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1、摘 要硫酸生产工艺主要由五部分组成，包括二氧化硫气体的制取，炉气的净化，二氧化硫气体的转化，三氧化硫气体的吸收以及尾气的处理。主要包括工艺流程的选定，工艺过程计算，主要设备工艺计算及选型，以及绘制 部分设备的平面布置。本设计采用二塔二电流程，以年产11万吨硫酸车间净化工段工艺设计，设计中对主要工序进了物料衡算，热量衡算，并以此绘制物料平衡表和热量平衡表。然后以净化工段为重点，对相关设备进行了计算。关键词：硫酸；二塔二电；物料衡算；热量衡算；工艺设计AbstractSulfuric acid production process is mainly composed of five parts,
2、 including the preparation of sulfur dioxide gas, the furnace gas purification , the transformation of sulfur dioxide gas, the absorption of sulfur trioxide gas and the treatment of exhaust gas processes. The design mainly describes about the process of sulfuric acid production with the annual produ
3、ction capacity of 110,000 tons, including the flow process design, the calculation and selection of the main equipment, the layout of some equipment. Used pyrite as the raw material in the design. The design mainly calculated the mass balance and heat balance，and drew material balance table and heat
4、 balance in mainly production process. And then,use the depuration segment as the emphasis ,calculated The relevant Model Selection of the Related devices.Finally, the process description, security memorandum, memorandum of technical risk, the proposal of environmental protection and management were
5、 complete.Key words：Sulfuric acid;two towers and two Electric precipitators; mass balance;heat balance目 录第一章 文献综述11.1硫酸的性质11.1.1硫酸的物理性质11.1.2硫酸的化学性质11.2硫酸的生产方法21.2.1硝化法制造硫酸31.2.2接触法制造硫酸31.3硫酸的安全生产41.3.1硫酸工业中催化剂的重要作用41.3.2硫酸生产中可能存在的危害51.3.3我国硫酸工业技术概况61.3.4环境保护与治理建议71.3.5安全防护措施及防护用具81.4硫酸生产工艺流程流程叙述81.
6、4.1SO2气体的制取81.4.2炉气的净化91.4.3SO3气体的吸收101.4.4尾气的处理10第二章 酸洗净化工段计算依据132.1净化流程132.2设计能力132.3课题条件132.4工艺指标及条件132.5净化工段各设备除雾比率的分配142.6各塔循环酸浓度142.7气象条件14第三章 物料平衡计算153.1净化工段总平衡153.1.1硫平衡153.1.2水平衡163.1.3冷却塔出口炉气温度的计算163.2冷却塔循环系统物料平衡173.2.1出冷却塔酸的组成183.2.2混合后酸的组成:183.3洗涤塔循环系统物料平衡193.3.1出洗涤塔酸的组成193.3.2出洗涤塔的酸混合后的
7、组成203.4净化工段物料流程图20第四章 热量平衡计算224.1冷却塔热量横算224.1.1炉气带入的热量224.1.2三氧化硫冷凝器224.1.3反应热224.1.4稀释热234.1.5冷却塔内水蒸发吸收热234.1.6炉气带出的热量234.1.7传递给循环酸的热量及出塔酸温244.1.8酸冷却器和冷却水用量244.2洗涤塔热量衡算264.2.1炉气进洗涤塔带入热264.2.2冷凝热和稀释热274.2.3炉气带出热量274.2.4传递给循环酸的热量及出塔酸温284.2.5酸冷却器和冷却水用量28第五章 设备计算315.1酸冷却器315.2冷却塔315.2.1冷却塔所需的容积及空速315.2
