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西寧地區(qū)年產(chǎn)3萬噸100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì)——青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)-全文預(yù)覽

2025-03-28 01:09 上一頁面

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【正文】 為 510℃ , 由 文獻(xiàn) [3]查得 0~510℃ 時(shí) SO SO O N2的平均熱容分別為 kJ/(kmol根據(jù)經(jīng)驗(yàn),平衡轉(zhuǎn)化率對比率 R 應(yīng)取 — 。因此用上述方法所確定的參數(shù)并不是最佳參數(shù),即使用工業(yè)反應(yīng)器的宏觀動力學(xué)方程按上述方法確定最佳操作參數(shù),由于考慮到催化劑失活、老化、中毒等因素,往往計(jì)算的催化劑條件需要校正,使按上述方法確定的最佳操作參數(shù)實(shí)際上也就不是最佳參數(shù)。文獻(xiàn)介紹了求取最佳操作參數(shù)的方法 [9],是根據(jù)催化劑的活性溫度選一段進(jìn)口溫度,然后假設(shè)第一段出口轉(zhuǎn)化率,再用第一類條件式iiii XX ?????? , 000 ?? 確定二段進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)。 Te 平衡 溫度, K。 化工學(xué)院化學(xué)工程系 13 求取平衡 溫度和最佳溫度 二氧化硫的催化氧化反應(yīng)為一可逆放熱反應(yīng)。 S10 S10 S108 為低溫催化劑,起活溫度380~ 390℃,操作溫度 400~ 550℃,一般裝在一段上部和最后一段,以使反應(yīng)能在低溫下進(jìn)行,這樣不僅能提高總轉(zhuǎn)化率和減小換熱面積,還允許提高轉(zhuǎn)化器進(jìn)口氣體中 SO2含量 [2]。目前國內(nèi)兩轉(zhuǎn)兩吸并且是“ 3+1”轉(zhuǎn)化流程的廠,一段入口 SO2的濃度一般為 %~ %[ 7] ,考慮到青海處于高海拔地區(qū),大氣壓低,氧氣不足,溫度低 [8]的特點(diǎn),本設(shè)計(jì)在計(jì)算時(shí)一段入口 SO2 的濃度取為 %。一次轉(zhuǎn)化后的氣體在第Ⅲ換熱器與鼓風(fēng)機(jī)來的冷氣體進(jìn)行熱交換后溫度降為 191℃,送入第一吸收塔進(jìn)行吸收,除去氣體中的大部分 SO3。綜上所述,我們 最終確定采用“ 3+1”組合的ⅢⅠ — ⅣⅡ換熱流程作為本次設(shè)計(jì)的流程,并以此流程進(jìn)行設(shè)備選型和計(jì)算(本人是對“ 3+1”的轉(zhuǎn)化流程進(jìn)行參數(shù)確定、物料衡算、熱量衡算,并計(jì)算換熱面積和催化劑用量,進(jìn)而與同組成員的“ 2+2”的轉(zhuǎn)化流程所計(jì)算的換熱面積和催化劑用量進(jìn)行比較,經(jīng)全組成員討論確定出最終工藝)。 南化集團(tuán)設(shè)計(jì)院應(yīng)燮堂提出將高濃度二氧化硫煙氣分別稀釋成 20%用國產(chǎn)的普通催化劑采用三轉(zhuǎn)三吸方法制酸,并對此作了技術(shù)論證,結(jié)論是高濃度二氧化硫用三轉(zhuǎn)三吸流程制酸技術(shù)可靠,經(jīng)濟(jì)合理,值得推薦,但該工藝沒有進(jìn)行經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)。相反,段數(shù)少、反應(yīng)溫度偏離最佳溫度較遠(yuǎn),這樣不僅反應(yīng)速率小,轉(zhuǎn)化率亦達(dá)不到較高的程度,經(jīng)濟(jì)上不合理,因此工業(yè)上一般選擇用 3~ 5段轉(zhuǎn)化器。為了減少 SO2 對大氣的污染,在制酸裝置后設(shè)置了尾氣處理裝置,其處理的方法很多,但都存在硫利用率低,投資和運(yùn)行費(fèi)用高的缺點(diǎn)。