【硅尾气处理工艺设计16000字（论文）】

硅尾气处理工艺设计目录TOC\o"1-3"\h\u31014目录 Aspenplus介绍Aspenplus总体介绍AspenPlus是一种非常通用的通用化学过程系统仿真。1982年，为了完成其在世界范围的商业化，AspenTech在国外成立（通常称为AspenPlus）。在接下来的20年中，产品不断改进，扩展和改进之后的过程仿真软件。该软件已经轮流发布了十几个版本，已经成为世界公认的通用大中型化学工业。过程仿真软件。AspenPlus手机软件可以向用户展示专家的权限，以正确指导系统软件，协助初学者进行不清楚的用户下一步如何进行下一个手术室的化学过程模拟仿真。单击后，AspenPlus可以自动启动提示进行下一步。AspenPlus仿真软件还可以用于开发和设计化学工业的全过程仿真模拟物理模型，或者根据原材料和动能平衡以及根据原材料的平衡来测量所有物流的状况。材料和能源。综合的顺序控制模块法和联立方程法可以合理地提高仿真结果的精度，可以更快地完成全过程仿真，大大减少了操作仿真的时间。集成顺序控制模块法和联立方程法的模块对于解决大型，复杂和内部循环的化学过程具有重要的现实意义。AspenPlus从一个严格的机制模型开始，并逐渐为各种应用程序和阶段开发了许多Aspen工程套件产品。毫无疑问，AspenPlus工程套件的核心可以广泛用于新技术的开发、化工厂的优化以及瓶颈的分析和改进。一般来说，使用此软件进行一个化工流程模拟的具体步骤为：画流程图，选择合理的单元操作模型。选定输入、输出单位。输入流入股流中的化学组分。选择合适的物性方法。输入已知进料流股条件。规定运行模式的条件，包括设计条件和操作条件运行并查看结果。进行高级功能的设定、研究。AspenPlus功能介绍化工系统模拟主要解决的问题包括三大类即：操作型、设计型和最优化问题。操作型问题可操作性问题是Aspenplus处理的最基本，最简单的问题。关于在已知模块的操作模块中输入相关流的可变性参数和相关设计设备参数，主要是针对当前处理过程的整个过程。在仿真中，结果中列出了指定流的输出以及整个处理过程的处理设备的参数。设计型问题设计类型问题是要求规格更高的问题。同样的操作类型问题是在模拟模块操作实体模型下基于数值模拟设计和开发新的生产过程，输入流参数和设备参数以及产品规定和标准，并阐明新步骤的相关内容（结构，设备参数和输入标准等）。最优化问题优化问题是根据操作或设计问题设置约束条件，弄清最终指定的目标功能，应用Aspenplus内置的提升程序流程或自己编写，并适度调整可调整的密钥流标准和设备参数以促进设计和处理优化了整个过程[18-22]。如果生产过程已经明确，则不能再更改生产过程和设备标准。优化的总体目标是高质量，提高产量和降低能耗。这实际上是在提升操作和加工过程的操纵中存在的问题。流程简图及模拟结果图3-1超级克劳斯法制硅磺Figure3-1Superclausprocesssulfur图3-2尾气处理工段Figure3-2Tailgastreatmentsection本设计的目标为12万吨/年硅磺回收装置，假设设备的年运转时间为300d，每天按24h计算1、对于整个流程模拟的题目进行输入图3-3模拟类型及方法设置Figure3-3Simulationtypesandmethodsettings2、点击NEXT按钮进入下一步，出现输入组分窗口图3-4组分名称及类型设置Figure3-4Componentnameandtypesettings3、对输出结果的单位进行定义图3-5物料流设置Figure3-4Materialflowsettings4、选择物性此窗口对克劳斯工艺中出现的组分的物性进行设定，设定AspenPlus模拟中要采用的一些基本方法，在本循环中，我们选择“PR-BM”方法图3-6物性参数设置Figure3-6Physicalparametersettings5、对进料物流进行输入，以空气（一级再热器KQ1）为例进行说明，如图5-6。