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1、 论文（设计）题目：年产32万吨硫酸工程项目工艺设计 （重点设计：转化工序） 学 院：化学与化工学院 专 业：化学工程与工艺 班 级：0 7 2 班 学 号: 070811110117 学生姓名: 吴 盛 镇 指导教师: 汤 正 河 2011年 5月 25 日 贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 吴盛镇 日 期： 2011年5月25日目录摘要3Abstract4第一章 总论51.1 设计对象51.
2、1.1设计规模51.1.2原料和产品规格51.1.3工业硫磺的性质及用途51.1.4硫酸的性质及用途51.1.5硫酸工业的概况及其发展趋势61.2 硫酸厂址位置的选择81.2.1所选厂址位置的优势91.3 硫酸生产路线的选择和论证101.3.1硫酸工业的原料及生产工艺101.3.2硫磺制酸与硫铁矿制酸的优缺点比较141.3.3硫磺中的杂质对制酸工艺的影响151.4 年工作日的制定和工作制度161.4.1年工作日的确定161.4.2年工作制度的确定16第二章 工艺部分172.1重点工序的基本反应原理172.1.1二氧化硫氧化热力学172.1.2最佳温度的选择192.1.3二氧化硫浓度的最佳范围2
3、02.1.4二氧化硫氧化反应动力学202.1.5催化剂的选用222.2 二氧化硫转化工序的论证232.2.1“两转两吸”工艺选择论证242.3 设备选择论证272.3.1 空气鼓风机的选择272.3.2 焚硫炉的选择272.3.3废热锅炉的选择282.3.4 转化器的选择282.3.5干吸塔的选择292.3.6液硫过滤器的选择302.4 工艺操作条件的确定302.4.1转化器入口气体中二氧化硫含量302.4.2最终转化率312.5填料的选择原则312.6填料的支撑形式322.7 工艺计算322.7.1 已知条件322.7.2 系统物料衡算332.7.3 熔硫352.7.4 空气干燥392.7.
4、5 焚硫462.7.6 焚硫炉472.7.7 副产蒸汽量482.7.8一次转化492.7.9二次转化662.8.0各段触媒用量计算712.8.1换热器计算772.8.2吸收水平衡822.8.3排气筒高度的确定82第三章 非工艺部分833.1环境保护833.1.1废气处理833.1.2废水处理843.1.3废渣处理843.1.4噪声处理843.2消耗定额与技术经济指标84参考文献85致谢85年产32万吨硫酸工程项目工艺设计（重点设计：转化工序）摘要 硫酸用途非常广泛，无论在工业部门，还是在发展农业生产、满足人民物质生活需求、加强国防力量，都起着重要的作用。硫酸在大宗生产的化学品中产量居于前列，是
5、重要的化工原料之一。本设计包含总论部分、工艺部分和非工艺部分。总论部分首先通过分析国内外硫酸工业的现状及发展趋势，从而对建厂位置和生产路线作出选择。经过硫磺制酸、硫铁矿制酸和冶炼烟道气制酸的比较，最终选用硫磺制酸方案。工艺部分主要包括设备的选型和论证，比如：焚硫炉选用圆桶型卧式焚硫炉，干吸工艺采用三塔一槽，转化工艺选用两转两吸的3+1流程。接着对相应的设备进行物料衡算和热量衡算。而非工艺部分主要包括环境保护，例如废水、废气、废渣的治理和噪声污染的防治。最二氧化硫总转化率达到99.8%以上，所排放的尾气中二氧化硫含量为458.6683mg/m3，酸雾浓度为2.9361mg/m3，烟囱高度为60米
6、，完全达到了国家标准；选用的设备和材料也全部实现了国产化。关键词：硫磺, 硫酸 , 转化, 催化剂 ,环境保护 Annual output of 32 million tons of sulfuric acid process design project (Key Design: Transforming Processes) Abstract Very extensive use of sulfuric acid, both in the industrial sector, or in the development of agricultural production to meet
7、the needs of the peoples material life, strengthen national defense forces, plays an important role.Sulfuric acid in the bulk production of chemicals produced by living in the forefront, is an important chemical raw material.The design includes general part, technology part and the non-process part.