對于兩轉(zhuǎn)達(dá)兩吸流程,如果操作正常,轉(zhuǎn)化率可達(dá)到 %以上,尾氣可以不經(jīng)處理直接放空,能夠達(dá)到目前國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì): 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 6 化工學(xué)院化學(xué)工程系 設(shè)計(jì)的自然條件 空氣成份: O2 % % 大氣壓: 冬季 :590mmHg 夏季 :580mmHg 大氣溫度: 夏季: 16℃ 冬季: 7℃ 年平均: ℃ 年最高氣溫: 33℃ 相對 濕度: 年平均: 50% 夏季最高值 53% 水溫: 夏季: 15℃ 冬季: 4℃ 最高水溫: 28℃ 生產(chǎn)制度 硫酸生產(chǎn)是連續(xù)的 過程 ,本設(shè)計(jì)選取 一 年 300天的工作日 ,24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn) ,分四班倒 。同時(shí)抗腐蝕的能力大大提高 , 換熱器的使用壽命得以延長。 空心管殼式換熱器 [7]采用雙面強(qiáng)化傳熱的縮放型傳熱管; 采用縮放管,層流底層較薄,管內(nèi)傳熱系數(shù)往往大于管外傳熱系數(shù),管內(nèi)壁溫可大于 100℃ ,使支管內(nèi)煙氣的酸霧不至于凝聚。但國內(nèi)只有部分大型裝置才采用不銹鋼轉(zhuǎn)化器,影響不銹鋼 轉(zhuǎn)化器在國內(nèi)進(jìn)一步推廣使用的主要因素是不銹鋼價(jià)格的居高不下。該工藝分兩段:第一段是接觸段, SO2 氣體冷卻凈化后在一單層轉(zhuǎn)化器中轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化率 65%~ 70%,第二段是一種改進(jìn)的NOX工藝(即以前的鉛室法或塔室法工藝, SO2在此幾乎完全轉(zhuǎn)化, 生成 濃度為 76%的硫酸),由于該酸在塑料塔中生產(chǎn),故純度極高,可作為特殊用途酸,也可返回接 觸段進(jìn)一步提濃或生產(chǎn)發(fā)煙酸。含銫催化劑具有起燃溫度低、活性高的特點(diǎn),與傳統(tǒng)的釩催化劑相比,起燃溫度低 20~ 40℃,適用于處理二氧化硫濃度較低的氣體或用富氧空氣產(chǎn)生的二氧化硫濃度較高的氣體。為了適應(yīng)催化劑的活性,南化集團(tuán)設(shè)計(jì)院應(yīng)燮堂提出將高濃度二氧化硫煙氣分別稀釋成 20%用國產(chǎn)的普通催化劑采用三轉(zhuǎn)三吸方法制酸,并對此作了技術(shù)論證,結(jié)論是高濃度二氧化硫用三轉(zhuǎn)三吸流程制酸技術(shù)可靠,經(jīng)濟(jì)合理,值得推薦 [ 4] 。因此,釩催化劑很快取代了鉑催化劑的地位,在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 第三、將三氧化硫與水結(jié)合成硫酸。因此,此法的發(fā)展受到限制。一類是硝化法,另一類是接觸法。 20212021 年化肥耗酸量年均遞增 2%,磷肥耗酸遞增 %,高濃度磷復(fù)肥耗酸遞增 %,普鈣耗酸下降 %。 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì): 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 2 化工學(xué)院化學(xué)工程系 硫酸的市場需求 [ 3] 2021 年我國硫酸的表觀消費(fèi)量 48200kt,其中化肥消費(fèi)硫酸為 33400kt,占硫酸表觀消費(fèi)量的%,其中磷肥耗酸 31470kt,磷肥中高濃度磷復(fù)肥耗酸 18900kt,占磷肥耗酸量的 %。 在冶金工業(yè)中, 鋼材加工及成品的酸洗要用硫酸;電解法精煉銅、鋅、鎘、鎳時(shí),電解液需使用硫酸;某些貴金屬的精煉亦需用硫酸溶去夾雜的其它金屬。在中國,硫酸產(chǎn)量的60%以上用于生產(chǎn)磷肥和復(fù)肥。硫酸無論是用水稀釋還是與其它液體混合,都會放出大量的熱。 具有相對密度大、沸點(diǎn)高、液面上水蒸氣的平衡分壓極低等物理特性和吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性等化學(xué)特性 [ 2] 。