年产15万吨硫酸吸收塔设备初步设计

1、年产15万吨硫酸吸收塔工艺设计摘 要硫酸是一种工农业生产必需的大宗化工基础原料，用途十分广泛。在冶金工业中可用于钢材酸洗、纺织工业中可用于棉纱漂染，染料行业用于染料中间体生产，化肥行业用于磷铵、过磷酸钙的生产，有机合成工业用于脱水剂与高分子组合物，无机工业用于制取金属硫酸盐，民用用于净水剂硫酸铝等。此外，还用于制药、农药、石油精炼、制革、人造纤维、国防军工等工业部门。硫酸生产方法有硫铁矿法、硫磺法、冶炼尾气法、石膏法等。由于硫酸是主要的基础化工原料，其发展程度是一个国家的工业、国民经济发达程度上的标志之一，各国对硫酸生产都比较重视。此次毕业设计的主要研究对象为硫酸整个生产的基本原理和流程以及着

2、重研究吸收工序中吸收塔的设计和材料的选择对于每一个生产方法的选择的原因和目的进行详细的剖析(如转化装置选用“3+2”五段转化工艺.选用浓度为98的硫酸来做干燥剂和吸收剂，动力波进化工艺、等技术),从而加深对细节的把握和全局的整合.关键词 : 硫酸、吸收塔、改造Process Design of a 300a Sulfuric Acid absorption towerabstractSulfuric acid is a kind of industrial and agricultural production must base material, the commodity chemica

3、ls widely used. Can be used in metallurgy industry, textile industry in steel pickling yarn dyeing can be used for dye intermediates, dye industry production, chemical fertilizer industry for the production of ammonium phosphate, calcium superphosphate, organic synthesis industry for dehydrating age

4、nts.it and polymer composition, inorganic industrial used in producing metal sulphate, civil for DTC vitriolic etc. In addition, also used in pharmaceutical, pesticide, oil refining, leather, synthetic fiber, national defense industry, etc. Sulfuric acid production methods have pyrite, sulfur, smelt

5、ing exhaust, gypsum etc. The foundation is mainly because of sulfuric acid, the development degree of chemical raw materials of industry, is a national economic development level in one of the marks of sulfuric acid production, countries are seriously.The main research object of graduation design fo

6、r the production of sulfuric acid and basic principle and process of research on absorption process design and materials absorption tower of choice for each production method of choice for the purpose and detailed analysis (such as the transformation of devices 3 + 2 conversion processes. Choose con

7、sists of sulphuric acid concentration of 98% for desiccant and absorbing wave evolution process, such as motivation, thus deepening) for technical details and global integration.Keywords: Sulfuric acid, the absorption tower, transformation,第一章 总 论1.1 设计对象1.1.1 设计规模 设计规模:15万吨/年1.1.2 产品及规格:原料: 硫铁矿 产品：

8、98.3%的浓硫酸(98酸)1.1.3 硫酸的性质及用途 硫酸纯品为无色油状透明油状液体,相对密度为1.83 g/cm3, 凝固点10.36。沸点(3300.5)。98.3的硫酸水溶液为恒沸混合物，沸点339,最低结晶温度为93.3%的硫酸,结晶温度为-38.工业品因含杂质而呈黄、棕等色。一种活泼的二元无机强酸,能与许多金属、金属氧化物或其他酸的盐类反应生成硫酸盐。浓硫酸具有强烈的脱水作用和氧化性。能使木材、纸张、棉麻织物等强烈脱水而炭化。与水混合反应激烈，放出大量热。用水稀释时应在不断搅拌下将硫酸缓缓注入水中，切勿将水注入酸中造成溅酸伤人。低于76的硫酸与金属反应放出氢气。生产方法有接触法和

9、硝化法。主要用于生产磷酸，磷肥，各种硫酸盐，二氧化钛(硫酸法)，洗涤剂，染料，药物，合成纤维等。也可用作搪瓷、金属的酸洗剂，有机合成的磺化剂和脱水剂，以及用于金属冶炼，石油精制和电子工业等。用工业硫酸在石英设备中蒸馏提纯，或以去离子水吸收三氧化硫制成纯品，再经微孔过滤膜进行超净过滤而得半导体及硫酸。超净高纯试剂。是半导体工业用量最大的化学品。一般和过氧化氢一起用于除去晶体上已完成屏蔽作用的光刻胶，或作腐蚀剂。还可用作电子产品的清洗剂和腐蚀剂。用纯净水吸收洁净三氧化硫气体制得蓄电池硫酸。也可用蒸馏法、吹出法对工业硫酸提纯制得。用作铅酸蓄电池中的电解液和电镀等。1.2 工作日的制定和工作制度 硫酸

