【正文】 平衡轉(zhuǎn)化率在某一溫度下反映了該化學(xué)反應(yīng)可以進(jìn)行的程度。從平衡轉(zhuǎn)化率的角度，溫度低，平衡轉(zhuǎn)化率就高，操作溫度低有利；從反應(yīng)速率的角度，溫度高，反應(yīng)速率就快，操作溫度高有利，但是催化劑有活性范圍，太高太低都不行。當(dāng)催化劑顆粒較大時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散影響不能忽略，此時(shí)宏觀動(dòng)力學(xué)模型很復(fù)雜，需要用催化劑表面利用率作修正。 SO2 最適宜濃度的選擇 SO2 最適宜濃度必須要保證產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益。硫酸廠系統(tǒng)的阻力的 70%集中在轉(zhuǎn)化器的催化劑層。但要是增加 SO2 的濃度，又必須要增加催化劑的填裝量。 SO2 最適宜濃度和催化劑層的阻力有很大的關(guān)貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 10 頁(yè) 系。 SO2 氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 二氧化硫在催化劑表面上氧化成三氧化硫的過程一般認(rèn)為分四步進(jìn)行 : ，使氧分子中原子間的鍵斷裂成為活潑的氧原子； 子； ，化合成為三氧化硫分子； ，進(jìn)人氣相。國(guó)際上對(duì) SO2在釩催化劑上氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行過系統(tǒng)研究，由于催化劑的結(jié)構(gòu)、特性以及實(shí)驗(yàn)條件不同，所得到的動(dòng)力學(xué)方程也不相同，至今比較認(rèn)可的是波列斯科夫方程。（ SO2， O2的起始濃度 a，b 以及轉(zhuǎn)化率 X ） )1( 232 22 ????? SOSO SOo pp ppkr 223OSOPSO ppk p?? SO2的摩爾分率 )1(100 ??? ay ?? ddaddyr ????? 100 PaabPO ??? ??? PaaPSO ??? ??? 0 0 )1(2 PaaPSO ??? ?? 0 03 將此三式代入動(dòng)力學(xué)方程式便可得： ?? ddxaddyr 100??? ? ? ? ? ??????????? ??? 22 1100 xK xaxaxbpxxa kddx P? 催化劑的選擇 在硫酸生產(chǎn)過程中 ,研制耐高溫高活性催化劑相當(dāng)重要 ,普通催化劑允許起貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 11 頁(yè) 始的∮ (SO2)在 10%以下 ,若能提高它們的耐熱性 ,在高溫下仍能長(zhǎng)期的保持高活性 ,就可以允許大大提高起始的∮ (SO2),不但能增加生產(chǎn)能力 ,降低生產(chǎn)成本 ,而且能獲得滿意的 SO2轉(zhuǎn)化率 .現(xiàn)在我國(guó)廣為采用的是 S1012H 型、 S1071H 型和 S108H 型三種催化劑 ,它們?yōu)榄h(huán)狀釩催化劑 .比較先進(jìn)的有 S1012H(Y)型、S1071H(Y)型 ,它們是菊花環(huán)狀釩催化劑 ,床層阻力降比 上述二系列催化劑基本相同 ,催化劑化學(xué)成分同上述二系列相同，主催化劑為 V2O5,助催化劑為 K2O、K2SO、 MO3等 .將 SO2 氧化 SO3 的催化劑主要有三種：金屬鉑、金屬氧化物（主要是氧化鐵）和釩催化劑。但價(jià)格昂貴，加大了成本，且易中毒。 氧化鐵催化劑 ：主要成份三氧化二鐵 (Fe2O3)，該催化劑雖然價(jià)廉易獲得，但只有在 640℃以上高溫時(shí)才具有活性，轉(zhuǎn)化率一 般只有 4550%，工業(yè)上也不宜采用氧化鐵催化劑。 ，以硅膠，硅藻土，硅酸鋁等用作載體的多組分催化劑。產(chǎn)品一般為圓柱形，直徑 410mm,長(zhǎng) 615mm?；钚愿?，熱穩(wěn)定性好，有較高的機(jī)械強(qiáng)度高，且價(jià)格便宜易獲得。 以前國(guó)內(nèi) 釩催化劑 廣泛采用的是 S101 型。設(shè)計(jì)采用的最終轉(zhuǎn)化率，對(duì)于一次性轉(zhuǎn)化的小型廠一般取 96%，中型廠可用四或五段，用五段時(shí)一般用爐氣冷激或空氣冷激調(diào)節(jié)進(jìn)入催化劑層的溫度。 