产万吨硫酸转化系统工艺设计方案.doc

产万吨硫酸转化系统工艺设计方案332020年4月19日文档仅供参考目录摘要：1ABSTRACT:1第一章文献综述2第二章工艺说明书42.1概述42.1.1产品规模和规格42.1.2工艺方案叙述42.2 装置设计说明42.1.1工艺原理42.2.2工艺流程说明52.2.3主要设备选型说明52.2.4 化工原材料规格及用量5第三章转化工序物料衡算与热量衡算63.1转化工序流程示意图及简要说明63.2 确定各段进口温度及转化率63.2.1温度与平衡转化率的关系63.2.2最适宜温度与转化率的关系73.2.3确定操作线73.2.4各段进口温度及转化率83.3 转化工序物料衡算93.3.1进转化器一段气体量及成分103.3.2出一段气体量及成分103.3.3出二段气体量及成分103.3.4出三段气体量及成分103.3.5出四段气体量及成分103.4 转化器各段的热量衡算123.4.1转化一段反应热量和出口温度123.4.2转化二段反应热量和出口温度143.4.3转化三段反应热量和出口温度163.4.4转化四段反应热量和出口温度17第四章安全备忘录214.1概述214.2二氧化硫和硫酸的危害214.3二氧化硫和硫酸运输、使用等应注意的事项以及如何防护22第五章环境保护与治理建议235.1三废主要来源235.1.1废气235.1.2 废水235.1.3 矿渣235.2三废处理方案235.2.1 废气235.2.2 废水235.2.3 废渣24设计小结25参考文献26致谢27摘要：本设计是进行24万吨H2SO4/年转化系统工艺设计，画出工艺流程图，再画出X-T平衡曲线和最适温度曲线，根据进口原料气的组成，平衡曲线和最适温度曲线以及催化剂的起燃温度、使用温度大致估计四段转化过程的操作线，根据操作线来进行物料衡算和热量衡算，如果设定值和实际计算值相差太大，需要用试差的方法重新设定操作曲线来计算，直到设计值和计算值差不多。完成工艺说明书，安全备忘录，即完成课程设计说明书。关键词：催化剂，物料衡算，热量衡算Abstract:The 24,000 tons of H2SO4 per year conversion system is designed in this paper. The transformation process flow diagram is drawn firstly, and then draw the equilibrium temperature curve and optimum temperature curve. According to the composition of materials gas and the properties of catalyst, we can set the import and export temperature, and the calculation of mass balance and heat balance will be done after drawing the operating line of four periods. The value of the actual exit temperature and set temperature should be closer to each other, otherwise we need return to set the temperature and calculate again. At last, complete the process manual and memorandum, and give some recommendations to environment protection.Key word:catalyst, mass balance, heat balance第一章文献综述硫酸是一种重要的基本化工原料，广泛应用于各个工业部门。硫酸的产量常被用作衡量一个国家工业发展水平的标志。硫酸主要用于生产化学肥料、合成纤维、涂料、洗涤剂、致冷剂、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。中国的硫酸工业起始于19世纪70年代，在旧中国产量很少。新中国建立后，硫酸工业获得了高速发展。传统的工艺流程是硫铁矿制酸法。这种工艺落后，不但厂区内粉尘飞扬，矿渣如山，而且排放出大量废水、废气，严重污染周围环境，每年仅向农户支付的赔偿金和上缴的排污费占据了不少生产成本。为了减少污染，降低生产成本改用硫磺制硫酸。发达国家早就开始普遍推广了，由于近期进口硫磺比国内便宜，利润空间很大，大多数国内硫酸生产厂家转向用硫磺法生产硫酸1。早在8世纪就有硝石与绿矾在一起蒸馏得到硫酸的方法。Paracelsus记述了用绿矾FeSO47H2O）为原料，放在蒸馏釜中锻烧而制得硫酸的方法。在锻烧过程中，绿矾发生分解，放出二氧化硫和三氧化硫，其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝，便可得到硫酸。在18世纪40年代以前，这种方法为不少地方所采用。