10、厂采取一年大修一次，需要32天；一个季度中修一次，除去大修所处的季度，一年三个季度计算，合计9天；小修一月一次，一次48个小时，共计6天。则一年全厂运行318天。 工作制度：为五班三倒制。第二部分 吸收塔工艺设计(重点设计部分)2.1 吸收工序的生产基本原理SO3是硫酸（H2SO4）的酸酐。因此，可以发生以下反应： 和水化合成硫酸：SO3(l) + H2O(l) = H2SO4(l) (+88 kJ mol1) 这个反应进行得非常迅速，而且是吸热反应。在大约340以上时, 硫酸、三氧化硫和水才可以在平衡浓度下共存。下表为具体参数：主要原理：利用98.3%的浓硫酸吸收SO3气体,通过对由下而上的

11、SO3气体，由上而下的98.3%的浓硫酸进行流量控制，并在产品处实行2个部分的分离：1-成为产品，2-稀释至98.3%左右进行循环使用。至此，一套浓硫酸吸收工艺的整个工作场所是吸收塔，所以，此次设计的核心部分为吸收塔设备的规格以及物料衡算。此次设计的硫酸生产的成品规格为: 浓度=98.3%的硫酸。吸收酸浓度的选择为了达到理想的吸收效果和最大的经济效益,对于吸收酸的浓度的选择考虑有以下因素:a. 吸收酸的浓度过高或过低都会产生相当量的酸雾,并与之成正比的是SO3的损失量.b. 选择98.3%的硫酸的因素是能使其对SO3达到最完全.而浓度过低和浓度高产生酸雾的细微差别在于酸雾产生的地点是在尾气筒处

12、(低浓度-吸收过程中产生的酸雾)还是离开尾气筒一段时间(高浓度-尾气中的SO3与大气中的水蒸气结合而形成酸雾).综合以上点,吸收酸的浓度选择为98.3%为其最优选择.2.1.1 吸收酸温度的选择其它条件不变时,吸收酸温度升高,吸收率下降(由于酸自身的蒸发加剧,使液面上的蒸汽压明显增加). 吸收酸温度过低会造成:a. 低于硫酸蒸汽的露点温度,产生一定量的酸雾.b. 增大制冷设备的投入,导致不必要的成本.所以,此次设计的中酸温度选择的区间为6075左右,并采用较高酸温和进塔气温的高温吸收工艺该工艺优点:减少酸冷器换热面积,提高吸收酸的换热面积,并避免酸雾的产生.2.1.2 SO3进塔温度的选择在一

13、般的吸收操作中,进塔气体温度较低有利于吸收.但在吸收SO3时,并不是气体温度越低越好.因为转化温度过低,更容易形成酸雾,尤其是炉气干燥较差时.当炉气中水分含量为0.1g/m3(标准状态)时,其露点为112,所以一般控制入塔气体温度不低于120,以减少酸雾的形成.214 吸收工序的设备选择浓酸吸收三氧化硫气体，一般在封闭的塔设备中进行。该反应为放热反应，随着吸收过程的进行，吸收酸的温度随着增高，为使循环酸的温度保持一定，必须使其通过冷却设备，以除去在吸收过程中增加的热量。所以，一个完整的循环系统由吸收塔，循环酸储槽，酸泵，以及冷却器等设备组成。该吸收工序的由于组合的不同导致各自的效果不同，本次设

14、计分为采用下种方式进行吸收吸收塔 循环酸储槽 冷却器 酸泵该流程的特点：酸的流速适中，传热较好，冷却器配置在酸泵前，酸在冷却器管内流动，一方面靠位差，一方面靠酸泵的抽吸，管内受压较小，比较安全，有效。2.1.5 吸收塔的结构原理填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔结构示意图填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，

15、气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 所以，填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。216 吸收塔的基本选择条件工业吸收塔应

16、具备以下基本要求： 吸收塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0512m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度68m3(m2，h)以保证填料润湿，液气比控制在210Lm3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。下面为其工艺条件的选择标准：1、 喷淋酸的浓度（93%-95%硫酸）2、 喷淋酸的温度（30-45）3、 气体温度（进口30）4、 喷淋密度（10-15m3/m2.h）具体要求如下6点：

17、 1塔内气体与液体应有足够的接触面积和接触时间。 2气液两相应具有强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率。 3操作范围宽，运行稳定。 4设备阻力小，能耗低。 5具有足够的机械强度和耐腐蚀能力。 6结构简单、便于制造和检修。2.2 主要设备-吸收塔的具体设计此次设计将着重吸收塔部分进行以下设计：六个方面包括壳体材料的尺寸设计和材料选择, 它由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。 吸收塔填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的

18、润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料（此次设计选用鲍尔环），20世纪80年代后开发的新型填料如QH1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。填料类型和材质的选择,承压板,底座,喷头,各类接管六方面进行.2.2.1 塔壳体材料和尺寸的选择壳体分三层:a.关于壳体,考虑其需承受内外的强氧化性酸及其不同浓度腐蚀能力的差异和日照风吹等各种自然环境的考验,并且壳体还需承受塔内巨大的重量,冷热层差,所以,此次设计选择了玻璃钢玻璃纤维作筋骨，用合成树脂（酚醛塑料、环氧树脂及聚酯树

