【正文】 轉(zhuǎn)化率，再用第一類條件式iiii XX ?????? , 000 ?? 確定二段進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)。 E1,E2 正、逆反應(yīng)活化能， J/mol。 Te 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。 化工學(xué)院化學(xué)工程系 13 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 [2]。 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 %。 化工學(xué)院化學(xué)工程系 11 4． 工藝計(jì)算書(shū) 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)。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) 8 化工學(xué)院化學(xué)工程系 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。 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) 6 化工學(xué)院化學(xué)工程系 設(shè)計(jì)的自然條件 空氣成份： O2 % % 大氣壓： 冬季 :590mmHg 夏季 :580mmHg 大氣溫度： 夏季： 16℃ 冬季： 7℃ 年平均： ℃ 年最高氣溫： 33℃ 相對(duì)濕度： 年平均： 50% 夏季最高值 53% 水溫： 夏季： 15℃ 冬季： 4℃ 最高水溫： 28℃ 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 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 [7]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。 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 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(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。 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（ 3cm3/m3）。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 [4]。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況下生成硫酸。一類是硝化法，另一類是接觸法。其中，硫鐵礦制酸 1600萬(wàn)噸，占 %；冶煉煙氣制酸 1100 萬(wàn)噸，占 %；硫磺制酸 2540 萬(wàn)噸，占 %；其他 60萬(wàn) 化工學(xué)院化學(xué)工程系 3 噸，占 %。 20212021 年化肥耗酸量年均遞增 2%，磷肥耗酸遞增 %，高濃度磷復(fù)肥耗酸遞增 %，普鈣耗酸下降 %。 2021年各產(chǎn)業(yè)消耗硫酸構(gòu)成見(jiàn)下表： 表 1 2021年我國(guó)硫酸消費(fèi)構(gòu)成 用途 消費(fèi)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(shù)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(guó)家為了保證我國(guó)糧食的安全，農(nóng)業(yè)部門(mén)對(duì) 20212020 年化肥需求提出預(yù)測(cè)， 2021 年磷肥國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量 1100 萬(wàn)噸（ 100%P2O5），化肥消費(fèi)硫酸 3160萬(wàn)噸，占表觀消費(fèi)量 %，其中磷肥耗酸 3040 萬(wàn)噸，高濃度磷復(fù)肥耗酸 1890 萬(wàn)噸，占磷肥耗酸量 %，其它化肥耗酸占化肥耗酸量 %。 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 化工學(xué)院化學(xué)工程系 硫酸的市場(chǎng)需求 ［ 3］ 2021 年我國(guó)硫酸的表觀消費(fèi)量 48200kt，其中化肥消費(fèi)硫酸為 33400kt,占硫酸表觀消費(fèi)量的%,其中磷肥耗酸 31470kt，磷肥中高濃度磷復(fù)肥耗酸 18900kt，占磷肥耗酸量的 %。原子能工業(yè)中用于濃縮鈾。 在冶金工業(yè) 中，鋼材加工及成品的酸洗要用硫酸；電解法精煉銅、鋅、鎘、鎳時(shí)，電解液需使用硫酸；某些貴金屬的精煉亦需用硫酸溶去夾雜的其它金屬。在農(nóng)藥、除草劑、殺鼠劑的生產(chǎn)中亦需要硫酸。在中國(guó)，硫酸產(chǎn)量的60%以上用于生產(chǎn)磷肥和復(fù)肥。 硫酸的用途 ［ 2］ 硫酸的用途非常廣泛，是最重要的化工原料之一。硫酸無(wú)論是用水稀釋還是與其它液體混合，都會(huì)放出大量的熱。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(gè)數(shù)比為 2： 1的比例奪取出來(lái)并生成水。具有相對(duì)密度大、沸點(diǎn)高、液面上水蒸氣的平衡分壓極低等物理特性和吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性等化學(xué)特性 ［ 2］ 。硫酸分為發(fā)煙硫酸、濃硫酸和稀硫酸，硫酸中不含水而存在游離S03 時(shí)成為發(fā)煙硫酸，當(dāng)硫酸水溶液中硫酸質(zhì)量百分?jǐn)?shù)≥ 75%的硫酸叫做濃硫酸，而把硫酸質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在 75%以下的硫酸水溶液叫做稀硫酸 [1]。無(wú)水硫酸就是指 100%的硫酸，又稱純硫酸。 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?；瘜W(xué)上一般把一個(gè)分子的三氧化硫與一個(gè)分子的水相結(jié)合的物質(zhì)稱為無(wú)水硫酸。純硫酸一般為無(wú)色透明的油狀液體，分子量為