毕业论文：年产1万吨椰油脂肪醇聚氧乙烯醚.doc

齐 齐 哈 尔 大 学 毕业设计(论文) 题 目 年产 1 万吨椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3) 硫酸钠车间尾气处理工段初步设计 学 院 化学与化学工程学院 专业班级 化工 064 班 学生姓名 傅徐阳 指导教师 贾丽华 成 绩 2010 年 6 月 10 日 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) I 摘 要 本课题题目是年产 10 000 吨椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠车间尾气处理工段 初步设计。椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠是常用的表面活性剂，生产此类表面活 性剂需要硫为原料，会产生二氧化硫、三氧化硫等有害气体，所以，需要用相应手 段处理。近年来，随着经济发展，工业生产也在增加，国家对尾气排放相当重视， 工业生产的尾气处理也变得日渐重要。本说明书主要内容包括：厂址的选择、生产 制度的制定；尾气处理的重要意义和在现代工业生产中的重要地位；国内外关于尾 气处理课题的研究现状；课题设计的依据、尾气处理的工艺流程、物料衡算、热量 衡算和设备选型计算。绘制了尾气处理工段带有控制点的工艺流程图、碱洗塔设备 图和车间平面、立面布置图，完成 20000 字的设计说明书。 关键词：尾气处理；尾气排放；二氧化硫；三氧化硫 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) II Abstract The topic subject is 10,000 tons of coconut oil fatty alcohol ethoxylates (3) sodium sulfate plant tail gas treatment section in the preliminary design. Coconut oil fatty alcohol ethoxylates (3) sulfate is commonly used surfactants, and the production of such surface active agents need to sulfur as raw material, so will produce sulfur dioxide, sulfur trioxide and other harmful gases needed to deal with the corresponding means. In recent years, With economic development, industrial production is increasing, the state attaches great importance to emissions. Therefore, exhaust gas treatment in industrial production has become increasingly important. Main content of this manual, including site selection, production system development, the importance of tail gas treatment, and in modern industrial production in an important position, domestic and international research projects on the status of Tail Gas Treatment and Subject design basis, exhaust gas treatment process, material balance, heat balance and equipment selection calculation. A tail gas treatment process flow chart, map and plant alkaline wash tower flat, vertical surface layout were drawed. Finally the design specification of about 20,000 words was finished. Key words: gas treatment; emissions; sulfur dioxide; sulfur trioxide 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) III 目 录 摘 要.I Abstract II 第 1 章 总 论.1 1.1 概述.1 1.1.1 尾气处理的意义1 1.1.2 碱洗塔在理论中和实际中的价值.1 1.1.3 碱洗塔的国内外研究水平及现状.1 1.2 设计依据3 1.3 厂址选择3 1.3.1 厂址选择的原则3 1.3.2 方案比较.5 1.4 设计规模和生产制度5 1.4.1 设计规模.5 1.4.2 生产制度.6 1.5 原料与产品规格.6 第 2 章 工艺设计与计算.7 