【文章內(nèi)容簡介】 2020 年基本持平。進口硫酸 175 萬噸，由于韓國硫酸減少，總進口量比 2020 年進一步下降。 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 5 第二章 工藝說明書 概述 產(chǎn)品規(guī)模和規(guī)格 (1)年操作日 300 天 /年 (2)生產(chǎn)方式 連續(xù)生產(chǎn) (3)生產(chǎn)能力 18 萬噸 /年 H2SO4 (4)產(chǎn)品 要求 二氧化硫 轉(zhuǎn)化率 ≥98% 工藝方案敘述 國內(nèi)生產(chǎn)硫酸的方法主要是用硝化法和接觸法，考 慮到硝化法所需設備龐大，用鉛很多，檢修麻煩，腐蝕設備，反應緩慢 。 本設計采用的是接觸法，該方法制得的成品酸濃度高，純度較高。理論上催化氧化操作過程的段數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高，而且過程更接近于最佳溫度曲線，催化劑的利用率越高。本設計的生產(chǎn)過程采用一轉(zhuǎn)一吸的工藝流程，即將二氧化硫經(jīng)過 多段轉(zhuǎn)化后只經(jīng)過一個或串聯(lián)兩個吸收塔，吸收其中 SO2后就排放。轉(zhuǎn)化流程為 4 段間接換熱式。 裝置設計說明 工藝原理 二氧化硫轉(zhuǎn)化通常是在不高于 壓力下進行，而且 SO SO3 濃度又較低，體系可視為理想氣體。 二氧化硫氧化反應是一個可逆放熱反應： 2 2 312 PSO O SO Q?????? ?? 3SOPSO O eqPK PP??? ????? ? ? ? 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 6 工藝流程說明 現(xiàn) 采 用接觸法一轉(zhuǎn)一吸酸洗封閉流程生產(chǎn)硫酸，其生產(chǎn) 工藝大致有六大工序，即：原料預處理、 SO2 爐氣制取、 SO2 氣體凈化、二氧化硫轉(zhuǎn)化、三氧化硫吸收、 “ 三廢 ” 處理。這里主要介紹一下轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)為一轉(zhuǎn)一吸四段反應裝置，因為二氧化硫轉(zhuǎn)化的過程是一個放熱過程，它的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而降低，因此采用多段反應器，通過一段反應器后物料的溫度升高，經(jīng)冷卻后通入下一段反應器繼續(xù)反應，使整個反應的操作曲線在最適溫度曲線附近，既保證了反應的速度，又可以達到較高的轉(zhuǎn)化率。此流程使用原料氣作為冷卻劑，可以省去外加的冷卻劑，又可以利用反應產(chǎn)生的熱量來預熱原料氣，節(jié)約能源，一舉兩 得。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括一個四段反應器和四個換熱器。前面制取的氣體經(jīng)過一系列凈化的過程，依次通過第四、第三、第二、第一 換 熱器預熱后進入反應器，第一、第二、第三、第四段反應床層出來的氣體分別經(jīng)過第二、第三、第四、第一換熱器進行冷卻，再通入吸收塔。 主要設備選型說明 考慮到轉(zhuǎn)化器設計應讓二氧化硫盡可能在最優(yōu)化溫度條件下反應，最大限度的利用二氧化硫反應放出的熱量，設備阻力既要小，又能使氣體分布均勻。故考慮使用外部換熱型轉(zhuǎn)化器。換熱器考慮到氣體有一定腐蝕性，故選用列管式換熱器。風機選用羅茨風機。 化 工原材料規(guī)格及用量 進入轉(zhuǎn)化器氣體組成： SO2 占 9％ ； O2占 10％ ； N2占 81％。本設計采用的催化劑型號是 S1091，起燃溫度為 360℃ ，使用溫度為 400580℃ ，入口 SO2：%? %[5]。 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 7 第三章 轉(zhuǎn)化工序物料衡算與熱量衡算 轉(zhuǎn)化工序流程示意圖及簡要說明 圖 是硫酸轉(zhuǎn)化工藝的流程，原料氣由干燥器進入轉(zhuǎn)化爐一段，再進入換熱器，再進入到轉(zhuǎn)換爐二段，由此類推，直到從轉(zhuǎn)化爐四段出來降溫至吸收塔。 