S1071H 型和 S1071H（ Y）型催化劑的起燃溫度為 360℃ 370℃，正常使用溫度為 480℃ 580℃，適合作“引燃層”催化劑（低溫釩 催化劑）。 在二次轉(zhuǎn)化流程中如果使用低溫釩催化劑，可使第一段催化劑層和第四段催化劑層的進(jìn)氣溫度降低 15℃ 20℃，最終轉(zhuǎn)化率也會(huì)有所提高。所以在本設(shè)計(jì)中催化劑采用國(guó)產(chǎn)的 S107 型催化劑。 流程一：三塔三槽三泵流程： 貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 13 頁(yè) 圖 三塔三槽三泵流程示意 流程二：三塔兩槽三泵干燥吸收各自獨(dú)立流程： 圖 三塔兩槽三泵干燥吸收各自獨(dú)立流程示意 該流程沿用礦制酸和冶煉煙氣制酸的干燥和吸收工藝 ,按循環(huán)槽數(shù)量可分為 ”三塔三槽 ” 工藝流程見圖 和 ” 三塔兩槽 ” 工藝流程見圖 ” 三塔三槽 ”工藝流程系指干燥塔、一吸塔、二吸塔分別具 有各自獨(dú)立的循環(huán)酸系統(tǒng)繁榮流程 。 流程三：三塔兩槽三泵干燥酸與一吸酸混合流程 貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 14 頁(yè) 圖 三塔兩槽三泵干燥酸與一吸酸混合流程示意 流程四：三塔一槽一泵流程 圖 三塔一槽一泵流程示意 四種干吸流程的特點(diǎn)見下表： 表 四種干洗流程對(duì)比表 流程 特點(diǎn) 相對(duì)投資額 /1 流程一 流程長(zhǎng)、設(shè)備多 ,控制點(diǎn)多 ,串酸量大 ,酸泵及酸冷卻器材料的耐腐蝕要求高 ,裝置占地面積大 ,尾氣排放的 SO2量小 ,投資額高 流程二 控制點(diǎn)略少 ,串酸量大 ,酸泵及酸冷卻器材料的耐腐蝕要求略高 ,尾氣排放的 量略大 ,硫的損失略高 ,投資額中等 流程三 控制點(diǎn)略少 ,串酸量小 ,酸泵及酸冷卻器材料的耐腐蝕要求略低 ,尾氣排放的 SO2量小 ,投資額中等 貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 15 頁(yè) 流程四 流程短 ,設(shè)備少 ,控制點(diǎn)少 ,無需串酸 ,裝置占地面積小 ,尾氣排放的 SO2 量略大 ,投資省 通過對(duì)上述四種干吸流程的分析比較 ,對(duì)于目前國(guó)內(nèi)大、中型硫磺制酸裝置 ,認(rèn)為干吸流程宜采用流程三（三塔兩槽三泵干燥酸與一吸酸混合 流程），理由如下： 1. 流程一所使用的管線復(fù)雜 ,設(shè)備多 ,控制點(diǎn)多 ,容易造成管道泄漏的點(diǎn)多 ,控制麻煩。而且投資費(fèi)用較高。國(guó)內(nèi)目前制造酸泵的材料而言 ,也不能滿足要求；又由于流程二的串酸量大 ,串酸管線多 ,因此酸泵的揚(yáng)量大 ,電耗多 ,操作費(fèi)用高，控制點(diǎn)也多。 3．流程四雖然其流程簡(jiǎn)單、設(shè)備數(shù)量少、控制點(diǎn)少 ,但對(duì)于大、中型硫酸裝置而言 ,由于三塔合一槽 ,合用一臺(tái)酸循環(huán)泵 ,所以酸泵的揚(yáng)量大 ,而目前國(guó)內(nèi)大揚(yáng)量酸泵和酸冷卻器的設(shè)計(jì)及制造尚無業(yè)績(jī)。但 相信隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展 ,今后 ,此流程將會(huì)被逐步采用。 4. 采用流程三的干吸流程（見圖 ） ,可改變流程一的復(fù)雜和繁瑣 ,避免了流程二吸收過程中酸里溶解的 SO2 在二吸塔解吸而污染大氣 ,解決了流程四中大揚(yáng)量酸泵等設(shè)備制作困難的矛盾。 國(guó)內(nèi)大部分硫磺制酸企業(yè)是 由硫鐵礦制酸改造來的 , 干燥用 93% 酸、吸收用 98% 酸 , 沿用了以前硫鐵礦制酸的干吸流程 , 例“ 3 塔 3 槽”、“ 3 塔 2 槽” (吸收合用 ) 等 , 這樣配管貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 16 頁(yè) 多 , 操作復(fù)雜。中小型硫磺制酸裝置應(yīng)采用“ 3 塔 1 槽” (混酸槽裝有開孔隔板 ) ； 大型硫磺制酸裝置應(yīng)采用干燥、第 2 吸混酸槽合一 , 1 吸單獨(dú)設(shè)混酸槽的干吸流程 , 這樣簡(jiǎn)化了管道 , 減少了投資 ,開車和正常操作更加容易 , 也有利于低溫廢熱的利用。