2.1 工艺原理7 2.2 工艺路线的选择.7 2.3 工艺流程简述7 2.4 工艺参数8 2.5 物料衡算8 2.5.1 物料衡算的意义和作用8 2.5.2 物料衡算的方法与步骤9 2.5.3 物料衡算.10 2.6 热量衡算14 2.6.1 热量衡算的意义和作用14 2.6.2 热量衡算.15 第 3 章 设备选型.18 3.1 选型原则18 3.2 关键设备的设计.19 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) IV 3.2.1 碱洗塔的设计概述19 3.2.2 碱洗塔的设计原理19 3.3 碱洗塔体主要尺寸计算.20 3.3.1 塔径计算.20 3.3.2 塔填料层计算.21 3.3.3 塔高和填料压强计算.22 第 4 章 设备一览表.23 第 5 章 车间设备布置设计.24 5.1 车间布置的设计.24 5.1.1 车间设备布置.24 5.1.2车间设备平面布置24 5.1.3.车间设备厂房立面布置24 第 6 章 自动控制.25 6.1 主要的控制原理.25 6.2 自控水平及控制点25 第 7 章 安全和环境保护.26 第 8 章 公用工程.27 8.1 供水.27 8.2 供电.27 8.3 通风.28 8.4 供暖.28 8.5 电气.28 结束语.29 参考文献.30 致 谢.31 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 1 第章 总 论 1.1 概述 1.1.1 尾气处理的意义 工业生产过程中会排放大量的废气，这些废气中大部分含有害气体，会导致大气 严重污染。我们要尽量减免在工业生产过程中向大气中排放有害气体(一氧化碳、二氧 化碳、二氧化硫等)。近年来，随着经济发展工业生产日益扩大，工厂等排放废气的源 头也在增加，若不引起人们广泛注意会严重影响生态环境1。 我国环境政策法规定了烟尘、工业粉尘、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物为大气 污染物，并且已经将这些污染物纳入我国主要污染物排放总量控制计划当中。大气污 染会使臭氧层的损耗加剧，臭氧层的损耗会导致紫外线直接照射地面，严重影响动植 物正常生长，并且人体长时间照射紫外线会导致皮肤病。 全球气候变暖会引起厄尔尼诺现象频繁发生，导致每年海边多次台风，内陆地区 多次龙卷风，干旱、洪涝灾害等也频繁发生。酸雨会影响农作物的生长，使粮食等大 量作物死亡或减产；人体摄入酸雨雨水也会影响身体机能；森林受到酸雨破坏会使大 面积的植被受损甚至退化。我国目前的污染状况尚未得到控制，以尘烟和酸雨危害最 大，因此，为了保护环境，保证经济可持续发展，确保生态平衡，必须加强大气环境 保护，控制工业尾气排放2。所以，对于工业尾气肆意排放的遏制是十分有必要的。 1.1.2 碱洗塔在理论中和实际中的价值 现代工业生产中，硫酸作为一种不可替代的物料已经被更广泛的应用，而要直接 运用硫酸来进行工业生产成本过高，而且又不利于安全运输，所以通常使用固体硫熔 融后进行氧化制取三氧化硫后再进行合成硫酸。这样既解决了运输问题又解决了成本 问题。但是这种工艺手段却会产生大量的对大气有害的气体-二氧化硫和三氧化硫，通 常情况下进行一些处理和吸收后，排入大气当中的硫化物的浓度和流量会达到国家标 准。处理通常用静电除雾器，而吸收则往往运用碱洗塔。碱洗塔是在尾气经过静电除 雾器后进行第二次对尾气的净化，从而进一步除去尾气中的酸性氧化物。对大气起保 护作用的同时也可以利用吸收酸性气体得到的盐进行其他工业生产。 1.1.3 碱洗塔的国内外研究水平及现状 我国在工业生产中的尾气处理技术正在发展和起步阶段，相对于国外要落后。目 前，我国国内尾气处理主要应用静电除雾器和洗涤塔两种设备。静电除雾器主要有线 式和碟片式两种，因为国内技术手段尚不成熟，仍在应用线式静电除雾器，其弊端就 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 2 是对电压要求十分苛刻，容易使内部线路烧断；碟片式静电除雾器在国外已经应用很 久，并且国内的碟片式设备主要依赖进口。 现有的尾气处理工艺可分为4类： (1) Claus 工艺法，控制反应温度条件，使 Claus 反应在低于硫黄露点或使反应在温 度高于硫黄熔点的液相中进行，以有利于 Claus 反应在最佳的平衡条件下生产更多的硫 黄。 (2) 氧化硫回收工艺法，将尾气中的硫化物全部转化为 O，并将其回收另作处理。 (3) 硫化氢回收工艺法，将尾气中的硫化物全部转化为 H，并将其回收利用。 (4) 直接氧化法，将尾气中的硫化氢直接氧化成硫黄3。 北京清华大学利用最新专利技术，综合国内外同类净化塔的优点对 BJS-X 型尾气 吸收塔进行重新设计，采用一级鼓泡、两级喷淋、四级吸收，同时对填料层及塔体进 行了技术参数上的优化，净化效率可达 98%，净化后的酸雾废气大大低于国家排放标 准，是当前国内外最理想的高浓度、较高温度酸碱净化设。 国外的尾气处理方面技术比较成熟。 MCRC 亚露点硫回收工艺是加拿大矿物和化学资源公司提出地一种把硫回收装置 和尾气处理装置结合成一体地硫回收新技术。该法把最后一级或二级转化器置于低温 下操作，在工艺流程、技术经济性等方面都有一定地特色，因此问世以来颇受重视。 此技术目前已经趋近成熟，并在广泛推广中。 