年产10万吨硫酸工艺毕业(课程)设计.doc

陕西科技大学毕业设计 年产 10 万吨硫酸工艺设计 摘 要 硫酸可以由硫铁矿焙烧生成二氧化硫，通过二氧化硫的进一步催化氧化生成三氧 化硫，最后用浓硫酸吸收三氧化硫制得硫酸。本设计是年产 10 万吨硫酸工厂的设计， 主要进行了工艺计算、设备选型，并绘制了工艺流程图、部分工艺物料流程图、全厂 平面布置图、车间的立面图和平面图。 关键词：关键词：硫铁矿，硫酸生产， 工厂设计 I The Factory of Sulfuric Acid Whose Output is 100,000 Tons Per Year ABSTRACT The sulfuric acid can be baked by the sulphur iron mine to burn born sulphur dioxide, The further catalyst which passes sulphur dioxide oxidizes born three oxidize sulphur, Finally absorb with the oil of vitriol three oxidize sulphur system sulfuric acid. This design is the year produces 100,000 ton sulfuric acid factory of design. It include the main equipment computation and the shaping in the technical process, entire factory floor-plan, s various workshops elevation and horizontal plan. KEY WORDS: pyrites，sulfuric acid production，plant design 陕西科技大学毕业设计II 目 录 摘要.I ABSTRACT.II 1 总论.1 1.1 项目依据.1 1.1.1 课题背景.1 1.1.2 硫酸的用途及规格.1 1.1.3 硫酸产业概况及需求现状.1 1.1.4 当代硫酸工业的特点及发展趋势.2 1.2 产品性质、用途及规格.2 1.3 设计原则.3 1.4 设计任务.3 1.5 工厂组织与劳动定员.3 1.6 资金筹措.4 1.7 环境保护与综合利用.4 1.8 劳动安全卫生.5 2 厂址选择.6 2.1 建厂依据.6 2.2 指导方针.6 2.3 选厂经过.6 2.4 环境保护及废物处理.7 3 工艺流程的选择和简介8 3.1 硫酸生产的原料.8 3.2 硫酸生产的方法.8 3.3 工艺流程的选择.8 3.4 工艺流程的简介.9 3.4.1 硫铁矿的预处理.9 3.4.2 硫铁矿的焙烧.9 3.4.3 炉气净化.10 3.4.4 催化氧化10 2 SO 3.4.5 的吸收11 3 SO 3.5 硫酸生产三废治理、能量回收利用.11 3.5.1 三废治理.11 III 3.5.2 能量利用.12 4 工艺计算及设备选型.13 4.1 焙烧工序的工艺计算.13 4.1.1 焙烧工序物料衡算：.13 4.1.2 焙烧工序热量衡算：16 4.1.3 废热锅炉的热量衡算：.18 4.1.4 废热锅炉的工艺计算：19 4.1.5 电除尘器的基本参数计算和选型：.21 4.2 净化工序的工艺计算22 4.2.1 净化工序物料衡算：22 4.2.2 对干燥塔进行物料衡算：23 4.2.3 干燥塔的工艺计算：25 4.3 转化工序的工艺计算27 4.3.1 转化工序物料衡算：27 4.3.2 成塔进行能量衡算：28 4.3.3 转化工序平衡转化率及平衡组成.32 4.3.4 转化器的工艺计算.34 4.3.5 换热器的工艺计算.35 4.4 吸收工序的工艺计算37 4.4.1 吸收工序物料衡算：37 4.4.2 混合器物料衡算：.40 5 全厂总平面及车间设计.41 5.1 总平面设计任务和步骤.41 5.1.1 总平面设计任务.41 5.1.2 工厂组织.41 5.2 总平面设计原则.41 5.3 总平面布置评述.42 5.4 车间布置设计的意义.43 5.5 车间布置设计的原则及方法.43 5.6 车间布置设计与评述.44 5.6.1 关于平面布置方案.44 5.6.2 关于厂房形式.44 5.5.3 车间设备布置.45 5.5.4 车间辅助室和生活室布置.45 5.6 工艺流程设计.46 陕西科技大学毕业设计IV 5.6.1 工艺流程设计的重要性.46 5.6.2 工艺流程设计的原则.46 6 设计结果47 6.1 设计成果.47 6.2 图纸及比例.47 6.3 主要设备的工艺参数.47 总 结.50 致 谢.51 参 考 文 献.52 陕西科技大学毕业设计0 1 总论 1.1 项目依据 1.1.1 课题背景 硫酸是一种十分重要的基本化工原料，其用途广泛，涉及到国民经济各个工业部 门和人们生活的各个方面，曾被誉为“工业之母” ，并以其产量高低作为衡量一个国家 国民经济发展水平的标志之一。