年產(chǎn)20萬噸硫酸車間轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì).doc

年產(chǎn)20萬噸硫酸車間轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì)學(xué)院名稱 化學(xué)與制藥工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 化工13-1 學(xué)生姓名 宋有為 導(dǎo)師姓名 袁芳 2017年5月8日年產(chǎn)20萬噸硫酸車間轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì)作 者 姓 名 宋有為 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 指導(dǎo)教師姓名 袁芳 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 講師 目 錄摘 要1 第一章 文獻(xiàn)綜述31.1綜述31.2硫酸發(fā)展史3 第二章 工藝說明書52.1概述52.1.1產(chǎn)品規(guī)模和規(guī)格52.1.1.1年操作日52.1.1.2生產(chǎn)方式52.1.1.3生產(chǎn)能力52.1.1.4產(chǎn)品規(guī)格52.1.2工藝方案敘述52.2裝置設(shè)計(jì)說明52.2.1工藝原理52.2.2工藝流程說明62.2.3主要設(shè)備選型說明62.2.4化工原材料規(guī)格及用量62.2.4.1進(jìn)入轉(zhuǎn)化器氣體組成62.2.4.2本設(shè)計(jì)采用的催化劑型號(hào):6 第三章 轉(zhuǎn)化工序物料衡算73.1轉(zhuǎn)化工序73.2轉(zhuǎn)化反應(yīng)引發(fā)平衡轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率計(jì)算83.3兩次轉(zhuǎn)化流程93.4物料衡算103.4.1進(jìn)一段氣體量及成分103.4.2出一段氣體量及成分113.4.3出二段氣體量及成分113.4.4出三段氣體量及成分123.4.5出四段氣體量及成分12 第四章 轉(zhuǎn)化器各段的熱量衡算154.1一段反映熱量和出口溫度154.1.1進(jìn)入轉(zhuǎn)化器第一段氣體帶入熱量154.1.2出轉(zhuǎn)化器第一段氣體溫度154.1.3反應(yīng)熱164.1.4一段出口氣體帶出熱量164.2轉(zhuǎn)化二段反應(yīng)熱量和出口溫度164.2.1進(jìn)轉(zhuǎn)化器第二段氣體帶入熱量164.2.2出轉(zhuǎn)化器第二段氣體溫度174.2.3反應(yīng)熱184.2.4二段出口氣體帶出熱量184.3轉(zhuǎn)化三段反應(yīng)熱量和出口溫度184.3.1進(jìn)轉(zhuǎn)化器第三段氣體帶入熱量184.3.2出轉(zhuǎn)化器第三段氣體溫194.3.3反應(yīng)熱204.3.4三段出口氣體帶出熱量204.4轉(zhuǎn)化四段反應(yīng)熱量和出口溫度204.4.1進(jìn)轉(zhuǎn)化器第四段氣體帶入熱量204.4.2出轉(zhuǎn)化器第四段氣體溫度214.4.3反應(yīng)熱224.4.4四段出口氣體帶出熱量22 第五章 換熱器溫度，傳熱面積的計(jì)算235.1第一換熱器235.2第二換熱器235.3第三換熱器245.4第四換熱器25 第六章 換熱器設(shè)計(jì)276.1換熱器概述276.2換熱器基本要求286.2.1合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件286.2.2安全可靠286.2.3有利于安裝、操作與維護(hù)286.2.4經(jīng)濟(jì)合理286.3 換熱器的結(jié)構(gòu)形式296.3.1管殼式換熱器296.3.2蛇管式換熱器296.3.3套管式換熱器296.4換熱器材質(zhì)的選擇296.5管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)306.6列管式換熱器的結(jié)構(gòu)306.7管板式換熱器的類型及工作原理31齊魯工業(yè)大學(xué) 2016屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要本設(shè)計(jì)進(jìn)行的是20萬噸硫酸 /年轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)硫酸生產(chǎn)過程中二氧化硫到三氧化硫的轉(zhuǎn)化過程，計(jì)算部分包括三個(gè)：物料平衡，熱量衡算和換熱面積的計(jì)算，轉(zhuǎn)換過程是通過2次轉(zhuǎn)化2次吸收來完成的。