10万吨年硫酸生产工艺设计硫磺制酸熔硫工序毕业设计.doc

荆楚理工学院毕业设计 本科毕业设计 10万吨/年硫酸生产工艺设计（硫磺制酸熔硫工序） 学 院 化工与药学院 专 业 化学工程与工艺 年级班别 2011 级 01班 学 号 2011402010107 学生姓名 指导教师 危想平 2015 年 5 月 17 日 荆楚理工学院毕业设计 I 目 录 前言 .1 1 文献综述 .1 1.1硫磺、硫化物及硫酸的性质 .2 1.1.1 化学性质 .2 1.1.2 物理性质 .3 1.2 硫酸的生产方法 .3 1.2.1 硝化法制造硫酸 .3 1.2.2 接触法制造硫酸 .4 1.3 硫酸生产工艺流程叙述 .5 1.3.1 SO2气体的制取 .5 1.3.2 炉气的净化 .6 1.3.3 SO2气体的转化 .6 1.3.4SO3气体的吸收 .6 1.3.5尾气的处理 .7 1.4 硫酸的用途 .7 1.4.1 硫酸的工业用途 .7 1.4.2 硫酸的农业用途 .8 2 物料平衡计算 .8 2.1 设计要求 .9 2.2 熔硫部分的物料衡算 .9 2.3熔硫工段的能量衡算 .9 3 主要设备 .10 3.1熔硫釜 .11 3.2焚硫炉 .11 3.3 转化器 .13 3.4 干吸塔 .14 3.5 空气鼓风机 .14 荆楚理工学院毕业设计 II 3.6 循环吸泵 .15 3.7 废热锅炉 .15 3.8 过热器和省煤器 .16 4 硫酸的安全生产 .16 4.1 硫酸工业中催化剂的重要作用 .17 4.2 硫酸生产中可能存在的危害 .17 4.3 我国硫酸工业技术概况 .18 4.4安全防护措施及防护用具 .18 4.5环境保护与治理建议 .18 设计小结 .19 参考文献 .20 致谢 .21 荆楚理工学院毕业设计 III 10万吨/年硫酸生产工艺设计（硫磺制酸熔硫工序） 摘要 硫酸作为工业之母，至今还发挥着重要作用。采用硫磺制硫酸有利于保护环境建清洁 文明工厂，且装置上投资为原来的 50%，具有很大的经济效益。硫酸生产工艺主要由五部 分组成，包括二氧化硫气体的制取，炉气的净化，二氧化硫气体的转化，三氧化硫气体的 吸收以及尾气的处理。本设计主要涉及固体硫磺熔融装置熔硫装置的工艺方案选择、主要 设备选型、液硫的中和处理及熔硫尾气的洗涤、对主要工序进行了物料衡算，热量衡算等。 关键词：熔硫 、物料衡算 、热量衡算、工艺方案 、设备选型 荆楚理工学院毕业设计 IV The design of the production process of 100000 tons of sulfuric acid (sulfuric acid sulfur melting process) Abstract sulfuric acid as the mother of industry, has played an important role. The sulfur burning sulfuric acid is beneficial to Protect environment to build a clean and civilized factory,and the equipment investment was 50%, which has great economic benefits. The sulfuric acid production process mainly consists of five parts, including the preparation of sulfur dioxide gas, furnace gas purification, transformation of sulfur dioxide, three sulfur dioxide gas absorption and exhaust gas treatment. Selection of process plans, this design mainly involves solid sulfur melting unit sulfur melting device selection of main equipment, liquid sulfur and sulfur melting treatment and exhaust washing, the material balance of the main process, heat balance etc. Keywords: sulfur melting, material balance, heat balance, process scheme, equipment selection 荆楚理工学院毕业设计 V 设计主要技术指标（或研究目标） 1、原料规格：硫磺：99.5% 2、生产规模及工艺指标： 年生产能力：10 万吨 100硫酸 二氧化硫转化率：95 吸收温度：180 吸收塔吸收率：100% 喷淋酸：温度 80，浓度 98% 3、年开工时间：300 天 荆楚理工学院毕业设计 第 1 页 共 26 页 前言 硫酸被誉为工业之母，是重要的化工原料之一；硫酸工业也是重要的基本化学工业之一。硫酸 的用途很是广泛，参与众多重要化学品的生产，如用于生产磷铵、过磷酸钙、硫铵等。