年产8万吨硫酸厂转化工段设计

1、-. z.：TQ111.1密 级：毕业设计题 目:年产8万吨硫酸厂转化工段设计系 别:化学化工系专业年级:姓 名: 学 号:201207指导教师:周2016年06月02日-. z.吕梁学院本科毕业设计原 创 性 声 明本人重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导教师的指导下独立进展研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承当。论文作者签名： 日 期：关于毕业论文使用授权的声明本

2、人在指导教师指导下所完成的论文及相关的资料包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等，知识产权归属吕梁学院。本人完全了解吕梁学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权吕梁学院可以将本毕业论文的全部或局部容编入有关数据库进展检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署位为吕梁学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署位仍然为吕梁学院。论文作者签名： 日 期：指导教师签名： 日 期：摘 要本设计是进展年产8万吨硫酸

3、厂转化工段设计，主要负责硫酸工艺中二氧化硫到三氧化硫的转换过程，计算局部主要分三块：物料衡算，热量恒算和换热面积的计算以及设备的计算。国生产硫酸的方法主要是用硝化法和接触法，考虑到硝化法所需设备庞大，用铅很多，检修麻烦，腐蚀设备，反响缓慢，本设计采用的是接触法，该方法制得的成品酸浓度高，纯度较高。理论上催化氧化操作过程的段数越多，最终转化率越高，而且过程更接近于最正确温度曲线，催化剂的利用率越高。转换工艺流程是通过两次转换两次吸收完成的，即将二氧化硫经过多段转化后经过两个吸收塔，吸收其中三氧化硫后就排放。涉及四台换热器，主要以高温生成气来预热低温反响气，到达热量的有效利用，最大限度的降低能量损

4、失，做到工业生产的低碳化和环保化，以经济，节能，高效，可持续开展为目标来进展设计。最后完成工艺说明书，平安备忘录，即完本钱次毕业设计说明书。同时完成带控制点的工艺流程图，设备装置图的绘制即完成此次设计。关键词：物料衡算；热量衡算；换热器AbstractThis design is 80000 tons of H2SO4/into system design process, is mainly responsible for the sulfuric acid process of SO2 to SO3 conversion process, part of the calculation o

5、f three main points: the material balance, heat balance, heat transfer area calculation and equipment. The domestic production of sulfuric acid method is mainly by nitration method and contact method, considering nitration method required equipment is huge, with many lead, maintenance trouble, equip

6、ment corrosion, slow response, this design uses the contact method, the method of product acid concentration is high and the purity is higher. The more the number of the catalytic o*idation process, the higher the final conversion rate, and the process is closer to the optimal temperature curve, the

7、 higher the catalyst utilization rate is. Conversion process is through the two transformations of two plete absorption of about SO2 after transformation after two absorption tower to absorb SO3 after discharge, involving 4 heat e*changers, mainly in the high temperature gas is generated in response

8、 to low temperature gas preheating, use to heat effectively, to ma*imize the reduction of energy losses, to achieve industrial production of low carbon and environmental protection, energy saving, high efficiency, economy, sustainable development objective to design. Finally pleted the process speci

9、fication, safety memorandum, pleted the graduation design specification. At the same time, plete the process flow chart with control point, the drawing of equipment and equipment，then it is pleted the design.Key Words: Mass balance; Heat balance; Heat e*changer目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc8706第1

10、章 绪 论 - 1 -第1章 绪 论硫酸是重要的根底化工原料之一，是化学工业中最重要的产品，主要用于制造无机化学肥料，其次作为根底化工原料用于有色金属的冶炼、石油精炼和石油化工、纺织印染、无机盐工业、*些无机酸和有机酸、橡胶工业、油漆工业以及国防军工、农药医药、制革、炼焦等工业部门，此外还用于钢铁酸洗。1.1 硫酸的性质1.1.1 硫酸的物理性质硫酸是化学六大无机强酸：硫酸、硝酸、盐酸、氢酸、氢碘酸、高氯酸之一，它的分子式是H2SO4，相对分子质量是98.08。纯硫酸是一种无色无味油状液体。常用的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3，其物质的量浓度为18.4molL-1。硫酸是一种高沸点难挥

11、发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅。假设将浓硫酸中继续通入SO3，则会产生发烟现象，这样含有过量SO3的硫酸称为发烟硫酸1。发烟硫酸是一种无色或微有颜色稠厚液体，能发出窒息性的三氧化硫烟雾，含三氧化硫50%以上的发烟硫酸遇冷呈结晶状，有吸水性。当它与水相混合时，三氧化硫即与水结合成硫酸，它的相对密度约为1.9(含20%的三氧化硫)，凝固点-11(含20%的三氧化硫)，遇水、有机物和氧化剂时，发烟硫酸容易引起爆炸，并且具有强烈腐蚀性。100%的硫酸熔点为10，沸点为290。但是100%的硫酸并不是最稳定的，沸腾时会

