硫酸生产工艺.docx
《硫酸生产工艺.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硫酸生产工艺.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
硫酸生产工艺
年产10万吨硫酸的工艺设计
1设计任务书
1.1项目
硫酸生产的工艺设计
1.2设计内容
1.2.1生产工艺设计
1.2.2设计转化吸收塔
1.3设计规模
1.3.1年产：
10万吨
1.3.2年生产日：
300天
1.3.3日生产能力：
10/300=333吨/天
1.4设计依据
该设计说明书是依据湖北远大富驰医药化工股份有限公司的生产技术资料的基础上，并结合设计任务书的内容年产10万吨硫酸技术要求。
1.5产品组成、性质及用途
1.5.1硫酸组成【1】
硫酸（英文名：
Sulphuricacidforindustrialuse），H2SO4或SO3·H2O，相对分子质量98.078，是指SO3与H2O摩尔比等于1的化合物，或指100％H2SO4，外观为无色透明油状液体，密度（20℃）为1.8305g/㎝³。
工业上使用的硫酸是硫酸的水溶液，即SO3与H2O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，逸出的SO3与空气中的水分结合形成白色酸雾，故称之为发烟硫酸。
硫酸或发烟硫酸的浓度均可用H2SO4质量分数表示,习惯上浓度≥75%的硫酸叫做浓硫酸，而把75%以下的硫酸叫稀硫酸。
但发烟硫酸的浓度常用其中所含游离SO3（即除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换算：
CH2SO4=1.225 CSO3（t）=100+0.225 CSO3（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，％。
表1几种典型浓硫酸的组成
名
称
SO3/H2O摩尔比
H2SO4质量分数/％
SO3质量分数/％
游离
总和
92％硫酸
98％硫酸
100％硫酸
20％发烟酸
65％发烟酸
0.680
0.903
1
1.30
3.29
92.00
98.00
100.00
104.50
114.62
——
——
——
20
65
75.10
80.00
81.63
85.30
93.57
1.5.2硫酸的物理性质
表2主要物理性质
物理性质
性质参数
20℃时，密度/g/cm3
1.8305
溶解热（100%）/KJ/mol
10.726
熔点，℃
10.37±0.05
比容热（25℃）/J/（g﹒k）
98.5%1.412
99.22%1.405
100.39%1.394
沸点/℃
100%275±5
98.47%（最高）326±5
汽化潜热（326.1℃），KJ/mol
50.124
（1）100%H2SO4在20℃时的密度为1.8305g/cm3，其密度随温度的改变而变化。
（2）在一定程度上，硫酸的密度随其浓度的升高而增大，当浓度为97%时，密度出现最大值。
然后，硫酸的密度随浓度的升高而降低，当浓度为100%时，出现密度的最小值。
（3）硫酸的沸点和蒸汽压有独特的变化规律。
在常压下，硫酸的沸点随浓度的增加而升高。
当H2SO4含量达98.479%时，沸点最高。
随后沸点逐渐降低，与沸点的变化相适应，在常压和同一温度下，硫酸液面上的蒸汽压随浓度的升高而降低。
（4）硫酸的粘度随温度的升高而降低。
对于浓硫酸，温度的影响特别明显。
（5）硫酸的结晶温度随其浓度的不同而有较大的变化，其变化关系是不规则的。
表3常用硫酸的结晶温度
硫酸浓度（重量）/%
结晶温度/℃
10
76
93
98.5
-4.7
-22.2
-27