另外，硫酸 可以用于生产硫酸盐、塑料、人造纤维、染料、油漆、药物、农药、杀草剂、杀鼠剂等；也可用作 除去石油产品中的不饱和烃和硫化物等杂质的洗涤剂；在环保方面也大有用途；在国防工业中与硝 酸一起用于制取硝化纤维、三硝基甲苯等。如此见来，硫酸的应用范围之广泛，并且需求量日益增 加，所以我们有必要加强生产，在绿色环保节约型经济的基础上不断改造，力求更大效率。 全世界各行消费硫酸比例（%） 化肥 己内酰 胺 二氧化钛 氟化氢 饲料添 加剂 石油炼 制 洗涤剂 湿法炼 铜 其他 60.6 4.5 3.2 2.7 1.9 1.6 1.5 1.2 22.8 表 1-1 中国硫酸工业主要是以硫铁矿制酸。在 70和 80年代工厂经历重大曲折硫酸工业和转。原因是 世界硫磺市场价格飙升，企业难以承受，导致这些工厂已经停产或转换。在 90年初，价格逐渐下 降，促进世界硫磺，硫磺制酸在中国逐步发展，近年来技术的飞速发展，除了一些小，硫酸厂已建 成或正在建设，大型硫磺制酸装置也在建设中，这波的发展将有中国硫酸生产结构的影响巨大，加 上中国对环保的重视程度，硫酸生产过程中，硫酸已日益成为主流，这些都是分析原因：1，因为 在硫酸厂焙烧，净化工段，只有硫磺，硫磺熔融，转化，干燥和吸收段，成品，原材料部分也比硫 酸装置简单，因此流程短，材料处理，设备少，建设周期短：节约 50%的硫酸厂的建设投资，降低 设备管理费用；2、减少原材料运输。硫磺，杂质少，产品质量好，单位产品能耗低，热利用程度 高，生产蒸汽比硫酸高酸万吨，0.3 吨中压蒸汽（不含低热量利用） ;、三废排放量少,有利于 保护环境,做到文明生产；、根据目前的价格、运输成本及加工成本进行对比，采用硫磺制酸比 采用硫铁矿或硫精砂制酸具有更高的经济效益。由于上述原因,吸引了国内硫酸工业原料结构向硫 磺制酸转移。除了正在新建的硫磺制酸装置外,有些工厂将硫铁矿制酸装置改造为硫磺制酸。 在采用硫磺制酸中分别为熔硫，硫磺的精制，焚硫和造气，吸收和干燥四大步，其中，熔硫工 序至关重要，首先熔硫工序对温度要求很高，其次它又决定了后续硫磺精致的程度及最终产品的质 量。固体硫硫基由皮带机为快速加热和熔化熔硫槽。快速熔硫槽内置蒸汽加热盘管和搅拌器，加强 外围蒸汽夹套加热。槽硫温度控制在 135左右加热和蒸汽 0.6MPa熔融。从溢流口进入硫磺熔融 硫磺罐粗糙通过自由沉降熔融硫磺，对沟槽底部的杂质颗粒较大，夹带的液体少量于硫磺，排放口 底部缝隙周期性地手动排出。从快速熔硫槽溢流到粗硫槽液硫，粗硫槽槽挡板，开始作为过滤槽用 分为两格和格型滤波器。原油硫槽内设有蒸汽加热盘管，以保持温度在 135摄氏度的液体硫磺。 槽内设有搅拌器。液硫过滤由预涂、过滤、排渣三个基本步骤组成。过滤后液体粗硫由过滤泵送入 液硫过滤机以除去其中的杂质颗粒,控制过滤后液硫中灰分含量30/,当过滤机进料和出 料侧压差达到一定值时,停止进料,进行震动排渣,至此,完成一个过滤周期。过滤后的液体硫磺进中 间槽,液体硫磺中间槽内设有蒸汽加热盘管,维持槽内液硫温度在 135。精制液体硫磺自液硫中间 槽由中间泵送往液硫贮罐贮存,液硫贮槽底部设有蛇管式加热器,顶盖安装了加热盘管热顶,维持精 硫贮槽内液硫温度在 135145。 第 1章 综述 荆楚理工学院毕业设计 第 2 页 共 26 页 1.1 硫磺、硫化物及硫酸的性质 1.1.1化学性质 硫磺： 易燃烧，着火点为 363 ，火焰呈蓝色，一般情况下燃烧并不剧烈。硫磺粉尘在空 气中达到一定浓度会发生爆炸。 硫化物：一般包括二氧化硫、三氧化硫及硫化氢，这里主要讲硫的氧化物，二氧化硫、三氧化 硫为酸性气体，具有刺激性气味，极易与水反应生成亚硫酸、硫酸。 硫酸：化学式为 H2SO4，分子量为 98.078，从化学意义上讲，硫酸是三氧化硫与水的等摩尔化 合物，硫酸有三种水化物：H 2SO4H2O，H 2SO42H2O，H 2SO44H2O，是一种无色无味油状液体，是一种 高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸有三大特性，分别为吸水性，脱水 性和强氧化性。 （一）吸水性 浓硫酸具有吸水作用，指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 故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），而且还能吸收某些结晶水合物（如 CuSO45H2O）中的水。鉴于 硫酸的这个特性，H 2SO4可用于干燥很多的气体，作为干燥剂使用。 （二）脱水性 脱水性是浓硫酸化学特性，物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程，反应时，浓硫酸按水 分子中氢氧原子数的比（21）夺取被脱水物中的氢和氧原子。可被浓硫酸脱水的物质一般是含氢、 氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑和棉花等物质，被脱水后生成了黑色的炭（碳化）。 如 C12H22O11 12C+11H2O 浓 硫 酸 （三）强氧化性 （1）跟金属反应 常温下，浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。 