8、.2塔中喷头数量325.3洗涤塔335.3.1表面传热系数的计算335.3.2洗涤塔填料面积的计算355.4电除雾器36设计小结37参考文献41致谢42第一章 文献综述前言硫酸工业是一项比较古老的工业，我国很早就有人用蒸馏绿矾制硫酸。随着时代的发展，特别是近代工业的飞速发展，硫酸制造工业日益显示了它的重要性。无论是在国民经济各工业部门，还是发展也非常快，无论是从制取原料，还是从工艺流程都有质的飞跃。以前制取原料单一，工艺流程简单，现代制取原料广泛，工艺流程合理，大大提高硫的利用率。引进现代技术进行废热回收，大大节约了能源消耗。通过对工业废水的处理，不仅净化环境，而且使得贵重金属得到回收利用。我
9、国硫酸工业也在高速发展，不仅产量的增加和品种数的增多，同时还表现在生产技术的效率提高了。在原料品种上，块矿和尾矿或浮选硫铁矿同时使用，高品位矿和地品味矿同时使用。冶炼烟气制酸在生产中也占有相当比重，硫磺制酸比重也有所增加。工艺流程由过去水洗流程，一转一吸流程，逐步过渡到酸洗精华，二转二吸，并使用多种高效率净化设备。热酸回收基本上做到了由大型硫酸厂高温位能利用发电过渡到中低温热能同时使用。展望未来，我国硫酸工业前途广阔，今后发展，不仅产量迅速增长，而且在生产技术上也会出现具有中国特色的装置路线。1.1硫酸的性质硫酸，分子式为H2SO4。是一种无色无味油状液体，是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，
10、能以任意比与水混溶。硫酸是基础化学工业中重要的产品之一。硫酸的性质决定了它用途的广泛性，硫酸主要用于生产化学肥料、合成纤维、涂料、洗涤剂、致冷剂、饲料添加剂和石油的精炼、有色金属的冶炼，以及钢铁、医药和化学工业1。所以硫酸号称“工业之母”是名副其实的。1.1.1硫酸的物理性质纯硫酸是一种无色无味油状液体。常用的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3，其物质的量浓度为18.4molL-1。硫酸是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅”。若将浓硫酸中继续通入三氧化硫,则会产生“发烟”现象,这样含有SO3的
11、硫酸称为“发烟硫酸”。100%的硫酸熔沸点为熔点10，沸点290。但是100%的硫酸并不是最稳定的，沸腾时会分解一部分，变为98.3%的浓硫酸，成为338（硫酸水溶液的）恒沸物。加热浓缩硫酸也只能最高达到98.3%的浓度。98.3%硫酸的熔沸为熔点10，沸点338。1.1.2硫酸的化学性质浓硫酸有三大特性，分别为吸水性，脱水性和强氧化性2。（一）吸水性浓硫酸的吸水作用，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 = H2SO4nH2O故浓硫酸吸水的过程是化学变化过程，吸水性是浓硫酸特有的化学性质。浓硫酸不仅能吸收一般的游离态水（如空气中的水）
12、，而且还能吸收某些结晶水合物（如CuSO45H2O、Na2CO310H2O）中的水。鉴于硫酸的这个特性，H2SO4可用于干燥很多的气体，作为干燥剂使用。（二）脱水性脱水性是浓硫酸的化学特性，物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化的过程，反应时，浓硫酸按水分子中氢氧原子数的比（21）夺取被脱水物中的氢原子和氧原子。可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物，被脱水后生成了黑色的炭（碳化）。如C12H22O1112C+1H2O（三）强氧化性（1）跟金属反应常温下，浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。加热时，浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反应，生成高价金属硫酸盐