古代称硫酸为“绿矾油”，就是由于采用了这种制造方法的缘故。二氧化硫氧化成三氧化硫是制硫酸的关键，可是，这一反应在一般情况下很难进行。后来人们发现，借助于催化剂的作用，能够使二氧化硫氧化成三氧化硫，然后用水吸收，即制成硫酸。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。硝化法包括铅室法和塔式法）是借助于氮的氧化物使二氧化硫氧化制成硫酸。其中铅室法在1746年开始采用，反应是在气相中进行的。在铅室法的基础上发展起来的塔式法，开始于本世纪初期。塔式法制出的硫酸浓度可达76左右。当前，中国仍有少数工厂用塔式法生产硫酸。以硫铁矿为原料的接触法硫酸生产过程是当前广泛采用的方法，它创始于1831年，在本世纪初才广泛用于工业生产。到20年代后，由于钒触媒的制造技术和催化效能不断提高，已逐步取代价格昂贵和易中毒的铂触媒。世界上多数的硫酸厂都采用接触法生产。新中国成立后，即大力发展先进的接触法硫酸生产，逐步代替铅室法和塔式法。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成品酸浓度高，质量纯公式公式3.2）式中：=8%进转化器的炉气中的SO2的浓度%）=10%进转化器的炉气中的O2的浓度%）=0.11MPa系统总压力取反应温度T由公式3.1）计算由公式公式公式3.4）表3 二氧化硫的浓度与值的关系SO2浓度，%SO2浓度，%SO2浓度，%25961731027838872001130341178226123285145925213506由上表查得，浓度为8%的SO2对应的值为226。操作线温度的确定：已知催化剂的起燃温度为360，使用的温度为400-580，考虑到应使操作线尽量与最适温度曲线靠近，且出口温度在催化剂的使用温度范围内，取原料气的进口温度为360，四段操作线的斜率根据原理气里SO2的浓度差表得1/226。考虑到原料气的预热过程是依次经过第一、第二、第三、第四换热器，对应于第四、第一、第二、第三段反应器的冷却，因此如果考虑每个换热器的换热面积相当，则出口气体冷却降温的温差应为第一段大于第二段，第二段大于第三段，按照这个原则，分别取第一段的降温的温差为65，第二段的降温的温差为50，第三段的降温的温差为40，而且每一段转化器的出口温度和转化率对应的点都在平衡曲线和最佳温度曲线之间，由此估算得到四段反应器的操作曲线。3.2.4各段进口温度及转化率表4 一次转化分段转化率和温度段数一二三四转化率81.8690.7195.1397.79进口温度360480450420由图2以及表4的数据可得：转化器第一段操作线方程：第二段操作线方程：第三段操作线方程；第四段操作线方程；图2 四段反应过程的X-T关系图3.3转化工序物料衡算本设计为24万吨/年硫酸转化系统工艺设计以每小时计算），由可得实际进气总量为为方便计算，本设计假设进气总量为1000kmol，故在最后的计算结果上需乘于系数3.3.1进转化器一段气体量及成分以1000kmol的进气总量为标准进行计算，已知SO2占8%，O2占10%，N2占82%3.3.2出一段气体量及成分3.3.3出二段气体量及成分3.3.4出三段气体量及成分3.3.5出四段气体量及成分由以上计算汇总转化器物料衡算结果于表5表5 转化器物料衡算结果进一段）SO2347.822261.87791.68O2434.813913.69739.510N23565.499830.179864.1824348136005.497395.2100出一段进二段）SO263.0984038.31413.41.50SO3284.74222779.46378.26.77O2292.4299357.76550.46.95N23565.499830.179864.184.784205.6136005.494206.1100出二段进三段）SO231.9282043.4715.20.76SO3315.525242.17067.87.53O2274.88795.16156.66.56N23565.499830.179864.185.144187.7135910.793803.6100出三段进转化器第一段气体带入热量已知出转化器第一段气体温度545因此可得各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出一段气体每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：(3反应热摩尔反应热总反应热一段出口温度(4一段出口气体带出热量3.4.2转化二段反应热量和出口温度(1进转化器第二段气体带入热量已知出转化器第二段气体温度500因此可得各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出二段气体每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量；N2所需热量：所需总热量：(3反应热摩尔反应热总反应热二段出口温度(4二段出口气体带出热量3.4.3转化三段反应热量和出口温度(1进转化器第三段气体带入热量出转化器第三段气体温度460各