年产25万吨硫磺制酸焚酸工段工艺设计 毕业论文.doc

宁夏理工学院毕业设计摘要 本设计是年产25万吨硫磺制酸焚硫工段工艺设计。整个设计是由设计正文和工艺流程图构成，以硫磺为原料生产硫酸，大大简化了工艺过程，节省投资费用，且产品质量高。描述了硫酸一些性质以及制酸过程的反应原理,对焚硫、转化、吸收三个工段以及整个工艺流程做了阐述。重点分析了焚硫和吸收工段的各个工艺指标，工艺条件。对焚硫工段的焚硫炉,转化化工段的转化器和换热器这三个设备做了宏观的设备选型，并且对焚硫炉和转化器做了物料的衡算。为了使设计更加合理与完善,在设计中还解决了废水的处理问题。关键词：硫酸；硫磺制酸；焚硫炉；转化器Abstract This designs are the burning sulfur section process of sulphuric acid project inoutput of 250000 tons every year. The whole designs are made up of the text of the designs and the process flow diagrams, which take sulfur as raw material to produce sulfuric acid, greatly simplify the process, save the investment cost and improve product quality. The designs describe some properties of sulfuric acid and reaction principle of the acid process, three section of burning sulfur, transformation, absorption and the entire process are explained in this paper. Importantly, each process indexes of the burning sulfur and absorption section and the process conditions are analysed. In addition, three devices that include the stove of sulfur in the section of the burning sulfur, the converter and heat exchanger in the section of the transformation are choosen. At last, the material balances of sulfur furnace and converter are caculated. In order to make a design more reasonable and perfect, we also added wastewater treatment in the design.Key words: Sulfuric Acid; Sulfuric Acid by Sulfur; The stove of sulfur;Converter目录摘要IAbstractII目录III1 综述- 1 -1.1设计概况- 1 -1.2硫酸几种不同的生产工艺- 1 -1.2.1以硫磺为原料- 1 -1.2.2以硫铁矿为原料- 1 -1.2.3冶炼烟气和其它原料- 2 -1.3硫酸的简介- 2 -1.3.1相对密度- 2 -1.3.2硫酸的结晶温度- 3 -1.3.3硫酸的热熔、热焓- 3 -1.3.4硫酸的沸点蒸气压和蒸气组成- 3 -1.3.5硫酸的粘度- 4 -1.3.6硫酸的化学性质- 4 -1.3.7硫酸的用途- 4 -1.3.8注意事项- 5 -1.4国内外硫酸工艺技术概况- 5 -1.5市场需求预测- 6 -1.6硫磺制酸工艺技术方案的选择- 6 -1.6.1熔硫工段- 7 -1.6.2焚硫工段- 8 -1.6.3转化工段- 8 -1.6.4吸收工段- 8 -1.7废热回收- 9 -2 工艺计算- 11 -2.1二氧化硫转化反应的基本原理- 11 -2.1.1二氧化硫转化成三氧化硫工艺操作条件选择和选定理由- 12 -2.1.2转化反应的温度- 12 -2.1.3转化反应的进气浓度- 14 -2.1.4转化器的通气量- 17 -2.2焚硫炉主体计算- 17 -2.2.1硫磺焚硫的物料衡算- 17 -2.2.2气体流量及组成计算- 18 -2.2.3液体流量及组成计算- 20 -2.3 气体能量衡算- 22 -2.3.1焚硫炉出口炉气温度计算- 22 -2.3.2余热锅炉移走热量- 23 -2.3.3空气预热器空气升温计算- 24 -2.4主要设备核算- 24 -2.4.1焚硫炉- 24 -2.4.2管道直径核算- 25 -3 主要设备- 26 -3.1焚硫炉- 26 -3.2转化器- 26 -3.3干吸塔- 28 -3.4循环吸泵- 28 -3.5气体换热器- 29 -3.6空气鼓风机- 32 -3.7废热锅炉- 32 -参考文献- 34 -总结语- 35 -致谢- 36 -附录- 37 - 37 -1 综述1.1设计概况 （1）大力加强工艺流程与设备配套开发的工作，在充分吸取国内外科技成果的基础上，通过设计方案的比较和选择，提高装置的技术水平，完全实现设备国产化，以节约工程建设投资。确保装置技术先进、工程投资省、运行费用低，装置运行可靠性高。做出高水平、高质量、高效益的“三高”设计。 （2）在做好主装置设计的同时，要注重节能、环保、安全、消防、抗震、劳动安全及工业卫生的配套设计。“三废”排放必须符合国家的有关标准和本项目环评报告的要求。生产操作的环境条件必须符合国家劳动安全及工业卫生的要求。贯彻执行国家有关环境保护和职业安全卫生的政策和法规。 （3）认真贯彻“五化”的设计原则，尽量提高“工厂布置一体化、生产装置露天化、建筑物轻型化、公用工程社会化、引进技术国产化”的程度。贯彻“安全生产，预防为主”的方针，确保本工程投产后符合职业安全卫生的要求，保证职工的安全和健康。 （4）在确保工程质量的前提下，尽量降低工程造价，使项目综合技术经济指标达到先进水平。 1.2硫酸几种不同的生产工艺1.2.1以硫磺为原料 目前硫磺生产主要地区是美国、加拿大、中东、前苏联，世界硫磺贸易最大进口国是中国，占最大出口地区是加拿大和中东。进口硫磺可充分利用世界硫资源，补充我国硫资源的不足。近年进入贸易市场的量还不够大，世界运输保险费大幅度增加，世界海运费大幅度增加，加拿大铁路运输费用增加。硫磺贸易中所占份额最大的是加拿大、中东出口方和中国进口方。目前的高价位能促使我国硫磺制酸增长的势头下降。我国进口硫磺的增长率逐步减小，对于不利因素的逐步缓解，硫磺在市场供应量增加，在市场经济的环境下价格有望不再增加而有小幅度回落，虽不可能再回到年以前的低价位。但在未来几年我国硫磺制酸在现有生产能力的基础上保持平稳的增长是恰当的。1.2.2以硫铁矿为原料 硫铁矿是我国的自有资源，从我国这个人口大国的安全和经济发展考虑，保持一定规模的硫铁矿采选能力和硫铁矿制酸能力是需要的。同时，从我国硫铁矿资源状况上考虑又应该节约使用，恰当地利用国外的硫资源，维持现有硫铁矿原料能力并稳步增长不但对国家经济安全有利，而且可以稳定世界硫磺市场，反过来对我国进口硫磺有利，总体上对我国硫酸工业的长期发展有利。发展硫铁矿矿源包括后备资源的勘探、资源开发利用的规划和评价、资源合理利用的研究、技术开发、矿山建设、提高生产能力和技术水平等。要本着节约资源的观点，矿山和硫酸厂都要考虑在充分利用中、高品位矿的同时如何利用好低品位矿，提高资源的综合利用率。1.2.3冶炼烟气和其它原料 冶炼烟气主要是有色金属硫化矿物冶炼时产生的含二氧化硫烟气，冶炼烟气制酸实际是冶炼厂的副产品，是随着冶金工业的发展而发展。我国冶炼烟气制酸发展迅速，已形成较大的生产能力，其硫酸产量占全国总产量的左右。石膏、磷石膏是我国硫酸原料潜在的硫资源，目前已有口以上的工业生产能力，但近期大规模发展的条件还不够成熟。我国煤炭中所含的硫也是潜在的硫资源，目前燃煤烟气脱硫主要采用抛弃法，回收这部分硫的开发研究和工业化应该加紧进行。 目前我国硫酸工业是硫铁矿制酸和硫磺制酸为主。现如今随着人们对环保意识的增强、生产技术的发展和市场经济的变化，硫磺制酸体现了越来越多的优点：1.沿海地区原料到厂价格约为450-550元/吨，国内硫铁矿到厂价格为200-220元/吨（折35%S）。硫磺制酸消耗的水、电和原料费用低于硫铁矿制酸。生产成本的降低有利于企业提高经济效益；2.硫磺制酸装置中省掉了焙烧、净化工段，只有熔硫、焚化、转化、干吸、成品工段，原料的加工也比硫铁矿制酸装置简单，因此工艺流程短，物料处理量少，设备少，建设工期短。其建投资约为硫铁矿装置的50%。也降低了装置的管理费用。3.原料运输量少，硫磺杂质少，产品质量好，单位产品能耗低，热能利用效率高。4.废物排放量少，有利于环境的保护。 