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注；实际采用传热面，因要考虑气体浓度的变化和生产的可能性等，比计算传热面要增大10%~15%。考虑各换热器对转化系统热平衡的影响大小，换热器分别增大10%然后取整。
第5章 转化工序主要设备配置及计算
5.1 主要设备配置
80 kt/a制酸装置转化工序的主要设备的配置有筒体，转化床，隔板，立柱，底部支腿，气体进、出口等组成(材质均为不锈钢)。转化器的筒体由厚10 mm的304不锈钢板焊接而成，筒体底部为平底，上部为斜顶，与筒体焊为一体。转化器内部设有3层隔板、4层转化床。为了保证各段转化效率，各段转化层用隔板隔开，隔板由厚12mm的304不锈钢板与筒体焊接而成。每层转化器床层设立柱8根，由φ250 mm钢管(304)制成，立柱主要起支撑的作用。转化器的隔板是用12mm的SS41钢板用螺栓与夹板固定在支承梁上而留有热伸缩的余地。目前我国设计的转化器流速普遍较低,不能保证炉气在催化剂层内均匀分布,应适当提高转化器内炉气的流速。但应注意两点:一是流速增加后,催化剂层的加高,阻力也按比例增加。二是要有足够的高度,如果采用大环状钒催化剂时,由于容积增加,也相当于增加催化剂层的高度。
5.2 主要设备计算
5.2.1 转化器的直径计算
由于前面段数反应速度快，后面段数反应速度慢，老式转化器的外型是上校下大。然而二氧化硫反应成三氧化硫是体积减小的，前面段数反应温度较高，后面却较低，触媒层厚度调整的范围也比较宽，所以现在转化器的设计，一般都采用直筒形的。转化器气速，过去一般采用0.4—0.6m/s,现在一般控制在0.6—1.0m/s。因气速通过触媒的速度不易算准且又复杂，故在计算径向转化器触媒框面积时，也取以上两种范围的气速来计算。轴向取0.7m/s，横向取0.5m/s。现在许多设计中气速以m标/s计，国内多采用0.3m标/s，国外常采用0.4—0.45m标/s。
转化器操作温度，一般取各段的总平均值。转化器操作压力，一般也是取各段的总平均值，根据生产实际一般平均在9.8—11.8kPa。
气量V=1449.2kmol=32462.08?m3/h?=9.01m3/s 则转化器直径D=[9.01÷(0.785×0.7)]1/2=4.05m
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5.2.2 转化器的高度的计算
段高累加法即将各段的触媒层高度、布气层高度(包括检修空间高度)相加，即为转化器总高度。触媒层高度h1一般为600—700mm，取h1=650mm计算。布气层高度h2一般为600—800mm，取h2=700mm。外部换热式转化器，布气层分进和出两个，即布气层高度为2h2。
四段外部换热式转化器总高度H为：
H=4×(650＋2×700)=8200mm取8500mm，即8.5m
5.2.3 转化器的结构设计
原小硫酸厂所采用的转化器为内部换热器式，其缺点是结构较复杂，施工、检修拆卸不方便.且内部热交换器气速低，传热系数低，各层氧化铁皮易堵塞触媒，各层触媒支架跨度大，在长期高温条件下易塌陷。80kt/a硫酸用外部换热器式转化器结构比较简单，外壳为SUS 304不锈钢。由于转化器不设置内部换热器，外部换热器筒体直径和高度不受转化器制约，可选择最适宜的气速，并按高效型列管式换热器布管.因而K值高.节省总换热面积，转化器各层触媒支架不易变形，其缺点是转化系统占地较大.配管稍长。但全面评估，其优点是主要的，与苏式转化器相比，特别是在硫酸生产规模扩大时，优越性更加明显[3]。
壳体厚度计算按经验公式
S＝(D＋250)÷1000 （5-1）
式中:S——壳体厚度,cm D——钢壳内径,φ 405.0cm 则S＝(405.0＋250)÷1000=0.7cm
又按《石油炼厂设备之计算和设计》对直径大于100cm的直立设备.在不用加强零件时，其壳体厚度一般不应小于下式计算值:
S≥ 0.001D＋0.4cm （5-2）
则S≥0. 001×405.0＋0.4 故S=1cm 综合上二式结果，取S=1cm
