化，由液态硫磺的压力使得硫磺雾化。

与空气雾化喷嘴相比，机械雾化喷嘴具有更多的优点就是： （1）机械雾化喷嘴不需要加分压机。

（2）机械雾化喷嘴结构相对简单，操作方便，加工容易。 因此，本设计选用机械雾化喷嘴。

通常硫磺制酸装置生产企业的喷嘴规格有直径为11mm、9mm、8mm、7.5mm、7mm。通过模拟实验，对喷嘴的生产能力、有关性能测定出了结果，见表5-3所示。

表5-3 碰嘴的规格与生产能力的关系

碰嘴的规格mm 液硫的压力MPa 硫酸的规模Kt/a 11 0.8～1.0 140～160 9 0.7～1.0 80～100 8 0.6～1.0 65～80 7.5 0.6～0.9 50～65 7 0.5～0.9 40～50 由于本设计的设计规模是年产100Kt的硫酸，因此可以选直径为9mm 的喷嘴，在焚硫炉中设置一个这样的喷嘴即可。

5.5 焚硫炉设计条件汇总

焚硫炉的各个设计条件及设计参数见表5-4所示。

第 35 页 共 43 页

表5-4 焚硫炉数据表

装置名称 容器类型 卧式 工艺操作数据 名称 物料名称 操作压力 操作温度 密度 气相 炉气量 质量流量 炉体长度 炉体内径 钢壳材料 耐火砖牌号 耐火砖砌体厚度 保温砖砌体厚度 挡墙耐火砖厚度 挡墙数 喷嘴 鞍座个数 N-1 344 230 460 3 Φ9 7 13000 3600 Q235-A 保温砖牌号 焚硫炉 硫磺燃烧炉气 140 1014 0.43 10854.4 4667.42 单位 Kpa ℃ Kg/m3 m3/h Kg/h mm mm N-0.4 mm mm mm 个 mm 个 年产10万吨硫磺制酸生产装置 需要台数 1台

5.6 设备一览表

本设计中运行设备一览表见表5-5所示

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

表5-5 设备一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 设备位号 V101 V102 TI101 P101 F101 P102 T101 T201 R201 E201 T301 V301 V303 设备名称 快速熔硫槽 液硫过滤器 温度控制器 泵 焚硫炉 鼓风机 干燥塔 转化塔 省煤器 换热器 吸收塔 循环槽 成品储槽 规格与型号 SW-2H ST-I-ZD CD401-N1 300QSZ-3.4-13 YCWS8253-00-0 SI800-18 JGT-Y75 SKYB31250C SMQ11 BRQ-g YS-I-500 HL-300 PVC-40Q 数量 1 1 1 2 1 1 1 1 4 2 2 2 1

第 37 页 共 43 页

第六章 车间布置

6.1 设备布置

在整个硫磺制取硫酸的装置中，焚硫转化工段的装置为露天布置。因此在设计的时候应该充分利用现有的地理条件，同时还应该综合环境保护、安全生产等因素。另外设备布置应考虑操作、检修、维护、施工和消防的要求,并且尽可能的节省用地、降低能源的消耗。在焚硫转化工序中，由于气体管道的直径比较大，因此在进行设备布置的时候还要考虑管道如何合理布置。

在焚硫转化工序中，主体设备的体积都比较庞大。设备布置不仅需要考虑整个工艺流程的顺畅性，还需满足配管的需要。另外还要达到整个流程的美观。焚硫炉和转化塔是焚硫转化工序的关键设备，尤其是转化塔更是决定整个工艺能否达到最终的生产目的的关键设备。转化塔的直径和高度是整个设备中数值最大的，所以整个设计中的设备都需要以转化塔为中心。由于转化塔中装填有催化剂，为了催化剂的更换和安装的方便，转化塔的周围应该搭建一个平台。

当转化塔的位置确定后，就可以比较容易的确定其他设备。冷热换热器和热热换热器布置在转化塔的一侧。高温过热器的管道布置也和转化塔有关，也可以设置在转化塔的周围。低温过热器和省煤器是立式设备，需要在混凝土平台上设置。废热锅炉、省煤器和过热器都是换热设备，在考虑换热器和转化器的布置时，需要考虑换热设备水汽管道的顺畅和便利。