在我国其产量的 2/3 用于制造磷肥，另外 1/3 则用于国 民经济的其它行业。近几年来我国高浓度磷复肥发展带动了硫酸需求量的增加，其它 用酸行业的发展也使硫酸需求量增加。 1.1.2 硫酸的用途及规格 硫酸是重要的化工产品，用途十分广泛。硫酸用于生产磷肥(过磷酸钙)和氮肥(硫 酸铵)，其消耗量几乎占硫酸产量一半以上；在有机化工、纤维、塑料、染料以及农药 的生产中都需要硫酸；无机化工，如磷酸、氟氢酸、硼酸等无机酸及硫酸盐、磷酸盐、 铬酸盐等无机盐的生产，也用硫酸；在国防和原子能工业，硫酸用于制造各种无烟炸 药、从铀矿中提取铀；冶金工业的金属精炼、石油工业的产品精制等。 世界硫酸产量 1950 年为 2 780 万，1960 年为 4822 万吨，1970 年为 9107 万吨， 1997 年达到 563 万吨。1997 年美国的硫酸产量 4 515 万吨，我国为 1 991 万吨，位居 第二。 工业硫酸是指 S03与 H2O 以一定比例混合而成的化合物，分为稀硫酸(H2S04含量 65和 75%)、浓硫酸( H2S04含量 92.5和 98%)和发烟硫酸(游离 S03含量 20%)。国家 标准规定的硫酸产品规格如表 11 所示。 1.1.3 硫酸产业概况及需求现状 进入 2006 年，随着下游行业开工率的提高和市场需求的逐步放大，行业继续保持 着快速的增长势头。截止到 2006 年 1-4 月，我国硫酸(折纯)产量、表观消费量、进口 和出口数量分别为 1513.6 万吨、1590 万吨、76.6 万吨和 0.1 万吨，同比增长率分别为 10.1%、11.1%、33.9%和 12.3%。 以磷肥用酸为基准测算我国硫酸产量。预计 2007 年全国 1.磷肥产量 1260 万吨， 比 2006 年仅增长 5%，其它工业用酸增长 5%，以此测算，2007 年我国硫酸表观消费 量 5500 万吨；化肥用酸占总消费量 70%，其它工业用酸占总消费量 30%。由于国际有 色金属价格在高位运行，2007 年我国冶炼酸产量将达到 1200 万吨；大型硫铁矿制酸以 硫铁矿渣为盈利增长点，经济形势将优于硫磺制酸，部分硫磺制酸企业将进一步减产； 年产 10 万吨硫酸工厂设计1 同时，部分生产成本高、环保条件差的小规模装置趋于淘汰，这将有助于我国硫酸工 业的整体结构的改善和调整，增强硫酸企业自身的综合竞争力。 1.1.4 当代硫酸工业的特点及发展趋势 世界硫酸工业的发展，主要表现在扩大生产规模，采用先进技术，节约能源，提 高劳动生产率和消除环境污染等方面。60年代，采用了两吸两转新技术，使二氧化硫 总转化率提高到99.8以上；为加强生产，提高进入转化器二氧化硫浓度；采用提高 余热利用效率及将传统的柱状催化剂改为环状催化剂，改进设备结构及减小系统阻力 等措施；开发了硫酸尾气治理工艺，使排入大气的二氧化硫含量降至10-4以下；在生 产规模和设备上采用大型化，从而降低了成本，取得了显著的经济效益。 硫酸工业的技术发展趣势，主要有以下几个方面： 1) 提高 SO2 气体的浓度，强化设备，降低投资； 2) 降低系统阻力； 3) 采用耐腐蚀材料，保证设备可靠运转； 4) 提高余热利用效率； 5) 消除污染； 6) 生产设备大型化和集中化； 7) 采用电子计算机控制技术； 8) 改进冶炼烟气制酸技术； 9) 加速新技术的开发与研究。 1.2 产品性质、用途及规格 （1）性质：硫酸 相对分子量或原子量：98.07； 密度：1.834（98%） 熔点（）：10.49； 沸点（）：338 （2）性状：纯品是无色油状液体。工业品如含有杂质，则呈黄、棕等色。 （3）溶解情况：溶于水。用水稀释时，应将浓硫酸慢慢注入水中，并随时搅和。 勿将水注入硫酸，以防浓硫酸猛烈地飞溅，引起事故。 （4）用途：应用很广，如制造硫酸盐、合成药物、合成染料、合成洗涤剂、金属 冶炼等。在有机合成中用作脱水剂和磺化剂。金属、搪瓷等工业中用作 酸洗剂。石油工业中用作精炼石油制品。粘胶纤维工业中用于配制凝固 浴。 （5）包装及贮运：用专用槽车(船)装运，或用陶瓷坛(或其它耐酸包装物)包装，每 坛净重45kg。酸坛置于木箱内，周围填草、刨花或细炉渣等物， 坛口用耐酸材料密封每批出厂硫酸都应附有质量证明书。包装上 陕西科技大学毕业设计2 应有明显的“腐蚀性物品”标志。 （6）其他：有很强的吸水能力。使棉麻织物、木材、纸张等碳水化合物激烈脱水而 炭化。为无机强酸，腐蚀性很强，化学性很活泼。几乎能与所有金属及 其氧化物、氢氧化物反应生成硫酸盐，还能和其它无机酸的盐类作用。 （7）产品规格见表1-1 表 1-1 工业硫酸规格（GB53489） 指标浓硫酸发烟硫酸 %/ 42SO H w 92.5 98 %/ 3 SO w游离 20 %/ 灰分 w 0.10 0.100.10 %/ Fe w 0.03 1.3 设计原则 （1）遵守法则，法规，贯彻党的基本建设方针，实事求是，因地制宜 （2）合理利用国家资源和财产，最大限度的发挥硬件设施的内在潜力，节约土地， 减少投资，降低成本； （3）采用成熟的、先进的工艺流程，设备，学习先进的生产技术，努力实现自动化、 现代化提高产品的科技含量； （4）尽可能使生产设备大型化和集中化，采用耐腐蚀材料，保证设备可靠运转； （5）尽可能创造良好的劳动条件，以利于劳动工人的身心健康； 1.4 设计任务 包括硫铁矿制酸的工艺流程设计，物料衡算及热量衡算，主要设备的计算和选型， 画出工艺流程图，全厂平面图以及车间平面、立面布置图。 1.5 工厂组织与劳动定员 1) 工厂体制及组织机构 工厂为股份所有制企业 主要管理人员：总经理（厂长），副总经理（副厂长）（2名） 下属部门：生产部，后勤保障部（下属仓储，能源保障，技术保障等多个单位）， 销售部，财务部，行政人事部等。 2) 生产班制及定员 工厂生产车间将实行三班制，其他部门将实行一班制。 年产 10 万吨硫酸工厂设计3 工厂员工总数为 120 人，其中生产人员 60 人，生产人员当中技术人员为 30 人， 比例为 50%。同时还会不定期的雇佣一部分临时工以应付生产和出货高峰期。 3) 工作制度 正常工作日采用四班三运转，法定假日和星期假日采用轮换倒班制度，连续工作 制： 工作日=365设备维修日 =36565 =300(天) 4) 人员的来源和培训 人员主要在人才市场以及相关学校招聘培训分两部分，入厂培训由工厂行政人 事部门组织培训，高级培训，如高等工艺培训，企业管理培训将与有关院校合作培训。 1.6 资金筹措 本厂建立的资金筹备上，将采取三步分，一部分自筹，再吸引一部分投资，以及 一部分银行贷款，在工厂建成投产后，将发行一部分内部股份吸收内部员工入股，在 快速还清银行贷款的同时起到增加员工的归属感和提高员工的劳动积极性的作用。 1.7 环境保护与综合利用 化工设计必须在全面规划、合理布局、综合利用、保护环境、防止污染反面全面 考虑。根据国家经委、国家计委颁发的建设项目环境保护管理办法 ，从事对环境有 影响的项目都必须执行环境影响报告的审批制度，执行防治污染及其它公害的设施与 主体工程同时设计、同时施工、同时使用的“三同时”制度。 化工设计应符合国家现行的有关标准和规范。有关环境质量标准有： （1）地面水环境质量标准-GB3838-88； （2）环境空气质量标准-GB3095-96； （3）城市区域环境噪声标准-GB3096-93； （4）工业企业厂界噪声标准-GB12348-90； （5）车间空气中有害物质的最高允许浓度； （6）居民区大气中有害物质的最高允许浓度； （7）污水综合排放标准-GB8978-96； （8）锅炉大气污染物排放标准-GB13271-91； （9）大气污染物综合排放标准-GB16297-1996。 经处理过的排入城镇排水管道的工业废水和生活废水，应符合： （1）水文不高于 40； 陕西科技大学毕业设计4 （2）不产生易燃易爆和有毒气体； （3）不伤害养护人员； （4）对病原体必须严格消毒灭菌； （5）有毒物质最高容许浓度应符合工业“三废”排放试行规定 。 对于废渣一般采用填埋、焚化、堆肥前应取得卫生部门的同意，不允许污染水 源土壤。 局部派出的有害气体应净化回收后再向大气排放。 1.8 劳动安全卫生 工业卫生包括防尘防毒、防暑降温、防寒防湿、防噪音、振动控制等，对于一般 化工厂有一定的规定。 根据车间对劳动保护的设计规范工业企业设计卫生标准TJ36-79 规定： （1） 浴室：卫生等级为一级、二级的车间应设车间浴室，三级在车间附近货场去附 近设集中浴室，四季可在居住区设集中浴室。可能引起经皮肤吸收急性中毒的 车间一设事故淋浴。 （2） 更衣室：一级车间的存衣室，便服、工作服应分别存放。二级车间的存衣室， 便服、工作服可同室存放。三级车间的存衣室，便服、工作服可同室存放，存 放室和休息室和并设置。四级车间的存衣室和休息室和并设置，可在适当地点 存放工作服。易沾染经皮肤吸收的有毒气体的车间，设置洗衣房。 年产 10 万吨硫酸工厂设计5 2 厂址选择 2.1 建厂依据 根据各行业发展的需求，以及国际市场的需求，经省政府有关部门的批准，新建 厂的厂址拟选在陕西镇安。 新建厂的主要原料，由安徽省池州市金森矿业有限公司长期提供,该公司是中型硫 铁矿山企业，公司地处 安徽省池州市刘街乡 ，距长江码头 20 公里，距铜陵火车站 65 公里，水路、铁路运输方便。硫铁矿资源丰富，已探明地质储量 320 万吨，工业储量 280 万吨。 2.2 指导方针 （1）遵守国家的政策规定； （2）符合城市规划和工业布局； （3）利于生产，便于生活； （4）对环境不会造成威胁； （5）合理利用资源； （6）节约投资，留有余地。 2.3 选厂经过 厂址选择工作组（又设计部门与工业局主管组成）依据省市委指示，经过多方磋 商，考虑到地势、交通、协作等问题，作为大型的化工原料生产基地，厂址定在陕西 镇安。 主要理由如下： （1）本化工厂是危险系数较大的化工厂，必须要远离城市，以免有产品外泄， 给环境造成不可挽回的破坏，且本厂对环境有一定的污染，主要为空气污染，在厂的 周围有大面积的森林，防止酸雨产生。 （2）工业布局符合安全环境保护要求，地势平整，减少了三通一平的工作量， 且排水良好； （3）有可靠的供电网，输、供电系统； （4）厂址附近有丰富的劳动力资源，有充足的施工力量、建筑材料供应，有充 陕西科技大学毕业设计6 足的施工、设备组装、堆放场地。 （5）厂址周围交通便利，靠近铁路，有利于原料的运输。 2.4 环境保护及废物处理 随着世界特别是我国环境的明显恶化，国民的环境保护意识逐步提高，为了我们 生存环境，为了我们自己，为了我们的子孙后代，必须保护环境。对污染源、废水、 废气、废渣、噪音粉尘烟等的具体防止和处理方法主要依据环境保护法及相应的 可行性研究、环保报告和初审意见来确定。 年产 10 万吨硫酸工厂设计7 3 工艺流程的选择和简介 3.1 硫酸生产的原料 生产硫酸的原料主要有硫磺、硫铁矿、硫酸盐及含硫工业废物。 硫磺是理想原料(含硫 99.5%)，原料纯，流程简单、投资少、成本低。世界上天然 硫矿主要分布在美、日、意、墨西哥等国。石油化工的发展，可从石油、天然气中回 收硫。 硫铁矿是世界上大多数国家生产硫酸的主要原料。分有普通硫铁矿、浮选硫铁矿 和含煤硫铁矿。普通硫铁矿有金属光泽，呈金黄色，又称黄铁矿，是硫化物中分布最 普遍的矿物，含硫 25%-52%，含铁 35%-44%。浮选硫铁矿是浮选铜或锌、锡的废矿， 又称尾砂，其含硫量一般为 35%；煤硫铁矿一般含硫 35-40%，含碳 10-20%。 硫酸盐有石膏(CaSO4)芒硝(Na2SO4)和明矾石KA13(OH)6(SO4)2等，这些原料生产 硫酸，还可生产其它产品。如用石膏生产硫酸和水泥，芒硝生产硫酸、纯碱,明矾石生 产硫酸和钾肥。 含硫废物指冶金厂、石油炼制副产气及低品位燃料燃烧废气中的 S02，炼焦的焦炉 气和合成氨厂半水煤气中的 H2S，及金属加工的酸洗液、炼厂的废酸与废渣。 采用哪种原料生产硫酸，取决于原料的来源和价格。我国 1997 年硫酸，以硫铁矿 制酸占 71.52%，冶炼烟气占 21.53%，硫磺占 5.44%，石膏占 1.2%。 3.2 硫酸生产的方法 硫酸的制造始于 10 世纪的阿拉伯炼金术者，方法是干馏绿矾(FeSO47H2O)，得到 的硫酸称为矾油。15 世纪，用硫磺和硝石混合燃烧，借助氮氧化物的作用将二氧化硫 氧化成酸(硝化法)出现。18 世纪，英国在玻璃容器中实现间歇批量生产；推出铅室取 代玻璃瓶的(铅室法) 。20 世纪，瓷环填料塔的开发成功(塔式法)，使该法生产能力大 大提高，成为硫酸生产的里程碑。 借助固体催化剂的表面活性将二氧化硫氧化生产硫酸的接触法制硫酸的方法，于 1831 年提出，在 20 世纪初，随二氧化硫净化工艺开发成功，形成了工业规模。20 世 纪 40 年代，钒催化剂的出现，促进了接触法的发展。接触法产品质量纯，取代了硝化 法。现在世界上 98以上的硫酸由该法生产。 陕西科技大学毕业设计8 硫铁矿 硫铁矿的破 碎与筛分 硫铁矿的 焙烧 二氧化硫炉 气的净化 二氧化硫的 催化氧化 三氧化硫 的吸收 尾气 制酸 3.3 工艺流程的选择 （1）原料：普通硫铁矿，部分制氨工艺副产品 （2）生产方法：采用接触法，可制得任意浓度的硫酸，不同浓度的发烟酸。该法 操作简单、稳定、热能利用率高、生产的硫酸质量纯。 （3）基本原理：在催化剂存在下，以空气中的氧气氧化二氧化硫，反应方程如下： 4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 2SO2+O22SO3 SO3+H2OH2SO4 反应用 V2O5作催化剂 （4）生产流程： 3.4 工艺流程的简介 3.4.1 硫铁矿的预处理 硫铁矿主要成分 FeS2，还含有铜、锌、铅、砷、镍、钻、硒等的硫化物和氟、钙、 镁的碳酸盐和硫酸盐及少量的银、金等。硫铁矿含硫量为 30-50%，25以下则为贫矿。 含硫越高，焙烧时放出热量越大。硫铁矿的粒度影响焙烧反应速率和脱硫程度，还关 系到焙烧的操作状态。 块状硫铁矿和含煤硫铁矿需破碎和筛分。大矿石破碎至 3545mm 以下，再细碎， 使碎粒小于 36mm，送入料仓或焙烧炉。 3.4.2 硫铁矿的焙烧 焙烧原理 硫铁矿在焙烧中发生化学反应,主要生成炉气,过程分为两步：首先 2 SO 分解 2 FeS 年产 10 万吨硫酸工厂设计9 22 2FeS2FeSSQ 然后是分解物氧化 222 S2O2SOQ 2232 4FeS7O2Fe O4SOQ 总的反应方程式： 22232 4FeS11O2Fe O8SO3411kJ 焙烧过程的副反应：部分 SO2与炉渣(Fe2O3)被氧化为 SO3；钙、镁的碳酸盐分解 为相应的氧化物，与 SO3作用生成硫酸盐；铜、锌、硒、砷等的硫化物生成相应的氧 化物，SeO2)和 As2O3；氟则生成氟化物。 焙烧时放出大量热，除设备的热损失，加热炉气和矿渣及蒸发矿石中的水消耗热。 焙烧操作条件 a温度 提高温度有利于增大 O2通过氧化层的扩散速率，可加快 FeS 焙烧速率， 提高 FeS2 分解速率。但温度太高，使矿料熔融，引起炉内结疤，破坏了炉内正常操作。 