13、，本身一般被还原成SO2，在这些反应中，硫酸表现出了强氧化性和酸性。Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2+2H2O2Fe+6H2SO4(浓)=Fe2(SO4)3+3SO2+6H2O（2）跟非金属反应热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸，本身被还原为SO2。在这类反应中，浓硫酸只表现出氧化性。C+2H2SO4(浓)CO2+2SO2+2H2OS+2H2SO4(浓)=3SO2+2H2O2P+5H2SO4(浓)=2H3PO4 + 5SO2+2H2O（3）跟其他还原性物质反应浓硫酸具有强氧化性，实验室制取H2S、HBr、HI等还原性气体不能选用浓硫酸。 H2S+H2S
14、O4(浓) =S+SO2+ 2H2O2HBr+H2SO4(浓)=Br2+SO2+ H2O2HI+H2SO4(浓)=I2+SO2+2H2O1.2硫酸的生产方法生产硫酸最古老的方法是用绿矾（FeSO47H2O）为原料，放在蒸馏釜中锻烧而制得硫酸。在煅烧过程中，绿矾发生分解，放出二氧化硫和三氧化硫，其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝，便可得到硫酸。2（FeSO47H2O）Fe2O3+SO2+SO3+14H2O在18世纪40年代以前，这种方法为不少地方所采用。古代称硫酸为“绿矾油”，就是由于采用了这种制造方法的缘故。二氧化硫氧化成三氧化硫是制硫酸的关键，但是，这一反应在通常情况下很难进行。后来人们发现，借助
15、于催化剂的作用，可以使二氧化硫氧化成三氧化硫，然后用水吸收，即制成硫酸。根据使用催化剂的不同，硫酸的工业制法可分为硝化法和接触法3。1.2.1硝化法制造硫酸硝化法（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。塔式法同样在铅室法的基础上发展起来的塔式法，开始于20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，与铅室法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。而目前我国硫酸生产
16、接触法占绝大部分，塔式法已很少，但是硝化法还具有一定的优点。它产酸的浓度为76左右，该浓度的酸适合制造过磷酸钙，另外此种生产方法设备简单，建厂快，硫的利用率比较高，可以用杂质比较高的原料。硝化法的反应历程较复杂，但可用简单的化学方程式表示如下：反应中所需的NO由硝酸供给，氧气来自空气。铅室法铅室法在1746年开始采用，反应是在气相中进行的。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，成品为稀硫酸，且必须消耗硝酸。所以，这个方法后来逐渐地被淘汰。1.2.2接触法制造硫酸接触法是目前广泛采用的方法，它创始于1831年，在20世纪初才广泛用于工业生产。到20年代后，由于钒触媒的
17、制造技术和催化效能不断提高，已逐步取代价格昂贵和易中毒的铂触媒。世界上多数的硫酸厂都采用接触法生产。接触法中二氧化硫在固体触媒表面跟氧反应，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），但炉气的净化和精制比较复杂。目前可作为制造硫酸原料的含硫资源除硫磺外，主要有硫铁矿、硫精砂（尾砂）、有色金属冶炼气、焦炉气、天然气、石油气中的硫化氢也可作为制取二氧化硫气体的原料4。将二氧化硫与氧化合成为三氧化硫的反应式是：2SO2O2 = 2SO3Q这个反应在常温下没有触媒存在时，实际上不能进行。为了使这一反应加快，必须提高温度并且采用触媒催化（也
18、叫触媒氧化）。这便是接触法制造硫酸名称的由来。1.3硫酸的安全生产1.3.1硫酸工业中催化剂的重要作用硫酸工业在很长一段时间里是以均相催化氧化的消化法生产为主。二氧化硫的非均相催化氧化，工业上最早使用的是铂催化剂，它虽然活性很好，但是价格昂贵，又容易中毒，竞争不过硝化法。直到20世纪初出现钒催化剂，才使接触法得以迅速的发展。本设计采用的是钒催化剂，型号为S105型钒催化剂的起燃温度为380390，操作温度为400550。钒催化剂具有价格低廉，且耐砷，硒等毒物的能力强于铂催化剂，使用的寿命长。但在本次设计所采用的工艺中，由于气体中某些杂质的存在，且在净化过程中，没有被完全的消除，在长时间的生产过
19、程中，催化剂的中毒现象时有发生。催化剂的中毒分两种，一种为可逆的或暂时性中毒，另一种为不可逆的或永久性中毒。钒催化剂的主要毒物有砷，氟和矿尘。催化剂在二氧化硫的转化过程中起着至关重要的作用，一旦催化剂中毒，整个转化反应，都会受到影响，从而影响整个硫酸生产工艺。在进入转化系统的炉气中，一般都或多或少的含有三氧化二砷，氟化氢，四氟化硅，以及矿尘等杂质。三氧化二砷能使催化剂迅速中毒，主要是因为钒催化剂能吸附三氧化二砷，并氧化成五氧化二砷，而五氧化二砷堆积在催化剂的表面，覆盖活性表面增加反应组分的扩散阻力，从而使催化剂活性下降，这种中毒现象主要发生在550以下的范围。同时有人发现，在较高温度下，特别是