加热时，浓硫酸可与除金、铂之外所有金属反应，生成高价金属硫酸盐，本身一般被还原 成 SO2，在这些反应里，硫酸表现出了强氧化性和酸性。如： Cu+2H2SO4(浓) CuSO4+SO2+2H 2O 2Fe+6H2SO4(浓)=Fe 2(SO4)3+3SO2+6H 2O （2）跟非金属反应 热的浓硫酸可以将碳、硫、磷等非金属单质氧化成其高价态的氧化物或含氧酸，本身被还原为 SO2。在这类反应里，浓硫酸只表现出氧化性。如： C+2H2SO4(浓) CO2+2SO2+2H 2O S+2H2SO4(浓)=3SO 2+2H 2O （3）跟其他还原性物质反应 浓硫酸具有强氧化性，实验室制取 H2S、HBr、HI 等还原性气体不能选用浓硫酸。 如： H2S+H2SO4(浓) =S+SO 2+ 2H 2O 1.1.2 物理性质 硫磺（S）的分子量 32.066，常压下的沸点为 444.6，硫磺有多种同素异形体，主要是斜方 荆楚理工学院毕业设计 第 3 页 共 26 页 硫和单斜硫，135时，液态硫磺的密度达到 1.7912 。3cmg 二氧化硫( )在常温下为无色气体，分子量是 64.063，在 20下 1体积的水可溶解 40体积2SO 的 并释放出 34.4 的热量，随着温度的升高，其在水中的溶解度降低。2molKJ/ 三氧化硫( )在室温下是液体，气态三氧化硫分子量是 80.062.三氧化硫有三种聚合体，分3 别是 、 型，它们的结构和聚合度各不相同。 纯硫酸是一种无色无味油状液体。常用浓硫酸中 H2SO4质量分数为 98.3，物质的量浓度是 18.4molL-1。硫酸是一种高沸点、难挥发的强酸，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，沿着器壁，慢慢倾倒，不断进行搅”。若将浓 硫酸中继续通入三氧化硫,则会产生“发烟”现象,这样含有 SO3的硫酸称为“发烟硫酸”。100%的 硫酸熔沸点为熔点 10，沸点 290。但是 100%的硫酸并不是最稳定的，沸腾时会分解一部分， 变为 98.3%的浓硫酸，成为 338（硫酸水溶液的）恒沸物。加热浓缩硫酸也只能最高达到 98.3% 的浓度。98.3%硫酸的熔沸为熔点 10，沸点 338。 1.2 硫酸的生产方法 通过焚烧精制后的的硫磺来得到二氧化硫和少部分三氧化硫原料气，然后再用然后用 98.3 的硫酸吸收为成品酸，也就是 100%硫酸。以下是主要的反应方程式： 2SO320423H 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： 1.2.1 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 SO2氧化制成硫酸。 塔式法 铅室法的基础上发展起来的塔的方法，其制造过程是氮氧化物的氧的传递函数，从而 氧化二氧化硫和三氧化硫，水吸收制成硫酸，和铅室法是在液相的过程，生产成本和产品质量比铅 室法更好 。塔式法制出的硫酸浓度可达 76%左右，而目前我国硫酸生产接触法占绝大部分，塔式 法已很少，但硝化法还具有一定的优点。它产酸的浓度 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，硫利用率比较高，可以用杂质比较高的原料。 硝化法的反应历程比较复杂，但可以用简单化学方程式表示如下： 荆楚理工学院毕业设计 第 4 页 共 26 页 反应中所需的 NO由硝酸供给，氧气来自空气。 铅室法 铅室法是在气相中进行的反应。由于这个方法所需设备庞大，用铅很多，检修麻烦， 腐蚀设备，反应缓慢，成品为稀硫酸，且必须消耗硝酸。因此，这个方法后来逐渐地被淘汰。 1.2.2 接触法制造硫酸 接触法是目前广泛采用的方法，接触法中二氧化硫在固体触媒表面跟氧反应，结合成三氧化硫， 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在于成品酸浓度高，质量纯（不含 氮化物），但炉气的净化和精制相当复杂。 目前可以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应式是： 2SO2O 2 = 2SO3Q 这个反应在常温下没有触媒存在时，实际上不能进行。为了使这一反应加快，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。 1.3 硫酸生产工艺流程叙述 荆楚理工学院毕业设计 第 5 页 共 26 页 图 1-1 1.3.1 SO2气体的制取 制取纯净的 SO2 是生产合格硫酸的大前提，首先是将硫磺熔化精致，将杂质降到指标范围内， 然后提供纯净干燥的空气作为助燃剂,将两种物料送至焚硫炉进行焚烧： S2 + 2O2= 2SO2 1.3.2 SO2气体的转化 采用“两吸两转”工艺流程，催化剂的装填段数及其在前后两次转化的分配与最终的转化率、 换热面积大小有很大关系。 （一）一次转化、吸收 为了使 SO2催化氧化过程的转换器尽可能遵循最佳的温度曲线，以提高转化率，必须从反应体 系中除去多余的热量，使温度相应降低。根据不同的换热器，可分为多级换热器和连续换热两。