毕业论文年产1万吨十二烷基苯磺酸钠车间so3合成工段初步设计.doc
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齐齐哈尔大学毕业设计
摘要
本设计是关于年产1万吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3合成工段初步设计。
十二烷基苯磺酸钠是目前使用最为广泛的洗涤类表面活性剂，而三氧化硫是合成十二烷基苯磺酸钠的重要原料，同时三氧化硫是重要的化工原料，应用广泛。
根据设计任务查阅了大量文献，并结合毕业实习工厂的实际生产要求，对SO3合成工段进行了初步的设计。
本设计是十二烷基苯磺酸钠生产中的一部分，根据设计要求进行了厂址选择和生产制度制定，在对现有工艺路线进行详细对比的基础上，确定了以硫磺为原料生产SO3的工艺路线，着重对SO3转化塔、SO3冷却器进行了初步设计，并围绕其进行了物料衡算、热量衡算和设备计算，并对设备进行了选型。
对SO3合成工段的自动控制，生产安全，环境保护，三废处理，供电，供水等配套设施等进行了设计。
编制了年产1万吨十二烷基苯磺酸钠车间SO3合成工段初步设计的设计说明书，完成了工艺流程图、车间平立面布置图及主体设备装配图的绘制。
关键词：
硫；SO3；合成工段；初步设计；
Abstract
Thedesignisaboutapreliminarydesignsectionofanannualoutputof10,000tonstwelvealkylbenzenesulfonateSO3synthesisworkshop.Sulfurtrioxideisanimportantchemicalrawmaterial,widelyused.Sulfonationofthedesignispartoftheproduction,focusingontheSO3conversiontower,SO3coolertocarryoutapreliminarydesignandcarriedoutarounditssimplematerialbalanceandheatbalance,andequipmentselection.Finally,inaccordancewithdesignrequirementsbasedonthedesignissues,siteselection,designandproduction-scalesystem,rawmaterialsandproductspecifications,processtodetermineroutes,auxiliaryequipmentselection,floorautomation,productionsafety,environmentalprotection,wastedisposal,powersupply，watersupplyandothersupportingfacilitiessuchasthedesign.TheultimateprocessmapwasCompleted,shop-pingfacadeandthemainequipmentlayoutweredrawingassembly.
Keywords:
Sulfur;SO3;worksection;PreliminaryDesign;
目录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章总论 1
1.1概述 1
1.1.1选题的意义及作用 1
1.1.2国内外研究现状及发展前景 1
1.2设计依据 2
1.3厂址选择 2
1.3.1厂址选择的原则 2
1.3.2方案比较 2
1.4设计规模和生产制度 3
1.4.1设计规模 3
1.4.2生产制度 3
1.5综合经济分析 3
1.5.1原料特点 4
1.5.2原料规格 4
1.5.3原料贮存、运输及安全性资料 4
1.5.4产品规格 4
1.6综合经济技术指标 4
第2章工艺计算与设计 5
2.1SO3合成反应的原理及特点 6
2.2工艺路线的选择 7
2.3工艺流程概述 7
2.4工艺流程示意图 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 9
2.6热量衡算 9
2.6.1热量衡算的意义 10