涉及到5臺(tái)熱交換器，主要以產(chǎn)生高溫氣體來預(yù)熱冷的反應(yīng)氣體，以達(dá)到熱量的有效利用，最大限度的降低能量損失，從而做到工業(yè)生產(chǎn)的低碳和環(huán)境保護(hù)，以經(jīng)濟(jì)，高效節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞： 物料平衡 熱量平衡 換熱器ABSTRACT This design is the design process 200,000 tons of H2SO4 / into the system, is responsible for the conversion of sulfur dioxide to sulfur trioxide process, sulfuric acid process three main points calculation part: material balance, heat balance and heat transfer area calculation.Conversion process is through the 2 conversion complete absorption of 2,involves four heat exchangers, primarily in response to the low-temperature gas generated in the gas preheating temperature, to the effective use of heat, to maximize the energy loss is decreased to realize industrial production low-carbon, environmentally friendly, energy efficient, and sustainable economic development objectives designed. Finally completed the process specifications, safety memo, completed graduation design specifications.Key words：Mass balance ; Heat balance ; Heat exchanger 第1章 文獻(xiàn)綜述1.1綜述硫酸是廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)化工原料。硫酸的產(chǎn)量通常用作一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平的度量。硫酸在化工生產(chǎn)中具有很重要的地位，幾乎所有的化工產(chǎn)品都離不開硫酸。近幾年從天津的爆炸到山東的化工廠爆炸，這一系列的事故無不是在警告我們注意安全生產(chǎn)，正確操作，在硫酸生產(chǎn)中尤其需要注意。硫酸也具有高危害性，在使用運(yùn)輸和儲(chǔ)存的時(shí)候需要特別的注意。目前硫酸主要用于生產(chǎn)化肥，合成纖維，涂料，清潔劑，制冷劑，飼料添加劑，煉油，有色金屬冶煉及鋼鐵，制藥，化工等行業(yè)。而且硫酸在石油工業(yè)，冶金工業(yè)等方面也有著重要的作用。其具體表現(xiàn)為在以下幾點(diǎn)：a：濃硫酸具有酸性，可以制備含磷的肥料，氮肥;也可以防銹b: 濃硫酸具有吸水性常用來做吸水劑和干燥劑。濃硫酸可以干燥各種氣體，如氫氣，氧氣，氮?dú)?，一氧化碳，二氧化硫，氯氣，氯化氫等，但不能干燥堿性氣體和室溫下的還原氣體c:濃硫酸還具有脫水性。d:濃硫酸還具有很高的沸點(diǎn)和難揮發(fā)性。1.2硫酸發(fā)展史在上個(gè)世紀(jì)的中國(guó)，由于技術(shù)落后和設(shè)備條件的不允許，中國(guó)的硫酸產(chǎn)量很低，而且那個(gè)時(shí)候的硫酸生產(chǎn)方法很落后，造成了資源浪費(fèi)嚴(yán)重而且對(duì)環(huán)境的污染也是很嚴(yán)重的。改革開放以來，為了改變以前中國(guó)硫酸生產(chǎn)方法的落后，國(guó)家通過積極的引進(jìn)外來技術(shù)和國(guó)內(nèi)科學(xué)家的努力，中國(guó)在硫酸生產(chǎn)技術(shù)上取得了突分猛進(jìn)，使中國(guó)的硫酸產(chǎn)量逐年提高。目前在世界范圍內(nèi)硫酸產(chǎn)量中國(guó)處于一個(gè)領(lǐng)先的地位。同時(shí)科學(xué)家和國(guó)家有關(guān)部門還在繼續(xù)努力研修硫酸生產(chǎn)的最新方式。在中國(guó)古代就有了制取硫酸的記載，但是那個(gè)時(shí)候?qū)κ挛镎J(rèn)識(shí)不足，使其落后于同一時(shí)代的西方國(guó)家。早在8世紀(jì)就有了硝石與綠礬在一起蒸餾制取硫酸的方法。帕拉塞爾蘇斯描述了使用綠礬和硫酸亞鐵為原料在蒸餾釜煅燒制取硫酸的方法。在古代西方國(guó)家最先發(fā)現(xiàn)了這個(gè)制取硫酸的方法。因此古代硫酸被稱為“綠礬油”。在硫酸制取的過程中二氧化硫轉(zhuǎn)化成三氧化硫的過程是最為重要的過程，直接關(guān)系到將來硫酸的產(chǎn)量。在轉(zhuǎn)化過程中，這個(gè)反應(yīng)需要的條件很苛刻，一般在常溫條件下很難完成。隨著技術(shù)的進(jìn)步科學(xué)家經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一小部分重金屬的作用二氧化硫轉(zhuǎn)化成三氧化硫的轉(zhuǎn)化率較高。后來人們根據(jù)這個(gè)把硫酸的制法分為硝化法和接觸式法。硫酸制取一般包括兩種：一次轉(zhuǎn)化，一次吸收;兩次轉(zhuǎn)化，兩次吸收。