年产8万吨硫酸转换工段工艺设计

年产8万吨硫酸转换工段工艺设计内容摘要：

（ 1）就硫酸而言，吸水性是浓硫酸的性质，而不是稀硫酸的性质。 （ 2）浓硫酸的吸水作用，指的是浓硫酸分子跟水分子强烈结合，生成一系列稳定的水合物，并放出大量 的热： H2SO4 + nH2O == H2SO4 nH2O，故浓硫酸吸水的过程是化学变化的过程，吸水性是浓硫酸的化学性质。 （ 3）浓硫酸不仅能吸收一般的游离态水（如空气中的水），而且还能吸收某些结晶水合物（如 CuSO4 5H2O、 Na2CO3 10H2O）中的水。 硫酸的 的用途 硫酸的最大消费是化肥工业，用以制造磷酸、过磷酸钙和硫酸铵．西方世界的化肥工业在硫酸消费构成中约占 65％．中国化肥工业在硫酸消费上所占比例也一直保持在 50％～ 60％．在石油工业中，硫酸用于汽油、润滑油等产品的精炼，并用于烯烃的烷基化反应，以生产高辛烷值汽油．钢铁工业需用硫酸进行酸洗，以除去钢铁表面的氧化铁皮．这一工序是轧板、冷拔钢管以及镀锌等加工所必需的预处理．在有色冶金工业中，湿法冶炼过程用硫酸浸取铜矿、铀矿和钡矿；电解法精炼铜、锌、镍、镉等， 需用硫酸配制电解液．用萤石和硫酸可制取氢氟酸（见萤石化学加工），它是现代氟工业的基础，与核工业及航天工业密切关联．在硝化棉、梯恩梯、硝化甘油、苦味酸等炸药的制造中，硫酸是硝化工序不可缺少的脱水剂．在化学纤维工业中，硫酸用于配制粘胶纤维的抽丝凝固浴；维纶生产需用硫酸进行缩醛化；锦纶的制造过程中，硫酸可溶解环己酮肟而进行贝克曼转位．在塑料工业方面，环氧树脂和聚四氟乙烯等的生产也需用数量可观的硫酸．在染料工业中，硫酸用于制造染料中间体．硫酸与钛铁矿反应可制得重要的白色颜料二氧化钛． 法 硫酸生产工艺方法概述： 按二氧化硫的氧化方法不同，可把硫酸生产方法分成两类。 一类是亚硝基法，另一类是接触法。 根据制酸原料不同，又可把接触法分成：硫铁矿制酸、硫磺制酸、冶炼烟气制酸、硫酸盐制酸、硫化氢制酿及古硫废液制酸等。 亚硝基法 亚硝基法员基本特征是借助于氮氧化物完成了二氧化硫的氧化成酸反应。 故此也称硝化法。 到目前为止，世界上仍保留亚硝基法的硫酸厂，已是为数很少，但作为技术知识，仍然是宝贵的。 亚硝基法制酸、化学反应复杂，计有 10余个反应分别在气相，液相中进行。 反应式如下： （ 1） 气 象中的反映： SO2+H20=H2SO2 2NO+O2=2NO2 （ 2） 液相中的反映 SO2+H2O=H2SO2 HSNO3+H20=H2SO4+HNO2 NO2+NO+H2O=2HNO2 H2SO4+HNO2=HSNO3+H2O (3)气体从液体中溢出反应 2HSNO2+H2O=2H2SO4+NO2+NO 上述反应在装量中可概括为 3个过程： ① SO2与亚硝基硫酸反应生成硫酸；② NO氧化为 NO3；③硫酸吸收 N2O3生成亚硝基硫酸。 生产实践证明，成酸反应以液相为主，而氧化氮类气体的作用相当于触媒，在过程中不断将空气中的氧转给二氧化硫，进而转变成硫酸。 用反应式表示如下： SO2+NO2+H2O=H2SO4+NO NO+1/2O2=NO2 应用亚硝基法制硫酸，有铅室法工艺和塔式法工艺。 铅室法是最早的工业制酸法，推动早期硫酸工业的发展，曾起到重要作用。 塔式法是在铅室法基础上发展的，并取代了铅室法，成为比较完善的亚硝基法制酸，即使接触法硫酸以较大的优势发展，但目前世界上仍保留着少数塔式法硫酸装置。 接触法 现代接触法制酸普遍采用钒触媒做催化剂（又称接触剂），使其 SO2转变 SO3 SO2+1/2O2→ SO2+Q 由于钒触媒对炉气成分及有害杂质有严格的要求，所以因原料等因素的同．产生不同的制酸工艺。 综合起来，其基本过程则可分六大工序，如下框图所示： 原料处理→ SO2炉气制取→炉气净化→二氧化硫转化→三氧化硫吸收→尾气处理 我国目前的接触法制酸，主要有硫铁矿制酸、硫磺制酸、冶炼烟气制玻、硫化氢制酸和硫酸盐制酸等。 