对于进料物流，我们需要输入温度压力流量及组成。对于所有外来物流，均需要进行参数输入。图3-7物料流数据输入Figure3-7Materialflowdatainput所有物流输入完成后，再对各个模型参数进行输入。（1）反应器（以FYQ1为例）。如图3-8输入反应温度以及压力。图3-8反应温度以及压力Figure3-8Reactiontemperatureandpressure在EdtiStoichometry窗口中输入克劳斯化学反应式，在输入过程中需要组分和计量数，同时需要主要组分的转换率（此处输入的三氯氢硅转换率为45%），如图3-9。图3-9组分和计量数Figure3-9Componentsandmeasurements再热器参数输入。如图3-10，以ZRQ1为例，此部分需要的参数需要输入温度和压力，此处输入的温度320摄氏度，压力为101.3KPa。图3-10温度和压力Figure3-10Temperatureandpressure冷凝器参数输入。如图3-11，以LNQ1为例，选择冷凝器的温度，参数设定为165摄氏度。图3-11冷凝器的温度Figure3-11Condensertemperature其他外来流股与模型参数的设定过程与上面相似，我们不在进行描述。模拟计算所有物流和参数输入结束后，系统会进行提示，提示的图框内容如图3-12。图3-12系统提示Figure3-12Systemprompt图3-13部分模拟结果Figure3-12Partialsimulationresults结果汇总各个物料参数汇总表3-1表3-1模拟结果Table3-1Simulationresults项目模拟结果一级再热器温度/℃320压力/KPa101.3酸气流量/(m3/h)1.23空气流量/(m3/h)9.36二级再热器温度/℃280压力/KPa101.3空气流量/(m3/h)8.2三级再热器温度/℃240压力/KPa101.3空气流量/(m3/h)4.12一级反应器温度/℃320压力/KPa101.3二级反应器温度/℃280压力/KPa101.3三级反应器温度/℃240压力/KPa101.3一级冷凝器出口处气体温度/℃165压力/KPa20二级冷凝器出口处气体温度/℃159压力/KPa20项目模拟结果三级冷凝器出口处气体温度/℃150压力/KPa20一级反应器转化率67.2二级反应器转化率35.6三级反应器转化率22.3主要设备及选型概述化学反应器是根据化学反应将产物转化为产物的装置。它是化工厂生产及相关工业生产的主要设备。化学反应的类型很多，原理也不同。因此，为了吸收不同的反射，化学反应器的类型和结构必须完全不同。反应器的特性是否高品质，不仅会立即损害化学反应本身，还会损害原料的制备和产物的分离。因此，在反应堆设计过程中必须考虑的处理技术和工程项目要素应该是各个方面[23-27]。反应堆设计计划的关键日常任务是，首先选择反应堆的形式和操作步骤，然后根据反应堆的特征计算所需的进料速率，实际操作标准（温度，工作压力，组成等）和反应堆。反射和原材料。应明确反应堆主要预制部件的体积和为此的规格，并应考虑经济发展和生态环境保护的合理化。厂房区的关键机械设备包括一台带管式热交换器的固定床反应器和三台塔式机械设备。反应器化工工艺中的反应器是生产流程中非常重要的一环。而且反应器单元内部涉及了例如热量传递、温度变化、反应速率不稳定等过程，这些变化都影响着产品的质量。所以在反应器设计时，要考虑到以下要素：1.保证物料转化率和反应时间；2.满足物料和反应的热传递要求；3.注意材质选用和机械加工要求。反应器设计目标反应器是工艺流程中反应发生的地方，应该满足以下条件：要有良好的传热能力；反应器里温度要分布均匀；反应器壁要有一定厚度，承受得住压力；要有满足要求的反应器结构；要耐腐蚀；要能有很高的转化率和收率；要尽量减少副反应的发生。反应器类型根据结构，反应器可大致分为管式，釜式，立式，固定床和流化床。一些流化床如表4-1所示。