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1、年产30万吨硫酸转化工段的工艺设计黄丹亭（指导老师：张浩）（湖北师范学院 化学与环境工程系 应用化学 0803 湖北黄石 435002）摘要：本设计是进行30万吨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 30,
2、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 th
3、e 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 calcul
4、ate again. At last, complete the process manual and memorandum, and give some recommendations to environment protection.Key word: catalyst, mass balance, heat balance1设计任务书1.1项目硫酸转化工艺车间工艺设计(初步)1.2设计内容1.2.1车间工艺设计1.2.2设计转化器1.3设计规模1.3.1年产：30万吨1.3.2年生日：300天1.3.3日生产能力：3000003001000t天1.4设计依据 该设计说明书是依据湖北远大
5、富驰医药化工股份有限公司的生产技术资料的基础上，并结合设计任务书得内容年产30万吨车间技术要求。1.5产品用途1硫酸的用途非常广泛，是化学工业中最重要的产品之一，号称“工业之母”。硫酸主要用于无机化学工业的原料，工业上硫酸、盐酸、硝酸称为三酸。在化学工业上制造化学肥料、无机盐、合成纤维、染料、医药和食品等工业的原料。在石油工业上用于精制石油产品等。在国防工业上用于制造炸药、毒物、发烟剂等。在冶金工业上用于冶炼酸洗等。在纺织工业上用于印染和漂白等。具体表现在以下几点：a.利用其酸性，可制磷肥、氮肥；可除锈；可制实用价值较大的硫酸盐。b.利用浓硫酸的吸水性，在实验室常用浓硫酸作吸水剂和干燥剂。浓硫
6、酸能干燥中性气体和酸性气体，如H2、O2、N2、CO2、SO2、Cl2、HCl等，但不能干燥碱性气体（NH3）和常温下具有还原性（H2S、HBr、HI）的气体。c.利用浓硫酸的脱水性，浓硫酸常用作精炼石油的脱水剂、有机反应的脱水剂等。d.利用浓硫酸的高沸点难挥发性，常用于制取各种挥发性酸。 微热 如NaCl(s) + H2SO4(浓) = NaHSO4 + HCl高温 或2NaCl(s) + H2SO4(浓) = Na2SO4 + 2HCl1.6原料方案、1.6.1硫铁矿1.6.1.1硫铁矿的性质：硫铁矿是硫化铁矿的总称，其主要成份为二硫化铁（FeS2）除铁以外还有其它硫化物共存。硫铁矿是晶型
7、结构，一般分为立方晶系和斜方晶系黄色、灰绿色、浅黄铜等，断面呈黄铜色的金属光泽。硫铁矿的硬度（摩氏）一般为67，属中等硬度。硫铁矿堆放的时间过长容易造成氧化燃烧，从而损失硫矿主体，在高温下（850-950）反应速度快，绝大部分与氧气发生化学反应生成二氧化硫。1.6.1.2硫铁矿的质量要求：硫铁矿的质量直接影响沸腾炉炉气的质量。因此，对入炉原料的质量有一定的要求，我公司根据地质部、化工部1980年4月联合颁布的硫铁矿地质勘规范，结合我公司的实际情况，对原料硫铁矿入炉质量制定以下技术控制指标：矿石含硫25% 矿石含水10% 矿石的粒度3mm 有害杂质含量 AS含量0.2%； F含量0.1% Pd+
8、Zn含量1%； 碳含量8%1.7产品方案1.7.1产品名称 化学名称：硫酸 分子式：H2SO441.7.2产品性状它是三氧化硫和水的化合物，硫酸的分子量为98.08，是无色，无臭而透明的油状液体，一般工业生产的硫酸都是纯硫酸的水溶液，并含有各种杂质，其浓度为92.5%或98%的浓硫酸或含20%游离SO3的发烟硫酸。1.7.3理化性能浓硫酸的除具有酸的通性外，还具有强氧化性，脱水性和吸水性三大特性，硫酸的物理性质也有其独特点：硫酸的密度：与浓度成正比，与温度成反比，但在同一温度下硫酸的密度随着浓度的增加而增加，当到达97%时，密度最大值反而递减。发烟硫酸的密度随SO3含量增加而增加至62%的游离