焙烧温度控制在 850950。 b矿粒度 矿粒度决定气固相接触表面积和 O2通过氧化铁层的扩散阻力。矿粒度 小，接触面积越大，O2易扩散到矿粒内部，提高焙烧反应速率。矿粒度小会导致炉气 含矿尘多，给净化带来困难。 c氧浓度 O2浓度增加，可加快 O2通过矿粒表面氧化铁层的扩散速度，提高硫 铁矿焙烧速率。氧浓度过高，生成的 SO2在 Fe2O3的催化作用下变为 SO3，生成的酸雾 多，加重净化负荷。 3.4.3 炉气净化 净化的目的和指标 硫铁矿中 As、Se 、F 等元素在焙烧过程中以 As2O3 、 SeO2 、 HF 的形态存在。As2O3和 SeO2使催化剂中毒而失活；HF 腐蚀设备衬里和瓷环，造成 催化剂粉化。炉气夹带的细小矿尘会堵塞孔道，增大阻力，降低催化剂活性。高温时 以气体的金属氧化物存在的矿尘，在降温后凝固于除尘器上形成结瘤，难清除。炉气 中的水蒸气与 SO2形成酸雾，腐蚀管道和设备，难吸收，产酸率下降，污染大气。 工艺流程不同，净化指标有所差别，我国规定的标准(mgm-3)如下： 水分100；尘2；砷5；氟10；酸雾：一级降雾35，二级电降雾5。 3.4.4 催化氧化 2 SO 主要在转化器中，以 S101 为催化剂，将转化为，主要采用二转二吸流程， 2 SO 3 SO 炉气经 3 热交换器预热到 430左右，进入转化器第 1 段催化剂层，转化后气体经 I 换 热器冷却后进第 II 段转化，依次类推。通过 Ill 段转化后，转化率达 95，经 3 换热 陕西科技大学毕业设计10 器冷却后送去第一吸收塔吸收。吸收后的气体经除沫器，再送到 4、2 换热器加热后， 到 420左右进入第 IV 段催化剂进行二次转化。转化后的气体经 4 换热器冷却后，送 去第二吸收塔吸收。 该流程的优点是转化率高 (达 995)，减少了污染，缺点是两次预热炉气，需传热 面积大；不适于 SO2浓度低的炉气，因为转化时放热量太少，难于保持热平衡。 3.4.5 的吸收 3 SO 的吸收收成酸是用硫酸水溶液吸收 SO3。SO3溶解在溶液中，与所含的水化合 3 SO 生成硫酸： nSO3H2OH2SO4(n-l)SO3Q 当 n1 时，生成发烟硫酸；n1 时，生成无水硫酸；n1 时生成含水硫酸。生 产中用浓度为 98.3的酸来吸收，效果最好，过低过高都会使操作恶化。 浓度低于 98.3的硫酸，液面上水蒸气分压大。浓度越低，水蒸气分压越大。SO3 气体和水蒸气迅速结合成硫酸分子，生成的硫酸分子来不及溶解于水中，绝大部分随 不溶性气体(占转化气约 90)一起逸出。不能用水或稀硫酸来吸收。 浓度高于 98.3的硫酸，SO3蒸气压较大。浓度越高，SO3蒸气压越大，吸收推 动力越小。吸收速率低。只有浓度为 98.3的硫酸，在任何温度下，总蒸气压最小， 是理想的吸收剂。 吸收 SO3所用的硫酸，须严格控制浓度和温度。温度太高，硫酸中水分蒸发，与 SO3气体形成酸雾，吸收率降低；温度过低，粘度增大，降低传质系数和吸收速率，吸 收酸温以 4050为宜。 吸收塔用的是 98.3的硫酸，吸收 SO3后浓度越来越高。为了维持酸的浓度不 变，向 93的酸槽中添加 98.3的硫酸；向 98.3的酸槽中添加 93的硫酸。 3.5 硫酸生产三废治理、能量回收利用 3.5.1 三废治理 废渣主要是硫铁矿焙烧后的矿渣，含有氧化铁和残余的硫化亚铁，以及少量铜、铅、 锌、砷和微量元素钴，硒、锌、锗、银、金等。当矿含硫 2535时，生产 1t 硫 酸/0.71t 矿渣。矿渣占耕地，氧化成水溶性硫酸铁，污染水体。废水主要是冷却水， 除含硫酸外，还含有砷、氟的化合物和贵重金属。酸度严重影响水生物生命，砷则为 剧毒物质，氟会影响人体骨骼及牙齿。生产 1t 硫酸/ 1015 t 废水。废气主要是吸收 后排放尾气，含有少量 SO2、SO3以酸雾和水蒸气。 为保护环境，对三废处理，我国硫酸三废排放标准 GB897888 规定，排放烟筒高 30m 时，SO2排放量不超过 34kg/h，酸雾 260mgm-3；废水最高允许浓度(mgL-1)为： 年产 10 万吨硫酸工厂设计11 硫化物 1.0，砷 0.5，铅 1.0，锌 5.0，铜 2.0，汞 0.05，氟 20。 废渣的综合利用的主要途径有：用作生产含铁水泥；作为炼铁原料；用于 提炼有色金属及贵金属；作石油钻井用的钒土液加重剂；制砖、铺路等。 废水治理大都采用石灰乳中和处理。中和污水、与污水中砷、氟起反应生成沉淀外， 与酸泥中的铁离子生成氢氧化铁。再经过活性炭吸附法、离子交换法或其它物理化学 方法处理，便可排放。 减少尾气中的 SO2和 SO3是提高转化率和吸收率，采用二转二吸流程，SO2转化率 99.5，尾气中 SO2降到 100200ugg-1。如国外采用加压法转化，操作压力 2MPa， 总转化率达 99.97，尾气 SO2仅 30ugg-1。 尾气回收方法很多，例如用氨水吸收 SO2，副产生亚硫酸铵，供纸厂代替烧碱制 造纸浆。 3.5.2 能量利用 硫酸生产过程中的三个化学反应都有热量放出。