【正文】 轉(zhuǎn)化率也比較高，從而節(jié)省了換熱面積，故設(shè)計(jì)在第四段床層選用 S107催化劑進(jìn)行二氧化硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)），當(dāng)二轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)化率為 95%（總化率 %） ， 溫度為 ℃后進(jìn)入第Ⅳ換熱器中與自一吸來(lái)的氣體進(jìn)行熱交換后在 142℃下送入第二吸收塔進(jìn)行第二次吸收，從而完成兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收的工藝。 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 10 化工學(xué)院化學(xué)工程系 3． 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 由焙燒爐出來(lái)的爐氣經(jīng)過(guò)凈化工序進(jìn)行除塵干燥后，溫度為 40℃，壓力為 1800mmH2O,含 SO2 %、 O2 %、 %，流量為 。 以上幾種工藝，雖然應(yīng)燮堂提出的高濃度二 氧化硫的三轉(zhuǎn)三吸流程相對(duì)于兩轉(zhuǎn)兩吸流程有較多的優(yōu)點(diǎn)，但此技術(shù)缺少生產(chǎn)檢驗(yàn)，并且我們?nèi)鄙傩鹿に嚨挠嘘P(guān)資料，考慮到設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和可行性，本設(shè)計(jì)確定“ 3+1”、“ 2+2”轉(zhuǎn)化流程為初選工藝方案。對(duì)于“ 2+1”三段轉(zhuǎn)化的流程的一次轉(zhuǎn)化分二段進(jìn)行，而二次轉(zhuǎn)化分一段進(jìn)行，由于該流程所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率較低，國(guó)內(nèi)一般都不采用。因此“一轉(zhuǎn)一吸”流程已逐漸被淘汰，而兩轉(zhuǎn)兩吸逐漸被采用。 本設(shè)計(jì)的最終轉(zhuǎn)化率高，尾氣中所含的有害氣體很少，可以滿(mǎn)足國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)，可以直接放空。 其它 [2] 硫酸生產(chǎn)過(guò)程中排放的污染物主要有含 SO SO3（酸霧）的尾氣，固體燒渣和酸泥，有毒性廢物液、廢水等。 1. 3 設(shè)計(jì)任務(wù)的依據(jù) 本選題是由指導(dǎo)老師根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合我們?cè)诟屎庸I(yè)園區(qū)青海珠峰鋅業(yè)公司實(shí)習(xí)的情況下，選擇針對(duì)高海拔地區(qū)的自然條件和氣候 ,進(jìn)行硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝的初步設(shè)計(jì)而選定的。加工后的鋼材組織細(xì)化，抗氧化、抗腐蝕性能提高，壽命延長(zhǎng)，且在低溫?fù)Q熱器 (如 4換 )迎風(fēng)面設(shè)置了不銹鋼護(hù)板，同時(shí)設(shè)計(jì)了冷凝酸的排出裝置 , 有效地保護(hù)了設(shè)備 , 較好地解決了低溫?fù)Q熱器耐酸腐蝕的問(wèn)題采用大空隙、低流阻的空心環(huán)支 撐傳熱管束 , 用以提高近壁流體傳熱滯流底層的湍流強(qiáng)度 , 促進(jìn)界面上的對(duì)流傳熱 , 降低傳熱熱阻 , 達(dá)到充分發(fā)揮強(qiáng)化管的傳熱強(qiáng)化作用 , 從而有效地避免了各類(lèi)殼程支承物對(duì)流體形成阻力大的不利影響 , 在低流阻條件下獲得高的傳熱性能。 換熱器分類(lèi) [9]方式多樣 ,按照其工作原理可分為 :直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類(lèi) ,其中間壁式換熱器用量最大 ,據(jù)統(tǒng)計(jì) ,這類(lèi)換熱器占總用量的 99%。該工藝與標(biāo)準(zhǔn)兩轉(zhuǎn)兩吸工藝相比具有壓力損失小，產(chǎn)量高，酸純度高的優(yōu)點(diǎn)。