12、分解一局部，变为98.3%的浓硫酸，成为338硫酸水溶液的恒沸物。加热浓缩硫酸最高也只能到达98.3%的浓度2。1.1.2 硫酸的化学性质(1) 浓硫酸的化学性质 吸水性浓硫酸的吸水作用，指的是浓硫酸分子跟水分子强烈结合，生成一系列稳定的水合物，并放出大量的热：H2SO4 + nH2O = H2SO4nH2O，因此浓硫酸吸水的过程是化学变化过程。吸水性是浓硫酸特有的化学性质。浓硫酸不仅能吸收一般的游离态水(如空气中的水)，而且还能吸收*些结晶水合物(如CuSO4 5H2O、Na2CO310H2O)中的水。鉴于硫酸的这个特性，H2SO4可用于枯燥很多的气体，作为枯燥剂使用。 脱水性脱水性是指浓硫

13、酸脱去非游离态水分子或脱去有机物中氢氧元素的过程。就硫酸而言，脱水性是浓硫酸的性质，而非稀硫酸的性质，浓硫酸的脱水性很强。物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程，反响时，浓硫酸按水分子中氢氧原子数的比(2:1)夺取被脱水物中的氢原子和氧原子或脱去非游离态的结晶水，如五水合硫酸铜(CuSO45H2O)。 炭化：可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物，被脱水后生成了黑色的炭。C12H22O1112C + 11H2O 强氧化性与金属反响，常温下浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。加热时，浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反响，生成高价金属硫酸盐，本身一般被

14、复原成SO2。 Cu + 2H2SO4(浓) CuSO4 + SO2+ 2H2O2Fe + 6H2SO4(浓)Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O在上述反响中，硫酸表现出了强氧化性和酸性。与非金属反响，热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸，本身被复原为SO2。在这类反响中，浓硫酸只表现出氧化性。 C + 2 H2SO4(浓) CO2 + 2SO2 + 2H2OS + 2 H2SO4(浓)3SO2 + 2H2O2P + 5H2SO4(浓)2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O由于浓硫酸具有强氧化性，实验室制取H2S、HBr、HI等复原性气体不能选用浓硫酸

15、。 H2S + H2SO4(浓)S + SO2 + 2H2O2HBr + H2SO4(浓)Br2 + SO2 + 2H2O2HI + H2SO4(浓)I2 + SO2 + 2H2O难挥发性(高沸点)制氯化氢、硝酸(原理：由高沸点酸制取低沸点酸)如，用固体氯化钠与浓硫酸反响制取氯化氢气体： NaCl(s)+H2SO4 (浓)NaHSO4+HCl2NaCl(s)+ H2SO4(浓)Na2SO4+2HCl此外，利用浓盐酸与浓硫酸也可以制得氯化氢气体。利用浓硫酸的酸性还可以制化肥，如氮肥、磷肥： 2NH3+ H2SO4(NH4)2SO4Ca3(PO4)2+2H2SO42CaSO4+Ca(H2PO4)2

16、浓硫酸与亚硫酸盐反响表达了浓硫酸的稳定性： Na2SO3+H2SO4Na2SO4+H2O+SO2强酸性纯硫酸具有很强的酸性，98%的硫酸与纯硫酸的酸性根本上没有差异，而溶解过量三氧化硫的发烟硫酸则是一种超酸体系，酸性强于纯硫酸。 但是广泛存在一种误区稀硫酸的酸性强于浓硫酸，这种想法是错误的。稀硫酸第一步电离完全，产生大量的水合氢离子H3O+，但是浓硫酸和水一样，自身自偶电离会产生一局部硫酸合氢离子H3SO4+，正是这一局部硫酸合质子，就导致浓硫酸具有非常强的酸性，虽然少，但是酸性却要比水合质子强得多，所以浓硫酸的哈米特酸度函数高达-12.0(该值越小，酸性越强)。2H2SO4 = H3SO4+

17、 + HSO4-Kap(25C)= H3SO4+ HSO4- = 2.710-4在硫酸溶剂体系中，H3SO4+经常起酸的作用，能质子化很多物质产生离子型化合物：NaCl+ H2SO4NaHSO4+HCl(不加热也能很快反响)KNO3+ H2SO4K+ H3SO4+HNO3HNO3+ H2SO4NO2+H3O+2HSO4-CH3COOH+ H2SO4CH3C(OH)2+HSO4-HSO3F+ H2SO4H3SO4+SO3F- (氟磺酸的酸性比硫酸更强)上述生成HNO3的反响所产生的NO2+，有助于芳香烃的硝化反响3。(2)稀硫酸的化学性质 可与多数金属(比铜活泼)和绝大多数金属氧化物反响，生成相

18、应的硫酸盐和水； 可与所含酸根离子对应酸酸性比硫酸根离子弱的盐反响，生成相应的硫酸盐和弱酸； 可与碱反响生成相应的硫酸盐和水； 可与氢前金属在一定条件下反响，生成相应的硫酸盐和氢气； 加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解； 强电解质，在水中发生电离H2SO4=2H+ + SO4 2-。1.2 硫酸的用途硫酸是根本化学工业中重要产品之一。它不仅作为许多化工产品的原料，而且还广泛地应用于其他国民经济部门，它的应用围日益扩大，需要数量日益增加。1.2.1 为农业生产效劳在农业生产中，越来越多地采用硫酸来改进高pH值的石灰质土壤。过去20年来，尿素-硫酸肥料的产量大幅度提高并在美国西部诸州的土壤中