一次轉(zhuǎn)化、一次吸收流程：SO2經(jīng)過多段轉(zhuǎn)化后只經(jīng)過一個(gè)或串聯(lián)兩個(gè)吸收塔，吸收其中SO3后就排放。這種流程比較簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)化率比較低，通常低于97%以下。在20世紀(jì)在60年代以前，我國(guó)大部分的硫酸廠使用這種流程。兩次轉(zhuǎn)化、兩次吸收流程：自60年代以來，最大的變化是轉(zhuǎn)化工藝流程中采用了兩次轉(zhuǎn)化、兩次吸收新流程，簡(jiǎn)稱為兩轉(zhuǎn)兩吸。這項(xiàng)新技術(shù)開始時(shí)，重點(diǎn)是充分利用硫的資源和減少二氧化硫的排放量，保護(hù)環(huán)境。這種方法的特點(diǎn)是：1.最終轉(zhuǎn)化率高；2.可以處理二氧化硫氣體的濃度較高；3.減少尾氣中SO2排放量；4.需要大的傳熱面積；5.系統(tǒng)阻力比一轉(zhuǎn)一吸增加4-5kPa。 第二章 工藝說明書2.1概述2.1.1產(chǎn)品規(guī)模和規(guī)格2.1.1.1年操作日 300天/年 24小時(shí)/天 2.1.1.2生產(chǎn)方式 連續(xù)生產(chǎn)2.1.1.3生產(chǎn)能力 二氧化硫 轉(zhuǎn)化率99.5%2.1.1.4產(chǎn)品規(guī)格 二氧化硫 轉(zhuǎn)化率99.5%2.1.2工藝方案敘述 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)硫酸的方法主要有硝化法和接觸法，同時(shí)考慮到硝化法所需的設(shè)備龐大，大量的鉛，維護(hù)麻煩，腐蝕設(shè)備，硝化反應(yīng)進(jìn)行緩慢。本設(shè)計(jì)決定采用接觸法，這種方法得到的成品酸濃度高，更高的純度，流程簡(jiǎn)單易懂，同時(shí)也避免了材料來源不足和環(huán)境污染嚴(yán)重的問題。本設(shè)計(jì)采用兩轉(zhuǎn)兩吸的工藝流程，轉(zhuǎn)化流程中包括5臺(tái)換熱器和一臺(tái)反應(yīng)器。其中的二氧化硫大約要經(jīng)過多級(jí)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過兩個(gè)吸收塔，吸收其中的三氧化硫后就排放。轉(zhuǎn)換過程分為四個(gè)部分間接換熱式。2.2裝置設(shè)計(jì)說明2.2.1工藝原理 二氧化硫的轉(zhuǎn)化通常不超過0.5MPa的壓力下進(jìn)行的，而且二氧化硫，三氧化硫的濃度又較低，該系統(tǒng)可被視為理想氣體。二氧化硫氧化反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)：2.2.2工藝流程說明現(xiàn)在使用接觸法兩轉(zhuǎn)兩吸工藝來生產(chǎn)硫酸，其生產(chǎn)過程通常具有六個(gè)步驟，即：原料的預(yù)處理，制取二氧化硫氣體，二氧化硫氣體的凈化，二氧化硫轉(zhuǎn)化，三氧化硫的吸收以及“三廢”的處理。其中轉(zhuǎn)化車間采用兩轉(zhuǎn)兩吸的工藝流程。包括兩臺(tái)泵機(jī)，5臺(tái)換熱器和一個(gè)轉(zhuǎn)化器（轉(zhuǎn)化器采用的是多級(jí)反應(yīng)器）。制取的氣體經(jīng)過上一工段的處理后，依次通過第一，第二熱交換器預(yù)熱后進(jìn)入反應(yīng)器，然后經(jīng)過第三，第四換熱器進(jìn)行冷卻，在進(jìn)入下一個(gè)工段進(jìn)行吸收。2.2.3主要設(shè)備選型說明考慮到轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)應(yīng)讓二氧化硫盡可能在最適宜的溫度條件下反應(yīng)，以最大限度地利用二氧化硫反應(yīng)釋放熱量，所以設(shè)備阻力既要小，又能使該氣體可以分布均勻。因此，考慮使用外部換熱型轉(zhuǎn)化器?？紤]到換熱器中的氣體具有一定的腐蝕性，所以選用管式熱交換器的選擇。風(fēng)機(jī)選擇羅茨風(fēng)機(jī)。2.2.4化工原材料規(guī)格及用量2.2.4.1進(jìn)入轉(zhuǎn)化器氣體組成： 二氧化硫占9%，氧氣占8.1%，氮?dú)庹?2.9%2.2.4.2本設(shè)計(jì)采用的催化劑型號(hào): SI09-1，起燃溫度為420，使用溫度400-600。 第三章 轉(zhuǎn)化工序物料衡算3.1轉(zhuǎn)化工序二氧化硫轉(zhuǎn)化計(jì)算依據(jù)：轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度的計(jì)算 二氧化硫氧轉(zhuǎn)化成三氧化硫的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱量可用下式計(jì)算：式（1）中：T為絕對(duì)溫度（K）。在隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)放出的熱量，使轉(zhuǎn)化氣體的溫度逐漸升高。由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)，氣體經(jīng)每層觸媒后溫度升高，一般用下式計(jì)算： 絕熱升溫系數(shù)是由氣體的組成決定的。