由于设备存在着热应力，在转化器周围的设备，最好是围绕转化器呈现对称分布，这样可以平衡转化器周围各个方向的力。焚硫炉的配置离不开废热锅炉，需要将两者统一布置。但是两台设备的整体设备都相对较长，可根据场地的情况将两台设备平行布置。然而焚硫炉出口部分到废热锅炉的气体温度较高,因此废热锅炉和焚硫炉应尽量靠近，便于缩短该管道的长度。空气鼓风机既可以布置在风机房内，又可露天布置。安装风机的厂房占地面积较大,需在综合考虑其摆放位置，其尽量靠近干燥塔,但是应该注意塔前风机和塔后风机的区别。

6.2 管道布置

6.2.1 管道布置概述

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

在硫磺制取硫磺的装置中，焚硫转化工序的气体管道大多是大直径薄璧钢管，为了降低热量损失，另外为了防止露点腐蚀，大部分管道需要设置保温措施，一般将管道架空设置。管道布置设计应遵循工艺流程图的要求,做到统筹规划、经济合理、安全可靠,并能够满足施工的要求。

鼓风机的出口管道应该尽量减少转弯的程度，用来减小鼓风机出口的阻力,同时还可以减轻由管道震动所引起的噪音。然而进入焚硫炉空气管道和阀门的介质温度较低,一般用管法兰连接,为了方便检修和更换。然而焚硫炉后的炉气管道和阀门的介质温度较高,一般采用焊接连接，为了防止在高温环境下设备变形引起有毒气体的逸出。

通常焚硫转化阶段的管道尺寸相对较大，管道布置不应该局限于管道布置图上的横平竖直，可以适当的将相关设备的相对位置直接相连或斜接，但应该在保证设备不发生碰撞的前提下进行，这样做既可以降低管道内流体的流动阻力，同时又能够节省管道材料。管道弯头通常使用=的虾米弯焊接弯头。阀门应该安装在便于操作和检修的地方,位置较高的仪表和阀门需要搭建操作检修平台。

6.2.2 管廊上的管道布置

设置在管廊上的管道的种类有：公用管道、公用工程管道、仪表管道和电缆。 （1）管廊在进出装置的地方通常会聚集较多的阀门，应该搭建一个平台，平台最好设置在管道的上方。

（2）当输送液体的管道为大直径管道时，管道应该放在管架柱子的上方或者靠近其布置。这样可以减小管架梁产生的弯矩。

（3）当有极少数的大直径管道进入管廊时，标高不方便时可以平行拐入管廊，这时候就要将管道设置在管廊的边缘部位。

6.2.3 其他管道的布置

（1）在管道的最低点应该配有排空阀，在管道的最高点需要配备放气阀。当设备停车时，在管道里面会存积液体的地方也应该配有排空阀。

（2）取样口应该安装在取样具有代表性而且取样过程方便的地方。当在水平设置的管道上取样的流体为气体时，取样口应该从管道的顶部引出。管道在竖直方向设置的时候则不考虑这些问题。

第 39 页 共 43 页

第七章 自动控制及仪表

7.1 选择依据

（1）化工工艺设计手册 化学工业出版社； （2）化工仪表及自动化 厉玉鸣编 化学工业出版社； （3）自动化仪表选型规定 HG/T20507-2000。

7.2 控制系统的选择

硫磺制取硫酸的主要装置选择采用集散型控制系统（DCS）。用来实现控制分散、危险分散，并且可以将操作、管理和检测集中，能够避免常规仪表控制单一。同时可以达到间歇控制、连续控制、数据采集处理、顺序控制和先进控制，将管理和操作先进的贯穿于实际生产中。

7.3 焚硫工段的控制

7.3.1 鼓风机

鼓风机是以硫磺为原料生产硫酸的装置中的重要组成部分。其控制的空气流量的变动会引起炉气中二氧化硫的浓度的变化，当二氧化硫的浓度发生变化时会牵制整个制酸装置的运行程度。本次设计中将手动蝶阀设置在鼓风机吸入口用来对吸入量进行控制。

