10万吨硫酸干燥系统工艺设计.docx
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10万吨硫酸干燥系统工艺设计
目录
一.概述1
1．1硫酸的性质和用途1
1．2硫酸的生产方法2
二.设计简介3
2.1干燥原理3
2.2.1干燥原理及工艺条件选择3
2.2.2吸收酸浓度和温度的选择4
2.2.3喷淋密度的选择5
2.2.4气体流速5
三.干燥流程与设备6
3．1工艺流程6
3．2主要设备—填料塔7
四.物料衡算7
4.1条件7
4．2选择计算数据7
4.3物料衡算8
4.3.1原料气的流量8
4.3.2原料气的压强8
4.3.3水蒸气含量8
4.3.4进塔湿气组成8
4.3.5气体总量计算9
4.3.6干燥硫酸用量计算9
4.4物料平衡表9
五.热量衡算10
5.1原料气带入热量10
5.2原料气带出热量10
5.3贫液带入热11
5.4硫酸的稀释热11
5.5水分液化放热Q712
5.6硫酸出口温度t2的计算12
5.7干燥塔热量平衡表13
六.干燥塔工艺计算13
6.1设计条件13
6.1.1入塔气量13
6.1．2入塔硫酸贫液量14
6.1．3出塔气量14
6.1．4出塔富液量14
6.1.5干燥塔填料选用瓷矩鞍环，其特性参数如下：
14
6.2液泛速度的计算15
6.2.1入塔气体流量15
6.2.2出塔气体流量15
6.3液泛速度的计算15
6.4填料高度的计算16
6．4.1传质系数的计算16
6.4.2传质推动力的计算17
6.4.4填料高度的计算18
6.5填料层压力降18
七.设计体会19
八.参考文献20
一.概述
硫酸是化学工业的一种重要产品，它广泛使用于各工业部门，尤其是化学工业。
硫酸在磷肥、有机化工和二氧化钛生产中，用量最大。
此外，石油炼制、金属加工和有色金属冶炼、染料、医药等行业也都使用很多硫酸。
1．1硫酸的性质和用途
硫酸，H2SO4，纯硫酸的相对分子量为98.078，外观为无色油状液体，密度（20℃）为1.8305g/cm3。
工业上使用的硫酸是硫酸的水溶液，即SO3与H2O的摩尔比≤1的物质。
发烟硫酸是SO3的H2SO4溶液，SO3与H2O的摩尔比＞1，亦为无色油状液体，因其暴露于空气中，逸出SO3与空气中的水份结合形成白色酸雾而得名。
硫酸是强酸，具有酸的通性。
但浓硫酸有其特殊的性质，物理性质方面，有相对密度大、沸点高、液面上水蒸汽的平衡分压极低等特性；化学性质方面，有氧化、脱水、吸水、磺化等特性。
硫酸的浓度以所含H2SO4的质量分数表示,而发烟硫酸的的浓度常用其中含有游离SO3（除H2SO4以外的SO3）或全部SO3质量分数表示．不同表达方式的硫酸浓度可以用下列公式相互转化：
ＣH2SO4=1.225CSO3（t）=100+0.225CSO3（t）
式中ＣH2SO4—H2SO4的质量分数,%;
CSO3（t）—SO3总含量质量分数,%;
CSO3（t）—游离SO3质量分数,%;
结晶温度浓硫酸中结晶温度最低的是93.3%H2SO4,结晶温度是-38℃.高于或低于这个浓度的结晶温度多要提高。
特别应当注意，98%硫酸结晶温度是+0.1℃，99%硫酸结晶温度是+5.5℃，这样的产品酸结晶温度较高。
所以，冬季生产时要注意保温防冻，以防浓硫酸结晶，必要时调节产品浓度。
硫酸的密度硫酸水溶液的密度随着硫酸含量的增加而增大，于98.3%时达到最大值，过后则递减；发烟硫酸的密度也随其中游离SO3的含量的增加而增大，达62%SO3（游离）时为最大值，继续增大游离SO3的含量，则发烟硫酸的密度减小。