其值為： 式（3）中：a為二氧化硫的初始濃度（%）； 為氣體混合物在500與x=0.5時(shí)的平均熱熔（KJ/(mol.K)）。氣體的摩爾熱容量可按下式求出：在絕熱的情況下值與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，如表（3-1）所示表3-1 二氧化硫濃度與值得關(guān)系二氧化硫濃度（%）二氧化硫濃度（%）二氧化硫濃度（%）288617310278359720011303414782261232851459256135063.2轉(zhuǎn)化反應(yīng)引發(fā)平衡轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率計(jì)算進(jìn)一轉(zhuǎn)氣體成分：二氧化硫：9%；氧氣；8.1%；氮?dú)?2.9%進(jìn)二轉(zhuǎn)氣體成分：二氧化硫：0.82%；氧氣：5.10%；氮?dú)猓?4.08%。觸媒四層：一次轉(zhuǎn)化用三層觸媒，二次轉(zhuǎn)化用一層觸媒（每一層稱為一段）。分段累計(jì)轉(zhuǎn)化率及進(jìn)口溫度如表3-2所示。表3-2 兩次轉(zhuǎn)化分段轉(zhuǎn)化率和溫度段數(shù)一段二段三段四段轉(zhuǎn)化率（%）62809299.5進(jìn)口溫度430480440420二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫，其平衡轉(zhuǎn)化率由下式計(jì)算： 式（4）中：X為平衡轉(zhuǎn)化率（%）；Kp為反應(yīng)常數(shù)；a為二氧化硫初始濃度（%）；b為氧的初始濃度（%）；p為氣體總壓力（Pa）反應(yīng)平衡常數(shù)Kp，在400-700之間時(shí)，用下式求出：式中：T為絕對(duì)溫度將420-600間的溫度代入上式，即可做出Kp值曲線。式（4）由于兩邊都有X項(xiàng)，所以要用試差法求解。算出一次轉(zhuǎn)化和二次轉(zhuǎn)化的平衡轉(zhuǎn)化率如表3-3所列。表3-3 在各溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率溫度（）420430440450460470480520560600一次轉(zhuǎn)化進(jìn)氣98.297.797.196.495.794.793.787.779.068.1二次轉(zhuǎn)化進(jìn)氣98.598.097.597.096.295.494.7轉(zhuǎn)化率一般用下式求出： 式（6)中：c出轉(zhuǎn)化器的二氧化硫濃度（%)在一次轉(zhuǎn)化進(jìn)氣二氧化硫9%，二次轉(zhuǎn)化進(jìn)氣二氧化硫0.82%的條件下，轉(zhuǎn)化率鎖對(duì)應(yīng)的適宜溫度（操作溫度），根據(jù)下式（7）計(jì)算：算出的轉(zhuǎn)化率和適宜溫度數(shù)字，列于表3-4表3-4 各種轉(zhuǎn)化率所對(duì)應(yīng)的適宜溫度轉(zhuǎn)化率x*（%）6070809092939495969798一次轉(zhuǎn)化進(jìn)氣589559523479467459451447432418405二次轉(zhuǎn)化進(jìn)氣4814694604534504354214103.3兩次轉(zhuǎn)化流程本次算擬要用5臺(tái)換熱器，一次轉(zhuǎn)化采用，號(hào)換熱器（即用觸媒三，二層反應(yīng)熱量），二次轉(zhuǎn)化采用，好換熱器（即用觸媒四，一層反應(yīng)熱量），流程如圖3-1所示圖3-1 兩次轉(zhuǎn)化流程圖3.4物料衡算3.4.1進(jìn)一段氣體量及成分 3.4.2出一段氣體量及成分SO2=285.2(1-0.62)=108.4 kmol 108.464=6936.1 kg108.422.4=2478.2 mSO3=285.2（10.62）=176.8kmol 176.880=14144 kg176.822.4=3960.32 mO2=256.7-176.82=168.3 kmol 168.332=5385.8 kg 168.322.4=3769.9 mN2=2627 kmol 73556.2 kg58844.8 kg3.4.3出二段氣體量及成分SO2=285.2(1-0.8)=57.04 kmol 57.0464=3650.6 kg108.422.4=1277.7 mSO3=285.20.8=227.8 kmol 227.880=18224 kg227.822.4=5102.72 mO2=256.7-227.82=142.8 kmol 142.832=4569.6 kg 142.822.4=3198.7 mN2=2627 kmol 73556.2 kg58844.8 kg3.4.4出三段氣體量及成分SO2=285.2(1-0.92)=22.8 kmol 22.864=1460.2 kg22.822.4=510.7 mSO3=285.20.92=262.4 kmol 262.480=20992 kg262.422.4=5877.8 mO2=256.7-262.42=125.5 kmol 125.532=4016 kg 125.522.4=2811.2 mN2=2627 kmol 73556.2 