丹麥 TOPSE公司于1996 年開(kāi)發(fā) VK69 新型含銫催化劑，該催化劑改進(jìn)了載體，使用新型粘合劑，提高了催化劑的孔隙率；外形采用菊形，同一直徑下比表面積比環(huán)形大約 倍；催化劑中 V2O5含量提高 25%，銫的存在保證了釩活性 [4]。轉(zhuǎn)化工藝在中國(guó)的情況如表 2所示 [5]： 表 2 轉(zhuǎn)化工藝的發(fā)展情況 年份 轉(zhuǎn)化器形式 SO2氣濃 % 轉(zhuǎn)化率 % 生產(chǎn)能力 t/d 1949年以前 一次二段 6～ 7 ～ 92 ～ 100 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 4 化工學(xué)院化學(xué)工程系 1953年 一次三段 ～ 94～ 96 ～ 200 1958年 一次四段 7～ 8 96～ 97 120～ 150 1963年 一次四段（爐氣冷激） 7～ 8 95～ 96 ～ 200 1964年 一次五段（爐氣冷激） ～ 95～ 97 ～ 300 1965年 一次五段（空氣冷激） 8～ 9 96～ 97 ～ 400 1966年 兩次四段（ 3+1） ～ 9 98～ 99 ～ 15～ 2 28 1972年 兩次四段（ 3+1） ～ 9 98～ 99 240 1981年 兩次四段（ 3+1） 8 99～ 120～ 150 1988年 兩次四段（ 3+1） 99～ 600 1989年 兩次五 段（ 3+2） 9 ～ 60 國(guó)內(nèi)外硫酸轉(zhuǎn)化催化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 硫酸生產(chǎn)的催化劑經(jīng)歷了從鐵催化劑、鉑催化劑到釩催化劑的發(fā)展過(guò)程，目前世界上硫酸生產(chǎn)都使用釩催化劑 ， 中國(guó)生產(chǎn)的釩催化劑主要有 S10 S10 S10 S10 S109等型號(hào)，國(guó)外也形成了以美國(guó)孟山都化學(xué)環(huán)保公司、丹麥托普索公司等為主的 LP 系列和 VK系列催化劑 [4]。 文獻(xiàn)綜述 轉(zhuǎn)化流程的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 隨著硫酸工業(yè)的發(fā)展，轉(zhuǎn)化工藝流程經(jīng)歷了很大變化。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程需將轉(zhuǎn)化所得三氧化硫氣體用硫酸吸收，工業(yè)上稱(chēng)之為“吸收”。 接觸法制酸的生產(chǎn)過(guò)程包含以下三個(gè)基本工序： 第一、由含硫原 料制取含二氧化硫氣體。根據(jù)制酸原料不同，又可把接觸法分成：硫鐵礦制酸、硫磺制酸、冶煉煙氣制酸、硫酸鹽制酸及含硫廢液制酸。 根據(jù)化肥和非化肥行業(yè)對(duì)硫酸的需求， 2021年硫酸產(chǎn)量達(dá)到 5300 萬(wàn)噸。 2021年我國(guó)硫酸 鈦白法生產(chǎn)能力達(dá)到 950kt/a，總產(chǎn)量為 700kt左右，比 2021年凈增 100kt，消耗硫酸約 3150kt，氟化氫產(chǎn)量約 400kt，消耗硫酸 1100kt，其它產(chǎn)業(yè)消耗硫酸分別為氯氣（ 2021年產(chǎn)量約 11200kt）干燥約 150kt，石油加工（ 2021 年原油加工量 億 t） 320kt，鋼鐵酸洗約700kt，環(huán)氧樹(shù)脂約 500kt，粘膠纖維（ 2021年產(chǎn)量約 1180kt），消耗酸約 1160kt，己內(nèi)酰胺 (2021年產(chǎn)量約 210kt),消耗硫酸約 430kt,2021年中國(guó)染料產(chǎn)量約 1060kt,按 2kt染料 (含中間體 )平均消耗 1kt硫酸計(jì)算 ,消耗硫酸 530kt。 在火、炸藥及國(guó)防工業(yè)中，濃硫酸用于制取硝化甘油、硝化纖維、三硝基甲苯等炸藥。 在化學(xué)工業(yè)中，硫酸是生產(chǎn)各種硫酸鹽的主要原料，是塑料、人造纖維、染料、油漆、藥物等生產(chǎn)中不可缺少的原料。濃硫酸具有強(qiáng)氧化性，不僅能氧化活潑性位于氫以前的金屬，而且能氧 化部分非金屬單質(zhì)，活潑性位于氫后的金屬及某些含有低價(jià)態(tài)元素的化合物或離子。硫酸有很強(qiáng)的吸水性，能吸收氣體中的水蒸氣，也能吸收液體中的部分水分，從而使氣體干燥，溶液發(fā)生相應(yīng)的變化。純硫酸一般為無(wú)色透明的油狀液體，分子量為 。 