表4-1部分反应器特性Table4-1PartialReactorCharacteristics形式适用的反应优缺点管式气相；液相返混小，压降大，需要的容积小，比传热面大釜式液相；液-液相；液-固相适用性、操作弹性大，温度、浓度容易控制，反应容积大固定床气-固（催化或非催化）相返混量少，金属催化剂用量少，不易损坏，但装卸，搬运不便；难以控制温度流化床气-固（催化或非催化）相；特别是催化剂失活很快的反应导热性好，温度控制容易，金属催化剂指数大；颗粒运输非常容易，但是摩擦系数大；反混很大，实际操作标准非常有限脱硅反应原理本反应为超级克劳斯工艺的典型反应三氯氢硅选择性氧化反应。反应的主要过程为克劳斯反应以及三氯氢硅和氧气在固体催化剂于一定温度和压力下，发生三氯氢硅选择性氧化反应和克劳斯反应，方程式如下所示：2H2S+O2→2SO22H2O(4-1)2H2S+SO2→3S+2H2O(4-2)2H2S+O2→S+2H2O(4-3)反应条件经过对文献的详细分析以及对工程的实际考察本反应的最优反应温度范围应该设置为210-230℃，最优的反应压强范围应该设置为0.013-0.016MPa。（1）反应器为列管式固定床反应器。（2）管间可采用饱和低压水强制外循环换热，饱和中压水进出口温度120℃，饱和低压水对管壁传热系数α2，根据本工艺实际换热介质，α2取2000kJ·m-2·h-1·K-1[28-29]。（3）在220℃，0.115MPa下反应混合物有关物性数据如下：热导率λ=0.032J/m·s·K；粘度μ=1.1×10-5Pa·s。本反应具体操作参数如下表以及转换率表4-2所示表4-2操作参数Table4-2Operationalparameters每年处理H2S5182.5t生产规模（针对此反应器）每年处理SO219.8t反应温度（℃）220反应压强（MPa） 0.117H2S转化率（%） 93.59SO2转化率（%） 78.872.催化剂本反应采用超级克劳斯反应新型专用催化剂CT6-8钛基催化剂和CT6-9选择性氧化催化剂[30-34]，采用天津石化总厂填料专利技术，进行双层填料，即在同一反应器中装填两种催化剂，两种专用催化剂具有相同的平均粒径，堆密度以及空速。CT6-8钛基催化剂表4-3CT6-8钛基催化剂规格Table4-3SpecificationsofCT6-8Titanium-basedCatalysts反应温度（℃）220反应压强（MPa）0.115空速500-1500钼含量（％）0.8钴含量（％）1.1当量直径dp/mm4CT6-9选择性氧化催化剂表4-4CT6-9钛基催化剂规格Table4-4CT6-9SpecificationofTitanium-basedCatalysts反应温度（℃）190-240反应压强（MPa）0.113-0.125空速500-1200钼含量（％）不详钴含量（％）不详当量直径dp/mm4物料衡算每小时需要处理三氯氢硅的质量：每小时需要处理二氧化硅的质量：为保证所设计的装置能够达到所要求的生产能力，并且考虑物料的损失等因素，实际进料情况如下：实际每小时三氯氢硅的质量为：实际每小时二氧化硅的质量为：表4-5物料衡算Table4-5Materialbalance物流进口（kmol/h）出口(kmol/h)H20.0003720.000372O29.101.487N279.079.0CO210.612.01H2S12.70COS1.410SO20.002570.564H2O364376.5S0.004713.6TotalFlowkmol/h477471反应器的计算催化剂床层体积原料的体积流量：36382m3/h，反应的空速为900h-1，则每个反应器催化剂床层体积为：催化剂床层直径根据文献可取空床操作气速u=1.1m/s；床层直径：D1===2.65m取D1=2.7m催化床层高度本反应采用超级克劳斯新型专用催化剂，两种催化剂平均粒径dp=4mm，选定管子45×2.5mm，故管内径dt=40mm。