产万吨硫酸转化系统工艺设计方案.doc

1 / 29 目录目录 摘要：摘要：1 1 ABSTRACT:1ABSTRACT:1 第一章第一章 文献综述文献综述2 2 第二章工艺说明书第二章工艺说明书4 4 2.1概述4 2.1.1产品规模和规格4 2.1.2工艺方案叙述4 2.2 装置设计说明4 2.1.1工艺原理4 2.2.2工艺流程说明5 2.2.3主要设备选型说明5 2.2.4 化工原材料规格及用量5 第三章转化工序物料衡算与热量衡算第三章转化工序物料衡算与热量衡算6 6 3.1转化工序流程示意图及简要说明6 3.2 确定各段进口温度及转化率6 3.2.1温度与平衡转化率的关系6 3.2.2最适宜温度与转化率的关系7 3.2.3确定操作线7 3.2.4各段进口温度及转化率8 3.3 转化工序物料衡算9 3.3.1进转化器一段气体量及成分10 3.3.2出一段气体量及成分10 3.3.3出二段气体量及成分10 3.3.4出三段气体量及成分10 3.3.5出四段气体量及成分10 3.4 转化器各段的热量衡算12 3.4.1转化一段反应热量和出口温度12 3.4.2转化二段反应热量和出口温度14 3.4.3转化三段反应热量和出口温度16 2 / 29 3.4.4转化四段反应热量和出口温度17 第四章安全备忘录第四章安全备忘录2121 4.1概述21 4.2二氧化硫和硫酸的危害21 4.3二氧化硫和硫酸运输、使用等应注意的事项以及如何防护22 第五章环境保护与治理建议第五章环境保护与治理建议23 5.1三废主要来源23 5.1.1废气23 5.1.2 废水23 5.1.3 矿渣23 5.2三废处理方案23 5.2.1 废气23 5.2.2 废水23 5.2.3 废渣24 设计小结设计小结2525 参考文献参考文献2626 致谢致谢2727 1 / 29 摘要： 本设计是进行24万吨H2SO4/年转化系统工艺设计，画出工艺流程图，再画出X- T平衡曲线和最适温度曲线，根据进口原料气的组成，平衡曲线和最适温度曲线以及催化 剂的起燃温度、使用温度大致估计四段转化过程的操作线，根据操作线来进行物料衡算 和热量衡算，如果设定值和实际计算值相差太大，需要用试差的方法重新设定操作曲线 来计算，直到设计值和计算值差不多。完成工艺说明书，安全备忘录，即完成课程设计 说明书。 关键词关键词：催化剂，物料衡算，热量衡算 Abstract: The 24,000 tons of H2SO4 per year conversion system is designed in this paper. The transformation process flow diagram is drawn firstly, and then draw the equilibrium temperature curve and optimum temperature curve. According to the composition of materials gas and the properties of catalyst, we can set the import and export temperature, and the calculation of mass balance and heat balance will be done after drawing the operating line of four periods. The value of the actual exit temperature and set temperature should be closer to each other, otherwise we need return to set the temperature and calculate again. At last, complete the process manual and memorandum, and give some recommendations to environment protection. Key word:catalyst, mass balance, heat balance 2 / 29 第一章 文献综述 硫酸是一种重要的基本化工原料，广泛应用于各个工业部门。硫酸的产量常被用作 衡量一个国家工业发展水平的标志。硫酸主要用于生产化学肥料、合成纤维、涂料、洗 涤剂、致冷剂、饲料添加剂和石油的精炼、有色金属的冶炼，以及钢铁、医药和化学工 业。 我国的硫酸工业起始于19世纪70年代，在旧中国产量很少。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1。 