【正文】 2 = n SO2 = (1 ? ) = n SO3 = = nO2 = ? = n N 2 = 18 化工學(xué)院 化學(xué)工程系 n總 = 可由λ = = 460 ? t1 解得 t1 = 176。 C 由 X T ? t e 平衡曲線查得： .2176。 2 進(jìn)口物 料所帶入的焓： = ( + + + ) (0 ? 475) = ?( + + + ) 474 = ? kJ ?H 2 = ?H R ?n SO3 H 1 = ∑ ni C p i ?t ν so3 = 10 3 ( ? ) = ? 1 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 C SO2 + O2 ??→ SO3 t 2 ?H 1 ?H 3 ↓ ↑ 1 H 0176。 C ? n SO2 = kmol nO2 = n SO3 = n N 2 = n總 = kmol 出口物料量： n SO2 = (1 ? ) = n SO3 = = nO2 = ? = n N 2 = n總 = 二段進(jìn)口溫度取 475℃，對(duì)第二段作熱量衡算： 由文獻(xiàn) [3]查得 0~475℃時(shí) SO SOO N2 的平均熱容分別為 kJ/(kmol C時(shí)， X T = % 580 則對(duì)比轉(zhuǎn)化率 R = X = = X T 絕熱溫升 [12] λ = t 2 ? t1 ? 410 = = X 2 ? X1 ? 0 轉(zhuǎn)化器二段床層操作參數(shù)的確定 假設(shè)二段出口溫度為 510℃，由 X T ? t e 平衡曲線查得： 176?！?)： 、 、 、 H 3 = ∑ ni C p i ?t = ?( + + + )t = ? 又 = ( + + + )t H 1 + ?H 2 + ?H 3 = 0 解得： t = 176。 C SO2 + O2 ???→ SO3 C ?2 0176。℃ )： 、 、 設(shè)以下反應(yīng)途徑： 化工學(xué)院化學(xué)工程系 15 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 1 ?H 410176。 C SO2 + O2 ???→ SO3 ?R 2 ?H 1 ?H 2 ↓ ↑ 1 25176。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，平衡轉(zhuǎn)化率對(duì)比率 R 應(yīng)取 — 之間。 應(yīng)燮堂提出了平衡轉(zhuǎn)化率的對(duì)比率 R 的概念 ［ 10］ [8] ，即 R=X/XT，用實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率的比值來(lái) 判斷達(dá)到要求轉(zhuǎn)化率的難易。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)。依次交 替使用第一類條件 ?Τ i 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。文獻(xiàn)介紹了求取最佳操作參數(shù)的方法 ，是根據(jù)催化劑的活性溫度選一段進(jìn)口溫 度，然后假設(shè)第一段出口轉(zhuǎn)化率，再用第一類條件式 [9] τ 0 , i ?τ , = ? 0 i 確定二段進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)。 正、逆反應(yīng)活化能， J/mol。 平衡溫度， K。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。 [4] [2] 12 化工學(xué)院化學(xué)工程系 求取平衡溫度和最佳溫度 求取平衡溫度和最佳溫度 二氧化硫的催化氧化反應(yīng)為一可逆放熱反應(yīng)， 。 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，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(hào)的低溫催化劑更容 易達(dá)到熱平衡 [7]，對(duì)于低溫催化劑要優(yōu)先考慮 S107。 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 。 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(guó)際先進(jìn)水平。目前國(guó)內(nèi)兩轉(zhuǎn)兩吸并且是“ 3+1”轉(zhuǎn)化流程的廠，一段入 口 SO2 的濃度一般為 %～ % ［ 7］ ，考慮到青海處于高海拔地區(qū)，大氣壓低，氧氣不足，溫度低 [8] 的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在計(jì)算時(shí)一段入口 SO2 的濃度取為 %。 10 化工學(xué)院化學(xué)工程系 4．工藝計(jì)算書 ． 轉(zhuǎn)化器進(jìn)口氣體組成的計(jì)算 二氧化硫的轉(zhuǎn)化過(guò)程，氧氣濃度越大，反應(yīng)速率越大。 一次轉(zhuǎn)化后的氣體在第Ⅲ換熱 器與鼓風(fēng)機(jī)來(lái)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。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(lái)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。綜上 所述，我們最終確定采用“ 3+1”組合的ⅢⅠ — ⅣⅡ換熱流程作為本次設(shè)計(jì)的流程，并以此流程進(jìn)行 設(shè)備選型和計(jì)算（本人是對(duì)“ 3+1”的轉(zhuǎn)化流程進(jìn)行參數(shù)確定、物料衡算、熱量衡算，并計(jì)算換熱面 積和催化劑用量，進(jìn)而與同組成員的“ 2+2”的轉(zhuǎn)化流程所計(jì)算的換熱面積和催化劑用量進(jìn)行比較， 經(jīng)全組成員討論確定出最終工藝） 。 根據(jù)西寧地區(qū)的特點(diǎn)， 我組成員分別對(duì) “ 3+1” 、 “ 2+2”轉(zhuǎn)化流程進(jìn)行進(jìn)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(jì)算。 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(guó)產(chǎn)的普通催化劑采用三 轉(zhuǎn)三吸方法制酸，并對(duì)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(méi)有進(jìn)行經(jīng)過(guò)工業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)。 