_万吨硫铁矿制硫酸转化系统工艺设计-毕业设计说明书.doc

武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（ 论 文）说明书论文题目： 年产13万吨硫酸转化工艺设计 学 号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 总评成绩： 2015年5月31日 武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 文献综述 11.1硫酸介绍11.2硫酸的生产方法61.3硫铁矿制酸工艺71.4方案的选择91.5本次设计的目的及意义9第二章 转化工序物料衡算与热量衡算112.1 产品规模和规格112.2确定各断进口温度及转化率112.3转化工序物料衡算162.4转化器各段的热量衡算24第三章 设备选型343.1换热器计算343.2转化器计算433.3其他设备的选择443.4设备选型一览表45第四章 环境保护与治理建议474.1 三废主要来源474.2 三废处理方案47设计小结49致谢50参考文献51附录52摘 要硫酸作为一种基本的无机化工产品，在国民经济的很多部门如化工、轻工、冶金、化肥等领域都有着广泛的用途。其主要生产过程包括以下工序：硫铁矿的焙烧、炉气的净化、SO2的转化、SO3的吸收和尾气的处理。本设计是年产13万吨H2SO4转化系统的工艺设计，主要负责硫酸工艺中SO2到SO3的转换过程，转换工艺流程是通过一转一吸收完成的，涉及4台换热器，主要以高温生成气来预热低温反应气，达到热量的有效利用，最大限度的降低能量损失，做到工业生产的低碳化和环保化，以经济、节能、高效、可持续发展为目标来进行设计。本设计的计算部分主要分两块：物料衡算和热量衡算。本次工艺设计的进气体积百分数分别为：SO2=9.0%，N2=80.8%。第一、第二、第三、第四转化工段的进口、出口温度依次设计为380560，480510，455470，390400。通过物料衡算与热量衡算，对出口温度进行核算，核算的四个转化工段的出口温度依次为：562.07、502.37、492.79、399.01.，与设计温度吻合，说明本设计是合理可行的。本设计说明书的编制包括：硫酸生产原理与生产工艺流程的论证、相关物料衡算与热量衡算、主体设备的设计与选型、转化工段的工艺流程图等内容。 关键词：硫酸；设计；两转两吸；热量衡算；物料衡算IIIAbstract As a basic inorganic chemical product, sulfuric acid has extensive applications in many fields of domestic economy such as chemical engineering, light industry, metallurgy and fertilizer etc. The main production process consists of the combustion of sulfur ore, the oxidation of SO2，the absorption of SO2and the treatment of exhaust gas.This design is 150000 tons of sulfuric acid pear year into system design process, is mainly responsible for the sulfuric acid process of to conversion process, Conversion process can be completed by 1 conversion and to absorption of 1, involving 4 heat exchangers, mainly in the high temperature gas is generated in response to low temperature gas preheating, effectively use to heat, to maximize the reduction of energy losses, to achieve industrial production of low carbon and environmental protection, energy saving, high efficiency, economy, sustainable development objective to design. There