针 对连续变化型热转炉。过程，是遵循最佳的温度曲线很难；温控制也很困难，所以一般采用多段转 变型热交换器。一个单一的吸收过程转化可以达到最好的最终转化率为 97.5% - 98%，如果你想获 得更高的转化率，将所需的催化剂的量大大增加，不仅经济，而且通过平衡转化率的限制。如果废 气直接排入大气，会造成严重的空气污染。 （二）二次转化、吸收 两转两吸过程与一个单一的吸收过程相比不催化转化和获得最终的转化率是非常高的。首先让 大多数一般控制 SO2的转化，转化率为 90%左右，进入第一吸收塔（或中间吸收塔）吸收 SO2，然 后第二变换。此时由于含有 SO3和 SO2浓度的反应混合物很低，氧硫比转换更高，在这种情况下， 平衡转化率高，反应速度快，可以保证少催化剂的转化率达到 95%。两次最终转化率对不同工艺条 件下，一般在 99.5 99.8%范围。 总之，采用“两转两吸”的优点：一、比一次转化率高，可达到 99.5%99.9%。比“一转一 吸”尾气二氧化硫含量降低 510倍；二、虽然流程里面多了一次转化和吸收，投资高了 10%， 但是总体实际投资确实降低了 5%左右，生产成本也降低了 3%，因为少了尾气回收工序，劳动生产 率可提高 7%左右。 荆楚理工学院毕业设计 第 6 页 共 26 页 图 1-2 1.3.4 SO3气体的吸收 气体中的二氧化硫经催化氧化后形成三氧化硫，送入吸收系统用发烟硫酸或浓硫酸吸收，形成 不同规格的产品硫酸。吸收过程可用下式表示： 32243()nSO+H=S+n-1SO（ （液 液 ） 液 ） （ ） 改变上式中 n值，便可形成相应浓度的产品硫酸。n1 时，形成发烟硫酸；当 n=1时，形成无 水硫酸；而 n1时，则为含水硫酸，即硫酸和水的溶液。要求生产发烟硫酸时，可以采用两端吸收 的流程。转化气一次性的通过发烟硫酸吸收塔和浓硫酸吸收塔，分别是发烟硫酸和 98%硫酸吸收 SO3气体，气相中 SO3含量可降至 0.1%0.01%，然后由浓硫酸吸收塔出口引至尾气处理工序，或者 直接经过捕沫后放空。而今，三氧化硫吸收技术发展主要表现在填料性能方面的改进，布酸设备和 冷却器设计材料的改进。 荆楚理工学院毕业设计 第 7 页 共 26 页 1.3.5尾气的处理 硫酸生产工艺尾气的主要有害物质为 SO2（约 0.2%0.5%），和少量的 SO3和酸雾。因此，除 去污染物首先要从源头上下手，提高 SO2的最终转化率，使之达到 99.75%以上，符合目前的排放标 准。尽量采用两转两吸流程，在正常的条件下，是可达到的。针对尾气及含低浓度 SO2气体的处理 方法主要是氨-酸法，金属氧化物法，碱法，活性炭等等。 （一）氨酸法回收低浓度二氧化硫及三氧化硫过程由吸收、吸收液再生、分解和中和四个主 要部分组成。 1、吸收 吸收液其实就是亚硫酸铵亚硫酸氢铵溶液，在吸收塔里按照下列反应式吸收烟气中的 SO2、SO 3： 2423243SO+(NH)O=HS3 24+(N)O 2、吸收液再生 吸收液需要在循环槽内加气氨或者氨水，按照下列反应使溶液部分再生，来使吸收液中 / 比值不变。部分循环母液则送往分解系统。423(NH)SO43343423NH+SO=() 3、分解 用浓硫酸分解亚硫酸铵亚硫酸氢铵溶液，得到含水蒸汽 100%的二氧化硫和硫酸铵溶液。43242422()+SHO(NH)SO+=N 蒸汽加热分解，实质上是把亚盐分解放出而赶走溶解在分解液中的 SO2，同时将两未分解的亚 盐按下式完全分解： 32234342 NHSO 为使亚盐完全分解，硫酸加入量比理论量要大 30%50%，使分解液酸度成 1545滴度。过量 硫酸则在中和槽用气氨或氨水来中和。 4、中和 用氨中和过量硫酸： 24342HSO+N=()SO 氨加入量比理论值稍高，使中和液成 23滴度的硫氨溶液，硫氨溶液可作为肥料直接用于农 业，或蒸发结晶加工成固体硫铵。 （2）、金属氧化物所形成的碱性溶液，亦可作为 SO2的吸收剂。主要有碱性硫酸铝石膏法； 氧化锌溶液吸收法；氧化锰法等等。 （3）用各种碱液吸收尾气中的 SO2，可免除氨法中氨的损失和雾沫。常用碱吸收液有碳酸钠溶 液，氢氧化镁溶液和石灰乳等。共同的优点是：脱除率高，工艺简单。而且，石灰乳吸收法的突出 优点是石灰来源广且方便，价格低廉，投资和操作费用较低。 （4）活性炭通常具有较大的内表面积，是一种良好的吸收剂。当尾气中的 SO2在一定条件下 荆楚理工学院毕业设计 第 8 页 共 26 页 通过活性炭层时，被活性炭表面吸附。在 100以下主要为物理吸附，提高温度后，从物理吸附转 向化学吸附。在活性炭表面，吸附态的 SO2和吸附态的氧作用，形成吸附态 SO3，当有水存在时， 便可形成硫酸。 1.4 硫酸的用途 1.4.1 工业用途 (1)冶金及石油工业 用于冶金工业，在有色金属的生产中起重要作用。在冶金工业中，用硫酸作为钢铁表面氧化皮 的清洗剂。 用于石油工业，石油精炼需用硫酸除去石油产品中的不饱和烃、胶质及硫化物等杂质。每吨原 油精炼需要硫酸约 24kg，每吨柴油精炼需要硫酸约 31kg。石油工业所使用的活性白土的制备，也 消耗不少硫酸。 在浓缩硝酸中，以浓硫酸为脱水剂;氯碱工业中，浓硫酸作干燥剂干燥氯气、氯化氢气等;无机 盐工业中，硫酸盐的制备都要用硫酸。