在生产中，可以通过测定硫酸的温度和密度来测定硫酸的浓度。
硫酸的沸点硫酸的含量在98.3%以下时，它的沸点是随着浓度的升而增加的。
浓度为98.3%的硫酸沸点最高（338.8℃），而100%的硫酸反而在较低的温度（279.6℃）下沸腾。
当硫酸溶液蒸发时，它的浓度不断增高，直到98.3%后保持恒定，不再继续升高。
发烟硫酸的沸点，随着游离SO3的增加由279.6℃逐渐降至44.4℃。
硫酸用途非常广泛，无论要工业部门，还是要发展农业生产、满足人们的物质生活需要、加强国防力量，都起着重要的作用。
硫酸在大宗生产的化学品中产量居前列，是最重要的化工原料之一。
硫酸的主要用途是生产化学肥料，用于生产磷铵、重过磷酸钙、硫铵等。
在化学工业中，硫酸是生产各种硫酸盐的主要原料，是塑料、人造纤维、染料、油漆、药物等生产中不可缺少的原料。
要农药、除草剂、杀鼠剂的生产中也需要硫酸。
要石油工业中，石油精炼需使用大量的硫酸作洗涤剂，以除去石油产品中不饱和烃和硫化物等杂质。
要冶金工业中，钢材加工和成品的酸洗要用硫酸；电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液需用硫酸；某些贵金属的精炼也需硫酸溶去夹杂的其它金属。
要火药和国防工业中，浓硫酸伯于制取硝化甘油、硝化纤维、三硝基甲苯等炸药。
原子能工业中用于浓缩铀。
运载火箭所用燃料也离不了硫酸。
1．2硫酸的生产方法
硫酸的工业生产，基本上有两种，即亚硝基法和接触法。
亚硝基法中又可分为铅室法和塔式法，由于亚硝法存在诸多不足，已被接触法所取代。
接触法硫酸生产的原料有多种，其中每一种原料的制酸工艺也有多种，因此接触法硫酸生产工艺过程种类很多。
原料本身和不同原料的生产工艺过程各具特色，按原料的不同，主要有以下几种：
1．硫磺
硫磺是硫酸工业中使用较早而又较理想的原料。
硫磺制酸工艺简单，基建投资省，产品质量高，成本低，故近年来一直发展很快。
目前国外硫酸生产以硫磺为原料的比重已超过一半。
2．硫铁矿
硫铁矿（主要成分FeS2,反应主程式4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2）制酸，在世界硫酸生产中所占比例有所下降。
但拥有硫铁矿资源的国家结合矿渣综合利用，仍有发展余地。
当然这对硫铁矿的质量有所要求，含硫品位尽量要求高，对砷、氟等有害杂质也有限制。
（国外矿石含硫一般大于45％,国内一般含硫35％,含砷不多于0.05％,含氟不多于0.05％）
3．冶炼烟气
冶炼烟气制酸具有回收硫资源和消除公害的双重目的。
国外有些国家如日本、俄罗斯等从改革冶金工艺着手、稳定气量，提高气体浓度，使得冶炼烟气制酸技术发展很快。
4．硫酸盐
石膏、硫酸亚铁等硫酸盐可以作为制酸原料。
利用天然石膏制取硫酸，由于经济性差，没有得到发展。
但是磷石膏制酸，从环境保护出发，其重要性往往超过了它的经济性，故有所发展。
从钛白和钢铁酸洗生成的硫酸亚铁来生产硫酸，虽然建厂费用高，但为保护环境迫使厂家设法解决，这种厂系在沸腾炉内以硫铁矿作燃料和还原剂进行焙烧反应。
5．硫化氢
石油炼制气体、石油气、天然气、焦炉气和发生炉煤气等可燃气体中大都含有硫化氢。
脱除并回收其中的硫化氢可制造硫酸,主要反应主程式为2H2S+3O2=2H2O+2SO2,然后再将SO2转化为SO3,用H2O吸收即可得硫酸.
