曼海姆法硫酸钾装置工艺设计

摘　要：本文介绍韩国某套10000t/a曼海姆法硫酸钾装置的工艺流程，总结工艺及管道设计的体会和认识。
关键词：曼海姆法　硫酸钾　总结
2009年7月～2010年5月本人参与了国内公司总承包的韩国某套10000t/a曼海姆法硫酸钾装置的工艺及管道设计。今年10月已经建设完毕并已试车成功，目前装置运行情况良好，各项指标基本达到了设计要求，填补了该企业的生产空白。

一、工艺描述

1.化学反应过程

曼海姆反应炉生产硫酸钾总的来讲是吸热反应，反应分两步进行：
KCL+H2SO4=KHSO4+HCL↑ +1

6.4kJ/mol(1)

KCL+KHSO4===K2SO4+HCL↑ -7

1.6kJ/mol(2)

（副反应）H2SO4→SO3+H2O
HCL+H2O→HCL·H2O（盐酸）
（副反应）SO3+H2O→H2SO4
第一步浓硫酸与氯化钾生成硫酸氢钾和氯化氢, 第二步生成的硫酸氢钾与剩余的氯化钾反应生成硫酸钾和氯化氢。控制浓硫酸稍微过量，以保证氯化钾的完全转化，因此出反应炉的硫酸钾含有7～8％的硫酸氢钾，在随后工序中加入少量的石粉（碳酸钠或碳酸钙）中和其酸性，得到含氧化钾50％的成品硫酸钾。
采用固定床[酸（液）盐（固）]复分解反应法。固态的氯化钾与98%硫酸按一定的投料比连续加入反应室，在高于500℃高温（一般控制在500～530℃）推动耙齿匀速推料（搅拌混合作用）的条件下进行反应。原料连续投入以维持正常床面，成品硫酸钾则不断由反应室出口（对称二处）排入成品推料机，在冷却且伴有搅拌粉碎的作用下经气封输送器进入刮板输送机，为中和硫酸钾成品中的游离酸，在刮板机上设置可调CaCO3细粉加料机，然后再经提升筛选粉碎入成品料仓。反应中产生之氯化氢气体用水吸收制取盐酸装入储罐。尾气经洗涤后符合废气排放标准的前提下排入大气。

2.工艺流程简介

该套曼海姆法硫酸钾装置共分三个工序：硫酸钾反应工序、硫酸钾成品包装工序、盐酸吸收工序。

2.1硫酸钾反应工序

原料库中的氯化钾经斗式提升机、皮带运输机转运至氯化钾料斗，经计量皮带机计量后由密封螺旋输送机加入曼海姆反应炉；浓度为98%的硫酸由外管送至硫酸储槽，由硫酸输送泵送入车间硫酸高位槽,通过位差浓硫酸自流经电磁流量计计量后加入反应炉,氯化钾和浓硫酸的反应物料在不断转动的耙齿系统搅动下进行混合，并由高温烟气间接加热，反应室温度控制在500～530℃。氯化钾和浓硫酸不断反应，同时不断被耙齿推向炉腔周边。反应生成的氯化氢气体被引至盐酸吸收工序，反应生成的硫酸钾经两个对称的出料口进入两侧的冷却推料机，物料在推料机中被冷却和粉碎后，经螺旋输送机送到成品刮板机，由刮板机送往成品斗式提升机再送至成品包装工序。在刮板机上设有碳酸钠（或碳酸钙）加料机，加入少量碳酸钠（或碳酸钙）对产品中的游离酸进行中和；反应室内保持一定的负压，一般控制在-60～-30Pa，略高于上加热室，以防止氯化氢气体被吸入燃油尾气中，造成空气污染。
预热后的重油与热空气在燃烧室燃烧，形成高温烟气。高温烟气首先进入上加热室通过碳化硅拱顶传热，以从上部提高反应室温度；从上加热室出来后再进入下加热室，加热底板以从下部提高反应室温度。反应炉出口的热烟气与鼓风机鼓入的空气在换热器内进行换热，以提高燃烧室进口空气的温度，从而提高热利用率。燃烧后的废气经复热器换热后，由燃烧尾气烟囱经净化后放空。