+1.8
（6）硫酸的沸点和蒸汽压有独特的变化规律。
常压下，硫酸的沸点随浓度的增加而升高。
当H2SO4含量达98.479%时，沸点最高，随后沸点逐渐降低。
与沸点的变化相同，在常压和同一温度下，硫酸液面下的蒸汽压随浓度的升高而降低，直到沸点最高的浓度98.479%，此时，硫酸液面上的蒸汽压最低。
1.5.3硫酸的化学性质
1、硫酸是一种二元强酸。
它有中性盐（硫酸盐）和酸式盐（硫酸氢盐）。
2、浓硫酸是强氧化剂，特别在加热时，能氧化很多金属和非金属。
浓硫酸与发烟硫酸、三氧化硫、氯磺酸都是磺化剂，它们可以把磺酸基（—SO3H）引入有机化合物。
3、根据还原剂的不同，硫酸可以被还原为SO2、S和H2S。
4、浓硫酸是强脱水剂，对于有机物和人的皮肤有强烈的破坏作用。
5、浓硫酸与硝酸混合组成硝化剂，广泛应用于有机化合物的硝化过程。
6、吸水性：
浓硫酸能和水结合为一系列稳定的水化物，常用来作为干燥剂。
7、稀硫酸中的硫原子通常不具有强烈的氧化剂。
稀硫酸只能氧化按电动序排列在氢左面的金属。
例如：
稀H2SO4与Fe反应，生成Fe2SO4和H2。
1.5.4硫酸的用途
硫酸的用途十分广泛，作为重要的化工基本原料之一，广泛应用于化工、国防、冶金、医药、石油、纺织等各个工业部门。
硫酸主要用于生产化学肥料合成纤维、涂料、洗涤剂、制冷剂、饲料添加剂和石油的精炼、有色金属的冶炼以及钢铁、医药和化学工业。
在化肥工业方面，使用大量的硫酸用于生产磷酸、磷铵、过磷酸钙及硫酸铵，其消耗量占硫酸产量的50%～60%。
在冶金工业中，用硫酸作为钢铁表面氧化皮的清洗剂；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。
在农药、除草剂杀鼠剂的生产中亦需要硫酸；在有色金属的生产中，用硫酸配制电解液用于精制各种金属；某些贵重金属的精炼也需用硫酸溶去夹杂的其他金属。
在有机合成工业中，硫酸用于各种磺化反应和硝化反应。
在石油工业中，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。
在火药及国防工业中，浓硫酸用于制制取硝化甘油、硝化纤维、三硝基甲苯等炸药；原子能工业中用于浓缩铀。
1.6产品质量规格
规格：
92.3%、98%两种硫酸。
表4工业硫酸的国家标准（GB/T534-2002）
指标名称
特种硫酸
优等品
一等品
合格品
硫酸含量/%
92.5或98.0
92.5或98.0
92.5或98.0
92.5或98.0
灰粉含量/%
0.02
0.03
0.03
0.10
铁含量/%
0.005
0.01
0.01
0.01
砷含量/%
0.00008
0.0001
0.005
0.005
铅含量/%
0.001
0.01
0.01
0.01
汞含量/%
0.0005
0.0005
0.0005
0.0005
氮氧化物含量/%
0.0001
0.0001
0.0001
0.0001
二氧化硫含量/%
0.01
0.01
0.01
0.01
氯含量/%
0.001
0.001
0.001
0.001
透明度/mm
160
50
50
50
色度/ml
1.0
2.0
2.0
2.0
（工业标准：
车间空气卫生标准:
中国MACH2SO4及SO32mg/m3；）
1.7原料方案
原料：
硫铁矿
表5原料标准及规格
含硫量
含水量
含砷量
含氟量
含碳量
矿石粒度
含Pd+Zn量
≥25％
≤10％
＜0.2％
＜0.1％
＜8％
≤3㎜
＜01％
1.8工艺技术指标
表6工艺技术指标
烧出率
≥98.5％
净化收率
≥96.5％
转化率
≥98.0％
吸收率
≥99.95％
产酸率
≥94％
风机出口酸雾
≤0.03g/Nm³
风机出口水分
≤0.1g/Nm³
风机出口矿尘