超级克劳斯(Super Claus) 硫回收工艺是由荷兰 Comprimo 公司与 VEG 气体研究院 和 Utrech 大学合作开发的一种在最后一级转化段使用新型选择性氧化催化剂来改进克 劳斯工艺的硫回收新技术4。超级克劳斯硫回收技术有两种，一种称之为 Super Clau s99 即超级克劳斯99，另一种称之为 Super Claus9915 即超级克劳斯9915，它 具有以下几方面优点： (1) 尾气毋需任何处理，总硫转化率即可达到 99% (v)或 9915%(v)以上水平。 (2) 适用于新建装置，也适用于现有的克劳斯装置改造，还能和富氧氧化硫回收新 工艺结合使用。 (3) 过程气连续气相催化，中间不需要进行冷凝脱水，无“三废”处理问题。 (4) 投资少，公用工程和操作费用低。 (5) 对于未来的排放标准，能以最少的投入取得最好的效果。为了便于比较，约有 3 种 H2S 于 1200左右温度下与空气在燃烧炉内反应生成 SO2，其余未反应的 H2S 同 SO2 进行克劳斯反应生成元素硫。在高温段约有 65% 70% (v) 的 H2S 转化生成硫， 未反应的硫化物借助于催化剂，在温度较低的转化段继续完成克劳斯反应。鉴于克劳 斯反应是一种平衡过程，受到热力学及化学反应条件的限制，装置硫转化率还取决于 克劳斯反应所需 H2S 对 SO2分子比调节的精确程序。因此为了使装置实现高效能运行， 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 3 必须 控制 H2S 和 SO2 的比率尽量地接近于 21。此外，随着 H2S 和 SO2 反应生成元素硫， 过程气中水含量不断增加，而水含量又是随着 H2S 转化率提高而相应增加的，生成水 妨碍了平衡向生成硫方向进行，从而影响总硫回收率。如上所述，克劳斯工艺本身的 局限性妨碍了转化率的提高。超级克劳斯过程克服了普通克劳斯的缺点5,6。 1.2 设计依据 本设计是以齐齐哈尔大学下发的毕业设计任务书为准，并结合齐齐哈尔大 学本科生毕业设计(论文)工作手册，以及烟气脱硫脱硝技术手册和无机工艺化 学并查阅其他相关文献和书籍，获取相应的参数以及国家尾气排放标准等重要数据。 并结合在大学期间所学理论知识结合当前该工艺国内外现状综合设计的，且先后在指 导教师的指导下进行多次修改。 1.3 厂址选择 1.3.1 厂址选择的原则 作为以椰油为原料的椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠工厂，建厂地理位置的合理 选定非常重要。厂房必须建在椰油丰富，且交通发达的地区，初步选定为广东省珠海 市地区。 (1) 选址原则 适合全国和地区工业布局以及产品供需安排的要求；符合所在地区、 城市、乡镇总体规划布局。节约用地，不占用良田及经济效益高的土地，并符合国家 现行土地管理、环境保护、水土保持等法规有关规定。有利于保护环境与景观，尽量 远离风景游览区和自然保护区，不污染水源，有利于三废处理，并符合现行环境保护 法规规定。 (2)厂址选择的要求 原料、燃料及产品销售，接近原料厂地及产品销售地区，运 输方便燃料质量符合要求，保证供应。 面积：厂区用地面积应满足生产工艺和运输要求，并预留扩建用地。有废料、废 渣的工厂，其堆存废料、废渣所需面积应满足工厂服务年限的要求。居住用地应根据 工厂规模及定员，按国家、省、市所规定的定额，计算所需面积。施工用地应根据工 厂建设规模、施工人数、临建安排等因素考虑。 外形与地形：外形应尽可能简单，如为矩形场地长宽比一般控制在 1：1.5 之内， 较经济合理。地形应有手电于车间布置、运输联系及场地排水；一般情况下，自然地 形坡度不大于 5，丘陵坡地不大于 40，山区建厂不超过 60为宜7。 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 4 气象：考虑高温、高湿、云雾、风砂和雷击地区对生产的不良影响。考虑冰冻线 对建筑物基础和地下管线敷设的影响。 水文地质：地下水位最好低于地下室和地下构筑物的深度，地下水对建筑基础最 好无侵蚀性。了解蓄水层水量。 工程地质：应避开发震断层和基本烈度高于九度地震区，泥石流、滑坡、流砂， 溶洞等危害地段，以及较厚的三级自重湿陷性黄土、新近堆积黄土、一级膨胀土等地 质恶劣区。应避开具有开采价值的矿藏区、采空区，以及古井、古墓、坑穴密集的地 区。 场地地基承载力一般应不低于 0.1Mpa。 交通运输：根据工厂运货量、物料性质、外部运输条件、运输距离等因素合理确 定采用的运输方式(铁路、公路、水运、空运)。运输路线应最短，方便，工程量小，经 济合理。 给排水： 靠近水源，保证供水的可靠性，并符合生产对水质、水量、水温的要求。 污水便于排入附近江河或城市下水系统。 协作：应有利于同相邻企业和依托城市(镇)要科技、信息、生产、修理、公用设施、 交通运输、综合利用和生活福利等方面和协作。 能源供应： 靠近热电供应地点，所需电力、蒸汽等应有可靠来源。自备锅炉房和 煤气站时，宜靠近燃料供应地；煤质应符合要求，并备有贮灰场地。 居住区： 要有足够的用地面积和良好的卫生条件，有危害性的工厂应位于居住区 夏季最小风向频率的下风侧并要有一定的防护地带。配合城市建设，宜靠近现有城市， 以便利用城市已有的公共设施。靠近工厂，职工上下班步行不宜超过 30 min，高原与 高寒地区步行不宜超过 1520 min。 施工条件：了解当地及外来建筑材料的供应情况、产量、价格，尽可能利用当地 的建筑材料。了解施工期间的水、电、劳动力的供应条件，以及当地施工技术力量、 技术水平、建筑机械数量、最大起重能力等。 