【文章內(nèi)容簡介】 制備二氧化硫氣體；② 精制二氧化硫以除去其中的雜質；③ 二氧化硫氧化成三氧化硫；④ 三氧化硫被吸收而變成硫酸。（2）接觸法的優(yōu)缺點接觸法制造硫酸主要有以下優(yōu)點：① 產(chǎn)品純度高，且產(chǎn)品種類多；② 設備腐蝕較輕，容易維護而且維護費用也較小，設備壽命比較長，管理也比較容易；③ 生產(chǎn)比較平穩(wěn)，指標波動范圍小。接觸法的缺點主要有:投資較大、建造速度慢、采酸率較低等。 硫酸生產(chǎn)全工段工藝簡介 SO2 氣體的制取與凈化制取 SO2 氣體是制取硫酸的第一步，也是制取硫酸的重要一步?，F(xiàn)今制取 SO2 氣體的方法主要有，燃燒硫鐵礦，燃燒硫磺，還原硫酸鹽，冶煉煙氣以及各種含硫工業(yè)廢料再次利用等方法。但現(xiàn)今采用最多的還是硫鐵礦與硫磺的燃燒這兩種方式。進入凈化系統(tǒng)的爐氣含有 ~30g/cm3 的礦塵。礦塵積累起來不僅堵塞管道設備，而且其中的氧化鐵能與酸霧形成硫酸鐵，覆蓋在二氧化硫催化劑的表面，既降低催化劑的活性，有增加了床層的阻力。此外，硫鐵礦中所含的砷，硒，氟等雜質，分別以不同的形式進入到爐氣中，其中的一部分或大部分隨爐氣帶入凈化系統(tǒng)。砷能使催化劑中毒，氟能腐蝕設備。進入轉化器后，還能侵蝕催化劑載體，引起粉化，使催化床阻力上漲。隨同爐氣帶入凈化系統(tǒng)的還有水蒸氣和少量三氧化硫氣體，二者結合可形成酸霧。酸霧在洗滌塔中較難吸收，帶入轉化系統(tǒng)會降低二氧化硫的轉化率，腐蝕系統(tǒng)設備和管道。因此，爐氣必須進行一部的進化和干燥，方可進行二氧化硫的催化氧化。爐氣的凈化可用干法或濕法進行。目前普遍采用的是濕法凈化。爐氣凈化技術隨著凈化設備的進步而提高。初始，由簡單的重力沉降室和慣性除塵室、旋風除塵器等所組成，凈化效率低下。自 1960 年美國科學家 、除霧設備后，加快了爐氣凈化技術的發(fā)展步伐。高效旋風除塵器、文式管、泡沫塔、新型填料塔、星形鉛間冷器、板式冷卻器、沖擊波洗滌器、高密度聚乙烯泵、耐稀酸合金泵等高效耐磨蝕設備的出現(xiàn)，使凈化設備的選型范圍擴大了，壽命延長了，促進了爐氣凈化工藝方法更加合理、完善。 SO2 氣體的轉化和吸收（1）一次轉化一次吸收為了使轉化器中的 SO2 催化氧化過程盡可能地遵循最佳溫度曲線進行，隨著轉化率的提高，必需從反應系統(tǒng)中除去多余的熱量，是溫度相應地降低。按照換熱方式不同，轉化器可以分為多段換熱式和連續(xù)換熱式兩類。由于 SO2 最終轉化率很高，反應前期與后期單位時間內(nèi)單位體積催化床的反應熱相差倍數(shù)很大，用一般的連續(xù)換熱式轉化器時，過程難以遵循最佳溫度曲線；而且溫度調節(jié)也很困難，對于氣體組成和空速的變化適應性也很差；再加上結構復雜，催化劑裝填系數(shù)較小，設備的生產(chǎn)能力也低。所以現(xiàn)在普遍采用多段換熱式轉化器。一次轉化一次吸收工藝可能達到的最佳最終轉化率是～98%如果要得到更高的轉化率，將使所需的催化劑用量大幅度增加，這是不經(jīng)濟的，而且還受到平衡轉化率的限制。如果將尾氣直接排入大氣，將造成嚴重的大氣污染。