8、General part of the sulfuric acid industry at home and abroad by analyzing the situation and development trend, and thus the location of factories and production lines to make a choice.After sulfuric acid, sulfuric acid and smelting flue gas acid comparison, the final choice of sulfuric acid solutio
9、n.Process section includes equipment selection and verification, such as: use of sulfur furnace horizontal drum of sulfur furnace, dry absorption process using three towers of a trough, into use double-absorption process of the 3 +1 process.Then, the appropriate equipment for material balance and he
10、at balance.Rather than the process some of the major environmental protection, such as wastewater, waste gas, waste residue treatment and prevention of noise pollution.The total conversion rate of sulfur dioxide, 99.8%, the exhaust emissions of sulfur dioxide content of 458.6683mg/m3, acid mist conc
11、entration 2.9361mg/m3, chimney height of 60 meters, fully meet the national standard; selection of equipment and materials are alsoAll achieved domestically.Keywords: sulfur, sulfuric acid, conversion, catalyst, Environmental Protection第一章 总论1.1 设计对象1.1.1 设计规模：32万吨/年1.1.2 原料和产品规格 原料：硫磺 规格：含硫98.96%，0
12、.11%，灰分0.93%。 产品：98%的浓硫酸 规格：产品质量标准执行中华人民共和国工业硫酸标准（GB/T5342002)一等品 规格,硫酸质量符合以下要求：H2SO498.0%，铁含量0.01%，As含量0.005%，透明度50mm，色度2.0mL。1.1.3工业硫磺的性质及用途 工业硫磺是一种重要的化工产品和基本工业原料，工业硫磺有块状、粉状、粒状和片状等，呈黄色或者淡黄色，产品质量标准执行GB/T24492006.工业硫磺分子量为32.06，蒸汽压为0.13kpa，闪点为207，熔点为119。它不溶于水，微溶于乙醇，易溶于二硫化碳。属于二级易燃物，自然点205，其粉尘或蒸汽能与空气形成
