年產(chǎn)15萬噸硫酸吸收塔設(shè)備初步設(shè)計.doc

年產(chǎn)15萬噸硫酸吸收塔工藝設(shè)計摘 要硫酸是一種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必需的大宗化工基礎(chǔ)原料，用途十分廣泛。在冶金工業(yè)中可用于鋼材酸洗、紡織工業(yè)中可用于棉紗漂染，染料行業(yè)用于染料中間體生產(chǎn)，化肥行業(yè)用于磷銨、過磷酸鈣的生產(chǎn)，有機合成工業(yè)用于脫水劑與高分子組合物，無機工業(yè)用于制取金屬硫酸鹽，民用用于凈水劑硫酸鋁等。此外，還用于制藥、農(nóng)藥、石油精煉、制革、人造纖維、國防軍工等工業(yè)部門。硫酸生產(chǎn)方法有硫鐵礦法、硫磺法、冶煉尾氣法、石膏法等。由于硫酸是主要的基礎(chǔ)化工原料，其發(fā)展程度是一個國家的工業(yè)、國民經(jīng)濟發(fā)達程度上的標志之一，各國對硫酸生產(chǎn)都比較重視。此次畢業(yè)設(shè)計的主要研究對象為硫酸整個生產(chǎn)的基本原理和流程以及著重研究吸收工序中吸收塔的設(shè)計和材料的選擇對于每一個生產(chǎn)方法的選擇的原因和目的進行詳細的剖析(如轉(zhuǎn)化裝置選用“3+2”五段轉(zhuǎn)化工藝.選用濃度為98的硫酸來做干燥劑和吸收劑，動力波進化工藝、等技術(shù)),從而加深對細節(jié)的把握和全局的整合.關(guān)鍵詞 : 硫酸、吸收塔、改造Process Design of a 300a Sulfuric Acid absorption towerabstractSulfuric acid is a kind of industrial and agricultural production must base material, the commodity chemicals widely used. Can be used in metallurgy industry, textile industry in steel pickling yarn dyeing can be used for dye intermediates, dye industry production, chemical fertilizer industry for the production of ammonium phosphate, calcium superphosphate, organic synthesis industry for dehydrating agents.it and polymer composition, inorganic industrial used in producing metal sulphate, civil for DTC vitriolic etc. In addition, also used in pharmaceutical, pesticide, oil refining, leather, synthetic fiber, national defense industry, etc. Sulfuric acid production methods have pyrite, sulfur, smelting exhaust, gypsum etc. The foundation is mainly because of sulfuric acid, the development degree of chemical raw materials of industry, is a national economic development level in one of the marks of sulfuric acid production, countries are seriously.The main research object of graduation design for the production of sulfuric acid and basic principle and process of research on absorption process design and materials absorption tower of choice for each production method of choice for the purpose and detailed analysis (such as the transformation of devices 3 + 2 conversion processes. Choose consists of sulphuric acid concentration of 98% for desiccant and absorbing wave evolution process, such as motivation, thus deepening) for technical details and global integration.Keywords: Sulfuric acid, the absorption tower, transformation,第一章 總 論1.1 設(shè)計對象1.1.1 設(shè)計規(guī)模 設(shè)計規(guī)模:15萬噸/年1.1.2 產(chǎn)品及規(guī)格:原料: 硫鐵礦 產(chǎn)品：98.3%的濃硫酸(98酸)1.1.3 硫酸的性質(zhì)及用途 硫酸純品為無色油狀透明油狀液體,相對密度為1.83 g/cm3, 凝固點10.36。