由上述原因，采用硫磺为原料制取硫酸有更大的优越性。1.3硫酸的简介 硫酸，化学分子式为H2SO4，是一种具有高腐蚀性的强矿物酸，一般为透明至微黄色，在任何浓度下都能与水混溶并且放热。有时，在工业制造过程中，硫酸也可能被染成暗褐色以提高人们对它的警惕性。1.3.1相对密度相对密度即单位体积硫酸的重量与同体积4水的重量之比。相对密度与密度在概念上是不同的，密度即单位体积硫酸的质量，g/cm。但对于同一条件下的同一硫酸的相对密度与密度在数值上是统一的。硫酸相对密度是温度与酸浓度的函数。当固定温度，硫酸的相对密度随浓度升高而升高。当固定硫酸浓度，相对密度则随温度升高而下降。此属于一般的变化规律1。1.3.2硫酸的结晶温度液体硫酸转变为固体硫酸时的温度称为结晶温度。结晶温度随硫酸浓度不同而变化，其变化关系是不规则的2。市场上几种常见硫酸品种的结晶温度如表1.1所示：表 1.1 常用硫酸和发烟硫酸的结晶温度硫酸浓度%结晶温度硫酸浓度%结晶温度10.04.7100+10.37176.022.2游离SO3101.593.027.0游离SO320+2.598.5+1.8游离SO3650.35掌握了硫酸结晶温度具有下述意义：a.硫酸贮存输送提供了防止发生冻酸的温度控制依据。b.为了确定产品浓度范围提供了依据。c.对处于不正常情况下发生的酸冻结原因分析提供了理论依据。1.3.3硫酸的热熔、热焓热容指在不发生相变又不发生化学反应和无其它功能的条件下，单位硫酸温度升高或降低1时，所引起的热量变化。以摩尔为单位，即摩尔热容kJ/（molK），以质量千克为单位即为比热kJ/（molK）。从实验上得知，将同一种浓度的硫酸从0mol/L升高到1mol/L与从99mol/L升高到100mol/L所需要的热量是不同的。可见不同的温度下有不同的热容，为了使用上的方便，在工程计算中采用平均热容。热焓是指某一单位重量（kg）的硫酸在某一温度下含有的热量。热焓是状态函数，它的变化由始态和终态决定，与中间过程无关3。1.3.4硫酸的沸点蒸气压和蒸气组成H2OSO3为二元系统，其溶液具有恒沸状态的性质，这种性质在硫酸水溶液的浓缩、SO3吸收以及浓硫酸用作干燥剂等方面有着极其重要的意义。溶液的沸点随H2SO4含量的增加而升高。当浓度达到98.3%时达最大值（336.8），此后则下降，至100% H2SO4时为296.2。发烟硫酸的沸点，则随SO3（游离）百分含量的增大而下降，直降至44.74。常压下加热浓缩稀硫酸，当酸浓达到98.3%时，液面上的气相组成与液相组成达到相同，即使继续加热蒸发，液相组分不变，这时沸点（338.8）称恒沸点。这说明在常压下只能将稀硫酸浓缩到98.3%，成为理论上的浓缩浓度。但在生产操作中为了经济性和减少硫酸损失，通常只是将稀硫酸浓缩至92%95%。位于恒沸点右边的区域，其特点是沸腾时，液体中的硫酸含量不是增加而是降低，一直降到98.3%时为止。此时沸点不是升高而是降低。这种现象是由于硫酸分解产生的SO3比H2O汽更易自液相中逸出。当温度一定时，硫酸液面上的总蒸气压随硫酸浓度升高而降低，且在98.3%时总蒸气压最低。当酸浓超过98.3%时，总蒸气压随浓度的升高（游离SO3%增加）而增大。如表1.2所示：表 1.2 各种浓度硫酸的常数值H2SO4%204060809098.3100常数值8.9228.8448.8419.2939.2559.7809.8051.3.5硫酸的粘度 硫酸粘度是表示流体硫酸内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度的大小不仅对输送管路的阻力和泵的动力消耗有很大影响，而且对传热、硫酸溶解度和金属溶解速度等也有较明显的影响。硫酸的粘度随酸浓度增高而增大，随酸温增高而减少。由于粘度比较大，故硫酸外观是无色透明似油状的液体。在一定温度条件下加入填加剂（凝固作用）可制的固体硫酸（胶体状）5。1.3.6硫酸的化学性质 （1）、吸水性： H2SO4+H2OH2SO4H2O （2）、脱水性： C12H22O11 12C+11H2O （3）、强氧化性：Cu+H2SO4（浓）CuSO4+SO2+H2O C+H2SO4（浓）CO2+SO2+H2O （4）、还原性： Fe+H2SO4FeSO4+H21.3.7硫酸的用途 （1）工业用途 用于冶金工业和金属加工在冶金工业部门，特别是有色金属的生产过程需要使用硫酸。用于石油工业汽油、润滑油等石油产品的生产过程中，都需要浓硫酸精炼，以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。 （2）解决人们衣食住行的作用 用于化学纤维的生产为人民所熟悉的粘胶丝，它需要使用硫酸、硫酸锌、硫酸钠的混合液作为粘胶抽丝的凝固浴。用于化学纤维以外的高分子化合物生产塑料等高分子化合物，在国民经济中越来越占有重要的地位。用于日用品的生产生产合成洗涤剂需要用发烟硫酸和浓硫酸。 （3）农业用途 土壤改良，在农业生产中，越来越多地采用硫酸改良高pH值的石灰质土壤。将硫酸注入牛奶场湖泊，改变湖水pH值，可解决圈养牲畜过程产生的若干空气和水质问题，将硫酸施入农用土壤和水中，其主要作用是溶解钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐。简单地降低土壤的pH值，提高它们对植物的效力。在高pH值的石灰质土壤上施用酸，可使植物更加健壮，收成增加。1.3.8注意事项 皮肤接触：大量硫酸与皮肤接触需要先用干布吸去，不能用力按、擦，否则会擦掉皮肤；少量硫酸接触无需用干布。然后用大量冷水冲洗，再用3%-5%碳酸氢钠溶液冲洗。眼睛接触：立即提起眼睑，用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟。吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。食入：用水漱口，给饮牛奶或蛋清。1.4国内外硫酸工艺技术概况（1）国外工艺技术概况 国外硫酸生产的原料主要是硫磺，其生产规模正向大型化发展，最大单系列能力为美国MEC公司在澳大利亚Murrin承建的4400t/d，带低温余热回收（HRS）系统的硫酸装置。一般新建装置规模3000t/d，由于装置大型化，对节约投资，提高劳动生产率，降低生产成本等方面效果显著。随着环保法日趋严格，生产技术趋向采用“3+1”或、“3+2”两转两吸流程，总转化率在99.799.9，尾气SO2含量低于300PPM，酸雾含量低于45mg/m3。采用先进技术，强化设备能力，不断采用结构先进、效率高、节能耐用的机泵设备，从而使硫酸装置的生产稳定，开工率高，安全可靠，先进硫酸厂年开工率达到99以上。注重硫酸生产中的热能回收和转换，最大限度回收高、中、低位热能。（2）国内工艺技术状况近几年我国硫磺制酸工业有较快的发展，生产技术水平不断提高，其液体硫磺精制大多采用沉降法，转化工艺为“3+1”和“3+2”两转两吸工艺，转化触媒多采用国产触媒，转化率在99.599.7，干吸塔、换热器、转化器等都采用一些新设备、新材料。热力系统一般只回收利用高、中位热能，副产中、低压蒸汽自用或副产中压蒸汽用于发电或驱动透平主风机。与国外相比存在单系列能力小、设计余量偏大、热利用水平偏低等缺点6。1.5市场需求预测 国际上硫酸生产主要以硫磺为原料，上个世纪九十年代，由于国际硫磺市场持续低迷、国内冶炼技术的不断发展，我国硫酸生产的原料结构发生了深刻变化，硫磺制酸与冶炼气制酸得到了飞速发展，改变了过去依赖硫铁矿的单一格局。2004年中央紧抓三农问题，出台一系列对化肥企业的利好政策，促进了磷复肥特别是高浓度磷复肥生产，磷复肥每月以同比20%以上的速度增长；二是国民经济的快速增长，增加对硫酸的需求7如表1.3。表 1.3 2007-2009年用不同原料制取硫酸的物料产量制酸品种2007年产量（万吨）占总产量比例%2008年产量（万吨）占总产量比例%2009年产量（万吨）占总产量比例%硫磺制酸 1974 43 2233 44 2655 47冶炼烟气制酸 981 21 1163 23 1315 23硫铁矿制酸 1621 35 1593 32 1678 29其他原料制酸 58 1 55 1 52 11.6硫磺制酸工艺技术方案的选择 本项目选择工艺技术方案为：固体硫磺皮带输送，快速熔硫、液硫过滤器过滤精制液硫，机械雾化焚硫，“3+2”两转两吸流程，其主要特点： （1）结合中国国情，采用引进技术消化吸收的国內领先的硫磺制酸转化、干吸技术，进行工程设计。具有技术先进，操作稳妥可靠，投资合理，综合经济效益好的特点。 （2）采用“3+2”两转两吸流程，采用国产大颗粒环型触媒，提高转化器气速，减少压降，延长触媒使用寿命，总转化率保证达到99.7以上，采用全不锈钢转化器，确保其安全运行。 （3）转化工段的换热器选用列管换热器，进气扩散管，使气体均匀分布，设备直径小，占地面积小。 （4）干吸塔采用大开孔球拱和新型填料，蝶形底，采用带阳极保护的不锈钢管槽式分酸器，加大淋洒密度，降低填料高度，提高干吸塔生产强度，一二采用国产纤维除雾器，提高除雾效率，保护后续设备及环境。 （5）采用火管锅炉、蒸汽过热器、省煤器合理组成热力系统，回收高中位热能，产生450、3.82MPa蒸汽，用于推动透平风机，乏汽供熔硫、浓缩磷酸及生活取暖，热利用率高。 （6）采用高低温交叉配酸吸收技术和干吸塔低位配置，减少酸冷却器换热面积，降低设备投资。 （7）干吸塔上、下酸管采用阳极保护304L不锈钢管，安装维修方便，使用寿命长，减少酸的跑冒滴漏。 （8）采用新型不锈钢转化器，高温下（620）不会发生蠕变，使用寿命长，维修量小。触媒层设置从上至下依次为3、4、5、2、1，便于更换触媒，减少烟气管长度，消除热应力。 （9）为了保证转化率，保护转化触媒，配置有间接升温系统。1.6.1熔硫工段 熔硫工序一般采用快速熔硫和液硫机械过滤工艺，其中关键设备一是快速熔硫槽，二是液硫过滤器。 固体硫磺经熔融，滤去固体杂质后，存于熔硫槽，维持熔硫温度在130145之间，熔硫贮槽的空间温度在115以上。由泵将熔硫打入硫磺雾化喷嘴，与经过干燥的空气混合而入炉燃烧。燃烧的空气是由鼓风机送入硫酸干燥塔，使水分含量降低到0.1g/m3以下，再经过除沫后送至焚硫炉和转化器。近年来为了节能，新设计的焚硫系统把鼓风机改设在干燥塔之后，使每吨酸能耗可降低10%左右。 在焚硫炉产生的炉气，温度在8001000，SO2浓度在12%左右，经废热锅炉冷却到430左右，进入炉气过滤器，滤去杂质后与空气混合，使温度和SO2浓度都达到合适范围后进入转化器。为了防止杂质在过滤槽内沉降，在过滤槽内增设了搅拌器，这样几乎所有固体杂质都可在液硫过滤器内除去，从而大大减轻了过滤槽的清理难度并延长了清理周期。对于采用机械过滤工艺的装，在熔硫槽后再设自然沉降槽的意义不大，一是因为沉降时间短，大部分的固体杂质还是要带人过滤槽内并在液硫过滤器中除去二是增加了土建、设备和厂房的投资三是流程加长，操作程序增多，运行费用增加。出熔硫槽的液体硫成直接进入过滤槽，由过滤泵送入叶片式液硫过滤器过滤。为了防止停泵时液硫过滤器出口管道内的液硫返流入液硫过滤器，破坏过滤器内的滤饼，同时也为了操作工人的安全，过滤后的液硫最好不要直接送入液硫储雄，而是先流入一低位中间槽，再由液硫泵送入液硫储旅储存。如果熔硫槽为多台，也可将过滤槽分为两台就近布置，以增加整个熔硫装置操作的灵活性。为节约用地，过滤槽、助滤槽和中间槽可以采用方形平底结构，并设计成一个整体，将叶片式过滤器布置在平台上，下部留有足够空间，以方便出渣和液硫排放。1.6.2焚硫工段焚硫工段的目的是将硫氧化成SO2，将精制液硫通过精硫泵加压后。经硫磺喷枪机械雾化而喷入焚硫炉焚烧，所需的干燥空气来自干燥塔。液体硫磺雾化、燃烧采用带有机械雾化喷嘴的焚硫炉，具有结构简单、容积热强度高，不需另设加压风机等优点，节省动力消耗，简化了流程。根据空气鼓风机的布置不同可分为：塔前流程，即鼓风机布置在干燥塔上游，风机进口为湿空气，它对鼓风机的耐腐蚀要求低；塔后流程，即鼓风机布置在干燥塔下游，风机进口为干燥空气（含微量酸雾），它对鼓风机的耐腐蚀要求高，气量比塔前流程大，相应的干燥塔直径稍大。塔后流程的优点是鼓风机的压缩热带入焚硫炉，可多产生蒸汽，同时可以减少干燥塔循环水的用量。这两种流程目前都有使用，南化公司硫磺制酸装置采用的是塔后流程。1.6.3转化工段 转化一般采用进口催化剂、“3+1”两次转化工艺、“”换热流程。也有个别装里采用国产催化剂、“3+2”两次转化工艺。总转化率均要求达到99.8%以上，一些装置要求转化率达到99.83%以上，放空尾气中SO2含量低于700mg/m3。由于要求较高的转化率，一般催化剂的装填盆较大。1.6.4吸收工段 大多硫酸厂是使用硫酸来吸收转化后气体中的三氧化硫。三氧化硫被吸收后与其中的水化合成硫酸，其反应式如下： nSO3+H2OH2SO4+(n-1)SO3 +89247kJ（式1.1）由此反应可知，随着SO3与水量比例的变化，可以生成各种浓度的硫酸。若使n1，生成发烟硫酸；n=1，生成无水硫酸；n1。则生成含水硫酸。硫酸吸收SO3气体的过程大体按下述五个步骤进行：a.气体中的三氧化硫从气相主体中向界面扩散；b.穿过界面的三氧化硫在液相中向反应区扩散；c.与三氧化硫起反应的水分，在液相主体中向反应区扩散；d.三氧化硫和水在反应区进行化学反应；e.生成的硫酸向液相主体扩散。事实上气体中的三氧化硫不可能百分之百被吸收，只吸收气体中超过与硫酸相平衡的那一部分三氧化硫，超过的越多，吸收过程的推动力越大，吸收速度就越快。一般把被吸收的三氧化硫数量和原来气体中三氧化硫的总数量之百分比称为吸收率。 =(ab)/a100%（式1.2） 吸收率，%a 进吸收装置的三氧化硫数量，molb 出吸收装置的三氧化硫数量，mol在实际生产过程中，一般用循环酸来吸收三氧化硫，吸收酸的浓度在循环过程中增加，需用稀酸或水稀释。与此同时取出循环酸作为产品酸。对浓硫酸而言，选择98.3%的浓硫酸作为吸收酸时，尽可能使气相中SO3的吸收率达到最完全的程度。浓度过高、过低均不适宜。吸收酸的浓度低于98.3%H2SO4时，酸液面上的SO3的平衡分压较低，当气体中SO3分子向酸液表面蒸发并扩散到气相主体中与水分子相遇，形成硫酸蒸气，然后在空间冷凝产生细小的硫酸溶滴。溶滴酸雾很难完全分离，通常随尾气带走或排入大气。吸收酸的浓度越低，温度越高，酸液表面上蒸发出的水蒸气量越多。酸雾形成量越大，SO3将主要以酸雾形式而损失。吸收酸的浓度高于98.3%时，液面上水蒸气平衡分压接近于零，而SO3的平衡分压较高。吸收酸浓度越大，温度越高，SO3平衡分压越大，气相中的SO3不能完全吸收，使吸收塔排出气体中的SO3含量增加，随后在大气中形成酸雾。此外，吸收酸温度不能过高，若过高，酸溶液加剧蒸发，使液面上的总压明显增加，从而降低了吸收率。转化后的气体温度也应低一点好，否则易形成酸雾。转化器一般控制在120左右，而酸温一般控制在6070。1.7废热回收 大多数硫酸厂的SO3吸收反应热由冷却水带走而损失掉，少数硫酸厂用于加热锅炉给水、工业用水、生活用水。以热水形式回收这部分热量在技术上是成熟的，只是由于热水的用途非常有限，所以难以普及8。 低温位热能回收技术在国际上已开发应用多年。美国孟莫克公司开发的热回收系统HRS（Heat Recovery System）由具有两段填料层的热回收塔、酸槽与循环泵、釜式锅炉、酸稀释器及锅炉给水预热器等组成。将热回收塔作为两转两吸流程的第一吸收塔, 塔底部流出的w（H2SO4）99.5%99.9%、温度200220(视锅炉压力而定)的硫酸经换热稀释，将w（H2SO4）控制在99.0%后回流至热回收塔下部第二段。从最终吸收塔循环系统引来的w（H2SO4）98.5%、温度约80的硫酸进人热回收塔上部第一段，以确保较高的吸收率。 为了严格控制进人热回收塔的酸浓度，采用新型无电极环形电导分析仪。为了及时发现可能出现的锅炉泄漏，在锅炉上装有声波测漏仪。另外安装了腐蚀监测仪，以测量酸循环系统中不锈钢试件电化学腐蚀产生的电流。 采用HRS技术需引进技术和关键设备，因而建设投资较高，通过采用与外商合作的办法，部分HRS设备由外商提供技术在国内制造，可以节省不少投资。就我国目前的技术水平和制造水平，开发我国自己的HRS技术的时机已经成熟。采用低温位热回收技术产生低压蒸汽，而低压蒸汽正是磷复肥生产所需要的。采用HRS技术，每生产1t硫酸可回收约0.5t低压蒸汽，并相应减少70%左右的干吸部分循环水量，从而相应减少循环水站的投资费用和运行费用。 在超大型硫磺制酸装置布置时最好考虑预留HRS的位置，待条件成熟后，再进行技术改造。可以将第一吸收塔用作热回收塔的一部分，仍用w（H2SO4）98%硫酸喷淋，以确保较高的吸收率，后建的热回收塔只建高温吸收部分9。2 工艺计算2.1二氧化硫转化反应的基本原理二氧化硫转化反应的方程式2SO2+O2 触 煤 2SO3+Q（式2.1）从上述反应方程式可以看出SO2转化反应的特点，这个反应为可逆、体积缩小、放热的反应。了解到这些特点我们可以确定一些具体的数学模型。平衡转化率：根据定义可以用下式表示：XT=（式2.2）反应平衡常数Kp=（式2.3）将（2.2）和（2.3）合并，便可以得到平衡转化率与平衡常数的关系式。 XT=（式2.4） 为了便于计算，我们把氧的平衡分压PO2换成SO2和氧的起始浓度。氧的平衡分压： P（O2,T）=（式2.5）将(式2.5)式代入(式2.4)则可得， XT=（式2.6）若要计算XT,我们可以用试差法求解。式中： P（SO2，T） 二氧化硫的平衡分压 P（SO3,T） 三氧化硫的平衡分压 P（O2,T） 氧气的平衡分压 XT 平衡转化率（%） Kp 反应平衡常数 a 二氧化硫的起始浓度（体积%） b 氧的起始浓度（%） P 气体总压力（大气压atm）2.1.1二氧化硫转化成三氧化硫工艺操作条件选择和选定理由 前面我们对硫酸工艺已有所了解，但各种操作有其自身的因素而定。转化工艺的操作条件主要有三个：转化反应的温度、转化反应的进气浓度以及转化器的通气量。这就是转化操作的“三要素”，下面我们分述各个条件的选择理由。2.1.2转化反应的温度a.转化反应的温升情况转化反应过程中放出的热量，使气体温度升高，它与气体中二氧化硫含量有关。