年产25万吨硫酸转化系统工艺设计-学位论文.doc
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1、武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书论文题目： 年产25万吨硫酸转化系统工艺设计 武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书目 录武汉工程大学邮电与信息工程学院I课程设计说明书I摘 要IAbstractI第一章 文献综述1第二章 工艺说明书12.1 概述12.1.1 产品规模和规格12.1.2 工艺方案叙述12.2 装置设计说明12.2.1 工艺原理12.2.2 工艺流程说明12.2.3 主要设备选型说明12.2.4 化工原材料规格及用量1第三章 转化工序物料衡算与热量衡算13.1转化工序流程示意图及简要说明13.2确定各段进口温度及转化率13.2.1温度与平衡转化率的关系13.2.
2、2最适宜温度与转化率关系13.2.3确定操作线13.2.4各段进口温度及转化率13.3.1进转化器一段气体量及成分13.3.2出一段气体量及成分13.3.3出二段气体量及成分13.3.4出三段气体量及成分13.3.5出四段气体量及成分13.4转化器各段的热量衡算13.4.1转化一段反应热量和出口温度13.4.2转化二段反应热量和出口温度13.4.3转化三段反应热量和出口温度13.5 转化器的计算13.5.1转化器的直径计算13.5.2 转化器的高度计算1第四章 环境保护与治理建议14.1 三废主要来源14.1.1 废气14.1.2 废水14.1.3 矿渣14.2 三废处理方案14.2.1 废气
3、14.2.2 废水14.2.3 废渣1武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书摘 要 本设计进行25万吨H2SO4/年转化系统工艺设计，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，再画出XT平衡曲线和最适温度曲线，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，需要用方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，画出硫酸工艺流程图和一次转化工段流程图。关键词：硫酸；转化工艺；设计 I武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书Abstract The design of 250,000 tons
4、H2SO4 of every year conversion system is in process design, according to the composition of feed gas imports, balance curve , the optimum temperature curve ,catalyst light-off temperature and the temperature generally estimated using four paragraphs into the operation of the process line, then draw
5、X-T equilibrium curve and the optimal temperature curve, depending on the operating line to complete the material balance and heat balance, if the calculated value is too large different between the value and the actual,you need to reset curve operations with the method of the variance ,and than cal
