【正文】 的隱含數(shù)，可由試差法求解。 當(dāng)混合氣體中 a 為 %， b為 %時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓力的關(guān)系如表 41。 表 41 平 衡轉(zhuǎn)化率 (％ )與溫度、壓力的關(guān)系 T/0 C P/MPa 400 450 500 550 600 而在常壓下平衡轉(zhuǎn)化率與起始組成、溫度的關(guān)系如表 42所示。 由表 41 和表 42可見，影響平衡轉(zhuǎn)化率的主要因素是溫度、壓力和爐氣起始組成。 (1)溫度 由表 4l和表 42均可看出，當(dāng)壓力、爐氣的起始組成一定時(shí)。降低溫度，平衡轉(zhuǎn)化率可得到提高，這是二氧化硫氧化反應(yīng)系放熱反應(yīng)所致。溫度越低，則平衡轉(zhuǎn)化率越高。 (2)壓力 二氧化硫氧化反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)，故壓力增大可提高平衡轉(zhuǎn)化率。由表 41 可知，其他條件不變時(shí)，增大壓力，平衡轉(zhuǎn)化率也隨之增大， 但壓力對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率的影響沒有像溫度對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率的影響那樣顯著。 (3)爐氣的起始組成 由表 42 可知，溫度、壓力一定時(shí)，焙燒同樣的含硫原料，因所采用的空氣過剩系數(shù)不同，平衡轉(zhuǎn)化率也不同。氣體的起始組成中 ,a 越小或 b 越大 ,平衡轉(zhuǎn)化率越大，反之亦然。 表 42 平衡轉(zhuǎn)化率與爐氣起始組成、溫度得關(guān)系 溫度 /o C a=7,b=11 a=,b= a=8,b=9 a=9,b= a=10,b= 400 450 500 550 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 二氧化硫氧化的反應(yīng)速率 二氧化硫在釩催化劑上氧化是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，其機(jī)理尚無定論。 溫度對(duì)該反應(yīng)的速率有很大影響。由于該反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，所以存在最適宜反應(yīng)溫度。表 43 是在一定起始?xì)怏w組成條件下，對(duì)應(yīng)于不同轉(zhuǎn)化率，該反應(yīng)的最適宜溫度。 表 43 在釩催化劑上 二氧化硫氧化的最適宜溫度 （原始?xì)怏w成分二氧化硫 7%，氧 11%，壓力 ） 轉(zhuǎn)化率 /% 97 60 65 70 75 80 85 90 94 96 最適宜溫度 /o C 434 604 589 574 558 540 520 494 466 446 從表 43 的數(shù)據(jù)中可以看出，轉(zhuǎn)化率越低，最適宜溫度越高，也就是說，對(duì)應(yīng)一定的起始組成，反應(yīng)剛開始時(shí)，其最適宜溫度最高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，其最適宜溫度越來越低。 爐氣的起始濃度對(duì)反應(yīng)速率也有影響，爐氣中 SO2 起始濃度增大，氧的起始濃度則相應(yīng)地降低，反應(yīng)速率則隨之減慢。為保持一定的反應(yīng)速率，則希望爐氣中 SO2 起始濃度不要太高。 該反應(yīng)是一個(gè)氣固相催化反應(yīng)，擴(kuò)散過程對(duì)反應(yīng)速率也有一定影響，特別當(dāng)溫度較高，表面反應(yīng)速率較大時(shí)，擴(kuò)散的影響就更不可忽視。 