每段转化后气体温度升高情况可以用下式计算： T=t0+(XT-X0)（式2.7）式中：t 出触媒层的气体温度， t0 进触媒层的气体温度， XT 出触媒层的转化率 X0 进触媒层的转化率 绝热系数，由转化反应过程中初始反应的气体浓度决定的，相当于转化率从0增加到100%的气体温度升高的度数。 =10.2a/Cv（式2.8）式中：a SO2的初始浓度，% Cv 平均温度下与转化率XT=0.5时的气体平均热容量，cal/m3采用平均温度为500，转化率为50%时，计算的二氧化硫浓度与值的关系如表2.1所示：表 2.1 二氧化硫浓度与值的关系SO2浓度 %SO2浓度 % SO2浓度 % 2 59 6 173 10 278 3 88 7 200 11 303 4 117 8 226 12 328 5 145 9 252 13 506把值代入即可计算出一定的二氧化硫浓度和一定的转化率下，绝热反应过程中它温度升高值。二氧化硫气体的反应热，即没有移走，也没有损失，全部用于加热触媒和反应气体本身。这个过程称为绝热反应过程。气体的温度升高，所列数据值叫绝热温升值。知道这些值可以帮我们判断转化率和温度的数值是否正确。我们知道了已知温差如何求转化率的方法。反过来，我们知道转化率就可以求出温差。运用这种方法，在一段出口温度不准超过600情况下，不同二氧化硫的进气浓度，以平衡时的转化率算出一段进口的最高允许温度见列表2.2：表 2.2 不同二氧化硫浓度下转化器一段进口的最高允许温度进气浓度SO2%5677.58910一段进口最高允许温度499470453445441428421 b.转化反应的最适宜温度根据前面我们所述的转化反应和触媒的特性，选择转化操作的温度，应考虑以下几个要求：1.要保证能获得较高的转化率2.要保证在较快的反应速度下进行转化，以尽量减少触媒用量，或在一定量的触媒下能获得最大的生产能力。3.要保证转化温度控制在触媒的活性温度范围之内，即应该将转化反应温度控制在触媒的起燃温度之上，耐热极限温度之下。平衡转化率与反应速度对温度的关系是矛盾的，所以必须根据较高的转化率，又要有较快的反应速度的两全齐美的原则来选择一个最适宜的操作温度。对于一定组分的进层都有一定的温度使反应速率最快，这个温度条件称为最适宜温度。这个温度可以用下式来计算： T适=（式2.9）式中： XT 转化率，% a 二氧化硫的浓度，% b 氧的浓度，%我们如果把在某一种进气成分下的转化率与温度的关系作成图线，可看出平衡转化率与温度，转化率与最适宜温度以及平衡转化率与转化率的关系。现在我们可以看一下进气组分在某种触媒下温度与转化率的关系图，如图2.1：图 2.1 温度转化率图从图中看出，平衡温度较适宜温度高。但在温度越高低平衡转化率和实际转化率差数愈小，这主要是因为高温下的反应速度较低温时快，靠近平衡时反应速度变慢直到平衡时速度等于零。我们要在较低的温度下以较高的反应速度进行，同时有较高的转化率。这就要求我们在反应时移走能量。2.1.3转化反应的进气浓度 进入转化器的二氧化硫浓度是控制转化操作中最重要的条件之一，它的波动将引起温度、转化率和系统生产能力的变化。下面着重介绍几个问题的影响： a.进气中二氧化硫浓度与温度的关系：这个问题我们已在选择温度时作了解释，这里作图以便更清楚地了解其相互关系。如图2.2图2.2 不同二氧化硫浓度下转化率每变化1%温度升高的关系 一段 二段 三段四段进出出进出出转化率% 60 80 96 99.5气体组成SO293.71.872.020.4050.011O28.66.055.185.615.244.67SO3-5.557.46微1.631.99O2 /SO20.9551.632.772.7812.84.44O2 /SO2 + SO30.9550.6550.5552.782.572.33N282.484.785.692.592.893.4 b.进气中二氧化硫浓度与转化率的关系：从表2.3中我们可以看出,通过第一次吸收在气体中除去了SO3，氧硫比值大大提高，突破了原来的平衡关系，使转化率达到99%以上。表2.3 各段炉气SO2/O2比值同转化率的关系 c.进气的SO2浓度同生产能力的关系：在一定的范围内，提高二氧化硫浓度，硫酸产量会增加，但转化率会下降。进气的SO2浓度同生产能力的关系见表2.4。表 2.4 进气的SO2浓度与产酸量转化率之间的关系二氧化硫浓度%产酸量的增加% 总转化率%7.00 97.07.56.3 96.18.011.8 94.98.516.7 93.39.020.0 90.5 d.进气中SO2浓度的适宜范围：在生产中控制的SO2的指标，除应考虑上述几个关系外，还要考虑环境保护和排放标准，另外还要考虑生产系统的可能性，触媒用量，设备的费用。