are three main part of the calculation: the material balance, heat balance and heat transfer area calculation.Thefirst,second,third,fourthimportandexportofthetransformingsection,isdesignedtoatemperatureof380to560,480to510,455to470,390to400inturn.Bymaterialbalanceandheatbalance,calculatingtheoutlettemperature,thecalculationoffourorderofconversionandoutlettemperatureis:562.07、502.37、492.79、to399.01,inaccordancewiththedesigntemperature,whichmeansthisdesignisfeasible. The specification of the design consists: introduction, demonstration of the method of producing vitriol, calculation of materials balance and energy balance, design and selection of main equipments, the layout of oxidation process of the plant, anticorrosion and security etc. Finally completed the process specification, safety memorandum, completed the design specification.Keywords：sulfuric acid；design；2conversion and to absorption of 2；heat balance；material balIV武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书 第一章 文献综述1.1硫酸介绍1.1.1硫酸硫酸，化学式为HSO，硫的最重要的含氧酸无水硫酸为无色油状液体，10.36时结晶，通常使用的，是它的各种不同浓度的水溶液，用塔式法和接触法制取，前者所得为粗制稀硫酸，质量分数一般在75%左右，后者可得质量分数98.3%的纯浓酸，沸点338，相对密度1.84。硫酸是一种最活泼的二元无机强酸能和许多金属发生反应。 高浓度的硫酸有强烈吸水性，可用作脱水剂、碳化木材、纸张、棉麻织物及生物皮肉，等含碳水化合物的物质。与水混合时，亦会放出大量热能，其具有强烈的腐蚀性和氧化性，故需谨慎使用，是一种重要的工业原料，可用于制造肥料、药物、炸药、颜料、洗涤剂、蓄电池等，也广泛应用于净化石油、金属冶炼以及染料类工业中常用作化学剂等1。1.1.2硫酸的性质和用途（1）物理性质 纯硫酸是一种无色油状液体。常用的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3，其密度为1.84gcm3，其物质的量浓度为18.4molL-1。硫酸是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅。”（2）化学特性 1.吸水性：将一瓶浓硫酸敞口放置在空气中，其质量将增加，密度将减小，浓度降低，体积变大，这是因为浓硫酸具有吸水性。1）就硫酸而言，吸水性是浓硫酸的性质，而不是稀硫酸的性质。2）浓硫酸的吸水作用，指的是浓硫酸分子跟水分子强烈结合，生成一系列稳定的水合物，并放出大量的热：H2SO4 + nH2O = H2SO4nH2O，故浓硫酸吸水的过程是化学变化的过程，吸水性是浓硫酸的化学性质。3）浓硫酸不仅能吸收一般的游离态水（如空气中的水），而且还能吸收某些结晶水合物（如CuSO45H2O、Na2CO310H2O）中的水。把少量研细的胆矾放入浓H2SO4中，会逐渐变为白色，就是由于浓H2SO4吸收了胆矾(CuSO45H2O)中的结晶水，而使其变为白色的无水硫酸铜。4）浓H2SO4有很强的吸收水分的性质，是硫酸分子与现成的水分子(自由水)或结晶水结合成硫酸的水合物。利用这种性质可以用浓H2SO4做干燥剂，但不能干燥NH3等碱性气体，也不能干燥H2S、HI等还原性气体。 2.脱水性1）就硫酸而言，脱水性是浓硫酸的性质，而非稀硫酸的性质，即浓硫酸有脱水性且脱水性很强。