2.6.2热量衡算的步骤 14
第3章设备选型 18
3.1选型原则 18
3.2关键设备选择 18
第4章设备一览表 25
第5章车间设备布置设计 25
5.1车间设备的布置原则 25
5.2设计要求 25
5.3车间设备平面布置的原则 26
5.4车间设备立面图布置原则 26
第6章自动控制 27
6.1主要的控制原理 27
6.2自控水平与控制点 27
第7章安全及环境保护 28
7.1三废产生情况 28
7.2三废处理情况 28
第8章公用工程 29
8.1供水及排水工程设计 29
8.1.1生产、生活给排水设计 29
8.1.2消防水系统 29
8.1.3节水措施 29
8.2供电 30
8.2.1照明供电 30
8.2.2照明控制方式 30
8.3通风 31
8.4供暖 31
结束语 32
参考文献 33
结束语 34
35
第1章总论
1.1概述
1.1.1选题的意义及作用
十二烷基苯磺酸钠因生产成本低、性能好，因而用途广泛，是家用洗涤剂用量最大的合成表面活性剂，也生产一部分镁、钙等无机盐及三乙醇胺等有机胺盐。
十二烷基苯磺酸钠，由直链烷基苯（LAB）用三氧化硫或发烟硫酸磺化生成烷基磺酸，再中和制成。
而三氧化硫是一种十分重要的精细化工初级产品，广泛用于有机合成中，可制备各种磺酸及磺酸盐，也可直接接磺化有机产品，引入磺酸基。
因此三氧化硫在这一领域有着广泛的应用和广阔的市场。
90年代至今是三氧化硫磺化装置引进和国内开发同步发展的时代，三氧化硫磺化技术也从洗涤剂行业向石油、化工等行业扩展[1]。
1.1.2国内外研究现状及发展前景
三氧化硫的工业化生产方法主要有发烟硫酸蒸馏冷凝法和纯二氧化硫、纯氧直接高温催化转化法，烟道气提纯法，硫酸尾气处理法。
发烟硫酸蒸馏冷凝法：
加热发烟硫酸，将溶解的三氧化硫，蒸发解吸收三氧化硫，制得气体，经冷凝得液体三氧化硫[2]。
烟道气提纯法：
将起始二氧化硫浓度为50%～60%的混合烟气用空气稀释到12%进入转化系统,采用“3+1”两转两吸流程制酸,Topse与Chemetics公司合作开发了采用含铯催化剂的“4+2”两转两吸流程以加工二氧化硫浓度为40%用空气稀释到18%的烟气。
传统的三氧化硫生产工艺中，二氧化硫的催化氧化采用的是钒系催化剂，反应温度在300—450℃。
由于二氧化硫的氧化是可逆、放热反应，通常采用多段绝热中间冷却工艺，以提高总的转化率，这显然增加了转化工序的复杂程度；同时，低浓度二氧化硫气体较难实现转化的自热平衡，增加了制酸难度。
由于钒系催化剂的时空收率不高，催化剂和反应器的投资相对较高[3]。
随着绿色化学和化工的发展，人们对采用新的催化剂在低温下催化氧化二氧化硫工艺进行了研究，新工艺主要是处理烟道气、硫酸厂尾气、锅炉排放气中的低浓度二氧化硫。
中科院山西煤化所、大连化物所对活性焦吸附氧化法脱除烟道气中的二氧化硫工艺进行了研究。
加拿大waterloo大学对活性炭催化剂低温催化氧化二氧化硫新工艺进行了研究[4]。
在这次设计中主要完成了该设计内容在国内外的相关研究现状，主要拟采用的方法，并对之进行了相关的比较，选择了本设计中拟采用的方法，在设计过程中队厂址选择进行了相关的选择调研和分析，依旧相关要求完成了厂址的选择，并进行了物料衡算，热量衡算，设备计算，并进行了设备的选型，还对车间的布置进行了相应设计，在公用工程以及三废的处理上结合本次设计的世界情况进行了相关的考量和设计。
1.1.3设计依据
本次设计是按照齐齐哈尔大学化学工程与工艺专业下达的《毕业设计任务书》和《齐齐哈尔大学本科生毕业设计（论文）工作手册》，根据在大庆东昊表活剂分公司毕业实习时的所见、所听、通过自己的思考和总结，查阅了大量的中外文资料，充分利用网络资源，了解到国内外氨合成的发展状况及其发展趋势，经过反复论证分析之后而完成的。
1.2厂址选择
1.2.1厂址选择的原则
一般要求符合城市规划或工业区域规划；尽可能节约占地面积，少占或不占良田﹑耕地；企业生产所需的资源能够落实，原料﹑燃料及辅助材料的供应经济合理；有充足可靠的水源和电源；交通运输条件比较方便﹑经济，不污染环境，不破坏文物古迹，不妨碍文化﹑旅游及其他精神文明建设；对拟建项目留有适当发展馀地。
地质条件较好，施工难度小，建设投资省；项目建成投产後，经济效益良好。
正确的选择厂址是保障化工生产的重要前提。
化工厂的选择应根据城市规划和工业区的要求，按经批准的设计计划任务书指定的地理位置选择厂址。
