【正文】 SO2： SO3： O2： N2： 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計： 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 24 化工學(xué)院化學(xué)工程系 0～ ℃ SO2： SO3： O2： N2： kJ 97253372. 0)( 4 4 8) .6 0 0 2 5 (0)( 5 0 7 .2)( 5 .6 0 0 2 5Q 212????????????????????? ?? tCntCn piipii換 第三換熱器的計算 進出口氣體中 各組分的量： SO2： SO3 ： kmol O2： N2： 進換熱器氣體的溫度為 455℃，去一吸的溫度為 180℃（計入熱損失 5℃ ）， 由 文獻 [3]查 各溫度下的平均熱容 pC kJ/(kmol℃ )：青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計： 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 18 化工學(xué)院化學(xué)工程系 、 、 、 出口物料的焓： ? ?? ?tttpCnH ii3???????????????????? 又 0321 ?????? HHH Ct ?? ： 平衡曲線查得：由 eT tX ? ?? TXC 時， ??? TXXR則 12 ??????? XX tt? 轉(zhuǎn)化器三段床層操作參數(shù)的確定 假設(shè)三段出口溫度為 460℃，由 平衡曲線查得：eT tX ? % ?? TXC 時， , 2 ??????? TRXXRR ，則取由于 對第三段作物料衡算：以 1h 的進料量為計算基準(zhǔn) 進口物料量： kmo lnSO ? kmolnSO ? kmolnO ? kmolnN ? kmoln ?總 出口物料量： k m o ln SO 0 3 5 )( ???? k m o ln SO 7 1 2 ??? k m o ln O 8 7 2 1 ???? kmolnN ? 化工學(xué)院化學(xué)工程系 19 kmoln ?總 Ctt ?????? 11 解得可由 ? 第三段進口溫度取 446℃， 對第三段作熱量衡算： 由 文獻 [3]查得 0~446℃ 時 SO SO O N2的平均熱 容分別為 kJ/(kmol因此，本設(shè)計不采用上述介紹的方法確定操作參數(shù)。 R 氣體常數(shù)， 。國外最新研制開發(fā)的 SH型寬溫抗毒 SO1 氧化制硫酸催化劑和含銫催化劑 [4]，對于硫酸轉(zhuǎn)化的效果很好，但是考慮到設(shè)計的需要和經(jīng)濟方面的投入，本設(shè)計采用國產(chǎn)催化劑。出第一吸收塔的氣體，溫度為 60℃，經(jīng)第Ⅳ和第Ⅱ換熱器的熱交換后，將溫度加熱到 415℃后，進入第四段床層進行第二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)（這部分氣體的溫度較低，因為在低溫下 S107型催化劑的 活性比較高，轉(zhuǎn)化所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率也比較高，從而節(jié)省了換熱面積，故設(shè)計在第四段床層選用 S107催化劑進行二氧化硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)），當(dāng)二轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)化率為 95%（總化率 %） ， 溫度為 ℃后進入第Ⅳ換熱器中與自一吸來的氣體進行熱交換后在 142℃下送入第二吸收塔進行第二次吸收，從而完成兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收的工藝。 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)三吸流程相對于兩轉(zhuǎn)兩吸流程有較多的優(yōu)點，但此技術(shù)缺少生產(chǎn)檢驗，并且我們?nèi)鄙傩鹿に嚨挠嘘P(guān)資料，考慮到設(shè)計的先進性和可行性，本設(shè)計確定“ 3+1”、“ 2+2”轉(zhuǎn)化流程為初選工藝方案。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。 其它 [2] 硫酸生產(chǎn)過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。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，且在低溫?fù)Q熱器 (如 4換 )迎風(fēng)面設(shè)置了不銹鋼護板，同時設(shè)計了冷凝酸的排出裝置 , 有效地保護了設(shè)備 , 較好地解決了低溫?fù)Q熱器耐酸腐蝕的問題采用大空隙、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度 , 促進界面上的對流傳熱 , 降低傳熱熱阻 , 達(dá)到充分發(fā)揮強化管的傳熱強化作用 , 從而有效地避免了各類殼程支承物對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。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。