2）脱水性是浓硫酸的化学特性，物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程，反应时，浓硫酸按水分子中氢氧原子数的比（21）夺取被脱水物中的氢原子和氧原子。3）可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物，被脱水后生成了黑色的炭（碳化）。4）常见的浓H2SO4脱水性的表现有以下几种：使有机物脱水，有碳游离出来，如糖类脱水。使有机物脱水，没有碳游离出来，如甲醇制一氧化碳，酒精制乙烯。3强氧化性1）跟金属反应常温下，浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。加热时，浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反应，生成高价金属硫酸盐，本身一般被还原成SO2，硫酸表现出了强氧化性和酸性。2）跟非金属反应热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧本身被还原为SO2。在这类反应中，浓硫酸只表现出氧化性。3）跟其他还原性物质反应浓硫酸具有强氧化性，实验室制取H2S、HBr、HI等还原性气体不能选用浓硫酸。否则还原性气体被氧化成单质，本身被还原成SO2硫酸是最常见的酸，它具有强酸性、不挥发性和稳定性，浓H2SO4还具有吸水性、脱水性和强氧化性。在一些反应中仅是硫酸某种性质的单一表现，在另一些反应中则是硫酸某几种性质的综合体现。常温时浓H2SO4能使Fe、Al钝化，也是浓H2SO4氧化性的表现。 4. 硫酸的酸性 硫酸具有酸类的通性，其水溶液能够使石蕊试液变红、与活泼金属反可放H2、与碱性氧化物、碱反应时生成盐和水，这些性质都体现硫酸的性，实际上是硫酸中H+离子性质的体现。如：Zn+H2SO4(稀)=ZnSO4+H2 CuO+H2SO4=CuSO4+H2O2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O 硫酸是一种强酸，可与弱酸盐反应，在制一些弱酸时常利用硫酸的强酸性。如：FeS+H2SO4(稀)=FeSO4+H2S Ca3(PO4)2+3H2SO43CaSO4+2H3PO4 2CH3COONa+H2SO4(浓)=Na2SO4+2CH3COOH 5. 硫酸的不挥发性(或称高沸点性) 可以用硫酸与易挥发酸的盐反应来制取易挥发的酸，或者说可以用硫酸与低沸点酸的盐反应来制取低沸点的酸。由于硫酸具有不挥发性，反应时生成的气体或蒸气中只含有较少的酸雾，便于得到较纯的气体。如： NaCl+H2SO4=NaHSO4+HCl NaNO3(固)+H2SO4(浓)NaHSO4+HNO3 在这些反应中是硫酸的难挥发性与酸性的共同表现。 6. 硫酸的稳定性 硫酸对热的稳定性强，可以用硫酸与不稳定酸的盐反应来制取不稳定酸。如 Na2CO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+CO2 Na2SO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+SO2 不稳定酸分解后可得到相应的气体。 （3）硫酸的用途 硫酸是化学工业中最重要的产品之一，它在各个生产部门的广泛用途，决定了它在国民经济中的作用。长时期来，它被列入国家的主要重工业产品。 农业是国民经济的基础，而化学肥料对农业的发展起着极其重要的作用。众所周知，某些磷肥和氮肥的制造需要大量的硫酸，制造农药也需要硫酸，例如制造某些杀虫剂、除草剂和脱叶剂等等。 硫酸对工业的关系更为密切。在炼焦时需要用大量的硫酸来回收焦炉气中的氨。此外，钢材加工及其制成品的酸洗亦需要硫酸。有色冶金工业，如炼铝。炼铜、炼锌所用的硫酸也是不少的。 硫酸被誉为化学工业产品之母。这说明了它对化学工业的巨大意义。对于基本化学工业，它是生产各种酸类（如硝酸、盐酸）和盐类的原料。在有机工业中许多有机物的合成，如塑料、人造纤维、有机染料等等，都必需使用大量硫酸。在其他化学工业生产中，硫酸还被用于磺化、脱水以及中和等各方面。 在石油工业中，需要大量浓硫酸作为洗涤剂，以除去石油产品中的硫化物和不饱和碳氧化合物。在制革工业、制药工业、油漆工业、电解工业等部门也需要硫酸。硫酸亦被作为重要的化学试剂。 浓硫酸与浓硝酸的混合物用于制取硝化甘油、火棉、三硝基甲苯等炸药。 新兴的原子能工业中，硫酸也用于从铀矿中提炼铀。在原子能工业发达的国家中，硫酸在这方面的消耗量占有相当的比重。此外制造火警用的高能燃料等方面亦都用到硫酸。 