近年 來 , 陽極保護(hù)技術(shù)在干吸工段得到了廣泛應(yīng)用 , 如陽極保護(hù)不銹鋼管殼式濃硫酸冷卻器、陽極保護(hù)不銹鋼濃硫酸管道、陽極保護(hù)不銹鋼槽管式分酸器、陽極保護(hù)不銹鋼混酸槽等 , 大大降低了設(shè)備腐蝕速率 , 延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命 , 提高了濃硫酸 的質(zhì)量 , 提高了系統(tǒng)的開車率 , 值得推廣。該工藝的關(guān)鍵是保持轉(zhuǎn)化工序的熱量平衡，使轉(zhuǎn)化反應(yīng)維持在某一理想的溫度下進(jìn)行。 2. 轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)能力要大 ,單臺(tái)轉(zhuǎn)化器能力要與全系統(tǒng)能力配套 ,不要搞多臺(tái)轉(zhuǎn)化器。氣體分布不勻 ,轉(zhuǎn)化率低。 3. 靠 SO2 反應(yīng)放出的熱量 ,應(yīng)能維持正常操作 ,不要從外 界補(bǔ)充加熱 ,亦即要求達(dá)到 ” 自熱 ” 平衡。 5. 設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)便于制造、安裝、檢修和操作，要力求簡(jiǎn)單，使用壽命要長(zhǎng)，投資要少。在同規(guī)模、同轉(zhuǎn)化率的硫磺裝置中，這兩種轉(zhuǎn)化工藝在設(shè)計(jì)上的主要區(qū)別如下： 在同等規(guī)模。對(duì)于一定組分的原料氣在某一催化劑下反應(yīng)，為達(dá)到一定的 SO2轉(zhuǎn)化率，其反應(yīng)速率有一個(gè)極大植，所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)溫度為最佳溫度。因此隨著反應(yīng)的進(jìn)行，要采取相應(yīng)的方法來降低反應(yīng)的溫度。轉(zhuǎn)化反應(yīng)分段越多，其反應(yīng)溫度就越接近最佳溫度，催化劑的用量在理論上也就越少。 2. 工藝流程不同。目前國(guó)內(nèi)外硫磺制酸裝置大多在轉(zhuǎn)化器的四段出口設(shè)置中溫蒸汽過熱器，用中壓蒸汽與四段出口的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)行換熱，大大降低了進(jìn)五段的轉(zhuǎn)化氣溫度，也充分利用了轉(zhuǎn)化氣的余熱。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下表所示： 表 四段轉(zhuǎn)化和五段轉(zhuǎn)化主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表 貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 18 頁(yè) 指標(biāo)名稱 轉(zhuǎn)化工藝 兩次轉(zhuǎn)化 一次轉(zhuǎn)化 最終轉(zhuǎn)化率 /l 催化劑用量 / 硫磺制酸 %～ % 170～ 190 %～ % 190～ 210 爐氣中∮（ SO2） /l 硫磺制酸 鼓風(fēng)機(jī)出口壓力 /kPa 尾氣中∮（ SO2）/ 裝置建設(shè)投資 /l %～ % 25～ 40 200～ 300 ～ %～ % 20～ 30 3500～ 4500 注 :表內(nèi)所列的催化劑用量系列采用進(jìn)口催化劑的數(shù)據(jù)；裝置建設(shè)投資以一次轉(zhuǎn)化工藝為基準(zhǔn)。 (標(biāo)準(zhǔn)狀況 )，為此要求裝置的最終轉(zhuǎn)化率應(yīng)達(dá)到 ％ 以上。 2. 轉(zhuǎn)化流程的選擇除要考慮環(huán)境保護(hù)外，主要取決于所用的釩催化劑和進(jìn)轉(zhuǎn)化器爐氣中 SO2濃度的高低。在原料氣中 SO2濃度貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 19 頁(yè) 相同的條件下，“ 3+2”流程對(duì)達(dá)到要求的最終轉(zhuǎn)化率更有保障。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所選的催化劑為國(guó)產(chǎn)的 S107 催化劑， 故將采用“ 3+2”五段轉(zhuǎn)化的 轉(zhuǎn)化流程。