年产30万吨硫磺制硫酸工艺设计

XXX 学院毕 业 设 计（论 文）(化工系)题 目 年产 30 万吨硫磺制硫酸工艺设计 专 业 XXXX 班 级 XXXX 姓 名 XXXX 学 号 XXXX 指导教师 XXXX 完成日期 XXXX -1-第一章 综述1.1 物质的性质1.1.1 硫磺的性质硫磺一般呈块状或粉末状，浅黄色，带杂质者为灰绿色。条痕黄白色，脂肪光泽，晶体透明或半透明。硬度 1.2，不完全解离，性脆。硫磺的比重 2.05-2.09。摩擦生负电，易溶（180） ，燃烧时生淡蓝色火焰，并放出 SO2 气体。硫磺外观为淡黄色脆性结晶或粉末，有特殊臭味。分子量为 32.06，蒸汽压是0.13KPa，闪点为 207，熔点为 119，沸点为 444.6，相对密度为 2.0。硫磺不溶于水，微溶于乙醇、醚，易溶于二硫化碳。作为易燃固体，硫磺主要用于制造染料、农药、火柴、橡胶、人造丝等。1.1.2 稀硫酸化学性质 （1）可与多数金属（比铜活泼）氧化物反应，生成相应的硫酸盐和水； （2）可与所含酸根离子对应酸酸性比硫酸根离子弱的盐反应，生成相应的硫酸盐和弱酸； （3）可与碱反应生成相应的硫酸盐和水； （4）可与氢前金属在一定条件下反应，生成相应的硫酸盐和氢气； （5）加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解。 （6）强电解质,在水中发生电离 H2SO4=2H+ + SO4 2- 1.1.3 浓硫酸的性质脱水性就硫酸而言，脱水性是浓硫酸的性质，而非稀硫酸的性质，即浓硫酸有脱水性且脱水性很强。 脱水性是浓硫酸的化学特性，物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程，反应时，浓硫酸按水分子中氢氧原子数的比（21）夺取被脱水物中的氢原子和氧原子。 -2-可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物，被脱水后生成了黑色的炭（炭化） 。 浓硫酸 如 C12H22O11=12C + 11H2O (4)黑面包反应 在 200mL 烧杯中放入 20g 蔗糖，加入几滴水，搅拌均匀。然后再加入 15mL质量分数为 98%的浓硫酸，迅速搅拌。观察实验现象，可以看到蔗糖逐渐变黑，体积膨胀，形成疏松多孔的海绵状的炭。 强氧化性跟金属反应 常温下，浓硫酸能使铁、铝等金属钝化； 加热时，浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反应，生成高价金属硫酸盐，本身一般被还原成 SO2 ；Cu + 2H2SO4(浓) =加热)=CuSO 4 + SO2+ 2H2O 2Fe + 6H 2SO4(浓) = Fe 2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O 在上述反应中，硫酸表现出了强氧化性和酸性。 跟非金属反应 热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸，本身被还原为 SO2。在这类反应中，浓硫酸只表现出氧化性。 C + 2H2SO4(浓) =(加热) CO 2 + 2SO2 + 2H2O S + 2H 2SO4(浓) = 3SO 2 + 2H2O 2P + 5H 2SO4(浓) = 2H 3PO4 + 5SO2 + 2H2O 跟其他还原性物质反应 浓硫酸具有强氧化性，实验室制取 H2S、HBr、HI 等还原性气体不能选用浓硫酸。 H 2S + H2SO4(浓) = S + SO2 + 2H2O 2HBr + H2SO4(浓) = Br 2 + SO2 + 2H2O 2HI + H2SO4(浓) = I 2 + SO2 + 2H2O 难挥发性（高沸点）制氯化氢、硝酸等（原理：利用难挥发性酸制易挥发性酸） 如，用固体氯化钠与浓硫酸反应制取氯化氢气体 -3-NaCl（固）+H 2SO4（浓）=NaHSO 4+HCl (常温） 2NaCl（固）+H 2SO4（浓）=Na 2SO4+2HCl （加热） Na2SO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+SO2 再如，利用浓盐酸与浓硫酸可以制氯化氢气体。 