高浓度的气态二氧化硫和液态二氧化硫，在工业上用来制造亚硫酸盐类，同时作为防腐剂、漂白剂、或其它许多有机产品的原料。二氧化硫用于制造去垢剂和合成纤维（后者如制取卡布隆），在农业方面用来熏蒸农作物、灭除病虫害。液体二氧化硫还用于染料工业和作为制取保险粉原料。二氧化硫也是重要的冷冻介质之一。 总之，各种工业和农业生产部门都与硫酸有直接或间接的关系。没有强大的硫酸工业，工农业经济的发展肯定会受到很大的影响。因此硫酸工业不仅是化学工业的重要部门，亦是整个国民经济组成中的重要环节。1.1.3硫酸史（1）国内硫酸史 硫酸用途非常广泛，无论在工业部门，还是在发展农业生产、满足人民物质生活需要、加强国防力量，都起着重要作用。硫酸在大宗生产的化学品中产量居于前列，是最重要的化工原料之一。硫酸最重要的用途是生产化学肥料，用于生产磷铵、重过磷酸钙、硫胺等。 在中国，硫酸产量的60%以上用于生产磷肥和复肥。在化学工业中，硫酸是生产各种硫酸盐的主要原料，是塑料、人造纤维、染料、油漆、药物等生产中不可缺少的原料。 在农药、除草剂、杀虫剂的生产中亦需要硫酸。 在石油工业中，石油精炼需要使用大量硫酸作为洗涤剂，以除去石油产品中的不饱和烃的硫化物等杂质。 在冶金工业中，钢材加工及成品的酸洗要用硫酸；电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液需使用硫酸；某些贵金属的精炼亦需用硫酸溶去杂质的其它金属。 在炸药及国防工业中，浓硫酸用于制取硝化甘油、消化纤维、三硝基甲苯等炸药。原子能工业中用于浓缩铀。运载火箭所用染料亦离不了硫酸。 我国的硫酸工业起始于19世纪70年代，在旧中国产量很少。 1949年以前，中国硫酸最高年产量为 180kt(1942)。 1951年，研制成功并大量生产钒催化剂，此后还陆续开发了几种新品种。 1956年，成功地开发了硫铁矿沸腾焙烧技术，并将文氏管洗涤器用于净化作业。 1966年,建成了两次转化的工业装置,成为较早应用这项新技术的国家。在热能利用、环境保护、自动控制和装备技术等方面，也取得了丰硕成果。 1983年硫酸产量达8.7Mt（不包括台湾省）,仅次于美国、苏联，居世界第三位。 新中国建立后，硫酸工业获得了高速发展。传统的工艺流程是硫铁矿制酸法。这种工艺落后，不但厂区内粉尘飞扬，矿渣如山，而且排放出大量废水、废气，严重污染周围环境，每年仅向农户支付的赔偿金和上缴的排污费占据了不少生产成本。 为了减少污染，降低生产成本改用硫磺制硫酸。发达国家早就开始普遍推广了，由于近期进口硫磺比国内便宜，利润空间很大，大多数国内硫酸生产厂家转向用硫磺法生产硫酸。 中国是硫铁矿资源较为丰富的国家，硫铁矿产量居世界首位。相对而言，天然和再生硫磺要少的多，因此硫铁矿是中国硫酸生产的主要原料。用它生产的硫酸占硫酸总产量的80%以上，其它原料在20%以下，其中冶炼烟气占16%左右。根据中国硫资源的特点，今后中国的制酸原料仍以硫铁矿为主，同时大力发展冶炼烟气制酸，稳健的发展硫磺制酸、石膏制酸2。（2）国际硫酸史 8世纪左右，阿拉伯人干馏绿矾（FeSO47H2O）得到一种腐蚀性液体，该液体即为硫酸。Paracelsus记述了用绿矾（FeSO47H2O)为原料，放在蒸馏釜中煅烧而制得硫酸的方法。在煅烧过程中，绿矾发生分解，放出二氧化硫和三氧化硫，其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝，便可得到硫酸。 15世纪后半叶，B.瓦伦丁在其著作中,先后提到将绿矾与砂共热,以及将硫磺与硝石混合物焚燃的两种制取硫酸的方法。 约1740年，英国人J.沃德首先使用玻璃器皿从事硫酸生产，器皿的容积达300l。在器皿中间歇地焚燃硫磺和硝石的混合物，产生的二氧化硫和氮氧化物与氧、水反应生成硫酸，此即硝化法制硫酸的先导。1746年，英国人J.罗巴克在伯明翰建成一座6ft（lft=0.3048m)见方的铅室,这是世界上第一座铅室法生产硫酸的工厂。 1805年前后，首次出现在铅室之外设置燃烧炉焚燃硫磺和硝石，使铅室法实现了连续作业。 早期的铅室法工厂都以意大利西西里岛的硫磺为原料,随着硫酸需求的不断增加,原料供应日益紧张。1916年,美国田纳西炼铜公司建成了一套日产 230270t(以100%HSO计)的铅室法装置。它拥有四个串联的铅室，每个铅室的容积为15600m,这是世界上容积最大的巨型铅室。由于庞大的铅室生产效率低、耗铅多和投资高，19世纪后半期起，不断有人提出各种改进的建议和发明，终于导致以填充塔代替铅室的多种塔式法装置的问世。 1827年，著名的法国科学家J.L.盖吕萨克建议在铅室之后设置吸硝塔,用铅室产品(65%HSO)吸收废气中的氮氧化物。 