13、爆炸性混合物,属易燃固体危险品。硫磺主要用来生产硫酸、染料、烟花爆竹及橡胶制品，还可用于军工、医药、农药等部门。食品硫磺在食品工业中可用来防腐、杀虫、漂白、熏染等，还可用于淀粉工业软化玉米及其它原料用。1.1.4硫酸的性质及用途1 硫酸，H2SO4,相对分子质量为98.078，是指SO3与H2O摩尔比等于1的化合物，或指100%H2SO4，外观为无色透明油状液体，密度(20)为1.8305g/cm3。工业上使用的硫酸是硫酸的水溶液，即SO3与H2O摩尔比小于或等于1的物质。发烟硫酸是SO3与H2O的摩尔比大于1，亦为无色油状液体，因其暴露于空气中，逸出的与SO3空气中的水分结合形成白色酸雾，故
14、称之为发烟硫酸。硫酸或发烟硫酸的浓度都可用H2SO4质量分数表示。但发烟硫酸的浓度常用其中所含的游离SO3或全部SO3质量分数表示。常用的硫酸组成可分为：92%硫酸，98%硫酸、100%硫酸、20%发烟酸、65%发烟酸。硫酸是强酸之一，具有酸的通性。但浓硫酸有其特殊的性质。在物理性质方面，有相对密度大，沸点高，液面上水蒸气的平衡分压极小等特性；在化学性质方面，有氧化、脱水和磺化的特性。硫酸与水可以任意比例混合，同时放出大量的热，会飞溅伤人或引起爆炸；硫酸的密度是随温度的降低及含量的增加而增加，但是硫酸的冰点并不是随其温度的增加而降低的，浓度低于76%的硫酸与金属反应会放出氢气。硫酸用途非常广泛
15、，无论在工业部门还是在农业生产、满足人民物质生活需要、加强国防力量，都起着重要的作用。硫酸在大宗生产的化产品产量位居前列，是最重要的化工原料之一。硫酸的最主要用途是生产化学肥料，用于生产磷铵、重过磷酸钙、硫胺等。在中国，硫酸产量的60%以上用于生产磷肥和复肥。在化学行业中，硫酸是生产各种硫酸盐的主要原料，是塑料、人造纤维、染料、油漆、药物等生产中必不可少的原料。在农药、除草剂的生产中亦需要硫酸。在石油行业中，石油精炼需要使用大量硫酸作为洗涤剂，以除去石油产品中的不饱和烃和硫化物等杂质。在冶金行业中，钢材加工及成品的酸洗都需要硫酸；电解法精炼铜、镉时，电解液需使用硫酸；某些贵金属的精炼亦需用硫酸
16、溶去夹杂的其他金属。在火炸药及国防工业中，浓硫酸用于制取硝化甘油、硝化纤维等炸药。原子能工业中用于浓缩铀。运载火箭所用燃料亦离不了硫酸。1.1.5硫酸工业的概况及其发展趋势1. 中国硫酸工业的概况及发展趋势2,3,4硫酸工业是中国化学工业中建立较早的一个部门。中国是硫铁矿资源比较丰富，硫铁矿产量居世界首位。相对而言，天然和再生硫磺要少得多，因此硫铁矿是中国硫酸生产的主要原料。用它生产的硫酸占硫酸总产量的80%以上，其他原料在20%以下，其中冶炼烟气占16%左右。根据中国硫资源的特点，今后中国的制酸原料仍以硫铁矿为主，同时大力发展冶炼烟气制酸，稳健地发展硫磺制酸、石膏制酸。 80年代以前，中国硫
17、酸工业的装置数多而规模小，工艺陈旧，三废排放严重，所采用工艺基本都是水洗净化、一次转化，设备效率低，开工率低，能耗大。但是随着国家相关政策的进一步实施，近年来，引进了一大批大型先进生产装置，使得硫酸产量有进一步增加。目前，中国硫酸企业总生产能力为22Mt/a。同时，在技术上也有明显提高。主要表现在：（1） 装置大型化，相续新建一批200kt/a及280kt/a装置，更大规模的具有世界水平的硫铁矿制酸、冶炼烟气制酸装置正在建设中。（2） 利用新工艺改造旧装置，目前多数水洗净化已改为酸洗，仍未改造的装置，其废水基本得到治理，两次转化技术得到推广，装置的能力已超过一次转化装置的能力，一次转化装置的尾
18、气多数得到治理；在提高装置热利用率方面，大中型装置基本做到了利用高、中温热能发电，在建或新建大型装置还利用低温热能，使热回收率接近90%。（3） 广泛采用新结构、新材质的高效设备代替老旧设备，很多进口设备，如酸泵、酸冷器、转化器、电除雾器等已基本国产化。（4） 使用环状催化剂，积极引进和开发高活性低温催化剂。 随着设计技术、设备制造及安装技术的不断提高，中国硫酸工业必将大型化、自动化、低排放、低能耗等方面取得更大进展。2. 国外硫酸工业的概况及发展趋势3,4,5接触法制酸几乎是目前世界上硫酸工业的唯一生产方法。其原料为能够产生二氧化硫的含硫物质，一般有硫磺、硫化物、硫酸盐、含硫化氢的工业废气等