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出三段气体每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：(3反应热摩尔反应热总反应热三段出口温度(4三段出口气体带出热量3.4.4转化四段反应热量和出口温度(1进转化器第四段气体带入热量已知出转化器第四段气体温度426因此可得各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔热容：SO3的平均摩尔热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故出四段气体每升高1所需热量为：SO2所需热量：SO3所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：(3反应热摩尔反应热总反应热四段出口温度(4四段出口气体带出热量转化器热量平衡见表6表6 转化器热量衡算结果段数气体进口反应热量气体出口温度热量温度热量一段360486480332839192854577039960二段48066210200306694050069277141三段45061825699153292746063358626四段42057501591923184.84265842477633914979.5第四章安全备忘录4.1概述本设计中的主要危害物为原料气中二氧化硫，以及产物硫酸。二氧化硫是大气中主要污染物之一，是衡量大气是否遭到污染的重要标志。 在中国的一些城镇，大气中二氧化硫的危害较为普遍而又严重。而硫酸对皮肤、粘膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用，会对人体产生严重危害，因此对这些物质必须进行有效的防范。4.2二氧化硫和硫酸的危害二氧化硫进入呼吸道后，因其易溶于水，故大部分被阻滞在上呼吸道，在湿润的粘膜上生成具有腐蚀性的亚硫酸、硫酸和硫酸盐，使刺激作用增强。上呼吸道的平滑肌因有末梢神经感受器，遇刺激就会产生窄缩反应，使气管和支气管的管腔缩小，气道阻力增加。上呼吸道对二氧化硫的这种阻留作用，在一定程度上可减轻二氧化硫对肺部的刺激。但进入血液的二氧化硫仍可经过血液循环抵达肺部产生刺激作用。二氧化硫可被吸收进入血液，对全身产生毒副作用，它能破坏酶的活力，从而明显地影响碳水化合物及蛋白质的代谢，对肝脏有一定的损害。动物实验证明，二氧化硫慢性中毒后，机体的免疫受到明显抑制。二氧化硫浓度为1015ppm时，呼吸道纤毛运动和粘膜的分泌功能均能受到抑制。浓度达20ppm时，引起咳嗽并刺激眼睛。若每天吸入浓度为100ppm8小时，支气管和肺部出现明显的刺激症状，使肺组织受损。浓度达400ppm时可使人产生呼吸困难。二氧化硫与飘尘一起被吸入，飘尘气溶胶微粒可把二氧化硫带到肺部使毒性增加34倍。若飘尘表面吸附金属微粒，在其催化作用下，使二氧化硫氧化为硫酸雾，其刺激作用比二氧化硫增强约1倍。长期生活在大气污染的环境中，由于二氧化硫和飘尘的联合作用，可促使肺泡纤维增生。如果增生范围波及广泛，形成纤维性病变，发展下去可使纤维断裂形成肺气肿。二氧化硫能够加强致癌物的致癌作用。据动物实验，在二氧化硫作用下，动物肺癌的发病率高于单个因子的发病率，在短期内即可诱发肺部扁平细胞癌。硫酸蒸气或雾可引起结膜炎、结膜水肿、角膜混浊，以致失明；引起呼吸道刺激，重者发生呼吸困难和肺水肿；高浓度引起喉痉挛或声门水肿而窒息死亡。口服后引起消化道烧伤以致溃疡形成；严重者可能有胃穿孔、腹膜炎、肾损害、休克等。皮肤灼伤轻者出现红斑、重者形成溃疡，愈后癍痕收缩影响功能。溅入眼内可造成灼伤，甚至角膜穿孔、全眼炎以至失明。慢性影响：牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、肺气肿和肺硬化。环境危害：对环境有危害，对水体和土壤可造成污染。燃爆危险： 本品助燃，具强腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。4.3二氧化硫和硫酸运输、使用等应注意的事项以及如何防护生产、运输和使用二氧化硫时应严格按照刺激性气体有害作业要求操作和作好个人防护，可将数层纱布用饱和碳酸氢钠溶液及1%甘油湿润后夹在纱布口罩中，工作前后用2%碳酸氢钠溶液漱口。生产和使用场所空气中二氧化硫浓度不应超过15mg/m3的最高容许浓度。有明显呼吸系统及心血管系统疾病者，禁止从事与二氧化硫有关的作业。若有人中毒，应立即将患者移离有毒场所，呼吸新鲜空气或氧气、雾化吸入2%5%碳酸氢钠+氨茶碱+地塞M松+抗生素。用生理盐水或清水彻底冲洗眼结膜囊及被液体二氧化硫污染的皮肤。.对吸入高浓度二氧化硫有明显刺激症状，但无体征者，应密切观察不少于48h，并对症治疗。积极防治肺水肿，可早期、足量、 短期应用糖皮质激素。需要时可用二甲基硅油消泡剂。硫酸操作处理：密闭操作，注意通风。操作尽可能机械化、自动化。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防毒面具全面罩），穿橡胶耐酸碱服，戴橡胶耐酸碱手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。