以上各过程虽然原料不同，但生产原理是相同的。
其原理如下：
硫酸是三氧化硫和水化合后的产物，即：
SO3+H2O══H2SO4
水很容易获得，而获得SO3较难，因此制取SO3是制酸的关键。
由于硫磺及硫化物在空气中易于燃烧，生成SO2，即：
S+O2══SO2
在此基础上，使SO2催化氧化，即可获得SO3，即：
2SO2+O2══2SO3
这就是说，制硫酸的化学途径由以上三个化学反应构成。
生产过程包括以下三个基本工序：
（1）由含硫原料制取SO2气体。
实现这一过程需将含硫原料焙烧，称为焙烧工序。
（2）将含SO2和O2的气体催化转化为SO3，称为转化工序。
（3）将SO3与H2O结合生成硫酸。
实现这一这程需将转化所得的SO3气体用硫酸吸收，称为吸煤序。
无论采用何时种原料、何种工艺和设备，以上三个工序是必不可少的。
但在工业实际生产中，还需要其它的辅助工序，含硫原料运进工厂后需贮存，要焙烧前需对原料加工处理，以达到一定要求。
焙烧最初得到的SO2气体中含有矿尘和气体杂质等，为避免堵塞管道设备和引起催化剂中毒，以及要求要转化前对SO2原料气进行净化和干燥处理。
成品酸要出厂前需要计量贮存，应设有成品酸贮存和计量装置。
另外，在生产中排出的有害废水、废气、废渣等，需要处理后才能排放，因而还需相应的处理装置。
总之，除以上三个工序外，再加上原料的贮存和加工，SO2原料气的净化和干燥，成品酸的贮存与计量，三废处理等工序才构成一个硫酸生产的完整系统。
二.设计简介
以上从总体上概述了硫酸性质、用途，以及生产的原料、原理和方法，本设计主要是硫酸生产中炉气干燥系统的设计，干燥是炉气净化、吸收系统的一部分。
当炉气经过净化工序除去砷、粉尘等杂质后，其中还有水蒸汽，水蒸汽会在SO2转化阶段与生成的SO3形成酸雾，阻止了SO3的吸收，降低了硫的利用率。
因此在转化工序前必须除去其中的水蒸气。
2.1干燥原理
净化工序清除矿尘，砷，硒，氟和酸雾后，还需清除气体中的水分，才能达到干燥的目的。
2.2.1干燥原理及工艺条件选择
水分在炉器气中以气态存在，应采用吸收方式进行清除。
浓硫酸具有强烈的吸水性，常用于气体干燥。
炉气的干燥就是将气体与浓硫酸接触来实现。
用浓硫酸吸收水分的过程，主要是气-液相的传质过程。
两相间的传质速率方程式可用下式表示：
G=K·F·△p
式中G—单位时间内被吸收的水蒸气量，kg/h;
F—两相间有效接触面积，m2；
△p—吸收过程的平均推动力，Pa;
K—吸收速度系数，Kg/（m2·h·Pa）.
当接触面积一定时，吸收速率取决于K和△p。
K主要与气液相对运动速率有关；△p主要与吸收酸浓度，温度等有关。
吸收过程中除考虑提高吸收速率，还应考虑保证干燥后炉气含水量小于0.1g/m3,尽量少产生或不产生酸雾，尽量减少二氧化硫在吸收酸中溶解量等几个方面。
2.2.2吸收酸浓度和温度的选择
硫酸液面上有水蒸气，硫酸蒸气和三氧化硫三个组分。
这三个组分在气相中的平衡分压主要与硫酸浓度和温度有关。
硫酸含量低于80%，温度100℃以下，硫酸液面上硫酸蒸气和三氧化硫极少，只有水蒸气存在。
硫酸含量超过80%以后，硫酸蒸气的含量逐渐增加，水蒸气含量下降；硫酸含量达到94%以上，温度达到100℃时，才有微量三氧化硫出现。
具体情况见表1。
为使炉气干燥到含水量低于0.1g/m3,硫酸液面上的水蒸气分压最高不能超过124Pa。
由表1可知，H2SO4含量取90%以上，温度低于60℃就可大大的低于该标准。
仅从减少水蒸气含量考虑，硫酸愈浓愈好，达到98.3%时液面上几乎没有水蒸气。
但是，H2SO4含量高于94%，硫酸液面上的H2SO4蒸气，SO3蒸气增多，易于炉气中水分生产酸雾，而且H2SO4含量越高，温度越高，生成的酸雾越多，如表2所示。
其次，在硫酸含量高于85%后，溶解的二氧化硫也随之增多。
当干燥酸作为产品酸引出或串入吸收系统循环酸槽时，二氧化硫亦随之带走，引起二氧化硫损失。
