18万吨硫酸年转化系统工艺设计(编辑修改稿)

18万吨硫酸年转化系统工艺设计(编辑修改稿)内容摘要：

2020 年基本持平。 进口硫酸 175 万吨，由于韩国硫酸减少，总进口量比 2020 年进一步下降。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 5 第二章 工艺说明书 概述 产品规模和规格 (1)年操作日 300 天 /年 (2)生产方式 连续生产 (3)生产能力 18 万吨 /年 H2SO4 (4)产品 要求 二氧化硫 转化率 ≥98% 工艺方案叙述 国内生产硫酸的方法主要是用硝化法和接触法，考 虑到硝化法所需设备庞大，用铅很多，检修麻烦，腐蚀设备，反应缓慢。 本设计采用的是接触法，该方法制得的成品酸浓度高，纯度较高。 理论上催化氧化操作过程的段数越多，最终转化率越高，而且过程更接近于最佳温度曲线，催化剂的利用率越高。 本设计的生产过程采用一转一吸的工艺流程，即将二氧化硫经过 多段转化后只经过一个或串联两个吸收塔，吸收其中 SO2后就排放。 转化流程为 4 段间接换热式。 装置设计说明 工艺原理 二氧化硫转化通常是在不高于 压力下进行，而且 SO SO3 浓度又较低，体系可视为理想气体。 二氧化硫氧化反应是一个可逆放热反应： 2 2 312 PSO O SO Q  3SOPSO O eqPK PP     武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 6 工艺流程说明 现 采 用接触法一转一吸酸洗封闭流程生产硫酸，其生产 工艺大致有六大工序，即：原料预处理、 SO2 炉气制取、 SO2 气体净化、二氧化硫转化、三氧化硫吸收、 “ 三废 ” 处理。 这里主要介绍一下转化系统。 转化系统为一转一吸四段反应装置，因为二氧化硫转化的过程是一个放热过程，它的转化率随着温度的升高而降低，因此采用多段反应器，通过一段反应器后物料的温度升高，经冷却后通入下一段反应器继续反应，使整个反应的操作曲线在最适温度曲线附近，既保证了反应的速度，又可以达到较高的转化率。 此流程使用原料气作为冷却剂，可以省去外加的冷却剂，又可以利用反应产生的热量来预热原料气，节约能源，一举两 得。 转化系统包括一个四段反应器和四个换热器。 前面制取的气体经过一系列净化的过程，依次通过第四、第三、第二、第一 换 热器预热后进入反应器，第一、第二、第三、第四段反应床层出来的气体分别经过第二、第三、第四、第一换热器进行冷却，再通入吸收塔。 主要设备选型说明 考虑到转化器设计应让二氧化硫尽可能在最优化温度条件下反应，最大限度的利用二氧化硫反应放出的热量，设备阻力既要小，又能使气体分布均匀。 故考虑使用外部换热型转化器。 换热器考虑到气体有一定腐蚀性，故选用列管式换热器。 风机选用罗茨风机。 化 工原材料规格及用量 进入转化器气体组成： SO2 占 9％ ； O2占 10％ ； N2占 81％。 本设计采用的催化剂型号是 S1091，起燃温度为 360℃ ，使用温度为 400580℃ ，入口 SO2：% %[5]。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 7 第三章 转化工序物料衡算与热量衡算 转化工序流程示意图及简要说明 图 是硫酸转化工艺的流程，原料气由干燥器进入转化炉一段，再进入换热器，再进入到转换炉二段，由此类推，直到从转化炉四段出来降温至吸收塔。 图 转化工序流程示意图 确定各段进口温度及转化率 温度与平衡转化率的关系 [6] 在 400 ~ 700 C 时， 4 9 0 5 .5lg 4 .6 4 5 5pK T () 式中： PK    平衡常数 T   温度 /K 平衡转化 率1 0 0 0 .5( 0 .5 )PTTPTKXaXKP b a X   () 式中： 9%a    进转化器的炉气中 2SO 的浓度（ %） 10%b    进转化器的炉气中 2O 的浓度（ %） MPa    系统总压力 /kPa 取反应温度 T 原 料 气 第一换热器 转化炉一段 第二转换炉 转化炉二段 第三转化 炉 转换炉三段 第四换热器 转化炉四段 降温 至吸收塔 鼓风机 武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 8 由公式（ ）计算 PK 由公式（ ）计算 TX 试差过程：  时，由公式 4 9 0 5 .5lg 4 .6 4 5 5pK T得  由公式1 0 0 0 .5( 0 .5 )PTTPTKXaXKP b a X  ，试差可得  依次计算得平衡转化率与温度的关系列表 31。 表 31 平衡转化率与温度的关系 T/K Kp Xt/% T/K Kp Xt/% 最适温度与转化率关系 m49 05 .5T=l g 4. 64 550. 5( 1 )10 0 0. 5Xb aXXaX 其中 a=9； b=10； 取不同 X 值，计算。 计算得最适宜温度与转化率的关系列表 32。 表 32 最适宜温度与转化率的关系 Xt/% T/K Xt/% T/K 武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 9 确定操作线 进气组成： SO2占 9%， O2占 10%,N2占 81% 所选取钒催化剂的起燃温度为 360℃ 确定转化器一段进口温度 400℃ 气体经每层触媒后温度升高，计算式是： 00(X )t t X   表 33 二氧化硫的浓度与 值的关系 SO2 含量 /% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 20 λ 59 88 117 145 173 200 226 252 278 303 328 506 由表 33 查得，浓度为 9%的 SO2对应的 值为 252。 