擴(kuò)散的影響又分外擴(kuò)散的影響和內(nèi)擴(kuò)散的影響。外擴(kuò)散主要由氣流速度所決定，實(shí)際生產(chǎn)中，二氧化硫氣體通過催化劑床層的氣流速度是相當(dāng)大的，故外擴(kuò)散的影響可忽略不計(jì)。內(nèi)擴(kuò)散主要取決于催化劑的內(nèi) 表面結(jié)構(gòu) (或稱催化劑的孔隙結(jié)構(gòu) )，催化劑的孔道愈細(xì)愈長(zhǎng)，則擴(kuò)散阻力愈大，內(nèi)擴(kuò)散的影響也愈大。如果催化劑的顆粒較小，反應(yīng)溫度比較低時(shí)，這時(shí)的阻力主要來自表面反應(yīng)，內(nèi)擴(kuò)散的影響可以不考慮。 二氧化硫氧化催化劑 目前生產(chǎn)中，普遍采用釩催化劑。釩催化劑的活性組分是五氧化二釩。以堿金屬 (鉀、鈉 )的硫酸鹽類作助催化劑，以硅膠、硅藻土、磚酸鹽作載體。釩催化劑一般含 V2 O5 5％～ 9％， K2 O 9％～ 13％， Na2 O 1％～ 5％、 SiO2 50％～ 70％，并含有少量 Fe2 03 、 A12 O3 、 CaO、 MgO 及水分等。 引起釩催化劑中毒的主要毒物有砷、氟、酸霧及礦塵等。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 反應(yīng)溫度 SO2 催化氧化的反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)。其反應(yīng)溫度與 SO2 的起始濃度有直接關(guān)系，且受到催化劑活化溫度的限制。在使用釩催化劑的條件下；反應(yīng)溫度應(yīng)在420～ 580℃的范圍。各段溫度的分布情況，隨催化氧化流程的不同有所不同。 二氧化硫的起始濃度 若增加爐氣中 SO2 的濃度，就相應(yīng)地降低了爐氣中氧的濃度，這種情況下，反應(yīng)速度會(huì)相應(yīng)降低。為達(dá)到一定的最終轉(zhuǎn)化率所需要的催化劑量也隨之增加。因此 從減少催化劑用量來看，采用低二氧化硫濃度是有利的。但是，降低爐氣中二氧化硫濃度，將會(huì)使生產(chǎn)每噸硫酸所需要處理的爐氣量增大，這樣，在其他條件一定時(shí)，就要求增大其它設(shè)備的尺寸，或者使系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)能力降低，從而使設(shè)備的折舊費(fèi)用增加。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)硫酸生產(chǎn)總費(fèi)用最低的原則來確定二氧化硫的起始濃度，根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算得知，若采用普通硫鐵礦為原料，對(duì)一轉(zhuǎn)一吸流程，當(dāng)轉(zhuǎn)化率為 ％時(shí) SO2 濃度為 7～ ％最適宜。若原料改變或具體生產(chǎn)條件改變時(shí)，最佳濃度值亦將改變。例如， 以硫磺為原料， SO2 最佳濃度為 ％左右；以含煤硫鐵礦為原料， SO2 最佳濃度小于 7％；以硫鐵礦為原料的兩轉(zhuǎn)兩吸流程， SO2 最佳濃度可提高到 9％～ 10％，最終轉(zhuǎn)化率仍能達(dá) ％。 最終轉(zhuǎn)化率 最終轉(zhuǎn)化率是硫酸生產(chǎn)的主要指標(biāo)之一。提高最終轉(zhuǎn)化率可以減少尾氣 SO2 的含量，減輕環(huán)境污染，同時(shí)也可提高硫的利用率；但卻導(dǎo)致催化劑用 量和流體阻力的增加。所以最終轉(zhuǎn)化率也有個(gè)最佳值問題。 