硫磺制酸转化工段工艺设计.docx

1、200kt/a 硫磺制酸转化工段工艺设计200kt/a 硫磺制酸转化工段工艺设计目录第一章 绪论11.1. 硫酸的性质与用途11.2. 硫酸的工业发展史21.3. 硫酸的工业概况及其发展趋势31.3.1. 国外硫酸工业概况及其发展趋势31.3.2. 中国硫酸工业概况及其发展趋势4第二章 厂址的选择7第三章 原料的选择93.1. 原料的选择93.2. 硫磺制酸的优点93.3. 硫磺的来源10第四章 转化工段工艺设计124.1. 基本原理124.1.1. 二氧化硫氧化热力学124.1.2. 二氧化硫氧化动力学124.2. 工艺流程144.2.1. 工艺流程的确定144.2.1.1. 二转二吸与一转

2、一吸144.2.1.2.3+1与3+2转化工艺的主要区别154.2.1.3.工艺流程的确定174.2.2. 工艺条件184.2.2.1. 转化器一段入口条件中二氧化硫含量184.3. 工艺设备204.3.1. 转化工段的主要工艺设备204.3.2. 自动控制方案224.4 工艺计算234.4.1. 物料衡算244.4.2. 能量衡算26第五章 环境保护与安全生产335.1. 环境保护335.2. 安全生产33第六章 总结34致谢36参考文献3840第一章绪论1.1 硫酸的性质和用途1,2硫酸(H2SO4)相对分子质量 98.078，是指 SO3 与 H2O 的摩尔比等于 1 的化和物，或指 1

3、00%H2SO4。外观为无色透明油状液体，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 摩尔比1 的物质。发烟硫酸是 SO3 的硫酸溶液，SO3 与 H2O 的摩尔比1 的物质，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， 固称之为发烟硫酸。硫酸或发烟硫酸的浓度均可用 H2SO4 质量分数表示。但发烟硫酸的浓度常用其中所含游离 SO3（即除 H2SO4 也外的 SO3）或全部的 SO3 质量分数表示。不同表达方式的硫酸浓度可用也下公式相互换算：2433CH SO =1.225CSO(t)=100+0.225

4、CSO(f)3324CH SO H2SO4 的质量分数，%； CSO(t)SO3 的质量分数，%； CSO(f)游离 SO3 质量分数，%。表 1.1硫酸的组成名称SO3/H2O 摩尔比H2SO4 质量分率H2SO4 质量分数/%游离中和92%硫酸0.68092.0075.1098%硫酸0.90398.0080.00100%硫酸1100.6381.6320%发烟酸1.30104.502085.3065%发烟酸3.29114.626593.57几种典型浓度硫酸的组成如上表 1.1 所示。硫酸是强酸之一，具有酸的通性。但浓酸有其特殊的性质。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

5、压极低等特性；化学方面，有氧化，脱水和磺化的特性，有关物理，化学性质及有关数据可查阅文献。硫酸的用途非常广泛，无论在工业部门，还是在发展农业生产，满足人民物质生活需要，加强国防力量，都起非常重要作用。硫酸在大宗生产的化学品中产量居于前列，最重要的是化工原料之一。硫酸最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。在中国，硫酸产量的 60%以上用于生产磷肥和复肥。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。在石油工业中，石油精练需使用大量硫酸作为洗涤剂，以除去石油产品中不饱和烃和硫

6、化物等杂质。在冶金工业中，钢材加工及成品的酸洗要用硫酸；电解法精练铜，锌，镉， 镍时，电解液需使用硫酸；某些贵金属的精练亦需用硫酸液去夹杂的其它金属。在火炸药及国防工业中，浓硫酸用于制取硝化甘油，硝化纤维，三硝基甲苯等炸药。原子能工业中用于浓缩铀。运载火箭所用燃料亦离不了硫酸。1.2 硫酸的工业发展简史1,28 世纪左右，阿拉伯人干馏绿矾（FeSO47H2O）得到一种腐蚀性液体，该液体即为硫酸。15 世纪后半叶，有人将硫磺与硝石一起在潮湿的空气中焚烧， 制得稀硫酸。16 世纪初，在波西米亚（Bohemia）开始以硫酸铁干馏法制造发烟硫酸。1570 年，G 窦纳阿斯(Donaeus)阐明了硫酸的