19、广泛施用。将硫酸注入牛奶场湖泊，改变湖水pH值，可解决圈养牲畜过程产生的假设干空气和水质问题。将硫酸施入农用土壤和水中，其主要作用是溶解钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐。这些钙、镁盐然后取代可交换的钠盐，钠盐随后用水浸洗除去。当碳酸盐和碳酸氢盐被分解后，硫酸与更惰性的物质反响，释放出磷、铁等植物养分。简单地降低土壤的pH值可引起许多元素溶解度的变化，提高它们对植物的效力。在高pH值的石灰质土壤上施用硫酸，可使植物更加强健，收成增加4。用于肥料的生产硫酸铵(俗称硫铵或肥田粉)和过磷酸钙(俗称过磷酸石灰或普钙)这两种化肥的生产都要消耗大量的硫酸。以下是它们反响的方程式：2NH3+ H2SO4=(NH4)2

20、 SO4用于农业生产得许多农药都要以硫酸为原料，如硫酸铜、硫酸锌可作植物的杀菌剂，硫酸铊可作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂。最普通的杀虫剂，如1059乳剂(45%)和1605乳剂(45%)的生产都需用硫酸5。1.2.2 为工业生产效劳在工业生产上，硫酸主要用于冶金工业和金属加工工业，特别是有色金属的生产过程需要使用硫酸。例如用电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液就需要使用硫酸。*些贵金属的精炼，也需要硫酸来溶解夹杂的其他金属。在钢铁工业中进展冷轧、冷拔及冲压加工之前，都必须用硫酸去除钢铁外表的氧化铁。在轧制薄板、冷拔无缝钢管和其他质量要求较高的钢材，都必须每轧一次用硫酸洗涤一次。另外，有缝钢

21、管、薄铁皮、铁丝等在进展镀锌之前，都要经过用硫酸进展的酸洗程序。在*些金属机械加工过程中，例如镀镍、镀铬等金属制件，也需用硫酸来洗净外表的锈。在黑色冶金企业部门里，需要酸洗的钢材一般约占钢总产量的5%6%，而每吨钢材的酸洗，约消费98%的硫酸30kg50kg。在石油工业汽油、润滑油等石油产品的生产过程中，都需要浓硫酸精炼，以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。石油工业所使用的活性白土的制备，也需要消耗不少硫酸。 在其他许多部门的化工生产中都需要使用硫酸。例如，在浓缩硝酸中，以浓硫酸为脱水剂；氯碱工业中，以浓硫酸来枯燥氯气、氯化氢气等；无机盐工业中，如冰晶石(Na3AlF6)、硼砂(Na2B

22、4O710H2O)、磷酸三钠、磷酸氢二钠、硫酸铅、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其他硫酸盐的制备都要用硫酸。许多无机酸如磷酸、硼酸、铬酸(H2CrO4，有时也指CrO3)、氢氟酸、氯磺酸(ClSO3H)；有机酸如草酸(COOH)2、醋酸等的制备，也常需要硫酸作原料。此外，炼焦化学工业(用硫酸和焦炉气中的氨反响副产硫酸铵)、电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、油漆工业(有机溶剂的制备)、工业炸药和铅蓄电池制造业等，都要消耗相当数量的硫酸。1.2.3 在人们日常生活中的作用在化学纤维的生产中，人民所熟悉的粘胶丝，它需要使用硫酸、硫酸锌、硫酸钠的混合液作为粘胶抽丝的凝固浴。此外，在尼龙、醋酸

23、纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤维生产中，也使用相当数量的硫酸。用于化学纤维以外的高分子化合物生产塑料等高分子化合物，在国民经济中越来越占有重要的地位。有机硅树胶、硅油、丁苯橡胶及丁腈橡胶等的生产，也都要使用硫酸。在染料工业中，几乎没有一种染料(或其中间体)的制备不需使用硫酸。偶氮染料中间体的制备需要进展磺化反响，苯胺染料中间体的制备需要进展硝化反响，两者都需使用大量浓硫酸或发烟硫酸。因此，有些染料厂就设有硫酸车间，以配合生产需要。日用品生产合成洗涤剂需要使用发烟硫酸和浓硫酸。塑料的增塑剂(如苯二甲酸酐和苯二甲酸酯)、赛璐珞制品所需的原料硝化棉，都需要用硫酸来制备。玻璃纸、羊皮纸的制造，也需要使用硫

24、酸。此外，纺织印染工业、搪瓷工业、小五金工业、肥皂工业、人造香料工业等生产部门，也都需要使用硫酸。用于制药工业磺胺药物的制备过程中的磺化反响，强力杀菌剂呋喃西林的制备过程中的硝化反响，都需用硫酸。此外，许多抗生素的制备，常用药物如阿斯匹林、咖啡因、维生素B2、B12及维生素C、*些激素、异烟肼、红汞、糖精等的制备，都需要使用大量硫酸。1.2.4 对稳固国防方面所起的作用*些国家硫酸工业的开展，曾经是和军用炸药的生产严密连结在一起的。无论军用炸药(发射药、爆炸药)或工业炸药，大都是以硝基化合物或硝酸酯为其主要成分。主要的有硝化棉、三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油、苦味酸等。虽然这些化合物的制备是依

