年产10万吨硫酸生产车间工艺设计Word文档下载推荐.doc
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冶炼烟气主要是冶炼金属时金属矿中含有的硫转化为二氧化硫烟气，冶炼烟气制取硫酸其实是企业的副产品，是冶金工业发展的产物。
目前我国冶炼烟气制取硫酸已经得到高速发展，并且形成较大的生产能力，其硫酸产量也稳步增长。
磷石膏、石膏是我国硫酸工业中潜在的硫资源，目前已有小批量生产的能力，但是近期大规模发展目前条件尚不成熟。
“十一五”期间，随着煤制甲醇、煤制油、煤制天然气及煤制烯烃等大型煤化工项目的推进，在煤化工行业中也有越来越多的硫磺回收装置。
将这些硫资源合理应用势在必行。
第二章硫磺制取硫酸的工艺流程
现如今，工艺上通常采用快速熔硫、机械过滤液硫、雾化焚硫技术。
现今多采用“3+1”两转两吸阶段。
并且使用中压锅炉回收焚硫阶段产生的废热，运用省煤器来利用转化工序的废热。
两个装置都能产生中压过热蒸汽。
将经过空气净化阶段处理后的干燥、洁净的空气与处理后熔融态的硫在焚硫炉内燃烧。
产生高温二氧化硫气体，通过余热锅炉使得气体温度降低到650～680℃，之后进入转化器。
本次设计采用了转化工序经过两大步骤完成，第一次转化通过一、二、三段触媒，第二次通过第四段触媒。
一次转化的三个阶段全部采用外部换热，二次转换的一个阶段采用空气激冷的换热方式。
2.1硫磺制取硫酸的特点
以硫磺为原料生产硫酸，炉气不需要净化，当降温至适宜温度便可进入转化工序，转化后用酸吸收即可等到产品。
此方法没用废渣、废水的产生，流程简易，投资较少。
2.2硫磺制取硫酸工艺流程
以硫磺为原料生产硫酸的工艺流程主要有：
原料的预处理、焚硫与转化、干燥及产品的输出。
用硫磺味原料来生产硫酸工艺流程的简述如下：
2.2.1原料预处理工段
原料预处理工段通常包括硫磺的预处理和空气的预处理。
硫磺的预处理阶段主要是为了将固体的硫磺通过加热使之变为熔融态，之后将其进行过滤处理以便于滤去原料硫磺中的杂质，从而能够得到反应所需要的液态硫磺。
空气的预处理的主要目的是为了将空气中所含有的水蒸气进行除去，通常将外界的空气通过鼓风机通入浓硫酸干燥塔中，浓硫酸具有吸水性，能够很好的将空气中的少量水蒸气吸收从而能够得到干燥的空气。
2.2.2焚硫转化工段
焚硫转化工段是整个以硫磺为原料生产硫酸工艺中最为重要的组成部分。
焚硫转化工段包括两大部分内容，焚硫工序的主要目的是为了将原料预处理工段处理过的硫磺和空气一起送入焚硫炉中进行充分燃烧，燃烧后产生的二氧化硫气体经过降温后再送入转化塔中。
完成焚硫工序的主要设备是焚硫炉，通常为了是通入焚硫炉中的硫磺燃烧的更加充分，在焚硫炉中再增加二次空气入口，使得在焚硫炉中没有充分燃烧的微量硫磺与二次空气做进一步燃烧反应。
转化工序主要为了完成二氧化硫的催化氧化从而能够生成三氧化硫。
二氧化硫的催化氧化是在转化塔中完成的，转化塔中装填的五氧化二钒是加快反应进程的催化剂。
现如今通常将转化塔中的催化剂分段设置，本设计中采用四段催化剂层。
将在焚硫工序生成的高温二氧化硫气体经过降温至适宜温度后通入转化塔一段催化反应层，之后依次通入第二段和第三段反应层。
在经过前三段反应后产生的三氧化硫首先通入硫酸吸收塔。
在第四段转化后产生的三氧化硫也同样通入最终吸收塔。
因在本设计中采用两次转化和两次吸收，并且在转化塔中分为前三段和最后一段转换层分别完成催化氧化反应，通常将转化和吸收流程简称为“3+1”两转两吸流程。
2.2.3吸收工段
吸收工段主要是为了完成将转化工段产生的三氧化硫充分吸收生成产品硫酸。
三氧化硫和水结合后能够生成硫酸，然而在实际的工业化生产中通常是用浓硫酸来吸收三氧化硫来生成发烟硫酸。