以硫铁矿为原料制酸为例，每生 产 1t 100硫酸，焙烧放热 44 106 kJ，SO2氧化放热 1106KJ，干燥和吸收放热 1.8 106kJ，共计 7.2 106kJ，折合 200 度电。 大型硫酸厂，广泛地用副产高压蒸汽发电。SO2氧化反应温度为 400，若原料中 砷、氟较少，可用副产蒸汽发电。干燥和吸收过程温位较低(120)，目前很少利用。 实际上，硫酸生产的热量回收利用水平还很低，仅为 27.7kJt(硫酸)。 陕西科技大学毕业设计12 4 工艺计算及设备选型 4.1 焙烧工序的工艺计算 4.1.1 焙烧工序物料衡算： 计算依据: 反应方程式： 22223 4FeS11O8SO2Fe O 炉气中的体积含量： 的体积含量： 2 SO12% 3 SO0.3% 的体积含量： 水的含量： 2 CO0.67%8.09% 矿渣中硫的含量： 干矿中硫的含量：0.8%40% ， ， 99% 净化 99% 转化 99.95% 吸收 （1）炉气的的组成： 焙烧硫铁矿所需的氧气来自空气，空气作为焙烧介质，由于空气中的氧主要消耗 于生成和氧化铁矿渣，而氮及其他气体直接进入炉气，计算方法是做氧平衡 2 SO 设：代表参加反应的氧分子数与反应生成的分子数之比；m 2 SO 代表空气中氧的含量（体积分数）n 代表炉气中的含量，（体积分数） 2 (O ) C 2 O% 代表炉气中的含量，（体积分数） 2 (SO ) C 2 SO% 代表炉气中 的含量，（体积分数） 3 (SO ) C 3 SO% 计算以干矿石为基准，若无生成时，对于生成体积的干炉气需要空气量： 3 SO100 22 (SO )(SO ) 100CmC 则加入空气中的氧气量为： 22 2 (SO )(SO ) (SO ) n (100CmC) 100 n 100(m 1)C 100 由此可知，炉气中反应剩余的氧含量： 222 (O )(SO )(SO ) n C100(m 1)CmC 100 2 (SO ) n(m 1) nm C 100 如果炉气中有存在时,炉气中的氧含量为： 3 SO 年产 10 万吨硫酸工厂设计13 223 (O )(SO )(SO ) n(m1)m(m 1) Cnm CmC 100100 式中：代表参加反应的分子数与生成的分子数之比m 2 O 3 SO mm0.5 以空气为焙烧介质： 11 m1.375 8 则反应后炉气中氧含量： 2 (O ) 21 0.37521 0.875 C211.375121.8750.34.88 100100 所以炉气中 2 (O ) C4.88 （2）烧渣量的计算： 烧渣的组成：反应生成的氧化铁 矿石中不可燃烧的部分 未完全燃烧的硫化物 设矿渣中未燃烧的硫以的形式存在，反应生成的氧化物为FeS 23 Fe O 在硫铁矿中含：100kg 2 FeS 120 P1.875kg 64 式中：干矿中的硫含量，P% 在硫铁矿中含：100kgFeS 88 q2.75qkg 32 设代表矿渣产率，则由硫铁矿所得的矿渣中，含，这相当X100kg2.75qXkgFeS 于其余部分等于，并以的形式转入炉渣中，3.75qXkg 2 FeS1.875P3.75qXkg 23 Fe O 的质量为，因此，有干硫铁矿可得： 23 Fe O1.25P2.5qXkg100kg FeS2.75qX 23 Fe O1.25P2.5qX 脉石等 100 1.875X 所以,矿渣总质量等于上述三项之和： 100X1000.625P0.25qX 所以矿渣率等于： 1000.625P X 1000.25q kgkg矿渣矿石 有已知 P=40,取 0.8q 陕西科技大学毕业设计14 1000.625P X74.85 1000.25q 矿渣中各种物料组成： 表 4-1 矿渣的组成 FeS 23 Fe O脉石等 2.2%64.8%33% （3）硫铁矿中硫的烧出率： pX q 100% p 400.8 74.85 100% 40 98.5% 烧 （4）炉气的体积及燃烧所需空气量 若按生产酸为基准，所需炉气的体积1000kg 2 () (SO ) 10001001 V22.4 98C 炉气 总 2 (SO ) 3 22860 C 1795.1m /h 总 2 2 (SO ) () (SO ) 22860100(m 1)C V C100 空气 总 3 100(1.375 1) 12 1795.1 100 2063.9m /1000kg 酸 式中 总烧净化转化吸收 98.5% 99% 99% 99.5% 96.4% 每小时产酸量：吨,圆整后取吨13.914 炉气产量： 3 14 1975.127440m /h 空气用量： 3 14 2063.928675m /h 炉气组成物料表如下： 年产 10 万吨硫酸工厂设计15 表 4-2 炉气组成物料表 名称kg/h 3 V/mKmol/hmol% 3 g/m 1 2 SO 96383292.8150.612 2 2 O 19141339.1604.88 3 3 SO 29482.33.70.3 4 2 N 2542320322.1907.974.06 