25、靠硝酸，但同时必须使用浓硫酸或发烟硫酸。1.2.5 与原子能工业及火箭技术的关系原子反响堆用的核燃料的生产，反响堆用的钛、铝等合金材料的制备，以及用于制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星的材料的钛合金，都和硫酸有直接或间接的关系。从硼砂制备硼烷的过程需要使用硫酸。硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料。硼烷又用做制备硼氢化铀用来别离铀的一种原料。 由此可见，硫酸与尖端科学技术有着密切的关系。1.3 硫酸的危险性概述安康危害：对皮肤、粘膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用。硫酸蒸汽可引起结膜炎、结膜水肿、角膜混浊，以致失明；引起呼吸道刺激，重者发生呼吸困难和肺水肿；高浓度引起喉痉挛或声门水肿而窒息死亡。口服

26、后引起消化道烧伤以致溃疡形成；严重者可能有胃穿孔、腹膜炎、肾损害、休克等。皮肤灼伤轻者出现红斑、重者形成溃疡，愈后癍痕收缩影响功能。溅入眼可造成灼伤，甚至角膜穿孔、全眼炎以至失明。硫酸的慢性危害会导致牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、肺气肿和肺硬化。 环境危害：对环境有危害，对水体和土壤可造成污染。 燃爆危险：硫酸助燃，具强腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。1.4 硫酸的储存方法在工业上，硫酸应储存于阴凉、通风的库房。库房温度不超过35，相对湿度不超过85%，保持容器密封。应与易燃物或可燃物、复原剂、碱类、碱金属、食用化学品分开存放，切忌混储。此外，储区应备有泄漏应急处理设备和适宜的收容材料。1.5 硫

27、酸的运输硫酸运输中的考前须知有以下几点：危险货物编号：81007 UN编号：1830 包装类别：O51 包装方法：耐酸坛或瓷瓶外普通木箱或半花格木箱；磨砂口玻璃瓶或螺纹口玻璃瓶外普通木箱。 运输考前须知：硫酸在铁路运输时限使用钢制企业自备罐车装运，装运前需报有关部门批准。铁路非罐装运输时应严格按照铁道部危险货物运输规则中的危险货物配装表进展配装。起运时包装要完整，装载应稳妥。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏。严禁与易燃物或可燃物、复原剂、碱类、碱金属、食用化学品等混装混运。运输时运输车辆应配备泄漏应急处理设备。运输途中应防曝晒、雨淋，防高温。公路运输时要按规定路线行驶，勿在居

28、民区和人口稠密区停留。1.6 硫酸的生产方法1.6.1 硫酸的一般制法(1) 实验室硫酸制法可以用FeSO47H2O加强热，用冰水混合物U型管冷凝即可，用NaOH吸收SO2，理论可得29.5%的H2SO4。 (2) 酸雨与硫酸酸雨能产生硫酸，酸雨中的二氧化硫与大气中的氧气反响，生成亚硫酸(H2SO3)，亚硫酸又与水反响，生成硫酸(H2SO4)，落到地面。 (3) 硫酸与碳酸氢铵反响硫酸与碳酸氢铵反响生成硫酸铵、二氧化碳和水，可以在冬天为蔬菜大棚补充二氧化碳。 (4) 其他硫酸制备工艺：氨酸法增浓低浓度二氧化硫气体生产硫酸方法；采用就地再生的硫酸作为催化剂的一体化工艺；草酸生产中含硫酸废液的回收

29、利用；从芳族化合物混酸硝化得到废硫酸的纯化与浓缩工艺；从氧化钛生产过程中排出的废硫酸溶液的再生方法；从稀硫酸中别离有机磷化合物和其它杂质的方法；从制备2-羟基-4-甲硫基丁酸(MHA)工艺的含硫副产物中回收硫酸的方法；催化氧化回收含有机物废硫酸的方法；电瓶用硫酸生产装置；二氧化硫源向硫酸的液相转化方法；沸腾炉焙烧硫磺制备硫酸的方法；沸腾炉掺烧硫磺生产装置中稀酸的回收利用；高浓度二氧化硫气体三转三吸硫酸生产方法；高温浓硫酸液下泵耐磨轴套；高效阳极保护管壳式浓硫酸冷却器；节能精炼硫酸炉装置；精苯再生酸燃烧制取硫酸的方法；利用废硫酸再生液的方法和装置；利用含硫化氢的酸性气体与硫磺联合制取高浓度硫酸；