完成吸收工段的主要设备是吸收塔，在吸收塔上部进行浓硫酸的喷淋，将三氧化硫在吸收塔的下部通入，与浓硫酸逆流接触充分吸收生成发烟硫酸。
产品输出时可以依据市场所需的硫酸的浓度对发烟硫酸稀释即可。
2.3废热回收工艺
为了使反应阶段产生的热量不被白白浪费掉，可以使液硫燃烧热、转化反应产生的热量集中处理产生中压过热蒸汽。
在焚硫炉的出口处设置余热锅炉产生中压饱和蒸汽，将高温过热器配备在转化塔的第一段，在转化三段，进入第一吸收塔之前设置省煤器，在转化四段后设置省煤器和低温过热器。
对于两次转化而言将中温过热器配备在第四段的出口。
在整个的硫磺制取硫酸的过程中，硫磺和空气反应产生二氧化硫、二氧化硫转化为为三氧化硫、三氧化硫被吸收形成硫酸，这三个主体反应都是放热反应。
在不考虑装置本身的散热的前提下，上述三个反应所释放的热量在理论上是可以完全回收利用的。
在焚硫转化工段产生的废热占总体热量的60%，吸收工段的占40%。
然而在我国，由于国产化的制酸装置废热回收的技术起步相对较晚，在上世纪70年代时制酸装置中废热回收存在装置只能回收高温废热，而且废热回收装置会经常发生事故等缺陷。
之后我国在引进国外先进的制酸技术和生产装置后，废热回收的状况得到明显的改善。
在焚硫转化工段中，废热锅炉、省煤器和过热器为主要的废热回收装置。
通常将废热锅炉设置在焚硫炉的后端，目前较多的采用火管锅炉。
在转化工段通常配备有省煤器和过热器。
由于吸收工段的废热品级较低，所以回收的技术相对较复杂。
上世纪80年代以后，我国自主研发了以下几种回收低温废热的技术和方法。
A.用热的脱盐水来升高进入除氧器的水温，这样能够降低蒸汽消耗。
B.生产的热水供给到居民生活区，让居民有效的利用。
C.生产热水供给到其他的生产装置中。
第三章物料衡算
3.1设计要求：
设计任务：
年产10万吨硫酸的制备；
年生产日：
按300天计算；
生产原料：
以硫磺为原料；
尾气排放形式：
生产过程中含硫尾气以二氧化硫的形式排放到大气中；
吸收规范：
依据《大气污染物的综合排放国家标准》（GB16297-1996）之规定，限定二氧化硫的最高排放标准为960mg/m3,吸收率不小于99.5%；
建厂地址：
湖南省长株潭地区。
3.2物料衡算
3.2.1物料衡算的缘由
（1）根据下达的任务书中所确定的方案、产品的的生产规模、年运行时间和具体的操作方法。
（2）在本次设计中所涉及的主要化学反应式、投料的比例、转化率、总收率、选择性、催化剂的状态以及催化剂是否能够回收利用。
（3）原料的进料方式、产品的输出分离方式、每一工段的转化率和回收率。
（4）特殊化学物质的物性参数，例如熔沸点、饱和蒸汽压等。
3.2.2衡算任务
这次设计的任务为年产10万吨硫酸的生产，生产方式为连续化生产，物料衡算的主要任务为：
（1）确定硫酸的实际生产质量，最终产品的规格和指标；
（2）确定空气和硫磺的消耗量，硫酸的最终收率；
（3）确定最终的“三废”排放量；
（4）各个工段的物料衡算，并以此数据来进行主题运行设备的设计与选型；
（5）制作总物料衡算表，数据可以用来完成后续的物料流程图的绘制。
3.3每个工段的物料衡算
3.3.1硫磺燃烧工段的物料衡算
本次设计的任务为年产10万吨硫酸的生产，产品硫酸的浓度为98.8%，因而硫酸的产量为：
以一小时为基准，因硫磺和硫酸中硫原子的个数比为1:
1，则由硫酸的质量为13722.22Kg，可以推算出理论上需要的硫磺的质量为4667.42Kg。
然而实际原料中，因硫磺中还含有杂质，取硫磺的含量为96%，则所需硫磺的质量为：
3.3.2转化工段的物料衡算
在第二章中我们已经详细的对硫磺制取硫酸工艺过程中各个参数和物性指标都得到了优化，现利用这些数据进行详细的计算。
（1）标准通气量