许多无机酸如磷酸、硼酸、铬酸(有时也指 CrO3)、氢氟酸、 氯磺酸;有机酸如草酸、醋酸等的制备，也常需要硫酸作原料。 (2)解决人民衣食住行 用于化学纤维的生产,粘胶丝的生产需要使用硫酸。尼龙、醋酸纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤 维的生产，也要用到硫酸。 用于染料工业，几乎所有的染料(或其中间体) 的制备都要用到硫酸。很多磺化反应，硝化反应 都需使用大量浓硫酸或发烟硫酸。很多染料厂就设有硫酸车间，以配合需要。 用于制药工业，许多抗生素的制备，要用到硫酸。 (3)巩固国防 某些国家硫酸工业的发展，与其军用炸药的生产是密不可分的。浓硫酸用于制制取硝化甘油、 硝化纤维、三硝基甲苯等炸药。虽然这些化合物的制备是依靠硝酸，但同时必须使用浓硫酸或发烟 硫酸。 (4)原子能工业及火箭技术 原子反应堆以及制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星材料的钛合金的制造过程，都要用到硫 酸。从硼砂制备硼烷的过程需要多量硫酸。硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料。 1.4.2 农业用途 （1）土壤改良 在农业生产中，人们越来越多地采用硫酸来调节控制土壤酸碱度。将硫酸施入农用的土壤和水 中，溶解土壤和水中钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐。当这些盐被分解后，硫酸与更惰性的物质反应， 置换出磷、铁等能被植物吸收的养分。用硫酸来降低土壤的 pH 值可改变很多元素的溶解度，提高 植物对它们的吸收，从而使植物更加健壮，收成增加。 （2）化肥生产 用于生产硫酸铵和过磷酸钙这两种较为普遍常用的化肥。 用于生产农药，许多农药的生产都是以硫酸为原料，如硫酸铜、硫酸锌是良好的植物杀菌剂， 硫酸铊可用作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可用作除莠剂。很多杀虫剂的生产也都需用硫酸。 荆楚理工学院毕业设计 第 9 页 共 26 页 第 2章 物料平衡计算 2.1 设计要求 设计规模：硫磺制酸 100kt/a。生产过程中：含硫尾气以 SO2的形式排出。吸收要求：大气 污染物综合排放国家标准（GB16297-1996）限定二氧化硫最高允许排放质量浓度为 960mg/m3，吸 收率 100%,转化率 95%。 2.2 熔硫部分的物料衡算 100%硫酸 10万吨/年换算成小时： 年年万 吨 /kg10/108 开工 300天，每天按 24小时算： hhkg/9.324/8 因为 SO3吸收率为 100%，所以 SO3与硫酸的摩尔比： n（SO 3） ：n(H 2SO4)=1：1 80.06 98.08 x 13888.89kg/h 所以 SO3每小时的消耗量 x=11337.12kg/h SO2的消耗量设为 y 32SO 64.06 80.06 y 11337.12kg/h y=9071.39kg/h 由于受转化率的影响，根据 SO2转化率是 95%，故实际需要量是： h9548.kg/0.h9071.3kg/ 22SO 32.07 64.06 z 9548.84kg/h 每小时消耗的纯硫量 z=5031.98kg/h 因为硫磺规格 99.5%，所以每小时消耗这样规格的硫磺的量是： 5031.98kg/h99.5%=5057.27kg/h 硫磺的质量流量是： h507.2kg/ms 2.3 熔硫工段的能量衡算 本设计为 10万吨/年硫酸转化系统工艺设计（以每小时计算），对于熔硫阶段来说，硫磺为冷 荆楚理工学院毕业设计 第 10 页 共 26 页 物料，蒸汽是热流体，所以有： 根据查硫酸工艺设计手册，硫磺要由从常温（以 25为准）加热到 135并控制在 135左右 7， 故硫磺由 25加热到 135所需要的热流量为： )(122tcmQps2sm 是质量流量， 2pc是硫磺比热容，经查手册可知 2=0.73kJ/(kg.)， 2t=135， 1t=25 代入数据可得 Q=424557.82KJ/h 加热蒸汽放出的热流量与冷流体加热所需的热量相等： 故有 rms1Q1sm 为蒸汽质量流量，r 是蒸汽汽化热，根据查设计手册可知，需要 0.6Mpa 饱和蒸汽来给硫磺 加热，其温度为 158.7，通过查表可知 r=2091.1KJ/kg23： 代入数据可知： hkgkgJhrs /03.2/1.20984571 第三章 主要设备 3.1熔硫釜 1)槽体:槽体设计有池式、圆筒平底式和圆筒锥底式,本单位传统 100/左右熔硫装置做法 设计采用的是圆筒锥底式架空结构。这样的设计优点是锥底能沉积杂质、延长清渣的时间间隔、放 渣方便,但缺点是熔硫厂房的高度增加、固体硫磺加料系统的难度加大、土建投资增加。从实际运 行效果来看,停车后反而更难清理长时间沉积的堆渣,故锥形结构的优点相对于圆筒平地式并不明显,反 而缺点却很突出,综合考虑后本熔硫布置为四台圆筒平底式。 (2)搅拌器:带搅拌器的熔硫槽具有较强的湍流扩散和对流循环能力,故传热效果好,对于大型熔 硫装置一般采用此种设计方式。在熔硫槽内,介质固、液并存,加热管附近的液硫和其它区域的有可 能温度不一致,这就需要搅拌器的扩散和循环能力较大,适应性较好。