沸點(3300.5)。98.3的硫酸水溶液為恒沸混合物，沸點339,最低結(jié)晶溫度為93.3%的硫酸,結(jié)晶溫度為-38.工業(yè)品因含雜質(zhì)而呈黃、棕等色。一種活潑的二元無機強酸,能與許多金屬、金屬氧化物或其他酸的鹽類反應(yīng)生成硫酸鹽。濃硫酸具有強烈的脫水作用和氧化性。能使木材、紙張、棉麻織物等強烈脫水而炭化。與水混合反應(yīng)激烈，放出大量熱。用水稀釋時應(yīng)在不斷攪拌下將硫酸緩緩注入水中，切勿將水注入酸中造成濺酸傷人。低于76的硫酸與金屬反應(yīng)放出氫氣。生產(chǎn)方法有接觸法和硝化法。主要用于生產(chǎn)磷酸，磷肥，各種硫酸鹽，二氧化鈦(硫酸法)，洗滌劑，染料，藥物，合成纖維等。也可用作搪瓷、金屬的酸洗劑，有機合成的磺化劑和脫水劑，以及用于金屬冶煉，石油精制和電子工業(yè)等。用工業(yè)硫酸在石英設(shè)備中蒸餾提純，或以去離子水吸收三氧化硫制成純品，再經(jīng)微孔過濾膜進行超凈過濾而得半導(dǎo)體及硫酸。超凈高純試劑。是半導(dǎo)體工業(yè)用量最大的化學(xué)品。一般和過氧化氫一起用于除去晶體上已完成屏蔽作用的光刻膠，或作腐蝕劑。還可用作電子產(chǎn)品的清洗劑和腐蝕劑。用純凈水吸收潔凈三氧化硫氣體制得蓄電池硫酸。也可用蒸餾法、吹出法對工業(yè)硫酸提純制得。用作鉛酸蓄電池中的電解液和電鍍等。1.2 工作日的制定和工作制度 硫酸廠采取一年大修一次，需要32天；一個季度中修一次，除去大修所處的季度，一年三個季度計算，合計9天；小修一月一次，一次48個小時，共計6天。則一年全廠運行318天。 工作制度：為五班三倒制。第二部分 吸收塔工藝設(shè)計(重點設(shè)計部分)2.1 吸收工序的生產(chǎn)基本原理SO3是硫酸（H2SO4）的酸酐。因此，可以發(fā)生以下反應(yīng)： 和水化合成硫酸：SO3(l) + H2O(l) = H2SO4(l) (+88 kJ mol1) 這個反應(yīng)進行得非常迅速，而且是吸熱反應(yīng)。在大約340以上時, 硫酸、三氧化硫和水才可以在平衡濃度下共存。下表為具體參數(shù)：主要原理：利用98.3%的濃硫酸吸收SO3氣體,通過對由下而上的SO3氣體，由上而下的98.3%的濃硫酸進行流量控制，并在產(chǎn)品處實行2個部分的分離：1-成為產(chǎn)品，2-稀釋至98.3%左右進行循環(huán)使用。至此，一套濃硫酸吸收工藝的整個工作場所是吸收塔，所以，此次設(shè)計的核心部分為吸收塔設(shè)備的規(guī)格以及物料衡算。此次設(shè)計的硫酸生產(chǎn)的成品規(guī)格為: 濃度=98.3%的硫酸。吸收酸濃度的選擇為了達到理想的吸收效果和最大的經(jīng)濟效益,對于吸收酸的濃度的選擇考慮有以下因素:a. 吸收酸的濃度過高或過低都會產(chǎn)生相當(dāng)量的酸霧,并與之成正比的是SO3的損失量.b. 選擇98.3%的硫酸的因素是能使其對SO3達到最完全.而濃度過低和濃度高產(chǎn)生酸霧的細微差別在于酸霧產(chǎn)生的地點是在尾氣筒處(低濃度-吸收過程中產(chǎn)生的酸霧)還是離開尾氣筒一段時間(高濃度-尾氣中的SO3與大氣中的水蒸氣結(jié)合而形成酸霧).綜合以上點,吸收酸的濃度選擇為98.3%為其最優(yōu)選擇.2.1.1 吸收酸溫度的選擇其它條件不變時,吸收酸溫度升高,吸收率下降(由于酸自身的蒸發(fā)加劇,使液面上的蒸汽壓明顯增加). 吸收酸溫度過低會造成:a. 低于硫酸蒸汽的露點溫度,產(chǎn)生一定量的酸霧.b. 增大制冷設(shè)備的投入,導(dǎo)致不必要的成本.所以,此次設(shè)計的中酸溫度選擇的區(qū)間為6075左右,并采用較高酸溫和進塔氣溫的高溫吸收工藝該工藝優(yōu)點:減少酸冷器換熱面積,提高吸收酸的換熱面積,并避免酸霧的產(chǎn)生.2.1.2 SO3進塔溫度的選擇在一般的吸收操作中,進塔氣體溫度較低有利于吸收.但在吸收SO3時,并不是氣體溫度越低越好.因為轉(zhuǎn)化溫度過低,更容易形成酸霧,尤其是爐氣干燥較差時.當(dāng)爐氣中水分含量為0.1g/m3(標準狀態(tài))時,其露點為112,所以一般控制入塔氣體溫度不低于120,以減少酸霧的形成.214 吸收工序的設(shè)備選擇濃酸吸收三氧化硫氣體，一般在封閉的塔設(shè)備中進行。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，隨著吸收過程的進行，吸收酸的溫度隨著增高，為使循環(huán)酸的溫度保持一定，必須使其通過冷卻設(shè)備，以除去在吸收過程中增加的熱量。