1831年，英国的P.菲利普斯首先发明以二氧化硫和空气混合，并通过装有铂粉或铂丝的炽热瓷管制取三氧化硫的方法。 1859年，英国人J.格洛弗又在铅室之前增设脱硝塔，成功地从含硝硫酸中充分脱除氮氧化物,并使出塔的产品浓度达76%HSO。这两项发明的结合，实现了氮氧化物的循环利用，使铅室法工艺得以基本完善。 18世纪后半期，纺织工业取得重大的技术进步，硫酸被用于亚麻织品的漂白、棉织品的酸化和毛织品的染色。吕布兰法的成功，又需大量地从硫酸和食盐制取硫酸钠。迅速增长的需求为初兴的硫酸工业开拓了顺利发展的道路。 1870年，茜素合成法的成功导致染料工业的兴起，对发烟硫酸的需要量激增，为接触法的发展提供了动力。 1875年，德国人E.雅各布在克罗伊茨纳赫建成第一座生产发烟硫酸的接触法装置。他曾以铅室法产品进行热分解取得二氧化硫、氧和水蒸气的混合物，冷凝除水后的余气通过催化剂层，制成含43%SO的发烟硫酸。 1881发起，德国巴登苯胺纯碱公司的R.克尼奇对接触法进行了历时10年的研究，在各种工艺条件下系统地测试了铂及其他催化剂的性能，并在工业装置上全面解决了以硫铁矿为原料进行生产的技术关键。当时的接触法装置都使用在较低温度下呈现优良活性的铂催化剂。但其价格昂贵、容易中毒而丧失活性（见催化剂中毒、催化活性）。为此，早期的接触法装置，无论从硫化矿或硫磺为原料，都必须对进入转化工序的气体预先进行充分的净化，以除去各种有害杂质。1906年，美国人F.G.科特雷耳发明高压静电捕集矿尘和酸雾的技术在接触法工厂获得成功，成为净化技术上的重要突破。 1900年世界硫酸产量(以100%HSO计)已达4.2Mt。 1911年，奥地利人C.奥普尔在赫鲁绍建立了世界上第一套塔式法装置。六个的总容积为600m，日产14t硫酸（以100%HSO计）。 第一次世界大战的爆发，使欧美国家竞相兴建接触法装置，产品用于炸药的制造。这对接触法的发展颇具影响。1913年，巴登苯胺纯碱公司发明了添加碱金属盐的钒催化剂，活性较好，不易中毒，且价格较低，在工业应用中显示了优异的成效。从此，性能不断有所改进的钒催化剂相继涌现，并迅速获得广泛应用，终于完全取代了铂及其他催化剂。 1923年，H.彼德森在匈牙利马扎罗瓦尔建成一套由一个脱硝塔、两个成酸塔和四个吸硝塔组成的七塔式装置，在酸液循环流程及塔内气液接触方式等方面有所创新，提高了生产效率。 19世纪30年代起，英、德等国相继改用硫铁矿作原料。其后，利用冶炼烟气生产硫酸也获得成功。原料来源的扩大,适应了当时以过磷酸钙和硫酸铵为主要产品的化肥工业的兴起,从而使硫酸工业获得更大的发展。 在苏联和东欧，曾广泛采用五塔式流程。到50年代，苏联又开发了更为强化的七塔式流程，即增设成酸塔和吸硝塔各一座，其生产强度比之老式的塔式法装置有了成倍的提高，而且可以用普通钢材代替昂贵的铅材制造生产设备。 铅室法产品的浓度为 65%HSO，塔式法则为76%HSO。在以硫铁矿和冶炼烟气为原料时,产品中还含有多种杂质。40年代起，染料、化纤、有机合成和石油化工等行业对浓硫酸和发烟硫酸的需要量迅速增加，许多工业部门对浓硫酸产品的纯度也提出了更高的要求，因而使接触法逐渐在硫酸工业中居于主导地位。 第二次世界大战以后，硫酸工业取得了较大的发展，世界硫酸产量不断增长3。1.2硫酸的生产方法 硫酸的工业生产，基本上有两种方法，即亚硝基法和接触法4。1.2.1亚硝基法 亚硝基法中又可分为铅室法和塔式法。铅室法始于18世纪，因其设备庞大，生产强度低，如今已被淘汰。塔式法是在铅室法基础上发展起来的。铅室法生产硫酸的化学反应为： SO2+NO2SO3+NO 2NO+O22NO2 SO3+nH2OH2SO4+(n-1)H2O NO2+NON2O3 SO2+N2O3+H2OH2SO4+2NO 塔式法是将上述基本上属于气相的反应，利用较小的塔设备并喷淋硫酸，从而转入反应速度较快的液相中进行，以提高生产能力，反应式为： 2NO+O22NO2 NO+NO2N2O3 2NO2+H2SO4HNO3+HNSO5 N2O3+2H2SO42HNSO5+H2O 2HNSO3H2SO4+2NO 虽然亚硝基法在历史上起过重要的作用，但因产品酸浓度低，酸中杂质多，生产中耗用大量的硝酸或硝酸盐等原因，已全部被接触法所取代。1.2.2接触法 接触法制酸几乎是世界上硫酸工业的唯一生产方法。其原料为能够生产二氧化硫的含硫物质，一般含有硫磺、硫化物、硫酸盐、含硫化氢的工业废气（包括冶炼烟气）等。在不同的国家中，由于本国含硫资源的不同，生产硫酸的原料路线有很大的差异，且所用原料的比重随硫资源的供给情况也有所调整。以硫铁矿为原料的接触法硫酸生产过程是目前广泛采用的方法。 