7、多种性质，此后人民才真正认识了硫酸。1740 年前后，英国人 J沃德(Ward)在玻璃器皿中燃烧硫磺和硝石混合物，并将产生的含二氧化硫，氮氧化物及氧气的混合气体与水反应制成了硫酸。1746 年，英国人 J罗巴克(Roebuck)依照以上方法，在伯明翰建成一座 6 英尺见方的铅室，以间歇方式制造硫酸。成为世界上最早的铅室法制酸工厂。1810 年，英国人金赫尔克开始采用连续方式焚硫，这是连续法生产硫酸的开端。此后，铅室法在发展中不断得到完善。其中，法国著名科学家盖吕萨克(Gaylussac)于 1827 年提出在铅室后设置吸硝塔；英国人 J格洛弗(Glover)于 1859 年提出在铅室前设置脱硝

8、塔。这两项技术的结合使用实现了氮氧化物的循环，至此铅室法工艺基本成熟。早期的铅室制酸厂，所用原料为硫磺。19 世纪 30 年代，英国和德国相继开发成功以硫铁矿为原料的制酸技术。之后，利用冶炼烟气制酸亦获成功。1911 年，奥地利人 C奥普尔(Opl)以塔替代铅室，在赫鲁绍建成了世界上第一套塔式法制酸装置。自此，硫酸工业的发展进入塔式法时代。1923 年，H彼德森(Peterson)在匈牙利乌扎罗尔建成 1 塔脱硝，2 塔成酸，4 塔吸硝的七塔式装置，并对酸循环流程和塔内气液接触方式进行了改进，使生产效率有较大的提高。铅室法和塔式法制酸均以氮氧化和物为媒介，使 SO2 在 O2 及 H2O 存在

9、的情况下生成硫酸，因此又称之为硝化法。硝化法制得的硫酸(H2SO4)含量低（78%H2SO4）,杂质含量高（主要含有尘及氮氧化合物），且需耗用大量硝酸或硝酸盐，远远满足不了染料、化纤、有机合成、石油化工等部门的要求。因此， 此法的发展受到限制。1831 年，英国人 P菲利普斯（Philips）提出在铂丝过铂粉上进行 SO2 转化制 SO3 的方法，后人称之为接触法。1875 年开始在工业上应用。19 世纪末 20 世纪初，相继建成一些接触法制酸装置。但是，以铂为催化剂的接触法，酸成 本较高，尽管酸的需求量日益增大，限于经济原因，该项技术的发展较为缓慢， 硝化法仍占优势。钒化合物作为 SO 2

10、转化催化剂是由 R.耶尔斯（Meyers）于 1899 年提出的。1913 年，德国 BASF 公司开发出添加碱金属盐的钒催化剂，使催化剂达到了铂催化剂的水平，而且价格低、不易中毒。此后，在世界范围内，钒催化剂很快取代了铂催化剂的地位。在硝化法和接触法的竞争中，由于钒催化剂的广泛应用，接触法占明显优势，从此硝化法逐渐被淘汰。第二次世界大战后，硫酸需求量迅速增加，硫酸工业发展逐渐加快。生产技术的发展主要表现为：生产装置的大型化，开发和采用生产强度更高的新型反应技术和新型单元操作设备，生产控制自动化，节能与废热利用，新型材料的采用等。20 世纪 50 年代初，德国和美国同时开发成功硫铁矿沸腾焙烧技