kg58844.8 kg3.4.5出四段氣體量及成分考慮計(jì)算簡(jiǎn)便和實(shí)際影響不大等條件，轉(zhuǎn)化后的氣體經(jīng)第一吸收塔，只將其中的三氧化硫全部吸收掉，二氧化硫，氧氣，氮?dú)夂坎蛔儯▽?shí)際有少量變化的），故：SO2=285.2(1-0.995)=1.4 kmol 1.464=91.3 kg1.422.4=31.4 mSO3=285.2-1.4=283.8kmol 283.880=22704 kg283.822.4=6357.12 mO2=256.7-283.82=114.8 kmol 114.832=3673.6 kg 114.822.4=2571.5 mN2=2627 kmol 73556.2 kg58844.8 kg 表3-5 轉(zhuǎn)化器物進(jìn)入一段氣體料衡算進(jìn)一段（）（）（）（）SO2285.218250.16388.59O2256.78214.45750.088.1N2262773556.258844.882.93168.9100020.770983.4100出一段（進(jìn)二段）SO2108.46936.12428.23.5SO3176.8141443960.35.7O2168.35385.63769.95.5N2262773556.258844.885.33080.599921.969003.2100出二段（進(jìn)三段）SO2573650.61277.71.9SO3227.8182245102.727.4O2142.84569.63198.74.7N2262773556.258844.8863054.6100000.468423.9100出三段（進(jìn)四段）SO222.81460.2510.70.8SO3262.4209925877.88.6O2125.540162811.24.1N2262773556.258844.886.53037.7100024.468044.5100出四段SO21.491.331.40.05SO3283.8227046357.129.35O2114.83673.62571.53.8N2262773556.258844.886.83027100025.167804.82100第四章 轉(zhuǎn)化器各段的熱量衡算4.1一段反映熱量和出口溫度4.1.1進(jìn)入轉(zhuǎn)化器第一段氣體帶入熱量如果進(jìn)入一層觸媒層的氣體的溫度為420，那么可以計(jì)算出各組分的氣體的平均摩爾熱熔，：二氧化硫的平均摩爾熱熔： 氧氣的平均摩爾熱熔：氮?dú)獾钠骄枱崛郏汗蔬M(jìn)一段氣體每升高1所需熱量為：二氧化硫所需熱量：285.245.46=12965.2（KJ）氧氣所需熱量： 256.731.06=7973.1（KJ）氮?dú)馑锜崃浚?262730.23=79414.2（KJ）所需總熱量： 95352.5KJ/帶入熱量=95352.5420=40048050（KJ/h）4.1.2出轉(zhuǎn)化器第一段氣體溫度 預(yù)計(jì)反應(yīng)后溫度t=420+0.62256=578.72（）反應(yīng)時(shí)平均溫度t=(420+578.72)/2=499.36()所以可得各組分氣體的平均摩爾熱熔：二氧化硫的平均摩爾熱熔：三氧化硫的平均摩爾熱熔：氧氣的平均摩爾熱熔：氮?dú)獾钠骄枱崛郏汗食鲆欢螝怏w每升高1所需熱量為：二氧化硫所需熱量：108.447.18=5114.312（KJ)三氧化硫所需熱量：176.867.17=11875.66（KJ)氧氣所需熱量： 168.331.72=5338.48（KJ)氮?dú)馑锜崃浚?262730.44=79965.88（KJ)所需總熱量： 102294.33KJ/4.1.3反應(yīng)熱 摩爾反應(yīng)熱Q=101314.48-2.21（273+499.36）=99607.56（KJ）一段出口溫度：t=總反應(yīng)熱 Q=176.899607.56=17610616.61（KJ）4.1.4一段出口氣體帶出熱量 Q= 102294.33563.65=57658199.1 KJ/h4.2轉(zhuǎn)化二段反應(yīng)熱量和出口溫度4.2.1進(jìn)轉(zhuǎn)化器第二段氣體帶入熱量如果進(jìn)入二層觸媒層的氣體的溫度為470，那么可以計(jì)算出各組分的氣體的平均摩爾熱熔，：二氧化硫的平均摩爾熱熔：三氧化硫的平均摩爾熱熔：氧氣的平均摩爾熱熔：氮?dú)獾钠骄枱崛郏汗蔬M(jìn)二段氣體每升高1所需熱量為：二氧化硫所需熱量：108.446.04=4990.74（KJ）三氧化硫所需熱量：176.864.78=11453.1（KJ）氧氣所需熱量： 168.331.27=5262.74 （KJ）氮?dú)馑锜崃浚?262730.13=79151.51（KJ）所需熱量： 100857.59KJ/帶入熱量=100857.59470=47403067.3（KJ/h）4.2.2出轉(zhuǎn)化器第二段氣體溫度 預(yù)計(jì)反應(yīng)后溫度t=470+（0.8-0.62）256=516.08（） 反應(yīng)時(shí)平均溫度t=（470+516.08）/2=493.04（） 所以可得各組分氣體的平均摩爾熱熔：二氧化硫的平均熱熔： 三氧化硫的平均熱熔：氧氣的平均熱熔： 氮?dú)獾钠骄鶡崛?