5 O 2 H 16432219.991.38.09 6 2 CO 363183.88.250.67 7矿尘423 合计39275274401222100423 电除尘器出口物料表如下： 表 4-3 电除尘器出口物料表 名称kg/h 3 V/mKmol/hmol% 3 g/m 1 2 SO 9598327915011.95 2 2 O 1882131758.84.8 3 3 SO 29482.33.70.3 4 2 N 2542320322.3907.974.06 5 O 2 H 16692255.592.78.22 6 2 CO 363183.98.250.67 7矿尘8 合计39229274401221.351008 4.1.2 焙烧工序热量衡算： （1）对沸腾焙烧炉进行热量衡算。 计算依据：硫铁矿含硫（湿基）含水量40%5% 矿渣中含硫量为 烧出的浓度 空气相对湿度0.8% 2 SO12%60% 硫的总利用率为 空气及矿石进料温度均为96.49%25 矿渣烧出温度为 炉子散热为总收入的5004% 矿尘从炉子里带出量占总矿渣量的60% 依据盖斯定律，按下步骤进行： 陕西科技大学毕业设计16 式中：矿石及空气入炉时的温度， 1 t 烧渣及炉气出炉时的温度， 2 t 热衡算基准温度， 0 t 由盖斯定律知： 12R HHHH 定为 25 定为 50 1 t 2 t 的计算 1 H 对于干矿石与空气从变化到，仅有显热变化，但物料除干矿石和干空气外， 1 t 0 t 还需考虑矿中水分及空气中的水分，其热效应为： 4 1ipi01 i 1 Hm C (tt ) 式中：分别代表干矿石、干空气、矿中水、及空气中水的物料量，kg i m 上述四种物料在 t0t1 温度范围内的平均热容，kJ/(kg. ) pi C () () m21748.4 5%1087kg m21748.4 (1 95%)21096kg 矿中水 干矿 由空气相对湿度为 60%，查得湿空气的 HI 图得： 空气含水量为 0.015kg 水/kg 绝干气 () () m28675 1.293 0.015556kg m28675 1.29355636521kg 空气水 空气 由手册查得各种物料的比热为： Cp 水=4.178 Cp 空气=1.009 Cp 矿石=0.54 Cp 矿渣=0.96 1 6 H(1087556) 4.17836521 1.00921096 0.543 (5025) 1.37 10 kJ 年产 10 万吨硫酸工厂设计17 的计算： R H Rt0r HmHmH 矿水 式中：矿石中 FeS2量，kgm矿 矿石中每千克 FeS2在 t0 温度下反应热焓，KJ/kg t0 H 矿石及空气中水分之和，kgm水 每千克水在 t0 温度下等压汽化潜热，KJ/kg r H 按热力学定义， t0 H0 r H0 Rt0r 6 HmHmH 72.5 1000 ( 3310.08)(1087330) 2378.1 4 6.3 10 kJ 矿水 的计算： 2 H 对于炉气及烧渣而言,包括 N2、O2 、SO2 、SO3、水、矿渣、矿尘六个组分 6 2iPi20 i 1 Hm C (tt ) 计算基准：的进气量1h 在转化器一、二、三段反应掉的为： 2 SO 222 2 SO32(SO )32(SO )112 32(SO )123 3 VVV(1) V(1) (1) 47990 7.0% 70%47990 7.0% 30% 85% 47990 7.0% 30% 15% 92% 3347.20m 转化转化转化 转化转化转化 在转化器一、二、三段消耗的为： 2 O 22 3 OSO 11 VV3347.201673.60m 22 产生的： 3 SO 32 3 SOSO VV3347.20m 则去转化器四段的量为： 2 SO 2 3 3SO V7.0%V47990 7.0%3347.2012.1m 产生的气体量为： 3 SO 3 3 4SO4 V12.112.1 95%11.50m 转化 消耗的量为： 2 O 23 3 4O4SO 1 VV5.75m 2 陕西科技大学毕业设计18 未反应掉的量为： 2 SO 3 12.10 11.500.6m (2) 时,代入(2)得570 P K14.9P1.1atm X 14.9 0.1170.035X (1 X)1.1 1 0.035X 用试差法求得： X0.815 即平衡转化率为：81.5% 平衡产物组成为：mol ： 2 SO0.07 (1 0.815)0.013mol ： 2 O0.1170.035 0.8150.0885mol ： 3 SO0.07 0.8150.0571mol ： 2 N0.8092mol ： 2 CO0.0038mol 总计：0.9716mol 则各种气体组分的平衡：mol% ：； ：； 2 SO1.42% 2 O9.11% ：； ：； ： 3 SO5.88% 2 N83.29% 2 CO0.3% 4.3.4 转化器的工艺计算 催化剂床层的直径和高度： 计算依据：催化剂床层填料的体积，最适宜的气体线速度以操作状况下的的空塔 3 62m 线速度表示，处理气量3.2m/s 3 47990m /h 转化塔内件是圆柱形容器，催化剂床层的直径和高度一般由催化剂的体积决定。 