酸性：制化肥，如氮肥、磷肥等 2NH3+H2SO4=（NH 4） 2SO4 Ca3(PO4)2+2H2SO4=2CaSO4+Ca(H2PO4)2 稳定性：浓硫酸亚硫酸盐反应 Na2SO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+SO2 1.1.3 稀硫酸化学性质 （1）可与多数金属（比铜活泼）氧化物反应，生成相应的硫酸盐和水； （2）可与所含酸根离子对应酸酸性比硫酸根离子弱的盐反应，生成相应的硫酸盐和弱酸； （3）可与碱反应生成相应的硫酸盐和水； （4）可与氢前金属在一定条件下反应，生成相应的硫酸盐和氢气； （5）加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解。 （6）强电解质,在水中发生电离 H2SO4=2H+ + SO4 2- 1.2 硫酸的用途（1）用于肥料的生产 硫酸铵（俗称硫铵或肥田粉）和过磷酸钙（俗称过磷酸石灰或普钙）这两种化肥的生产都要消耗大量的硫酸。2NH3+H2SO4= (NH4)2SO4每生产一吨硫酸铵，就要消耗硫酸（折合成 100%计算）760kg，每生产一吨过磷酸钙，就要消耗硫酸 360kg。（2）用于农药的生产 许多农药都要以硫酸为原料如硫酸铜、硫酸锌可作植物的杀菌剂，硫酸铊可作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂。最普通的杀虫剂，如 1059 乳剂(45%)和 1605 乳剂(45%) 的生产都需用硫酸。前者每生产 1t 需消-4-耗 20%发烟硫酸 1.4t，后者每生产 1t 需消耗硫酸 36kg。为大家所熟悉的滴滴涕，每生产 1t 需要 20%发烟硫酸 1.2t。（3）用于冶金工业和金属加工在冶金工业部门，特别是有色金属的生产过程需要使用硫酸。 (4)用于石油工业汽油、润滑油等石油产品的生产过程中，都需要浓硫酸精炼，以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。每吨原油精炼需要硫酸约 24kg，每吨柴油精炼需要硫酸约 31kg。石油工业所使用的活性白土的制备，也消耗不少硫酸。(5)在浓缩硝酸中，以浓硫酸为脱水剂；氯碱工业中，以浓硫酸来干燥氯气、氯化氢气等；无机盐工业中，如冰晶石(Na 3AlF6)、硼砂 (Na2B4O710H2O)、磷酸三钠(Na 3PO4)、磷酸氢二钠(Na 2HPO4)、硫酸铅(PbSO 4)、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其他硫酸盐的制备都要用硫酸。许多无机酸如磷酸、硼酸、铬酸(H 2CrO4，有时也指 CrO3)、氢氟酸、氯磺酸(ClSO 3H)；有机酸如草酸(COOH) 2、醋酸(CH3COOH)等的制备，也常需要硫酸作原料。此外炼焦化学工业（用硫酸来同焦炉气中的氨起作用副产硫酸铵）、电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、油漆工业（有机溶剂的制备）、工业炸药和铅蓄电池制造业等等，都消耗相当数量的硫酸。 (6)用于化学纤维的生产为人民所熟悉的粘胶丝，它需要使用硫酸、硫酸锌、硫酸钠的混合液作为粘胶抽丝的凝固浴。每生产 1t 粘胶纤维，需要消耗硫酸1.2t1.5t，每生产 1t 维尼龙短纤维，就要消耗 98%硫酸 230kg，每生产 1t 卡普纶单体，需要用 1.6t20%发烟硫酸。此外，在尼龙、醋酸纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤维生产中，也使用相当数量的硫酸。 (7)用于化学纤维以外的高分子化合物生产塑料等高分子化合物，在国民经济中越来越占有重要的地位。每生产 1t 环氧树脂，需用硫酸 2.68t，号称“塑料王” 的聚四氟乙烯，每生产 1t，需用硫酸 1.32t；有机硅树胶、硅油、丁苯橡胶及丁腈橡胶等的生产，也都要使用硫酸。 (8)用于染料工业几乎没有一种染料（或其中间体）的制备不需使用硫酸。偶氮染料中间体的制备需要进行磺化反应，苯胺染料中间体的制备需要进行硝化反应，两者都需使用大量浓硫酸或发烟硫酸。所以有些染料厂就设有硫酸车间，以配合需要。 -5-(9)用于日用品的生产生产合成洗涤剂需要用发烟硫酸和浓硫酸。塑料的增塑剂（如苯二甲酸酐和苯二甲酸酯）、赛璐珞制品所需的原料硝化棉，都需要硫酸来制备。玻璃纸、羊皮纸的制造，也需要使用硫酸。此外，纺织印染工业、搪瓷工业、小五金工业、肥皂工业、人造香料工业等生产部门，也都需要使用硫酸。 (10)用于制药工业磺胺药物的制备过程中的磺化反应，强力杀菌剂呋喃西林的制备过程中的硝化反应，都需用硫酸。此外，许多抗生素的制备，常用药物如阿斯匹林、咖啡因、维生素 B2、B 12 及维生素 C、某些激素、异烟肼、红汞、糖精等的制备，无不需用硫酸。 (11)与原子能工业及火箭技术的关系 原子反应堆用的核燃料的生产，反应堆用的钛、铝等合金材料的制备，以及用于制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星的材料的钛合金，都和硫酸有直接或间接的关系。从硼砂制备硼烷的过程需要多量硫酸。硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料。硼烷又用做制备硼氢化铀用来分离铀 235 的一种原料。 由此可见，硫酸与国防工业和尖端科学技术都有着密切的关系。 1.3 硫酸生产的工艺比较目前硫酸生产的主要方法有硫磺制酸、硫铁矿制酸、冶炼烟气制酸及其他制酸四种生产方法。下面对硫磺制酸和硫铁矿制酸两种制酸方法进行工艺比较，突出硫磺制硫酸的工艺和理性。1.3.1 硫磺与硫铁矿的工艺比较采用矿石制酸工艺, 若装置生产能力为年产15万t硫酸。矿石经提取矿中有效成分硫元素后, 产出的大量矿渣部分处理到钢铁厂作为炼铁原料, 大部分作为水泥厂生产中的添加料, 以调整水泥原料成分, 增加水泥强度。矿石制酸工艺存在的最大问题是对环境污染大,大量的污水、粉尘及矿渣严重影响着周围环境; 另外操作环境恶劣、操作强度高。同时能耗也高, 环保费用无法承受。而在人们对环境质量要求越来越高, 政府对环境整治决心越来越大的现状下,上硫厂的硫酸生产到了非采取“行动”不可的时候了。是保留原生产工艺矿石制酸, 而加大环保治理投入, 还是选择从工艺流程上改进措施, 从根本上解决问题? 经过认真深入的分析研究, 最终上硫厂选择了工艺改进的方案 , 由矿石制酸改为硫磺制酸工-6-艺, 即以液体硫磺为原料来生产硫酸, 从根本上解决了矿石 制酸生产时产出的大量污水、粉尘、矿渣对环境的污染问题。使上硫厂从沉重的环保困境中得以解脱, 使生产经营步入良性循环。硫磺制酸与矿石制酸工艺比较1.减少工序, 消除污染源 硫磺制酸工艺少了粉碎、水洗净化两道复杂的工序, 同时也消除了大量污染源粉尘、污水、矿渣。2.能源消耗下降( 1) 工艺过程改进后 , 动力设备投用量大幅减少, 动力消耗明显下降。矿石制酸电耗为110 kWh/t, 硫磺制酸为70 kWh/t, 下降了36%; 深井水用量从100 万 t/a, 下降到20万 t/a。( 2) 硫磺制酸工艺能源利用更加合理。硫磺炉出口的1000温度的二氧化硫气体经中压锅炉、过热器、省煤器充分利用热量后, 二氧化硫气体降温至420进入转化器。3. 生产场地缩小为企业提供了发展空间 由于工艺过程改进后, 工艺路线大幅缩短，生产用地大幅缩小, 现生产装置占地仅不到原装置的十分之一, 且节省了大量矿料和矿渣堆场, 这对企业的发展和充分利用土地资源极为重要。4. 工艺改造前后的效果表 1-1 矿石工艺与硫磺工艺比较悬浮物(吨/年）砷(吨 /年)氟(吨/年)污水量(万吨/年)排污费(万元/年)矿石工艺 670 1.01 12 430 87硫磺工艺 116 0 0 168 27综上所述硫磺制酸工艺相对矿石制酸工艺有许多的改进之处, 它是一条清洁生产的工艺，更节能环保, 只有这样的生产工艺才能使化工企业生存和发展得更好。走好可持续发展之路，利国利民。-7-1.3.2 冶炼烟气冶炼烟气制酸前冶炼烟气收尘需用收尘用的电除尘器，电除尘器内部结构较复杂，体积较大需要较高的能耗，且需定期的维护保养，增加了设备费用。表 1-2 各种制酸方法消耗定额的比较消 耗定额 硫磺法 硫铁矿法 冶炼烟气法硫磺（ S99.5%）/（t/t ）0.333硫铁矿（含硫 35%）/(t/t) 0.957电/kw h t-1 55.06 93.96 126.12综上所述，硫铁矿制酸生产工艺复杂、管理要求高、操作环境差及需要处理大量的固体和液体废物。此工艺存在一定的局限性，因此本设计采用硫磺制硫酸。-8-第二章 硫磺制硫酸的工艺流程与操作指标2.1 原料及反应原理2.1.1 原料硫磺制硫酸的主要原料为硫磺、氧气。其主要原料及规格见表 2-1。表 2-1 硫磺的成分及其含量含 S 98.5%含灰分 0.4%酸度（以 H2SO4） 0.03%含 As 0.05%含有机物 0.80%含水分 1.00%机械杂质 无表 2-2 空气成分氮气 0.79氧气 0.212.1.2 反应原理将硫磺经熔融、焚烧产生二氧化硫气体，经废热锅炉、过滤器，再通入空气氧化转化成三氧化硫，再经冷却、酸吸收，制得成品硫酸。其反应方程式如下：S+O2=SO2+Q2SO2+O2=2SO3+QSO3+H2O=H2SO4+Q-9-2.2 工艺流程1.鼓风机 2.透平 3.干燥塔 4.最终吸收塔 5. 硫酸循环槽 6.烟囱 7.中间吸收塔 8.发烟硫酸吸收塔 9.