综上所述，干燥酸以93%-95%硫酸较合适，而且具有结晶温度较低的优点，可以避免冬季低温下，因结晶带来操作和运输上的麻烦。
从降低吸收酸液面上的水蒸气分压，提高干燥过程推动力，减少酸雾的生产量等方面考虑，希望干燥塔吸收酸温度尽量低些。
但是，吸收酸温度降低，二氧化硫溶解损失增加（有的工艺中设置一个二氧化硫吹出塔，以回收溶解在浓硫酸中的二氧化硫，但流程又变得复杂）。
此外，干燥塔酸温度规定的，太低必然会增加酸循环过程中冷却系统的负荷。
实际生产中，在冷却面积一定时，干燥塔进酸温度取决于冷却水温度及循环酸冷却效率。
通常进塔酸温度控制43-50℃
2.2.3喷淋密度的选择
在干燥塔中气-液相间传质属气膜扩散控制。
理论上，喷淋酸两只要保证塔内填料表面全部湿润即可。
但硫酸在吸水时由于被稀释，放出大量的热，使酸温度升高。
若喷淋酸量少，会使酸浓度过多下降，酸温度上升过高，从而降低干燥效果，导致产生酸雾。
据计算，由于吸收水分而使干燥酸中硫酸含量下降0.5%酸温相应提高12℃，因此，干燥塔喷淋酸量应根据塔的物料和热量恒算，以及容许的酸温和酸浓度变化范围来确定。
经验表明，以进出塔酸中硫酸的含量变化在0.5％-0.6%左右范围内为宜。
通常的喷淋密度范围是15-20m3/（m2/h）。
喷淋密度过大，不仅会增加气体通过干燥塔的压力降，也会增加循环酸量，此两项均会增加过多的动力消耗。
2.2.4气体流速
提高气体流速有利于提高气膜传质系数，但气速过高，通过塔的压降迅速增加，其间关系可用下式表示：
△P2/△P1=（w2/w1）2
式中△P1，△P2—填料塔内气体流速为w1,w2时的流体压力降。
同时，气速增加过大，使炉气带出酸沫量过多，甚至造成液泛。
目前干燥塔气速大多控制在0.7-1.0m2/s范围内。
应当指出，填料塔的操作气速和压力降，与所用的填料的类型，填料方式及喷淋两有关。
如大型制酸装置，采用阶梯环或矩按型填料，空塔气速取1.35-1.5m2/s（湿基）可大大提高填料塔的生产强度。
2．2干燥系统设计参数
1．工作日（天数）300天/年
2．原料气（入塔）组成
组分SO2SO3O2N2Ar
（干基）%90.311790.7
水的含量以入塔温度为准（该温度和压力下饱和水蒸气分压）
3．入口气温度：
35～40℃入口气压力：
-200～-400mmH2O
4．进口酸温：
40～50℃出口酸温：
50～55℃
△t酸=10～15℃
5．出口气温度：
50～60℃△t气=15～20℃
6．进口酸浓：
95～96%出口酸浓：
94～94.5%
△c酸=0.4%～0.6%
7．干燥率（除水率）：
99%或出口水含量≤0.2g/m3
8．空气组成
组成N2O2其他
含量%78211
9．每生产1吨成品酸（98%）消耗新鲜干气量用SO2转化为SO3的成酸率按98%～99%计算
10．干燥塔选型：
填料塔
11．填料选择：
拉西环，阶梯环，矩鞍环（特性数据）填料尺寸自选
12．堆积方式：
自选
13．进口干气密度：
1.13㎏/m3硫酸密度；1800㎏/m3
三.干燥流程与设备
3．1工艺流程
经净化出去杂质的试炉气及补加空气，在干燥塔内与塔顶喷淋的浓硫酸逆流接触，气相中的水分被浓硫酸吸收，经除沫器除去气体夹带的酸沫后进入转化系统。
干燥酸吸收水分后，温度升高，经酸冷却器冷却后进入酸储槽，再由蹦送入到塔顶喷林。
为维持干燥酸浓度，必须将吸收系统98%硫酸引入酸贮槽中，贮槽中酸由循环酸泵出口引出，作为产品酸送入酸库或引入回收塔循环酸槽。
3．2主要设备—填料塔
填料塔不仅广泛用于炉气的干燥，也用于炉气的洗涤和三氧化硫的吸收。
它具有操作稳定，压降低，对生产负荷变化适宜性强等优点，尤其适用于腐蚀性介质，在低阻力条件下，可在广泛范围内选择结构材料。
通常干燥塔上部为进料口及酸分布装置，中部为填料层，下部为进气口及分布装置。