（2）二次轉化二次吸收兩次轉化兩次吸收工藝與一次轉化一次吸收工藝相比，能用較少的催化劑而獲得很高的最終轉化率，關鍵在于將整個轉化過程分為兩次進行。第一次使大部分 SO2 得到轉化，一般控制轉化率在 90%左右，然后進入第一吸收塔（或稱中間吸收塔）將 SO2 吸收，再進行第二次轉化。此時由于反應混合物中不含 SO3，而且 SO2 濃度很低，O 2/SO2 比值較一次轉化要高得多，在這種情況下，平衡轉化率高，反應速度快，用較少的催化劑就能保證轉化率達到 95%左右 [9]。兩次轉化的最終轉化率因工藝條件而異，一般在 ～%范圍內(nèi)。（3）沸騰轉化傳統(tǒng)上，二氧化硫的催化氧化過程都是采用固定床轉化器。這種轉化器的生產(chǎn)強度受到多種因素的限制：①催化劑顆粒不能太小，否則反應氣體通過催化床的流體阻力太大；② 釩催化劑的導熱系數(shù)小，不能采用換熱管將固定床中的熱量除去；③ 不能采用高濃度的二氧化硫氣體。為了克服這些缺點，可采用沸騰轉化。沸騰轉化能從催化床中非常有效地除去熱量，能夠使用小顆粒催化劑和采用高濃度二氧化硫氣體。而且，采用沸騰床轉化器可以降低工廠投資，提高蒸汽回收量。硫酸廠使用這種轉化器的主要障礙是催化劑的磨損問題。氣體中的二氧化硫經(jīng)催化氧化形成三氧化硫后，即送入到吸收系統(tǒng)用發(fā)煙硫酸或濃硫酸吸收，形成不同規(guī)格的產(chǎn)品硫酸。吸收過程可用下式表示： 32243()nSO+H=S+n1SO（ （液 液 ） 液 ） （ ）改變上式中的 n 值，便形成相應濃度的產(chǎn)品硫酸。當 n1 時，形成發(fā)煙硫酸；n=1 時，形成無水硫酸；n1 時，則為含水硫酸，即硫酸和水的溶液。要求生產(chǎn)發(fā)煙硫酸時，可采用兩端吸收流程。轉化氣一次通過發(fā)煙硫酸吸收塔和濃硫酸吸收塔，分別為發(fā)煙硫酸和 %硫酸吸收 SO3 氣體后，氣相中的 SO3 含量可降至 ~%，然后由濃硫酸吸收塔出口引至尾氣處理部分，或直接經(jīng)過捕沫后放空?，F(xiàn)今三氧化硫吸收技術的發(fā)展主要表現(xiàn)在填料性能的改進，布酸設備的改進和冷卻器設計材料的改進。 尾氣的處理硫酸廠尾氣中的有害物，主要是 SO2（約 %~%） ，少量的 SO3 和酸霧。因此，減少尾氣中的有害物的排放，主要應該是提高 SO2 的轉化率及 SO3 的吸收率。提高 SO2 的最終轉化率，使之達到%，就符合目前的排放標準。采用兩轉兩吸流程時，在正常的條件下，是可以達到的。故在新建的硫酸廠中，這種流程以得到廣泛的采用。但是，在早期建成的硫酸裝置中，絕大多數(shù)為一轉一吸流程，對尾氣及含低濃度 SO2 氣體的處理方法甚多，且各具特色，主要有：（1）氨法用氨水或銨鹽溶液吸收形成亞硫酸銨—亞硫酸氫銨吸收液。連續(xù)引出部分吸收液進行處理，隨著處理方法的不同，所獲得的產(chǎn)品異不同。其中應用最廣的是氨—堿法。（2）堿法用各種堿液吸收尾氣中的 SO2，可以免除氨法中氨的損失和霧沫。常用的堿吸收液有碳酸鈉溶液，氫氧化鎂溶液及石灰乳等。其共同的優(yōu)點是：脫除率高，工藝簡單。其中，石灰乳吸收法的突出優(yōu)點是石灰來源方便，價格低廉，投資和操作費用較低。（3）金屬氧化物法金屬氧化物所形成的堿性溶液，亦可作為 SO2 的吸收劑。