发烟硫酸泵槽 10. SO3 蒸发器 11.冷却器 12.发烟硫酸循环罐 13.发烟硫酸循环罐 14.液态 SO3 储罐 15.皮带机 16.熔硫槽 17.熔硫储槽 18.过滤器 19.液硫储槽 20.焚硫炉 21.废热锅炉 22.汽包 23.过热器 24.转化器 25.热换热器 26.冷换热器 27.最终省煤器 28.中间省煤器 29.硫酸储罐 30.发烟硫酸储罐 31.发烟硫酸储罐2.2.1 熔硫、过滤及液硫储存工序1 流程描述原料固体硫磺通过带有称重设施的皮带机送至熔硫槽，在皮带机上，将石灰加入固体硫磺中，中和硫磺中可能存在的酸性物质。液体硫磺从熔硫槽流至带液下泵的储槽，然后被送去过滤，过滤在一个有预涂层的过滤器中进行。经过滤后的液硫自流至熔硫储槽。2 主要控制点过滤过程中， 熔硫储槽的液位由两个液位开关控制：a. 高高液位开关停硫磺皮带机。图 2-1 硫酸装置工艺流程-10-b. 高液位开关开硫磺皮带机。3 工艺特点a 灰分 =0.3%的硫磺， 通过液硫过滤器滤能够使 灰分 0.006%灰分 ，这样就省掉了热气体滤器,并且过滤效果更好，延长了催化剂的更换期。b 熔硫槽加热盘管可以每组单独取出修理不影响正常生产。c 过滤器设有液压抽芯和振动除渣装置，作方便。d 熔硫槽和带液下泵的熔硫储槽设有混凝顶，并且在设备和管线上方开口处装有可移动的钢顶盖，环境清洁，安全可靠。2.2.2 焚硫、转化及吸收工序2.2.2.1 流程描述硫酸生产采用“3+2”两转两吸工艺流程。液硫通过硫磺泵送至磺枪喷入焚硫炉，喷硫量由变频电机调节。雾化后的硫磺与经 （H 2SO4）=98.5 硫酸干燥的空气反应生成 （SO 2）=11.5% 的 气体，SO 2 气体经过废热锅炉后进入转化器。一段转化后的气体经过蒸汽过热器后进入二段转化，出二段的气体经过热换热器后进入三段转化；出三段的气体经过冷换热器和中间省煤器后去发烟硫酸吸收塔， 吸收后的贫气再进入中间吸收塔继续吸收；出中间吸收塔的气体，一部分经过冷换热器和热换热器后进入四段转化；四段出口气体与从中间吸收塔来的另一部分冷气体混合后进入五段转化；五段出口气体经过最终省煤器后进入最终吸收塔。干燥塔、中间吸收塔和最终吸收塔公用一个循环槽。2.2.2.2 主要控制点焚硫、 转化、 吸收工序主要的联锁控制有：a 风机停车 焚硫炉进料泵停 注入循环酸罐的稀释水阀关闭。b 锅炉汽包液位太低、 干吸塔流量太小、 仪表风压力太低、 透平和风机的安全条件不满足 风机停车。装置开车时， 焚硫炉设置了燃料气升温系统， 这部分设置了以下联锁：a 风机停车 燃料气阀门关闭。b 焚硫炉内无火焰 燃料气阀门关闭。2.2.2.3 工艺特点-11-a 焚硫炉装有两个高压雾化喷嘴，根据生产负荷， 选择投用一个或两个，从而保证雾化效果。b 焚硫炉设置了煤气燃烧器，操作简单，燃烧完全。c 焚硫炉出口气体 （SO 2）控制在 11.5%，如此高的 SO2 含量降低了生产吨酸所耗的气体量，减小了设备尺寸和投资，从而最大程度地降低了生产成本。d 为了缩短系统升温时间， 废热锅炉出口至转化器的第四催化剂床层设置了一条副线， 使第四、五催化剂床层和第一、 二、 三催化剂床层能同时升温。e 采用火管锅炉， 入口设有刚玉保护套管和耐火浇料防冲刷层。f 第一催化剂床层位于转化器的底部，有利于催化剂的筛分。其它四层的布置既考虑管道布置的经济性，又要使隔板的温差降至最小。g 采用了四种型号催化剂，分别是：LP110、LP120、Cs110 和 Cs120 型。第一层加入部分低温催化剂 Cs120，第五层全部使用低温催化剂 Cs110，这样在 390的低温下也具有良好的反应活性。h 中间吸收塔和最终吸收塔内装有, ES 型除雾器，干燥塔内装有双层丝网除沫器。干吸塔均采用 SX 槽式合金钢分酸器。i 干燥塔、中间吸收塔、最终吸收塔公用一个酸循环槽， 这样简化了管道和设备安装，且使开车和正常操作更加容易。公用的酸循环槽中间有分隔板， 将槽分成最终吸收塔进料和另外两塔进料两部分， 分隔板上部有一个开口，是两部分气相连通口，下部有一个开口，使最终吸收塔一侧到另外两塔一侧保持连续流动状态。j 采用 Alfa Laval 板式酸冷却器、Lewis 液下泵。k 自控方案合理、先进、可靠。DCS 是引进 Bialy 公司的技术，重要位置靠联锁控制，转化系统催化剂床层温度通过遥控阀在 DCS 室控制，循环酸罐液位、 汽包液位均采用自调。l 充分利用系统的高、中温废热。生产 3.82MPa 和 784MPa 饱和蒸汽，不仅能满足本装置蒸汽透平、加热器以及保温伴热使用，还可外供。2.2.2.4 转化工序热能利用流程本设计的热能利用流程与一般硫磺制酸装置相同。