10万吨╱年硫铁矿制硫酸正文.doc

目录前言 .2第1章 工艺流程论证 .3 1.1 流程选择 .3 1.2 流程说明.4第二章 物料衡算 .6 2.1 原料用量计算.6第三章 典型机器设备选型与论证 .8 3.1 焙烧炉的选择 .8 3.2 净化设备 .9 3.3 干燥设备.9 3.4 二氧化硫催化氧化段设备.10第四章 总结 .10参考文献 .13致谢 . .14前 言纯硫酸是无色透明油状液体，相对密度为1.821.84，冰点10.4，工业生产的硫酸是指SO3和H2O以一定比例混合的溶液，而发烟硫酸是其中SO3和H2O摩尔比大于1的溶液。由于发烟硫酸的SO3蒸汽压较大，暴露在空气中能释放出SO3气体，当它和空气中的水蒸汽接触时能迅速结合并凝聚成酸雾而得名。硫酸是三大强酸之一，几乎能与所有的金属及其氧化物和氢氧化物反应生成硫酸盐，还能其它无机酸的盐类作用。浓硫酸（98%）有极强的吸水性和脱水性，能使棉布纸张木材等碳水化合物脱水碳化，接触人体能引起严重灼伤。硫酸能以任意比例溶解于水，放出大量的溶解热，因此，在操作时只能将酸缓慢的加入水中，并不断搅拌，切不可把水加入酸中，以防止酸液表面局部过热而引起喷酸事故。浓度低于76%的硫酸与金属反应会放出氢气，当氢气在空气中的体积含量达4%75%时有爆炸性。硫酸用途及其广泛，无论是在国民经济各个部门，还是从生产发展，满足人民物质文化需要，加强国防力量等方面都有重要意义。因此，硫酸是十分重要的基本化工原料，曾被誉称为“工业之母”，2003年我国硫酸产量高达3300万吨（以纯H2SO4计）。硫酸的最大用途是生产化学肥料。在磷铵重过磷酸钙硫铵等的生产中，月消耗硫酸产量的一半。在化学工业中，硫酸是生产各种硫酸盐的原料，是塑料人造纤维染料油漆医药农药等行业的原材料。在有色金属的冶炼钢铁酸洗石油精炼轻纺国防等行业中也有广泛应用。我们在知道了硫酸的性质和用途，了解到了硫酸对我们的重要性，那硫酸是怎样生产出来的呢？这次课程设计就是对硫酸的生产工艺进行研究设计。 第一章 工艺流程论证1.1 流程选择 利用硫铁矿接触法制硫酸有两种流程，即为封闭洗流程和水洗流程。两种流程相比，水洗流程的基建费用低，设备少，操作管理简便。但水洗流程生产污水中硫酸浓度太低，难于回收；二氧化硫有一部分溶解在污水中损失；污水中含有砷氟矿尘等有害杂质，需要进行处理，否则会造成环境污染。考虑到硫铁矿的利用率和环境保护等问题选取封闭水洗流程。简易流程图1.2 流程说明在接触法制硫酸封闭洗流程中，可分为四个工段，即为炉气制备，炉气净化，炉气干燥，制酸流程。第一工段：炉气制备炉气的制备即为原料矿石的燃烧到炉气精制，在此过程中分为五步，流程如下图所示。 精选硫铁矿或粒度3毫米以下块矿加料机加入沸腾焙烧炉，炉底用鼓风机送入空气。硫铁矿在炉内于8001000的温度下燃烧，产生二氧化硫及氧化铁，反应式如下：4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 （硫铁矿） （氧） （氧化铁） （二氧化硫）氧化铁称为矿渣，从炉底排出，用作炼铁或制造水泥的原料。含SO2 1014%的二氧化硫气体从炉顶排出，经费热锅炉冷却后，依次通过旋风除尘器和热电除尘器，除去气体中夹带的灰尘。硫铁矿：国外硫铁矿含硫一般大于45%；国内一般含硫35%;含砷不多于0.05%，含氟不多于0.05%。考虑到运输费用等情况则选用国内的硫铁矿。因此，对于原料的来源不存在问题。 第二工段：炉气净化经过除尘器的气体通过文丘里洗涤器间接冷凝器和二级电除雾器的净化操作，使气体冷却下来，同时也捕集气体中所含的砷硒氟等杂质和少量SO2。文丘里洗涤器采用绝热蒸发操作，循环酸系统不设酸冷却器。循环酸浓度根据系统砷氟及SO3含量平衡而定，一般在40%H2SO4以下。净化过程中热量的移走主要在间接冷凝器内进行，根据炉气出口温度调节冷却水量，是冷凝器出口温度在40以下。气体经过两级电除雾器之后，酸雾含量可降至0.005克每立方标米以下。