19、脂）作肌肉作为吸收塔的外壳材料.下面为铁在不同浓度硫酸环境下的腐蚀水平,以说明硫酸浓度的不同带来的巨大差别:浓度0%-49% : 腐蚀速度达到最大620g/(m2d)(正比关系)浓度49%-81% : 腐蚀速度骤降至几乎为0浓度81%-100% : 上升至100 g/(m2d)左右从上列数据我们可以得知硫酸的浓度的不同会导致其腐蚀能力产生极大的差异,而这中腐蚀差会加速其腐蚀进程.从玻璃钢的各类参数可以知道其质轻而硬，机械强度高，耐腐蚀等优良特质可以满足我们的设计需要,所以,此次设计的外壳材料选择了玻璃钢.b.关于内衬,则需考虑较高温度(60-75)的强酸腐蚀和比较大的冲击力量,所以,此次设计中

20、选择的内衬为耐酸陶瓷作为吸收塔的内衬.选择的耐酸陶瓷规格为:10010020mm选择的考虑因素包括:1.强度高,空隙率小,介质不容易渗透. 2.热稳定性好,可运用于急冷急热的部分. 3.耐酸性能极其强悍且成本低廉.所以此次设计内衬材料选择为:耐酸陶瓷进行c. 关于中间连接层的选择,需考虑其连接能力大小和抗老化的程度,所以,经过细致的选材工作,最终确立的夹层材料为:钾水玻璃胶泥.该材料成为此次设计的连接剂的原因以下几点:1.连接性,抗渗透性由于其它同类型材料. 2.耐热性好(400的极限温度对于75那是相当够用). 3.无毒无害,环保,价格低廉.所以,连接材料为性能优秀的:钾水玻璃胶泥.最终确定

21、壳体的材料选择: 外壳-玻璃钢 内衬耐酸陶瓷 连接剂-钾水玻璃胶泥.2.2.2 吸收塔填料的材质和规格的选择 填料是吸收塔最为重要的组成部分之一，所以，填料选择何种材料需考虑以下4个方面：1传质效率要高 一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料.2通量要大 在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料.3填料层的压降要低.4填料抗污堵性能强，拆装、检修方便.综合以上4点，此次设计吸收塔填料选择为：鲍耳环 材料选择为：陶瓷填料 规格选择为：38*38*4（径*高*厚mm） 填料形式：散装陶瓷的性质稳定，具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿

22、性能，所以成为此次设计的填料材料的选择。至于散装填料规格的选择：工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8，所以，此次设计的填料规格选择为：38*38*4（径*高*厚mm）以上，即为吸收填料的的材质和规格的选择223 吸收塔承压的选择承压板在整个吸收塔系统中担当了一个承上启下的任务，因此，在设计过程中对于承压板

23、的考虑主要集中在填料的重量承受，及耐酸耐温方面出发。所以，对其各项工艺指标的控制极为严格，需要很大的机械强度和耐酸性能,此次设计选用的承压板为:镍基耐蚀合金(主要合金元素是铜、铬、钼).其具有良好的综合性能，符合此次设计的材料要求,所以,选择其作为承压板进行设计.规格一般小于壳体,在其表面设计无数可供泻酸的通道,以保障物料的吸收效率和处理速度.2.2.3 吸收塔的小部件的细节设计其小部件包括:喷头,进出口连接件,及各个细微连接件等设施.对于喷头而言,需要满足的要求为:足够大的输送物料的能力,以及最为严苛的耐酸标准.所以,在选择其规格和材料是需注意其物料处理量和抗腐蚀能力.对于物料的处理量而言,

24、需通过计算得出.2.2.4 吸收塔结构的选择关于吸收塔结构的选择部分,此次设计采用了效率优秀的双层设计,以加大其对SO3的吸收转化效率和降低对支撑板的条件.对外部表层还需使用专用油漆进行，以达到露天使用的要求。3.1 计算此次最主要的设计物料衡算部分，以下为该反应的主要原理：SO3+H2O=H2SO4设计的年产量为15万吨，即1.5108，全年的生产天数为318天，由此数据可知月产量为.11，日产量为15723.27，由此可以计算出每一个小时的生产量为665.14，从而可以计算出设备的体积和处理能力。设备的进口为：SO3 原料进口 出口为: H2SO4产品出口 循环物料出口 循环液: 98.3

25、%的浓硫酸来自出口高浓度的H2SO4稀释至98.3%后循环使用。整个系统可以表达为以下图示：此图为整个吸收系统的循环简图，其进口和出口以及循环酸的路线为上图所示。3.1.1 各个物料的具体计算部分首先，通过对总的物料量进行恒算，可额定进口物料的流量15723.27，则可以通过计算知道15723.27。假设15723.2798.3%的H2SO4吸收了SO3后变成H2SO4SO3再经过稀释成为98.3%的循环酸的质量可以通过下面的方法进行计算：98.3%的浓硫酸可以看成是H2SO41/9H2O，因为此时H2SO4与H2O的质量比为98：2要变成H2SO4SO3的话，就相当于是98克H2SO4变成H2SO4SO3，以及2克H2O变成H2SO4SO3，那么它们的质量分别