無水硫酸就是指 100%的硫酸,又稱純硫酸?;瘜W(xué)上一般把一個(gè)分子的三氧化硫與一個(gè)分子的水相結(jié)合的物質(zhì)稱為無水硫酸。 硫酸是強(qiáng)酸之一,具有酸的通性,但濃硫酸有其特殊的性質(zhì)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %的濃硫酸其沸點(diǎn)為 338℃ ,與其它常見的酸相比 ,沸點(diǎn)較高 ,是一種難揮發(fā)的強(qiáng)酸。 硫酸最主要用途是生產(chǎn)化學(xué)肥料,用于生產(chǎn)磷銨、重過磷酸鈣、硫銨等。 在石油工業(yè)中,石油精煉需使用大量硫酸作為洗滌劑,以除去石油產(chǎn)品中的不飽和烴等雜質(zhì)。運(yùn)載火箭所用燃料亦離不了硫酸。 “十一五”發(fā)展規(guī)劃提出 2021 年國內(nèi)磷肥產(chǎn)量 1200 萬噸, DAP、 MAP、 NPK 高濃度復(fù)合肥達(dá)到自給有余,進(jìn)口量、出口量大致相當(dāng),以此測算,化肥用酸 3480 萬噸 ,占表觀消 費(fèi)量的 %,磷肥用酸占 %,高濃度磷復(fù)肥耗酸占磷肥用酸量 %,普鈣耗酸占 %。 硫酸的生產(chǎn)方式及其特點(diǎn) [ 2] 按二氧化硫的氧化方法不同,可把 硫酸生產(chǎn)方法分成兩類。用該方法制得的硫酸, H2SO4 含量低( 78%H2SO4),雜質(zhì)含量高(主要含有塵及氮氧化物),且需耗用大量硝酸或硝酸鹽,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了染料、化纖、有機(jī)合成、石油化工等部門的要求。 第二、把二氧化硫氣體和催化氧化為三氧化硫,工業(yè)上稱之為“轉(zhuǎn)化”。后來德國公司開發(fā)出了添加堿金屬鹽的釩催化劑,使催化劑活性達(dá)到了鉑催化劑的水平,而且價(jià)格低,不易中毒?!皟赊D(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。 含銫催化劑的研制和開發(fā)成功提高了轉(zhuǎn)化過程的總轉(zhuǎn)化率,降低尾氣中二氧化硫濃度。該工藝也可處理濃度低、波動大的 SO2 氣體。 不銹鋼轉(zhuǎn)化器 [6]具有可靠性較高、使用壽命較長、不掉氧化皮及維修費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn),在國外應(yīng)用較普遍。近年來盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn) ,但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣 等優(yōu)點(diǎn) ,管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器 ,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對優(yōu)勢。同時(shí)由于采用了環(huán)向進(jìn)氣 , 殼程入口氣體經(jīng)過夾套沿殼程的周向 進(jìn)氣 , 氣體流速降低 , 減少了對列管的沖刷 , 管外的傳熱膜系數(shù)與管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)相差不多 , 故可使氣體入口段管壁的金屬溫度居內(nèi)外氣體之中 , 金屬壁溫較高 , 不易結(jié)垢 , 防止冷凝酸的產(chǎn)生。生產(chǎn)過程中所需水資源是由城市水網(wǎng)供給,循環(huán)使用,電力由西寧市電網(wǎng)提供,轉(zhuǎn)化工序不涉及汽的使用。 經(jīng)轉(zhuǎn) 化 — 吸收系統(tǒng)出來的氣體,除含有大量無害的 N O2外,還含有有害的 SO SO3。 “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)超過排放標(biāo)準(zhǔn),而且如果要得到更高的轉(zhuǎn)化率,將使催化劑用量大幅度增加,而且轉(zhuǎn)化的段數(shù)亦要增加,這是很不經(jīng)濟(jì)的。對于轉(zhuǎn)化段數(shù)理論上是段數(shù)越多, 反應(yīng)越接近最佳溫度線,越能使反應(yīng)以較快速度進(jìn)行,但是從經(jīng)濟(jì)性考慮,轉(zhuǎn)化段數(shù)越多,換熱設(shè)備越多,流程越復(fù)雜,投資及占地面積亦隨之增多。