20、在500以上，V2O5能和As2O3生成一种V2O5As2O5的挥发性物质，把V2O5带走，使催化剂活性降低。温度越高，As2O3浓度越高，则挥发的V2O5越多5。氟化氢对钒催化剂的毒害主要是因为氟化氢能与钒催化剂的载体二氧化硅发生反应，生成四氟化硅。而这种反应极大程度上破坏了催化剂的载体，轻则使催化剂减重、粉化，重则是催化剂变黑，并呈多空结构，催化剂活性下降，熔点降低。同时还可能发生氟化氢与五氧化二钒的反应，生成五氟化钒，使三氧化二钒挥发损失，降低催化剂活性。四氟化硅对催化剂的毒害主要表现在四氟化硅的水解反应上。气体中的水蒸汽含量越高，温度越高，越有利于水解反应，分解出水合二氧化硅，使催化剂
21、表面形成白色的二氧化硅硬壳，严重时使催化剂粘结成块，活性严重下降，阻力显著增加。炉气中的矿尘主要是脉石和三氧化二铁，进入转化器后，矿尘被截留，覆盖在催化剂的表面，使其活性表面减少，内扩散阻力增加。部分Fe2O3硫酸化生成Fe2O3nSO3，还会溶入活性溶体，导致组成的改变，使催化剂活性下降。矿尘及其硫酸化产物在催化剂表面结皮或把催化剂粘结成团，最后导致阻力过大而不能生产。催化剂在硫酸生产工艺中起着至关重要的作用，它的活性高低，直接关系到硫酸生产的最终转化率，转化率的降低不仅降低了硫酸生产带来的经济收益，同时会使尾气中的有毒气体（SO2）含量超标，从而造成环境污染。为此，必须加强净化工段与干燥工
22、序的能力，尽可能地除去炉气中的矿尘、砷、氟、水气等对催化剂活性有影响的物质，从而减轻对催化剂的毒害。同时还需及时检查出口气体组成判断催化剂的情况，发现催化剂老化严重或烧坏是要及时进行更换。1.3.2硫酸生产中可能存在的危害硫酸生产过程具有高度的连续性，流程长，工艺过程复杂，对工艺参数的控制要求严格等特点。在生产过程中时常会面对有毒，有害，有腐蚀性等气体，且生产过程又是在高温高压，正压或负压的状态下进行，在生产中使用的原料，中间产品的存在易燃，易爆，易中毒，易腐蚀等许多危险。因此，必须认真做好整个过程中的安全生产的预防与保障工作。在化工厂，工艺规程、安全技术规程、操作规程是化工企业安全管理的重要
23、组成部分。被称为称为“三大规程”，是指导生产，保障安全的必不可少的作业法则，具有科学性、严肃性、技术性、普遍性。硫酸生产中的危害主要有火灾爆炸、中毒、化学灼伤及机械事故等。对于火灾、爆炸等危险，硫酸本身没有燃烧性和爆炸危险，然而，高浓度硫酸可与许多物质，特别是有机物剧烈反应，释放出大量的热，从而引起火灾和爆炸。此外，当硫酸与金属反应时可释放出氢，氢可与空气形成爆炸性混合物，硫酸储槽发生爆炸的事故屡见不鲜。在硫酸生产中，沸腾炉和预热器燃烧炉点火升温时可能发生爆炸和喷火；处理沸腾炉结疤或停炉清灰时，用冷却水冷却也会因温差太大引起爆炸。第二大类是中毒危险，吸入或食入硫酸物会引起中毒。硫酸对皮肤及黏膜
24、等组织有强烈的刺激和腐蚀作用。蒸气或雾可引起结膜炎、角膜混浊以致失明；引起呼吸道刺激，重者发生呼吸困难和肺水肿；高浓度吸人会引起喉痉挛或声门水肿而窒息死亡。口服后引起消化道烧伤以致形成溃疡；严重者可出现胃穿孔、腹膜炎、肾损害及休克等。而由此产生的慢性影响有牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、肺气肿和肺硬化。此外，生产过程中可能会泄漏出对人体和环境有害的二氧化硫、三氧化硫。硫铁矿粉碎、输送过程中会产生粉尘。二氧化硫刺激人的皮肤、鼻粘膜、眼睛、呼吸道、空气中含有60mg/m3二氧化硫时，就会引起剧烈的中毒，引起肺水肿和心脏扩大等症状。长期吸入低浓度二氧化硫，有头昏、头痛、乏力等全身症状，并常有鼻炎、咽喉炎、
25、嗅觉和味觉减退等症状。因此中国规定，生产场所空气中的二氧化硫最高允许浓度为15mg/m3。三氧化硫漏入空气中由于强烈的亲水性会立即和水分结合成硫酸酸雾，酸雾能刺激人的呼吸道。中国国家标准GB504485规定生产场所最高允许浓度为1.0mg/m36。化学灼伤是硫酸生产中常见的危害。浓溶液引起黏膜及皮肤的深度灼伤，出现以浅红色为基底的、边缘清楚的溃疡。这些损伤常经久不愈，并形成很大的疤痕，使功能受到抑制；如灼伤面积过大，可导致死亡。溅入眼内可造成灼伤、导致角膜穿孔、以致失明。面对这些危害，我们必须做好安全防护措施。1.3.3我国硫酸工业技术概况我国硫酸工业的高速发展，不仅表现在产量的增加和品种数的