选择厂址应综合分析与权衡厂址的地形条件以及有关的自然和经济资料，进行多方案的技术经济、安全可行性的比较，合理选择，作到安全可靠。
以下是厂址选择的基本原则[5]：
①土地面积与外形，能满足根据生产工艺流程特点合理布置建筑物、构筑物的需要，即厂区总图的要求。
②地形应力求平坦而略有坡度（一般以不超过千分之五至十为宜），以减少土地平整的土方工程量，有利于厂区排水和运输。
③有良好的工程地质条件，厂址不应设在有滑坡、断层、泥石流、岩溶、地下水位过高，有强烈地震以及地基上承载力低于0.1MPa的地区。
④应尽可能接近水源地，并便于污水的排放和处理。
⑤应靠近主要原料燃料的供应源，靠近动力供应中心，并有利于和有关联企业的协作。
1.2.2方案比较
根据以上原则和依据，本设计厂址初步拟定大庆高新技术产业开发区。
大庆高新区于1992年4月动工建设，同年11月被国务院批准为国家级高新区。
城区功能较为完善。
共开发建设了31.04平方公里，建筑面积达913万平方米。
新城区集产业功能与城市功能于一体，道路、给水、排水、供热、供电、供汽、通讯等基础设施实现了“七通一平”，具备了承载“大高外”项目的条件。
大庆高新区主体区与大庆市东城区连接在一起，成为大庆市中心城的重要部分，全市最大的金融商贸中心和农产品批发市场、家具市场、医院、建筑装饰材料市场等生产要素市场建在高新区内，辖区实现了净化、绿化、亮化、美化，道路畅通。
一个融产业发展、创新孵化、商业贸易、科研教育、医疗卫生、居住生活、休闲娱乐等多功能为一体的科技产业新区已具有一定规模[6]。
表1-1黑龙江大庆市基本自然条件一览表
序号
名称
指标
1
地理条件
处于平原，海拔160.5米
2
水文
嫩江、松花江
3
极端最高气温
37.4℃
4
极端最低气温
-40℃
5
6
年平均气压
年平均相对湿度
0.098Mpa
63.1％
7
8
年平均降雨量
雷暴日
440mm
32.5天/年
9
10
最大积雪深度
基本雪压
60mm
0.30kN/m2
11
最大冻土深度
186m
12
13
全年主导风向
平均风速
西北风
3.8m/s
1.3设计规模和生产制度
1.3.1设计规模
以硫磺为原料年产10000吨的十二烷基苯磺酸钠SO2合成的初步设计，年开工天数300天，即开工7200小时每年。
1.3.2生产制度
三班两倒同时要求员工要树立“安全第一”的思想，自觉接受安全教育，学习安全知识，提高技术水平，保证生产的安全性。
生产中要严格执行安全操作规程，避免各类事故发生。
要严格按照工艺要求进行操作，并按规定对设备，管道，现场指示仪表进行巡回检查，以便及时发现安全隐患并处理。
生产岗位员工必须按规定穿戴劳动保护用品。
车间安全员工要切实履行职责，随时检查安全生产制度，落实情况，制止违章操作和冒险作业。
电器和机械设备故障应有专业人员排除，非专业人员严禁自己动手处理。
厂区内原则上禁止动用明火，需要动火时要请示领导并做好安全工作[7]。
1.4原料规格及特点
1.4.1原料特点
本设计采用硫磺为原料。
通过硫磺燃烧生成SO2。
在许多工业过程中也会产生二氧化硫。
主要应用于杀虫剂、制冷剂、试剂、溶剂、杀菌剂、漂白剂和还原剂、硫酸的前体等。
同时，SO2对人体具有毒性，在大气中，二氧化硫会氧化而成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，是环境酸化的重要前驱物。
大气中二氧化硫浓度在0.5ppm以上对人体已有潜在影响；在1~3ppm时多数人开始感到刺激；当大气中二氧化硫浓度为0.21ppm，烟尘浓度大于0.3mg/m3时，可使呼吸道疾病发病率增高，慢性病患者的病情迅速恶化[8]。
1.4.2原料规格
硫磺的含量在99.99%左右，从燃硫炉出来的炉气大约为700℃，SO2体积比为7%。
表1-2原料规格一览表
固体
硫磺
空气温度
含量（V/V，%）
99.999%
93%700℃
1.4.3原料贮存、运输及安全性资料
硫化物属于危险品，运输和贮存均应考虑其特性。
铁路运输时应严格按照铁道部《危险货物运输规则》中的危险货物配装表进行配装。
采用钢瓶运输时必须戴好钢瓶上的安全帽。
钢瓶一般平放，并应将瓶口朝同一方向不可交叉；高度不得超过车辆的防护栏板，并用三角木垫卡牢。
严禁与易燃物或可燃物、氧化剂、还原剂、食用化学品等混装混运。