最終轉(zhuǎn)化率的最佳值與所采用的工藝流程、設(shè)備和操作條件有關(guān)。一次轉(zhuǎn)化一次吸收流程，在尾氣不回收的情況下，當(dāng)最終轉(zhuǎn)化率為 ％～ 98％時(shí)，硫酸的生產(chǎn)成本最低。如采用 SO2 回收裝置，最終轉(zhuǎn)化率可以取低些。加采用兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收流程，最終轉(zhuǎn)化率則應(yīng)控制在 ％以上。 二氧化硫轉(zhuǎn)化工序的設(shè)備主要有轉(zhuǎn)化器、換熱器、鼓風(fēng)機(jī)和加熱爐等，以及其它許多閥門、儀表等附屬設(shè)備。下面主要介紹轉(zhuǎn)化器、換熱器及 鼓風(fēng)機(jī)。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 轉(zhuǎn)化器 轉(zhuǎn)化器型式按床層類型分，有固定床和流化床兩種：按換熱器位置分，有內(nèi)部換熱型和外部換熱型；按氣流在床內(nèi)流動(dòng)方向分，有抽向轉(zhuǎn)化器和徑向轉(zhuǎn)化器。 無論何種形式轉(zhuǎn)化器，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素： A．轉(zhuǎn)化過程要盡可能滿足最佳溫度曲線的要求，以減少單位酸產(chǎn)量催化劑的使用量，一般出口溫度不超過600℃。 B．轉(zhuǎn)化器單臺(tái)能力與全系統(tǒng)能力配套。 C．設(shè)備阻力既要?。帜苁箽怏w在床層內(nèi)部分布均勻。 D．應(yīng)最大限度地回收和利用 S02反應(yīng)熱。 E．設(shè)備應(yīng)便于制造、安裝、檢修，便于更換催化劑。 F．轉(zhuǎn)化器的建設(shè)費(fèi)用應(yīng) 低。 1 、外部換熱式轉(zhuǎn)化器 圖 41 為四段外部換熱式轉(zhuǎn)化器，用于兩次轉(zhuǎn)化流程，生產(chǎn)能力 1000t／ d。直徑 11m，總高 。第一、二段內(nèi)壁襯耐火磚。為防止一次轉(zhuǎn)化氣向二次轉(zhuǎn)化氣泄漏．第三、四段間采用整體隔板。 圖 41 外部換熱式轉(zhuǎn)化器 外部換熱式較內(nèi)部換熱式轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單．便于制造、安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)大型化。 內(nèi)部換熱式轉(zhuǎn)化器 80 年代初，加拿大 chemieties 公司設(shè)計(jì)的“ 2+2“式兩次轉(zhuǎn)化器，殼體和內(nèi)濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 件均用不銹鋼焊接組合，用于 600／ d的硫磺制酸系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖 42所示。 圖 42 內(nèi)部換熱式轉(zhuǎn)化器 1來自中間吸收塔及冷熱交換器的 SO2出口； 2去過熱器， 1號(hào)省煤器及吸收塔的 SO3氣體出口； 3來自余熱鍋爐的 SO2氣體入口； 4去冷熱交換器， 2 號(hào)省煤器及最終吸收塔的 SO3氣體出口 沸騰床轉(zhuǎn)化器 圖 43 為前蘇聯(lián)用的四段沸騰床轉(zhuǎn)化器。反應(yīng)混合氣體依次由下而上通過各段催化床。第一段催化床的溫度采用部分氣體通過預(yù)熱器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，其余三段催化床中均設(shè)的換熱器 *通過進(jìn)入換熱管內(nèi)的冷卻水量調(diào)節(jié)床層溫度，使各段溫度維持最佳值。