26、增多，同时还表现与生产技术的改革提高上。在原料品种上：块矿和尾砂或浮选硫铁矿同时使用；高品位矿和低品位矿同时使用，以及对含砷、氟矿的利用方面都取得丰富的生产经验。冶炼烟气制酸在生产中也占有相当比重，硫磺制酸比重也有所增加。以石膏为原料制取硫酸和水泥的工厂已建成投产。焙烧技术：1956年开发硫铁矿的沸腾焙烧以来，目前凡用硫铁矿制酸装置，已全部使用沸腾焙烧炉。既可烧富矿，又可烧贫矿。既可进行氧化焙烧，又可进行磁性焙烧、硫酸化焙烧，对烧渣进行综合利用7。工艺流程：20世纪60年代初期，德国BASF公司发明了两转两吸技术。我国于1966年在上海硫酸厂首次成功的应用了“3+1”式两次转化技术，使最终转化
27、率从97%提升到99.5%。1991年我国又成功设计了“3+2”式两次转化技术，转化率达到99.8%。20世纪80年代初期，苏联科学院西伯利亚分院研究成功了SO2非稳态氧化法，已经获得广泛应用。热能回收：基本上做到由大型硫酸厂高温位能利用发电，过渡到中、低温热能同时利用。其它如沸腾转化、大型化工厂的设计、投产、新型催化剂、塔器、防腐材料的研制使用，都给我国硫酸工业带来新气象。1.3.4环境保护与治理建议进入21世纪，环境保护真正的走进了人们的视线与意识之中，越来越多的人逐渐认识到人与环境的关系必须做出改变，才能是我们的地球走出污染的困境。为此，世界各国都出台了一系列的环境保护措施与法律法规。化
28、工生产作为环境污染的重要来源之一，必须执行更加严格的环境保护措施，从而减少废气，废水，废渣的排放。硫酸工业是化工生产项目中产生污染的一个工业方向，同时，相对而言，也是产生污染最严重的一个方向。在硫酸工业中排放的大量尾气中，还有不少二氧化硫气体，三氧化硫气体，这些气体一旦排放在大气中，即有可能形成酸雨，从而破坏地球表面植被，污染水源等。同时，硫酸工业排放的废水中，一般都含有重金属，极易造成水资源中，重金属含量过度，从而造成水污染8。现阶段大多数硫酸厂都采用了两转两吸的生产工艺，使二氧化硫的转化率以及三氧化硫的吸收率得到提高，从而减少了尾气中二氧化硫及三氧化硫的含量，以致减少了污染。但在我国，还有
29、一些五六十年代建设的硫酸厂大多为一转一吸工艺，转化率在9596，排放尾气SO2浓度高达30004000mLm3。面对这些老厂，我们必须进行相应的技术改造，同时还应添加必要的尾气净化吸收装置。目前采用最多的是氨酸法净化吸收尾气。采用氨酸法尾气回收生产液体二氧化硫或用三级氨法尾气回收生产固体亚铵和高浓度亚硫酸氢铵溶液，排放废气中SO2控制在100150mLm3，优于国家排放标准9。其他的尾气处里吸收方法还有一些，例如碱法，金属氧化物法，活性炭法等。但现今，经济合理，有长期操作经验的只有氨酸法，钠法和活性炭法，其中以氨法应用最为广泛，其次为钠法。除能消除SO2污染保护环境之外，综合利用生产出有经济价
30、值的固体亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、固体亚硫酸钠、液体二氧化硫等延伸产品。本次设计采用的是最普遍的氨酸法处理吸收尾气。氨酸法回收低浓度二氧化硫及三氧化硫的过程由吸收，分解，及中和三个主要部分组成。经过氨酸法处理的尾气，其中的二氧化硫含量可以得到很大程度上的降低，从而满足行业标准，达到国家排放标准，然后放空。对于硫酸工业中产生的废水主要来自两个方面：一是炉气水洗净化系统排出的洗涤水；另一方面是厂区内冲洗被污染地面的排除水。这些污酸和废水中，均含有数量不等的矿尘与有毒杂质。目前常用的处理方法是：一类为加入碱性物质的多段中和法；另一类为硫化中和法。总之，在硫酸工业中，应该尽量减少尾气的排放。从另一方面来说
31、，就是应该大力提高SO2的转化率与SO3的吸收率。这就需要科技人员继续努力开发新工艺，新技术，新材料。1.3.5安全防护措施及防护用具1、安全防护措施（1）强化培训教育，提高操作水平。（2）严格工艺纪律，确保安全生产。（3）保持硫酸生产各工段的通风与气流的流动。（4）尽量减少高温接触，减少有毒气体的接触。（5）生产中要及时检查尽量避免管道、阀门、设备漏气。定期维修，防止漏气。为了生产安全要加入气体吸收装置，当出现泄漏时，使炉气进入气体吸收装置以免泄漏到空气中造成更严重的危害。2、防护用具（1）灭火器具化工生产过程中普遍会面对易燃，易爆物品，这就需要配置有效的灭火器具，防止突发意外。（2） 防毒
32、面具（3） 由于生产过程中有有毒气体产生，故需配置具有防二氧化硫等酸性气体的防毒面具，并且放在工作工段附近，保证工作人员能在最短时间拿到。（3）防毒防尘措施 工厂必须有相应的防毒防尘的装置和机器，对特殊工段进行相应的防毒防尘。1.4硫酸生产工艺流程流程叙述1.4.1SO2气体的制取制取SO2气体是制取硫酸的第一步，也是制取硫酸的重要一步。现今制取SO2气体的方法主要有，燃烧硫铁矿，燃烧硫磺，还原硫酸盐，冶炼烟气以及各种含硫工业废料再次利用等方法。但现今采用最多的还是硫铁矿与硫磺的燃烧这两种方式。本次毕业设计的采用的是燃烧硫铁矿制取SO2气体的方法。1.4.2炉气的净化进入净化系统的炉气含有0.