1.4.4产品规格
液硫在燃烧炉中燃烧生成SO2后，进入转化塔，经过四层催化剂的转化，转化率最后达到97%，出来的SO3和剩余的SO2进入冷却器冷却。
表1-3进入转化塔产品规格
气体SO2空气SO3
含量（体积比，%）7930
1.5综合经济技术指标
技术经济是人类社会进行物质生产过程是不可以缺少的两方面，任何技术的社会实践都离不开经济；而任何技术的好坏与否，脱离了经济效益的标准都是无法判断的。
技术经济是技术生产方面的经济问题，技术经济分析是对不同技术政策、技术方案、技术措施进行经济效果的评定、论证和预测，力求技术上先进和经济上合理相结合，为确定对发展最有利的技术提供科学依据和最佳方案，也是技术经济分析的基本任务。
起根本目的就是是每一项工程，每一个企业都用尽量少的物质消耗生产出更多符合社会需求的合格产品，取得最大的使用价值，从而实现最大经济效益。
对建设1万吨十二烷基苯磺酸钠装置的建厂指标进行了估算，其原料、公用工程需用量如下：
表1-5经济指标一览表
项目
指标价格
十二烷基苯磺酸钠t
硫磺t/h
电kW·h
汽t／h
100002100
142.41600
10720.7
1596200
第2章工艺计算与设计
2.1SO3合成反应的原理及特点
反应原理：
S+O2→SO22SO2+O2→2SO3
硫磺先经融硫炉熔融，然后液硫经气化同空气中的氧气反应生成SO2。
硫的气化是利用另一部分硫的燃烧放出的热来完成的。
硫蒸汽再和空气混合，使氧化反应趋于完全。
SO3的工业制法是接触法。
SO2在400至600℃的温度下，用负载在硅藻土上的含氧化钾或硫酸钾（助催剂）的五氧化二钒作为催化剂，将二氧化硫用氧气氧化为三氧化硫。
该反应的特点是：
反应放热量大，反应迅速，转化率高。
反应特点：
反应迅速，转化率高。
放热反应，反应放出大量的热。
可逆反应，故压力对反应速率有影响。
需要控制压力变化。
2.1.1磺化工艺中SO3合成工艺简介
磺化装置的转化塔装有4层V2O5催化剂。
从燃硫炉出来的混合气体（SO2约占气体总体积的7％）大约650℃左右，经过转化塔的顶端被冷却到435℃，原料气进入第一层催化剂床层后，SO2在催化剂的作用下大部分转化为SO3，转化率可达到71.9％由于反应是放热反应，混合气体的温度升高到560℃，一般控制温度不超过600℃。
温度升高虽可提高反应速度，但平衡转化率将会降低，同时温度过高也会降低催化剂的使用寿命和催化活性[9]。
在第一床层和第二床层之间的反应气体通过换热器冷却，温度降至445℃，该温度即第二层催化剂的入口温度。
通常换热器用冷空气作为冷却介质来冷却来自第一床层出口的气体。
反应后混合气体的温度由445℃升高至489.3℃，SO2的转化率达到94.6％。
由于经过第二床层反应后的温升相对较小，同时炉气中的氧含量也逐渐降低，因此在第二床层与第三床层间利用冷激风冷却同时提高氧含量，促使反应过程向产物方向发展。
温度由489.37℃冷却到440℃后，进入第三层催化剂[10]。
反应后的混合气体的温度升高至445.13℃，此时SO2的转化率达到97.5％。
在第三床层与第四床层间同样补充干燥的空气进行冷却，冷却到425℃后，进入第四层催化剂，SO2的转化率达98％。
反应后的混合气体的温度升高至425.83℃。
该热量有多种用途：
可用于11单元的硅胶（或分子筛）干燥剂的再生，也可以用来发生蒸汽或在合成洗涤剂厂用于合成洗衣粉装置干燥的热风。
2.1.2工艺路线的选择
①发烟硫酸蒸馏冷凝法
加热发烟硫酸，将溶解的三氧化硫，蒸发解吸收三氧化硫，制得气体，经冷凝得液体三氧化硫[11]。
②PEA工艺
PEAProcessEngineeringAssociates公司推出了一种两段式硫酸生产工艺[12],其特点是SO2排放几乎为零。
该工艺也可处理浓度低、波动大的SO2该工艺分两段：
第一段是接触段，SO2气体冷却净化后在一单层催化转化器中转化,转化率65%～70%,可生产HSO95%～98%的硫酸、SO32%的发烟酸，剩余气体进入第二段;第二段是一种游离改进NO工艺即以前的铅室法或塔式法工艺，SO在此几乎完全转化，生成HSO76%的硫酸[13]。
该工艺与标准两转两吸工艺相比具有压力损失小，产量高,酸纯度高的优点。
③高浓度二氧化硫烟气转化的三转三吸
随着富氧冶炼技术的迅猛发展，人们对高浓度二氧化硫气体制酸方法进行了研究。