化工學(xué)院化學(xué)工程系 1 1. 總論 概述 硫酸的性質(zhì) 硫酸是三氧化硫（ SO3）和水（ H2O）化合而成。硫酸分為發(fā)煙硫酸、濃硫酸和稀硫酸，硫酸中不含水而存在游離S03 時(shí)成為發(fā)煙硫酸，當(dāng)硫酸水溶液中硫酸質(zhì)量百分?jǐn)?shù)≥ 75%的硫酸叫做濃硫酸，而把硫酸質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在 75%以下的硫酸水溶液叫做稀硫酸 [1]。濃硫酸的脫水性是指其能將部分物質(zhì)中的氫、氧元素按原子個(gè)數(shù)比為 2： 1的比例奪取出來(lái)并生成水。 硫酸的用途 ［ 2］ 硫酸的用途非常廣泛，是最重要的化工原料之一。在農(nóng)藥、除草劑、殺鼠劑的生產(chǎn)中亦需要硫酸。原子能工業(yè)中用于濃縮鈾。 2021年各產(chǎn)業(yè)消耗硫酸構(gòu)成見(jiàn)下表： 表 1 2021年我國(guó)硫酸消費(fèi)構(gòu)成 用途 消費(fèi)量 /kt 比例 /% 化肥 33400 磷肥 31470 工業(yè) 14800 鈦白粉 3150 粘膠纖維 1600 氟化氫 1100 鋼鐵酸洗 700 染料 530 環(huán)氧樹(shù)脂 500 己內(nèi)酰胺 430 石油加工 320 氯堿 150 其它 6320 根據(jù)磷肥“十一五”發(fā)展規(guī)劃，國(guó)家為了保證我國(guó)糧食的安全，農(nóng)業(yè)部門(mén)對(duì) 20212020 年化肥需求提出預(yù)測(cè)， 2021 年磷肥國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量 1100 萬(wàn)噸（ 100%P2O5），化肥消費(fèi)硫酸 3160萬(wàn)噸，占表觀消費(fèi)量 %，其中磷肥耗酸 3040 萬(wàn)噸，高濃度磷復(fù)肥耗酸 1890 萬(wàn)噸，占磷肥耗酸量 %，其它化肥耗酸占化肥耗酸量 %。其中，硫鐵礦制酸 1600萬(wàn)噸，占 %；冶煉煙氣制酸 1100 萬(wàn)噸，占 %；硫磺制酸 2540 萬(wàn)噸，占 %；其他 60萬(wàn) 化工學(xué)院化學(xué)工程系 3 噸，占 %。 硝化法又包括鉛室法和塔式法，它們均是以氮氧化物為媒介，使二氧化硫在氧氣及水存在的情況下生成硫酸。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程需將含硫原料焙燒，故工業(yè)上稱(chēng)之為“焙燒”。 早期的接觸法制酸是以鉑為催化劑，硫酸的產(chǎn)量較高，但是制酸成本較高，導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展緩慢。轉(zhuǎn)化流程主要有“一轉(zhuǎn)一吸”和“兩轉(zhuǎn)兩吸”兩大類(lèi)，“一轉(zhuǎn)一吸”流程亦為一次轉(zhuǎn)化一次吸收，由于受催化劑用量及平衡轉(zhuǎn)化率的限制，該工藝可能達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率為 97%～ 98%，顯然硫的利用率不夠高，尾氣中二氧化硫的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)，因此該工藝已逐漸被淘汰。 最新研制開(kāi)發(fā)的 SH型寬溫抗毒 SO1氧化制硫酸催化劑，是一種無(wú)毒、無(wú)污染、高性能的制酸催化劑，具有起燃溫度低，壽命長(zhǎng)，使用阻力小，節(jié)能降耗等特點(diǎn)，特別適 用于大型制酸企業(yè)，其性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平 [4]。 國(guó)內(nèi)外硫酸轉(zhuǎn)化新工藝的發(fā)展 [4] PEA(Process Engineering Associates)公司推出了一種兩段式硫酸生產(chǎn)工藝，其特點(diǎn)是 SO2排放幾乎為零（ 3cm3/m3）。 轉(zhuǎn)化設(shè)備的類(lèi)型及發(fā)展趨勢(shì) 轉(zhuǎn)化器的型式按床層類(lèi)型分，有固定床和流化床兩種；按換熱位置分，有內(nèi)部換熱型、外部 化工學(xué)院化學(xué)工程系 5 換熱型和沸騰床轉(zhuǎn)化器；按氣流在床內(nèi)流動(dòng)方向分，有軸向轉(zhuǎn)化器和徑向轉(zhuǎn)化器，此外，還有徑向轉(zhuǎn)化器，徑向 軸向轉(zhuǎn)化器，臥式轉(zhuǎn)化器，空氣冷激式轉(zhuǎn)化器等。