现场管理-年产200万吨聚丙烯用成核剂二苄叉山梨醇工艺设计(doc 43页)

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 第 1 页 共 44 页 第 1 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（）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 （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，的用量占全球通用合成树脂的左右，是五大通用合成树脂中用量增速最PP41 快新品种研究最活跃的品种。具有无毒、耐热、耐化学药品、相对密度低、容易加PP 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，然后在 1957PP 年由意大利的公司实现工业化以来，已经成为通用合成树脂中发展最快、iMontecatin 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 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 第 2 页 共 44 页 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 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 第 3 页 共 44 页 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。 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 第 4 页 共 44 页 第 2 章 硫磺制取硫酸的工艺流程 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 650680，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 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 第 5 页 共 44 页 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 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 第 6 页 共 44 页 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。 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。 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 第 7 页 共 44 页 第 3 章 物料衡算 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 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 第 8 页 共 44 页 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： hKg t y/22.13722 24300 % 8 . 981000100000 24 1000 生产日 年产量 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： Kg M My m42.4667 98%96 3222.13722 硫酸 硫磺 硫磺 3.3.2 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 Kmolhm Cx y V02.1564/97.35033 09. 099975. 0955 . 0 98 4 .2222.13722 98 4 . 22 3 进吸 标 进入第一段转化器的温度为 420，负压为 10Kpa,则实际通气量 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 第 9 页 共 44 页 Kmol Ht t VV11.3505 10000100000 100000 273 420273 02.1564 100000 100000273 出 标实 炉气成分： KmolVVVN KgKmolOVO KgKmolSOVSO OSO 2 . 128906.13476.14002.1564 18.430406.134086. 002.1564 76.900876.14009 . 0 02.1564 22 2 22 22 标 标 标 的量 的含量的量 的含量的量 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 表表 3- -2 炉气的分配比炉气的分配比 气体进转化器一段炉气/ Kmol冷激炉气/ Kmol 二氧化硫 140.7622.52 氧气 134.0621.45 氮气 1289.2206.27 合计 1564.02247.36 （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%。 第一次转化时： 。的含量 ；的含量 ；的含量 ；的含量 KmolN KmolO KmolSO KmolSO 2 .1289 83.91 2 46.84 06.134 46.846 . 076.140 30.566 . 0176.140 2 2 3 2 第二次转化时： 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 第 10 页 共 44 页 。的含量 ；的含量 ；的含量 ；的含量 KmolN KmolO KmolSO KmolSO 2 . 1289 76.77 2 61.112 06.134 61.1128 . 076.140 15.288 . 0176.140 2 2 3 2 第三次转化时： 。的含量 ；的含量 ；的含量 ；的含量 KmolN KmolO KmolSO KmolSO 2 . 1289 72.70 2 68.126 06.134 68.1269 . 076.140 08.149 . 0176.140 2 2 3 2 第四次转化时： 。的含量 ；的含量 ；的含量 ；的含量 KmolN KmolO KmolSO KmolSO 2 . 1289 03.64 2 06.140 06.134 41.209 . 068.126995 . 0 76.140 70. 0995. 0176.140 2 2 3 2 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 表表 3- -3 出口气体组成成分表出口气体组成成分表 气体二氧化硫三氧化硫氧气氮气 气量/ kmol 0.720.4164.031289.2 百分比% 0.05090.14854.64993.508 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 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 第 11 页 共 44 页 第 一 吸 收 塔 98.3%硫酸 去第 四转 化段 硫酸 水溶 液 工艺水 N2 O2 SO2 SO3 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。 