轉(zhuǎn)化器頂部裝有陳塵擎，以捕集氣體夾帶的粉塵。一般進(jìn)氣溫度300350℃；，流體阻力約 10kPa，總轉(zhuǎn)化牢 95％一 98％。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 圖 43 四段沸騰床轉(zhuǎn)化器 1氣體分布板； 2算子板； 3換熱元件； 4人孔； 5除塵罩；Ⅰ～Ⅳ催化器床 4． 4． 2 鼓風(fēng)機(jī) 目前中國(guó)硫酸工業(yè)上使用的鼓風(fēng)機(jī)，大多為離心式和容積式兩種。容積式通常使用羅獲鼓風(fēng)機(jī)。大型硫酸廠一般采用離心式鼓風(fēng)機(jī)，小型硫酸廠一般采用羅獲式鼓風(fēng)機(jī)。 離心式鼓風(fēng)機(jī)盡管型號(hào)不一．但結(jié)構(gòu)差不多。主要區(qū)別在軸承和進(jìn)氣口。有的為單軸承單面進(jìn)氣，有的為雙 軸承雙面進(jìn)氣。目前使用最多的是單軸承單面進(jìn)氣，如 D700— 13— 1 型鼓風(fēng)機(jī)。離心式鼓風(fēng)機(jī)可用于大中小型各種規(guī)模的制酸裝置，使用、維修均較方便。 羅獲式鼓風(fēng)機(jī)有以下特點(diǎn)： A。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 B．送氣量穩(wěn)定，不因系統(tǒng)阻力而改變。 C．出口壓力高，可在 0． 4MPa 下運(yùn)行。 D．制造和維修費(fèi)用低。缺點(diǎn)： A．鼓風(fēng)旦小，一般只用于小型制酸裝置。 B．轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的間隙容易增大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率降低，一般效率在 一 左右。 C．噪音較大。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 二氧化硫氧化的工藝流程，根據(jù)轉(zhuǎn)化次數(shù)來分有一次轉(zhuǎn)化、一次吸收流程 (簡(jiǎn)稱“ — 轉(zhuǎn)一吸”流程 )和二次轉(zhuǎn)化、二次吸收流程 (簡(jiǎn)稱“兩轉(zhuǎn)兩吸”流程 )。 “一轉(zhuǎn)一吸”流程主要的缺點(diǎn)是， SO2 的最終轉(zhuǎn)化率一般最高為 97％，若操作穩(wěn)定和完善時(shí)，最終轉(zhuǎn)化率也只有 ％，硫利用率不夠高，排放尾氣含 SO2 較高，若不回收利用，則污染嚴(yán)重。如采用氨吸收法回收，不僅需要增加設(shè)備，同時(shí)產(chǎn)生不少困難，如氨的來源、運(yùn)輸、腐蝕問題，以及消耗產(chǎn)品酸等問題。為此，人們?cè)谔岣?2SO 轉(zhuǎn)化 率方面 ,從催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)尋找答案，先后開發(fā)出“加壓工藝”、“低溫高活性催化劑”及“兩轉(zhuǎn)兩吸”工藝等技術(shù)。但以“兩轉(zhuǎn)兩吸”最為有效，該工藝基本上消除了尾氣煙害。 采用兩次轉(zhuǎn)化工藝時(shí)，催化劑裝填段數(shù)及其在前后兩次轉(zhuǎn)化的分配與最終轉(zhuǎn)化率、換熱面積大小有很大關(guān)系。流程的特征，可用第一、第二次轉(zhuǎn)化段數(shù)和含 氣通過換熱器的次序來表示。