年產(chǎn)8萬噸硫酸車間干吸工段工藝設(shè)計-盧苗(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 制備二氧化硫氣體；② 精制二氧化硫以除去其中的雜質(zhì)；③ 二氧化硫氧化成三氧化硫；④ 三氧化硫被吸收而變成硫酸。（2）接觸法的優(yōu)缺點接觸法制造硫酸主要有以下優(yōu)點：① 產(chǎn)品純度高，且產(chǎn)品種類多；② 設(shè)備腐蝕較輕，容易維護而且維護費用也較小，設(shè)備壽命比較長，管理也比較容易；③ 生產(chǎn)比較平穩(wěn)，指標波動范圍小。接觸法的缺點主要有:投資較大、建造速度慢、采酸率較低等。 硫酸生產(chǎn)全工段工藝簡介 SO2 氣體的制取與凈化制取 SO2 氣體是制取硫酸的第一步，也是制取硫酸的重要一步。現(xiàn)今制取 SO2 氣體的方法主要有，燃燒硫鐵礦，燃燒硫磺，還原硫酸鹽，冶煉煙氣以及各種含硫工業(yè)廢料再次利用等方法。但現(xiàn)今采用最多的還是硫鐵礦與硫磺的燃燒這兩種方式。進入凈化系統(tǒng)的爐氣含有 ~30g/cm3 的礦塵。礦塵積累起來不僅堵塞管道設(shè)備，而且其中的氧化鐵能與酸霧形成硫酸鐵，覆蓋在二氧化硫催化劑的表面，既降低催化劑的活性，有增加了床層的阻力。此外，硫鐵礦中所含的砷，硒，氟等雜質(zhì)，分別以不同的形式進入到爐氣中，其中的一部分或大部分隨爐氣帶入凈化系統(tǒng)。砷能使催化劑中毒，氟能腐蝕設(shè)備。進入轉(zhuǎn)化器后，還能侵蝕催化劑載體，引起粉化，使催化床阻力上漲。隨同爐氣帶入凈化系統(tǒng)的還有水蒸氣和少量三氧化硫氣體，二者結(jié)合可形成酸霧。酸霧在洗滌塔中較難吸收，帶入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)會降低二氧化硫的轉(zhuǎn)化率，腐蝕系統(tǒng)設(shè)備和管道。因此，爐氣必須進行一部的進化和干燥，方可進行二氧化硫的催化氧化。爐氣的凈化可用干法或濕法進行。目前普遍采用的是濕法凈化。爐氣凈化技術(shù)隨著凈化設(shè)備的進步而提高。初始，由簡單的重力沉降室和慣性除塵室、旋風(fēng)除塵器等所組成，凈化效率低下。自 1960 年美國科學(xué)家 、除霧設(shè)備后，加快了爐氣凈化技術(shù)的發(fā)展步伐。高效旋風(fēng)除塵器、文式管、泡沫塔、新型填料塔、星形鉛間冷器、板式冷卻器、沖擊波洗滌器、高密度聚乙烯泵、耐稀酸合金泵等高效耐磨蝕設(shè)備的出現(xiàn)，使凈化設(shè)備的選型范圍擴大了，壽命延長了，促進了爐氣凈化工藝方法更加合理、完善。 SO2 氣體的轉(zhuǎn)化和吸收（1）一次轉(zhuǎn)化一次吸收為了使轉(zhuǎn)化器中的 SO2 催化氧化過程盡可能地遵循最佳溫度曲線進行，隨著轉(zhuǎn)化率的提高，必需從反應(yīng)系統(tǒng)中除去多余的熱量，是溫度相應(yīng)地降低。按照換熱方式不同，轉(zhuǎn)化器可以分為多段換熱式和連續(xù)換熱式兩類。由于 SO2 最終轉(zhuǎn)化率很高，反應(yīng)前期與后期單位時間內(nèi)單位體積催化床的反應(yīng)熱相差倍數(shù)很大，用一般的連續(xù)換熱式轉(zhuǎn)化器時，過程難以遵循最佳溫度曲線；而且溫度調(diào)節(jié)也很困難，對于氣體組成和空速的變化適應(yīng)性也很差；再加上結(jié)構(gòu)復(fù)雜，催化劑裝填系數(shù)較小，設(shè)備的生產(chǎn)能力也低。所以現(xiàn)在普遍采用多段換熱式轉(zhuǎn)化器。一次轉(zhuǎn)化一次吸收工藝可能達到的最佳最終轉(zhuǎn)化率是～98%如果要得到更高的轉(zhuǎn)化率，將使所需的催化劑用量大幅度增加，這是不經(jīng)濟的，而且還受到平衡轉(zhuǎn)化率的限制。