分气装置可采用耐酸材料砌成拱行格栅，上面放箅子板作为填料的支架，亦可以放置尺寸较大的瓷环，瓷环直径由上往下逐渐减小。
在有些干燥塔的顶部还设有捕沫层。
影响填料塔效率的因素除本身的结构和操作管理等因素外，选择良好的填料至关重要。
目前硫酸生产中用的填料类型甚多，有矩鞍型填料，阶梯型及异鞍型填料等，大都具有良好的流体力学特性。
矩鞍型填料具有较多优点：
破碎率低；压力降低，仅为拉西唤的1/4左右；泛点气速高，所以已被中国硫酸厂广泛应用。
阶梯环的气体通过能力和异鞍型填料相当，传质效率高，抗污性能交好，也被广泛采用。
新型异鞍型填料在机械强度和通气能力高于一般矩形填料。
为除去气体夹带的酸沫和酸雾，在干燥塔上部设置一除沫器。
除沫器多采用丝网除沫器。
丝网除沫器可除去小于5微米的液滴，效率可达98-99%，丝网用不锈钢丝，耐酸合金钢，聚四氟乙烯丝，聚全氟乙丙烯等材料编织，外行有带状和网状两种。
四.物料衡算
4.1条件
进塔原料气组成
组成SO2SO3O2N2Ar总计
V％（干基）90.311790.7100
4．2选择计算数据
原料气进塔温度T1＝38℃出塔温度T2=55.5℃表压P=-300mmH2O
干燥硫酸进塔温度t1=40.5℃质量浓度W1=95%，摩尔浓度d1=77.73%
出塔温度t2质量浓度W2=94.5%,摩尔浓度d1=75.94%
ρH2SO4=1800Kg/m3ρ干气=1.13Kg/m3
4.3物料衡算
4.3.1原料气的流量
按年产10万吨98%的成品硫酸计，
每小时生产能力为
Q＝（10×103×104×98％）/（300×24×98）=138.889kmol/h
由二氧化硫生成硫酸得：
每小时消耗二氧化硫为：
（已知成酸率为98%）
Q1=Q/98%=138.889/98%=141.723kmol/h
由干气中二氧化硫的组成可得干气量为
G干气=Q1/9%=141.723kmol/h/9%=1574.704kmol/h
4.3.2原料气的压强
T=38℃时。
查表得水得饱和蒸汽压P*水＝6619.34Pa,算得原料气进塔绝压为
P=101.325-300×9.81/1000=98.385KPa
4.3.3水蒸气含量
y=P*/P=6.61934/98.385=0.06728
P干=P-P*水=98.385-6.619=91.766KPa
G水=G干气×P*水/P干=1574.704×6.619/91.766=113.582kmol/h
4.3.4进塔湿气组成
SO2的组成：
P干×9%/P=91.766×9%/98.385=8.4%
SO3的组成：
P干×0.3%/P=91.766×0.3%/98.385=0.28%
O2的组成：
P干×11%/P=91.766×11%/98.385=10.26%
N2的组成：
P干×79%/P=91.766×79%/98.385=73.68%
Ar的组成：
P干×0.7%/P=91.766×0.7%/98.385=0.65%
组成SO2SO3O2N2ArH2O总计
V％（湿基）8.40.2810.2673.680.656.73100
4.3.5气体总量计算
流量：
G干气＝1574.704kmol/h
进口湿气量：
G1＝G干气+G水=1574.704+113.582=1688.286kmol/h
吸收的水分量：
（干燥率以99%计）
△G=G水×99%=113.582×99%=112.452kmol/h
出口湿气量：
G2=G1-△G=1688.286-112.452=1575.834kmol/h
4.3.6干燥硫酸用量计算
由物料守恒计算进口酸L1和出口酸L2：
L1×d1=（L1+△G）×d2
L1×77.73%=（L1+112.452）×75.94%
计算得
L1=5213.998kmol/h
L2=L1+△G=5326.450kmol/h
4.4物料平衡表
入料
Kmol/h
出料
Kmol/h
原料干气
1574.704
干燥气
1574.704