流程如下图所示。第三工段：炉气干燥净化炉气经过第二工段时会带有水蒸气，而在转化器阶段要求水蒸气不存在，则必须要进行炉气的干燥。将炉气通入干燥塔干燥。第四工段：制酸流程制酸系统，流程图中所示的是具有中间吸收塔的制酸系统。中间吸收塔的位置放在转化器第二段触媒层出口之后，也即转化器是采用“2+2式。来自净化的炉气，首先在干燥塔内用93%硫酸干燥除去气体中的水分，然后进入来输送气体的主鼓风机。经过主鼓风机的气体通过一系列的热交换器后被加热到400440进入转化器。在转化吸收过程中炉气经过一次转化中间吸收二次转化最终吸收，将气体中的SO2转化成SO3，并用浓硫酸将其在吸收塔内吸收下来，尾气则由第二吸收塔顶排入大气。转化器各段触媒层之后均设有热交换器，一方面进行反应后气体的冷却以保持最适宜的反应操作温度，另一方面供加热一次转化气和二次转化气的气体进出口温度。干燥和吸收过程都是放热反应，所以在干燥塔中间吸收塔和第二吸收塔的循环酸系统中都设有冷却器。在这个生产流程中可以同时生产93%H2SO4和98%H2SO4，也可以生产一种酸。第二章 物料衡算2.1 原料用量有工艺流程简图我们可以得知，本次流程采用的是两次转化两次吸收装置，能把SO2的最终转化率控制在99.5%以上，本次取为99.6%。假设硫酸浓度以98%计；在流程过程中SO2损失1%；硫铁矿中含FeS2以35%计算；在焙烧炉中燃烧，炉渣中含硫一般为0.1%0.5%，取FeS2的转化率为99.8%计算。 SO3的需要量 设SO3的所需用量为m1万吨。设SO2的所需用量为m2万吨。设FeS2的所需用量为m3万吨。设所需原料m4万吨。有以下化学方程式：SO3 + H2O = H2SO4 80 98 m1万吨 98%10万吨 由方程式则有： 98m1=98%1080 解得： m1 =8万吨 2SO2 + O2 = 2SO3 128 160 99.6%(1-1%）m2万吨 8万吨 由方程式则有： 16099.6%(1-1%)m2=1288 解得： m2=6.49万吨4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 480 512 99.8%m3万吨 6.49万吨 由方程式则有： 51299.8%m3万吨=4806.49 解得： m3=6.10万吨 所需原料矿石质量： m4=m335%=6.1035%=17.43万吨 考虑到原料要足够，则每年大概所需原矿石为17.5万吨。第三章 典型机器设备选型与论证 3.1 焙烧炉的选择 随着流态化技术在硫酸工业中的应用，焙烧炉由固定型块矿炉机械炉到现在全部使用沸腾炉沸腾炉焙烧法与固定床焙烧法相比，具有可以连续操作便于自动控制；固体颗粒较小，气固相间的传热和传质面积大；固体颗粒在气流中快速运动，不断更新反应界面，反应速度加快等优点。因此，此流程选择沸腾焙烧炉。沸腾焙烧炉有长方形和圆形两类。前者在有色金属方面用的比较普遍，其特点是便于在矿粒移动的道路上按不同需要调节空气量。硫酸厂对于硫铁矿的焙烧没有上述要求，不需要分段调节空气量，因此，大多用圆形焙烧炉。根据使用原料和操作条件的不同，圆形焙烧炉又分为直筒型炉扩大型炉（异径一次扩大异径二次扩大）和倒圆锥形炉三种型式。直筒型炉的沸腾炉层和上部燃烧空间直径大小大致相同，适于焙烧粒度细的尾砂，沸腾气速低，操作不易稳定，操作风量要与原料粒度配合适当，入炉矿石必须经过过筛，1mm以上的粒度不得超过30%40%，否则破坏正常运行，但是这种炉型结构紧凑，容积利用率高。实验证明：这种炉也可以适用于掺燃部分块矿，只因操作范围较窄，有它的局限性。异径一次扩大型沸腾炉，沸腾炉炉体一般为钢壳，内衬耐火材料。炉内上部为炉膛，包括飞腾层和上部燃烧空间，下部为空气分部室，中间隔着空气分布板，分布板上装有风帽，风帽间铺上一层耐火泥，空气由鼓风机送入空气室，经风帽向炉膛内均匀喷出。