如果將尾氣直接排入大氣，將造成嚴重的大氣污染。（2）二次轉(zhuǎn)化二次吸收兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收工藝與一次轉(zhuǎn)化一次吸收工藝相比，能用較少的催化劑而獲得很高的最終轉(zhuǎn)化率，關(guān)鍵在于將整個轉(zhuǎn)化過程分為兩次進行。第一次使大部分 SO2 得到轉(zhuǎn)化，一般控制轉(zhuǎn)化率在 90%左右，然后進入第一吸收塔（或稱中間吸收塔）將 SO2 吸收，再進行第二次轉(zhuǎn)化。此時由于反應(yīng)混合物中不含 SO3，而且 SO2 濃度很低，O 2/SO2 比值較一次轉(zhuǎn)化要高得多，在這種情況下，平衡轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)速度快，用較少的催化劑就能保證轉(zhuǎn)化率達到 95%左右 [9]。兩次轉(zhuǎn)化的最終轉(zhuǎn)化率因工藝條件而異，一般在 ～%范圍內(nèi)。（3）沸騰轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)上，二氧化硫的催化氧化過程都是采用固定床轉(zhuǎn)化器。這種轉(zhuǎn)化器的生產(chǎn)強度受到多種因素的限制：①催化劑顆粒不能太小，否則反應(yīng)氣體通過催化床的流體阻力太大；② 釩催化劑的導(dǎo)熱系數(shù)小，不能采用換熱管將固定床中的熱量除去；③ 不能采用高濃度的二氧化硫氣體。為了克服這些缺點，可采用沸騰轉(zhuǎn)化。沸騰轉(zhuǎn)化能從催化床中非常有效地除去熱量，能夠使用小顆粒催化劑和采用高濃度二氧化硫氣體。而且，采用沸騰床轉(zhuǎn)化器可以降低工廠投資，提高蒸汽回收量。硫酸廠使用這種轉(zhuǎn)化器的主要障礙是催化劑的磨損問題。氣體中的二氧化硫經(jīng)催化氧化形成三氧化硫后，即送入到吸收系統(tǒng)用發(fā)煙硫酸或濃硫酸吸收，形成不同規(guī)格的產(chǎn)品硫酸。吸收過程可用下式表示： 32243()nSO+H=S+n1SO（ （液 液 ） 液 ） （ ）改變上式中的 n 值，便形成相應(yīng)濃度的產(chǎn)品硫酸。當(dāng) n1 時，形成發(fā)煙硫酸；n=1 時，形成無水硫酸；n1 時，則為含水硫酸，即硫酸和水的溶液。要求生產(chǎn)發(fā)煙硫酸時，可采用兩端吸收流程。轉(zhuǎn)化氣一次通過發(fā)煙硫酸吸收塔和濃硫酸吸收塔，分別為發(fā)煙硫酸和 %硫酸吸收 SO3 氣體后，氣相中的 SO3 含量可降至 ~%，然后由濃硫酸吸收塔出口引至尾氣處理部分，或直接經(jīng)過捕沫后放空。現(xiàn)今三氧化硫吸收技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在填料性能的改進，布酸設(shè)備的改進和冷卻器設(shè)計材料的改進。 尾氣的處理硫酸廠尾氣中的有害物，主要是 SO2（約 %~%） ，少量的 SO3 和酸霧。因此，減少尾氣中的有害物的排放，主要應(yīng)該是提高 SO2 的轉(zhuǎn)化率及 SO3 的吸收率。提高 SO2 的最終轉(zhuǎn)化率，使之達到%，就符合目前的排放標準。采用兩轉(zhuǎn)兩吸流程時，在正常的條件下，是可以達到的。故在新建的硫酸廠中，這種流程以得到廣泛的采用。但是，在早期建成的硫酸裝置中，絕大多數(shù)為一轉(zhuǎn)一吸流程，對尾氣及含低濃度 SO2 氣體的處理方法甚多，且各具特色，主要有：（1）氨法用氨水或銨鹽溶液吸收形成亞硫酸銨—亞硫酸氫銨吸收液。