例如 3+1, Ⅲ、Ⅱ Ⅳ、Ⅰ 流程：指第一次轉(zhuǎn)化用三段催化劑，第二次轉(zhuǎn)化用一段催化劑；第一次轉(zhuǎn)化前，含 SO2 氣體通過換熱器的次序 為第Ⅲ換熱器 (指冷卻從第Ⅲ段催化劑床層出來的轉(zhuǎn)化氣用的換熱器 )，第Ⅱ換熱器；第二次轉(zhuǎn)化前，含 SO2 氣體通過換熱器的次序?yàn)榈? Ⅳ換熱器，第Ⅰ換熱器，如圖 41 所示。此外，常見的還有 3+1，Ⅳ、Ⅰ Ⅲ、Ⅱ及 3+1 ，Ⅲ、Ⅰ Ⅳ、Ⅱ和 2+Ⅱ、Ⅲ Ⅳ、Ⅰ等流程。 圖 41 3+1, Ⅲ、Ⅱ Ⅳ、Ⅰ兩次轉(zhuǎn)化流程 1第一換熱器； 2第二換熱器； 3第三換熱器； 4第四換熱器； 5轉(zhuǎn)化器； 6第一吸收塔 Ⅳ、Ⅰ Ⅲ、Ⅱ這種換熱組合流程得優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)?shù)谝欢未呋瘎┗钚?降低，反應(yīng)后移，則Ⅱ、Ⅲ換熱器能保證一次轉(zhuǎn)化達(dá)到反應(yīng)溫度。 “兩轉(zhuǎn)兩吸“流程與“一轉(zhuǎn)一吸”流程比較，具有下述優(yōu)點(diǎn)。 ①最終轉(zhuǎn)化率比一次轉(zhuǎn)化高，可達(dá) ％～ ％。因此，尾氣中二氧化硫濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 含量可低達(dá) ％～ ％，比“一轉(zhuǎn)一吸”尾氣中二氧化硫含量降低 5～ 10 倍，減少了尾氣煙害。 ②能夠處理 SO2 含量高的爐氣。以焙燒硫鐵礦為例， SO2 起始濃度可提高到％～ 10％，與一次轉(zhuǎn)化的 7％～ ％對(duì)比，同樣設(shè)備可以增 產(chǎn) 30％～ 40％。 ③“兩轉(zhuǎn)兩吸”流程多了一次轉(zhuǎn)化和吸收，雖然投資比一次轉(zhuǎn)化高 10％左有，但與“一轉(zhuǎn)一吸”再加上層氣回收的流程相比，實(shí)際投資可降低 5％左有，生產(chǎn)成本降低 3％。由于少了尾氣回收工序，勞動(dòng)生產(chǎn)率可以提高 7％。 “兩轉(zhuǎn)兩吸”流程亦有其缺點(diǎn)： ①由于增設(shè)中間吸收塔，轉(zhuǎn)化氣溫度由高到低，再到高，整個(gè)系統(tǒng)熱量損失較大。氣體兩次從 70℃左右升高到 420℃，換熱面積較一次轉(zhuǎn)化大。而且爐氣中 SO2 含量超低，換熱面積增加得越多。 ②兩次轉(zhuǎn)化較一次轉(zhuǎn)化增加了一臺(tái) 中間吸收塔及幾臺(tái)換熱器，阻力比一次轉(zhuǎn)化流程增大 ～ 。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 第五章 三氧化硫的吸收 5． 1 三氧化硫吸收的工藝條件 吸收酸濃度 因?yàn)?SO3 易溶純硫酸中。 不能用水進(jìn)行吸收，否則將形成大量酸霧。工業(yè)上采用 ％硫酸作吸收劑，因其液面上水、三氧化硫和硫酸的總蒸氣壓最低，吸收率最高。 吸收酸溫度 吸收酸溫度對(duì) SO3 吸收率的影響較為明顯。在其它條件相同的情況下，吸收酸溫度升高， SO3 、 H2O、 H2SO4的蒸氣壓升高， SO3的吸收率降低。因此，從吸收率角度考慮，酸溫低 好。 但是，酸溫度亦不是控制得越低越好，主要有兩個(gè)原因： A．進(jìn)塔氣體一般有水分。盡管進(jìn)塔氣溫較高，如酸溫度很低，在傳熱傳質(zhì)過程中，不可避免地出現(xiàn)局部溫度低于硫酸蒸氣的露點(diǎn)溫度，此時(shí)會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的酸霧產(chǎn)生。 B．由于氣體溫度較高以及吸收反應(yīng)熱，會(huì)導(dǎo)致吸收酸有較大溫升，為保持較低酸溫，需大量冷卻水冷卻，導(dǎo)致硫酸成本不必要的升高。 在酸液吸收 S03 時(shí)．如用噴淋式冷卻器來冷卻吸收酸，酸溫度應(yīng)控制在 60一 75℃左右