5.2.4 立柱的分布
在立柱型转化器内，各触媒层的篦子板、瓷球、触媒及分段隔板、保温砖等的重量，均通过各自的支承梁落在立柱上，因此立柱的配置极为重要。在传统设计中，对于中、小型转化器，只需要设置一根立柱就行了。例如桃林铅锌矿的D5000转化器及邵阳化肥厂的D4200转化器中都只有一根中心立柱.但是对于大型转化器，一根立柱显然不能满足强度要求。目前，国内大型转化器中立柱的配置有两种类型:
(1) 多支点立柱配置法:即在转化器内设置多根立柱.韶冶一期硫酸的D6500转化
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器就是一个典型的例子.其转化器内共设里了61根立柱，立柱的分布按等边三角形排列.由于立柱的数量多，所以安装篦子板、填装触媒及维修设备都很麻烦，不方便。
(2) 少支点立柱配置法:即在满足转化器的强度要求的前提下，设置较少数量的立柱。例如，贵溪冶炼厂的D12500。转化器中立柱只设了12根;长沙有色冶金设计研究院设计的云冶D9000转化器中立柱只有9根。实践证明了这两台转化器的运行情况均属正常，立柱的设置是合理的。因此，少支点立柱配置方法是成功可取的。立柱数量减少，可使设备趋于简化，减轻设备重量，相应地降低了设备造价;同时也减少了隔板层的漏气点，有利于提高最终转化率.根据这些成功的经验及对转化器强度的校核，在D4050转化器的设计中共设置了8根立柱，立柱是选用SUS 304铸造而成。其中每根立柱皆由8段短立柱用不锈钢螺栓连接而成。各层的支承梁均以不锈钢螺柱与立柱固定。各层的支承梁均以不锈钢螺柱与立柱固定。
5.2.5 立柱强度的校核
在D4050转化器中设置了8根立柱，其中每根立柱的最下层的那段立柱所承受的重量最大。因此以最下层的那一段立柱为研究对象去校核其强度. 在计算中，假设所有的触媒、瓷球、篦子板、隔板的重量是均匀分布。其中N=31t,据《重有色冶金炉》中立柱的强度校核公式为:
强度验算Aj≥N/[σ] （5-3） 稳定性验算A≥N/(ψ[σ]) （5-4）
式中:Aj——柱的截面积,cm2 A——柱的有效截面积,cm2
Ψ——根据构件的最大长细比决定的稳定系数,ψ=0.69
[σ]——为耐热铸铁在600℃的设计温度下的抗压许用应力,kg/cm2 立柱的横截面为圆环形，所以A=π/4×D2 =π/4×252=490.6cm2 Aj=π/4 × (D2－d2)=π/4 ×(252－212)=144.4 cm2
查资料可知，在600℃的设计温度下，耐热铸铁的挤压强度。b=140 MPa,耐热铸铁的安全系数为4.5 —5.5，取nb =5
因此，在600℃下，耐热铸铁的抗压许用应力为: [σ] = σ/nb=140/5=28 MPa=285 kg/cm2 所以N/(ψ[σ] )=31000/(0. 69 ×285) =158cm2
由以上计算结果可知D4050。转化器中立柱的设置满足强度要求及稳定性的要求，是合理的。
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5.2.6 篦子板的结构设计
现在，许多厂的转化器中，作为各触媒层垫托用的篦子板采用铸铁制作，其中每块篦子板上的篦子呈条形，篦子间距为15 mm。为了防止触媒漏过篦子板的篦子间隙，在篦子板上先铺一层孔径小于触媒的铁丝网，上面再铺一层小瓷球做垫层.我国以往的许多转化器中，篦子板也是如此设计的。通过调查我们得知，在转化器的运行过程中，由于铁丝网在高温腐蚀下易生锈、烧断，使瓷球、触媒下漏，影响转化效率。据云冶硫酸三系统的工作人员反映，该厂的转化器中的铁丝网腐蚀得很快，至少得每年更换一次更换铁丝网，必须把其上面的触媒及瓷球搬运出转化器，其工作里非常大，很麻烦，对于大型的转化器更是如此。为了解决这个问题，我们考察了韶冶的D6500转化器(其篦子板间隙为14mm)及贵溪冶炼厂的D12500转化器(其篦子板间隙为11 mm)，这两台转化器的篦子板上面都没有铁丝网，而是直接铺设瓷球、触媒。根据他们成功的经验，在D4050转化器篦子板的设计中，取篦子板间隙为15 mm这样，在篦子板上就不再需要铺设铁丝网[9]。