30、利用含硫化氢的酸性气体制取高浓度硫酸。1.6.2 硫酸的工业制法在工业生产中，都采用二氧化硫催化氧化制硫酸6。最古老的方法是用绿矾(FeSO47H2O)为原料，放在蒸馏釜中锻烧而制得硫酸。在煅烧过程中，绿矾发生分解，放出二氧化硫和三氧化硫，其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝，便可得到硫酸。2(FeSO47H2O)Fe2O3+SO2+SO3+14H2O在18世纪40年代以前，这种方法为不少地方所采用。古代称硫酸为绿矾油，就是由于采用了这种制造方法的缘故。二氧化硫氧化成三氧化硫是制硫酸的关键，但是，这一反响在通常情况下很难进展。后来才发现，借助于催化剂的作用，可以使二氧化硫氧化成三氧化硫，然后用水吸收，

31、即制成硫酸。根据使用催化剂的不同，硫酸的工业制法可分为硝化法和接触法。(1) 硝化法制造硫酸硝化法(包括铅室法和塔式法)是借助于氮的氧化物使二氧化硫氧化成硫酸。其中铅室法在1746年开场采用，反响是在气相中进展的。由于这个方法所需设备庞大，用铅很多，检修麻烦，腐蚀设备，反响缓慢，成品且为稀硫酸，所以，这个方法后来逐渐地被淘汰。在铅室法的根底上开展起来的塔式法，开场于本世纪初期。1907年在奥地利建成了世界上第一个塔式法制硫酸的工厂，其制造过程同样是使氮的氧化物起氧的传递作用，从而氧化二氧化硫，再用水吸收三氧化硫而制成硫酸，不同的是该过程在液相中进展，生产本钱及产品质量都大大优于铅室法。塔式法制

32、出的硫酸浓度可达76%左右，目前，我国仍有少数工厂用塔式法生产硫酸。目前我国硫酸生产采用接触法占绝大局部，塔式法已很少，但是硝化法还具有它一定的优点。虽然它产酸的浓度为76左右，该浓度的酸适合制造过磷酸钙，另外此种生产方法设备简单，建厂快，硫的利用率比拟高，可以用杂质比拟高的原料，其缺点是必须消耗硝酸。(2) 接触法制造硫酸接触法是目前广泛采用的方法，它创始于1831年，在本世纪初才广泛用于工业生产。到20年代后，由于钒触媒的制造技术和催化效能不断提高，已逐步取代价格昂贵和易中毒的铂触媒。世界上多数的硫酸厂都采用接触法生产。接触法制硫酸的生产过程中，二氧化硫在固体触媒外表与氧反响，结合成三氧化

33、硫，然后用98.3的硫酸吸收为成品酸。这种方法优于塔式法的是成品酸浓度高，质量纯(不含氮化物)，但炉气的净化和精制比拟复杂。目前可作为制造硫酸原料的含硫资源除硫磺外，主要有：硫铁矿、硫精砂(尾砂)、有色金属冶炼气、焦炉气、天然气。石油气中的硫化氢也可作为制取二氧化硫气体的原料。将二氧化硫与氧化合成为三氧化硫的反响式是：2SO2O2 = 2SO3Q，这个反响在常温下没有触媒存在时，实际上是不能进展的。为了使这一反响加快，必须提高温度并且采用触媒催化(也叫触媒氧化)。这便是接触法制造硫酸名称的由来。1.7 二氧化硫催化氧化的反响机理二氧化硫的氧化反响属气-固相催化氧化反响，当无催化剂时，反响活化能

34、是209 kJ/mol，反响不易进展；在钒催化剂上反响时，反响活化能降至9296 kJ/mol。催化氧化机理由四个步骤构成9。一是钒催化剂上存在着活性中心，氧分子吸附在它上面后，使二氧化硫部键遭到破坏甚至断裂，使氧分子变为活泼的氧原子，它比氧分子更易与SO2反响。二是SO2吸附在钒催化剂的活性中心，SO2中的S原子受活性中心的影响被极化。因此很容易与原子氧结合在一起，在催化剂外表形成络合状态的中间物种。三是这一络合状态的中间物种，性质相当不稳定，经过部的电子重排，生成了性质相对稳定的吸附态物种。催化剂SO2O催化剂SO3络合状态中间物种吸附态物种四是吸附态物种在催化剂外表解吸而进入气相。经研究

35、，在上述四个步骤中，第一步骤进展得最慢(即氧分子均裂变成氧原子)，整个反响的速度受这个步骤控制，故将它称为SO2氧化为SO3的控制阶段(或称为控制步骤)。以上我们讨论了在催化剂上发生的反响(称为外表反响)，实际上影响SO2氧化成SO3的反响速度还有另一些因素。例如气流中的氧分子和SO2分子扩散到催化剂外外表的速度，催化剂外外表上的氧分子和SO2分子进入催化剂外表(催化剂微孔中)的速度，SO3从催化剂外表扩散到外外表，以及SO3从催化剂外外表扩散到气流的速度，包括外表反响在，其中最慢者将成为整个化学反响的控制步骤，在工业生产中，应尽量排除或减弱扩散阻力，让外表反响成为控制步骤，此时采用高效催化剂