水汽
113．582
水汽
1.136
贫液
5213.998
富液
5326.450
总计
6902.284
总计
6902.290
相差0.006Kmol/h，误差为
▽=（6902.284-6902.290）/6902.284=0.000869%
五.热量衡算
5.1原料气带入热量
低压时，真实气体可近似为理想气体，此时，Cp.m=Cp.m1，查表得：
组成SO2SO3O2N2Ar
％（干基）90.311790.7
Cp.m（KJ/kmol.k）39.9850.8430.05729.16520.804
查自《物理化学》（高等教育出版社）
干气体平均Cp.m1=（39.98*9+50.84*0.3+30.057*11+29.165*79+20.804*0.7）/100
=30.24KJ/kmol.K
38℃时，水蒸气的焓H1＝2564.86KJ/Kg
入塔处干气带入热
Q1=G干气Cp.m1T1=1574.704*30.24*（273.15+38）=14816667.08KJ/h
入塔处水气带入热
Q2=G水*H*M=113.582*2564.86*18=5243794.713KJ/h
5.2原料气带出热量
T2=55.5℃时干气的定压摩尔热容如下：
组成SO2SO3O2N2Ar
％（干基）90.311790.7
Cp.m（KJ/kmol.k）40.1651.1330.15629.26120.804
干气平均Cp.m2=
（40.16*9+51.13*0.3+30.156*11+29.261*79+20.804*0.7）/100=30.35KJ/kmol.K
55.5℃时，水蒸气的焓H2＝2601.0KJ/Kg
出塔处干气带入热
Q3=G干气Cp.m2T2=1574.704*30.35*（273.15+55.5）=15706928.35KJ/h
出塔处水气带入热
Q4=G水2*H2*M=113.582*1%*2601.0*18=53176.82KJ/h
5.3贫液带入热
查《硫酸工艺学》第22页图6知，95%的硫酸（贫液）的Cp.m为
Cp.m=0.36cal/（g.℃）=0.36*4.184.=1.51KJ/（Kg.℃）
95%的硫酸平均摩尔质量为
M1=95/98/（95/98+5/18）*98+5/18/（95/98+5/18）*18
=80.184g/mol
故贫液带入热为
Q5=L1*Cp.m*M1*t1＝5213.998*1.51*80.184*40.5＝25567634.43KJ/h
5.4硫酸的稀释热
硫酸的稀释热计算公式：
Q2－Q1＝n2*17860/（n2+1.7983）–n1*17860/（n1+1.7983）
n1,n2分别为稀释前后溶液中水分子与硫酸分子之比
查自《硫酸工学》（高等教育出版社）
n1＝5/18/（95/98）=0.28655
n2＝5.5/18/（94.5/98）=0.31687
算得稀释热为
Q6=0.31687*17860/（0.31687+1.7983）–0.28655*17860/（0.28655+1.7983）
=220.827卡/分子硫酸
=220.827*4.184*5213.998*77.73%
=4229908.888KJ/h
5.5水分液化放热Q7
水蒸气被干燥硫酸吸收前，先液化成水，放出热量。
水的汽化潜热r＝2258KJ/Kg,则算出Q7＝r*△G*MH2O
＝2258KJ/Kg×112.452kmol/h×18g/mol
＝4570499.088KJ/h
5.6硫酸出口温度t2的计算
进口热量总量Q入＝Q1+Q2+Q5+Q6+Q7
＝14816667.08+5243794.713+25567634.43+
4570499.088+4229908.888
＝54428504.2KJ/h
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