連續(xù)引出部分吸收液進行處理，隨著處理方法的不同，所獲得的產(chǎn)品異不同。其中應(yīng)用最廣的是氨—堿法。（2）堿法用各種堿液吸收尾氣中的 SO2，可以免除氨法中氨的損失和霧沫。常用的堿吸收液有碳酸鈉溶液，氫氧化鎂溶液及石灰乳等。其共同的優(yōu)點是：脫除率高，工藝簡單。其中，石灰乳吸收法的突出優(yōu)點是石灰來源方便，價格低廉，投資和操作費用較低。（3）金屬氧化物法金屬氧化物所形成的堿性溶液，亦可作為 SO2 的吸收劑。主要有堿性硫酸鋁—石膏法；氧化鋅溶液吸收法；氧化錳法等。（4）活性炭法活性炭通常具有較大的內(nèi)表面積，是一種良好的吸收劑。當(dāng)尾氣中的 SO2 在一定條件下通過活性炭層時，被活性炭表面吸附。在 100℃以下主要為物理吸附，提高溫度后，從物理吸附轉(zhuǎn)向化學(xué)吸附。在活性炭表面，吸附態(tài)的 SO2 和吸附態(tài)的氧作用，形成吸附態(tài) SO3，有水存在時，便形成硫酸。（5）控制 SO2 排放的其他方法這類方法主要有稀釋法，CIL 法，調(diào)節(jié)供氣法等。2 工藝流程的確定 工藝流程選擇本次設(shè)計的是年產(chǎn) 8 萬噸硫酸車間干吸工段的工藝設(shè)計，采用的是接觸法制硫酸兩轉(zhuǎn)兩吸的工藝流程。 工藝設(shè)計原理年產(chǎn) 8 萬噸硫酸干吸工段工藝設(shè)計采用的生產(chǎn)方法是接觸法制硫酸。接觸法制硫酸的工藝流程可分為二氧化硫氣體的制取，爐氣凈化，二氧化硫氣體的轉(zhuǎn)化，三氧化硫的吸收以及尾氣的處理五個部分，工藝流程如圖 所示。圖 接觸法制硫酸工藝流程圖 兩轉(zhuǎn)兩吸的工藝流程本次硫酸干吸工段的工藝設(shè)計我們采用兩轉(zhuǎn)兩吸的工藝流程，其流程示意圖如圖 所示。兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收工藝將整個轉(zhuǎn)化和吸收過程分別分兩次進行，可用較少的催化劑獲得很高的最終轉(zhuǎn)化率。第一次使大部分 SO2 得到轉(zhuǎn)化，一般控制轉(zhuǎn)化率在 90％左右，然后進入第一吸收塔(或稱中間吸收塔)將 SO3 吸收，再進行第二次轉(zhuǎn)化。此時由于反應(yīng)混合物中不含 SO3，而且 SO2 濃度很低，O2/SO2 比值較一次轉(zhuǎn)化要高得多，在這種情況下，平衡轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)速度快，用較少的催化劑就能保證轉(zhuǎn)化率達到 95％左右。兩次轉(zhuǎn)化的最終轉(zhuǎn)化率因工藝條件而異，一般在 ～％范圍內(nèi)。圖 兩轉(zhuǎn)兩吸工藝流程圖3 干燥塔工藝計算 選擇計算數(shù)據(jù) 原料氣（1）進塔：溫度 T1＝36℃ 表壓 P=300mmH2O（2）出塔：溫度 T2=55℃ 干燥硫酸（1）進塔：溫度 t1 =40℃ 質(zhì)量濃度 c1=95%（2）出塔：質(zhì)量濃度 c2=%, ρH2SO4 =1800kg/m3 ， ρ 干氣= kg/m 3 熱量衡算：以 0℃為計算基準 物料衡算 原料氣的流量本設(shè)計生產(chǎn)能力為年產(chǎn) 8 萬噸 98%的硫酸，按年開車 300 天計算，可知硫酸車間每小時硫酸的生產(chǎn)量為：qn,v＝（810 310498％）/ （3002498）= kmol/h由二氧化硫生成硫酸得：每小時消耗二氧化硫為：（已知 SO2 轉(zhuǎn)化率為 99%,SO3 吸收率為 99%）qn,vso2 = qn,v /99%/99%=由干氣中二氧化硫的組成可得干氣量為qn,v 干氣 = qn,v1/9%= 