安全防护：工厂与工厂之间，工厂与居住区之间，必须满足现行安全、卫生、环 保各项有关规定。必须满足人对水、电源的要求。 其它：厂址地下如有古墓遗址或地上有古代建筑物、文物时应征得有关部门的处 理意见和同意建厂文件。避免将厂址选择在建筑物密集、高压输电线路地工程管道通 过地区，以减少拆迁。在基本烈度高于七高地区建厂时，应选择对抗震有利的土壤分 布区建厂，厂址不应选择在不能确保安全的水库下游与防洪堤附近。 珠海市作为中国的经济特区，是外商投资的热点地区之一。已有 52 个国家和地区 的客商投资珠海，外商直接投资项目 7303 项。日本的三菱、三井、伊藤忠、松下、东 芝、佳能、日通、珠海紫翔，美国的埃克森美孚、塞拉尼斯、伟创力、壳牌，英国的 BP 公司，德国的戴姆勒克莱斯勒、西门子，法国的家乐福，荷兰的飞利浦等 30 多家 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 5 著名跨国公司已落户珠海。 初步核算，2009 年全市实现地区生产总值(GDP)1037.69 亿元，比上年增长 6.6%。 其中，第一产业增加值 29.40 亿元，增长 3.7%；第二产业增加值 536.66 亿元，增长 2.1%；第三产业增加值 471.63 亿元，增长 12.8%。三次产业对经济增长的贡献率分别 为 1.4%、18.2%和 80.4%。三次产业的比例由上年的 2.9：54.6：42.5 调整为 2.8：51.7：45.5。现代服务业增加值 278.43 亿元，增长 17.3%，占地区生产总值的 26.8%。民营经济增加值 261.72 亿元，增长 10.2%，占 GDP 的 25.2%。人均 GDP 达 6.98 万元，按平均汇率折算约合 10 218 美元。 1.3.2 方案比较 根据上述的原则及基本要求，本设计将假设工厂厂址在广东省珠海市。珠海市是 珠江三角洲南端的一个重要城市，位于广东省珠江口的西南部，地理坐标处于北纬 21 482227、东经 1130311419之间。东与香港隔海相望，南与澳门相连，西邻新 会、台山市，北与中山市接壤。珠海是中国的五个经济特区之一。据 2008 年统计，珠 海市陆地面积有 1701 平方千米，人口 148.11 万人，是广东省人口规模最小的城市。珠 海的海岸线长 604 公里，有大小岛屿 146 个。在珠江口辽阔的水域上，大大小小的岛 屿星罗棋布，共计有 146 个，其中大部分集中于东部海域的万山群岛。珠海市气候宜 人，冬夏季风交替明显，终年气温较高，偶有阵寒，年、日温差小，属南亚热带与热 带过渡型海洋性气候。 全市太阳能丰富，热量充足，年均日照时数为 1991.8h，太阳 幅射年总量为 4651.6 kJ/m2。全市气温比邻近珠江三角洲各县市都高，年平均气温为 22.4，大部分地区全年无霜冻，是该省南亚热带地区热量最丰富的地区之一。 另外，对于资源的配制及运输问题，珠海市具有较好的地理优势。珠海向南不远 便是海南，盛产椰子，与本设计的主要原料椰油有密切联系；珠江三角洲乃我过三大 工业基地之一，并且以轻工业闻名，丙三醇、脂肪酸、硫酸等本设计中主要原料的产 地更是比比皆是；珠海市是我过南方沿海的重要交通枢纽，铁路、海运系统发达，进 出口贸易量每年居高不下，也为其他原料运输提供了便利的条件；珠海市濒临的珠江 是我过三大水系其中之一，年径流量甚至比黄河要高，有充足的淡水资源，为工厂的 生产及排放提供了足够的水源。珠海市为珠江三角洲工业区的中心，一些工业废料可 以利用再回收的手段进行轻工业加工，从而增加工厂的经济效益，同时也可以提高环 保效率。 1.4 设计规模和生产制度 1.4.1 设计规模 本设计为年产 10 000 吨椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠车间尾气处理工段初步设 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 6 计，所以生产规模为年产 10 000 吨椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠。年开工 300 天， 且 24 小时运作，既每年开工 7 200 小时。 1.4.2 生产制度 为了进一步贯彻落实“安全第一、预防为主”的方针，强化各级安全生产责任制， 确保安全生产，特制定本制度。企业法人代表是本企业安全生产的第一责任人，应贯 彻管生产必须管安全，谁主管谁负责的原则，企业的各级领导人员和职能部门，必须 在各自工作范围内，对实现安全生产负责。安全生产人人有责，企业的每个职工都必 须在自己岗位上认真履行各自的安全职责，实现全员安全生产责任制、岗位安全生产 职责。此外，厂区内和厂区范围以外 100 米内严禁烟火，坚决禁止任何人携带火柴、 香烟、汽油等易燃易爆物品进入厂区7；员工禁止穿带铁钉的鞋，防止产生电火花。 1.5 原料与产品规格 本设计中的工厂主要产品为椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠，工厂所需原料为椰 油、甘油、脂肪酸、硫酸、硫等。尾气处理是本设计中最后工段，主要处理生产过程 中产生的不能完全反应掉的二氧化硫及三氧化硫；碱洗塔则是处理通过静电除雾器后 仍不能被再利用的二氧化硫和三氧化硫。因此，通过静电除雾器后的混合气体主要成 分应为空气。 