轉(zhuǎn)化工藝在中國的情況如表 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： 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 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 國內(nèi)外硫酸轉(zhuǎn)化催化劑的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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)展過程，目前世界上硫酸生產(chǎn)都使用釩催化劑 ， 中國生產(chǎn)的釩催化劑主要有 S10 S10 S10 S10 S109等型號，國外也形成了以美國孟山都化學(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]。實現(xiàn)這一過程需將轉(zhuǎn)化所得三氧化硫氣體用硫酸吸收，工業(yè)上稱之為“吸收”。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。 2021年我國硫酸 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年中國染料產(chǎn)量約 1060kt,按 2kt染料 (含中間體 )平均消耗 1kt硫酸計算 ,消耗硫酸 530kt。 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。硫酸有很強的吸水性，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。 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。濃硫酸的脫水性是指其能將部分物質(zhì)中的氫、氧元素按原子個數(shù)比為 2： 1的比例奪取出來并生成水。在農(nóng)藥、除草劑、殺鼠劑的生產(chǎn)中亦需要硫酸。 2021年各產(chǎn)業(yè)消耗硫酸構(gòu)成見下表： 表 1 2021年我國硫酸消費構(gòu)成 用途 消費量 /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，國家為了保證我國糧食的安全，農(nóng)業(yè)部門對 20212020 年化肥需求提出預(yù)測， 2021 年磷肥國內(nèi)生產(chǎn)量 1100 萬噸（ 100%P2O5），化肥消費硫酸 3160萬噸，占表觀消費量 %，其中磷肥耗酸 3040 萬噸，高濃度磷復(fù)肥耗酸 1890 萬噸，占磷肥耗酸量 %，其它化肥耗酸占化肥耗酸量 %。 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。 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)致該項技術(shù)發(fā)展緩慢。 最新研制開發(fā)的 SH型寬溫抗毒 SO1氧化制硫酸催化劑，是一種無毒、無污染、高性能的制酸催化劑，具有起燃溫度低，壽命長，使用阻力小，節(jié)能降耗等特點，特別適 用于大型制酸企業(yè)，其性能達(dá)到了國際先進水平 [4]。 轉(zhuǎn)化設(shè)備的類型及發(fā)展趨勢 轉(zhuǎn)化器的型式按床層類型分，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。與傳統(tǒng)的折流板 (開孔率為 30% ) 支承相比較 , 阻力小 , 沒有氣流死角 , 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)向進出氣體的分布方式 ,使氣體在換熱器中的分布更為均勻。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。 “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。根據(jù)西寧地區(qū)的特點，我組成員分別對“ 3+1”、“ 2+2”轉(zhuǎn)化流程進行進行參數(shù)確定、物料衡算、熱量衡算、換熱流程確定及催化劑量計算。 化工學(xué)院化學(xué)工程系 11 4． 工藝計算書 轉(zhuǎn)化器進口氣體組成的計算 二氧化硫的轉(zhuǎn)化過程，氧氣濃度越大，反應(yīng)速率越大。 根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在相同的操作條件下，低溫催化劑 S107 的活性相同的條件下比其它型號的低溫催化劑更容易達(dá)到熱平衡 [7]，對于低溫 催化劑要優(yōu)先考慮 S107。 E1,E2 正、逆反應(yīng)活化能， J/mol。應(yīng)燮堂 提出了平衡轉(zhuǎn)化率的對比率 R的概念 ［ 10］ ，即 R=X/XT，用實際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率的比值來判斷達(dá)到 要求轉(zhuǎn)化率的難易?！?)： 、 、 、 設(shè)以下反應(yīng)途徑： CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021446322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 進口物料的焓： ? ?kJtpCnH ii)4460(1????????????????反應(yīng)的焓： ? ? kJso nHH SOR 32 3 ??????????? ? 三段出口溫度為 460℃ ， 由 文獻 [3]查得 0~460℃ 時 SO SO O N2的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )： 0～ 180℃ SO2： SO3： O2： N2： 0～ 455℃ SO2： SO3： O2： N2： kJ 0)( 1 8 0) (0)( 4 5 5)( 3 . 0 3 5 3Q 213??????????????????????? ?? tCntCn piipii換 第四換熱器的計算 進出口氣體中 各組分的量： SO2： SO3 ： kmol O