11、术；1964 年，德国拜耳公司首先采用两转两吸技术；1971 年，德国拜耳公司又首先建成一座直径 4m 的沸腾床转化器；1972 年，法国尤吉纳-库尔曼公司建成第一座以硫磺为原料的加压法装置，装置操作压力为 0.5Mp,日产酸 550t(100%H 2 SO 4 )；20 世纪 80 年代初，前苏联学者提出非稳态转化器，1982 年实现工业化。其它还有：低温位废热利用的发展，环状及含铯低起活温度新型催化剂的应用，三废治理及综合利用等，都标志着硫酸生产技术的进展。1.3 硫酸工业概况及其发展趋势1.3.1 国外硫酸工业概况及其发展趋势3,4,5接触法制硫酸几乎是目前世界上硫酸工业的唯一生产方法。

12、其原料为能够产生二氧化硫的含硫物质，一般有硫磺、硫化物、硫酸盐、含硫化氢的工业废 气（包括冶炼烟气）等。在不同国家中，由于本国含硫资源的不同，生产硫酸 的原料路线有很大的差异，且所用原料的比重随硫资源的供给情况也有所调整。相对而言，硫磺资源较丰富，制酸过程简单，且经济效益好，以硫磺为原料制 酸占总酸量的绝大多数。近年来全世界的硫酸产量中，硫磺制酸约占 65%，硫铁矿制酸约占 16%，其它原料制酸约占 19%。自从接触法硫酸生产工艺出现两转两吸技术以来，硫铁矿制酸的基本工艺过程没有大的改变，仍为沸腾焙烧、电除尘、酸洗净化、电除雾、塔式干吸、两转两吸。硫酸工业提高劳动生产率、降低成本、减少污染的进

13、展主要在以下几方面:装置的大型化。装置的大型化可以显著降低成本和提高劳动生产率。因此，小型工厂正逐渐被大型工厂取代，发达国家新建装置的规模一般为300900kt/a.目前，硫酸大部分的产量是由 300kt/a 以上的装置生产。设备结构和材质的改进。改进设备结构可增强设备生产强度、减小设备尺寸、降低损耗、延长寿命，降低建设投资和运行费用。其中新材质的应用为设备性能的提高，结构的改进和新技术应用提供了保证。这方面的进展是近 20 年硫酸工业技术发展的主要表现。节能与废热利用。20 世纪 70 年代广泛利用了含硫原料燃烧热，以及SO2 转化的反应热产生蒸汽发电，其电量出、除满足本身需要外，一半左右的

14、电能向外输送。对于硫磺制酸装置，热利用率可达到 65%70%。80 年代初开发了HRS 低温位热量回收系统，使废热利用率达到 90%以上。为了节省系统动力，普遍提高了原料气中 SO2 浓度，广泛采用了环状催化剂、大开孔率填料支承结构、新兴填料等技术。生产的计算机管理。在新建厂中，普遍采用计算机集散控制系统(DCS) 和计算机管理系统，以确保装置运行稳定和达到最优操作状态。减少污染物排放，保护环境。目前，国外除了广泛采用两转两吸工艺提高 SO2 的转化率，以及净化几乎全部为酸洗外，为进一步使转化率达到 99.9%以上，愈来愈多的装置使用高活性含铯催化剂和“3+2”五段催化层。据称，该工艺既能降低

15、成本又能达到严格的排放标准。可以预见，接触法硫酸生产将向增加能量回收、减少排放和降低成本的方向发展，其手段仍然主要依赖以上五个方面。此外,多年来在 SO2 沸腾转化、加压转化、非稳态转化等方面的研究成果， 为接触法硫酸生产技术的发展提供新的契机。引人注目的是,新近美国拉尔夫- 帕森斯(Ralph-Parsons)公司开发的纯氧非催化法生产工艺和俄罗斯等国开发的利用核能同时 H2SO4 和 H2 的工艺为硫酸生产开辟了新天地。1.3.2 中国硫酸工业概况及发展趋势1,3,4,6硫酸工业是中国化学工业中建立较早的一个部门。1874 年天津机器制造局三分厂建成中国较早的铅室板装置,1876 年投产,日产硫酸约 2 吨,用于制造无烟火药。1934 年,第一座接触发装置在河南巩县兵工厂分厂投产。1949 年以前, 中国硫酸最高年产量为 180Kt(1942 年),硫酸厂 20