圖 轉(zhuǎn)化工序流程示意圖 確定各段進口溫度及轉(zhuǎn)化率 溫度與平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系 [6] 在 400 ~ 700 C? 時， 4 9 0 5 .5lg 4 .6 4 5 5pK T?? () 式中： PK ? ? ? 平衡常數(shù) T? ? ? 溫度 /K 平衡轉(zhuǎn)化 率1 0 0 0 .5( 0 .5 )PTTPTKXaXKP b a X? ?? ? () 式中： 9%a? ? ? ? 進轉(zhuǎn)化器的爐氣中 2SO 的濃度（ %） 10%b? ? ? ? 進轉(zhuǎn)化器的爐氣中 2O 的濃度（ %） MPa? ? ? ? 系統(tǒng)總壓力 /kPa 取反應溫度 T 原 料 氣 第一換熱器 轉(zhuǎn)化爐一段 第二轉(zhuǎn)換爐 轉(zhuǎn)化爐二段 第三轉(zhuǎn)化 爐 轉(zhuǎn)換爐三段 第四換熱器 轉(zhuǎn)化爐四段 降溫 至吸收塔 鼓風機 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 8 由公式（ ）計算 PK 由公式（ ）計算 TX 試差過程： ? 時，由公式 4 9 0 5 .5lg 4 .6 4 5 5pK T??得 ? 由公式1 0 0 0 .5( 0 .5 )PTTPTKXaXKP b a X? ?? ?，試差可得 ? 依次計算得平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系列表 31。 表 31 平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系 T/K Kp Xt/% T/K Kp Xt/% 最適溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系 m49 05 .5T=l g 4. 64 550. 5( 1 )10 0 0. 5Xb aXXaX???????????? 其中 a=9； b=10； 取不同 X 值，計算。 計算得最適宜溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系列表 32。 表 32 最適宜溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系 Xt/% T/K Xt/% T/K 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 9 確定操作線 進氣組成： SO2占 9%， O2占 10%,N2占 81% 所選取釩催化劑的起燃溫度為 360℃ 確定轉(zhuǎn)化器一段進口溫度 400℃ 氣體經(jīng)每層觸媒后溫度升高，計算式是： 00(X )t t X?? ? ? 表 33 二氧化硫的濃度與 ?值的關(guān)系 SO2 含量 /% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 20 λ 59 88 117 145 173 200 226 252 278 303 328 506 由表 33 查得，濃度為 9%的 SO2對應的 ?值為 252。 操作線溫度的確定：已知催化劑的起燃溫度為 360℃ ，在使用的溫度為400—580℃ ，考慮到應使操作線盡量與最適溫度曲線靠近，且出口溫度在催化劑的使用溫度范圍內(nèi)，取原料氣的進口溫度為 400℃ ，四段操作線的斜率根據(jù)原 料氣里 SO2的濃度差查得 1/252?？紤]到原料氣的預熱過程是依次經(jīng)歷第一、第二、第三、第四換熱器的冷卻，所以如果考慮每個換熱器的換熱面積相當，則出口氣體冷卻降溫的溫差應為第一段大于第二段，第二段大于第三段，按照這個原則，分別取第一段的降溫的溫差為 120℃ ，第二段的降溫的溫差 60℃ ，第三段的降溫的溫差 42℃ ，并且每一段轉(zhuǎn)化器的出口溫度和轉(zhuǎn)化率對應的點 都在平衡曲線和最佳溫度曲線之間，由此估算得到四段反應器的操作曲 線。 各段進口溫度及轉(zhuǎn)化率 由圖 及表 34 的數(shù)據(jù)可得： 轉(zhuǎn)化器 ： 第一段操作線方程 ： 1 400 252(X 0)t ?? ； 代 入 1 580t? ；得 X= 第二段操作線方程： 2 4 6 0 2 5 2 (X 0 .7 1)t ? ? ?；代入 2 500t ? ；得 X=第三段操作線方程： 3 4 4 0 2 5 2 ( 0 .8 7)tX? ? ?