它创始于1831年，在本世纪初才广泛用于工业生产。到20年代后，由于钒触媒的制造技术和催化效能不断提高，已逐步取代价格昂贵和易中毒的铂触媒。世界上多数的硫酸厂都采用接触法生产。新中国成立后，即大力发展先进的接触法硫酸生产，逐步代替铅室法和塔式法5。 接触法中二氧化硫在固体触媒表面跟氧反应，结合成三氧化硫，然后用98.3%的硫酸吸收为成品酸。这种方法优于塔式法的是成品酸浓度高，质量纯（不含氮化物），但炉气的净化和精制比较复杂。在外部换热式转化流程中，反应过程与换热过程是分开的。气体在床层中进行绝热反应，温度升高到一定程度后，离开催化床进行降温，然后再进入下一段床层进行绝热反应。每进行这样一次绝热反应成为一段。为了达到较高的最终转化率，必须采取多段催化转化6。一次转化、一次吸收流程：所谓一次转化、一次吸收是指SO2经过多段转化以后只经过一个或串联两个吸收塔，吸收其中SO2后就排放。这种流程比较简单，但转化率相对较低，一般不超过97%。在60年代以前，我国硫酸厂大多数采用这种流程。两次转化、两次吸收流程：60年代以来，转化工艺流程最大的变化就是采用了两次转化、两次吸收新流程，简称为两转两吸。这项新技术开始时，着眼于充分利用硫的资源和减少SO2气体排放量，保护环境。这种方法的特点是：1.最终转化率搞；2.能够处理较高浓度的SO2气体；3.减少尾气中SO2排放量；4.所需换热面积较大；5.系统阻力比一转一吸增加4-5KPa7。接触法制造硫酸的生产过程包含以下三个基本工序：第一，由含硫原料制取含二氧化硫气体。实现这一过程需将寒流原料焙烧，故工业上称之为“焙烧”。第二，将二氧化硫和氧的气体催化转化为三氧化硫，工业上称之为“转化”。第三，将三氧化硫与水结合成硫酸。实现这一过程需将转化所得三氧化硫气体用硫酸吸收，工业上称之为“吸收”。这样，在三个基本工序之外，再加上原料的贮存与加工，含二氧化硫气体的净化，成品酸的贮存与计量，三废处理等工序才构成一个接触法硫酸生产的完整系统。硫铁矿制酸是辅助工序最多且最有代表性的化工过程。前述的原料加工、焙烧、净化、吸收、三废处理，成品酸贮存和计量工序在该过程中均有。 接触法硫酸生产过程分三步，即从含硫原料制造SO2气体、SO2氧化为SO3、SO3与水结合生成硫酸。接触法的特点是SO2的氧化是在固体催化剂存在下用空气中的氧氧化成的SO3的 而这三步转化为三个基本工序就是：第一，由含硫原料制取含二氧化硫气体。实现这一过程需将寒流原料焙烧，故工业上称之为“焙烧”。第二，将二氧化硫和氧的气体催化转化为三氧化硫，工业上称之为“转化”。第三，将三氧化硫与水结合成硫酸。实现这一过程需将转化所得三氧化硫气体用硫酸吸收，工业上称之为“吸收”。这样，在三个基本工序之外，再加上原料的贮存与加工，含二氧化硫气体的净化，成品酸的贮存与计量，三废处理等工序才构成一个接触法硫酸生产的完整系统。硫铁矿制酸是辅助工序最多且最有代表性的化工过程。前述的原料加工、焙烧、净化、吸收、三废处理，成品酸贮存和计量工序在该过程中均有8。 接触法不仅可制得任意浓度的硫酸，而且可制得无水SO3及不同浓度的发烟酸。该法操作简单、稳定，热能利用率高。 目前，生产硫酸的原料主要有硫铁矿、硫磺、含SO2冶炼气及其他含硫原料，在不同的国家中，由于本国含硫资源的不同，生产硫酸的原料路线有很大的差异，且所用原料的比重随硫资源的供给情况也有所调整。1.3硫铁矿制酸工艺1.3.1硫铁矿 普通硫铁矿又称为“黄铁矿”，它是硫和铁的化合物，分子式为FeS2，通常称为二硫化铁。硫铁矿被加热燃烧的过程在工业上称为“焙烧”，也就是二硫化铁的燃烧过程。在20世纪50年代以前硫铁矿是用多层机械炉进行其焙烧过程，缺点是：设备大，投资多而且燃烧不完全，使烧渣含硫高，也影响它的利用价值。据了解，在50年代初德国巴斯夫公司于美国道尔公司各建成将颗粒状或粉状硫铁矿物料在“沸腾”状态（半悬浮状态）下进行焙烧的设备沸腾炉，以后在硫酸装置中代替了用多层焙烧的机械炉。此后我国的南京化学工业公司氮肥厂亦于1956年在国内首先建成这种沸腾炉而在全国推广应用9。1.3.2硫铁矿制硫酸 因为用硫磺作原料成本低，对环境的污染少，所以世界上主要用硫磺作原料制硫酸。我国由于硫磺矿资源较少，主要用硫铁矿作原料。 硫铁矿一般在送往焙烧工序制SO2之前，必须经矿石粉碎、分级筛选粒度和配矿等处理。 （1）SO2炉气的制造 硫铁矿的焙烧，主要是矿石中的二硫化铁与空气中的氧反应，生成SO2炉气。焙烧反应如下： 4FeS211O28SO22Fe2O3 硫铁矿的焙烧是非均相反应的过程。反应在两相的接触表面上进行，整个反应过程由一系列反应步骤所组成。因此，提高焙烧温度、减小矿石粒度。