19、。在不同国家中，由于本国含硫资源的不同，生产硫酸的原料路线有很大的差异，且所用原料的比重随硫资源的供给情况也有所调整。相对而言，硫磺资源较丰富，制酸过程简单，且经济效益好，以硫磺为原料制酸占酸总量的绝大多数。近年来全世界的硫酸产量中，硫磺制酸约占65%，硫铁矿制酸约占16%，其他原料制酸约占19%。自从接触法硫酸生产工艺出现两转两吸技术以来，硫铁矿制酸的基本工艺过程没有大的变化，仍为沸腾焙烧、电除尘、酸洗净化、电除雾、塔式干吸、两转两吸。硫酸工业提高劳动生产率、降低成本、减少污染的进展主要在以下几个方面：（1） 装置大型化。装置大型化可以显著的降低成本和提高劳动生产率。因此，小型工厂正逐渐被大
20、型化工厂取代，发达国家新建装置规模一般为300900kt/a。目前，硫酸大部分的产量由300kt/a以上的装置生产。（2） 设备结构和材质的改进。改进设备结构可增强设备生产强度、延长寿命、降低建设投资和运行费用。其中新材质的应用为设备性能的提高、结构的改进和新技术应用提供保证。这方面的进展是近20年来硫酸工业技术发展的表现。（3） 节能与废热的利用。20世纪70年代广泛利用了含硫原料燃烧热，以及二氧化硫转化的反应热产生蒸汽发电，其电量除满足本身需求外，还向外输送。对于硫磺制酸装置，热利用率可达65%到75%。现在为了节省系统动力，普遍提高了原料气中的二氧化硫浓度，并且广泛采用环状催化剂、大开孔
21、率填料支承结构、新型填料等技术。（4） 生产的计算机管理。在新建厂中，普遍采用DCS和计算机管理系统，以确保装置运行稳定和达到最优操作状态。（5） 减少污染物排放，保护环境。目前，国外除了广泛采用两转两吸工艺提高二氧化硫转化率，以及净化几乎全部为酸洗外，为了进一步使转化率到达99.9%以上，愈来愈多的装置使用高活性含铯催化剂和“3+2”五段催化床层。据称，这样既能降低成本又能达到严格的排放标准。可以预见，接触法硫酸生产将向增加能量回收、减少排放和降低成本的方向发展，其手段仍然主要依赖以上五个方面。此外，多年来在二氧化硫沸腾转化、加压转化、非稳态转化等方面的研究成果，为接触法硫酸生产技术的发展提
22、供新的契机。 1.2硫酸厂址位置的选择6硫酸企业厂址的选择是一项十分复杂的工作，必须根据拟建项目的技术经济要求，结合建厂地区的自然地理特征，交通运输条件、水源和动力供应条件、建筑施工条件以及工人住宅区布置条件等进行多方案的技术经济比较，选择一个能最大限度满足建设和生产经营要求的、建厂费用和经营费用最省的建厂位置。厂址选择的一般要求如下：（1）厂址应当靠近主要原材料供应地区或产品销售地区。（2）厂址应当有较好的交通运输条件，包括公路、铁路、水路等。年运输量超过某个数值时（按国家规定），应铺设专用线并和铁路正线连接。（3）必须有充足的水源保证供应，如有温度较低的充足水源则更好，这样可以 节省冷却设
23、备，节约投资。（4）最好靠近热电站以获得大量蒸汽和电力。（5）厂址最好选在已有居民的附近地区，离城市不远或靠近已建成投产的其他 企业，这样可以利用城市或企业的各种设备。（6）应在居民区的下风向和江河下游，但又不受其他企业产生的烟气的影响的地方建设工厂。（7）厂址面积与外形应适应工厂总平面布置，并有留有一定的发展余地，一般要求地势要平坦，稍能向外倾斜，有一定的坡度，以利于雨水排除。（8）为了节约土地资源，尽量不占或少占用农田。（9）化工厂排出的污水应有一定的处理能力，达到国家规定的排放标准。（10）有些化工厂有大量的废渣产生，要有足够的洼池堆放和填埋，或者要有利用废渣开发下游产品的相关技术，以期