另外将精硫泵、鼓风机和干燥塔循环泵连锁。当三者中有一个在运行时发生故障，其余两个都必须立即停止下来。

7.3.2 焚硫炉

焚硫炉是整个硫磺制酸过程中焚硫转化工序的最重要设备之一，焚硫炉运行的是否顺畅会直接影响整个制酸装置的运行。焚硫炉为高温容器，温度会超过1000℃，因此需要对焚硫炉内的温度进行控制和检测。

焚硫炉的出口温度控制仪表应该和精硫泵连锁，当焚硫炉出口的温度骤然上升到无法控制时，通过停止精硫泵运转实现停止工作。

7.3.3 废热锅炉

废热锅炉的主要作用是用来回收生产过程中存在的中压过热蒸汽。经过锅炉的气体直接通入到转化塔一侧，由于进入转化塔的温度需要严格控制，因此可以间接通过控制废热锅炉的出口段的温度加以控制。本设计通过对废热锅炉的进口管道设置旁路，方便对废热锅炉的出口温度的控制。

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

7.4 焚硫工段的仪表控制点

焚硫工段的仪表控制点见表7-1所示

表7-1 焚硫工段的仪表控制点

仪表位号 HIC-301 PI-302 TI-302 FR-301 TI-303 TI-304 TRS-305 PI-303 TI-306 PI-304 TRC-307 A-301 HIC-302 测量点位置 鼓风机进口 鼓风机出口 鼓风机出口 焚硫炉进口管道 焚硫炉前段 焚硫炉后段 焚硫炉出口 废热锅炉进口 废热锅炉出口 废热锅炉出口 转化塔进口管道 鼓风机出口 空气直线管道 被控变量 空气流量 空气压力 空气温度 空气流量 炉内温度 炉内温度 出口温度 锅炉进口压力 锅炉出口温度 锅炉出口压力 进口温度 气体组成 空气流量 控制变量 阀门开度 阀门开度 精硫泵 锅炉旁路阀门开度 阀门开度 仪表功能 指示控制 指示压力 指示温度 控制流量 指示温度 指示温度 记录控制温度 指示压力 指示温度 指示压力 记录控制温度 检测组成 指示控制 7.5 焚硫工段主要仪表的选择

7.5.1 温度仪表

焚硫炉的炉体以及出口温度检测控制仪表通常选用一体化温度低变传送器和镍铬—镍硅热电偶，其余位置的温度控制检测器通常选用镍铬—铜镍热电偶。

7.5.2 压力仪表

通常选用智能压力变送器作为集中压力检测仪表。就地压力检测仪表则选用不锈钢压力表即可，在具有腐蚀性的地方选择隔膜压力表。将压力开关布置在重要压力报警点，一般压力报警点则选用节点压力表即可。

7.5.3 调节阀

在整个硫磺制取硫酸装置中焚硫转化工段管道的作用都是用来传输气体的，因此调节阀的口径较大。由于调节所需的力矩比较大，通常用电动执行机构来驱动执行机构，调节阀采用蝶阀。

第 41 页 共 43 页

7.6 仪表的防护和防暴

（1）现场一次仪表可以依据实际情况选用防水型、防腐型仪表；

（2）现场安装的仪表都是全天候运行的，因此必须结合当地的使用环境；

（3）安装于易发生爆炸或者火灾等危险场所的仪表，必须符合设备危险区域划分等级要求。

第八章 结论

年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇的初步工艺设计

本次设计主要完成了年产10万吨硫酸生产车间的工艺设计，由于硫酸是最为重要的化工原料之一，它为我国的农业和工业的高速发展有着不可磨灭的贡献。因此能够在现有比较成熟生产硫酸的技术和良好的运行设置之间继续进行优化，进行优势互补也是将来从事化工生产的工程技术人员的责任之一。

在本次设计中，主要完成了对硫酸的详细阐述，通过对比几种不同的生产原料来最终确定以硫酸为原料来进行硫酸的生产设计，以最终的产品规格和生产规模来完成物料衡算和热量衡算。重点介绍了在整个硫酸生产过程中各个生产装置的性能与规格，并且能够将“节能环保”的主旨渗透到整个设计之中。在车间布置和化工自动化仪表的选型时，能过更加联系实际，充分考虑生产和投资成本。最终完成了下达的设计要求。经过最终的论证和验算，本次设计在成本和最终的经济效益都比较合理。

第 43 页 共 43 页