1991年建成的国外某铜冶炼厂将起始二氧化硫浓度为50%～60%的混合烟气用空气稀释到12%进入转化系统,采用“3+1”两转两吸流程制酸，Topse与Chemetics公司合作开发了采用含铯催化剂的“4+2”两转两吸流程以加工二氧化硫浓度为40%用空气稀释到18%的烟气[14]。
然后对烟气采用吸附利用的方法进行收集进行制酸。
随着绿色化学和化工的发展，人们对采用新的催化剂在低温下催化氧化二氧化硫新工艺进行了研究，新工艺主要是处理烟道气、硫酸厂尾气、锅炉排放气中的低浓度二氧化硫。
中科院山西煤化所、大连化物所对活性焦吸附氧化法脱除烟道气中的二氧化硫工艺进行了研究。
加拿大waterloo大学对活性炭催化剂低温催化氧化二氧化硫新工艺进行了研究。
2.3工艺流程概述
将片状硫磺倒入融硫槽，利用夹套蒸汽加热融化（130～150℃），液体硫磺通过液硫输送泵经过滤器送到液硫恒位槽中，液硫恒位槽中的液硫通过过滤器，防止泵和阀的结渣堵塞，然后由液下泵经流量计计量送入硫磺燃烧炉中。
融化的硫磺与燃烧空气逆向进入燃烧炉中，然后落在耐火球上，燃硫率接近100%。
从燃烧器中出来的SO2气体温度在700℃左右，体积浓度大约为7%（V/V）。
在到达SO2/SO3转化器的催化剂层前，SO3气体通过内置冷却器被冷却到约420℃。
塔内装有四层五氧化二钒催化剂。
借助安装在第一与第二层催化剂之间的中间冷却器，以及在其它层之间注入骤冷空气，可将反应温度控制在最佳温度范围内。
转化塔出口SO2气转化率约为97%，操作温度420℃~450℃。
通过两台串联的冷却器将SO3/空气（SO3和空气的混合气体）约420℃冷却到45℃左右[15]。
2.4工艺流程示意图
该图为工艺流程示意图
图2-1工艺流程图
2.5物料衡算
2.5.1物料衡算的意义和作用
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。
此外，通过物料衡算，不仅可算出原材料消耗定额，并在此基础上作出能量平衡，算出动能消耗定额，算出生产过程所需热量或冷量，同时为设备选型和计算提供依据[16]。
物料衡算的结果直接关系到生产成本和车间运输量，对工厂技术经济指标有举足轻重的影响。
2.5.2物料衡算
年产10000吨十二烷基苯磺酸钠：
M=348.48g/mol
磺化转化率为99.9%，生产过程中计有2%的损失，生产过程中十二烷基苯和三氧化硫的进料比为1:
1.05。
则可计算年需要的三氧化硫量为3.078×107mol
SO2在转化塔内反应生成SO3转化率为97%计损耗为0.5%
进入转化塔时SO2的气浓为7%（V/V）
通过以上的转化率可以算出实际情况的全年物料的消耗量
n（SO2）=3.198×107mol
n（O2）=1.594×107mol
①燃硫炉计算
S在燃硫炉内燃烧生成SO2转化率大于99.9%损耗为0.5%
则有S消耗为3.205×107mol
O2消耗为3.205×107mol
表2-1燃硫炉物料平衡表
入口
出口（SO2kmol/h）
硫磺
氧气
SO2
4.43
4.43
4.43
年产300天即7200小时
每小时的SO3消耗的摩尔量为
每小时的SO2消耗的摩尔量为
②转化塔计算
转化塔的各层转化率为
一层转化率为：
60%
二层转化率为：
90%
三层转化率为：
95%
四层转化率为：
97%
第一层物料入口
转化率为60%
出口
第二层物料入口
n2（SO2）=1.772kmol/h
n2（SO3）=2.658kmol/h转化率为90%
出口
n2（SO2）=4.43kmol/h×（1-90%）=0.443kmol/h
n2（SO3）=4.43kmol/h×90%=3.987kmol/h
第三层物料入口
n3（SO2）=0.443kmol/h
n3（SO3）=3.987kmol/h 转化率为95%
出口
n3＇（SO2）=4.43×（1-95%）=0.2215kmol/h
n3（SO3）=4.43×95%=4.2085kmol/h
第四层物料入口
n4（SO2）=0.2215kmol/h
n4（SO3）=4.2085kmol/h转化率为97%
出口
n4（SO2）=4.43×（1-97%）=0.1329kmol/h
n4（SO3）=4.43×97%
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