24、达到资源的最佳利用。（11）厂址应不受洪水淹没，地下水位最好在4m以下或低于地下建筑物的深度。（12）厂址尽量不选在7度以上的地震区，9度以上不能建厂。（13）化工厂的高层建筑物及地下管道较多，在下沉性二级以上大孔性黄土上不宜建厂。（14）地址情况要好，地耐力一般要求在147kPa以上。（15）在具有喀斯特地貌的地区，土崩地段和地下有淤泥或流沙处不宜建厂，已采沙坑上面不宜建厂。（16）有用矿藏的上部不宜建厂。1.2.1所选厂址位置的优势福泉市位于贵州省中部，黔南布依族苗族自治州北部，介于东经1071424-1074535和北纬263228 -270223之间。东临凯里市和黄平县，南与麻江县接壤
25、，西界贵定，龙里，开阳三县。北和瓮安县相连。南北最长55.2千米，东西最宽52.1千米。总面积1690.8平方千米。马场坪镇是福泉市的一个重要工业基地，面积130平方公里。交通非常便利， 西离贵阳120km，南至都匀45km，湘黔铁路、贵新高等级公路穿过该镇并且马场坪火车站准备扩建为二级火车站，湘黔、黔桂、马遵公路穿过该镇，是贵州南下北上、东进西出重要的交通枢纽和物资集散地；矿产资源丰富，现已探明具有开采价值的矿产多达20余种。主要包括磷矿、重晶石、铁、硅石、煤等；全国最大的磷化工业基地瓮福集团座落于该镇。当前，以磷化工为龙头，煤炭、冶金、建材等多行业体系已经形成，工业化水平较高。福泉市境内地
26、势西部和北部较高，东部次之，中部和南部较低，最高海拔1715.8米，最低海拔614米，平均海拔1020米。地貌类型以山地为主，丘陵次之，坝地较少。土壤类型以石灰土最多，黄壤次之，水稻土和紫色土较少。在气候分布区上，属亚热带季风气候华中湿润区，热量丰富，雨量充沛，无霜期长，年均温度14摄氏度，年积温45745609摄氏度，无霜期245278天。年均降水量10331220毫米。 综合上述，依据以上建厂的选择要求，本设计拟建厂址位于贵州省福泉市马场坪镇，马场坪位于福泉南部，贵新高等级公路、株六复线铁路、湘贵铁路交汇于此，所以交通十分便利，有利于原料及产品的输送，而且靠近剑江，水资源丰富，从而保障了充
27、足的水源供应。附近有瓮福磷矿等大型国有化工企业，这样不仅有利于利用其生产的设备和公用工程，而且它们还是最重要的硫酸用户之一。再者硫酸是一种腐蚀性液体，不能像普通固体化学产品那样可以多储存，需随产随销。硫酸的运输费用较高，这就决定硫酸厂址不能离消费中心太远。最后，硫酸厂不宜建在人口稠密和对环境保护要求较高的地区并且厂址位于山地和丘陵区，不占农田，符合国家土地政策。 所以厂址决定选择在贵州省福泉市南部的马场坪，马场坪地理位置如下图所示：图1.1 福泉市地理位置图1.3硫酸生产路线的选择和论证1.3.1硫酸工业的原料及生产工艺 硫酸生产原料有硫铁矿、硫磺、冶炼烟气、磷石膏、石膏、硫化氢、含硫废液等。
28、硫铁矿是我国主要的硫资源，所以长期以来我国硫酸生产基本上都是以硫铁矿为主要原料。遗憾的是硫铁矿不是硫酸生产的最理想原料，它具有生产工艺复杂、管理要求高、操作环境差以及要处理大量的固体和液体等缺陷。近年来，随着大量硫磺的进口及有色冶炼行业的迅速发展，使得我国硫酸生产的原料结构得到不断的优化和调整硫铁矿制酸份额逐年下降，硫磺制酸产量迅速增加，冶炼烟气制酸产量稳定增长，形成了以硫磺、硫铁矿、冶炼烟气制酸三分天下的原料格局。 根据使用催化剂的不同，硫酸的工业制法可分为接触法和硝化法。 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