36、就会对生产产生巨大的推动作用。1.8 我国硫酸工业技术概况我国硫酸工业的高速开展，不仅表现在产量的增加和品种数的增多，同时还表现与生产技术的改革提高上。焙烧技术：1956年开发硫铁矿的沸腾焙烧以来，目前凡用硫铁矿制酸装置，已全部使用沸腾焙烧炉10。既可烧富矿，又可烧贫矿。既可进展氧化焙烧，又可进展磁性焙烧、硫酸化焙烧，对燃烧废渣进展综合利用。工艺流程：20世纪60年代初期，德国BASF公司创造了两转两吸技术。我国于1966年在硫酸厂首次成功的应用了3+1式两次转化技术，使最终转化率从97%提升到99.5%。1991年我国又成功设计了3+2式两次转化技术，转化率到达99.8%。20世纪80年代初

37、期，联科学院西伯利亚分院研究成功了SO2非稳态氧化法，已经获得广泛应用。热能回收：根本上做到由大型硫酸厂高温位能利用发电，过渡到中、低温热能同时利用。其它如沸腾转化、大型化工厂的设计、投产、新型催化剂、塔器、防腐材料的研制使用，都给我国硫酸工业带来新气象。第2章 工艺说明2.1 概述2.1.1 产品规模和规格 年操作日 300天/年 24小时/天 生产方式 连续生产 生产能力 二氧化硫 转化率98% 产品规格 二氧化硫 转化率98%2.2 装置设计说明2.2.1 工艺原理二氧化硫转化通常是在不高于0.5MPa压力下进展，而且SO2、SO3浓度又较低，体系可视为理想气体。二氧化硫氧化反响是一个可

38、逆放热反响：2-1 2-22.2.2 工艺流程说明现运用接触法两转两吸酸洗封闭流程生产硫酸，其生产工艺大致有六大工序，即：原料预处理、SO2炉气制取、SO2气体净化、二氧化硫转化、三氧化硫吸收、三废处理。这里主要介绍一下转化系统。转化系统为两转两吸四段反响装置，因为二氧化硫转化的过程是一个放热过程，它的转化率随着温度的升高而降低，因此采用多段反响器，通过一段反响器后物料的温度升高，经冷却后通入下一段反响器继续反响，使整个反响的操作曲线在最适温度曲线附近，既保证了反响的速度，又可以到达较高的转化率。此流程使用原料气作为冷却剂，可以省去外加的冷却剂，又可以利用反响产生的热量来预热原料气，节约能源，

39、一举两得。转化系统包括一个四段反响器和四个换热器。前面制取的气体经过一系列净化的过程，依次通过第一、第二、第三、第四换热器预热后进入反响器，第一、第二、第三、第四段反响床层出来的气体分别经过第二、第三、第四、第一换热器进展冷却，再通入吸收塔。在外部换热式转化流程中，反响过程与换热过程是分开的。气体在床层中进展绝热反响，温度升高到一定程度后，离开催化床进展降温，然后再进入下一段床层进展绝热反响。酶进展这样一次绝热反响称为一段。为了到达较高的最终转化率，必须采取多段催化转化。一次转化、一次吸收流程：所谓一次转化、一次吸收是指SO2经过多段转化后只经过一个或串联两个吸收塔，吸收其中SO3后就排放。这

40、种流程比拟简单，但转化率相对较低，一般不超过97%。在60年代以前，我国硫酸厂大多数采用这种流程。两次转化、两次吸收流程：60年代以来，转化工艺流程最大的变化就是采用了两次转化、两次吸收新流程，简称为两转两吸。这项新技术开场时，着眼于充分利用硫的资源和减少SO2排放量，保护环境。这种方法的特点是：1.最终转化率高；2.能够处理较高浓度的SO2气体；3.减少尾气中SO2排放量；4.所需换热面积较大；5.系统阻力比一转一吸增加4-5kPa。2.2.3 主要设备选型说明考虑到转化器设计应让二氧化硫尽可能在最优化温度条件下反响，最大限度的利用二氧化硫反响放出的热量，设备阻力既要小，又能使气体分布均匀。

41、故考虑使用外部换热型转化器。换热器考虑到气体有一定腐蚀性，应选用列管式换热器。风机选用罗茨风机。2.2.4 化工原材料规格及用量 进入转化器气体组成：SO2占8%，O2占10%，N2占82%2.2.4.2 本设计采用的催化剂型号是S109-1，起燃温度为360，使用温度为400-5802。第3章 转化工序物料衡算3.1 转化工序SO2转化计算依据：转化反响温升值的计算二氧化硫氧化成SO3是放热的，在时反响热为96162，它的数值是随着温度而变化的，在温度400700之间时，反响热量可用下式计算： (3-1)式中：T绝对温度(K)。放出的反响热，使转化气体温度升高，反响热的大小与气体中的SO2含