本设计以混合矿为原料，采用沸腾焙烧、酸洗净化、两转两吸工艺。 设计能力为 1 t/d[以 (H2SO4)100%硫酸计 ]，产品为 ω(H2S04)98%工业硫酸，副产中压过热蒸汽。 在系统选择上，采用的是“两头一尾”配制，即焙烧、净化工段为双系列，干吸、转化工段为单系列，在进电除雾器前两股净化的炉气合并。 采用“两头一尾”的优越性较多，因为硫铁矿制酸涉及到气、液、固 3 类物料，装置的故障无论在次数上还是在时间上绝大多数是因固体物料引起的，也就是说装置故障停车绝大部分是因焙烧工段故障而导致的。 采用了 两套焙烧系统，就不会因其中的一套停止运行而导致整个装置的停车，这就减少了装置的开停车次数，对降低操作费用和减少环境污染都有非常好的效果。 再者，沸腾焙烧炉是气固相流化床反应器，对产量的调节性要求过高将影响沸腾炉工艺及设备设计，采用双系列可以用一开一停的方式来适应较低负荷生产的要求。 转化系统采用“ 3+14 段转化、Ⅲ Ⅱ — Ⅳ Ⅰ换热流程。 即第一次转化和第二次转化各用两段催化剂床层，用转化器第二段出口的低温热和第一段出口的热量加热进第一次转化的冷气体，用第四段出口、第三段出口的热量和第二段出口的高温热 加热进第二次转化的冷气体。 进入转化器的 w(SO2)为 9%，氧硫比为，设计总转化率为 %。 转化器各段进出口温度见表 2。 采用“ 3+1”两次转化，可以更好地发挥转化器第二段和第三段的作用。 再者，由于降低进转化器的氧硫比，相对减少了进人干吸和转化工段的气量，从而提高转化部分的废热回收率，使得在气体进人第一吸收塔和第二吸收塔之前均设置省煤器来加热进废热锅炉的锅炉给水具有实际意义。 4． 物料能量计算结果 4． 1 物料衡算 表 15 转化器物料衡算结果 进一段 （ Kmol ） （ Kg ） （3m标 ） V（％） SO2 8 O2 10 N2 82 ∑ 100 出一段（进二段） SO2 SO3 O2 N2 ∑ 100 出二段（进三段） SO2 SO3 O2 N2 ∑ 100 出三段（进四段） SO2 SO3 O2 N2 ∑ 100 出四段 SO2 SO3 O2 N2 ∑ 1 表 16 转化器热量衡算结果 段数 气体进口 反应热量 ﹙ KJ ﹚ 气体出口 温度﹙ ℃ ﹚ 热量﹙ KJ ﹚ 温度﹙ ℃ ﹚ 热量﹙ KJ ﹚ 一段 430 15280389 7503180 22783224 二段 480 17497475 810505 18307980 三段 450 16338776 405109 16743885 四段 420 15196037 243972 442． 7 15440008 ∑ 64312676 8962765 73275097 5 设备的选型 转化器 我国目前采用较多的转化器是轴向固定床转化器，也有径向固定床转化器、卧式转化器、沸腾床转化器等类型。 无论采用何种型式转化器，都必须充分考虑以下 5个因素： 1．转化器设计应使该转化反应尽可能地在接近于适宜温度条件下进行，单位硫酸产量需用触媒量要少，一段出口温度不要超过 600℃。 2．转化器生产能力要大，单台转化器能力要与全系统能力配套，不要搞多台转化器。 本世纪初转化器能力仅有 15t/d，一套硫酸系列需数台转化器并联操作，操作麻烦不好管理，耗用材料多，占地面积大，气体分布不匀，转化率低。 现在单台转化器能力日产硫酸已达到千吨以上，个别厂已高达 2020t 的规模。 3．靠 SO2 反应放出的热量，应能维持正常操作．不要从外部补充加热，亦即要求达到“自然”平衡。 4．设备阻力要小，并能使气体分布均匀，以减少动力消耗。 5．设备结构应便于制造、安装、检修和操作，要力求简单，使用寿命要长，投资要少。 轴向固定床转化器 该转化器在我国目前中小型硫酸生产上使用较多，其结构见图 1 转化器的内部构 件有两种：一种是以铸铁和耐热铸铁为主要材料的结构；另一种是以普通钢材和少量耐热不锈钢为主要材料的结构。 