9、SO3时为最大值，过此逐渐减少。在同一浓度下，随其温度的上升而下降。结晶温度：随着硫酸含量的不同而在一个极为广阔的范围内变动。硫酸的沸点：当硫酸浓度为98.8%以下时，其沸点随浓度升高而增加，浓度为98.8%时，其沸点最高（336.6），以后则开始下降。硫酸的蒸气压：随其浓度升高而下降，当浓度达98.8%时，蒸气压降至最小值。发烟硫酸的蒸汽压随其浓度增加而逐渐升高。稀释热1mo1H2SO4中加入nmo1水所放出的热量。1.7.4产品规格指 标 名 称指 标硫酸浓度%97(商品酸98%)灼烧残渣含量%0.03Fe %0.010As %0.005透明度 （mm）50色 度 （ml ）2.01.8技
10、术指标主要工艺技术指标：指标名称要求备 注烧出率 %98.5净化收率 %96.5转化率 %98.0吸收率 % 99.95产酸率 %94硫利用率 %94风机出口酸雾 g/Nm3 30.03部颁标准风机出口水分 g/Nm30.1部颁标准风机出口矿尘 g/Nm3 30.005风机出口含砷 g/Nm3110-3风机出口含氟 g/Nm3 3110-3入炉矿石含硫 %25入炉矿石含水 %10灰渣残硫 %0.5污水总酸度 g/l2进转化器SO2浓度 %8.01.5特殊情况视生产而变化尾气SO2浓度 %0.08干燥酸浓 %93-98生产特性而定吸收酸浓 %97-99成品酸浓 %97触媒容积利用系数 吨/米3日
11、3.6钒触媒消耗 克/吨酸90矿耗（折标矿） 公斤/吨975电耗 度/吨901.9产品生产方法 以硫铁矿为原料的接触法生产硫酸的主要过程包括原料破粹筛分，沸腾焙烧制取二氧化硫（包括排渣），净化(包括污水处理)，干燥，二氧化硫炉气接触氧化，三氧化硫吸收低温热能回收，酸贮存共七大工序，生产浓度97的工业硫酸。2工艺路线及流程设计2.1主要几类硫酸生产工艺方式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：硫硫铁矿制酸、硫磺制酸、冶炼烟气制酸、硫酸盐制酸、硫化氢制酸及含硫废液制酸等。2.1.1.亚硝基法亚硝基法最基本特征是借
12、助于氮氧化物完成了二氧化硫的氧化成酸反应。故此也称硝基法。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。反应如下：(1)气相中的反应：SO2 + H2O = H2SO2SO2 + H2O = H2SO22NO + O2 = 2NO2(2)液相中的反应：SO2 + H2O = H2SO2HSNO5 + H2O = H2SO4 + HNO2H2SO3 + 2HNO2 = H2SO4 + 2NO2 + H2ONO2 + NO + H2O = 2HNO2H2SO4 + HNO2 = HSNO5
13、+ H2O (3)气体从液体中逸出反应：2HSNO2 + H2O = 2H2SO4 + NO2 + NONO (液) NO (气)上述反应在装置中可概括为3个过程：SO2与亚硝基硫酸反应生成硫酸；NO氧化为NO2；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。用反应表示如下： SO2 + NO2 +H2O = H2SO4 + NO NO + 1/2 O2 = 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
14、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。2.1.2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气体转变成SO3气体。 SO2 + 1/2 O2 = 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不同，产生不同的制酸工艺。综合起来，其基本过程则可分为六大工序，如下框所示：原料预处理 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，主要有硫硫铁矿制酸、硫磺制酸、冶炼烟气制酸、硫酸盐制酸、硫化氢制酸及含硫废液制酸等。2.