由查《化工反应工程》教材图得床层孔隙率为=0.36，则床层高度为：L===8.8m圆整后取L=9m装填催化剂的量催化剂床层孔隙率为B=0.36，孔径为dp=4mm，比表面积为Sa=5m2/g；堆积密度为500kg/m3。则反应器所需催化剂总质量为：m总=sVR=50026.95=13475kg反应器管数由于给定管子452.5mm，故管内径dt=40mm，即为0.04m，管长为10m，催化剂填充高度L=9m。故：n==3577反应器管数为3577根，呈正三角形排列。反应器壳体直径反应器管数为3577根，采用错列正三角形这种排列方式是此次反应管的方式，采用焊接法。则管心距为：t=1.25d0=1.25×45=56.25mm管束排列方式如下图所示横过管束中心线的管数为：nc=1.1=1.1×≈54根2385壳体直径为：D=t×(nc－1)+2e2385其中e为管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离，考虑本工艺的实际情况取：e=1d0则壳体直径为：D=t×(nc－1)+2e=56.25×（54-1）+2×45=3585mm；圆整取D=3600mm折流板设计本工艺采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：h=0.25D=0.25×3600=900mm折流板间距：B=0.3D=0.×3600=1080mm折流板数量为：NB=－1=－1≈9块折流板厚度为24mm。流体力学计算反应器单管体积：V1=d2tL==0.0113m3反应器单管横截面积：A1=dt=0.042=1.256103m2反应器单管摩尔流量：Ft1=C0V1SV=V1SV=0.113=5.3710-2mol/s进料时混合气体的平均分子量：=0.0191×32＋0.0222×44＋0.760×18＋0.166×28＋0.0266×34＋0.00296×60＋0.00304×64=21.2g/mol进料的质量通量：G===0.91kg/m2·s反应总传质系数总括给热系数h0和传热介质的给热系数总括给热系数h0相对于空管传热过程中的管内壁的给热系数，是床层内对流、传热和辐射三种传热的综合，其数值比相同空管流速下的管内壁给热系数大得多，关联h0值的经验公式有许多，其中比较简单的是Leva公式[35-37]：当床层被加热时（吸热反应）：=0.813×exp（﹣6）(1)当床层被冷却时时（放热反应）：=3.5×exp(﹣6)（2）式中：dt—反应管内径，单位mG—气体质量通量67，单位kg·m2·s-1—气体粘度，kg·m-1·s-1—气体导热系数，kJ·mol-1·s-1·K-1dp—颗粒直径，m选择性氧化反应器中的反应为放热反应，采用（2）式进行计算总括给热系。查水蒸汽的给热系数外为2000J·m-2·s·K。以管内床层某截面上平均温度与同一截面上管外传热介质温度之差定义的总传热系数K可用下式计算：=++由式=3.5（）0.7exp(﹣4.6)=3.5×（）0.7×exp（﹣4.6×）=128.26气体平均导热系数：=0.032J/m·s·K；所以h0==102.61J/m2·s·K查文献资料可得=16.0;=++==0.0104所以K=96.14J/m2·s·K换热面积校核：整个反应器床层可视为等温，为﹣2℃，则传热推动力=230－210=20℃由Aspen可得Q=3265200kJ/h需要传热面积：A需==1698.15m2实际传热面积为：A实==2385××0.045×10=3370m2A实＞A需，故能满足传热要求。气体在均匀固体颗粒的固定床中流动时产生的压降气体在均匀固体颗粒的固定床中流动时产生的压降由下式表示:=ƒ×ƒ=+1.75修正的雷诺数:ReM=（1）—床层空隙率，=0.36（2）—气体的密度；=4.55kg/m3（3）—粘度：=1.1×10-5Pa·s；（4）L—床层高度：L=9m；（5）G—气体总质量通量：G=0.91kg/m2·s；（6）u0—空床平均流速；u0===0.20m/s（7）dp—面积当量直径：dp=4mm；ReM====0.014MPa压降在小于15%范围内,满足设计要求。