早在8世纪就有硝石与绿矾在一起蒸馏得到硫酸的方法。Paracelsus记述了用绿矾F eSO47H2O）为原料，放在蒸馏釜中锻烧而制得硫酸的方法。在锻烧过程中，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。在18 世纪40年代以前，这种方法为不少地方所采用。古代称硫酸为“绿矾油”，就是由于采 用了这种制造方法的缘故。 二氧化硫氧化成三氧化硫是制硫酸的关键，但是，这一反应在通常情况下很难进行。后 来人们发现，借助于催化剂的作用，可以使二氧化硫氧化成三氧化硫，然后用水吸收， 即制成硫酸。根据使用催化剂的不同，硫酸的工业制法可分为硝化法和接触法。 硝化法包括铅室法和塔式法）是借助于氮的氧化物使二氧化硫氧化制成硫酸。其中 铅室法在1746年开始采用，反应是在气相中进行的。在铅室法的基础上发展起来的塔式 法，开始于本世纪初期。塔式法制出的硫酸浓度可达76左右。目前，我国仍有少数工 厂用塔式法生产硫酸。 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。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 3 / 29 成品酸。这种方法优于塔式法的是成品酸浓度高，质量纯公式公式3.2） 式中：=8%进转化器的炉气中的SO2的浓度%） 7 / 29 =10%进转化器的炉气中的O2的浓度%） =0.11MPa系统总压力 取反应温度T 由公式3.1）计算 由公式公式 公式3.4） 表3 二氧化硫的浓度与值的关系 由上表查得，浓度为8%的SO2对应的值为226。 操作线温度的确定：已知催化剂的起燃温度为360，使用的温度为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，取原料气的进口温度为360，四段操作线的斜率根据原理气里SO2的浓度差表得1/ 226。考虑到原料气的预热过程是依次经过第一、第二、第三、第四换热器，对应于第四 、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65，第二段的降温的温差为50，第三段的降温的温差为40， 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 此估算得到四段反应器的操作曲线。 3.2.4各段进口温度及转化率 表4 一次转化分段转化率和温度 由图2以及表4的数据可得： 转化器第一段操作线方程： 第二段操作线方程： 第三段操作线方程； 第四段操作线方程； SO2浓度，%SO2浓度，%SO2浓度，% 259617310278 388720011303 4117822612328 5145925213506 段数 一二三四 转化率81.8690.7195.1397.79 进口温度360480450420 9 / 29 图2 四段反应过程的X-T关系图 3.3转化工序物料衡算 本设计为24万吨/年硫酸转化系统工艺设计以每小时计算），由 可得实际进气总量为 为方便计算，本设计假设进气总量为1000kmol，故在最后的计算结果上需乘于系数 3.3.1进转化器一段气体量及成分 以1000kmol的进气总量为标准进行计算，已知SO2占8%，O2占10%，N2占82% 10 / 29 3.3.2出一段气体量及成分 3.3.3出二段气体量及成分 3.3.4出三段气体量及成分 3.3.5出四段气体量及成分 由以上计算汇总转化器物料衡算结果于表5 表5 转化器物料衡算结果 进一段 ） ） SO2347.822261.87791.68 O2434.813913.69739.510 N23565.499830.179864.182 11 / 29 3.4转化器各段的热量衡算 气体的摩尔热熔量可按下式求出 4348136005.497395.2100 出一段进二段） SO263.0984038.31413.41.50 SO3284.74222779.46378.26.77 O2292.4299357.76550.46.95 N23565.499830.179864.184.78 4205.6136005.494206.1100 出二段反应热 摩尔反应热 总反应热 一段出口温度 (4一段出口气体带出热量 3.4.2转化二段反应热量和出口温度 (1进转化器第二段气体带入热量已知出转化器第二段气体温度500 所以可得各组分气体的平均摩尔热容： SO2的平均摩尔热容： SO3的平均摩尔热容： 15 / 29 O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出二段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量： SO3所需热量： O2所需热量； N2所需热量： 