出焚硫炉的高温炉气人废热锅炉，产生 3.9 MPa 蒸汽发电;出废热锅炉的 SO2 入转化器一段进行反应; 各转化段的反应热用于熔硫或提高废热锅炉的给水温度， 并尽量使系统多产蒸汽;除用于发-12-电及熔硫的蒸汽外， 尚有少量低压蒸汽供附近厂外用户使用。其转化工序的热利用流程如图 2 所示。图 2-2 转化工序热利用流程2.3 工艺设计采用快速熔硫、液硫精制、液硫焚烧和“3+2”两转两吸工艺；用次中压锅炉（2 台） 、低压锅炉（1 台）和省煤器（2 台）回收焚硫与转化系统的高、中温位热能，生产(2.5MPa、1.0MPa)的次中压和低压蒸汽，经减压后，供公司内部的 MAP和 NPK 装置生产使用；设备选型既要节省投资，又要运行稳定可靠，经过全面论证，一吸塔除雾器（ES210 型柱状纤维除雾器）和转化催化剂（LP-110 和 LP-120 型钒催化剂）选用美国孟山都环境化学公司生产的产品；操作自动控制采用美国FOXBORO 公司生产的集散控制系统（ DCS ） ，一次仪表全部进口。2.4 工艺指标1、 熔硫蒸气压力 0.5MPa0.6MPa2、 保温蒸气压力 0.35MPa0.45MPa3 、 液硫温度 1351454 、 过滤器操作压力 0.75Mpa 压差 0.3Mpa5 、 液硫酸度 20ppm6 、 液硫灰份 30ppm7、 各槽液硫液位 60-80%-13-2.5 不正常现象及处理方法表 2-3 不正常现象及处理方法现象 原因 处理方法干燥率低1、喷酸不均；2、淋酸浓度低；3、进气水量高4、上塔酸量小1、检查酸泵；2、提酸浓；3、分酸槽： 4、增加上塔量吸收率低1、淋洒酸量不够；2、进塔气温高；3、酸温酸浓高；4、气速过快或过低有短路现象1、检查酸泵及分酸槽；2、加大淋洒量；3、加大冷却水量增加串酸量；4、降低气速停车检查酸泵不上酸或量小1、管道有堵塞；2、泵体故障。1、设法疏通管道或找钳工处理 2、酸泵振动大 泵轴套间隙或叶轮 腐蚀，找钳工更换备用泵循环酸和成品酸的浓度偏差很大1、循环酸浓不稳、忽高忽低；2、酸浓度计失灵；3、分析误差1、稳定操作；2、联系仪表工处理；3、重新分析。产酸量降低现象1.漏酸2.流量计失灵3.系统阻力增大4.吸收率降低1 查明漏点堵漏 2.联系仪表工处理3.视情况停车处理4.查明原因处理 酸浓低1 加水量大 2.分析误差1.停止或调整加水量 2.重新分析酸温过高1.循环冷却水泵跳闸2.冷却风扁坏3.热换器换热面积不够4.系统负荷过大1.查明原应因后处理2.停车修复3.增加换热面积4.适当降低负荷尾气冒大烟 1.酸浓过高或过低2.吸收塔上酸量不足3. 酸温过高4. 塔内气体走短路5. 酸泵跳闸1.调节浓度在控制范围2.查明原因后处理 3.降低酸温 4.查明原因后停车处理 5.立即起泵和停车处理酸泵电流低1.酸槽液位低2.酸泵叶轮腐蚀严重3.电器故障1.提高液位 2.停车检修酸泵3.查明原因处理酸泵电流波1. 轴承烧坏2.泵进口漏气1.停车更换2.查清漏点停车处理-14-动有杂音 3.循环液体量太少 3.查清漏点停车处理-15-第三章 主要设备3.1 主要设备 3.1.1 熔硫工段（包括原料工段）熔硫工段的主要设备有输送机、熔硫槽、过滤助虑槽、液硫过滤机、液硫贮槽、精硫槽、硫磺泵等，主要管道为夹套管。该工段的非标设备和管道均需保温。熔硫槽为衬有耐酸砖的圆柱形混凝土槽， 设有 6 组双螺旋同心加热蛇管和搅拌器，换热面积 93.6。搅拌器带有 4 叶螺旋桨叶片和 6 叶平板涡轮。生石灰靠螺杆挤压机加入，设计能力为 050 /h，硫磺皮带机的坡度为 5.7，设计能力为：1100016000/h。过滤器是预涂带压过滤器，有一个带夹套的卧式外壳，在壳内有分布在固定滤框上的竖直滤板，过滤器用特殊的合成橡胶垫密封。滤芯靠液压系统抽出，设有一台往复式液压油泵。滤饼靠风动装置排出壳体回收。熔硫储罐是带保温的圆柱形容器，配有 5 个翅片管式加热器，在罐的四周有 4个空气入口，中心有一个放空口且带有蒸汽伴热，以防堵塞，四周入口和中心出口的高度差保证了气体的流动。3.1.2 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（废热锅炉、过滤器、省煤器等） 、转化器、热换热器、冷换热器，主要管道为烟气管道，大部分管道可现场卷制或是直接购买的螺旋管。该工段的焚硫炉要砌耐火砖，热力设备、转化器、换热器和管道均需保温。焚硫炉焚硫炉为卧式圆筒形，内有耐火衬里，设有 3 层竖直隔板。焚硫炉一端直接废热锅炉相连，另一端为空气联箱，上面装有两个硫磺喷嘴。