根据处理气量和空塔线速度可以计算催化剂床层直径： 即： V47990 D2.3m 0.785W0.785 3600 3.2 圆整为2.5m 式中：催化剂床直径，；Dm 处理气量，；V 3 m /h 操作状态下的空塔气速，Wm/h 由催化剂体积计算催化剂床层高度： 取 k 22 V62 H12.6m 0.785D0.785 2.5 H13m 年产 10 万吨硫酸工厂设计19 由上式计算得到的直径和高度经调整后，进行催化剂床阻力校核，一般合成 塔高径比在范围内。58: H13 5.2 D2.5 经校核合成塔高径比在 58 范围内。 4.3.5 换热器的工艺计算 （1）换热器的工艺计算 热气体进口温度： 出口温度： 579450 冷气体进口温度： 出口温度： 220435 热流量： 换热器由的管组成6kg/s25mm2.5mm 气体的平均比热：0.725KJ/kgC 由于管内外侧气体组成和空气比较接近，近似取空气值，所以 管内侧气体的为,管外侧气体的取 i 2 50W/mC o 2 50W/mC 钢的为45W/mC 由物化手册查得气体的污垢热阻，且近似认为 32 si R0.5 10 mC/W siso RR 由 ooo siso 0iiimo ddbd11 RR kddd 33 2 0.0250.0250.0025 0.0251 0.5 100.5 10 50 0.020.0245 0.022550 0.0462mC/W 2 0 k21.6W/mC 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即，换热器的传热量为： 0m Q S kt 3 hph12 QW C (TT )6 0.725 10 (579450)561KW 21 m 2 1 tt(579450)(435220) t43.8 C t579450 lnln 435220t 3 2 0m Q561 10 S593m kt21.6 13.8 所以换热器的传热面积为 2 593m （2）换热器工艺计算 热气体进口温度： 出口温度： 476440 冷气体进口温度： 出口温度： 265435 陕西科技大学毕业设计20 热流量： 换热器由的管组成9kg/s25mm2.5mm 其它条件与换热器近似相同，气体组成没有发生大的变化，总的传热系数参考 换热器的总传热系数 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即，换热器的传热量为： 0m Q S kt 3 hph12 QW C (TT )9 0.725 10 (476440)234.9KW 21 m 2 1 tt(476440)(435265) t89 C t476440 lnln 435265t 3 2 0m Q234.9 10 S127m kt21.6 89 所以换热器的传热面积为 2 127m （3）换热器工艺计算 热气体进口温度： 出口温度： 473140 冷气体进口温度： 出口温度： 60265 热流量： 换热器由的管组成9kg/s25mm2.5mm 其它条件与换热器近似相同，气体组成没有发生大的变化，总的传热系数参考 换热器的总传热系数 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即，换热器的传热量为： 0m Q S kt 3 hph12 QW C (TT )9 0.725 10 (473 140)2172.8KW 21 m 2 1 tt(473 140)(26560) t263.9 C t473 140 lnln 26560t 3 2 0m Q2172.8 10 S382m kt21.6 263.9 所以换热器的传热面积为 2 382m （4）换热器工艺计算 热气体进口温度： 出口温度： 461140 冷气体进口温度： 出口温度： 70220 热流量： 换热器由的管组成6kg/s25mm2.5mm 其它条件与换热器近似相同，气体组成没有发生大的变化，总的传热系数参考 换热器的总传热系数 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即，换热器的传热量为： 0m Q S kt 年产 10 万吨硫酸工厂设计21 3 hph12 QW C (TT )6 0.725 10 (461 140)1396.35KW 21 m 2 1 tt(461 140)(22070) t225 C t461 140 lnln 22070t 3 2 0m Q1396.35 10 S288m kt21.6 225 所以换热器的传热面积为 2 288m 换热器的选型：选用固定管板式换热器 表 4-11 换热器选型 换热器 名称 公称直 径 （DN） mm 公称直 径 （PN） MPa 管程数 N 管子 根数 n 中心排 管