所需总热量： (3反应热 摩尔反应热 总反应热 二段出口温度 (4二段出口气体带出热量 3.4.3转化三段反应热量和出口温度 (1进转化器第三段气体带入热量出转化器第三段气体温度460 各组分气体的平均摩尔热容： SO2的平均摩尔热容： SO3的平均摩尔热容： 17 / 29 O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出三段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量： SO3所需热量： O2所需热量： N2所需热量： 所需总热量： (3反应热 摩尔反应热 总反应热 三段出口温度 (4三段出口气体带出热量 3.4.4转化四段反应热量和出口温度 (1进转化器第四段气体带入热量已知出转化器第四段气体温度426 所以可得各组分气体的平均摩尔热容： SO2的平均摩尔热容： SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： 19 / 29 N2 的平均 摩尔热 容： 故出四段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量： SO3所需热量： O2所需热量： N2所需热量： 所需总热量： (3反应热 摩尔反应热 总反应热 四段出口温度 (4四段出口气体带出热量 转化器热量平衡见表6 表6 转化器热量衡算结果 气体进口气体出口 段数 温度热量 反应热量 温度热量 一段360486480332839192854577039960 二段48066210200306694050069277141 三段45061825699153292746063358626 20 / 29 第四章安全备忘录 4.1概述 本设计中的主要危害物为原料气中二氧化硫，以及产物硫酸。二氧化硫是大气中主 要污染物之一，是衡量大气是否遭到污染的重要标志。 在我国的一些城镇，大气中二氧化硫的危害较为普遍而又严重。而硫酸对皮肤、粘膜等 组织有强烈的刺激和腐蚀作用，会对人体产生严重危害，所以对这些物质必须进行有效 的防范。 4.2二氧化硫和硫酸的危害 二氧化硫进入呼吸道后，因其易溶于水，故大部分被阻滞在上呼吸道，在湿润的粘 四段42057501591923184.842658424776 23418552433914979268100502.5 21 / 29 膜上生成具有腐蚀性的亚硫酸、硫酸和硫酸盐，使刺激作用增强。上呼吸道的平滑肌因 有末梢神经感受器，遇刺激就会产生窄缩反应，使气管和支气管的管腔缩小，气道阻力 增加。上呼吸道对二氧化硫的这种阻留作用，在一定程度上可减轻二氧化硫对肺部的刺 激。但进入血液的二氧化硫仍可通过血液循环抵达肺部产生刺激作用。二氧化硫可被吸 收进入血液，对全身产生毒副作用，它能破坏酶的活力，从而明显地影响碳水化合物及 蛋白质的代谢，对肝脏有一定的损害。动物实验证明，二氧化硫慢性中毒后，机体的免 疫受到明显抑制。二氧化硫浓度为1015ppm时，呼吸道纤毛运动和粘膜的分泌功能均能 受到抑制。浓度达20ppm时，引起咳嗽并刺激眼睛。若每天吸入浓度为100ppm8小时，支 气管和肺部出现明显的刺激症状，使肺组织受损。浓度达400ppm时可使人产生呼吸困难 。二氧化硫与飘尘一起被吸入，飘尘气溶胶微粒可把二氧化硫带到肺部使毒性增加34 倍。若飘尘表面吸附金属微粒，在其催化作用下，使二氧化硫氧化为硫酸雾，其刺激作 用比二氧化硫增强约1倍。长期生活在大气污染的环境中，由于二氧化硫和飘尘的联合作 用，可促使肺泡纤维增生。如果增生范围波及广泛，形成纤维性病变，发展下去可使纤 维断裂形成肺气肿。二氧化硫可以加强致癌物的致癌作用。据动物实验，在二氧化硫作 用下，动物肺癌的发病率高于单个因子的发病率，在短期内即可诱发肺部扁平细胞癌。 硫酸蒸气或雾可引起结膜炎、结膜水肿、角膜混浊，以致失明；引起呼吸道刺激， 重者发生呼吸困难和肺水肿；高浓度引起喉痉挛或声门水肿而窒息死亡。口服后引起消 化道烧伤以致溃疡形成；严重者可能有胃穿孔、腹膜炎、肾损害、休克等。皮肤灼伤轻 者出现红斑、重者形成溃疡，愈后癍痕收缩影响功能。溅入眼内可造成灼伤，甚至角膜 穿孔、全眼炎以至失明。慢性影响：牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、肺气肿和肺硬化。环 境危害：对环境有危害，对水体和土壤可造成污染。燃爆危险： 本品助燃，具强腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。 