200kta硫磺制酸焚硫工段的工艺设计论文

200kta硫磺制酸焚硫工段的工艺设计论文内容摘要：

以 %浓度下的相对密度为最大。 当硫酸浓度属于发烟酸范围时，以含游离 SO3 在 50%～ 65%浓度下的相对密度为最高。 SO3%游离量低于此区域，相对密度随游离 SO3%增加而升高。 游离 SO3%高于此区域，相对密度随游离 SO3 量增加而下降 [3]。 硫酸的结晶温度 液体硫酸转变为固体硫酸时的温度称为结晶温度。 结晶温度随硫酸浓度不同而变化，其变化关系是不规则的 [4]。 市场上几种常见硫酸品种的结晶温度如表 1－ 2 所示： 11 表 12 常用硫酸和发烟硫酸的结晶温度 掌握了硫酸结晶温度具有下述意义：。 据。 硫酸的热容、热焓 热容指在不发生相变又不发生化学反应和无其它功能的条件下，单位硫酸温度升高或降低 1℃ 时，所引起的热量变化。 以摩尔为单位，即摩尔热容 [kJ/（ molK） ]，以质量千克为单位即为比热 [kJ/（ molK） ]。 从实验上得知，将 同一种浓度的硫酸从 0 升高到 1 与从 99 升到 100 所需要的热量是不同的。 可见不同的温度下有不同的热容，为了使用上的方便，在工程计算中采用平均热容。 热焓是指某一单位重量（ kg）的硫酸在某一温度下含有的热量。 热焓是状态函数，它的变化由始态和终态决定，与中间过程无 关 [5]。 硫酸的沸点蒸气压和蒸气组成 H2O－ SO3 为二元系统，其溶液具有恒沸状态的性质，这 种性质在硫酸水溶液的浓缩、 SO3 吸收以及浓硫酸用作干燥剂等方面有着极其重要的意义。 溶液的沸点随 H2SO4 含量的增加而升高。 当浓度达到 %时达最大值（ ℃ ），此后则下降，至 100%H2SO4 时为 ℃。 发烟硫酸的沸点，则随 SO3（游离）百分含量的增大而下降，直降至 ℃ [6]。 常压下加热浓缩稀硫酸，当酸浓达到 %时，液面上的气相组成与液相组成达到相同，即使继续加热蒸发，液相组分不变，这时沸点（ ℃）称恒沸硫酸浓度 %（重量） 结晶温度 ℃ 硫酸浓度 %（重量） 结晶温度 ℃ － 100 + － 游离 SO310 － － 游离 SO320 + + 游离 SO365 － 12 点。 这说明在常压下只能将稀硫酸浓缩到 %，成为理论上的浓缩浓 度。 但在生产操作中为了经济性和减少硫酸损失，通常只是将稀硫酸浓缩至 92%～ 95%。 位于恒沸点右边的区域，其特点是沸腾时，液体中的硫酸含量不是增加而是降低，一直降到 %时为止。 此时沸点不是 升高而是降低。 这种现象是由于硫酸分解产生的 SO3 比 H2O 汽更易自液相中逸出。 根据相平衡原理，硫酸液面上应有相应的气体成分。 上述的加热浓缩稀硫酸及加热蒸发游离 SO3，相应的气相成分以 H2O 和 SO2 为主。 而在常压低温范围内，硫酸液面上气相组分，则以 H2SO4 为主，其量用总蒸气压表示。 各种温度下不同浓度硫酸的总蒸气压，可 有下式计算： ㏒ p＝ A－ B/T 式中 p— 蒸气压， Pa T— 绝对温度， K A、 B— 与酸浓度有关的常数 当温度一定时，硫酸液面上的总蒸气压随硫酸浓度升高而降低，且在 %时总蒸气压最低。 当酸浓超过 %时，总蒸气压随浓度 的 升高（游离 SO3%增加）而增大 [7]。 如表 13 所示： 表 1— 3 各种浓度硫酸的 A、 B 常数值 H2SO4% 20 40 60 80 90 100 A B 2268 2299 2458 3040 3390 4211 3914 硫酸的粘度 硫酸粘度是表示流体硫酸内部阻碍其相对流动的一种特性。 粘度的大小不仅对输送管路的阻力和泵的动力消耗有很大影响，而且对传热、硫酸溶解度和金属溶解速度等也有较明显的影响。 