以铸铁件为主要材料的结构，大多设计为七根立柱 (也有只设计一根立柱的 )。 立柱和壳体同时起支承作用，笆子板和用板安装在立柱和壳体之间，立柱和笛子板是铸铁件，而隔板则采用薄钢板 4mm，近期多采用 3— 4mm304不锈钢。 以钢材和少量耐热不锈钢材为主要材料的无立柱的结构，较适用于小型的转化器。 应特别注意第一段催化剂层的箆子扳，因其操作温度达 600℃，普通钢材在高温下的强度显著减弱，使用一段时间后，会引起中部下陷，严重时将产生箆子板塌落。 转化器内壁及内件应采取防高温腐蚀措施，壳体多采用纤维砖或火砖内衬，顶盖内表面，气体分布板、隔板、托板等表面，均应喷铝 厚或采用不锈钢制成。 径向固定床转化器 二氧化琉气体由转化器水平方向进入触媒层，这种转化器称为径向转化器。 径向转化器内每层触媒的气流方向都以径向通过触媒层的叫全径向转化器。 只有一、二段采用径向的，其他段仍采用前两种转化器触媒段形式的，习惯上称做部 分径 向转化器。 (一 )全径向转化器结构 结构见图 2。 该转化器外壳材料选用 Q235 钢板，一、二段触媒笆采用扁钢 焊接结构，考虑吊装方便，可分节组装。 一、二段触媒筐与顶盖之间设有触媒缓冲段与密封装置。 触媒筐与铁丝网均采用喷铝防腐措施。 触媒筐内外因均设有挡圈．固定于支架底板上，以防止触媒泄漏。 三、四段触媒筐间“ U”型热交换器上，没有阻流板，防止气体走短路。 每个触媒筐下部均设有放触媒口，以法兰连接。 (二 )设计参数 1．设计能力： 300t100％ H2SO4 2．入口 炉气成分 (体积百分率 )： SO2： ％： O2： ％； N2： ％。 3．操作湿度： 420620℃。 4．操作压力：＜ 19600Pa。 5．触媒装填量：总量 60． 47m3(不包括缓冲部分，触媒均 系 S101 型 )。 其中： 一段： 8． 27m3；二段： 12． 20m3；三段： 18． 00m3；四段： 22． 00m3。 （三）使用效果 径向转化器较轴向转化器通气截面积大，转化器阻力较小，装卸触媒比较方便。 其缺点是气体不易分布均匀，转化率较低。 沸腾床转化器 (一 )结构见图 3及图 4气体分布装置是沸腾床转化器结构中的一个关键部分 图 3 二级一次转化器示意图 图 4 “ 2+2”二次转化空气冷激转化器示意图 1壳体； 2催化剂 1壳体； 2催化剂 (二 )沸腾转化特点 1．高浓转化是沸腾转化特有的性能，即使 SO2浓度达到 16％．床层温度也不会超过 475℃，不论气浓高低，层温基本不变。 2，与固定床转化器相比，沸腾床转化器气体进口温度较低。 沸腾转化反应器的转化率 — 温度曲线见图 5。 图 5 多段沸腾转化器转化率与温度的关系 AB— 一段转化过程； CD— 二段转化过程 从表中可以看出，当一段床层温度为 470℃时，即使 SO2浓度低到 3％．进气温度也只需 390℃，低于固定床所需要的 420430℃。 3．沸腾床对砷化合物、氟化合物的抵抗力要高于固定床，稳定操作寿命教固定床长得多。 4．床层堵塞情况可以避免，更换催化剂简便、迅速。 最简单的方法是将所补充的催化剂放入一锥底容器，然后密封。 此容器与转化器有管道相连，打开此管道阀门，在容器中加压 (压缩空 气或由鼓风机出口直接联一风管 )，气体即将摧化剂压人转化器中。 5．催化剂床层操作弹性大。 对沸腾床来说， SO2浓度波动对操作稳定性影响不大。 可以设想在一、二段间和二、三段间直接用空气冷激。 由于段间温度差只有 l0℃ (二、三段间 )至 20℃ (一、二段间 )，冷激气量不多；即使烟气本身含水汽 410g/m3，也不用干燥过的空气冷激。 实际上，沸腾床的温度调节比固定床简单些。 6． 与固定床相比，沸腾床是恒压床层，沸腾床压力降较小。 通过以上比较，选取轴向固定床转化器作为。