表 1-1 原料规格 项目名称化学式流量(kg/h) 二氧化硫SO23.53 三氧化硫SO34.30 设：磺化工段的磺化率为 97%； 静电除雾器吸收率为 99.9%； 表 1-2 静电除雾器气体吸收 项目名称化学式流量(kg/h) 二氧化硫SO23.53 三氧化硫SO34.30 AES1389 硫S119.59 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 7 第章 工艺设计与计算 2.1 工艺原理 尾气处理工段是采用一系列的除雾、吸收气体的手段来进行工厂对工业废气的处 理。碱洗塔则是用碱液吸收酸性气体的原理对工业生产过程中最后的尾气进行净化、 处理，从而使工厂排放的气体符合国家排放标准。 2.2 工艺路线的选择 碱洗塔采用碱液泵抽取碱液后，通过喷头对从塔身下方进入的气体进行输液管路 旋转、喷头喷淋的方式来去除混合气体中的二氧化硫和三氧化硫。 尾气进入碱洗塔时，温度维持在 50左右，从碱液泵输进碱洗塔中的氢氧化钠溶 液保持在 35，经过塔本身的散热和塔内的酸碱中和反应后，使经过处理后排出的尾 气和吸收过二氧化硫的碱液温度均达到 35。排出的尾气保持在 35左右的较低温度 时既减少了向大气排放热量，又能保证工厂在正常温度下运作。 2.3工艺流程简述 1.气液分离器 2. 旋风分离器 3.三氧化硫吸收塔 4.静电除雾器 5.碱洗塔 图 2-1 尾气处理工段工艺流程图 尾气处理工段采用三步来对尾气进行具体净化、除杂。从磺化车间进入的废气首 先会进入旋风分离器。旋风分离器作用则是气液分离，经过这一装置后尾气会被除去 2 1 34 5 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 8 绝大部分的酸雾，然后经过净化的气体从旋风分离器排出进入静电除雾器；与此同时， 三氧化硫气体吸收罐接收了从磺化工段进入的气体，通过酸吸收循环泵后进入吸收酸 冷却器，然后进入静电除雾器中；静电除雾器是利用电极所带正负电荷不同来吸附酸 中电离的氢离子，而后将酸和原气体分离，从而达到良好的净化效果8。所以经过静电 除雾器后，混合气体中的液态、气态酸已基本完全除尽，所以从三氧化硫吸收罐和旋 风分离器进入静电除雾器中剩余的混合气体中此时只有二氧化硫和三氧化硫含量较高， 所以通入碱洗塔进行洗气后原气体方可排入大气中；碱洗塔附带一个碱液泵，将碱液 源源不断的运入塔中，经过上方喷头喷洒与气体混合均匀后，再由下端的排口排出， 另外，此时经鲍尔环后与碱液喷洒的气体中，二氧化硫与三氧化硫已基本除尽，可以 排放到大气中9。 2.4工艺参数 年开工时间：7 200 小时 磺化率及二氧化硫转化率：97% 旋风分离器、静电除雾器、碱洗塔吸收效率：99.9% 国家尾气排放标准(允许硫化物的最高浓度)：550 mg/m3 椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠平均分子量：802 碱洗塔中所用碱液浓度：16% 国家尾气排放标准(允许尾气最高流量)见表 2-2。 表 2-2 国家尾气排放流量标准 最高允许排放速率(kg/h)无组织排放监控浓度限值 污染物 最高允许排放 浓度(mg/m3)排气筒(m)二级三级监控点 浓度(mg/m3- ) 960 (硫、二氧化 硫、硫酸和其 它含硫化合物 生产) 二氧化硫 550 (硫、二氧化 硫、硫酸和其 它含硫化合物 使用) 15 30 30 40 50 60 70 80 90 100 2.6 4.3 15 25 39 55 77 110 130 170 3.5 6.6 22 38 58 83 120 160 200 270 *周界 外浓度最高 点 0.4 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 9 2.5 物料衡算 2.5.1 物料衡算的意义和作用 计算是化学工程设计中的基本内容，我们只能利用计算来最后得到工程设计的 结果，而物料衡算是工程设计中计算的基础，没有物料衡算，化学工程设计就无法 完成。在工厂设计中，物料衡算是在工艺流程及工艺参数确定后即开始的一项化工 计算工作，往往通过物料衡算之后才能了解一些设备、工段的具体参数，或是通过 计算得出的数据来制定工艺的细节方案。 物料衡算是通过每一道工序的物料变化情况进行平衡计算，从而得到在正常生 产情况下各股物料的量。通过物料平衡，在已知产品生产任务情况下算出所需原材 料、生成的副产物及废物等的生成量；或者在已知原材料投放情况下算出产品、副 产物及废物量。 物料衡算是真正投产前的必要步骤，是一切工作的基础，它将直接影响工厂的 各项指标及各个工段的数据，热量衡算和设备选型也会根据物料衡算来制定。所以 物料衡算对工厂及工程设计有非常重要的意义。 2.5.2 物料衡算的方法与步骤 物料衡算是在给定某些物料量的值情况下求解另一些物料的值，物料衡算是指 根据物质质量守衡原理，对生产过程中使用的物料变化情况进行定量分析的一种方 法。即：投入物料量总和产出物料量总和主副产品和回收及综合利用的物质量 总和排出系统外的废物质量(包括可控制与不可控制生产性废物及工艺过程的泄 漏等物料流失) 采用物料衡算法核算污染物产生和排放量时，应建立在对企业进行充分了解的 基础上，从物料平衡分析着手，对企业的原材料、辅料、能源、水的消耗量、生产 工艺过程进行综合分析，使测算出的污染物产生量和排放量能够比较真实地反映设 计的工程在生产过程中的实际情况。 