增强气固两相间的相互运动以及提高入炉空气中的氧含量等可以提高硫铁矿的焙烧速度。 （2）SO2炉气的净化及干燥 硫铁矿焙烧得到的炉气除含有SO2外，还含有SO3、水分、三氧化二砷、二氧化硒、氟化氢及矿尘等。炉气中的矿尘不仅会堵塞设备与管道，而且会造成后工序催化剂失活。砷和硒则是催化剂的毒物；炉气中的水分及SO3极易形成酸雾，不仅对设备产生严重腐蚀，而且很难被吸收除去。因此，在炉气送去转化之前，必须先对炉气进行净化：1）采用电除尘器清除矿尘；2）在50以下，用水或稀硫酸洗涤清除砷和硒；3）用电除雾器清除SO3形成的酸雾；4）利用浓硫酸脱水对炉气进行干燥。 （3）SO3的催化氧化 SO2在钒催化剂（主要为V2O5）作用下氧化生成SO3 SO20.5O2SO3 由于该反应为放热反应，必须及时地从反应系统中移走反应热。为此，生产SO2转化多分段进行，在每段间采用不同的冷却形式。为有效地移去多段转化器每一段产生的热量，在段间多采用间接换热和冷激式两种冷却方式。 （4）SO3吸收工艺条件 SO2经催化氧化后转化为SO3，用浓度为98%的硫酸水溶液吸收转化气中的SO3，可制得硫酸和发烟硫酸。在实际生产中，一般用大量的循环酸来吸收SO3，目的是要将硫酸生成热引出系统。吸收酸的浓度在循环中不断增大，需要用稀酸或水稀释，与此同时不断取出产品硫酸10。 （5）尾气的处理 对尾气中的SO2及SO3必须加以回收，以减少环境污染，降低硫酸生产的消耗定额。目前国内硫酸大部分采用氨酸法处理尾气，即可用氨水吸收尾气中的SO2，使其生成亚硫酸氨(NH4)2SO3，然后再用硫酸处理，便生成SO2和硫酸铵(NH4)2SO4，其反应为： SO22NH3H2O（NH4）2SO3 （NH4）2SO3H2SO4（NH4）2SO4SO2H2O 分解出来的高浓度SO2气体，用硫酸干燥后的到纯SO2气体，可返回作为原料，工业上也可单独加工液体SO2产品11。1.4方案的选择 接触法获得工业应用，是目前广泛采用的方法。接触法中二氧化硫在固体触媒表面跟氧反应，结合成三氧化硫，然后用98.3%的硫酸吸收为成品酸。这种方法优于塔式法的是成品酸浓度高，质量纯，但炉气的净化和精制比较复杂。我国最大的硫资源来自硫铁矿，而且把它作为生产硫酸的主要原料。硫酸用途非常广泛，无论在工业部门还是在发展农业生产、满足人民物质生活需要、加强国防力量，都起着重要作用。硫酸最重要的用途是生产化学肥料，用于生产磷铵、硫胺等。硫铁矿制硫酸转化工艺中，转化一次吸收工艺，转化工艺可能达到的最终转化率为97.5%98%，显然在此转化率下，硫的利用率不够高。如果得到更高的转化率，将使催化剂用量大幅度增加，而且转化的段数也要增加，这是很不经济的。在设计是也要考虑尾气直接排入大气的危害，尽量避免造成严重的空气污染，相应的措施，方案都要合理经济。因此本课题采用两转两吸转化工艺。1.5本次设计的目的及意义 本次设计为13wt/a硫铁矿的转化工艺设计，采用的是两转两吸的工艺，其工艺流程图见图1.1。两转两吸工艺的主要优点有： 1. 最终转化率高，转化反应速度快。这样既可满足越来越高的环保要求及提高硫的利用率，而且又不使催化剂用量较一转一吸多。 2 .按环保要求，除了有条件的采用尾气回收工艺及气体浓度较低且规模较小的装置，还保证了转化率和吸收率，降低了物料消耗、污染排放。 3. 能够处理二氧化硫含量较高的气体。硫铁矿制酸一般采用二氧化硫含8.59.0%，硫磺制酸一般采用10.5%14%，富氧焙烧烟气可把二氧化硫含量提高1415%。由此可提高装置的生产能力。IV换II换 本设计主要是根据给出的设计基础数据结合实际生产，掌握硫铁矿转化工艺原理并进行物料衡算和热量衡算，按照设计流程绘制带控制点的工艺流程图，绘制转化炉总装置图及平面布置去二吸塔来一吸塔省煤塔来干燥塔I换III换去一吸塔 图1.1转化工段流程图53第二章 转化工序物料衡算与热量衡算2.1 产品规模和规格 （1）年操作日 300天/年（2）生产方式 连续生产 （3）生产能力 13万吨/年（4）技术要求 二氧化硫 转化率99%2.2确定各断进口温度及转化率2.2.1 温度与平衡转化率的关系二氧化硫转化通常是在不高于0.5MPa压力下进行，而且SO2、SO3浓度又较低，体系可视为理想气体。二氧化硫氧化反应是一个可逆放热反应： 在400700时， （2.1）式中： 平衡常数 T温度/K 平衡转化率 （2.2） 式中：=9.0%进转化器的炉气中的浓度（%） =10.0%进转化器的炉气中的的浓度（%） P=0.11Mpa系统总压力/KPa取反应温度T由公式（2.1）计算由公式（2.2）计算试差过程：时，由公式得=568.766，由公式，设等式右边=0.9000，得=0.9933；同上：设=1.0000得=0.9930；=0.9900得=0.9931；=0.9932得=0.9931；=0.9931得=0.9931；=0.9933得=0.9931。