为此搅拌器必须具有合理的结 构和足够的强度,并具有安装方便、连接稳妥的特点。综上所述,在熔硫槽设计中一般选用折叶式搅 拌桨和开启涡轮式搅拌桨。本熔硫装置选择为双层折叶式搅拌桨,每层由两片扁钢制作,对称固定于 搅拌轴上,呈 45折角。这种设计的搅拌桨制作和安装都比较方便,在以加热盘管为挡板的情况下, 循环能力较强,搅拌较均匀。另外,由于熔硫槽直径过大不宜在顶盖上直接安装搅拌桨,故采取在槽 上方做独立搅拌桨支撑支架的措施8。 (3)加热盘管:熔硫槽的熔硫能力主要取决于热量的供给,而供热量的大小又取决于盘管的加热 荆楚理工学院毕业设计 第 11 页 共 26 页 面积,盘管加热面积越大,熔硫能力越强,在大型生产装置中,由于加热面积较大,如按原有的结构设 计,设备的体积就很庞大,而实际上设备的占地面积是要受限制的,所有采用合理紧凑的结构形式非 常重要18。根据对以往设计的设备运行情况详加分析和摸索后,在此次设计中,采用了双螺旋结构 的加热蒸汽盘管,将两圈盘管做成并联同心圆形式,多组均匀安放,在保证足够的加热面积的前提下 大大减小了设备的体积。另外设计时,还应注意选择合适的加热管间隙,间隙过小,液硫不易通过而 产生堆积,致使盘管外液硫的混合型很差,不利于传热,此外,为了便于日后的安装及维修,加热盘管 应做成多组易拆卸形,安装于设备顶盖的法兰上。 图 1-3 3.2焚硫炉 由于硫磺燃烧速度快，所以炉子构造简单，现在一般多用卧式焚硫炉。使用最普遍的是喷雾焚 硫炉。喷雾焚硫炉的构造，是在钢制圆筒内部衬绝热砖和耐火砖。为使硫磺和空气的接触良好在 荆楚理工学院毕业设计 第 12 页 共 26 页 23 个地方用耐火砖砌半圆形的挡墙。硫磺喷雾的要求是：形成易于气化的微粒、喷雾角度要大， 且能均匀分散。喷嘴的喷枪和喷头部分采用 L316或相当的材料。为防止炉内高温引起损坏和防止 因受热而引起硫磺粘度上升，喷枪应设置蒸气夹套。 焚硫炉焚硫能力同其它工业燃烧炉一样，能力的弹性比较大，一般变动 12.5 倍。表达能力 的单位，多采用每日、每立方米容积可焚烧多少吨硫磺量来表示。根据实际生产的统计，一般是 1m3容积的雾化焚硫炉，每日可以焚烧 1t左右的硫磺，即生产 3t左右的硫酸。能力高的炉子每日 每立方米可焚烧 2t左右的硫磺。一般规律是，小型炉子能力偏小，大型炉子能力偏大。其主要原 因是雾化状况和炉内气速不一样所造成的。 雾化焚硫炉的生产能力，一般可用下式进行计算 【10】 ： QKV241000q 式中： K 焚硫单位容积发热量，一般为 116.3232.6kW/m 3h q 燃烧 1kg硫磺之热效应，纯净硫磺为 2.57kW/kg V 焚硫炉容积，m 3 Q 雾化焚硫炉能力，t/(dm 3) 3.3 转化器 SO2转化器是保证氧化反应和 SO2排放标准实施的关键设备。在 400 620高温作业时间转 换器，处理段落不同温度下的不同的热膨胀应力之间造成的 SO2和 SO3气体腐蚀，和部分不允许有 煤气泄漏；它也需要配气性能好，确保高转化率。因此，需要结构设计和材料的选择是合理的、可 靠的。 目前，该结构中有两种类型的转换器模块结构和中心管。积木式结构。平球冠层垂直圆柱形容 器的积木式结构，其内部从下向上由多个柱桩支撑板和格栅。两个轮简同心垂直中心管式结构的筒 体直径较小，管，中间，对一些支持的催化剂与隔板的重量，和流道反应段，催化剂填装之间的缸 内、外两层。采用了两种结构在大型硫磺制酸不同特点植物，具有。 模块化转换器使用柱桩支撑一些催化剂的格栅和分区的重量，在耐火保温砖筒体表面的李宁催化剂 负载部分，并且结构简单。材料为 0Cr18Ni9不锈钢转化器，在装置的底布。随着冠套，外部 flat-steel并强化，以确保设备的强度和刚度的。每层隔板一密封圆环和壳体壁焊接一体的补偿 因热，膨胀变形分区燃气流中避免多层合采层间。格栅铺设耐热陶瓷球和不锈钢丝网，然后把催化 剂。SO2 气体分布装置专门设计的从入口到转换器，分布更加均匀。了平面式催化剂床结构保证均 匀反。位于底层平面是由多，滑动轴承在民用基础能够有效吸收和补偿变形操作时的热膨胀状态， 大大降低设备的，应力水平，和整体安全稳定的设备更好。 中心管式变换器部分的催化剂层分离耐热瓷球平弧板和床之间的催化剂和陶瓷球有一层不锈钢 丝网。0Cr18Ni9 不锈钢的主要设备，有的还可以安装在设备的底部。一款专为气缸的进气中心， 气体能均匀地分布在各反应床。各部分之间用弧形挡板分隔器，可以有效地吸收或补偿由于热膨胀 变形的运行状态，既能保证层间的气体流，可以减少设备的应力水平。设备的内筒和外筒的底部分 别支撑在土木工程的基础。但耐热瓷球平电弧电阻的床层是不均匀的，中心筒空间利用率不高，弯 曲的床板和板分开制造的难度是比较大的。作为用于确保设备的整体安全性和稳定性的高强度、低 刚度的设计，设备，整体实力虽高，但刚度相对较低，设备的整体安全性和稳定性，作为构建块结 构。但这种筒式转换器设备材料中心保存，一次性投资小。 在转化反应中，为了使反应接近最佳操作温度即适宜温度。我们在反应时必须降低温度，移去 一部分热量，这就是我们所说的降温。通常有两种操作方法：一种恒温操作方法，这种方法会使转 化器体积太大也很难使移走的热量达到要求。