5.2.7 人孔的设置
在传统的转化器设计中，只在每段触媒层的上方开设一个人孔，供安装、检修时使用，如铜陵冶的D6500转化器及云冶的D9000转化器就是如此。在D4050转化器的设计中，根据韶冶一期D6500转化器的设计经验，在每段触媒层上方共开设1个人孔，为250mm×625mm,R=125mm的圆角矩形人孔，作为安装、检修的出入口，同时在安装、检修时它能促进转化器内空气对流，增加转化器内的能见度，有利于操作人员在转化器内进行工作。此外，在每段隔板层上部也增设了一个为250mm×625mm,R=125mm的圆角矩形人孔，以便于对隔板层的情况进行观察、了解，同时也方便对隔板层的清扫。
5.2.8 底部支撑设计
80kt/a硫酸转化器直径达4m多，在安装时土建基础不易找平，底板也容易变形，同时也应避免基础直接接触高温的转化器底板。该转化器外部保温后底板温度可达400摄氏度。为此，底板下设计了一套工字钢支撑结构，用工字钢7根排列，焊接后形成一支架，使设备底板强度加强，所有立柱支撑点均坐落在工字钢中心线上，确保立柱支撑结构的牢固可靠。
5.2.9 转化工段工艺管道和阀门
转化工段的工艺管道，一般为6—10mm厚钢板卷8制而成，40kt/a及40kt/a以下的系统，工艺管道多用为6mm钢板制作，80kt/a及80kt/a以上系统多用8mm钢板制作。管道一般圆形，为了节省空间高度和使气体分布均匀些，转化器进出口管道往
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往做成扁圆形，若无弯头补偿的，长度在2mm以上的直管道需安装膨胀圈。
(1) 工艺管道直径的计算
根据我国当前采用的鼓风机压头和整个系统的情况，转化工序的工艺管道气速一般采用下列数值:400一650℃ 12—20 m/s，<100℃。10一15 m/s
本计算分别采用15 m/s 和12m/s 的气速计算确定各部位的管径。为制作、安装和检修的方便、现将转化工序的工艺管道分成以下5个类型:
① 鼓风机进出口管道
这部分管道包括:鼓风机出口至第三换热器进口、一吸塔出口至第四换热器进口，温度约为60℃，设计采用12 m/s 气速。
气量V=1449.2kmol=32462.08?m3/h?=9.01 m3/sD＝0.920m
② 第二换热器和第一换热器的二氧化硫气体进出口管道采用15 m/s 气速计算，计算结果如下:
第二换热器:进口管t＝498℃ D＝0.921m;出口管:t＝400℃ D＝0.920m。 第一换热器:进口管:t＝298℃ D＝0.919m;出口管t＝366℃ D＝0.916m 采用Φ920mm。
③ 转化器进出口管道这部分管道不包括第一段进口和第二次转化进口管道(已包括在第II及第I换热器出口管道内)
采用气速12m/s 计算.计算结果如下:
第一段出门管:t＝545℃ D＝0.917m;第二段进口管:t＝480℃ D＝0.915m 第三段出口管:t＝460℃ D＝0.915m;第四段进口管:t＝420℃ D＝0.919m 采用Φ920mm管道。
④ 第三换热器和第四换热器去第一吸收塔和第二吸收塔的管道:
采用气速15 m/s 计算结果如下:
去第一吸收塔管道t＝424℃ D＝0.917m;去第二吸收塔管道t＝295℃ D＝0.918m 采用Φ920 mm管道。
⑤ 第一、二次转化的换热器调节副线
调节用的副线管道，实际是一与换热器并联的，靠阻力差起作用的，故气速只能选5一7m/s
主副线:调节气量为总气量的25%，气速取6m/s ，则D＝Φ325mm 支副线a:去第一、二换热器进出口管道上副线管道。通过的调节气量为12.5%，气速取6m/s,则:D＝Φ325mm
支副线b:经过第二、第四换热器，跳过第二、第一换热器的调节副线，t＝300-360℃,调节气量为15%。则D＝325mm。各管道采用的直径如下: 主副线Φ325mm，支副线a:Φ325mm，支副线b:Φ325mm
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