焚硫炉装有开工煤气燃烧器，该炉的设计功率最大值为 5700KW ，提供的操作弹性为 5:1 ，主要包括炉前煤气集合管总阀（控制进入燃烧器煤气与风的比例） 、火焰监视系统 具有自动切断煤气进料阀的功能） 、电子打火器。-16-图 3-1 焚硫炉结构省煤器两台省煤器均为立式碳钢壳体，盘管为铸铁翅片管，水走管程。中间省煤器只有一组盘管，最终省煤器则有两组盘管，其中一组为锅炉给水预热盘管，另一组为饱和蒸汽预热盘管，饱和蒸汽预热盘管位于最终省煤器的顶部温度较高部位。锅炉给水及饱和蒸汽依次流经 3 组盘管， 其先后顺序由工艺气体的温度决定。省煤器底部壳体有耐酸衬里并带一密封罐， 防止由于烟气冷凝而引起的腐蚀。废热锅炉废热锅炉为火管型，正常操作压力为 38003900 KW。锅炉气体旁路设有一个柱塞阀，柱塞阀的阀杆处于大约 345气流中，免受热气体的损坏。另外，旁路柱塞阀的填料箱上接有一条仪表风管线，这样便能在轴密封周围形成一个平衡的压力，有效地防止了硫酸盐在轴密封上结晶，保证了柱塞阀的灵活转动。旁路柱塞阀前设有手动蝶阀。在低负荷生产情况下，如果全开旁路柱塞阀都不行，则需通过调节此蝶阀来提高旁路气体的影响。催化剂加热升温期间，热气体需要全部走旁路时， 也会用手动蝶阀调节，此阀的阀杆处也通有仪表风。废热锅炉的出口管箱上接有一段开工用的可拆卸烟囱，通过此烟囱可排放烘炉时燃料气燃烧所产生的废气。废热锅炉的壳程上还接有一根从装置界区外来的高压蒸汽管线，用于开工时锅炉的预热。-17-图 3-2 第一废热锅炉（水管废热锅炉）结构图图 3-3 第二废热锅炉（低温过热器）结构图-18-图 3-4 第三废热锅炉（高温过热器）结构图3.1.3 干吸工段干吸工段的主要设备有干燥塔、第一吸收塔、槽、酸冷却器、硫酸泵等，酸管为不锈钢管道，一般需带阳极保护。干燥塔和吸收塔干燥塔、中间吸收塔和最终吸收塔均是立式、筒形、内有砖衬的结构，其中的陶瓷填料由陶瓷支撑板支撑，整塔竖立在水泥框架上。在填料上部是合金钢循环酸分布器，分布器由安装在竖直降液管上的左右排列的几条支管构成，以获得理想的分布形式，在填料层上部降液管的喷射点均匀排列着 180厚的 50矩鞍填料。干燥塔和中间吸收塔内填料层高度为 2130 而最终吸收塔填料层高度为 2440。中间吸收塔和最终吸收塔内装有 ES 型除沫器，干燥塔内装有双层丝网除沫器。-19-图 3-5 吸收塔结构示意图3.1.4 成品工段成品工段的主要设备有硫酸贮槽、输送泵，主要管道为普通碳钢或不锈钢管道。-20-图 3-6 转化器结构示意图表 3-1 转化器内钒催化剂的用量及分配比例段 型号 体积/ m 3 占总体积比例，%一（上） 108 5.0 6（下） 101 10.0 11二 101 18.0 20三（a） 101 10.0 11三（b） 101 10.0 11四 108 16.2 18五 108 20.8 23总计 90.0 100表 3-1 主要设备规格名称 规格型号-21-熔硫槽 60002500，V=47.5m 3硫磺过滤器 F=35焚硫炉 26009800废热锅炉 卧式、火管、低合金钢 1/2、铬管束废热锅炉汽包 15006000转化反应器 570016780、催化剂装填量Q=120.6 m3（ H2SO4）98.5%硫酸循环罐 29008000（SO 3 游离）30%发烟硫酸循环罐 35002500干燥塔 26008100中间吸收塔 280015100最终吸收塔 300014835表 3-1 主要设备规格(续表)名称 规格型号烟酸塔 410012000热换热器 立式 1945 5003 ，F=352 冷换热器 立式 2220 6253 ，F=596 SO3 蒸发器 釜式（AUE ）,148018744800,F=535 SO3 冷凝器 管壳式（AUE ）,11244880,F=206.3鼓风机 离心 RRO-0.5-800,Q=4348 0m3/h蒸汽透平 背压，505EK ，Q=16300Kg/h熔硫进料泵 LEWIS-4/CLS。2404，立式/液-22-F，Q=35 m3/h焚硫炉进料泵 立式/液下， Kestner-ZFAP4S, Q=4.4m3/h干吸塔循环酸泵 立式/液下, Q=350m 3/h LEWIS-THR/MSHR-2467最终吸收塔循环酸泵 立式/液下,Q=350m 3/h LEWIS-6H-MSH-1876（SO 3 游离）30%发烟硫酸循环泵 立式/液下,Q=540m 3/h LEWIS-6H-MSH-2278尾气放空稀酸循环泵 立式/液下,Q=4.3m 3/HKSB-CPK-C32-200-23-第四章 物料衡算和能量衡算4.1 物料衡算4.1.1 原料的选取天然硫磺和回收硫磺的纯度很高，可达 99.8%以上，有害杂质的含量很少，作为生产硫酸的原料，不需要复杂的炉气净制工序，还可以省掉排渣设备、工艺流程生产短，生产费用低，生产中热能可合理利用，对环境污染少。