4.3二氧化硫和硫酸运输、使用等应注意的事项以及如何防护 生产、运输和使用二氧化硫时应严格按照刺激性气体有害作业要求操作和作好个人 防护，可将数层纱布用饱和碳酸氢钠溶液及1%甘油湿润后夹在纱布口罩中，工作前后用2 %碳酸氢钠溶液漱口。生产和使用场所空气中二氧化硫浓度不应超过15mg/m3的最高容许 浓度。有明显呼吸系统及心血管系统疾病者，禁止从事与二氧化硫有关的作业。若有人 中毒，应立即将患者移离有毒场所，呼吸新鲜空气或氧气、雾化吸入2%5%碳酸氢钠+ 22 / 29 氨茶碱+地塞M松+抗生素。用生理盐水或清水彻底冲洗眼结膜囊及被液体二氧化硫污染 的皮肤。.对吸入高浓度二氧化硫有明显刺激症状，但无体征者，应密切观察不少于48h， 并对症治疗。积极防治肺水肿，可早期、足量、 短期应用糖皮质激素。需要时可用二甲基硅油消泡剂。 硫酸操作处置：密闭操作，注意通风。操作尽可能机械化、自动化。操作人员必须 经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防毒面具全面罩）， 穿橡胶耐酸碱服，戴橡胶耐酸碱手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。远离易燃 、可燃物。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与还原剂、碱类、碱金属接触。搬运 时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理 设备。倒空的容器可能残留有害物。稀释或制备溶液时，应把酸加入水中，避免沸腾和 飞溅。 硫酸运输注意事项： 本品铁路运输时限使用钢制企业自备罐车装运，装运前需报有关部门批准。铁路非罐装 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。起运时 包装要完整，装载应稳妥。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏。 严禁与易燃物或可燃物、还原剂、碱类、碱金属、食用化学品等混装混运。运输时运输 车辆应配备泄漏应急处理设备。运输途中应防曝晒、雨淋，防高温。公路运输时要按规 定路线行驶，勿在居民区和人口稠密区停留。 第五章环境保护与治理建议 5.1 三废主要来源 5.1.1 废气 一转一吸工艺及尾气回收后的主要废气为SO2。 5.1.2 废水 硫酸制备工艺主要采用硫铁矿，故总有酸性污水排出。硫酸废水通常具有色度大、 酸度高的特点，其主要有害物质是硫酸、亚硫酸、矿尘、砷、氟以及多种中金属离子等 23 / 29 。 炉气酸洗净化流程排除的烯酸，浓度一般在3%20%之间，除含有矿尘外，们还有 砷、氟等杂质，通常被称为废酸。 5.1.3矿渣 矿渣是硫酸生产过程中排除的废渣，主要为硫铁矿渣。我国硫铁矿都含砷，焙烧过 程中砷的少出率只有约40%，大部分仍六在矿渣中，经焙烧后的砷大部分是水溶性的，遇 雨水浸泡后会被溶出，最终流入江河，污染水体。 5.2 三废处理方案 5.2.1 废气 低浓度的SO2烟气回收方法很多，主要有氨-酸法、钠-酸法和活性炭法，其中以氨- 酸法应用最为广泛。除能消除SO2污染，保护环境之外，还可综合利用生产处有经济价值 的固体亚硫酸钠、亚硫酸氢铵、固体亚硫酸钠等延伸产品。 5.2.2 废水 硫酸工业污水的处理，通常采用石灰中和的方法，此外还有电石渣-铁屑处理法。 废酸的利用：把沉降分离后的烯酸直接与98%的浓硫酸参合，配成72%的硫酸用于 制造普通磷酸钙。代替水补加到吸收塔循环酸槽内，制成商品硫酸。废酸热解在生 。进行浓缩处理制成浓硫酸。用硫化法处理污酸回收金属。 5.2.3 废渣 硫铁矿渣含有丰富的铁和其他金属，因此采用磁选铁精矿、矿渣制砖、氯化球团炼 铁等方法将其综合利用。 24 / 29 设计小结 课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通 过这次为期两周的课程设计，使我拓宽了知识面，锻炼了能力，把所学知识进行了串联 ，综合素质得到较大提高。同时也使我明白了自己的知识还比较欠缺，自己要学习的东 西还太多；明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学 习，努力提高自己知识和综合素质。 作为这个学期学习体系的有机组成部分，课程设计虽然只有两周，但具有重要的意 义。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果：把课堂上 学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并