15、2工艺路线的选择（1）从环保的角度出发，提倡零污染，无公害等意识，又结合三废的处理。（2）从经济的角度出发，对于大中型企业，综合考虑原材料、污水、废料的利用通常采用管道输送液体以及较危险化学溶液等。此设计综合考虑原料的成本以及充分使用、能源消耗及副产品的处理选择硫铁矿接触法制硫酸。2.3流程图的设计2.3.1硫酸生产工艺简介我公司硫酸生产是采用接触法制酸即以硫精砂作为原料在沸腾炉内进行沸腾焙烧，其化学反应式为4FeS2+1102=2Fe2O3+8SO2+Q放，烧出的二氧化硫气体采用水洗净化，然后用9496%浓硫酸进行干燥，再通过转化器内的钒触媒作催化剂将二氧化硫转化成三氧化硫，其反应式为2SO
16、2+O2=2SO3+Q放，最后用98%硫酸进行吸收，反应式为SO3+H2O=H2SO4，吸收酸用水稀释后，产出的98%硫酸则为产品酸。2.3.2硫酸生产工艺框图 硫铁矿进厂 行车工段 用户 分汽缸 原料工段 软水 汽包 焙烧工段 净化工段 转化工段 吸收工段 成品硫酸用户3.1转化器的结构图 五段炉气冷激式转化器1- 分布器；2-壳体；3-冷激式分布器；4-触媒；5-立柱；6-隔板；7-人们；8-气体进出口；9-蓖子板；10内部排管换热器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
17、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）SO263.0984038.31413.41.50
18、SO3284.74222779.46378.26.77O2292.4299357.76550.46.95N23565.499830.179864.184.784205.6136005.494206.1100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（进四段）SO216.9401084.1379.50.41SO3330.926472.07412.27.91O2269.386
19、19.26033.46.44N282099830.179864.185.244182.55136005.493689.1100出四段SO27.687492.0172.20.18SO3340.227212.27619.48.14O2264.78471.25929.86.34N23565.499830.179864.185.344177.9136005.493585.513.4 转化器各段的热量衡算气体的摩尔热熔量可按下式求出3.4.1转化一段反应热量和出口温度(1)进转化器第一段气体带入热量（以每小时气量计算）。已知进一段触媒层气体温度为360，所以可得各组分气体的平均摩尔热容：SO2的平均摩尔
20、热容： O2的平均摩尔热容： N2的平均摩尔热容： 故进一段气体每升高1所需热量为： SO2所需热量：O2所需热量：N2所需热量：所需总热量：带入热量=(2)已知出转化器第一段气体温度545所以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（以每小时气量计算）已知进二段触媒层气体温度为
21、480，所以可得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： 故进二段气体每升高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：带入热量=(2)已知出转化器第二段气体温度500所以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
22、应热量和出口温度(1)进转化器第三段气体带入热量（以每小时气量计算）已知进三段触媒层气体温度为450所以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： 故进三段气体每升高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：带入热量=(2)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
23、)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（以每小时气量计算）已知进四段触媒层气体温度为420所以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： 故进四段气体每升高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：带入热量=(2)已知出转化器第四段气体温度426所以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
24、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42057501591923184.84265842477623418552433914979268100502.55投资与成本估算5.1车间装置人员配置表