操作线温度的确定：已知催化剂的起燃温度为 360℃ ，在使用的温度为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 400℃ ，四段操作线的斜率根据原 料气里 SO2的浓度差查得 1/252。 考虑到原料气的预热过程是依次经历第一、第二、第三、第四换热器的冷却，所以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 120℃ ，第二段的降温的温差 60℃ ，第三段的降温的温差 42℃ ，并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。 各段进口温度及转化率 由图 及表 34 的数据可得： 转化器 ： 第一段操作线方程 ： 1 400 252(X 0)t  ； 代 入 1 580t ；得 X= 第二段操作线方程： 2 4 6 0 2 5 2 (X 0 .7 1)t   ；代入 2 500t  ；得 X=第三段操作线方程： 3 4 4 0 2 5 2 ( 0 .8 7)tX  ；代入 3 460t  ；得 X=第四段操作线方程： 4 4 2 0 2 5 2 (X 0 .9 5 )t  ；代入 4 430t  ；得 X= 表 34 一次转化分段转化率和温度 段数 一 二 三 四 转化率 /％ 进口温度 /℃ 400 460 440 420 出口温度 /℃ 580 500 462 431 武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 10 400 450 500 550 600 650 700平衡曲线最佳曲线绝热操作线 图 四段反应过程的 XT 关系图 转化工序物料衡算 本设计为 18 万吨 /年硫酸转化系统工艺设计（以每小时计算），由 27so 18 10 1 1n km ol300 24 98     可得实际进气总量为： 12 6 2 .1 8 3 2 7 7 .2 30 .0 8 km o l 为方便计算，本设计假设近期总量为 1000kmol ,故在最后计算结果上需乘上系数  进转化器一段气体量及成分 以 1000kmol 的进气量为标准进行计算，已知 SO2占 9%， O2占 10%， N2占81%。 O2的进气量及成分： 2 1000 100O k m ol   2() 1 0 0 3 2 3 2 0 0Om kg   2 3() 1 0 0 2 2 .4 2 2 4 0OVm   武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 11 SO2的进气量及成分： 2223100 0 9090 64 576 090 201 6sososon kmolm kgVm       N2的进气量及成分： 22231 0 0 0 0 .8 1 8 1 08 1 0 2 8 2 2 6 8 08 1 0 2 2 .4 1 8 1 4 4NNNn km o lm kgVm       出一段气体量及成分 2 9 0 (1 0 .7 1 4 3 ) 2 5 .7son km o l    3 9 0 0 .7 1 4 3 6 4 .3son km ol   2 1 0 0 0 .5 6 4 .3 6 7 .8 5on km o l    2 810Nn kmol 出二段 气体量及成分 2 9 0 (1 0 .8 7 ) 1 1 .7son km o l    3 9 0 0 . 8 7 7 8 . 3son km ol   2 1 0 0 0 .5 7 8 .3 6 0 .8 5on km o l    2 810Nn kmol 出三段气体量及成分 2 9 0 (1 0 .9 5 ) 4 .5son km ol    3 9 0 0 . 9 5 8 5 . 5son km ol   2 1 0 0 0 .5 8 5 .5 5 7 .2 5on km o l    2 810Nn kmol 出四段气体量及成分 2 9 0 (1 0 .9 9 ) 0 .9son km ol    3 9 0 0 . 9 9 8 9 . 1son km ol   2 1 0 0 0 .5 8 9 .1 5 5 .4 5on km o l    2 810Nn kmol 由以上计算汇总转化器物料衡算结果于表 35。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 课 程设计说明书 12 表 35 转化器物料衡算结果 进一段 kmol kg m3 V（ %） SO2 O2 N2 Σ 出一段 kmol kg m3 V（ %） SO2 S03 O2 N2 Σ 出二段 kmol kg m3 V（ %） SO2 SO3 O2 N2 Σ 出三段 kmol kg m3 V（ %） SO2 SO3 O2 N2 Σ 出四段 kmol kg m3 V（ %） SO2 SO3 O2 N2 Σ 转化器各段的热量衡算 气体的摩尔热熔量可按下式求出： 212 6 2 8 32,m21( 2 5 . 7 4 5 . 8 1 0 3 8 . 1 1 0 0 . 8 6 1 1 0 )( S O )T。