综上取=0.9931。依次计算得平衡转化率与温度的关系列表2-1。表2-1 平衡转化率与温度的关系t/400410420430440450460470480490T/K673.2683.2693.2703.2713.2723.2733.2743.2753.2763.2Kp568.8439.7342.4268.6212.1168.6134.9108.687.8671.50Xt/%99.2998.9798.8398.5098.1497.6897.1496.4595.6794.73t/500510520530540550560570580590 T/K773.2783.2793.2803.2813.2823.2833.2843.2853.2863.2Kp58.5148.1239.7733.0327.5523.0919.4316.4113.9211.86Xt/%93.6092.3590.9189.2687.4185.3083.0280.5177.8374.91t/600610620630640650660670680690 T/K873.2883.3893.2903.2913.2923.2933.2943.2953.2963.2Kp10.138.69 7.48 6.46 5.60 4.86 4.24 3.71 3.252.86Xt/%72.51 69.3166.07 62.7159.3255.8652.4749.1245.8442.68式中：=9.0进转化器的炉气中的浓度（%） =10.0进转化器的炉气中的的浓度（%） P=110kpa系统总压力/Kpa 转化率 最适宜反应温度/K 取不同x值，计算。计算得最适宜温度与转化率的关系列表2-2。表2-2 最适宜温度与转化率的关系/%99.3198.8798.1797.1695.69T/Kt/636.61363.46655.05381.90674.27401.12693.03419.88712.14438.98/%93.6690.94 87.4383.0777.85T/Kt/731.24458.09750.46477.31 769.79 496.64789.28516.13809.03535.882.3.3确定操作线进气组成：占9.0%，SO3占0.2%，占10%，占80.8% 所选取钒催化剂的起燃温度为370 确定转化器一段进口温度380 气体经每层触媒后温度升高，绝热方程是： 式中 进入床层时的气体温度，； t任一床层高度的气体温度，； 与以上温度对应的转化率，%； 绝热 温升，。 平均温度为500，不同进口气体中二氧化硫的值如表2-3。因此，要沿着最佳温度线进行反应，须将反应放出的热量及时移出，所移热量随进口气体中SO2含量提高而增多。表2-3二氧化硫的浓度与值的关系SO2含量/%23456789101112205988117145173200226252278303328506在工业中移去催化床层的热量有两种方法：一种是在反应的同时移去热量，即连续换热式；另一种是先进行一段反应，然后进行移热降温，如此反复数次达到最终转化率，即多段绝热中间换热式。前一种在理论上是很理想的，但在工业实际中由于钒催化剂床层向外传热很困难，如要做到连续换热会使设备很复杂，且温度调节困难，对气体组成和空速的变化适应性也差，所以这种移热形式的转化器在硫酸工业中使用了一个时期即被淘汰。后一种对每一段的局部是升温过程，从整个反应过程来看，是按最佳温度的要求逐步降温。此过程的设备结构要比前一种简单得多且易于操作，所以该种工艺从40年代以后逐渐得到普遍采用。由表2-3查得，浓度为9.0%的SO2对应的值为252。 由图1.1转化工艺流程图确定：本设计是3+1，经III，I，IV，II换热器，第一次转化用三段催化剂，第二次转化用一段催化剂。已知催化剂的使用温度为400-580，考虑到应使操作线尽量与最适温度曲线靠近，且出口温度在催化剂的使用温度范围内，取原料气的第一次转化进口温度为380，第二次转化进口温度为390，四段操作线的斜率根据原理气里SO2的浓度差表得1/252。考虑到原料气的预热过程是依次经历第一次转化的第一、第二、第三、换热器，对应于第一、第二、第三段反应器的冷却，所以如果考虑每个换热器的换热面积相当，则出口气体冷却降温的温差应为第一段大于第二段，第二段大于第三段，按照这个原则，分别取第一段的降温的温差为80，第二段的降温的温差为55，并且每一段转化器的出口温度和转化率对应的点都在平衡曲线和最佳温度曲线之间，由此估算得到