【正文】 O4），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。 “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 %。 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)。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?；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。 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］ 。在中國，硫酸產(chǎn)量的60%以上用于生產(chǎn)磷肥和復(fù)肥。 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 %。一類是硝化法，另一類是接觸法。 第三、將三氧化硫與水結(jié)合成硫酸。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］ 。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。 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。 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 。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)。 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)。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。 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]。 Te 平衡 溫度， K。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(dòng)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)。℃ )： 、 、 、 設(shè)計(jì)以下反應(yīng)途徑： CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021475322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 進(jìn)口物料所帶入的焓： ? ? ? ?? ?kJtpCnH ii1?????????????????????? ? ? kJso nHH SOR 284 51 3323 ??????????? ? 出口溫度為 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℃ )： 0～ 477℃ SO2： SO3： O2： N2： 0～ ℃ SO2： SO3： O2： N2： kJ 0)( 4 7 7) (0)( 5 7 7 . 8)( 1 1 . 9 7Q 211??????????????????????? ?? tCntCn piipii換 第二換熱器的計(jì)算 進(jìn)出口氣體中 各組分的量： SO2： SO3 ： kmol O2： N2： 換熱器進(jìn)口氣體的溫度為 ℃ ,出口溫度為 448℃（計(jì)入熱損失 5℃ ）， 由 文獻(xiàn) [3]查 得 各溫度下的平均熱容 pC kJ/(kmol 第一換熱器 由上面的計(jì)算可知熱流體的熱量 為： Q 熱 = 由一吸來的氣體中 各組分的量： SO2： SO3 ： kmol O2： N2： 冷流體的出口溫度為 418℃，設(shè)進(jìn)口溫度為 300℃ , 由 文獻(xiàn) [3]查 得 0～ 418℃時(shí)的平均熱容 pC kJ/(kmol℃ )： 0～ 349℃ SO2： SO3： O2： N2： )( 3 . 0 3 5 Q 21?????????????? ??ttCntCn piipii冷根據(jù)熱量平衡 : 熱冷 ? ,解得 :t=349℃ 故冷流體進(jìn)第二換熱器的為 349℃ 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) 28 化工學(xué)院化學(xué)工程系 第四換熱器 冷流體進(jìn)口溫度為 60℃ ,出口溫度為 354℃ (計(jì)入熱損失 5℃ ), 由文獻(xiàn) [3]查得 各溫 度下的平均熱容 pC kJ/(kmolCⅢⅡⅣⅠ477 176。C415 176。C317 176。℃ )： 、 、 、 設(shè)計(jì)以下反應(yīng)途徑： 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) 34 。C去一吸418 176。C446 176。C自一吸來142 176。tCntCn piipii熱根據(jù)熱量平衡 : 熱冷 ? ,解得 :t=191℃ 故去一吸的溫 度為 191℃ . 第二換熱器 由上面的計(jì)算可知熱流體的熱量 為： Q 熱 = 冷流體的出口溫度為 422℃，設(shè)進(jìn)口溫度為 340℃ , 由文獻(xiàn) [3]查 各溫度下的平均熱容 pC kJ/(kmol根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本設(shè)計(jì)考慮的熱損失為 45℃。℃ )： 0～ 40℃ SO2： O2： N2： 0～ 418℃ SO2： O2： N2： J66096030. 9726 1 0 4 4 5 .5 1 0)( 4 0452). 2 .7 5 (0)( 4 1 86940).( 4 2 .7 5Q 21i1ktCntCn piiPi??????????????????? ??需 進(jìn)一段 進(jìn)二段 進(jìn)三段 物 質(zhì)的量kmol 百分含量 % 物質(zhì)的量kmol 百分含量 % 物質(zhì)的量 kmol 百分含量 % SO2 SO3 O2 N2 ∑ 100 100 100 出三段 進(jìn)四段 出四段 物質(zhì)的量kmol 百分含量 % 物質(zhì)的量kmol 百分含量 % 物質(zhì)的量 kmol 百分含量 % SO2 SO3 86866868686 O2 N2 ∑ 100 100 100 化工學(xué)院化學(xué)工程系 23 由一吸來的氣體中各組分的量 ： SO2： SO3 ： kmol O2： N2： 由一吸來氣體的溫度為 60℃，四段進(jìn)口溫度為 422℃（計(jì)入熱損失 12℃ ）， 由 文獻(xiàn) [3]查 得 各溫度下的平均熱容 pC kJ/(kmol℃ )： 、 、 設(shè)以下反應(yīng)途徑： 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) 16 化工學(xué)院化學(xué)工程系 CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021410322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 反應(yīng)為絕熱操作，故 0??H ，即 0321 ?????? HHH 進(jìn)口物料帶入的焓： kJtCnCnCnH pSOSOpNNpOO)( 2222221???????????????）（）（ 反應(yīng)生成焓： kJso nHH SOR 061 332 3 ?????????? ? 根據(jù)催化劑的活性溫度范圍 ， 假設(shè)出口溫度為 580℃ ， 由 文獻(xiàn) [3]查得 0~580℃時(shí) SO SO O N2 的平均熱容分別為 kJ/(kmol依次交替使用第一類條件式（確定各段進(jìn)口點(diǎn)）和第二類條件式（確定各段出口轉(zhuǎn)化率），直至第四段為止。在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，所選擇的操作溫度應(yīng)處于催化劑的活性溫度范圍內(nèi)，并在盡量高的反應(yīng)速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以減少催化劑的用 量，而且使轉(zhuǎn)化率盡可能的高。 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)到國際先進(jìn)水平。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。 目前國內(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，液體流過時(shí)的阻力大，而且由于管線長，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。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) 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。 原材料的規(guī)格 、來源及水、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）。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類 ,其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性 ,在長期