≤0.005g/Nm³
风机出口含砷
≤0.001g/Nm³
风机出口含氟
≤0.001g/Nm³
入炉矿石含硫
≤25％
入炉矿石含水
≤10％
灰渣含硫
≤0.5％
污水总碱度
≤2g/L
进转化器SO2浓度
6.5％—9.5％
尾气SO2浓度
≤0.08％
干燥酸浓
93％—98％
吸收酸浓
97％—99％
成品酸浓
≥97％
触媒容积利用系数
3.6t/（m³·日）
钒触媒消耗
90g/m³
矿尘（折标矿）
975Kg/t酸
电耗
87度/吨
锅筒压力
1.6—205MPa
分气缸压力
0.6—0.8MPa
炉水PH值
10—12（25ºC）
炉水磷酸根
10—30mg/L
1.9生产方式
该生产设计用焙烧炉、旋风分离器、合成塔、转化塔、吸收塔等设备进行连续处理。
2工艺线路及流程设计
2.1硫酸的工艺基础
2.1.1生产
2.1.2硫磺制酸【2,3,4】
空气经鼓风机加压后送入干燥塔，用浓硫酸干燥。
干燥空气在焚硫炉内与喷入的液体硫磺反应，生成SO2（g）高温气体直接进入废热锅炉，气温降到合适于进转化器温度，进入转化器。
采用3+1的方式转化吸收。
以硫磺为原料制酸，其炉气无需净化，适当降温后，便可进入转化工序，然后经吸收成酸。
该过程无废渣，污水排出，流程简单。
但是硫磺制酸时应控制制酸的整个过程的管道保持在适应的温度，否则硫磺冷却会堵塞管道。
2.1.3冶炼烟气制酸【4,5,6】
有色金属矿多以硫化物形态存在,在冶炼过程中有SO2烟气生成。
因此也可以用冶炼烟气制酸。
其中最理想的气源是炼铜和炼锌气源。
一般情况下，冶炼烟气中的杂质可分为灰尘、烟雾和挥发性金属三种。
如果这些杂质去除的不彻底，不仅直接影响成品酸的质量，还会堵塞电除雾器，污染催化剂，并加速管道、设备的腐蚀。
所以，利用冶炼烟气制酸同硫铁矿炉气制酸具有相似的工序，即净化、干燥、转化、吸收，而且所用的工艺和设备亦基本相同。
然而，冶炼烟气中含有挥发性金属及含尘量大是其一大缺点。
2.1.4H2S湿法催化氧化制造硫酸
燃烧硫化氢气得湿SO2炉气，用湿法催化氧化，冷凝成酸。
H2S+1.5O2==SO2+H2O
硫化氢在氧气中的最低着火温度为220℃；在空气中的最低着火温度为292℃.燃烧后的产物为SO2和水蒸气，同时还有一定量得一氧化硫（SO）中间产物，SO随即氧化成S2O，当当氧不足时，SO分解成SO2及硫磺蒸汽。
2.1.5不同原料制酸的评比【4,7,8】
表7各原料生产硫酸的特点
原料
工厂布局与其他工业的关系
生产流程特点
排出物及综合利用情况
天然硫磺
可单独设厂，或与消费硫酸的某行业联合在一起
原料处理简单，无净化炉气工序，便于自控
无废渣、废水排出
硫铁矿
可单独设厂，或与消费硫酸的某行业联合在一起
原料处理复杂，需炉气净化，流程复杂
排出烧渣可以炼铁或作水泥配料，酸泥可提取硒等。
有污水或污酸排出
冶炼烟气
硫酸车间附设于冶炼厂内，并要求与冶炼车间距离较近
没有原料处理和焙烧工序其余基本与硫铁矿制酸相同；炉气浓度波动大，受冶炼车间制约
无废渣排出有污水或污酸排出
有色金属硫化物
硫酸车间附设于冶炼厂内
与硫铁矿制酸相同
烧渣用于冶炼有色金属。
有污水或污酸排出
硫化氢气
硫酸车间附设于H2S回收工厂内
流程简单
无废渣、废液排出；高浓度H2S制酸热能可回收
2.2工艺路线选择
由于我国硫磺含量较少，大量硫磺从国外进口，而含有大量的硫铁矿，所以选用硫铁矿制硫酸。
2.3流程的设计
2.3.1工艺路线示意图
FeS+O2==Fe2O3+SO2
SO2+O2==SO3
SO3+H2O==H2SO4
2.3.2总工艺流程图（见附件一）
2.3.3工艺流程[1]
硫酸的制备可分为以下几个基本工序：
第一，有含硫原料制取含二氧化硫的气体。
实现这一过程需将含硫原料焙烧，故工业上称之为“焙烧”。