加料口在炉身下段，矿料由此加入，进到炉膛空间，过去加料出从炉体向外突出，称为加料前室，目前多数沸腾炉不设加料室。在加料口有烧渣出口。由上面的两种沸腾炉的特点可知，在10万吨年硫酸生产中，选用异径一次扩大型沸腾炉比较好，因为直筒型炉不易达到产量的需要。沸腾炉有较高的硫烧出率烧渣中硫含量较低，约为0.1%0.5%。烧渣中含硫量高低与很多因素有关，如沸腾层的温度和高度等。温度高有利于硫铁矿的分解，但要受到烧渣熔点的限制，为防止烧渣熔结，炉温不能过高。沸腾层越高，烧渣含硫量越低，则压降越大，动力消耗增加，一般沸腾层浓相高度维护在11.5m左右。3.2 除尘设备 无论采用哪种方法焙烧硫铁矿制得的炉气都会有尘。含尘量的多少与矿石的品位粒度大小焙烧方法焙烧强度等因素有关。一般焙烧炉的出口炉气含尘150300 gNm。若不将尘除净而任其随炉气进入制酸系统，则不仅会堵塞设备和管道，而沉积覆盖在催化剂外表会影响其催化活性，以致经常造成停产大修的状态。炉气的除尘，目前在硫酸生产过程中多采用机械除尘和电除尘两种方法。 3.2.1 机械除尘机械除尘分为集尘器除尘和旋风除尘器两类。集尘器除尘又分为自然沉降与惯性除尘。自然沉降尘粒在重力作用下从气体中分离下来，尘粒越小则自然沉降的速度越慢，完全依靠自燃沉降需要庞大的设备，这种方法多用于分离粒径大于50m以上的尘。惯性除尘是指当尘与气体均以高速运动时，若在设备中急剧的改变气流方向，由于尘粒运动的惯性无法随着气体变向而得以与气体分离。目前，国内外多以废热锅炉代替上述除尘设备，使除尘与回收余热同时进行。废热锅炉蒸汽压力4.25MPa，蒸汽过热温度450。炉气中的渣尘约有30%40%，在废热锅炉内除掉。炉气温度经废热锅炉降至350，而后进入旋风分离器。渣尘由下灰管通过星型密闭排灰阀排出。旋风分离器的出口炉气含尘量为3060gm，为进一步除尘，炉气经电除尘器后可使含尘量降至0.15gm。沸腾炉废热锅炉旋风分离器电除尘器排出的渣尘，经水平刮板运灰机送至滚筒增湿器，少量喷水把渣尘增湿，通过皮带运输机送至堆放处。 旋风除尘是利用离心力的作用，将一定大小粒度的尘与炉气分开，气体沿切线方向进入旋风除尘器，并绕中央导管的中心线做旋转运动，尘粒在器内做辅射状运动到达器壁下落；最后炉气则经中央导气管由顶部逸出。为加快尘粒的沉降速度，提高气速和减少旋转半径都可以使尘粒的离心力增大而有利于分离细小尘粒。但随气速的增加也会导致流体阻力加大；同时还会带起沉降在器壁的尘，因此，气速一般控制在1420ms左右，阻力约5.98.8kPa。旋风除尘器的除尘效率高达97%以上， 是一种结构简单操作可靠造价低廉管理方便的除尘设备，但对10m以下的微小尘粒去除效率很低，故多用于炉气的初级除尘。为使尘粒清除比较彻底，工业上采用多个单级旋风除尘器组成的除尘分离组，炉气经过分离组后，再经过电除尘器即可达到清除要求。3.2.2 电除尘硫酸生产中广泛采用电除尘器来炉气中的细粒粉尘。它的除尘原理是使带尘的炉气在电极间通过，正极与高压直流电源的阳极相连并一同接地称为沉降级，负极与阴极相连称为电晕级。两级的距离一般为125150mm，电晕级直径一般为1.52.5 mm的金属丝，在两级之间通以5090kV的高压直流电时形成不均匀的直流电场，电晕级上电场强度特别大能使导线产生电晕放电，随着电压继续升高，电离区逐渐扩大形成电晕区。带负电的离子充满了整个电场的有效空间密度可达107离子cm，当带有大量尘粒的炉气通过电晕区时，尘粒在负离子撞击下荷电移向沉降级（正极），放点后沉降下来。电除尘的特点是沉降效率高，一般均为95%99%以上，最高可达99.9%；可使尘含量降到0.2gNm以下；能除去粒度在0.01100m间的尘粒。设备生产能力大适应性广阻力小。由以上各种除尘设备的特点及其优点，本流程选用旋风除尘器和热点除尘器并用以达到既经济，除尘效果又好。3.3 净化设备 在炉气的湿法净化中，常用的设备有空塔填料塔泡沫塔文丘里洗涤器间接冷凝器及电除雾器等。3.3.1 空塔空塔主要用作炉气洗涤的第一塔。