综合上述，遵循质量守恒定律来进行物料衡算，具体步骤大致分为以下几点： (1)收集数据并进行简单计算 根据查阅资料得到的椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3) 硫酸钠的平均分子量，可以计算出所需要的硫、每小时所需各种原料的量；再通过 设定的各个工段、设备的转化率，可以得出物料衡算前期的各项必须数据。另外还 有一些关键参数、数据可以通过查阅相关文献或上网来获取。 (2)画出简易物料流程图 当物料通过尾气处理工段时，涉及到在此工段中物 料的流动、改变、添加及排出等过程，所以需要将关键的、影响结果的因素标注出 来，因此，需要画出相应的建议物料图来进行具体分析。 (3)根据国家标准进行计算 尾气处理工段是直接涉及到尾气排放和工厂排标 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 10 是否合格的工段，所以要想使化学工程设计合格就必须要查阅国家的相关标准及国 家对尾气排放的规定。我们可以根据国家标准来进行具体计算，或是计算出结果时 根据国家标准来进行衡量设计的计算是否合格。所以，国家的相关文件、标准对本 设计是至关重要的。 (4)制定计算方向并列出物料衡算表 根据已知条件中的年产量、国家排放标 准以及设定的各个工艺过程的转化率来计算得出尾气处理工段中各个设备每小时的 物料情况，最后得出为热量衡算、设备选型计算作基础的数据，并且列出简单的物 料衡算表。 2.5.3 物料衡算 因为此工艺过程中椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠最后是用酸碱中和的原理 合成的，所以不难得出：在尾气处理工段中混合气体经过前后应符合质量守恒定律： A+B=C+D (2-1) 式中：A尾气处理工段前液态物质(酸、水等)的总量； B尾气处理工段前所有气态物质的总量； C碱洗塔后排出的气体的物质总量； D旋风分离器、静电除雾器、三氧化硫吸收罐、碱洗塔排出废液总量。 根据上述原理来计算每小时或每天生产椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠的量， 以及其他物料所需的具体量。 (1) 所需原料计算 由资料得：分子量为 802，年产 1 万吨椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠，即： 1000/300 = 33.33 吨/天 30024=7200 小时 33.337200=1.389 吨 故每小时需生产 1.389 吨椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3)硫酸钠 根据资料： 转化率 97% 2 SOS F1 m2 转化率 97% 3 SOS F2 m1 硫酸钠椰油脂肪醇聚氧乙烯醚(3) 3 SO 三氧化硫的摩尔质量 kgm 8 . 142 802%97 80389 . 1 1 32 SOSO 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 11 二氧化硫的摩尔质量 kgm77.117 80%97 64 8 . 142 1 m1=4.3 kg m2=3.53 kg N 二氧化硫=3.564=0.055 mol/h N 三氧化硫=4.380=0.054 mol/h 0.05522.4=1.232 L 0.05422.4=1.21 L 故：每小时产生的废弃二氧化硫为 0.055 mol 废弃的三氧化硫为 0.054 mol；在标准大气压下，废弃二氧化硫体积为 1.232 L，废 弃三氧化硫体积为 1.21 L。 S=32/64m2+32/80m1+m=58.885+57.12+3.53+4.3=123.835 kg/h 故：每小时需要硫磺固体 123.835 kg 22 SOOS 产生二氧化硫所需氧 kgmt885.58 3264 1623277.117 32 232SOOS 产生三氧化硫所需氧 kgmk68.85 3280 16332 8 . 142 322 22SOOSO 废气质量 kg m m142 . 2 64 32 8 . 142%3 64 32%3 1 0 即 M0= mt+mk+m0=58.885+85.68+2.142=146.707 kg/h 故每小时需要消耗氧气 146.707 kg 146.707/32=4.585 mol/h 即消耗氧气 4.585 mol 4.58521%=21.83 mol/h 故消耗空气 21.83 mol。 综上所述，每小时约处理的尾气总量为 7.83kg，其中，二氧化硫为 3.53kg，三 氧化硫为 4.3kg；每小时消耗的氧气量为 146.707kg，即：4.585mol，得出每小时需 要空气的量为 21.83 mol。 经过将硫氧化、磺化后，会产生椰油脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸、硫酸、未能完全 反应的二氧化硫以及 固体粉尘的硫。 三氧化硫和硫酸转化 2S+3O3=2SO3 SO3+O2=H2SO4 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 12 三氧化硫的生成量 X1=8058.88532=147.2125 kg 硫酸的生成量 X2=9858.88532=180.335 kg 将转化率计算在内从上述计算式得 97%X1=142.8 kg 97%X2=174.92 kg 故工艺中生产出的硫酸理论值为 174.92 kg/h 设旋静电除雾器、碱洗塔等设备吸收效率为 99.9%，旋风分离器效率为 20%。 (2)主要设备进出物料计算 旋风分离器： 每小时旋风分离器处理气体总量 7.83 kg V=4/3r3=4/33.14(7.832)310-4=6.41710-3 m3 (2-2) V 1/2 =3.20910-3 m3 m=v=3.20910-31.84=5.904610-3=F3 (2-3) 5.904610-320%=0.1181 kg/h 根据大庆东昊表面活性剂厂生产数据，静电除雾器每小时排酸 1.1210-3 kg/h F2=F1-F3=747.5-5.904610-3=747.4417 kg/h (2-4) 故旋风分离器器入口总流量为 747.5 kg/h； 通向静电除雾器的出口总流量为 747.4417 kg/h F1、F2、F3达平衡 静电除雾器计算： 由于上一步骤中 F2最终进入静电除雾器中，所以静电除雾器中物料来源由 F2提供， 根据大庆表面活性剂厂数据，得出如下 静电除雾器出口流量=通向碱洗塔的流量=静电除雾器入口流量排放流量 =747.4417-1.1210-3=747.4405 kg/h 碱洗塔计算： 碱液用量 OHSONaNaOHSO 2322 2 m2 16%S1 S1= 27.5810-3 kg/h OHSONaNaOHSO 2423 2 m1 16%S2 S2=26.8810-3 kg/h S=S1+S2=27.5810-3+26.88 10-3=54.4610-3 kg/h 故碱洗塔中每小时需要消耗 16%的 NaOH 溶液 54.4610-3 kg 因为静电除雾器、碱洗塔效率为 99.9%，得出： 经静电除雾器后二氧化硫流量=3.530.1%=3.5310-3 kg/h 三氧化硫流量=4.30.1%=4.310-3 kg/h 经碱洗塔后二氧化硫流量 =3.5310-30.1%=3.5310-6 kg/h 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 13 三氧化硫流量 =4.310-30.1%=4.310-6 kg/h 表 2-3 静电除雾器参数 指标参数指标名称 雾粒平均半径0.5 m 温度 50 电晕电极半径0.8cm压力-700mm 水柱 沉淀极半径12.5cm气体体积流量 5000 3 m /h 电场气速1.5m/s空速 90.6 -1 h 根据国家尾气排放标准 GB16297-1996 文件，硫化物最高允许排放浓度为 550 mg/m3，3.5310-6+4.310-6=7.8310-6550 mg/m3，所以物料设计符合国家排放标准。 (3)洗涤液、废液计算 旋风分离器中，由于此设备作用为气液分离，所以不设计碱液计算。仅分离出 1.1210-3kg/h 的液体。 SO3吸收罐：此设备接收从磺化车间排出的气体 32 232SOOS SO3量 G= 324.3/80=1.72 kg 三氧化硫吸收罐每小时需吸收 4.3 kg 三氧化硫 4223 SOHOHSO 硫酸产量 K= 984.3/80= 5.2675 kg 故理论产生硫酸 0.05375mol 设三氧化硫吸收罐处理能力为 99.9% 即实际产生硫酸 0.537 mol/h 静电除雾器：从旋风分离器、三氧化硫吸收罐排出的尾气同入静电除雾器，设 静电除雾器处理效率为 99.9%得出 (2-5) f p p E dc q 4 ) 2 3 (4 2 0 式中 0真空介电常数，0=8.8510-12C/Nm2; dc粒径，m; Ef放电极周围的电场强度，V/m； p尘粒的相对介电常数。 P与粉尘的导电性能有关。对导电材料 P=；绝缘材料 P=1；金属氧化物 P=1218；石英 P=4.0。 需要处理的体积量 0 1v v (2-6) 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 14 ，90.6-1为空速式中 v 1 v反应器容积,m3 v0进料的体积流量,m3/h 选择正经 4m 的蜂窝型沉淀极，电极形状不规则度为 93%，选择圆筒形器壁，则 器壁直径为 D，则 m d D3 . 4 %97 沉淀极高度设为 H m D v H8 . 3 2 2 从上式可看出，影响尘粒荷电的主要因素是尘粒直径 dc、相对介电数 P和电场强 度。 A=5.2675+1.1210-3=5.2686 kg/h B=3.53-3.5310-3+4.3-4.310-3=7.8110-3 kg/h A+B=5.2686+7.8110-3=5.2756 kg/h 因为静电除雾器排出液体流量为 5.2756 kg/h。 (4)碱洗塔：前面计算得出中和酸性气体每小时需消耗 16%的 NaOH 溶液 54.4610-3 kg SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O SO3 + 2NaOH = Na2SO4 + H2O 硫酸钠 X1=4.310-3142/80= 7.632510-3 kg/h SO2 + 2NaOH = Na2SO4 + H2O 亚硫酸钠 X2= 3.5310-3126/64=6.949710-3 kg/h 产生硫酸钠 7.632510-3 kg/h，亚硫酸钠 6.949710-3 kg/h，排出碱液 54.4610-3 kg/h。 