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類(lèi) ,其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性 ,在長(zhǎng)期的操作過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn) ,其設(shè)計(jì)資料比較齊全 ,在許多國(guó)家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的折流板 (開(kāi)孔率為 30% ) 支承相比較 , 阻力小 , 沒(méi)有氣流死角 , 不容易產(chǎn)生折流面上的氣塵堆積 , 提高了換熱器的利用率 , 提高了產(chǎn)量 , 降低了噸酸能耗；采用殼側(cè)圓周環(huán)向進(jìn)出氣體的分布方式 ,使氣體在換熱器中的分布更為均勻。 原材料的規(guī)格 、來(lái)源及水、電、汽等的供應(yīng)情況 本設(shè)計(jì)中硫酸生產(chǎn)所采用的 原料為硫鐵礦，甘肅省白銀地區(qū)的硫鐵礦可以提供充足的原料，硫鐵礦中的主要成分為 FeS2,其中含硫 35%（干基），含水 4%（濕基）。以硫鐵礦為制酸原料，特別是含硫 20%～ 30%的中低品位礦，不僅排放大量含有害物的尾氣、廢水，而且還要排放大量廢渣。青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 8 化工學(xué)院化學(xué)工程系 2. 生產(chǎn)流程的確定 轉(zhuǎn)化流程主要有“一轉(zhuǎn)一吸”和“兩轉(zhuǎn)兩吸”兩大類(lèi)。 “兩轉(zhuǎn)兩吸”流程為兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收工藝，可能達(dá)到的最終轉(zhuǎn)化率大于 %，該工藝所采用的段數(shù)組合有“ 2+1”三段轉(zhuǎn)化、“ 2+2”和“ 3+1” 四段轉(zhuǎn)化、“ 3+2”五段轉(zhuǎn)化流程。 目前國(guó)內(nèi)最常用的轉(zhuǎn)化流程是“ 3+1”、“ 2+2”、“ 3+2”等組合方式，“ 3+2”組合的工藝流程是轉(zhuǎn)化分五段進(jìn)行的，該方式 的催化劑用量少，但是由于多了一段，使得設(shè)備龐大，管線復(fù)雜，占地面積增大，液體流過(guò)時(shí)的阻力大，而且由于管線長(zhǎng)，設(shè)備多，散熱面積增大，使用實(shí)際熱損失增加，在同樣的條件下很難達(dá)到熱平衡。根據(jù)西寧地區(qū)的特點(diǎn)，我組成員分別對(duì)“ 3+1”、“ 2+2”轉(zhuǎn)化流程進(jìn)行進(jìn)行參數(shù)確定、物料衡算、熱量衡算、換熱流程確定及催化劑量計(jì)算。經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)升壓后送入第Ⅲ換熱器與轉(zhuǎn)化器三段床層出來(lái)的熱的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)行熱量交換，然后進(jìn)入第Ⅰ換熱器與一段床層的熱氣體進(jìn)行熱量交換后氣體被加熱到 410℃送入轉(zhuǎn)化器一段床層 ,分別經(jīng)床層上部的 S107型催化劑和床層下部的 S101型催化劑床層進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)， SO2轉(zhuǎn)化率達(dá) 72%，氣體溫度升到 ℃后，進(jìn)入第Ⅰ換熱器與冷氣體進(jìn)行換熱 ,氣體經(jīng)換熱后溫度降低到 475℃，然后氣體進(jìn)入第二段床層繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。 化工學(xué)院化學(xué)工程系 11 4． 工藝計(jì)算書(shū) 轉(zhuǎn)化器進(jìn)口氣體組成的計(jì)算 二氧化硫的轉(zhuǎn)化過(guò)程，氧氣濃度越大，反應(yīng)速率越大。 S101 為中溫催化劑，操作溫度 425～600℃，各段均可使用，壽命可達(dá) 10年以上，活性達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在相同的操作條件下，低溫催化