它具有操作稳定适应性强等特点，在大型制酸装置中应用甚多。空塔在结构上具有塔内部砌拱和不砌拱两种形式。塔的外壳多为焊接钢板，内衬35mm铅板或耐酸陶制材料，亦可用其他抗腐蚀材料，加石墨聚异丁烯石棉酚醛塑料等。空塔除尘效率与矿尘的性质和喷淋密度有关，一般约为60%75%。空塔的容积，除了由生产负荷决定外，还与气流速有关。过去的制酸装置大多采用0.71ms的气速，这样塔的体积比较。为提高塔的生产强度，新建装置空塔气速有所提高。3.3.2 泡沫塔泡沫塔常作为炉气的第二级洗涤设备，亦可用于气液吸收装置。泡沫塔在结构上分为琳降式和溢流式两种那个。塔的外形通常为圆形，也可以制成矩形。淋降式泡沫塔的筛孔有条形圆形等。与溢流式比较，前者筛面上成形的泡沫层薄，压力降小，筛板上无溢流装置，提高了板面利用率。缺点是传质情况差操作弹性小，不易适应气速的波动。筛孔的中兴距与孔直径之比，通常以22.5为宜。过小时，压力降虽低，但液体的泄露量较大，降低传质传热效率。塔板的自由截面应根据筛孔排列方式，所取孔数大小以及处理介质的性质来决定，一般取10%25%。3.3.3 文丘里洗涤器文丘里洗涤器有两种结构形式；文丘里洗涤器采用了高气速，使洗涤液雾化而大大的提高了净化效率。因此具有设备小效益高结构简单操作方便洗涤液用量少等优点。用于炉气净化，具有洗涤降温除雾等多种功效。但也有压力降大对材料要求较高等问题。 由上所述，净化流程的设备选取为文丘里洗涤器间接冷凝器和电除雾器相配合使用。3.4 干燥设备 炉气经过除尘除杂和除雾之后，再经干燥以除去炉气中的水分。主要的干燥设备是填料塔。填料塔不仅广泛应用于炉气的干燥，亦广泛应用于炉气的洗涤和SO3的吸收过程中。它具有操作稳定压降低对生产负荷变化的适应性强等优点，尤适于腐蚀性介质及低阻力条件下，可在大范围内选择结构材料。干燥塔上部分为进酸口及酸分布装置，中部为填料层，下部为锦旗口及分气装置，分气装置可以用耐酸材料（如耐酸砖鞍山岩等）砌成的拱形格栅，上面放板作为填料的支架，亦可以直接放置尺寸较大的瓷杯，瓷杯直径由下往上逐渐减小，在有些干燥塔的顶部还有捕沫层。影响填料塔效能的因素，除了塔本身的结构及操作管理等因素外，选择良好的填料也至关重要。目前，硫酸厂使用的填料种类很多，应根据实际生产情况进行选择。因此，此流程的干燥设备也选取为填料塔。3.5 二氧化硫催化氧化段设备 二氧化硫的催化氧化本流程采用的是两次转化两次吸收工艺。在这个工段中主要有风机换热器转化器和吸收塔组成。离心式风机的性能范围广效率高体积小重量轻能与高速原动机直连。轴流式风机与离心式风机相比，其流量大压力小，一般用于大流量场合。在此流程中队流量的要求不大而需要一定的压力大小，则选取离心式风机。由于气体在管内的压力不高，压力不大，动力消耗小等此流程的换热设备都选取固定管板式换热器。选取固定管板式换热器既经济又能能满足工艺要求。本工艺为了能提高二氧化硫的转化率采用了两转两吸工艺，则转化器的选择需要两级转化器。三氧化硫的吸收主要是利用塔吸收。吸收塔主要有两类，即填料塔和板式塔。填料塔的基本特点式结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等。对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。因此，选取填料塔为三氧化硫的吸收塔。第四章 总结通过这一次对接触法制硫酸的工艺流程的课程设计，我从中学到了许多的知识。了解了如何用书本上的理论知识和从图书馆借来的参考资料等来完成对一个工艺流程的设计，刚开始当说到要做课程设计时，都还不知从何处去入手，但按照规定的任务去做的时候，一步一步去完成课程设计时，才感觉到只要找到切入点时也不是很难，因此我认为不管遇到何种困难的问题，只要你找到这个问题的切入点，再一步一步的抽丝剥茧，这个问题就会变得简单化了。这次我设计的是硫铁矿接触法制硫酸，在这次课程设计中，我进行了对生产原