有上述计算可知硫酸的产量为13722.22Kg/h,在第二章经论证决定在转化工段进气组成中，二氧化硫的浓度定为9%，氧气的浓度定为8.6%，总转化率为99.5%，吸收率为0.99975。
进入转化器的气量以一小时为基准，则有标准通气量
进入第一段转化器的温度为420℃，负压为10Kpa,则实际通气量
炉气成分：
依据已有的生产经验，一般冷激气体是气体总量的16%左右。
可以计算出炉气的分配表，见表3-2
表3-2炉气的分配比
气体
进转化器一段炉气/Kmol
冷激炉气/Kmol
二氧化硫
140.76
22.52
氧气
134.06
21.45
氮气
1289.2
206.27
合计
1564.02
247.36
（2）物料衡算
这次设计使用两转两吸方案，转化以“3+1”模式分四段进行，第一次转化有三段，第二次转化只有一段。
通入转化器的时候，二氧化硫的浓度为9%，氧气的浓度为8.6%。
第一段转化率为60%，第二段为80%，第三段为90%，第四段也就是最终转化率达到99.5%。
❶第一次转化时：
❷第二次转化时：
❸第三次转化时：
❹第四次转化时：
在第二次吸收时，二次吸收的总吸收率可以达到99.975%。
出口气体组成如表3-3所示
表3-3出口气体组成成分表
三氧化硫
气量/kmol
0.7
20.41
64.03
百分比%
0.0509
0.1485
4.649
93.508
3.3.3吸收工段的物料衡算
1.第一吸收塔所需工艺水及硫酸的量
第一吸收塔
98.3%硫酸
去第四转化段
硫酸水溶液
工艺水
N2O2SO2SO3
图3-1第一吸收塔物料衡算简图
上图为吸收工段第一吸收塔的流程简图，由图可以计算出硫酸和工艺水的用量。
（1）硫酸的使用量的计算
三氧化硫的总物质的量是转化工段第一、第二、第三阶段的产生的三氧化硫的总和。
由反应式，则有：
则反应所产生硫酸的质量为31727.5Kg，所需水的质量为5827.5Kg。
吸收所需要的浓度为98.3%的硫酸的质量
则第一吸收塔出口处硫酸混合液的质量为
（2）工艺水的计算
设所需水的量为x,则由下式
解得所需工艺水的量为6376.4Kg。
2.第二吸收塔所需的硫酸级工艺水的计算
第二吸收塔
SO2O2N2SO3
放空
图3-2第二吸收塔衡算示意图
上图为吸收工段第二吸收塔的流程简图，由图可以计算出硫酸和工艺水的用量。
（2）硫酸的使用量的计算
三氧化硫的总物质的量是转化工段第一四阶段的产生的三氧化硫的总和。
则反应所产生硫酸的质量为1434.72Kg，所需水的质量为263.52Kg。
解得所需工艺水的量为287.75Kg。
3.3.4物料衡算表
上述各个工段的物料衡算见表3-4所示
表3-4各个工段的物料衡算汇总表
进料
出料
工段
物料名称
组成
质量或体积
硫磺燃烧工段
硫磺
96%
4667.42Kg
9%
140.76Kmol
21%
274.76Kmol
134.06Kmol
78%
1289.2Kmol
转化工段
0.051%
0.7Kmol
0.149%
20.41Kmol
4.65%
64.03Kmol
93.51%
吸收工段
6376.4Kg
硫酸混合液
368694.12Kg
287.75Kg
16672.96Kg
第四章热量衡算
4.1热量衡算的依据
热量衡算主要围绕热力学第一定律来进行，即能量守恒定律。
然而在本设计中具体计算中，还需要参照化工热力学中的热力学定律，以及查阅无机化学和化工工艺手册中的物性参数等综合来完成热量衡算。
4.2确定热力学参数
4.2.1热力学参数
本设计中所涉及物质的热力学参数见表3-1所示：
表3-1物质的热力学参数一览表
物质
温度/K
298
6.657
277.17
236.7
167.829
27.3
-296.8
-300.1