本设计选用纯度为99.8%的天然硫磺。4.1.2 本设计所需达到的工艺指标1在干燥塔内自塔顶喷淋的 98%硫酸吸收掉空气中的水分，使出塔干燥空气中水分小于或等于 0.1g/m3，再经鼓风机温度由 60升高到 100进入焚硫炉。2转化工段采用四段“3+2”两次转化工艺，总转化率达 99.82%，进转化器的二氧化硫摩尔分数为 10.72%，转化器各段进出口温度及转化率如表 4-1 所示。 表 4-1 硫磺制酸转化工段性能参数转化段 转化率 进口温度 出口温度一 60.00 419 609二 73.00 438 519三 88.00 439 463四 95.20 418 438五 99.82 430 4424.1.3 焚硫工段物料衡算以 1 kmol 精硫为基准进行计算，硫完全燃烧；反应后混合物中二氧化硫的摩尔分数为 10.72%。-24-S+O2=SO2+9982 kJ/mol设反应后剩余的氧气为 X因为 SO2/ SO2+ O2+N2=10.72% 且 O2：N 2=1：4所以 1/1+ X +4（ X +1）=10.72%X=0.87O2 的摩尔分数：9.3%N 2 的摩尔分数：37.2%所以焚硫工段物料衡算数据如表 4-2 所示表 4-2 焚硫工段物料衡算数据输入组分 kmol 输出组分 kmol 摩尔分数/%S 1 SO2 1 10.7O2 1.87 O2 0.87 9.3N2 7.48 N2 7.48 80总计 10.35 9.35 1004.1.4 转化阶段物料衡算1第一转化阶段物料衡算已知条件：SO 2 和 O2 的量分别为 1 kmol、0.87 kmol ，SO 2 的转化率为 60%。SO2 + 1/2 O2 = SO3初始 1 kmol 0.87 kmol 0反应 10.60 1/20.601 10.60最终 0.40 0.84 0.60表 4-3 为第一转化阶段物料衡算数据。表 4-3 第一转化阶段物料衡算数据输入组分 kmol 摩尔分数/% 输出组分 kmol 摩尔分数/%SO2 1 10.70 SO2 0.40 4.3O2 0.87 9.3 O2 0.84 9.01N2 7.48 80.0 N2 7.48 80.26SO3 0.60 6.44总计 9.35 100 9.32 100-25-2第二转化阶段物料衡算已知条件：SO 2 和 O2 的量分别为 0.40 kmol、0.84 kmol，SO 2 的转化率为 73%。SO2 + 1/2 O2 = SO3初始 0.40 kmol 0.84 kmol 0.60反应 0.400.73 1/20.400.73 0.400.73最终 0.108 0.694 0.892表 4-4 为第二转化阶段物料衡算数据。表 4-4 第二转化阶段物料衡算数据输入组分 kmol 摩尔分数/% 输出组分 kmol 摩尔分数/%SO2 0.40 4.3 SO2 0.108 1.18O2 0.84 9.01 O2 0.694 7.56N2 7.48 80.26 N2 7.48 81.53SO3 0.60 6.44 SO3 0.892 9.72总计 9.32 100 9.174 1003 第三转化阶段物料衡算已知条件：SO 2 和 O2 的量分别为 0.108 kmol、0.694 kmol，SO 2 的转化率为88%。SO2 + 1/2 O2 = SO3 初始 0.108 kmol 0.694 kmol 0.892反应 0.1080.8 1/20.1080.8 0.1080.8最终 0.013 0.646 0.987表 4-5 为第三转化阶段物料衡算数据。表 4-5 第三转化阶段物料衡算数据输入组分 kmol 摩尔分数/% 输出组分 kmol 摩尔分数/%SO2 0.108 1.18 SO2 0.013 0.14O2 0.694 7.56 O2 0.646 7.08N2 7.48 81.53 N2 7.48 81.96SO3 0.892 9.72 SO3 0.987 10.82-26-总计 9.174 100 9.126 1004 第四转化阶段物料衡算已知条件：SO 2 和 O2 的量分别为 0.013 kmol、0.646 kmol，SO 2 的转化率为95.20%。SO2 + 1/2 O2 = SO3 初始 0.013 kmol 0.646 kmol 0.987反应 0.0130.952 1/20.0130.952 0.0130.952 最终 0.001 0.640 0.999表 4-6 为第四转化阶段物料衡算数据。