故出二段氣體每升高1所需熱量為： 二氧化硫所需熱量：5746.54=2652.78 （KJ） 三氧化硫所需熱量：227.865.78=14984.68 （KJ） 氧氣所需熱量： 142.831.47=5207.92 （KJ） 氮?dú)馑锜崃浚?262730.26=79341.72（KJ） 所需熱量： 102187.1（KJ）4.2.3反應(yīng)熱 摩爾反應(yīng)熱Q=101314.48-2.21（273+493.04）=99621.53（KJ/mol） 總反應(yīng)熱 Q=（227.8-176.8）99621.53=5080698.03（KJ/h） 二段出口溫度t=（47403067.3+5080698.03）=513.6（） 4.2.4二段出口氣體帶出熱量Q=513.6102187.1=52483765.03KJ/h） 4.3轉(zhuǎn)化三段反應(yīng)熱量和出口溫度 4.3.1進(jìn)轉(zhuǎn)化器第三段氣體帶入熱量如果進(jìn)入三層觸媒層的氣體的溫度為440，那么可以計(jì)算出各組分的氣體的平均摩爾熱熔，：二氧化硫的平均摩爾熱熔：三氧化硫的平均摩爾熱熔：氧氣的平均摩爾熱熔：氮?dú)獾钠骄枱崛郏汗蔬M(jìn)三段氣體每升高1作序熱量為：二氧化硫所需熱量：5745.58=2598.06 (KJ)三氧化硫所需熱量：227.863.68=14506.304(KJ)氧氣所需熱量： 142.831.1=4441.08 (KJ)氮?dú)馑锜崃浚?262730.02=78862.54 (KJ)所需熱量： 100407.98 (KJ)帶入熱量 Q=430100407.98=43175431.4(KJ/h) 4.3.2出轉(zhuǎn)化器第三段氣體溫度 出轉(zhuǎn)化器預(yù)計(jì)反應(yīng)后溫度t=430+（0.92-0.8）256=460.72（） 反應(yīng)的平均溫度t=（460+460.72）/2=445.72（）二氧化硫的平均摩爾熱熔：三氧化硫的平均摩爾熱熔：氧氣的平均摩爾熱熔：氮?dú)獾钠骄枱崛郏汗食鋈螝怏w每升高1所需的熱量為：二氧化硫所需熱量：22.845.94=1047.43（KJ）三氧化硫所需熱量：262.464.47=16916.93（KJ）氧氣所需熱量： 125.531.24=3620.62 （KJ）氮?dú)馑锜崃浚?262730.11=79098.97（KJ）所需總熱量： 100983.95（KJ） 4.3.3反應(yīng)熱摩爾反應(yīng)熱101314.48-2.21（273+445.36）=99726.9(J/mol)總反應(yīng)熱Q=(262.4-227.8)99726.9=3450550.74(KJ/h)三段出口溫度t=（43175431.4+3450550.74）/100983.95=461.72（）4.3.4三段出口氣體帶出熱量Q=100983.95461.72=46625982.14（KJ/h）4.4轉(zhuǎn)化四段反應(yīng)熱量和出口溫度4.4.1進(jìn)轉(zhuǎn)化器第四段氣體帶入熱量如果進(jìn)入四層觸媒層的氣體的溫度為420，那么可以計(jì)算出各組分的氣體的平均摩爾熱熔：二氧化硫的平均摩爾熱熔：三氧化硫的平均摩爾熱熔：氧氣的平均摩爾熱熔：氮?dú)獾钠骄枱崛郏汗蔬M(jìn)四段氣體每升高1所需的熱量為：二氧化硫所需熱量：22.845.34=1033.75（KJ）三氧化硫所需熱量：262.463.16=16573.189(KJ)氧氣所需熱量： 125.531.02=38963.01（KJ）氮?dú)馑锜崃浚?262729.97=78731.19（KJ）所需總熱量： 100231.13（KJ）帶入熱量 Q=410100231.13=41094763.3（KJ/h）4.4.2出轉(zhuǎn)化器第四段氣體溫度 預(yù)計(jì)反應(yīng)后溫度t=410+（0.995-0.92）256=429.2（） 反應(yīng)時(shí)平均溫度t=（410+429.2）/2=419.6（） 所以可得各組分氣體的平均摩爾熱熔： 二氧化硫的平均摩爾熱熔： 三氧化硫的平均摩爾熱熔： 氧氣的平均摩爾熱熔： 氮?dú)獾钠骄枱崛郏汗食鏊亩螝怏w每升高1所需的熱量為： 二氧化硫所需熱量：1.445.60=63.84 （KJ） 三氧化硫所需熱量：283.863.83=18114.95（KJ） 氧氣所需熱量： 114.831.18=3579.46（KJ） 氮?dú)馑锜崃浚?262730.09=79046.43（KJ） 所需總熱量： 100804.68（KJ）4.4.3反應(yīng)熱 摩爾反應(yīng)熱Q=101314.48-2.21（273+419.6）=99783.83（KJ/h）總反應(yīng)熱Q=(283.8-262.4)99783.83=2135373.96(KJ/h)三段出口溫度t=（41094763.3+2135373.96）/100804.68=428.854.4.4四段出口氣體帶出熱量 Q=100804.68428.85=43230087.02(KJ/h) 轉(zhuǎn)化器熱量平衡表4-1表4-1 轉(zhuǎn)化器熱量衡算結(jié)果段數(shù)氣體進(jìn)口反應(yīng)熱量氣體出口溫度熱量溫度熱量一段4204004805017610616.61563.6557658799.1二段47047403067.35080698.03513.652483765.03三段43043175431.43450550.74461.7246625982.14四段41041094763.32135373.96428.8543230087.0217172131228277239.34199998033.3 