6、culate until that the Design values and calculated values is similar , draw the flow chart of sulfuric acid and a conversion section in flow chart.Key word: H2SO4；conversion process； designII武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书第一章 文献综述硫酸，H2SO4，相对分子质量98.078，是指SO3与H2O摩尔比等于1的化合物，或指100H2SO4，外观为无色透明油状液体，密度（20）为1.8305g
7、/cm3。工业上使用的硫酸是硫酸的水溶液，即SO3与H2O摩尔比1的物质。发烟硫酸是SO3的H2SO4溶液，SO3与H2O的摩尔比1，以为无色油状液体，因其暴露与空气中，逸出的SO3与空气中的水分结合形成白色烟雾，故称之为发烟硫酸。硫酸用途非常广泛，无论在工业部门，还是在发展农业生产、满足人民物质生活需要、加强国防力量，都起着重要作用。硫酸在大宗生产的化学品中产量居于前列，是最重要的化工原料之一。硫酸最重要的用途是生产化学肥料，用于生产磷铵、重过磷酸钙、硫胺等。在中国，硫酸产量的60以上用于生产磷肥和复肥。在化学工业中，硫酸是生产各种硫酸盐的主要原料，是塑料、人造纤维、染料、油漆、药物等生产中
8、不可缺少的原料。在农药、除草剂、杀虫剂的生产中亦需要硫酸。在石油工业中，石油精炼需要使用大量硫酸作为洗涤剂，以除去石油产品中的不饱和烃的硫化物等杂质。在冶金工业中，钢材加工及成品的酸洗要用硫酸；电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液需使用硫酸；某些贵金属的精炼亦需用硫酸溶去杂质的其它金属。在炸药及国防工业中，浓硫酸用于制取硝化甘油、消化纤维、三硝基甲苯等炸药。原子能工业中用于浓缩铀。运载火箭所用染料亦离不了硫酸。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、
9、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。中国是硫铁矿资源较为丰富的国家，硫铁矿产量居世界首位。相对而言，天然和再生硫磺要少的多，因此硫铁矿是中国硫酸生产的主要原料。用它生产的硫酸占硫酸总产量的80以上，其它原料在20以下，其中冶炼烟气占16左右。根据中国硫资源的特点，今后中国的制酸原料仍以硫铁矿为主，同时大力发展冶炼烟气制酸，稳健的发展硫磺制酸、石膏制酸。早在8世纪就有硝石与绿矾在一起蒸馏得到硫酸的
10、方法。Paracelsus记述了用绿矾（FeSO47H2O)为原料，放在蒸馏釜中煅烧而制得硫酸的方法。在煅烧过程中，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。实验室硫酸制法：可以用FeSO4.7H2O加强热，用冰水混合物+U型管冷凝即可，用NaOH吸收SO2，理论可得29.5%的H2SO4 关键在于尾气吸收。 其他硫酸制备工艺：1、氨酸法增浓低浓度二氧化硫气体生产硫酸方法；2、采用就地再生的硫酸作为催化剂的一体化工艺；3、草酸生产中含硫酸废液的回收
11、利用；4、从芳族化合物混酸硝化得到废硫酸的纯化与浓缩工艺；5、从氧化钛生产过程中排出的废硫酸溶液的再生方法；6、从稀硫酸中分离有机磷化合物和其它杂质的方法；7、从制备2-羟基-4-甲硫基丁酸(MHA)工艺的含硫副产物中回收硫酸的方法；8、催化氧化回收含有机物废硫酸的方法；9、电瓶用硫酸生产装置；10、二氧化硫源向硫酸的液相转化方法；11、沸腾炉焙烧硫磺制备硫酸的方法；12、沸腾炉掺烧硫磺生产装置中稀酸的回收利用；13、高浓二氧化硫气三转三吸硫酸生产方法 ；14、高温浓硫酸液下泵耐磨轴套；15、高效阳极保护管壳式浓硫酸冷却器；16、节能精炼硫酸炉装置；17、精苯再生酸焚烧制取硫酸的方法；18、利
12、用废硫酸再生液的方法和装置；19、利用含硫化氢的酸性气体与硫磺联合制取高浓度硫酸；20、利用含硫化氢的酸性气体制取高浓度硫酸。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。
13、硝化法制得的硫酸，H2SO4含量低（78H2SO4），杂质含量高（主要含有尘及氮氧化物），且需耗用大量硝酸或硝酸盐，远远满足不了染料、化纤、有机合成、石油化工部门的要求。因此，次发的发展受到限制2。接触法制酸几乎是世界上硫酸工业的唯一生产方法。其原料为能够生产二氧化硫的含硫物质，一般含有硫磺、硫化物、硫酸盐、含硫化氢的工业废气（包括冶炼烟气）等。在不同的国家中，由于本国含硫资源的不同，生产硫酸的原料路线有很大的差异，且所用原料的比重随硫资源的供给情况也有所调整。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