33、530g/Nm3的矿尘。矿尘积累起来不仅堵塞管道设备，而且其中的氧化铁能与酸雾形成硫酸铁，覆盖在二氧化硫催化剂的表面，既降低催化剂的活性，又增加了床层的阻力。此外，硫铁矿中所含的砷，硒，氟等杂质，分别以不同的形式进入到炉气中，其中的一部分或大部分随炉气带入净化系统。砷能使催化剂中毒，氟能腐蚀设备。进入转化器后，还能侵蚀催化剂载体，引起粉化，使催化床阻力上涨。随同炉气带入净化系统的还有水蒸汽和少量三氧化硫气体，二者结合可形成酸雾。酸雾在洗涤塔中较难吸收，带入转化系统会降低二氧化硫的转化率，腐蚀系统设备和管道。因此，炉气必须进行进一部的净化和干燥，方可进行二氧化硫的催化氧化。炉气的净化可用干法或湿
34、法进行，目前普遍采用的是湿法净化。炉气净化技术随着净化设备的进步而提高。初始，由简单的重力沉降室和惯性除尘室、旋风除尘器等所组成，净化效率低下。自1960年美国科学家F.G.科特雷尔发明了高压静电除尘、除雾设备后，加快了炉气净化技术的发展步伐10。高效旋风除尘器、文式管、泡沫塔、新型填料塔、星形铅间冷器、板式冷却器、冲击波洗涤器、高密度聚乙烯泵、耐稀酸合金泵等高效耐磨蚀设备的出现，使净化设备的选型范围扩大了，寿命延长了，促进了炉气净化工艺方法更加合理、完善。1.3.3SO2气体的转化（一）一次转化一次吸收为了使转化器中的SO2催化氧化过程尽可能地遵循最佳温度曲线进行，随着转化率的提高，必需从反
35、应系统中除去多余的热量，是温度相应地降低。按照换热方式不同，转化器可以分为多段换热式和连续换热式两类。由于SO2最终转化率很高，反应前期与后期单位时间内单位体积催化床的反应热相差倍数很大，用一般的连续换热式转化器时，过程难以遵循最佳温度曲线；而且温度调节也很困难，对于气体组成和空速的变化适应性也很差；再加上结构复杂，催化剂装填系数较小，设备的生产能力也低。所以现在普遍采用多段换热式转化器11。一次转化一次吸收工艺可能达到的最佳最终转化率是97.598，如果要得到更高的转化率，将使所需的催化剂用量大幅度增加，这是不经济的，而且还受到平衡转化率的限制。如果将尾气直接排入大气，将造成严重的大气污染。
36、（二）二次转化二次吸收两次转化两次吸收工艺与一次转化一次吸收工艺相比，所以能用较少的催化剂而获得很高的最终转化率，关键在于将整个转化过程分为两次进行。第一次使大部分SO2得到转化，一般控制转化率在90左右，然后进入第一吸收塔（或称中间吸收塔）将SO2吸收，再进行第二次转化。此时由于反应混合物中不含SO3，而且SO2浓度很低，O2/SO2比值较一次转化要高得多，在这种情况下，平衡转化率高，反应速度快，用较少的催化剂就能保证转化率达到95左右11。两次转化的最终转化率因工艺条件而异，一般在99.599.8范围内。（三）沸腾转化传统上，二氧化硫的催化氧化过程都是采用固定床转化器。这种转化器的生产强度
37、受到多种因素的限制：催化剂颗粒不能太小，否则反应气体通过催化床的流体阻力太大；钒催化剂的导热系数小，不能采用换热管将固定床中的热量除去；不能采用高浓度的二氧化硫气体。为了克服这些缺点，可采用沸腾转化。沸腾转化能从催化床中非常有效地除去热量，能够使用小颗粒催化剂和采用高浓度二氧化硫气体。而且，采用沸腾床转化器可以降低工厂投资，提高蒸汽回收量。硫酸厂使用这种转化器的主要障碍是催化剂的磨损问题。1.4.3SO3气体的吸收气体中的二氧化硫经催化氧化形成三氧化硫后，即送入到吸收系统用发烟硫酸或浓硫酸吸收，形成不同规格的产品硫酸。吸收过程可用下式表示：改变上式中的n值，便形成相应浓度的产品硫酸。当n1时，