反应器结构设计反应器壳体壁厚设计该反应装置壁厚的计算公式为：S0=+C1+C2式中：S0—壳体厚度，mm；P—操作时产生的最大的压力，内压容器取P=（1－1.5）Pw，Pa；[]t—材料在操作温度范围内的许用应力，Pa；—焊接系数，单面取0.65，双面取0.85；C1—偏差余量；C2—腐蚀余量，根据材料和介质的腐蚀性质在1mm—8mm之间选择；D—壳体内径，mm由于实际操作是在210-230℃的温度和0.115MPa的气压下进行的，因此选择实际操作。原材料为Q345R低合金钢，基于GB6654“压力容器用钢板”和GB3531“低温压力容器用低合金”“钢板”要求腐蚀裕度为C2=2mm，并进行焊接方法是在两侧进行焊接，因此焊接的焊接指数=0.85。。考虑到可能出现飞温现象，设计压力取0.6MPa操作时可能的最大压力为P=1.5PW=1.5×0.6=0.9MPa，最大操作温度取T=230℃，Q345的许用压力为=125MPa(厚度3－20mm)；代入计算得：===15.5mm由查表得负偏差C1=0.8mm，S0=+C1+C2=15.5+0.8+2=18.3mm；根据GB150-2011中厚度要求，取名义厚度S0=20mm；复验S0=20×6%=1.2mm＞0.8mm，因此，最终选择C1=0.8mm，电抗器可以由厚度为20mm的Q345低合金钢制成。所以反应器直径D0=3500×20mm；反应试验及其强度校核Q345R低合金钢在230°C的设计温度下允许的工作压力为125MPa。如果实验温度为230°C，则反应器的实验工作压力为：PT=1.25P=1.25×0.9=1.125MPa；压力试验的校核公式：T=式中：—试验压力下圆筒的应力，MPa；D0—圆筒内直径，mm；—圆筒的有效厚度，mm；—圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa—圆筒的焊接接头系数；有效壁厚：e=S0－C1－C2=20－0.8－2=17.2mm；将数据代入校核公式得试验条件下的计算压力为：查资料可得：=345MPa，则：0.9=0.9×1×345MPa=310.5MPa可见强度足够。反应器接管设计反应器进料管：选择性氧化反应为气固相催化反应，进料体积流量为16170m3/h，进入反应器气体流速取9.5m/s；所以接管内径：d1=；采用无缝钢管，公称直径DN=800mm；校核：选择800×10mm的钢管，此时其管内的线速度为：u1=m/s反应器出料管：选择性氧化反应为气固相催化反应，出料体积流量为15720m3/h，流出反应器气体流速同样取9.5m/s；d2=mm采用无缝钢管，公称直径DN=600mm；校核：选择600×10mm的钢管，此时其管内的线速度为：u1==9.5m/s气体分布板设计气体分布板的形式：蒸汽用于工业生产的方式有很多，关键是直流，侧流，填充，短管和不带板的涡流。该反应器在整个板上都使用了侧面狭缝锥形盖。分布板的压降可用下式表达：式中：u—操作孔速，m/s；—分布板的开孔率；—分布板的阻力系数，一般为1.5—2.5，对于侧缝帽分布板为2；—气体密度，kg/m3理想的气体分布板压降必然是同时满足均匀布气和具有良好稳定性这两个条件的最小压降。均匀布气压降Richardson建议分布板的阻力至少应是气流阻力的100倍，即：；稳定性压降可靠性压降不应小于管式换热器固定床反应器压降的10％，也就是说，在所有条件下，其最小值约为3500Pa。因此，分布板的最小压降可表示为：只考虑稳定性压降就可以了。