因此控制二氧化硫浓度指标是一个极其重要的综合性的技术。 对SO2进气浓度的选择，我们应综合考虑。我根据硫酸的原料来源等情况选择二氧化硫的进气浓度为9%。下面介绍我的选择理由，主要从二氧化硫转化率角度考虑。1.二氧化硫浓度同生产能力的影响：二氧化硫浓度低能加快反应速度，但用的原料气增加，生产能力受鼓风机的影响也会下降。浓度过高也会如此。2.二氧化硫浓度对生产经费的影响：当a=8.59%时生产经费最底。但二氧化硫浓度在1%内变动对生产经费并无多大的影响。3.最终转化率同相对成本的关系：xi= （式2.10）我们用硫磺制得二氧化硫最终转化率97.598%时，生产成本较低，有尾气回收装置，转化率可以减小到9696.5%如表2.5。表2.5 原料气组成不变(CSO2=0.09)时优化结果ti-1ti xi431.5588 0.734531.5564 0.942501519 0.965461472.5 0.976451454.6 0.992根据以上情况和理由，我确定工艺流程操作参数二氧化硫浓度为9.0%。2.1.4转化器的通气量 通气量主要由硫酸的产量来决定的，其他还有阻层阻力、吸收率等因素的影响，我们可以由公式计算而得： V标= G酸22.4/(98XT吸C进) （式2.11） V实=V标 （式2.12）式中： V标 标准状况下的通气量，m3/hV实 实际情况下的通气量，m3/hG酸 硫酸产量，kg/h XT 转化率，取0.995 吸 吸收率，取0.99975 C进 SO2进气浓度，0.09 H出 鼓风机转化段出口负压，Pat 实际平均温度，2.2焚硫炉主体计算2.2.1硫磺焚硫的物料衡算 1、设计能力： 25万吨硫磺制酸工程； 2、生产时间：333d/a，即8000h/a，750t/d，31.25t/h(100%H2SO4)；所生产的产品硫酸符合GB/T534-2002质量标准中的一等品的质量标准； 3、生产原料：硫磺，质量标准按照GB2449-81标准中的二级品，即S99.5%； 4、当地自然条件： （1）气象：宁夏大部分地区全年气候温和，属季风气候。A、年平均温度 14.8B、最热月平均温度 23.4C、最冷月平均温度 4.8D、风压值 34N/m2E、年平均风速 1.9m/s （2）湿度：A、年平均相对湿度 79%B、最热月平均相对湿度 79%C、最冷月平均相对湿度 78% （3）大气压： 当地平均大气压 669mmHg（合89.17KPa） （4）地震烈度： 6度 5、主要技术参数 （1）焚硫炉出口炉气浓度 SO2+SO3=10.5% （2）总转化率 99.7% （3）总吸收率 99.99% 6、公用工程条件 （1）新鲜水： 按平均20 （2）循环水： A、水温： t1=40 t2=30 t=10 B、水压： 供水压力0.3MPa 回水压力0.1MPa （3）供电： A、低压：380V 50HZ B、高压：10000V 50HZ （4）蒸汽： A、低压：0.6MPa B、中压：3.82MPa 450驱动主透平风机 （5）脱盐除氧水：A、硬度=0 B、电导率5us/cm C、PH=7-8 D、温度=102-104 E、压力P=4.5MPa F、氧含量=0.02mg/L （6）仪表用气： A、气量=100Nm3/h B、气压=0.6 MPa C、含尘0.1g/Nm3 D、尘径3um E、含油8PPM2.2.2气体流量及组成计算1、焚硫炉出口气体组成 （1）、SO2需要量 =(31.2510009822.4)(0.9970.9999)=7165.07Nm3/h （2）、根据生产经验，焚硫炉出口SO3含量占SO2总量的2% =7165.072%=143.30 Nm3/h =7165.07143.27=7021.77Nm3/h （3）、SO2占炉气总量的10.5%，则炉气总量为： =7165.0710.5%=68238.76Nm3/h （4）、氧含量：S+O2=SO2，SO2含量10.5%，则也是10.5% 2SO2+O2=2SO3，O2含量为： =7165.07143.302=7093.42Nm3/h （5）、氮气含量：=68238.7679%=53908.62Nm3/h焚硫炉出口炉气汇总表2.6：（从Nm3/h换算成kmol/h除以22.4L/mol）表2.6计算汇总气体含量（Nm3/h）含量（kmol/h）占总量%SO27021.77313.4710.3%SO3143.306.400.2% O27093.42316.67 10.5%53908