38、形成发烟硫酸；n=1时，形成无水硫酸；n1时，则为含水硫酸，即硫酸和水的溶液。要求生产发烟硫酸时，可采用两端吸收流程。转化气一次通过发烟硫酸吸收塔和浓硫酸吸收塔，分别为发烟硫酸和98.3%硫酸吸收SO3气体后，气相中的SO3含量可降至0.10.01%，然后由浓硫酸吸收塔出口引至尾气处理部分，或直接经过捕沫后放空。现今三氧化硫吸收技术的发展主要表现在填料性能的改进，布酸设备的改进和冷却器设计材料的改进。1.4.4尾气的处理硫酸厂尾气中的有害物，主要是SO2（约0.2%0.5%），少量的SO3和酸雾。因此，减少尾气中的有害物的排放，主要应该是提高SO2的转化率及SO3的吸收率。提高SO2的最终转化
39、率，使之达到99.75%，符合目前的排放标准。采用两转两吸流程时，在正常的条件下，是可以达到的。故在新建的硫酸厂中，这种流程已得到广泛采用。对尾气及含低浓度SO2气体的处理方法甚多，且各具特色，主要有氨法，碱法，金属氧化物法，活性炭等12。各种处理方法简介：（1）氨法用氨水或铵盐溶液吸收形成亚硫酸铵亚硫酸氢铵吸收液。连续引出部分吸收液进行处理，随着处理方法的不同，所获得的产品异不同。其中应用最广的是氨碱法。（2）碱法用各种碱液吸收尾气中的SO2，可以免除氨法中氨的损失和雾沫。常用的碱吸收液有碳酸钠溶液，氢氧化镁溶液及石灰乳等。其共同的优点是：脱除率高，工艺简单。其中，石灰乳吸收法的突出优点是石
40、灰来源方便，价格低廉，投资和操作费用较低。（3）金属氧化物法金属氧化物所形成的碱性溶液，亦可作为SO2的吸收剂。主要有碱性硫酸铝石膏法；氧化锌溶液吸收法；氧化锰法等。（4）活性炭法活性炭通常具有较大的内表面积，是一种良好的吸收剂。当尾气中的SO2在一定条件下通过活性炭层时，被活性炭表面吸附。在100以下主要为物理吸附，提高温度后，从物理吸附转向化学吸附。在活性炭表面，吸附态的SO2和吸附态的氧作用，形成吸附态SO3，有水存在时，便形成硫酸。（5）控制SO2排放的其他方法这类方法主要有稀释法，CIL法，调节供气法等。老厂设计中采用的一般是氨法中的氨酸法：氨酸法回收低浓度二氧化硫及三氧化硫的过程由
41、吸收、分解、中和三个主要部分组成。（1）吸收吸收液是亚硫酸铵亚硫酸氢铵溶液，在吸收塔内按下列反应式吸收烟气中的SO2及 SO3由于亚硫酸铵亚硫酸氢铵溶液得不稳定性，当烟气含O2时吸收过程发生下列副反应： （2）再生吸收液在循环槽内加入气氨或氨水，按下列反应使溶液部分再生，以使吸收液中/比值不变。部分循环母液则送往分解系统。（3）分解用浓硫酸分解亚硫酸铵亚硫酸氢铵溶液，得到含水蒸汽的100%二氧化硫和硫酸铵溶液。蒸汽加热分解，实质上是将亚盐分解放出而赶走溶解于分解液中的SO2，同时将为两未分解的亚盐按下式完全分解：为了使亚盐分解完全，硫酸加入量比理论量大30%50%，使分解液酸度成1545滴度。
42、过量硫酸则在中和槽用气氨或氨水中和。（4）中和用氨按下列反应中和过量硫酸：氨加入量比理论量略高，使中和液成23滴度的硫氨溶液。硫氨溶液直接用于农业或蒸发结晶加工成固体硫铵。第二章 酸洗净化工段计算依据2.1净化流程采用二塔二电流程，即：冷却塔 洗涤塔 一级电雾 二级电雾2.2设计能力年产11万吨硫酸。2.3课题条件（1）炉气组成表2.1炉气组成物 料（干基）SO2SO3O2N2小计气体量（mol%）11.00.286.382.42100（2） 炉气水分含量：0.1mol/mol干炉气。（3） 炉气含尘量：0.01 g/mol干炉气。（4） 年开车时间：7200h。2.4工艺指标及条件（1）进入