所以，，床层压力降为Pb；ƒ×ƒ=+1.75ReM=式中：P—压力，m/s；ƒ—修正的摩擦系数；—催化剂床层孔隙率，=0.36；—气体密度，kg/m3；=4.55kg/m3；G—气体总质量通道，G=0.91kg/m2·s；dp—颗粒直径，m；—气体粘度，kg·m-1·s-1；=1.1×10-5Pa·s；ReM====331ƒ=+1.75=+1.75=2.20=ƒ×=2.2×=1602Pa所以=3500Pau==0.071==2.52×10-3板厚取10mm；孔数和孔径的确定：D=3600mm，取孔径d=10mm，则孔数为：N===327设孔间距为s，则有公式：N=0.0907（）2，则：S==60mm，取锥帽外径40mm，实际排孔数300个此时=327×2=2.52×10-3核算=9286Pa＞，所以设计满足要求。反应器封头设计本工段工艺采用列管式固定床反应器，选择标准椭圆形封头，形状系数K=1，则有mm。头的厚度是管式反应器的壁厚，原料是Q345R，最后，椭圆头的直径是3600mm，壁厚是20mm。管式反应器的头部采用标准的椭圆形头部，内径与头部相同，头部由不锈钢制成。标准椭圆头是中底压力容器中常用的头，其新标准是JB/T4746-2002[41-45]。该标准要求以内径为公称直径的标准椭圆头（代号EHA）的直边长宽比仅与公称直径相关。DN≤2000时，直边高度为20mm；DN≥2000时，直边高度为40mm。由于所设计的筒体公直径DN=3600≥2000，所以直边高度为40mm高度为900mm，其中直边高度为40mm，圆边高度为860mm。反应器高度筒体高度：H1=10m；封头高度：H2=0.90m；管+法兰高度=1m反应器高度：H=H1+H2+H3=10+0.90×2+1=12.80m反应器拉杆设计根据GB/T2007，拉杆的直径为16毫米。拉杆外螺纹的公称直径为12mm，圆角为2×45°，拉杆总数为25。冷却剂用量热负荷由模拟数据知原料带入的热量为Q1，产物带出的热量为Q2，反应热为Q3如下：Q1=39000kJ/h，Q2=59000kJ/h，Q3=177466kJ/h.；当忽略热损失时：Q1+Q3=Q2+Q4代入数据，冷却水带走的热量Q4为：Q4=Q1+Q2+Q3=39000+177466－59000=157466kJ/h冷却剂用量该反应为放热反应，而且反应温度需要控制在210—240℃，本工艺选用入口温度为124℃的加压热水做作为载热体，出口温度为127℃。反应器需要冷却剂量为：m===12536.104kg/h三废预处理及排放废气废气污染源及污染物该装置主要废气为硅磺回收排放的焚烧烟气，主要污染物见表5-1。表5-1装置废气排放表排放量t/h污染物组成排气筒装置排放源废气名称排放方式正常最大名称浓度mg/m3高度m出口温度℃处理方法排放去向烟囱烟囱口烟气连续3.253.89SO26.3670260焚烧大气Table5-1Unitexhaustgasdischargemeter其中，烟雾中的主要空气污染物为SO2，浓度值为6.36mg/m3，符合深层排污标准。此外，还有少量的H2S，NH3和异常的工作条件（关键是异常的生产或火灾事故）。各种蒸汽，全过程气体以及无法从阀门和其他排气中购买的气体被送到工厂的火炬中，系统软件中。在装置事故状态下，酸性气送入酸性气火炬进行焚烧。废气处理如果发生设备安全事故，则将酸性气体送入酸性气体炬进行焚烧。由硅磺粉尘获取设备溶解的废气经废气焚化炉焚化后排入70m的烟囱。烟尘中的SO2排放量为3.25吨/小时，浓度值为6.36毫克/立方米（标准），低于国家标准《大气污染物综合排放标准》（GB13223—2014）SO2浓度35mg/m3的要求[46-47]。液态硅配备了脱气设备，可将含硅气体排放到酸性气体燃烧炉中，从而改善了实际的自然操作环境。废水废水污染源及污染物污水主要是酸性水，咸废水，酸性气体冷凝水，含油废水和道路清洁水，用于设备的启动和关闭以及机械泵的冷却和排水[48-50]。装置排放废水基本情况见表5-2。表5-2装置排放废水情况Table5-2Wastewaterdischargeoftheunit序号装置名称排放量（t/h）污染物组成排放方式处理方法排放去向正常最大名称浓度mg/m31急冷塔酸性水6.718H2SH2S37701226870连续循环处理酸性水汽提装置溶剂再生2酸性气分液罐酸性凝液