2.2成品包装工序

产品硫酸钾由斗式提升机提升后先经振动筛筛分，粒度合格的产品进入成品贮斗A，由包装机包装为粉料成品。经振动筛筛分后的中等粒度物料经粉碎机粉碎后又经螺旋输送机进入成品贮斗B，然后经造粒机造粒后，由包装机包装为粒料成品。所有成品由汽车运送至成品库贮存。
为了改善操作环境，在成品包装工序设有一套除尘装置，对振动筛分和粉粹过程中产生的粉尘进行收尘回收处理。

2.3 盐酸吸收工段

来自反应炉的450℃左右的氯化氢气体，经过石墨冷凝器冷却，温度降至低于50℃，并进入二级硫酸气洗涤塔洗涤，除去大部分粉尘和少量硫酸雾，同时产生含硫酸[w（H2SO4）5％]的盐酸（通称混酸）。洗涤后的炉气进入盐酸二级降膜吸收塔，生成[w（HCL）31％]以上的工业级盐酸，送至盐酸成品槽。尾气经多次净化洗涤达标后，由烟囱排空。

二、装置工艺特点

1.采用国产曼海姆技术

本套硫酸钾装置生产工艺为开封辛巴达化工工业技术有限公司开发的国产曼海姆法。该公司在充分消化吸收国外相关技术后，经过不断的完善和工业化试验，实现了全套设备的国产化。十多年来，该公司已经在国内及国外安装修建了数十套曼海姆法硫酸钾装置，其工艺技术已经相当成熟可靠。

2.采用DCS自动控制系统

根据韩国业主方提出的“装置生产系统需实现自动控制”的要求，我们工艺设计结合硫酸钾生产的特点，引入了DCS自动控制系统，对硫酸钾生产系统进行实时控制，不但稳定了工艺操作，减轻了劳动强度，而且使生产系统保持最佳运行状态。该装置主要的自动控制设计有：
2.1由硫酸高位槽下部出酸口流出的硫酸经电磁流量计和电磁调节阀加入反应炉,通过DCS设定流量自动调节电磁阀，高位槽保持部分溢流以稳定硫酸进电磁流量计压力，电磁流量计输出的信号自动调节电磁调节阀开度以稳定和调节硫酸给料量。
2.2氯化钾入炉前计量皮带机装有电子秤传感元件，通过DCS由称重和测速传感信号反馈调节皮带机变频电机转速，以改变皮带输送速度的方式稳定和调节KCL的加料量。
2.3综合工艺计算、原料与成

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品分析和实际运行情况可编制和不断完善氯化钾与硫酸的配比菜单，输入DCS，以适时选用最佳配比实现氯化钾与硫酸供料的自动控制和调节。
2.4硫酸高位槽设置液位计，发出低液位报警信号。2.5氯化钾料斗设置料位计，发出高低料位声光报警信号。

2.6成品储斗设置秤重传感元件，用重量减差法核算单位时间产量和进行班组产量考核。

2.7盐酸储槽设液位计和高低液位报警。

2.8重要的温度、料位、流量、压力及称重检测数据进入DCS，根据对工艺控制的重要性不同分别显示、记录、调节或报警。
2.9所有运转设备的运行或停机状况进入DCS，根据对工艺控制的重要性不同分别显示或报警。

3.尾气实现清洁排放

曼海姆法硫酸钾装置生产所产生的主要污染物为来自氯化氢尾气排气管的HCL气体，以及来自反应炉重油燃烧产生的含SO2的排放尾气。为了实现该项目提出的“保护环境，清洁排放”的要求，在工艺设计中增加一个“尾气洗涤塔”，使反应炉重油燃烧产生的SO2尾气以及盐酸洗涤塔尾气都进入“尾气洗涤塔”,并用碱液进行洗涤达到韩国相关排放标准（HCL≤4ppm(V/V)，SO2≤150ppm(V/V)）后经烟囱排放至大气。

三、主要设备

硫酸钾装置的主要设备见表1。

四、设计体会和认识

在工程设计中，一般时间都比较紧，而涉外项目涉及的方方面面更为庞杂，这就需要相关设计人员考虑更周密细致，尽可能避免出现相关设计漏洞，尤其在影响较大的关键地方。该项目的基础工艺包由开封辛巴达化工工业技术有限公司提供，而本人负责的是整个项目的工艺及管道设计，结合本人的设计体会和看法，与各位专家和同仁进行共享与讨论，如有不妥或不足之处，敬请各位专家和同仁作进一步的批评指教。