因此,目前國內(nèi)采用較多的是“ 3+1”、“ 2+2”式“兩轉(zhuǎn)兩吸”流程。 兩種流程的 KA值 、 催化劑體積 和去一吸、二吸的溫度 見表 3: 表 3: 兩種流程的 KA值和催化劑體積比較 流程 組合方式 ∑ KA 催化劑用量( m3) 去一吸溫度( ℃ ) 去二吸溫度( ℃ ) Ⅲ Ⅰ — ⅣⅡ 97550 191 142 生產(chǎn)流程的確定 化工學(xué)院化學(xué)工程系 9 3+1 ⅢⅠ — ⅣⅡ (調(diào)整后 ) 90252 172 162 2+2 ⅢⅠ — ⅣⅡ 106462 ⅣⅢⅠ — Ⅱ 104150 通過對最終結(jié)果進(jìn)行比較 可以看出 , 對于“ 2+2”的流程,僅在催化劑用量方面少于“ 3+1”的轉(zhuǎn)化流程,但是從換熱面積和去一吸、二吸的溫度看“ 3+1”的流程均好于“ 2+2”,此外, 通過查閱資料,在實(shí)際的生產(chǎn)過程中,在設(shè)備投資和操作費(fèi)用方面,“ 3+1”流 程均低于“ 2+2”的流程。氣體在裝有S101型催化劑的第二段床層繼續(xù)反應(yīng),轉(zhuǎn)化率達(dá)到 %,氣體溫度升為 ℃ ,離 開床層進(jìn)入第Ⅱ換熱器中與第一吸收塔來的冷氣體進(jìn)行熱量交換 ,經(jīng)換熱器后氣體溫度降為 446℃,進(jìn)入第三段床層繼續(xù)在 S101催化劑的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng),當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到 %,氣體溫度達(dá)到 455℃,從而完成第一次轉(zhuǎn)化。對于一定的礦來說,進(jìn)轉(zhuǎn)化器的原料氣中 SO2濃度越高,氧氣含量越低總的氣量越少,過程易于達(dá)到自熱平衡,但是 相同體積催化劑下所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率越低;二氧化硫濃度低,氧氣含量高,在相同體積催化劑下所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率高,但是此時(shí)總氣量大,過程不易自熱平衡。 S102為環(huán)狀中溫催化劑,特點(diǎn)是內(nèi)表面利用率較高,床層阻力小,但易粉碎。為了提高反應(yīng)的總轉(zhuǎn)化率,節(jié)約換熱面積,一轉(zhuǎn)聯(lián)合使用 S101 和 S107 催化劑,二轉(zhuǎn)氣體的進(jìn)口溫度為 415℃,因此二轉(zhuǎn)全部使用 S107 催化劑。根據(jù)反應(yīng)的動力學(xué)方程用求極值的方法所導(dǎo)出的最佳溫度和最佳溫度的計(jì)算公式如下 [ 2] : 平衡溫度: ??? ???? Paxb axxxT e ( 41) 最佳溫度:1212ln1 EEEE RTTeemT??? ( 42) 式中: Tm 最佳溫度, K。 對于 3+1 式轉(zhuǎn)化器各段壓力如下 表所示 : 表 4 轉(zhuǎn)化器各段壓力 項(xiàng)目 第一段 第二段 第三段 第四段 進(jìn)口壓力( mmH2O) 1800 1510 1330 750 出口壓力( mmH2O) 1590 1410 1230 650 一轉(zhuǎn)的平均壓力: OmmH215152 12301800 ?? 二轉(zhuǎn)的平均壓力: Om m H27002 650750 ?? 西寧地區(qū)的年平均大氣壓為 580mmHg,則 一轉(zhuǎn)的絕壓 a t mP 9 1 2 0 1 3 8 0109 6 7 5 1 5 4 ?????? ? 二轉(zhuǎn)的絕壓 a tmP 8 3 3 0 1 3 6 7 4 ?????? ? 由前面的計(jì)算可知,進(jìn)口氣體的組成:二氧化硫 a=%, 氧氣 b=% 根據(jù)公式計(jì)算不同轉(zhuǎn)化率下的平衡溫度和最佳溫度如下表所示: 表 5 不同轉(zhuǎn)化率下的平衡溫度和最佳溫度 一 X Te( K)
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