第二，将含二氧化硫和氧的气体催化转化为三氧化硫。
工业上称之为“转化”。
第三，将三氧化硫与水结合成硫酸。
实现这一过程需将转化所得三氧化硫气体用硫酸吸收，工业上称之为“吸收”。
但是，工业上具体实现他们还需其他辅助工序。
首先，含硫原料焙烧前需进行加工处理，以达到一定的要求。
其次，得到的二氧化硫气体具有高温及含有矿尘、杂质等，为达到催化剂对二氧化硫气体所需的温度和所含杂质的要求，以避免矿尘堵塞管道设备等，要求在转化强增设对二氧化硫气体降温和净化的工序。
另外，在生产中排出的有害物质如废水、废气、废渣等，需进行处理后才能排放，因而还需设三废处理装置。
2.4工艺操作设计
2.4.1原料的预处理与焙烧
流程如下：
硫铁矿在进行焙烧前为了使其达到合理的要求应进行破碎、筛分（矿石破碎后，其中只有一部分达到粒度要求，因此在破碎过程中要求进行筛分，将合格的矿石通过震动筛与粗粒度矿石分离。
筛下合格部分送至成品贮仓或焙烧炉矿斗。
筛上部分重新返回破产）、配矿（把产地和组成不同的硫铁矿混合成各项指标达所需要求的硫铁矿）和脱水（通过焙烧后的热矿渣蒸干湿狂中的水分以达到含水量的要求）等工序。
处理好的原料通过传送带送入焙烧炉，以传送带的转速（300~350转/分）及传送带上矿的厚度来控制进入焙烧炉的硫铁矿的流量。
2.4.2汽包工序
工艺如下：
从焙烧炉出来的含二氧化硫的气体同过管道进入汽包与汽包内的软水（不含Ca2+、Mg2+和O2的水）进行换热降低气体的温度以防止高温气体对管道的腐蚀。
其中气体走内的管道。
2.4.3净化工序
流程如下：
通过汽包降温的混合气从进入一级旋风除尘器使大量的粉尘从除尘器底部掉下，气体从一级旋风除尘器出来后从文氏管上部进入，当气体流到文氏管喉颈时，气体高速运动，把从颈部射入的液体冲击粉碎成雾状，气液接触相互湍动混合从而对气体进行降温。
另外，气流中的尘粒在气体绕流液体时被巨大的惯性力带到液滴上而被捕获，达到除尘的目的。
而文氏管出来的气体由泡沫塔的下部进入同时水从其上部进入如气体形成逆流从而对气体进行净化。
而后气体进入电除雾通过静电原理被进一步净化，最后用经阳极保护器（控制酸上的温度达到所需的要求及防止酸易腐蚀设备）后95%的浓硫酸对气体进行干燥。
2.4.4转化吸收工序
采用3+2型两转两吸的方式对气体进行转化吸收，使SO2的转化率大97.5%~98%，吸收率也可达99.95%。
其流程为：
气体从干燥塔出来后进入除沫器清除干燥塔中产生的泡沫再从依次流经3A#、3B#、1#列管式换热器外层进行热交换，热交换后的气体通过电炉加热到SO2转化所需的温度后从转化塔的上部进入转化塔的第一层转化，转化后气体从第一转化层下部出来流出进入1#换热器的内层与外层的SO2进行热交换，热交换后气体从第二转化层上部进入通过第二次转化后气体从第二转化层下部流入2#换热器内层，接着再从此换热器通过转化器第三转化层上部流入转化器进行第三次转化，转化后的气体依次流入3B#、3A#换热器的内层，然后气体从第一吸收塔的下部进入第一吸收塔并与储酸槽中输出进过阳极保护器的浓硫酸进行逆流吸收。
吸收后的气体依次流入5A#、5B#、4#、2#换热器的外管道，再经电炉加热到SO2转化所需的温度后由第四层转化的上部流进转化器进行第四次转化，转化后的气体通过第四层转化的下部进入4#换热器的内层，然后在从第五层转化器的上部进入第五层转化器进行第五次转化，第五次转化转化后的气体依次流经5B#、5A#换热器的内层后由第二吸收塔的下部流进第二吸收塔并与与储酸槽中输出进过阳极保护器的浓硫酸进行逆流吸收。
剩余的尾气进行尾气处理后排放。
此方法的优点有如下几点：
最终转化率高，转化反应速度快。
即可满足越来越高的环保要求及提提高硫的利用率，而且又不使催化剂用量比一转一吸多。
能够处理SO2含量较高的气体。