原料氣的壓強當(dāng) T1=36℃時,查《硫酸工藝設(shè)計手冊—物化數(shù)據(jù)篇》P22 飽和水蒸氣的蒸汽壓表可知,水的飽和蒸汽壓 P*水 ＝, 算得原料氣進塔絕壓為P= 水蒸氣含量 (1)水蒸氣的含量：y=P*/P=(2)干氣的分壓：P 干 =PP*水 == KPa(3)進料氣中水的量：qn,L 水 = qn,v 干氣 P*水 / P 干 = 進塔濕氣組成(1)SO2 的組成：y SO2=P 干 9%/P=9%/=%(2)SO3 的組成：ySO3=P 干 %/P=%/=%(3)O2 的組成：y O2=P 干 11%/P=11%/=%(4)N2 的組成：y N2=P 干 79%/P=79%/=%(5)Ar 的組成：yAr=P 干 %/P=%/=%原料氣濕基組成如表 所示表 原料氣濕基組成組成 SO2 SO3 O2 N2 Ar H2O 總計V%（濕基） 100 氣體總量計算（1）干燥塔出口氣體含水量干氣流量：q n,v 干氣 ＝ kmol/h 進口濕氣量：q n,v1＝q n,v 干氣 + qn,L1 水 =+=吸收的水分量：以出口含水量 ，由于塔內(nèi)壓降較小可忽略，塔的操作壓力為,在低壓狀態(tài)下，氣體可近似看做理想氣體，則有理想氣體狀態(tài)方程:PV=nRT )( mPnRTV????出口氣中含水量為: hkolgqL /., ??水（2）出口濕氣量 qn,v2△q n,L 水 ==qn,v2= qn,v1△q n,L 水 = = 干燥硫酸用量計算已知進口酸濃度 c1=95%，則其物質(zhì)的量濃度 %???x已知進口酸濃度 c2=%，則其物質(zhì)的量濃度 59./6./由物料守恒計算進口酸 qn,L1 和出口酸 qn,L2 ： 2△Ln,1n,1Ln, )q+(=xxqn,L1%=( qn,L1+) %計算得:qn,L1=qn,L1= qn,L1+△q n,L 水 = += 物料平衡表表 干燥塔物料平衡表入料 kmol/h kg/h m3/h 出料 kmol/h kg/h m3/h原料氣 qn,v 干氣 干燥氣 水汽 qn,L1 水 水汽 qn,L2 水 進口濕氣量 33987 出口濕氣量 進口酸量 出口酸量 干燥塔的熱量衡算 入塔處干氣帶入熱 Q1低壓時，真實氣體可近似為理想氣體，此時，= 1， 有如下計算式：=a+bT2+CT3 查《化學(xué)工程手冊》P131 表 各組分 a,b,c 的值由下表：表 不同組分的 a,b,c 的值組分 a b103 c106 溫度范圍 KSO2 3001500對稀薄氣體，~3000K 范圍內(nèi) Cp 約為 kJ/kmolK由于進料氣溫度 T1=36℃，T 1=36+=，由此可計算出在 下各組分的比熱容 如下表 所示表 進口氣各組分比熱容組成 SO2 SO3 O2 N2 Ar%（干基） 9 11 79 （kJ/ ） 入塔干氣平均熱容：=（9++11+79+）/100= KJ/kmolK入塔干氣帶入熱：Q1= qn,v 干氣 1ΔT1 =36= 入塔處水氣帶入熱 Q2查《化工原理》附錄八有如下溫度下的焓值：表 不同溫度水蒸氣的焓 當(dāng) T1=36℃時，由內(nèi)插法得此時蒸汽的焓 H1=入塔處水氣帶入熱：Q2= qn,L1 水 H1M 水 =18= kJ/h 水的冷凝熱 Q3 查《化工工藝設(shè)計手冊上冊》P2819 表 ，內(nèi)插得 36℃時水的氣化潛熱為 水的冷凝熱： hkJMr /△Ln,3 ?????水 入塔酸帶入熱 Q4 查《硫酸工藝設(shè)計手冊物化數(shù)據(jù)篇 》P37 知,40℃時 95%的硫酸的 為 ()95%的硫酸平均摩爾質(zhì)量為M1=95/98/（ 95/98+5/18）98+5/18/（95/98+5/18）18=故入塔酸帶入熱為,Q4= qn,L1 M1Δt1＝40＝ 95%酸稀釋熱 Q5查《硫酸工藝設(shè)計