表 4-6 第四转化阶段物料衡算数据输入组分 kmol 摩尔分数/% 输出组分 kmol 摩尔分数/%SO2 0.013 0.14 SO2 0.001 0.01O2 0.646 7.08 O2 0.640 7.02N2 7.48 81.96 N2 7.48 82.02SO3 0.987 10.82 SO3 0.999 10.95总计 9.126 100 9.12 1005.第五转化阶段：已知条件：SO 2 和 O2 的量分别为 0.001 kmol、0.64 kmol，SO 2 的转化率为 99.82%。SO2 + 1/2 O2 = SO3 初始 0.001 kmol 0.64kmol 0.999反应 0.0010.9982 1/20.0010.9982 0.0010.9982最终 0 0.64 1.0表 4-7 第五转化阶段物料衡算数据输入组分 Kmol 摩尔分数/% 输出组分 Kmol 摩尔分数/%SO2 0.001 0.01 SO2 0 0O2 0.640 7.02 O2 0.64 7.02N2 7.48 82.02 N2 7.48 82.02SO3 0.999 10.95 SO3 1.0 10.96-27-总计 9.12 100 9.12 1004.1.5 工艺中所需 98%硫酸及工艺水的计算1第一吸收塔所需硫酸及工艺水的计算第一吸收塔98%硫酸去第四转化段硫酸水溶液工艺水N2 O2 SO2 SO3图 4-1 第一吸收塔衡算示意图图 3-1 为第一吸收塔流程简图，由此图计算硫酸和水的质量。（1）硫酸的计算： SO3 的物质的量为第一、第二、第三转化阶段所产生的SO3 的量之和即 2.479kmol。SO3+H2O=H2SO4 3-1由 SO3 的消耗量及化学方程式 3-1 可得：SO3 吸水后可得硫酸的量为：2.479981000 =242942 g消耗水的量为：2. 479181000=44622 g所需 98% H2SO4 的质量为: 44622g2%=2231100g第一吸收塔出口处 H2SO4 和水混合物质量为：2231100 g+242942 g-44622 g = 2429420 g（2）工艺水的计算：-28-设需要的工艺水质量为 X.（2231100 g98%+242942 g）/（X+2429420 g）=98%X=49580 g所以所需工艺水的质量为 49580 g 。2. 第二吸收塔所需硫酸及工艺水的计算第二吸收塔硫酸水溶液工艺水SO2 O2 N2 SO398%硫酸 放空图 4-2 第二吸收塔衡算示意图图 3-2 为第二吸收塔流程简图，由此图计算硫酸和水的质量。（1）硫酸的计算: SO 3 的物质的量为 1 kmol 由 SO3 的消耗量及化学式 3-1 可得。SO3 吸水后可得硫酸的量为：1981000=98000 g消耗水的量为：1181000=18000 g所需 98% H2SO4 的质量为：18000 g/2%=900000 g第二吸收塔出口处 H2SO4 和水混合物质量为 900000 g+98000 g-18000 g=980000g（2）工艺水的计算：设需要的工艺水质量为 X，（900000 g98%+98000 g）/（X+98000 g）= 98%X= 902000 g所以所需工艺水的质量为 902000 g-29-4.1.6 年产 30 万吨硫酸原料消耗量本设计年产 30 万吨硫酸（以 98%硫酸计） ，其所需原料量及组成计算如下。30 万吨 98%硫酸中 H2SO4 的质量为：M=3000001060.98=294000106g以 1 kmol 精硫为基准生成 H2SO4 的量为：2429420+980000=3409420 g1. 年产 30 万吨硫酸所需硫磺质量计算321000294000106/3409420=2.76109 g2. 空气的计算氧气：5984029400010 6/3409420=5.16109 g氮气：20994029400010 6/3409420=1.811010 g3. 工艺水的计算71680294000106/3409420=6.181010g4. 98%硫酸的计算：3610320294000106/3409420=3.111011 g表 4-7 年产 30 万吨硫酸原料消耗量原料 质量/gS 2.76109O2 5.16109N2 1.81101098%H2SO4 3.111011工艺水 6.1810104.2 热量衡算计算基准：以 1kmol 精硫为基准进行计算。4.2.1 熔硫阶段热量衡算精硫消耗量：32 kg熔硫蒸汽压力：一般为 0.60.7 MPa（绝压）