目前國(guó)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(guò)時(shí)的阻力大，而且由于管線長(zhǎng)，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。相反，段數(shù)少、 反應(yīng)溫 度偏離最佳溫度較遠(yuǎn)，這樣不僅反應(yīng)速率小，轉(zhuǎn)化率亦達(dá)不到較高的程度，經(jīng)濟(jì)上不合理，因此工 業(yè)上一般選擇用 3～ 5 段轉(zhuǎn)化器。 “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。為了減少 SO2 對(duì)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)。 6 化工學(xué)院化 學(xué)工程系 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 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。對(duì)于兩 轉(zhuǎn)達(dá)兩吸流程，如果操作正常，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到 %以上，尾氣可以不經(jīng)處理直接放空，能夠達(dá)到 目前國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。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。 化工學(xué)院化學(xué)工程系 5 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的 自然條件 空氣成份： 大氣壓： 大氣溫度： O2 % 冬季 :590mmHg 夏季： 16℃ 年平均： ℃ 相對(duì)濕度： 水溫： 年平均： 50% 夏季： 15℃ 最高水溫： 28℃ % 夏季 :580mmHg 冬季：7℃ 年最高氣溫： 33℃ 夏季最高值 53% 冬季： 4℃ 生產(chǎn)制度 硫酸生產(chǎn)是連續(xù)的過(guò)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。 原材料的規(guī)格、來(lái)源及水、電、汽等的供應(yīng)情況 原材料的規(guī)格、來(lái)源及水、 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） 。同時(shí)抗腐蝕的能力大大提高 , 換熱器的使用壽命得以延長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的折流板 (開(kāi)孔率為 30% ) 支承相比較 , 阻力小 , 沒(méi)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(jìn)出氣體的分布方式 ,使氣體在換熱器中的分布更為均勻。 空心管殼式換熱器 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。 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(zhǎng)期 的操作過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn) ,其設(shè)計(jì)資料比較齊全 ,在許多國(guó)家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。但國(guó)內(nèi)只有部分大型裝置才采用不銹鋼轉(zhuǎn)化器，影響不銹鋼轉(zhuǎn)化器在國(guó)內(nèi)進(jìn)一步 推廣使用的主要因素是不銹鋼價(jià)格的居高不下。 3 3 轉(zhuǎn)化設(shè)備的類型及發(fā)展趨勢(shì) 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 4 化工學(xué)院化學(xué)工程系 換熱型和沸騰床轉(zhuǎn)化器；按氣流在床內(nèi)流動(dòng)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。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。 [4] [4] [4] 國(guó)內(nèi)外硫酸轉(zhuǎn)化新工藝的發(fā)展 [4] PEA(Process Engineering Associates)公司推出了一種兩段式 硫酸生產(chǎn)工藝，其特點(diǎn)是 SO2 排放幾乎為零（ 3cm /m ） 。含銫 催化劑具有起燃溫度低、活性高的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的釩催化劑相比，起燃溫度低 20～ 40℃， 適用于 處理二氧化硫濃度較低的氣體或用富氧空氣產(chǎn)生的二氧化硫濃度較高的氣體。 最新研制開(kāi)發(fā)的 SH 型寬溫抗毒 SO1 氧化制硫酸催化劑，是一種無(wú)毒、無(wú)污染、高性能的制 酸催化劑，具有起燃溫度低，壽命長(zhǎng)，使用阻力小，節(jié)能降耗等特點(diǎn)，特別適用于大型制酸企業(yè)， 其性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平 。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(guó)產(chǎn)的普通催化劑采用三轉(zhuǎn)三吸方法制酸，并對(duì)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］ 。轉(zhuǎn)化流程主要有“一轉(zhuǎn)一吸”和“兩轉(zhuǎn) 兩吸”兩大類， “一轉(zhuǎn)一吸”流程亦為一次轉(zhuǎn)化一次吸收，由于受催化劑用量及平衡轉(zhuǎn)化率的限制， 該工藝可能達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率為 97%～ 98%，顯然硫的利用率不夠高，尾氣中二氧化硫的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 排放標(biāo)準(zhǔn)，因此該工藝已逐漸被淘汰。因此，釩催化劑很快取代了鉑催化劑的地位，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng) 用。 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(xiàng)技術(shù)發(fā)展 緩慢。 第三、將三氧化硫與水結(jié)合成硫酸。 實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程需將含硫原料焙燒， 故工業(yè)上稱 之為 “焙 燒” 。 ， 因此，此法的發(fā)展受到限制。 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