另一种方法即绝热操作过程，也是我们曾普遍采用的 荆楚理工学院毕业设计 第 13 页 共 26 页 方法。 3.4 干吸塔 高效干燥吸收塔系统是塔填料支撑结构，高高的塔填料，分为酸，除雾器元件和塔径和操作气 速和喷酸喷淋密度统一考虑，相互配合，产生高强度的塔的形成，满足干燥浴吸收效率的技术要求。 干吸塔的结构基本相似，塔体为立式圆筒形结构，钢李宁耐酸砖。一般采用高铝耐酸陶瓷填料 支承结构，具有跨度大，酸性高铝瓷棒束孔率高，有时高孔率的陶瓷球拱。 干燥塔一般采用抽屉式国产或进口金属丝网除沫器垫式除雾器。在高温下，第一吸收塔酸，雾量大， 细颗粒的雾，在换热设备的保护，除雾器的高性能纤维是第二吸收塔使排放要求也采用高性能纤维 除雾器。从生产和使用的影响，除雾效率是令人满意的。 酸酸分配器直接影响空气干燥和 SO3的吸收效果。阳极保护槽管式分酸器，每平方米超过 40 分酸点的研究和开发，大多数大型硫酸装置这种酸干吸塔。的酸，减少管道埋在一个环形阶梯严重 的材料和酸的酸泵打主管和再分配的酸罐，从在降液管流出罐。罐体结构设计来保证每个槽酸度基 本相同点，且不会产生溢出等现象。完成在工厂酸生产，碾压试验。采用阳极保护的槽管式分酸虽 然一次性投资分销商，大但分布耐酸，较长的使用寿命，酸效应，并节约维修成本。塔的底部设 计一般分为盘底和平底两方案。中国石化南京设计院与多个在优势的塔结构的底部，根据大型干吸 塔具有干吸塔的优点是设计了一个塔底出酸具有平底结构的优点是在塔底部设计成为外平内锥的结 构，在中央的锥形底酸口的最低点。这种结构与碟底结构并不需要具体的平台设计一个支撑腿的， 支持全塔重生产或停止，使塔底产物完全把甲酸。防止碎片塔到酸泵循环槽破碎一般的酸叶，配有 防涡器。 3.5 空气鼓风机 风机是硫磺制酸装置的关键设备，包含整体的稳定性和可靠性是由其运行质量直接影响的是设 备的驱动速度的重要保证。一个好的风机，除了满足条件，还必须具有良好的操作稳定性和操作和 长期运行的可靠性和噪声低的能源消费弹性，低。大型风机主要是轴流式、离心式两种结构。 轴流风机涡轮压缩原理，稍高的线速度的风扇叶片运行效率低于离心式风机，可以减少磨损， 也可以用静叶角度来调节风量。但这扇结构复杂，成本高，施工成本高、配套。 在硫酸装置 30-60 kPa总增压风机，离心泵一般采用国内外。风机功率消耗占大部分的硫酸装 置的功耗。风机是蒸汽驱动的两种电驱动。有蒸汽驱动的汽轮机背压的直接驱动风机的用途用于硫 酸器件中，压的过热蒸汽生产汽源堰。具有直接用于对介质压力的一种副产品部分蒸汽鼓风机对其 它生产，设备的使用低压蒸汽，燕及中压蒸汽休息给发电，从而降低硫磺酸，电力负荷负荷、机组 加载。虽然燕蒸汽驱动的电动驱动部分投资高，但投资的总成本下降，经济性好。在操作上，采用 涡轮风扇，启动转矩和启动速度，在涡轮机直接风扇是稳定的，不需要齿轮箱，和速度可在较大范 围内调节，以适应各种工艺负荷需要避免热能转化为电能的转化然后将机械能转换过程中的能量损 失可以通过在受到更大的冲击造成电网启动电流的电机驱动使用，避免。由于汽轮机在单位生产的 硫酸，在车难预热和驱动需要外部与蒸汽源的要求提供自己的风机，为企业或以其他原因可以用特 殊的电风扇驱动匹配无蒸汽源。 荆楚理工学院毕业设计 第 14 页 共 26 页 3.6 循环吸泵 干吸塔酸循环泵具有流量大的特点，高功率、传输（H2SO4）和硫酸（98%）高温，强腐蚀一般 单在线泵操作。在和酸循环泵的选型设计，根据工艺条件和材料的耐磨性和耐腐蚀性，和安全的原 则，节能，运行一段时间确定。在工程采购，要求制造商必须浓硫酸泵的专业生产厂家，对泵的性 能和实际操作要求同一类型的设计和制造经验。 3.7 废热锅炉 余热锅炉是硫酸厂的重要设备之一，开车不顺利硫酸厂最是因为锅炉和锅炉故障是硫酸厂的长 期安全运行的先决条件。硫磺制酸装置余热锅炉有两种形式，一是水管锅炉，另一个是火管锅炉， 这两种形式的家用锅炉是成熟可靠的设计经验。国内外大型硫磺制酸装置一般采用的是火管锅炉。 火管锅炉具有流量均匀分布的许多优点，气滞留在该地区没有炉，局部腐蚀不容易能承受在气侧压 力较高，适应性强，泄漏率降低负载的变化，操作简单，安全可靠，功耗低，价格便宜，安装工作 量小，耐火材料少，维护工作量小，易于清洁。 硫磺制酸装置火管锅炉设计的管板采用挠性管板，吸收火管热膨胀，减少火管和管板角焊缝是 由一种特殊材料加以保护，以减少管板热应力的火管的两侧是由特殊套管保护，以免焊接和高温炉 气热侵蚀火管与管板的焊接采用特殊形式的管道，以保证焊接的可靠性。 单壳和双单筒壳单鼓两结构余热锅炉。双壳单滚筒结构，占地面积稍大，成本高，烟气平衡控制要 求高。在制造和运输条件允许的情况下，单壳单滚筒结构的一般使用。 废热锅炉型单一的鼓，鼓的立管与壳管的崛起是在外壳支撑。那圆筒是由钢板焊接钢底板冲压 和头。鼓含碳酸除沫器分离的目的。滚筒上装有安全阀接口，一个上升的喷嘴挡板。鼓上有两个当 地的水位，还有一双水位报警控制室水位显示器接口，对水位传感器接口，调整锅炉汽包水位控制。 为了防止汽包水位过高，会影响蒸汽品质，滚筒安装在紧急排水管。圆柱壳火管三角配置，用于焊 接的管子与管板。为了防止高温气流管端成形的热冲击和磨损，在管端的嵌入式故障质量刚玉保护 套筒，套筒与柱管间隙填充高温硅酸铝纤维。