25、 车间定员表序号职能名称每班人数四班人数合计1操作工人41645362分析工人223机修工人144电议工人285管理工人665.2经济评价构建资金流通示意图： 5.3成本估算产品成本指工业企业生产某种产品所需费用的总称,即投资该产品所需的人力及物力总和的货币值，其可行性研究图示如下： 车间成本工厂折旧企业管理费销售成本工厂成本总成本原料及辅助材料重要原料辅助材料包装材料公用工程冷却水工艺水电费人工直接操作工资附加工资车间折旧维修机器车间管理费6厂房布置及三废处理6.1厂房布置6.1.1工厂选址问题（1)对周围环境的空气有污染，并有大量的有气味气体，同时有有毒气体散出。（2)因噪音较大，应选择在
26、偏远的地方。（3)有大量的水，所以必须选择水源丰富，交通运输方便之处。（4)应选择能源有保障，电力供应稳定的区域。（5)有良好的工程地质和水文气象条件。（6)应选择有原料，燃料供应和产品销售的良好的交通条件。612工厂选址问题（1)加工单元应该离开工厂边界一定的距离，应该是集中而不是分散的分布。（2)罐区和办公室、辅助生产区之间要保持足够的安全距离。（3)废水处理装置是工厂各处流出的毒性或易燃物汇集的终点，应该置于工厂的下风远程区域。（4)主要办事机构应该设置在工厂的边缘区域，并尽可能与工厂的危险区隔离。6.2三废处理序号排放物名称排放去向及方式1循环水直接排放或利用2废水按标准排放3废渣按标
27、准排放4废气按标准排放 三废处理情况表7车间主要物料危害及防护护措施7.1车间主要物料危害硫酸生产的特点是要接触腐蚀性很强、能烧伤人体的硫酸，高温矿渣和二氧化硫、三氧化硫等有毒气体，还要接触众多电器和机械运转设备。因此，我们必须高度注意安全生产和加强劳动保护措施，牢固树立安全第一观念。7.2防护措施我们必须全面遵守公司安全生产委员会制定的安全生产技术条例和其它安全生产的各种规章制度。现结合这些规章制度的内容和硫酸生产的特点，制定下列安全规则：（1）园盘给料机、反击式破碎机、胶带输送机、炉前风机等用皮带（胶带）传动的一切设备上的皮带轮、联轴器必须有防护罩。（2）楼梯有扶手、平台有栏杆，地下贮酸池
28、或酸槽应加盖板和栏杆。（3）对所有钢结构的平台、楼梯、屋架要定期检查是否牢靠。（4）在操作岗位附近或通行地点，有压力的酸管道法兰处，应加装防护罩。（5）所有电器必须接地。（6）设备在运行或虽停车但未静止时，禁止动手检查和修理，也禁止在上面跨行。（7）女同志接近转动设备时，必须戴工作帽，长辫子必须藏入帽内。（8）沸腾炉结疤时，一般只能在炉外打疤，如有进入炉内打疤，必须用角钢（横向支撑在炉衬上的预留凹处）和薄钢板先在沸腾层以上搭一临时保护顶棚，人才能进入工作。（9）装卸和筛触媒时必须戴防护口罩，工作完毕要及时进行洗漱。(10)取样酸时，要戴防护眼镜，橡皮手套，用吸管吸取硫酸时只能用橡皮吸球（即医用
29、洗耳球）吸取，严禁用嘴。(11)酸泵操作工操作时要戴防护眼镜，要熟悉阀门的作用和开关方向。(12)装卸和搬运硫酸时，要穿戴防护橡胶长靴、耐酸衣裤，并戴防护眼镜，必要时要戴防酸面具操作。(13)酸管、酸泵必须和酸阀进行修理时，必须将管中存酸排净，才能拆卸，修理人员必须戴防护镜，开始拆卸螺栓时，要提防有酸喷出，必须用橡皮手套和耐酸衣裤，检修后第一次开泵打酸时，在场人员必须戴防护镜，并应站在安全处观察有无漏酸。(14)在焊补贮酸槽时，必须将酸排净，动火前要取样分析，确认合格时才能进行焊接，焊接前贮酸罐的人孔盖必须打开。(15)当接近运转设备的转运部分（例如轴、联轴器等），不得戴手套。(16)用手试探
30、电机温度时，手必须干燥，并用手背试探。(17)开关阐刀开关时，要戴手套，侧面站立，不要面对电闸，为了避免产生的电孤烧手，动手必须迅速。(18)转运设备进行修理时，必须先停车，再拉下电门开关，切断电源，并在电闸上挂上“有人修理，禁止合闸”的警告牌，然后才能修理。(19)进入设备内部时，如需照明，必须用36V的安全行灯，并且要有专人在设备外面监护。(20)沸腾炉点火升温未结束时，绝对禁止向电除雾器送电，须待升温结束炉气接通系统十分钟后，才能送电。(21)电除雾器是带50000V以上的高压电设备，必须严格按照电气安全技术规程来操作管理。8安全、环保、生产要求该车间为硫酸车间，有合成工序，故应防火、防
31、爆。发生火灾的原因：明火、电火花、静电放火、雷击等。工艺设计的防火、防爆：选择合适的工艺操作条件，使用热源尽量不用明火，而用蒸汽。建筑设计的防火防爆考虑。一方面是合理地布置厂房的平面和空间，消防爆炸可能产生的因素缩小极限爆炸的范围，保证工人的安全疏散。另一方面是从建筑结构和建筑材料上保证建筑物的安全，减轻建筑物在爆炸时所受的伤害。选用相应等级的电气设备、照明灯具和仪表，防止静电放电现象的发生，设置避雷针。通风上要保证易燃易爆气体迅速排除。设备布置上要避免车间中形成死角。设计时要根据国家最新规定卫生标准进行，要防止大气污染、水质污染，把生产过程中的副产品加以回收、利用。致谢在设计过程中，应用化工
32、教研室张浩老师给予了极大帮助，湖北远大富驰医药化工有限公司为我提供各种资料，还有多位同学给予我的帮助，因为有了他们，让我顺利完成了毕业论文，对此我也表示深深的谢意,谢谢你们的培养和关心。参考文献1汤桂华.硫酸工业M，化学工业出版社.1970:57-802 蒋德军.硫酸工艺技术的现状和发展J.现代化工,2005,25(8):9-163 李继香，含硫酸盐废水处理的研究，河南工业大学硕士学位论文， 20070501，1-60 4 陈声宗. 化工设计M.北京.化学工业出版社,2008：222-2305 陈五平. 无机化工工艺学M.北京.化学工业出版社,2001:44-746 刘少武.硫酸工艺手册M.东南大学出版社，2001附录附图1.硫酸工艺流程图