主要有堿性硫酸鋁—石膏法；氧化鋅溶液吸收法；氧化錳法等。（4）活性炭法活性炭通常具有較大的內(nèi)表面積，是一種良好的吸收劑。當尾氣中的 SO2 在一定條件下通過活性炭層時，被活性炭表面吸附。在 100℃以下主要為物理吸附，提高溫度后，從物理吸附轉向化學吸附。在活性炭表面，吸附態(tài)的 SO2 和吸附態(tài)的氧作用，形成吸附態(tài) SO3，有水存在時，便形成硫酸。（5）控制 SO2 排放的其他方法這類方法主要有稀釋法，CIL 法，調節(jié)供氣法等。2 工藝流程的確定 工藝流程選擇本次設計的是年產(chǎn) 8 萬噸硫酸車間干吸工段的工藝設計，采用的是接觸法制硫酸兩轉兩吸的工藝流程。 工藝設計原理年產(chǎn) 8 萬噸硫酸干吸工段工藝設計采用的生產(chǎn)方法是接觸法制硫酸。接觸法制硫酸的工藝流程可分為二氧化硫氣體的制取，爐氣凈化，二氧化硫氣體的轉化，三氧化硫的吸收以及尾氣的處理五個部分，工藝流程如圖 所示。圖 接觸法制硫酸工藝流程圖 兩轉兩吸的工藝流程本次硫酸干吸工段的工藝設計我們采用兩轉兩吸的工藝流程，其流程示意圖如圖 所示。兩次轉化兩次吸收工藝將整個轉化和吸收過程分別分兩次進行，可用較少的催化劑獲得很高的最終轉化率。第一次使大部分 SO2 得到轉化，一般控制轉化率在 90％左右，然后進入第一吸收塔(或稱中間吸收塔)將 SO3 吸收，再進行第二次轉化。此時由于反應混合物中不含 SO3，而且 SO2 濃度很低，O2/SO2 比值較一次轉化要高得多，在這種情況下，平衡轉化率高，反應速度快，用較少的催化劑就能保證轉化率達到 95％左右。兩次轉化的最終轉化率因工藝條件而異，一般在 ～％范圍內(nèi)。圖 兩轉兩吸工藝流程圖3 干燥塔工藝計算 選擇計算數(shù)據(jù) 原料氣（1）進塔：溫度 T1＝36℃ 表壓 P=300mmH2O（2）出塔：溫度 T2=55℃ 干燥硫酸（1）進塔：溫度 t1 =40℃ 質量濃度 c1=95%（2）出塔：質量濃度 c2=%, ρH2SO4 =1800kg/m3 ， ρ 干氣= kg/m 3 熱量衡算：以 0℃為計算基準 物料衡算 原料氣的流量本設計生產(chǎn)能力為年產(chǎn) 8 萬噸 98%的硫酸，按年開車 300 天計算，可知硫酸車間每小時硫酸的生產(chǎn)量為：qn,v＝（810 310498％）/ （3002498）= kmol/h由二氧化硫生成硫酸得：每小時消耗二氧化硫為：（已知 SO2 轉化率為 99%,SO3 吸收率為 99%）qn,vso2 = qn,v /99%/99%=由干氣中二氧化硫的組成可得干氣量為qn,v 干氣 = qn,v1/9%= 原料氣的壓強當 T1=36℃時,查《硫酸工藝設計手冊—物化數(shù)據(jù)篇》P22 飽和水蒸氣的蒸汽壓表可知,水的飽和蒸汽壓 P*水 ＝, 算得原料氣進塔絕壓為P= 水蒸氣含量 (1)水蒸氣的含量：y=P*/P=(2)干氣的分壓：P 干 =PP*水 == KPa(3)進料氣中水的量：qn,L 水 = qn,v 干氣 P*水 / P 干 = 進塔濕氣組成(1)SO2 的組成：y SO2=P 干 9%/P=9%/=%(2)SO3 的組成：ySO3=P 干 %/P=%/=%(3)O2 的組成：y O2=P 干 11%/P=11%/=%(4)N2 的組成：y N2=P 干 79%/P=79%/=%(5)Ar 的組成：yAr=P 干 %/P=%/=%原料氣濕基組成如表 所示表 原料氣濕基組成組成 SO2 SO3 O2 N2 Ar H2O 總計V%（濕基） 100 氣體總量計算（1）干燥塔出口氣體含水量干氣流量：q n,v 干氣 ＝ kmol/h 進口濕氣量：q n,v1＝q n,v 干氣 + qn,L1 水 =+=吸收的水分量：以出口含水量 ，由于塔內(nèi)壓降較小可忽略，塔的操作壓力為,在低壓狀態(tài)下，氣體可近似看做理想氣體，則有理想氣體狀態(tài)方程:PV=nRT )( mPnRTV????出口氣中含水量為: hkolgqL /., ??水（2）出口濕氣量 qn,v2△q n,L 水 ==qn,v2= qn,v1△q n,L 水 = = 干燥硫酸用量計算已知進口酸濃度 c1=95%，則其物質的量濃度 %???x已知進口酸濃度 c2=%，則其物質的量濃度 59./6./由物料守恒計算進口酸 qn,L1 和出口酸 qn,L2 ： 2△Ln,1n,1Ln, )q+(=xxqn,L1%=( qn,L1+) %計算得:qn,L1=qn,L1= qn,L1+△q n,L 水 = += 物料平衡表表 干燥塔物料平衡表入料 kmol/h kg/h m3/h 出料 kmol/h kg/h m3/h原料氣 qn,v 干氣 干燥氣 水汽 qn,L1 水 水汽 qn,L2 水 進口濕氣量 33987 出口濕氣量 進口酸量 出口酸量 干燥塔的熱量衡算 入塔處干氣帶入熱 Q1低壓時，真實氣體可近似為理想氣體，此時，= 1， 有如下計算式：=a+bT2+CT3 查《化學工程手冊》P131 表 各組分 a,b,c 的值由下表：表 不同組分的 a,b,c 的值組分 a b103 c106 溫度范圍 KSO2 3001500對稀薄氣體，~3000K 范圍內(nèi) Cp 約為 kJ/kmolK由于進料氣溫度 T1=36℃，T 1=36+=，由此可計算出在 下各組分的比熱容 如下表 所示表 進口氣各組分比熱容組成 SO2 SO3 O2 N2 Ar%（干基） 9 11 79 （kJ/ ） 入塔干氣平均熱容：=（9++11+79+）/100= KJ/kmolK入塔干氣帶入熱：Q1= qn,v 干氣 1ΔT1 =36= 入塔處水氣帶入熱 Q2查《化工原理》附錄八有如下溫度下的焓值：表 不同溫度水蒸氣的焓 當 T1=36℃時，由內(nèi)插法得此時蒸汽的焓 H1=入塔處水氣帶入熱：Q2= qn,L1 水 H1M 水 =18= kJ/h 水的冷凝熱 Q3 查《化工工藝設計手冊上冊》P2819 表 ，內(nèi)插得 36℃時水的氣化潛熱為 水的冷凝熱： hkJMr /△Ln,3 ?????水 入塔酸帶入熱 Q4 查《硫酸工藝設計手冊物化數(shù)據(jù)篇 》P37 知,40℃時 95%的硫酸的 為 ()95%的硫酸平均摩爾質量為M1=95/98/（ 95/98+5/18）98+5/18/（95/98+5/18）18=故入塔酸帶入熱為,Q4= qn,L1 M1Δt1＝40＝ 95%酸稀釋熱 Q5查《硫酸工藝設計