1.运输设备选用时要充分考虑输送物料的特性

曼海姆法硫酸钾装置是一套涉及到固体物料输送较多的生产装置，使用的主要固体输送设备有斗式提升机、皮带运输机、刮板输送机、螺旋输送机等。在选用输送设备时不但要考虑工艺便捷、经济实用、易于操作及维护等生产因素，还需考虑输送物料的特性。例如在硫酸钾的原工艺设计包中，从造粒机中出来的粒状硫酸钾是用刮板输送机输送至成品贮斗的。在我们施工图设计时考虑到此时的硫酸钾形态是“颗粒状”的，如用刮板机输送很可能会造成颗粒形状被“刮板”所破坏，从而造成粒状硫酸钾的成品合格率降低。因此，我们将刮板机换成了皮带输送机来输送粒状硫酸钾成品，从现在运行的情况来看，达到了预期的效果。

2.管道设计要尽量满足工艺的要求

在配管时首先是熟悉工艺流程图，要注意工艺的特殊要求，要尽可能多地理解工艺。但管道布置满足工艺的要求并不意味着工艺流程无可挑剔，需结合自己对工艺流程的理解以及配管的实际情况，发现问题需及时跟工艺设计人员进行探讨，完善工艺配管图。如下图中的GHC-425-101-A-300-IH的这根管道，它是反应炉中的氯化氢反应气进入石墨冷凝器的连接管线。按照原工艺设计的管道布置如图A所示，但通过对实际工艺生产的了解，反应气中还含有参与反应的氯化钾、硫酸钾等粉尘，在经过一段时间的生产后会在该根管道的水平段上产生“尘积”而影响后续工序中氯化氢的吸收率，对整个装置的生产造成影响。为此，我们同工艺协商后，在该管道的水平管段两侧各设一个盲板法兰用于管道的检修及疏通。

3.设计中值得注意的几个地方

3.1为使生产操作更方便、布置更合理，管道设计中有时需要调整设备布置，而不是一味地将就已有的设备布置。

3.2有的设备是与其它设备组装在一起的，在提设备的荷载条件时要总起来考虑。

3.3进行管道柔性分析或应力计算，根据分析计算结果进行配管，确保管道安全运行。

3.4充分重视管架的设计。管架的设计往往不能只考虑单一管线的情况，而需把有关的管线结合在一起作为一个管系进行考虑，并考虑设备的热胀冷缩及运行时产生的振动等因素对管道的影响，适当选用和设置管架。
3.5注意设备的有关说明和要求。比如设备是否需焊后热处理（须预先提预焊件条件）、管口方位的要求（如洗涤塔）、人孔的开启方式（提操作平台条件需注意）等。
3.6避免管道相碰撞或与梁柱碰撞，以及设备与梁碰撞。高温管道在人员能到达的地方要隔热，防止烫伤。

3.7要防止重复和漏项。

3.8在分界处的管线要衔接好，并避免分界线附近管线过于集中而难以操作。

3.9结合实际情况进行设计。可以参考有关的设计，但不能生搬硬套。

4.设计中要加强协调和规划管理

在工程项目设计中，管道设计是一项系统工程，并非简单的管道连接，需要各工段管道设计人员密切配合，统筹考虑，以使设备、管道布置更合理，此外还要与工艺、设备、土建等其他专业密切协调配合，在施工时还需积极配合施工方及业主，及时发现问题并予以解决。校审人员在设计过程中需加强与具体设计人员的交流，项目经理、专业负责人也需加强项目的规划、协调和管理，减少设计变更和返工，提高工作效率。
五、结语
面

摘自：学年论文范文www.udooo.com

临着日益激烈的国内外竞争，如何提高自己的竞争力，使自己得到生存和发展，是值得我们工程设计从业人员思考的问题。我们需要增强理解并严格执行相关的标准、规范及国家有关规定，不断加强学习新知识新技术，借鉴国内外成功经验，增强创新能力，加强交流合作，增强责任心，多替业主着想，提高设计及怎么写作质量，使工程设计更先进、更安全、更环保、更经济。
参考文献
国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局，《全国压力管道设计审批人员考核培训教材》，中国石化出版社，2005.
《化工工艺设计手册》第三版，化学工业出版社，2003.
作者简介：文昱舜，工程师，2001年毕业于贵州工业大学化学工程及工艺专业，现在北京蓝图工程设计有限公司贵阳分公司从事工程设计工作。