远离易燃、可燃物。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与还原剂、碱类、碱金属接触。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。稀释或制备溶液时，应把酸加入水中，避免沸腾和飞溅。硫酸运输注意事项： 本品铁路运输时限使用钢制企业自备罐车装运，装运前需报有关部门批准。铁路非罐装运输时应严格按照铁道部危险货物运输规则中的危险货物配装表进行配装。起运时包装要完整，装载应稳妥。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏。严禁与易燃物或可燃物、还原剂、碱类、碱金属、食用化学品等混装混运。运输时运输车辆应配备泄漏应急处理设备。运输途中应防曝晒、雨淋，防高温。公路运输时要按规定路线行驶，勿在居民区和人口稠密区停留。第五章环境保护与治理建议5.1 三废主要来源5.1.1 废气一转一吸工艺及尾气回收后的主要废气为SO2。5.1.2 废水硫酸制备工艺主要采用硫铁矿，故总有酸性污水排出。硫酸废水一般具有色度大、酸度高的特点，其主要有害物质是硫酸、亚硫酸、矿尘、砷、氟以及多种中金属离子等。炉气酸洗净化流程排除的烯酸，浓度一般在3%20%之间，除含有矿尘外，们还有砷、氟等杂质，一般被称为废酸。5.1.3矿渣矿渣是硫酸生产过程中排除的废渣，主要为硫铁矿渣。中国硫铁矿都含砷，焙烧过程中砷的少出率只有约40%，大部分仍六在矿渣中，经焙烧后的砷大部分是水溶性的，遇雨水浸泡后会被溶出，最终流入江河，污染水体。5.2 三废处理方案5.2.1 废气低浓度的SO2烟气回收方法很多，主要有氨-酸法、钠-酸法和活性炭法，其中以氨-酸法应用最为广泛。除能消除SO2污染，保护环境之外，还可综合利用生产处有经济价值的固体亚硫酸钠、亚硫酸氢铵、固体亚硫酸钠等延伸产品。5.2.2 废水硫酸工业污水的处理，一般采用石灰中和的方法，另外还有电石渣-铁屑处理法。废酸的利用：把沉降分离后的烯酸直接与98%的浓硫酸参合，配成72%的硫酸用于制造普通磷酸钙。代替水补加到吸收塔循环酸槽内，制成商品硫酸。废酸热解在生。进行浓缩处理制成浓硫酸。用硫化法处理污酸回收金属。5.2.3 废渣硫铁矿渣含有丰富的铁和其它金属，因此采用磁选铁精矿、矿渣制砖、氯化球团炼铁等方法将其综合利用。设计小结课程设计不但是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。经过这次为期两周的课程设计，使我拓宽了知识面，锻炼了能力，把所学知识进行了串联，综合素质得到较大提高。同时也使我明白了自己的知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多；明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。作为这个学期学习体系的有机组成部分，课程设计虽然只有两周，但具有重要的意义。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果：把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果：看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并经过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。对我们化工专业的本科生来说，实际动手能力的培养至关重要，而这种能力的培养单靠课堂教案是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。经过课程设计，我们能够找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，因此在这里非常感谢帮助我的老师和同学。参考文献1 汤桂华等. 化肥工学丛书之硫酸M . 北京: 化学化工出版社，19952 周学良等. 催化剂M . 北京: 化学工业出版社， .103 刘少武，刘东等. 硫酸工作手册M . 南京: 东南大学出版社， .44 南京化工研究院. 硫酸生产分析方法M . 北京: 燃料化学工业出版社，1971.125 李绍芬. 硫酸工艺学M . 北京: 高等教育出版社，1957.86 陈五平等. 硫酸与硝酸M . 北京: 化学化工出版社，1989.67 娄爱娟，吴志泉，吴叙美. 化工设计M . 华东理工大学出版社， .88 W雷斯尼克. 化工过程分析与设计M . 北京: 化工工业出版社，1985.129 苏元复. 常见物料物性参数 第一册M . 北京: 化学工业出版社，1982.1010 KM马林等. 硫酸工学M . 北京: 高等教育出版社，1956.7致 谢本课程设计是在本院*、*、*几位老师的悉心指导下完成的。从课题的选择到工程的最终完成，她们都始终给予我们细心指导和不懈的支持。在此谨各位老师以诚挚的谢意和崇高的敬意。