42、量有关。由于反响放热，气体经每层触媒后温度升高，一般用下式计算：(3-2)式中：t气体出触媒层温度/()；气体进触媒层的温度/()； *气体出触媒层时的转化率/(%)；气体进触媒层的转化率/(%)；绝热温升系数由开场时气体组成而决定的系数，相当于转化率从0增加到100%时的气体温度升高的度数。其值为：(3-3)式中：SO2的初始浓度/(%)；CP气体混合物在500与=0.5时的平均热熔/(kJ/(molK)。气体的摩尔热容量可按下式求出：(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)在绝热情况下转化率从0变到1时气体温度增加至最高时的值，如表所示3。表3-1 二氧化硫浓度与值的关系SO2浓度/(%)

43、SO2浓度/(%)SO2浓度/(%)259617310278388720011303411782261232851459256135063.2 转化反引发平衡转化率、转化率的计算3.2.1 温度与平衡转化率的关系在400700时， 3-8式中：KP平衡常数 温度/(K)平衡转化率 3-9式中：=8%进转化器的炉气中的SO2的浓度(%) b=10%进转化器的炉气中的O2的浓度(%) P=0.11MPa系统总压力KPa，取反响温度T由公式计算Kp，*T依此计算得平衡转化率与温度的关系列表：表3-2 平衡转化率与温度的关系()400420440460480500520540560580*T()99.

44、3298.8898.2197.2295.8193.8891.3188.0384.0079.243.2.2 最适宜温度与转化率的关系 3-10取不同值，计算。计算得最适宜温度与转化率的关系列表4：表3-3 最适宜温度与转化率的关系*T()99.3298.8898.2197.2295.8193.8891.3188.0384.0079.24()363.54382.28401.01419.73438.44457.12475.79494.44513.07531.673.2.3 确定操作线进气组成：SO2占8%，O2占10%，N2占82%所选取钒催化剂的起燃温度为360确定转化器一段进口温度360气体经每

45、层触媒后温度升高，计算式是1：3-11表3-4 二氧化硫的浓度与值的关系SO2浓度(%)SO2浓度(%)SO2浓度(%)25961731027838872001130341178226123285145925613506由上表查得，浓度为8%的SO2对应的值为226。操作线温度确实定：催化剂的起燃温度为360，使用的温度为400-580，考虑到应使操作线尽量与最适温度曲线靠近，且出口温度在催化剂的使用温度围，取原料气的进口温度为360。四段操作线的斜率根据原理气里SO2的浓度差表得1/226。考虑到原料气的预热过程是依次经过第一、第二、第三、第四换热器。对应于第四、第一、第二、第三段反响器的冷

46、却，所以如果考虑每个换热器的换热面积相当，则出口气体冷却降温的温差应为第一段大于第二段，第二段大于第三段。按照这个原则，分别取第一段的降温的温差为65，第二段的降温的温差为50，第三段的降温的温差为40。并且每一段转化器的出口温度和转化率对应的点都在平衡曲线和最正确温度曲线之间，由此估算得到四段反响器的操作曲线5。3.2.4 各段进口温度及转化率以下是一次转化分段转化率和温度的数据表表3-5 一次转化分段转化率和温度段数一二三四转化率()81.8690.7195.1397.79进口温度()360480450420由图2以及表4的数据可得：转化器第一段操作线方程：第二段操作线方程：第三段操作线方

47、程；第四段操作线方程；图3-1 四段反响过程的*-T关系图3.4 物料恒算3.4.1 进一段气体量及成分本设计为年产8万吨硫酸厂转化工段设计(以每小时计算)，由气体量= =115.94kmol可得实际进气总量为：115.940.08=1449.2kmol为方便计算，本设计假设进气总量为1000kmol，故在最后的计算结果上需乘于系数 =1.44923.4.2 进转化器一段气体量及成分以1000kmol的进气总量为标准进展计算，SO2占8%，O2占10%，N2占82%则氧气含量为：二氧化硫含量为：氮气含量为：3.4.3 出一段气体量及成分二氧化硫含量为：三氧化硫含量为：氧气含量为：氮气含量为：3

48、.4.4 出二段气体量及成分二氧化硫含量为：三氧化硫含量为：氧气含量为：氮气含量为：3.4.5 出三段气体量及成分二氧化硫含量为：三氧化硫含量为：氧气含量为：氮气含量为：3.4.6 出四段气体量及成分考虑计算简便和实际影响不大，转化气体经第一吸收塔，只将全部吸收掉，SO2、含量不改变(实际有少量变化的)，故二氧化硫含量为：三氧化硫含量为：氧气含量为：氮气含量为：由以上计算汇总转化器物料衡算结果于表表3-6 转化器物料衡算结果进一段()()()()SO2115.97420.62597.28O2144.9 4637.873246.510N21188.533276.726621.4821449.34

49、5335.1732465.1100出一段(进二段)SO221.0331346.1471.131.50SO394.9147593.132126.0676.77O297.4763119.232183.356.95N21188.533276.726621.484.781401.945335.231402.2100出二段(进三段)SO210.64681.1238.40.76SO3105.284142355.97.53O291.62931.72052.26.56N21188.533276.726621.485.14 1395.945303.631267.9100出三段(进四段)SO25.65361.37