；代入 3 460t ? ；得 X=第四段操作線方程： 4 4 2 0 2 5 2 (X 0 .9 5 )t ?? ；代入 4 430t ? ；得 X= 表 34 一次轉(zhuǎn)化分段轉(zhuǎn)化率和溫度 段數(shù) 一 二 三 四 轉(zhuǎn)化率 /％ 進口溫度 /℃ 400 460 440 420 出口溫度 /℃ 580 500 462 431 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 10 400 450 500 550 600 650 700平衡曲線最佳曲線絕熱操作線 圖 四段反應過程的 XT 關(guān)系圖 轉(zhuǎn)化工序物料衡算 本設計為 18 萬噸 /年硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝設計（以每小時計算），由 27so 18 10 1 1n km ol300 24 98 ?? ? ? ?? 可得實際進氣總量為： 12 6 2 .1 8 3 2 7 7 .2 30 .0 8 km o l?? 為方便計算，本設計假設近期總量為 1000kmol ,故在最后計算結(jié)果上需乘上系數(shù) ? 進轉(zhuǎn)化器一段氣體量及成分 以 1000kmol 的進氣量為標準進行計算，已知 SO2占 9%， O2占 10%， N2占81%。 O2的進氣量及成分： 2 1000 100O k m ol? ? ? 2() 1 0 0 3 2 3 2 0 0Om kg? ? ? 2 3() 1 0 0 2 2 .4 2 2 4 0OVm? ? ? 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 11 SO2的進氣量及成分： 2223100 0 9090 64 576 090 201 6sososon kmolm kgVm? ? ?? ? ?? ? ? N2的進氣量及成分： 22231 0 0 0 0 .8 1 8 1 08 1 0 2 8 2 2 6 8 08 1 0 2 2 .4 1 8 1 4 4NNNn km o lm kgVm? ? ?? ? ?? ? ? 出一段氣體量及成分 2 9 0 (1 0 .7 1 4 3 ) 2 5 .7son km o l? ? ? ? 3 9 0 0 .7 1 4 3 6 4 .3son km ol? ? ? 2 1 0 0 0 .5 6 4 .3 6 7 .8 5on km o l? ? ? ? 2 810Nn kmol 出二段 氣體量及成分 2 9 0 (1 0 .8 7 ) 1 1 .7son km o l? ? ? ? 3 9 0 0 . 8 7 7 8 . 3son km ol? ? ? 2 1 0 0 0 .5 7 8 .3 6 0 .8 5on km o l? ? ? ? 2 810Nn kmol? 出三段氣體量及成分 2 9 0 (1 0 .9 5 ) 4 .5son km ol? ? ? ? 3 9 0 0 . 9 5 8 5 . 5son km ol? ? ? 2 1 0 0 0 .5 8 5 .5 5 7 .2 5on km o l? ? ? ? 2 810Nn kmol? 出四段氣體量及成分 2 9 0 (1 0 .9 9 ) 0 .9son km ol? ? ? ? 3 9 0 0 . 9 9 8 9 . 1son km ol? ? ? 2 1 0 0 0 .5 8 9 .1 5 5 .4 5on km o l? ? ? ? 2 810Nn kmol? 由以上計算匯總轉(zhuǎn)化器物料衡算結(jié)果于表 35。 武漢工程大學郵電與信息工程學院 課 程設計說明書 12 表 35 轉(zhuǎn)化器物料衡算結(jié)果 進一段 kmol kg m3 V（ %） SO2 O2 N2 Σ 出一段 kmol kg m3 V（ %） SO2 S03 O2 N2 Σ 出二段 kmol kg m3 V（ %） SO2 SO3 O2 N2 Σ 出三段 kmol kg m3 V（ %） SO2 SO3 O2 N2 Σ 出四段 kmol kg m3 V（ %） SO2 SO3 O2 N2 Σ 轉(zhuǎn)化器各段的熱量衡算 氣體的摩爾熱熔量可按下式求出： 212 6 2 8 32,m21( 2 5 . 7 4 5 . 8 1 0 3 8 . 1 1 0 0 . 8 6 1 1 0 )( S O )T