Kmolnnnn SOSOSOSO 75.32368.12661.11246.84 3323133 总 由反应式，则有： 4223 SOHOHSO Kmolnnn SOOHSOH 75.323 3242 总需要产生 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 Kgm SOH 118.342794 % 3 . 981 5 . 5827 42 则第一吸收塔出口处硫酸混合液的质量为 Kgmmmm OHSOHSOH 12.368694 5 . 58275 .31727118.342794 24242 % 3 . 98 消耗产生混 （2）工艺水的计算 设所需水的量为 x,则由下式 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 第 12 页 共 44 页 % 3 . 98 12.368694 5 . 31727% 3 . 98118.342794 x 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 第 二 吸 收 塔 硫酸 水溶 液 工艺水 SO2 O2 N2 SO3 98.3%硫酸 放空 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。 Kmolnn SOSO 64.14 433 总 由反应式，则有： 4223 SOHOHSO Kmolnnn SOOHSOH 64.14 3242 总需要产生 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 Kgm SOH 176.15501 %3 .981 52.263 42 则第一吸收塔出口处硫酸混合液的质量为 Kgmmmm OHSOHSOH 96.1667252.26372.1434176.15501 24242 % 3 . 98 消耗产生混 （2）工艺水的计算 设所需水的量为 x,则由下式 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 第 13 页 共 44 页 % 3 . 98 96.16672 72.1434% 3 . 98176.15501 x 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 表表 3- -4 各个工段的物料衡算汇总表各个工段的物料衡算汇总表 进 料出 料 工段物料名称组成质量或体积物料名称组成质量或体积 硫磺96%4667.42Kg二氧化硫9%140.76Kmol 氧气21%274.76Kmol氧气21%134.06Kmol 硫磺燃烧工 段 氮气78%1289.2Kmol氮气78%1289.2Kmol 二氧化硫9%140.76Kmol二氧化硫0.051%0.7Kmol 氧气21%134.06Kmol三氧化硫0.149%20.41Kmol 氮气78%1289.2Kmol氧气4.65%64.03Kmol 转化工段 氮气93.51%1289.2Kmol 工艺水6376.4Kg硫酸混合液368694.12Kg 吸收工段 工艺水287.75Kg硫酸混合液16672.96Kg 第 4 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 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 第 14 页 共 44 页 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： 表表3- -1 物质的热力学参数一览表物质的热力学参数一览表 物质温度/K 2986.657277.17236.7167.82927.3 298-296.8-300.1248.239.9 298-395.7-371.1256.850.7 2988.680205.15229.4 2988.670191.60929.1 298-285.83-237.17869.9175.291 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 （4-1） 32 DTCTBTACp 表表4-2 参与反应物质的参与反应物质的 Cp 一览表一览表 物质ABCD 氧气 6.713-8.79E-074.17E-06-2.54E-09 二氧化硫 5.6971.60E-02-1.19E-053.17E-09 三氧化硫 7.5861.72E-02-1.89E-055.27E-09 氮气 7.44-3.24E-036.40E-06-2.79E-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。 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 第 15 页 共 44 页 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 (4-2) 54321 QQQQQ 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） (4-3) nCpTQ1 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： 表表4-3 物质的物质的 Cp 一览表一览表 温度 A(氧气） B（氮气） 1406.7046.997 单位为Kmolj/ 每种物质所带入的热量的计算 KjQ A 584.758859273140704 . 6 08.274 1 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 第 16 页 共 44 页 KjQ B 88.3725479273140997 . 6 2 . 1289 1 KjQQQ BA 43.448433988.3725479578.758859 111 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 表表4-4 物质的生成焓一览表物质的生成焓一览表 温度A（硫磺）B（氧气）C（二氧化硫） 25277.07 0 -296.8 单位为 Kj/mol。 由生成焓的计算式 (4-4) 2 1 T T CpdTnH 焚硫工段所发生的反应为。 22 SOOS 燃烧 则在140时硫的生成焓为 KjH51.381624 7 . 232514002.140 在140时二氧化硫的生成热为 KjH77.642481 9 . 392514002.140 KjHHQ SOS 31.102410677.64248154.381624 2 2 （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。 (4-5) nCpTQ3 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 第 17 页 共 44 页 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： 表表4-5物质的物质的 Cp 一览表一览表 温度 A(氧气） B（二氧化硫）C（氮气） 1406.70410.5076.997 单位为Kmolj/ 各物质的 Q3 的计算 KjQ A 655.387680273140704 . 6 02.140 3 KjQ B 677.610812273140507.1076.140 3 KjQ C 88.3725479273140997 . 6 2 . 1289 3 KjQQQQ CBA 21.4723973677.61081288.3725479655.387680 3333 其中杂质的 Q3 忽略不计。 (4) 的计算 54 QQ 54321 QQQQQ (4-6) 32154 QQQQQ 由式4-6可以计算的值为3485846.1Kj。 54 QQ 4.4.2 转化工段的计算 转化工段的反应式为 322 SOOSO 催化剂 (1) Q1 的计算（进入设备的物质所带来的热量） (4-7) nCpTQ1 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： 表表4-6 物质的物质的 Cp 一览表一览表 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 第 18 页 共 44 页 温度 A(氧气） B（氮气）C（二氧化硫） 4306.7147.3567.356 单位为Kmolj/ 每种物质所带入的热量的计算 KjQ A 7 . 1293641273430714 . 6 08.274 1 KjQ B 7 . 6666798273430998 . 7 2 . 1289 1 KjQ C 74.79045273430989 . 7 76.140 1 KjQQQQ CBA 14.8750977 1111 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 表表4-8 物质的生成焓一览表物质的生成焓一览表 温度A（二氧化硫）B（氧气）C（三氧化硫） 25-296.8 0 -395.7 单位为 Kj/mol。 由生成焓的计算式 (4-8) 2 1 T T CpdTnH 则在430时二氧化硫的生成焓为 KjH22.2274611 9 . 392543076.140 在430时二氧化硫的生成热为 KjH46.28902957 .502543076.140 KjHHQ SOSO 68.5164906 23 2 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 第 19 页 共 44 页 (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。 (4-9) nCpTQ3 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： 表表4-9 物质的物质的 Cp 一览表一览表 单位为Kmolj/ 各物质的 Q3 的计算 KjQ A 886.302217273430714 . 6 03.64 3 KjQ B 387.3931273430989 . 7 7 . 0 3 KjQ C 71.6666798273430356 . 7 2 . 1289 3 KjQ D 41.1202497273430152.1276.140 3 KjQQQQQ DCBA 39.8175445 33333 其中杂质的 Q3 忽略不计。 （4）的计算 54 QQ 54321 QQQQQ (4-10) 32154 QQQQQ 由式4-10可以计算的值为5740438.43Kj。 54 QQ 4.4.3 吸收工段的热量衡算 温度 A(氧气） B（二氧化硫）C（氮气）D（三氧化硫） 4306.7147.9897.35612.152 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 第 20 页 共 44 页 吸收工段的反应式为QSOnSOHOHnSO 34223 1 (1)Q1 的计算（进入设备的物质所带来的热量） (4-11) nCpTQ1 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4-11 所示： 表表4-11 物质的物质的 Cp 一览表一览表 温度 A(氧气） B（二氧化硫）C（氮气）D（三氧化硫） 1506.71310.5857.004 11.874 单位为Kmolj/ 每种物质所带入的热量的计算 KjQ A 441.200812273150713. 672.70 1 KjQ B 999.567203273150585.1068.123 1 KjQ C 53.3819502273150004 . 7 2 . 1289 1 KjQ D 889.636275273150874.1168.126 1 KjQQQQQ DCBA 86.5223798 11111 计算时忽略杂质的 Q1。 (2)Q2的计算（反应过程的热效应） （4-12）fHnQ 2 由式4-12可得吸收工段的热效应为 KjKjQ23.1419364.1468.12688 2 (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。 (4-13) nCpTQ3 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 第 21 页 共 44 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4-12 所示： 表表4-12物质的物质的 Cp 一览表一览表 温度 A(氧气） B（二氧化硫）C（氮气）D（三氧化硫） 1506.71310.5857.004 11.874 单位为Kmolj/ 各物质的 Q3 的计算 KjQ A 38.182813273150713 . 6 38.64 3 KjQ B 92.3133273150585.107 . 0 3 KjQ C 53.3819502273150004 . 7 2 . 1289 3 KjQ D 36.73532273150874.1164.14 3 其中杂质的 Q3 忽略不计。 （4）的计算 54 QQ 54321 QQQQQ (4-10) 32154 QQQQQ 由式4-10可以计算的值为1159009.9Kj 54 QQ 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 第 22 页 共 44 页 第 5 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 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 第 23 页 共 44 页 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 12.5 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 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 第 24 页 共 44 页 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。 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 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 第 25 页 共 44 页 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 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 第 26 页 共 44 页 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 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 第 27 页 共 44 页 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。 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