50、126.50.41SO3110.388242470.77.91O289.772873.072011.136.44N21188.533276.726621.485.241394.1945335.1431229.73100出四段SO22.5616457.40.18SO3113.49070.72539.88.14O288.232823.71976.66.34N21188.533276726621.485.341392.3344825.431195.21003.5 转化器各段的热量衡算气体的摩尔热熔量可按下式求出3-123-133-143-153.5.1 转化一段反响热量和出口温度进转化器第一段气体带

51、入热量(以每小时气量计算)。进一段触媒层气体温度为360，所以可得各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容6：O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故进一段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：带入热量=出转化器第一段气体温度545。所以可得各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出一段气体每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：(3) 反响热摩尔反响热总反响热一段出口温度(4) 一段出口气体带出热量3.5.2

52、 转化二段反响热量和出口温度(1) 进转化器第二段气体带入热量(以每小时气量计算)进二段触媒层气体温度为480，所以可得气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容：O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故进二段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：带入热量=出转化器第二段气体温度500，所以可得各组分气体的平均摩尔热容5：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出二段气体每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量；N2所需热量：所需总热

53、量：(3) 反响热摩尔反响热总反响热二段出口温度(4) 二段出口气体带出热量3.5.3 转化三段反响热量和出口温度(1) 进转化器第三段气体带入热量(以每小时气量计算)进三段触媒层气体温度为450，所以可得各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容：O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故进三段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：带入热量=(2) 出转化器第三段气体温度460各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出三段气体

54、每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：(3) 反响热摩尔反响热总反响热三段出口温度(4) 三段出口气体带出热量3.5.4 转化四段反响热量和出口温度(1) 进转化器第四段气体带入热量(以每小时气量计算)进四段触媒层气体温度为420，所以平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故进四段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：带入热量=(2) 出转化器第四段气体温度426，所以平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均

55、摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出四段气体每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：(3) 反响热摩尔反响热总反响热四段出口温度(4) 四段出口气体带出热量表3-7 转化器热量衡算结果段数气体进口反响热量/()气体出口温度/()热量/()温度/()热量/()一段36016216011946397654525679987二段48022070067102231350023092380三段4502060856651097646021119542四段420191671973077284261947492578061841113

56、0499389366834第4章 换热器温度，传热面积的计算4.1 第一换热器由实验生产经历知，气体换热时的热损失量表现为温度下降3到6摄氏度，为了计算方便和实用，现设SO2气体下降4 QUOTE ，SO3气体也下降4.SO3气体出第一段触媒层的温度为545，所带热量Q=25679987 kJhSO3气体在换热器进口处温度为543，所带热量Q=25585749 kJh热损失Q=94238kJhSO3气体在换热器出口处温度为482，所带热量Q=22162026 kJhSO3气体在到达第二段触媒层的温度为480，所带热量Q=22070067 kJh热损失Q=91958kJh换热器交换热量Q=255

57、8574922162026=3423723 kJhSO2气体(一次气)在换热器出口：364，Q=16396189 kJhSO2气体在第一段触媒层：360，Q=16216011 kJh热损失 Q=180178kJh三处热损失和Q=1801789195894238366374 kJh预计SO2气体(二次)在换热器进口温度为300左右，则：SO2： QUOTE 115445060kJ/O2：144304320kJ/N2： QUOTE 11882934452kJ/： QUOTE 432034452506043832kJ/所以SO2气体在换热器进口处的温度为：t(163961893423723)4383

58、2296SO3： 543482SO2 ：364296t(179186)2183换热器的传热系数，在实际生产中一般为8.14至18.0W(m2K) QUOTE 之间(少数有在25.0左右)，新型换热器在上限，旧型换热器在下限，现取K=10.47计算，则换热面积：FQ/(Kt)(34237231000)(10.473600183)543m热气体进口温度：543出口温度：482，冷气体进口温度：364出口温度：296。热流量：6kg/s，换热器由25mm2.5mm的管组成，气体的平均比热：0.725KJ/kg。4.2 第二换热器降温(即热损失引起的温度降低)：SO2气体4，SO3气体4SO3气体在二

59、段触媒层出口：500，Q=23092380 kJhSO3气体在换热器进口：498，Q=23000010 kJh热损失Q=92369 kJhSO3气体在换热器出口：452，Q=20700159 kJhSO3气体到达第三段触媒层：450，Q=20608566kJh热损失Q=91593 kJh交换热量 Q23000010207002002299810kJhSO2气体在换热器出口：424，Q=19349742kJhSO2气体在到达第四段触媒层：420，Q=19167197 kJh 热损失Q=182545 kJh三处热损失 Q9236991593182545366507kJh预计SO2气体在换热器进口温

60、度为350左右，则：SO2：5.6545.09254.8kJ/O2：89.77312790kJ/N2：1188.53035655kJ/：35655254.8279038700kJ/所以SO2气体在换热器进口处的温度为：t(193497422299810)38700355SO3：498452SO2 ：424355t(7497)285取K =10.47W(m2K)，则：FQ/(Kt)(22998101000)(10.47853600)718m热气体进口温度：498出口温度：452，冷气体进口温度：355出口温度：424，热流量：9kg/s，换热器由25mm2.5mm的管组成。4.3 第三换热器降温