同时，涂塑料减轻磷酸锆管片温度的管盘。以增强稳 定在管运行降低振动壳体置于两，轴承钢板。每一滴的喷嘴挡板防止水直接冲洗管。对高铝砖耐火 层的前烟箱，保温层采用粘土质隔热耐火砖。为膨胀吸收，前面的高铝砖和板管耐火在膨胀节移交， 充满烟箱于铝硅酸盐纤维填充办公室了槽壳硅酸铝纤维。李宁烟箱及耐火浇注料是抓轻量级预防的 指甲，损耗。 由于高硫的炉膛出口烟气温度调节器一种转炉高温侧的线和高温调节阀入口温度应内衬，在实 际生产过程中容易损坏，硫炉出口与余热锅炉进口的直接对接。同时，余热锅炉为一二段式设计， 变频器进口热副线通过余热锅炉两段导线，这种热副线管和阀门操作控制 700或普通不锈钢管和 阀门的温度可以减少。 3.8 过热器和省煤器 高温过热器通常位于转炉炉气出口，由于气体温度通常超过 600，应充分考虑热应力的影响。 在水平管内衬结构和不锈钢的垂直支撑结构的硫酸厂高温过热器。在高温过热器管水平悬浮李宁结 构，进、出口直接对接器，底部不设置固定支架。垂直支撑不锈钢结构的垂直烟道侧蚀型壳高温过 热器为箱式结构，材料为 0Cr18Ni9，烟气流入侧。本体包括壳体，高温过热器的过热过热管束， 荆楚理工学院毕业设计 第 15 页 共 26 页 管束，喷水减温器和支持。为蛇形螺旋翅片管受热面过热的支持结构水平，蒸汽流量为进步下的热 烟流。过热器管在管板放置在外壳，自由膨胀。高温过热器入口前燕汽管道上设有喷水减温器，用 来调节过热蒸汽温度，喷雾锅炉给水。这种结构的高温过热器安全可靠和小。 立式高温过热器低温过热器结构，炉气加热面侧向侵蚀，螺旋翅片管强化传热的传热管。为了 减少土地占用，方便管布，可以在四以上的出口器中低温过热器、省煤器安装。由于省煤器水入口 的金属壁面温度低，如露点腐蚀问题，使省煤器如何避免露点腐蚀的发生直接相关的关键因素对硫 酸系统的成功。采用热管技术可以使金属壁温高于焦炉煤气露点温度正常运行时水的人口，防止露 点腐蚀，提高省煤器的安全性和可靠性。内置换热管热管省煤器，解决了气体的泄漏问题。在省煤 器前第一吸收塔都必须使用热管，为了节省在除了低温省煤器前面第二吸收塔的投资必须在热管的 应用，高温可以普通螺旋翅片管。 高和低的热管和焊接温度过热器和省煤器，对 100%和 100%的超声波探伤涡流探伤的要求。 第四章 硫酸的安全生产 4.1 硫酸工业中催化剂的重要作用 在很长一段时间内硫酸工业是基于均相催化氧化硝化法生产。二氧化硫的非均相催化氧化法， 对第一个使用工业铂催化剂，虽然它有很好的活动，但价格昂贵，而且容易中毒和硝化过程的竞争。 直到上世纪第二十年代初的钒催化剂，使接触的方法发展迅速。钒催化剂具有低成本，高砷，硒和 其他有毒的能力比较强的铂催化剂，使用寿命长。但在设计的过程中，由于某些杂质的存在在气的 净化过程并没有完全消除，在很长一段时间的生产过程中，催化剂中毒现象。催化剂的中毒分为两 种，一种是可逆的或临时的中毒，另一个是可逆性或永久性中毒。 砷的主要有毒的钒催化剂，氟化物和粉尘。在二氧化硫转化催化剂的过程中起着至关重要的作 用，一旦中毒的催化剂，反应，都会受到影响，从而影响整个硫酸生产工艺。在炉气系统的改造， 都或多或少地含有三氧化二砷和氟化氢和氟化硅，灰尘和其他杂质。 钒催化剂的氟化氢的毒性主要是由于氟化氢和钒催化剂载体硅胶生产四氟化硅的反应。这种反应在 很大程度上破坏了催化剂载体，光催化剂重量，粉，是催化剂变成黑色，和多孔结构，催化活性降 低，熔点降低。同时氟化氢和氧化钒的可能反应，生成氯化钒，钒氧化挥发损失，降低了催化剂的 活性。 毒四氟化硅催化剂上主要表现为氟硅在四水解。气体中的水蒸气含量较高，温度越高，越有利 于水解反应，对水合二氧化硅分解，从而形成二氧化硅壳白色在催化剂表面，严重时催化剂粘结成 块，在活动性严重下降明显增加。 三氧化二砷能做出迅速的催化剂中毒，主要是由于钒催化剂的吸附和氧化为三氧化二砷，五氧 化砷，和五氧化二砷积累在催化剂表面，覆盖的表面活性增加，反应组分的扩散阻力，使催化剂活 性降低，主要是在 550C范围内，在同一在被发现时发生中毒现象，在高温下，特别是在 500 以上，V2O5 和 As2O3可以生成 V2O5，氧化砷挥发物质，V2O5，降低催化剂的活性。温度越高，高 浓度 As2O3，V2O5 的波动性更大。 在硫酸生产过程中催化剂起着至关重要的作用，其活性水平，对硫酸生产的最终转化率直接相 关，转化率降低不仅降低了硫酸生产带来的经济效益，及有毒气体的排放（SO2）含量超标，造成 环境污染。因此，我们必须加强净化部分和干燥步骤，尽可能消除炉气中的粉尘，砷，氟，水材料， 荆楚理工学院毕业设计 第 16 页 共 26 页 气体对催化剂活性的影响，从而降低了催化剂的中毒。及时检查出口气体成分确定催化剂。发现催 化剂老化严重或烧毁及时更换。 4.2 硫酸生产中可能存在的危害 在生产过程中时常会面对有毒，有害，有腐蚀性等气体，且生产过程又是在高温高压，正压或 负压的状态下进行，在生产中使用的原料，中间产品的存在易燃，易爆，易中毒，易腐蚀等许多危 险。因此，必须认真做好整个过程中的安全生产的预防与保障工作。 硫酸生产中的危害主要有火灾爆炸、中毒、化学灼伤及机械事故等。 第一大类是中毒危险，吸入或食入硫酸物会引起中毒。硫酸对皮肤及黏膜等组织有强烈的刺激 和腐