硫酸的粘度随酸浓度增高而增大，随酸温增高而减少。 由于粘度比较大，故硫酸外观是无色透明似油状的液体。 在一定温度条件下加入填加剂（凝固作用）可制的固体硫酸（胶体状）。 13 第二章 工艺部分 二氧化硫转化反应的基本原理 二氧 化硫转化反应的方程式 2SO2+O2 触 媒 2SO3+Q 从上述反应方程式可以看出 SO2 转化反应的特点，这个反应为可逆、体积缩小、放热的反应 [13]。 了解到这些特点我们可以确定一些具体的数学模型。 平衡转化率：根据定义可以用下式表示： XT= 323SO TSO T SO TPPP (21) 反应平衡常数 Kp= 332SO TSO T O TPPP (22) 将（ 21）和（ 22）合并，便可以得到平衡转 化率与平衡常数的关系式。 XT= 222 2 2S O T O TS O T S O T S O TK p P PP K p P P =2OTKp1KpP (23) 为了便于计算，我们把氧的平衡分压 PO2 换成 SO2 和氧的起始浓度。 氧的平衡分压： P（ O2T） = TTb p100  (24) 将 (4)式代入 (3)则可得， XT=TTKp1 0 0 0 .5 aXKpP (b 0 .5 aX ) 若要计算 XT,我们可以用试差法求解。 式中： P（ SO2T） 二氧化硫的平衡分压 P（ SO3T） 三氧化硫的平衡分压 14 P（ O2T） 氧气的平衡分压 XT 平衡转化率（ %） Kp 反应平衡常数 a 二氧化硫的起始浓度（体积 %） b 氧的起始浓度（ %） P 气体总压力（大气压 atm） 二氧化硫转化三氧化硫工艺操作条件选择和选定理由 前面我们对硫酸工艺已有所了解，但各种操作有其自身的因素而定。 转化工艺的操作条件主要有三个：转化反应的温度、转化反应的进气浓度以及转化器的通气量。 这就是转化操作的 “ 三要素 ” ，下面我们分述各个条件的选择理由。 转化反应的温度 转化反应过程中放出的热量，使气体温度升高，它与气体中二氧化硫含量有关。 每段转化后气体温度升高情况可以用下式计算： t＝ t0+λ(XTX0) 式中： t 出触媒层的气体温度，℃ t0 进触媒层的气体温度，℃ XT 出触媒层的转化率 X0 进触媒层的转化率 λ 绝热系数，由转化反应过程中初始反应的气体浓度决定的，相当于转化率从 0 增加到 100%的气体温度升高的度数。 λ＝ 式中： a SO2 的初始浓度， % Cv 平均温度下与转化率 XT＝ 时的气体平均热容量，卡 /米 3 ℃ 采用平均温度为 500℃，转化率为 50%时，计算的二氧化硫 浓度与λ值的关系如表 21 所示： 15 表 21 二氧化硫浓度与 λ值的关系 SO2 浓度 % λ SO2 浓度 % λ SO2 浓度 % λ 2 59 6 173 10 278 3 88 7 200 11 303 4 117 8 226 12 328 5 145 9 252 13 506 把 λ值代入即可计算出一定的二氧化硫浓度和一定的转化率下，绝热反应过程中它温度升高值。 二氧化硫气体的反应热，即没有移走，也没有 损失，全部用于加热触媒和反应气体本身。 这个过程称为绝热反应过程。 气体的温度升高，所列数据值叫绝热温升值。 知道这些值可以帮我们判断转化率和温度的数值是否正确。 我们知道了已知温差如何求转化率的方法。 反过来，我们知道转化率就可以求出温差。 运用这种方法，在一段出口温度不准超过 600℃情况下，不同二氧化硫的进气 浓度，以平衡时的转化率算出一段进口的最高允许温度见列表 22： 表 22 不同二氧化硫浓度下转化器一段进口的最高允许温度 进气浓度 SO2% 5 6 7 8 9 10 一段进口最高允许温度℃ 499 470 453 445 441 428 421 根据前面我们所述的转化反应和触媒的特性，选择转化操作的温度，应考虑以下几个要求： ，以尽量减少触媒用量，或在一定量的触媒下能获得最大的生产能力。 ，即应该将转化反应温度 16 控制在触媒的起燃温度之上，耐热极限温度之下。 平衡转化率与反应速度对温度的关系是矛盾的，所以必须根据较高的转化率， 又要有较快的反应速度的两全齐美的原则来选择一个最适宜的操作温度。 对于一定组分的进层都有一定的温度使反应速率最快，这个温度条件称为最适宜温度。 这个温度可以用下式来计算 [14]： T 适 =TTTT4095Xl g 4 .9 3 7b 0 .5 a X(1 X )1 0 0 0 .5 a X 式中： XT 转化率， % a 二氧化硫的浓度， % b 氧的浓度， % 我们如果把在某一种进气成分下的转化率与温度的关系作成图线，可看出平衡转化率与温度，转化率与最适宜温度 以及平衡转化率与转化率的关系。 现在我们可以看一下进气组分在某种触媒下温度与转化率的关系图，如图 22： 1400 440 480 520 560 600 640温度，℃转化率，x 图 22 温度转化率图 从图中看出，平衡温度较适宜温度高。 但在温度越高低平衡转化率和实际转化率差数愈小，这主要是因为高温下的反应速度较低温时快，靠近平衡时反应速度变慢直到平衡时速度等于零。 我们要在较低的温度下以较高的反应速度进行，同时有较高的转化率。 这就要求我们在反应时移走能量。 17 转化反应的进气浓度 进入转化器的二氧化硫浓度是控制转化操作 中最重要的条件之一，它的波动将引起温度、转化率和系统生产能力的变化。 下面着重介绍几个问题的影响： ：这个问题我们已在选择温度时作了解释，这里作图以便更清楚地了解其相互关系。 如图 23 图 23 不同二氧化硫浓度下转化率每变化 1%温度升高的关系 ：从表 23 中我们可以看出 ,通过第一次吸收在气体中除去了 SO3，氧硫比值大大提高，突破了原来的平衡关系，使转化率达到 99%以上。 表 23 各段炉气 SO2/O2 比值同转化率的关系 项目 一次转化 二次转化 一段 二段 三段 四段 进 出 出 进 出 出 转化率 % 60 80 96 气 体 组 成 SO2 9 O2 SO3 微 O2 /SO2 O2 /SO2 + SO3 N2 SO2 浓度同生产能力的关系：在一定的范围内，提高二氧化硫浓度， 18 硫酸产量会增加，但转化率会下降。 .进气的 SO2 浓度同生产能力的关系见表 24 表 24 进气的 SO2 浓度与产酸量转化率之间的关系 二氧化硫浓度 % 产酸量的增加 % 总转化率 % 0 SO2 浓度的适宜范围：在生产中控制的 SO2 的指标，除应考虑上述几个关系外，还要考虑环境保护和排放标准，另外还要考虑生产系 统的可能性，触媒用量， 设备的费用。 因此控制二氧化硫浓度指标是一个极其重要的综合性的技术。 对 SO2 进气浓度的选择，我们应综合考虑。 我根据硫酸的原料来源等情况选择二氧化硫的进气浓度为 9%。 下面介绍我的选择理由，主要从二氧化硫转化率角度考虑。 ：二氧化硫浓度低能加快反应速度，但用的原料气增加，生产能力受鼓风机的 影响也会下降。 浓度过高也会如此。 ：当 a=～ 9%时生产经费最底。 但二氧化硫浓度在 1%内变动对生产经费并无多大的影响。 3. 最终转化率同相对成本的关系：我们用硫磺制得二氧化硫最终转化率～ 98%时，生产成本较低，有尾气回收装置，转化率可以减小到 96～ %。 表 25 原料气组成不变 (a=)时优化结果 ti1 ti xi 588 564 501 519 461 451 根据以上情况和理由，我确定工艺流程操作参数二氧化硫浓度为 %，氧气浓度为 %，最终转化率 %。