29、行的。由于这个方法所需设备庞大，用铅很多，检修麻烦，腐蚀设备，反应缓慢，成品且为稀硫酸，所以，这个方法后来逐渐地被淘汰。 在铅室法的基础上发展起来的塔式法，开始于本世纪初期。1907年在奥地利建成了世界上第一个塔式法制硫酸的工厂，其制造过程同样是使氮的氧化物起氧的传递作用，从而氧化二氧化硫，再用水吸收三氧化硫而制成硫酸，不同的是该过程在 液相中进行，生产成本及产品质量都大大优于铅室法。塔式法制出的硫酸浓度可达76左右，目前，我国仍有少数工厂用塔式法生产硫酸。接触法是目前广泛采用的方法，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
30、取代价格昂贵和易中毒的铂触媒。目前，世界上绝大多数的硫酸厂都采用接触法生产，因为该法可以生产浓度为98%以上的硫酸。 接触法中二氧化硫在固体触媒（五氧化二钒）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（不含氮化物）。以下是采用不同原料为基础进行接触法生产硫酸：（1）硫铁矿制酸 硫铁矿按其来源不同分为普通硫铁矿、浮选硫铁矿和尾砂、含煤硫铁矿三种。沸腾焙烧炉所用的硫铁矿指标为：S20%;As0.05%;C1%;Pb0.6%;F0.05%;H2O4.3%,但液硫贮槽温度132下为3.4%)。但回收硫中,烃类含量少,不会达到爆炸限,而C8
31、H14浓度始终恒定,可以认为它已经与硫磺中烃类达到平衡。在138以下,烃类与硫的反应速度很慢,生成的H2S能溶解于液态硫中。H2S在液硫中的溶解度随温度上升而增加,这种反常现象是由于反应生成多硫化氢(H2S4)之故。温度降低也有分解出H2S的倾向。1.4 年工作日的制定和工作制度 1.4.1年工作日的确定 1.本厂采用一年大修一次，一个季度中修一次，每月小修一次，保证一年内全厂能够正常运行300天以上。 2.工作中采用四班三倒，每三班工作24小时，这样既保证了工厂的连续正常生产，也使得每位员工都能得到充分的休息时间。 3.本厂严格按照国家劳动法及其他相关的法律法规制定工作时间，在国家法定的节假
32、日如春节、端午等节日给予员工规定的休息时间。1.4.2年工作制度的确定 第1条 根据中华人民共和国宪法关于“加强劳动保护，改善劳动条件”的规定，为了贯彻落实国家各项安全法规、制度和标准，保护国家财产，保证职工在生产过程中的安全与健康，促进化学工业的发展，特制定本制度。第2条 凡化工企业均应严格遵守本制度。第3条 企业应认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，为各项工作创造安全卫生的劳动条件，实现安全、文明生产。第4条 企业要采取一切可能的措施，全面加强安全管理、安全技术和安全教育工作，防止事故发生。第5条 企业出贯彻、执行本制度外，还必须同时严格执行国家和各部委的各有关安全法规、制度和标准。第6
33、条 安全生产人人有责，企业的每个职工必须认真履行各自的安全职责，做到各有职守，各负其责。第二章 工艺部分2.1重点工序的基本反应原理2.1.1二氧化硫氧化热力学1,13 二氧化硫氧化制三氧化硫为制酸过程的一个重点工序，二氧化硫催化氧化反应如下： SO2 + 1/2 O2 SO3 HOr = -96.25kJ/mol 此反应是一个体积缩小的、放热的、可逆的反应。该反应在工业上只有在相应的催化剂存在的情况下才得以实现并且通常在常压、温度为380600左右进行。因此，提高压力、降低温度均有利于平衡向生成三氧化硫的方向移动。 根据质量作用定律，可知其平衡常数可表示为： (2-1)该式中P*(SO3)，P*(SO2)，P*0.5(O2)分别为 SO3、SO2、 O2的平衡分压，单位为MPa。温度在400700范围内，其平衡常数与温度的关系可以表示为： (2-2)由此可知，平衡常数在一定的范围内随温度的升高而减少。平衡转化率是指某一可逆反应达到化学平衡状态时，转化为目的产物的某种原料量占该种原料起始量的百分数。同时，它也是反映了在一定温度下该反应进行程度的指标。其表达式为：