第五章 換熱器溫度，傳熱面積的計(jì)算5.1第一換熱器由實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可以知道，氣體換熱時(shí)的熱損失量表現(xiàn)為溫度下降3到6攝氏度，為了計(jì)算方便和實(shí)用，現(xiàn)假設(shè)二氧化硫氣體下降4攝氏度，三氧化硫氣體也下降4三氧化硫氣體出第一段觸媒層的溫度為563.65，所帶的熱量Q=57658199.1KJ/h三氧化硫氣體在換熱器出口處溫度為561.65，所帶熱量Q=57453610.44 KJ/h熱損失Q=2045888.66 KJ/h三氧化硫氣體在換熱器進(jìn)口處溫度為472，所帶熱量Q=47604782.48 KJ/h三氧化硫氣體在到達(dá)第二段觸媒層的溫度為470，所帶熱量Q=47403067.3 KJ/h熱損失Q=201715.18 KJ/h換熱器交換熱量Q=57453610.44-47604782.48=9848827.96 KJ/h二氧化硫氣體在換熱器出口：414，Q=41495687.82 KJ/h二氧化硫氣體在到達(dá)第四段觸媒層：410，Q=41094763.3 KJ/h熱損失Q=201715.18 KJ/h三處熱損失Q=2045888.66+201715.18+201715.18=807228.36 KJ/h預(yù)計(jì)二氧化硫奇異（二次）在換熱器進(jìn)口溫度為300左右，則：二氧化硫：22.843.9=1000.92 KJ/氧氣： 125.530.5=3827.75 KJ/氮?dú)猓?262729.65=77890.55 KJ/： 1000.92+3827.75+77890.55=82719.22 KJ/所以二氧化硫氣體在換熱器進(jìn)口處溫度為：t=（41495687.82-9848827.96）/82719.22=382.58 三氧化硫： 561.65 472 氧氣： 414 382.58 t=（147.65+89.42）/2=118.54 換熱器的傳熱系數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中一般為8.14至18.0W/(.K)之間（少數(shù)在25.0左右，新型換熱器在上限，舊型換熱器在下限，現(xiàn)取K=10.47計(jì)算，則換熱面積：F=Q/(K.t)=（9848827.961000）/（10.47175.593600）=2098.1（）5.2第二換熱器降溫（即熱損失引起的溫度降低）：二氧化硫氣體4，三氧化硫氣體6。二氧化硫氣體在二段觸媒層出口：513.6，Q=52483765.03 KJ/h二氧化硫氣體在換熱器進(jìn)口：511.6，Q=52278920.36 KJ/h熱損失Q=204844.67 KJ/h三氧化硫氣體在換熱器出口：432，Q=43376247.36 KJ/h三氧化硫氣體到達(dá)第三段觸媒層：430，Q=43175431.4 KJ/h熱損失Q=200815.96 KJ/h交換熱量Q=52278920.36-43376247.36=8902673 KJ/h二氧化硫氣體（一次氣）在換熱器出口：426，Q=40620165 KJ/hSO2氣體在第一段觸媒層：420，Q=40048050 kJh熱損失Q=572115 KJ/h三處熱損失Q=204844.67+200815.96+572115=977775.63 KJ/h預(yù)計(jì)二氧化硫氣體在換熱器進(jìn)口溫度為350左右，則：二氧化硫：285.245.46=12965.2 KJ/氧氣： 256.731.06=7973.1 KJ/氮?dú)猓?262730.23=79414.2 KJ/： 12965.2+7973.1+79414.2=95352.5 KJ/所以二氧化硫氣體在換熱器進(jìn)口處的溫度為：t=（40620165-8905673）/95352.5=332.63 三氧化硫： 511.6 432 二氧化硫： 426 332.63 t=（85.6+99.37）/2=92.49 取K=10.47W/(.K)，則：F=Q/(K.t)=（89056731000）/（10.4792.493600）=2430.7（）5.3第三換熱器降溫：三氧化硫氣體側(cè)3，二氧化硫氣體側(cè)5。三氧化硫氣體在三段觸媒層出口：467.72，Q=46625982.14 KJ/hSO3氣體在換熱器進(jìn)口：458.72，Q=46323357.54 kJh Q損=46625982.1446323357.54=302624.6 kJh二氧化硫氣體進(jìn)換熱器60，其帶入熱量：二氧化硫：285.242.5=12121 KJ/氧氣： 256.729.3=7521.31 KJ/氮?dú)? 