43、净化工段气体含水量：（2）进入净化工段气体含尘量：（3）进入净化工段炉气温度：350压力：-280mm水柱（4）出净化工段炉气温度：40压力：-700mm水柱（5） 设计参数炉气转化率：0.92+（1-0.92）0.99100%=99.92%；炉气净化率：97%；炉气吸收率：99%。2.5净化工段各设备除雾比率的分配各酸雾除去部位的比例由经验统计得出。表2.2各酸雾除去部位的比例冷却塔洗涤塔一级电雾二级电雾30%22%40%8%2.6各塔循环酸浓度冷却塔：30%H2SO4洗涤塔：5%H2SO42.7气象条件大气压力：756mm汞柱计算采用水温：30第三章 物料平衡计算以每小时的产量为计算基准。
44、3.1净化工段总平衡H2SO4每小时的产量：进入净化工段炉气中硫的含量：依次可得炉气中各组分的流量：SO2：SO3 ：O2：N2：即有：表3.1进料炉气量物 料SO2SO3 O2N2合 计气体量（kmol/h）158.4384.03390.7431187.1421440.357炉气含尘量：炉气含H2O量：3.1.1硫平衡进入净化工段总硫量：按净化率97%进算损失硫量：进入转化工段的硫量：162.471- 4.874=157.597kmol/h副产硫酸量：（按照来计算）折合30%H2SO4：其中：3.1.2水平衡出净化工段的炉气为40，气体中水蒸气100%饱和，洗涤塔用5%的硫酸淋洒，查参考文献
45、13可知，5%H2SO4饱和蒸汽压力为7.199kPa，即在5%H2SO4表面上水蒸气分压为54.0mm汞柱。所以炉气中含水量：净化工序补充水：(1317.447-322.64)+2144.854-144.035718=547.0184kg/h3.1.3冷却塔出口炉气温度的计算进入洗涤塔气体中硫酸的总量，按照计为，进入洗涤塔气体中水分量按照下式(参考文献14)计算： （3-1）式中：C1冷却塔酸浓度，分数；C2洗涤塔酸浓度，分数；M1进入冷却塔气体中硫酸的总含量，折算成；M2进入洗涤塔气体中硫酸的总含量，折算成；B1进入冷却塔炉气中总含水量，144.035718=2592.64kg/h；代入数
46、据：气体饱和度为90%，冷却塔阻力假定为100毫米水柱，则炉气中水蒸气分压P按照下式计算：经计算得：在硫酸液面上，水蒸汽分压P应该符合下式（见参考文献13）： （3-2）其中，对于30%H2SO4，A=8.7705，B=2245。则：，T=340.9K冷却塔出口炉气温度：t=T-273.15=67.83.2冷却塔循环系统物料平衡进冷却塔炉气含水量：含量：出冷却塔炉气温度：67.8饱和度：90%进洗涤塔炉气总含水量：6907.476kg/h出冷却塔炉气含水汽量为：冷却塔蒸发水量：6211.112-2592.64=3618.472kg/h生成酸雾水平衡：进塔全部生成30%硫酸酸雾，其量为。其中：为322.64kg/h，为994.807kg/h。在冷却塔中除下酸雾30%，即除下。进入洗涤塔30%H2SO4酸雾，其中：冷却塔淋洒30%H2SO4，淋洒酸量180/h,进塔酸温度60，比重1.1909。淋洒酸量：1801190.9=214362，其中SO3: 、 H2O:。3.2.1出冷却塔酸的组成出冷却塔酸的组成：SO3:52497+96.792=52593.79