248.2
39.9
-395.7
-371.1
256.8
50.7
8.68
205.152
29.4
8.67
191.609
29.1
-285.83
-237.178
69.91
75.291
4.2.2等压热容
各个工段的热量衡算可以依据等压热容的定义式（式4-1）计算
（4-1）
表4-2参与反应物质的Cp一览表
A
B
C
D
6.713
-8.79E-07
4.17E-06
-2.54E-09
5.697
1.60E-02
-1.19E-05
3.17E-09
7.586
1.72E-02
-1.89E-05
5.27E-09
7.44
-3.24E-03
6.40E-06
-2.79E-09
4.3计算依据
4.3.1衡算数据
在本设计中，焚硫炉所需要的氧气的物质的量为140.02Kmol；
转化器所需要的氧气的物质的量为134.06Kmol，由于氧气的来源为空气净化车间，因此在输送氧气时后续工段所需要的氧气都是在净化之后全部先通入焚硫工段。
则氧气的通入量为274.08Kmol。
氮气的物质的量一直为1289.2Kmol。
进入转化器的三氧化硫的物质的量为140.76Kmol。
（注：
以上数据都是以一小时为基准）
4.3.2计算过程依据
在本设计中涉及到了换热设备，其遵循平衡方程式
（4-2）
式中：
Q1——进入设备的物质所带来的热量，Kj；
Q2——反应过程的热效应，Kj；
Q3——离开设备的物质所带走的热量，Kj；
Q4——加热或冷却设备时所消耗的热量，Kj；
Q5——装置向外界所散失的热量，Kj。
4.4每个工段的热量衡算
4.4.1焚硫工段
（1）Q1的计算（进入设备的物质所带来的热量）
（4-3）
通常用0℃作为反应的标准。
Cp的计算
Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp见表4-3所示：
表4-3物质的Cp一览表
温度
A（氧气）
B（氮气）
140℃
6.704
6.997
单位为
每种物质所带入的热量的计算
计算时忽略杂质的Q1。
（2）Q2的计算（反应过程的热效应）
焚硫工段的过程的热效应为在焚硫炉内的热效应。
通常以0℃为基准来进行反应过程的热量衡算。
在反应过程中难免会有副反应的发生，然而副反应的存在对整个过程的热量衡算来说几乎可以忽略不计。
每次都只计算主反应的热量，对于副反应则忽略。
。
查化学工程手册可以得到在25℃时各个物质的生成焓见表4-4所示
表4-4物质的生成焓一览表
A（硫磺）
B（氧气）
C（二氧化硫）
25℃
277.07
单位为Kj/mol。
由生成焓的计算式
（4-4）
焚硫工段所发生的反应为。
则在140℃时硫的生成焓为
在140℃时二氧化硫的生成热为
（3）Q3的计算（离开设备的物质所带走的热量）
在焚硫炉内硫磺与氧气充分燃烧生成二氧化硫，此时还有氮气和氧气的剩余，此反应为放热反应，但焚硫炉内的温度一直保持在140℃左右。
（4-5）
Cp的计算可以应用热容与温度的关联式来计算，经过计算所得到的物质的Cp见表4-5所示：
表4-5物质的Cp一览表
B（二氧化硫）
C（氮气）
10.507
各物质的Q3的计算
其中杂质的Q3忽略不计。
（4）的计算
（4-6）
由式4-6可以计算的值为3485846.1Kj。
4.4.2转化工段的计算
转化工段的反应式为
（1）Q1的计算（进入设备的物质所带来的热量）
（4-7）
表4-6物质的Cp一览表
430℃
6.714
7.356
（2）Q2的计算（反应过程的热效应）
转化工段的过程的热效应为在转化塔内的热效应。
每次都只计算主反应的热量，对于
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