262729.4=77233.8 KJ/: 12121+7521.31+77233.8=96876.11 KJ/ Q=96876.1160=5812566.6 KJ/二氧化硫氣體在換熱器出口溫度為337.63（332.63+5）Q=95352.5337.63=31193864.58 KJ/hQ損=95352.55=476762.5 KJ/hQ損=302624.6+476762.5=779387.1 KJ/h交換熱量Q=31193864.58-5812566.6=25391298 KJ/h預(yù)計(jì)第三換熱器三氧化硫氣體出口溫度為180，則：二氧化硫：22.843.12=983.14 KJ/三氧化硫：262.454.13=14203.714 KJ/氮?dú)猓?262729.03=76261.81 KJ/氧氣： 125.529.75=3733.63KJ/=983.14+14203.714+76261.81+3733.6=95182.29 KJ/所以二氧化硫氣體在第三換熱器出口的溫度為：t=（46625982.14-25391298）/95182.29=220.02 三氧化硫： 458.72 220.02 二氧化硫; 337.63 60 t=（121.09+160.02）/2=140.56 取K=10.47W/(.K)，則： F=Q/(K.t)=( 253912981000)/(10.47140.563600)=4560 ()5.4第四換熱器降溫：三氧化硫氣體側(cè)3，二氧化硫氣體側(cè)5。二氧化硫氣體在四段觸媒層出口：428.85，Q=43230087.02 KJ/h二氧化硫氣體在換熱器進(jìn)口：425.85，Q=42928672.98 KJ/h熱損失，Q=302414.02 KJ/h二氧化硫氣體（二次氣一吸塔來）進(jìn)口為60二氧化硫;22.841.77=952.36 KJ/氧氣： 125.529.38=3687.15 KJ/氮?dú)猓?262729.45=77365.15 KJ/ 952.36+3687.15+77365.15=82004.7 KJ/82004.760=4920282 KJ/h二氧化硫氣體在換熱器出口溫度為387.58（即382.58+5=387.58） Q=387.5895172.29=36890751.96 KJ/h Q損=302414.02+95172.295=778325.47 KJ/h交換熱量Q=36890751.96-4920282=31970469.96 KJ/h預(yù)計(jì)三氧化硫氣體出口溫度為204二氧化硫： 1.442.36=59.304 KJ/三氧化硫： 283.856.37=15997.81 KJ/氧氣; 114.831.24=3586.352 KJ/氮?dú)猓?262728.73=75473.71 KJ/： 59.304+15997.81+3586.352+75473.71=95117.18 KJ/則三氧化硫氣體出第四換熱器溫度為： t=（42928672.98-31970469.96）/95117.18=215.2 三氧化硫： 428.85 215.2 二氧化硫： 387.58 60 t=（41.28+155.2）/2=98.24 取K=10.47W/(.K)，則： F=Q/(K.t)=（31970469.961000）/（10.4798.243600）=5400.96（） 以上是基于傳熱表面使用較小的K值計(jì)算的，因此使用的值比較保險(xiǎn)，可以減少計(jì)算量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)該過程中使用換熱器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使得傳熱效率大大提高，日產(chǎn)噸酸的傳熱表面已顯著減少。例如，茂名市化肥廠開發(fā)的兩轉(zhuǎn)兩吸過程，日產(chǎn)60噸硫酸，擁有950，總面積，噸傳熱面是15.8酸，磷肥廠和你的邯鄲縣化肥廠，硫酸日產(chǎn)120噸6全熱交換器面積2344.3，日產(chǎn)萬噸受熱面是19.5酸，磷肥廠T系統(tǒng)，雙吸收過程，日產(chǎn)萬噸酸受熱面11.74平方米的南部。所以K值一般應(yīng)1420W/（.K）更合適。表5-1各換熱工況項(xiàng)目1換2換3換四換交換熱量（kJh）9848827.9689026732538129831970470溫差（）1199314198計(jì)算傳熱面積（）2098243145605401采用傳熱面積（）2308267452446211 注：實(shí)際采用傳熱面，因要考慮氣體濃度的變化和生產(chǎn)的可能性等，比計(jì)算傳熱面要增大10%15%?？紤]各換熱器對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)熱平衡的影響大小，1，2換熱器分別增大10%然后取整，3，4換熱器分別增大15%然后取整。 第六章 換熱器設(shè)計(jì)6.1換熱器概述在不同溫度的流體間傳遞能量的裝置稱為熱交換器，簡(jiǎn)稱為換熱器。換熱器包括殼程和管程，一般分別存在兩種流體，相互進(jìn)行換熱，是一種流體的溫度升高，另一種的流體溫度降低。隨著我國(guó)化工工業(yè)的發(fā)展，對(duì)各種換熱器的需求也日益的提高，這就破事科學(xué)家們?nèi)找沟呐?，制造出更為先進(jìn)的換熱器來滿足工業(yè)發(fā)展的需要。目前在很多工廠中都有換熱器的存在，由于各行各業(yè)的需求不同換熱器的類型也大不相同，不同類型的換熱器都各有利弊。在設(shè)計(jì)換熱器的時(shí)候首先要考慮到的是車間尺寸的問題，然后再根據(jù)用途決定選擇換熱器的類型，并計(jì)算出換熱器的換熱面積。換熱器根據(jù)換熱方式的不同可以將換熱器分為：混合式、蓄熱式和間壁式。如表6-1所示。表6-1 換熱器的結(jié)構(gòu)分類類 型 特 點(diǎn) 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合 釜式 殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流