14、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%的硫酸吸收为成品酸。这种方法优于塔式法的是成品酸浓度高，质量纯（不含氮化物），但炉气的净化和精制比较复杂。在外部换热式转化流程中，反应过程与换热过程是分开的。气体在床层中进行绝热反应，温度升高到一定程度后，离开催化床进行降温，然后再进入下一段床层进行绝热反应。每进行这样一次绝热反应成为一段。为了达到较高的最终转化率，必须采取多段催化转化3。一次转化、一次吸收
15、流程：所谓一次转化、一次吸收是指SO2经过多段转化以后只经过一个或串联两个吸收塔，吸收其中SO2后就排放。这种流程比较简单，但转化率相对较低，一般不超过97%。在60年代以前，我国硫酸厂大多数采用这种流程。两次转化、两次吸收流程：60年代以来，转化工艺流程最大的变化就是采用了两次转化、两次吸收新流程，简称为两转两吸。这项新技术开始时，着眼于充分利用硫的资源和减少SO2气体排放量，保护环境。这种方法的特点是：1.最终转化率搞；2.能够处理较高浓度的SO2气体；3.减少尾气中SO2排放量；4.所需换热面积较大；5.系统阻力比一转一吸增加4-5KPa。接触法制造硫酸的生产过程包含以下三个基本工序：第
16、一，由含硫原料制取含二氧化硫气体。实现这一过程需将寒流原料焙烧，故工业上称之为“焙烧”。第二，将二氧化硫和氧的气体催化转化为三氧化硫，工业上称之为“转化”。第三，将三氧化硫与水结合成硫酸。实现这一过程需将转化所得三氧化硫气体用硫酸吸收，工业上称之为“吸收”。这样，在三个基本工序之外，再加上原料的贮存与加工，含二氧化硫气体的净化，成品酸的贮存与计量，三废处理等工序才构成一个接触法硫酸生产的完整系统。硫铁矿制酸是辅助工序最多且最有代表性的化工过程。前述的原料加工、焙烧、净化、吸收、三废处理，成品酸贮存和计量工序在该过程中均有。第二章 工艺说明书2.1 概述2.1.1 产品规模和规格（1）年操作日
17、300天/年（2）生产方式 连续生产（3）生产能力 二氧化硫 转化率98%（4）产品规格 二氧化硫 转化率98%2.1.2 工艺方案叙述国内生产硫酸的方法主要是用硝化法和接触法，考虑到硝化法所需设备庞大，用铅很多，检修麻烦，腐蚀设备，反应缓慢，本设计采用的是接触法，该方法制得的成品酸浓度高，纯度较高。理论上催化氧化操作过程的段数越多，最终转化率越高，而且过程更接近于最佳温度曲线，催化剂的利用率越高。本设计的生产过程采用一转一吸的工艺流程，即将二氧化硫经过多段转化后只经过一个或串联两个吸收塔，吸收其中SO2后就排放。转化流程为4段间接换热式。2.2 装置设计说明2.2.1 工艺原理二氧化硫转化通
18、常是在不高于0.5MPa压力下进行，而且SO2、SO3浓度又较低，体系可视为理想气体。二氧化硫氧化反应是一个可逆放热反应：2.2.2 工艺流程说明现运用接触法一转一吸酸洗封闭流程生产硫酸，其生产工艺大致有六大工序，即：原料预处理、SO2炉气制取、SO2气体净化、二氧化硫转化、三氧化硫吸收、“三废”处理。这里主要介绍一下转化系统。转化系统为一转一吸四段反应装置，因为二氧化硫转化的过程是一个放热过程，它的转化率随着温度的升高而降低，因此采用多段反应器，通过一段反应器后物料的温度升高，经冷却后通入下一段反应器继续反应，使整个反应的操作曲线在最适温度曲线附近，既保证了反应的速度，又可以达到较高的转化率
19、。此流程使用原料气作为冷却剂，可以省去外加的冷却剂，又可以利用反应产生的热量来预热原料气，节约能源，一举两得。转化系统包括一个四段反应器和四个换热器。前面制取的气体经过一系列净化的过程，一次通过第一、第二、第三、第四换热器预热后进入反应器，第一、第二、第三、第四段反应床层出来的气体分别经过第一、第二、第三、第四换热器进行冷却，再通入吸收塔。2.2.3 主要设备选型说明考虑到转化器设计应让二氧化硫尽可能在最优化温度条件下反应，最大限度的利用二氧化硫反应放出的热量，设备阻力既要小，又能使气体分布均匀。故考虑使用外部换热型转化器。换热器考虑到气体有一定腐蚀性，故选用列管式换热器。风机选用罗茨风机2.
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