由此提高生产能力。
减少尾气危害。
两转两吸流程的尾气中SO2含量低于0.0328%，仅为一转一吸流程尾气中SO2含量0.35%的1/10
但两转两吸也有其缺点:
由于增设中间吸收塔，转化其温度由高→低→高，整个系统热量损失大。
两次转化较一次转化增加了一台中间吸收塔及几台换热器，阻力比一次转化流程大。
3物料横算
3.1转化—吸收系统的物料衡算
工厂生产能力：
10吨/h（以100%H2SO4计）
SO2转化率x：
98%
发烟硫酸吸收塔中SO3的吸收率y：
50%
吸收工段总吸收z：
99.95%
发烟硫酸吸收塔的喷淋酸SO3总含量C烟：
85.3%
浓硫酸吸收塔的喷淋酸中H2SO4含量C浓：
98%H2SO4
进转化器前标准状况下气量（m3/h）
SO2
2333.6
O2
2220
N2
21460
当地大气压P
1×105Pa
进入转化器前的混合气中SO2含量a
7%
进入转化器的气体总量（标准状况）：
V=VSO2∕a=2333.6∕0.07=33337m3/h
在转化塔前补充空气量（标准状况）：
33337-（2333.6+2220+21460）=7323.4m3/h
加入空气中含有
O27323.4×0.21=1537.9m3/h
N27323.4×0.78=5712.3m3/h
随同补入的空气带入的水蒸气含量VH2O（标准状况）：
（7323.4×2.34×103×0.5）∕（1×105-2.34×103×0.5）=86.7m3/h
式中2.34×103为20ºC下的饱和水蒸汽压（单位Pa）。
则进入转化塔的气体中O2、N2的总量分别为：
VO2=2220+1537.9=3757.9m3/h
VN2=21640+5712.3=27172.3m3/h
转化部分生成的SO3为：
VSO3=VSO2x=2333.6×98%=2286.9m3/h
或WSO3=8167.5kg/h（由PM=ρRT得ρ=3.57kg/m3）
换算成标准发烟硫酸的产量：
8167.5∕0.853×0.9995=9570.3kg/h
在发烟硫酸吸收塔中被吸收的SO3量：
8167.5×50%=4083.8kg/h
在浓硫酸吸收塔中被吸收的SO3量：
8167.5×0.4995=4079.7kg/h
送入发烟硫酸储槽与SO3化合的98%H2SO4的量Ym，可根据发烟硫酸储槽中SO3的平衡来定。
0.8Ym+4083.8=0.853（Ym+4083.8）
解得:
Ym=11326.8kg/h
尾气中
SO22333.6×（1-98%）=46.7kg/h
SO32286.9×（1-99.95%）=11.4kg/h
4发烟硫酸吸收塔的设计
4.1发烟硫酸吸收塔的计算
采用三快泡沫塔（淋降式），钢制，选用参数如下：
气体进塔温度为：
160℃，气体出塔温度：
60℃
筛板小孔按菱形（等边三角形）排列：
下部第一块筛板小孔直径8mm，孔间距17mm
自由截面积So1=90.7%×（8/17）2=20%
上部第二块筛板小孔直径6mm，孔间距13mm
自由截面积So2=90.7%×（6/13）2=19%
淋洒酸量：
1892.53m3/h，空塔气速（平均）2.8 m/s
塔径D=
=6.54m（采用
）
塔截面积：
F=0.785×6.62=34.19m2
自由截面积S1=34.19×20%=6.839m2
自由截面积S2=34.16×19%=6.599m2
小孔数：
n1=6.839/（0.785×0.0082）=136127个
n2=6.559/（0.785×0.0062）=233511个
孔眼操作气速：
下部筛板：
W=108.95/6.839=15.9m/s
上部筛板：
W=108.95/6.599=16.5m/s
筛板一般用厚度为5mm的A3钢板制作，分层加固在外壳上。
塔高：
从实际角度应分段累加，则：