2.6 热量衡算 2.6.1 热量衡算的意义和作用 同物料衡算一样，能量衡算也是化工计算中一种基本计算，它不仅对生产工艺条 件的确定、设备设计是不可缺少的，且在实际生产中分析生产问题、评价技术经济效 果等方面的工作也是很需要的。 对于新设计的车间，能量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。而对于已经 投产的车间，进行能量衡算是为了更加合理的利用能量，进而从技术上、管理上制定 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 15 出节能的措施，以最大限度降低单位产品的能耗。 在化工生产中，能量衡算概括起来应用于以下几个方面： 确定功率：如流体输送、搅拌、过滤、粉碎等单元操作中所需功率。 确定热量或冷量：如蒸发、蒸馏、冷凝、冷却、闪蒸等所需热量或冷量。 确定供热速率或放热速率：如化学反应中，由于热效应(使体系温度的上升或下降) 需确定的一个合适温度。 确定节能措施：充分利用余热,降低总能耗而采取相应措施。 2.6.2 热量衡算 (1)分析各股物料之间热平衡关系 旋风分离器、三氧化硫吸收罐、静电除雾器中均无热传递过程和温度变化，故无 热量变化；而碱洗塔设备中，进气口气体(二氧化硫、三氧化硫)为 50；进碱液口温 度为 35 16%的 NaOH 溶液；排气口处，气体排出温度为 35 ；排液口排出的混合 液体(由硫酸钠、亚硫酸钠、剩余氢氧化钠组成)温度为 35 。计算各物质比热容 由 Rihani-Doraswatny 法计算各物质的比热容其表达式如下： 023 p CabTcTdT 式中，系数 a、b、c、d 与物质有关，部分化合物的这些数据见表。 表 2-5 Ruzicka-Domalski 法中基团贡献参数 序号基团a 2 10b 4 10c 6 10d 1-S-4.22550.1127-0.00260.000072 2-O-2.8461-0.01000.0454-0.002728 3-CH30.60872.1433-0.8520.007735 4 | | C-5.83074.4541-0.42080.022680 5-SO3H6.92182.17350.1776-0.022445 (2) 收集数据 因为尾气处理工段中热量传递仅涉及碱洗塔部分，所以收集碱洗塔数据作为尾气 处理工段的热量衡算基本依据。 由于理论上每小时消耗 16%氢氧化钠溶液 54.4610-3kg，所以经计算得出，碱洗过 后产生的硫酸钠液为 6.0310-3kg/h；产生的亚硫酸钠液为 5.51210-3kg/h。 表 2-3 碱洗塔进出料温度 物料 进口温度 出口温度 二氧化硫气体 50 35 三氧化硫 50 35 氢氧化钠溶液 35 35 硫酸钠溶液 35 齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 16 亚硫酸钠溶液 35 (3) 选定计算基准 由于热量衡算主要在碱洗塔部分展开，所以根据碱洗塔的工艺过程制定热量衡算 的计算标准，通过温度差、反应产生的热量和系统消耗的热能来列出热量关系式，从 而证明热量守恒。 (4) 列出热量平衡关系式 氢氧化钠的水溶液随着溶质质量分数不同其比热容也会有所变化，表 2-4 则是表 示氢氧化钠的溶质质量分数与温度的关系： 表 2-4 氢氧化钠比热容 kJ/kg NaOH 质量分数/ 04.51015.526.638496071 01.0041.0031.0010.9990.9980.9970.9980.9991.000 20.9650.9670.9680.9690.9720.9740.9770.9780.980 40.9360.9400.9430.9460.9510.9540.9570.9600.962 60.9140.9200.9240.9280.9330.9380.9410.9440.946 80.8970.9020.9070.9110.9180.9230.9270.9300.932 100.8820.8880.8930.8970.9050.9110.9160.9180.920 120.8700.8770.8830.8870.8940.9010.9060.9090.911 200.8420.8480.8540.8590.8680.8750.8800.8840.886 220.8370.8440.8490.8540.8630.8700.8760.8800.884 从表 2-4 可得知，质量分数为 16%的氢氧化钠溶液在 35时比热容为 0.886 kJ/kg。 与上述查表方法相同，参考其他相关文献及书籍中的函数或曲线。 通过查表得出 二氧化硫比热容=0.502 kJ/kg； 三氧化硫比热=0.567 kJ/kg； 硫酸钠比热容=2.16 kJ/kg； 亚硫酸钠比热容=40.2 kJ/kg； 设系统损失热量为 15%，电、水等管线耗能 19%，其他耗能 1.2%。 根据表 2-3 得，进料 Q二氧化硫进气=m1C1T1=3.5310-30.50250=8.8610-2 kJ/h Q三氧化硫进气=m2C2T1=4.310-30.56750=0.122 kJ/h Q氢氧化钠进液=MC3T2=3554.4610-30.886=1.689 kJ/ h 出料 Q二氧化硫出气=m3C1T2=350.5023.5310-6=6.20210-5 kJ/h Q三氧化硫出气=m3C2T2=350.5674.310-6=8.53310-5 kJ/h Q硫酸钠出液=M1C4T2=356.0