兩種方式實(shí)際上都有采用。另外設(shè)在塔前，干燥塔是正壓操作，同樣的規(guī)模，氣量要比負(fù)壓操作時(shí)要小，能耗也低?？諝夤娘L(fēng)機(jī)用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，蒸汽透平裝置將蒸汽送入工廠的低壓蒸汽管網(wǎng)，提高能源的利用率。 但是在國(guó)外普遍將主鼓風(fēng)機(jī)設(shè)在干燥塔后，空氣通過空氣過濾器進(jìn)入干燥塔，濃硫酸吸收水分后，再送入主鼓 風(fēng)機(jī)。 主鼓風(fēng)機(jī)設(shè)置在干燥塔后，空氣中所夾帶的酸霧可通過干燥塔塔頂?shù)某F器除去，足以保證一般的鋼制風(fēng)機(jī)不受腐蝕。 采用液硫過濾器還是澄清槽的選擇論證 若廠區(qū)地處內(nèi)陸，進(jìn)口硫磺經(jīng)多次轉(zhuǎn)運(yùn)和堆存，不可避免地混入灰塵等雜質(zhì)，加之生產(chǎn)過程中和游離酸形成的固形物，僅設(shè)置液硫沉降槽和氣體過濾器是不切合實(shí)際的，必需選擇合適 的液硫過濾設(shè)備。 貴州大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 20 頁(yè) 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用澄清槽，澄清時(shí)間為 72 小時(shí)以上，為此澄清槽要占用交大的面積，使之沉下 9099%的灰分。液硫通過過濾之后灰分含量降低到 %（當(dāng)液硫中的灰分含量為 %）。當(dāng) 助濾槽的液硫變的澄清時(shí)，助濾作業(yè)完畢，切換為正常生產(chǎn)過濾液硫。 硫磺制酸的廢熱利用 近幾年來 ,由于國(guó)際市場(chǎng)硫磺價(jià)格下跌 ， 國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛改建或新建硫磺制酸裝置。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天 ， 廢熱利用將是提高硫酸產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。 缺點(diǎn)： 煙氣流速低 ， 傳熱系數(shù)小 ， 冷啟動(dòng)升溫慢 。 防護(hù)措施： 高溫水管廢熱鍋爐的蒸汽設(shè)計(jì)壓力應(yīng)在 2145 MPa 以上 ， 開車時(shí)應(yīng)采用串汽的方法將蒸汽壓力保持在 2145～ 310 MPa 再接通爐氣 ， 停車時(shí)應(yīng)將爐氣置換完畢再降低蒸汽壓力 ， 這樣可有效地 防止低溫腐蝕。 K) ， 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。如果在開、停車過程中再采取串汽、燃油置換等措施 ,效果將更佳。具有較大的負(fù)荷適應(yīng)范圍。 缺點(diǎn)： 高溫火管鍋爐前管 板熱應(yīng)力較大 ， 材料易疲勞產(chǎn)生裂紋 。 防護(hù)措施： ⑴ . 在高溫側(cè)管口插入一段 150～ 180 mm長(zhǎng)的剛玉保護(hù)套管 ， 在管板表面涂一層 80100mm厚的鋯質(zhì)耐火隔熱層 ， 可降低管口及管板處的溫度 ， 達(dá)到熱防護(hù)的目的。 ⑶ . 殼程通過上升管和下降管與上部大容積汽包連接形成自然循環(huán)回路，使受熱面任何時(shí)候都沉浸在水中；提高給 水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的可靠性，切實(shí)做好突然斷水和斷電的防護(hù)工作。 20世紀(jì) 90年代中期建成的中小型硫磺制酸裝置大多采用水管鍋爐。火管鍋爐具有煙氣密封性好、操作彈性大、檢修方便、設(shè)計(jì)制造容易等優(yōu)點(diǎn)。有的廠家火管鍋爐出現(xiàn)了局部泄漏等情況，看來國(guó)產(chǎn)火管鍋爐制造廠家還需在提高質(zhì) 量、杜絕泄漏上下功夫。為避免高溫?zé)煹罋庵苯記_刷鍋殼的前管板 ,在前管板表面澆筑了耐高溫的耐火保護(hù)層 ,并在煙道氣管進(jìn)口處安裝了耐高溫保護(hù)套管 ,該保護(hù)套管材質(zhì)為剛玉。鍋爐全部重量由與下部爐體想界的兩個(gè)只座支撐于水泥墩上 ,其中的一個(gè)支座為活動(dòng)支座以滿足爐體膨脹量的要求。目前國(guó)內(nèi)焚硫爐主要有兩種形式 :一是