塔下部空间：
4500mm
除沫层：
800mm
板间距：
3750×2=7500
塔上部空间：
600mm
板上部空间：
1600mm
合计：
15000mm
4.2发烟硫酸吸收塔的设计结构图
5设备一览表
表8设备一览表
序号
设备名称
规格、型号
数量（台）
备注
1
炉前给料皮带
B=800L=16000
2
2
炉前风机
V800-12A配用电机500KWH=19.61KPa
1
定型设备
3
沸腾炉
￠5000
1
非标加工
4
废热锅炉
FR15-3.82-450
1
定型设备
5
旋风除尘器
2000×10200H24型
2
非标加工
6
文氏管
1
定型设备
7
泡沫塔
1
定型设备
8
电除雾
1
定型设备
9
干燥塔
￠4000×13000
1
定型设备
10
阳极保护器
F=220m2、200m2、150m2
3
定型设备
11
浓酸泵
Q=300m3/h
3
定型设备
12
浓酸循环槽
￠3000×8000
3
非标加工
13
SO2风机
D1100-13配用风机1000KW
1
定型设备
14
转化器
￠6000×19000
触煤装填量120m3
定型设备
15
换热器
6
定型设备
16
吸收塔
2
定型设备
17
加热电炉
2
定型设备
6车间防护
6.1有毒害性物质的防护
由于硫酸生产过程是在密闭系统中进行的，在泄漏率得以严格控制的条件下，有毒有害物质对人体的危害相对较小，发生毒害性危险一般是设备发生泄漏检修时，以及停车进入盛装过有毒害物质的设备时，硫酸生产中对人体毒害性最具危险性的物质是SO2、SO3和H2SO4，这三种物质的车间排放最高浓度分别是10%、10%及硫酸的泄露，对有毒有害物质的防护应建立监测机构，定期进行测定，对连续超标环境下的操作人员要定期检查身体，建立健康档案，并对有毒害物质连续超标的岗位完善防毒措施，进入有毒害物质的容器工作前，应做好通风、置换工作，加强气体分析，备有足够数量的防护器具，加强监护工作。
6.2泄漏应急处理
应急处理：
迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入，建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防酸碱工作服，不要直接接触泄漏物，尽可能切断泄漏源，防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。
小量泄漏：
用砂土、干燥石灰或苏打灰混合，也可以用大量水冲洗，洗水稀释后放入废水系统。
大量泄漏：
构筑围堤或挖坑收容，用泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处置。
6.3急救措施
皮肤接触：
立即脱去污染的衣着，用大量流动清水冲洗至少15分钟，就医。
眼睛接触：
立即提起眼睑，用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟，就医。
吸入：
迅速脱离现场至空气新鲜处，保持呼吸道通畅。
如呼吸困难，给输氧，如呼吸停止，立即进行人工呼吸，就医。
食入：
用水漱口，给饮牛奶或蛋清，就医。
6.4噪声的防护
在生产中产生的不同频率和强度的声波无规律地杂乱组合形成对人体干扰、危害的声音称为噪声，噪声对人体的危害主要是听觉、神经、心血管等系统，生产车间地点噪声容许标准为85dB（A），现有企业暂时达不到此标准可放宽至不超过115dB（A）（每天接触时间不超过1h）。
在噪声的防护上主要应在设计施工时要考虑到，采取吸声、消声、隔声和隔振等措施，工人操作场所应加强噪声防护，可选用防噪耳塞和防噪声耳罩。
对噪声岗位做好操作人员的体检工作。
6.5生产要求
该车间为硫酸车间，
升级会员 