所以，一個完整的循環(huán)系統(tǒng)由吸收塔，循環(huán)酸儲槽，酸泵，以及冷卻器等設(shè)備組成。該吸收工序的由于組合的不同導(dǎo)致各自的效果不同，本次設(shè)計分為采用下種方式進行吸收吸收塔 循環(huán)酸儲槽 冷卻器 酸泵該流程的特點：酸的流速適中，傳熱較好，冷卻器配置在酸泵前，酸在冷卻器管內(nèi)流動，一方面靠位差，一方面靠酸泵的抽吸，管內(nèi)受壓較小，比較安全，有效。2.1.5 吸收塔的結(jié)構(gòu)原理填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔結(jié)構(gòu)示意圖填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。 當(dāng)液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時，需要進行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。 所以，填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。216 吸收塔的基本選擇條件工業(yè)吸收塔應(yīng)具備以下基本要求： 吸收塔適用于快速和瞬間反應(yīng)的吸收過程，多用于氣體的凈化。該塔結(jié)構(gòu)簡單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時間長，氣量變化時塔的適應(yīng)性強，塔阻力小，壓力損失為300700Pa，與板式塔相比處理風(fēng)量小，空塔氣速通常為0512m/s，氣速過大會形成液泛，噴淋密度68m3(m2，h)以保證填料潤濕，液氣比控制在210Lm3。填料塔不宜處理含塵量較大的煙氣，設(shè)計時應(yīng)克服塔內(nèi)氣液分布不均的問題。下面為其工藝條件的選擇標準：1、 噴淋酸的濃度（93%-95%硫酸）2、 噴淋酸的溫度（30-45）3、 氣體溫度（進口30）4、 噴淋密度（10-15m3/m2.h）具體要求如下6點： 1塔內(nèi)氣體與液體應(yīng)有足夠的接觸面積和接觸時間。 2氣液兩相應(yīng)具有強烈擾動，減少傳質(zhì)阻力，提高吸收效率。 3操作范圍寬，運行穩(wěn)定。 4設(shè)備阻力小，能耗低。 5具有足夠的機械強度和耐腐蝕能力。 6結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和檢修。2.2 主要設(shè)備-吸收塔的具體設(shè)計此次設(shè)計將著重吸收塔部分進行以下設(shè)計：六個方面包括殼體材料的尺寸設(shè)計和材料選擇, 它由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體進出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。 吸收塔填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔的性能。填料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一定的機械強度、密度小、價格低廉等。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料（此次設(shè)計選用鮑爾環(huán)），20世紀80年代后開發(fā)的新型填料如QH1型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為先進的填料塔設(shè)計提供了基礎(chǔ)。填料類型和材質(zhì)的選擇,承壓板,底座,噴頭,各類接管六方面進行.2.2.1 塔殼體材料和尺寸的選擇殼體分三層:a.關(guān)于殼體,考慮其需承受內(nèi)外的強氧化性酸及其不同濃度腐蝕能力的差異和日照風(fēng)吹等各種自然環(huán)境的考驗,并且殼體還需承受塔內(nèi)巨大的重量,冷熱層差,所以,此次設(shè)計選擇了玻璃鋼玻璃纖維作筋骨，用合成樹脂（酚醛塑料、環(huán)氧樹脂及聚酯樹脂）作肌肉作為吸收塔的外殼材料.下面為鐵在不同濃度硫酸環(huán)境下的腐蝕水平,以說明硫酸濃度的不同帶來的巨大差別:濃度0%-49% : 腐蝕速度達到最大620g/(m2d)(正比關(guān)系)濃度49%-81% : 腐蝕速度驟降至幾乎為0濃度81%-100% : 上升至100 g/(m2d)左右從上列數(shù)據(jù)我們可以得知硫酸的濃度的不同會導(dǎo)致其腐蝕能力產(chǎn)生極大的差異,而這中腐蝕差會加速其腐蝕進程.從玻璃鋼的各類參數(shù)可以知道其質(zhì)輕而硬，機械強度高，耐腐蝕等優(yōu)良特質(zhì)可以滿足我們的設(shè)計需要,所以,此次設(shè)計的外殼材料選擇了玻璃鋼.b.關(guān)于內(nèi)襯,則需考慮較高溫度(60-75)的強酸腐蝕和比較大的沖擊力量,所以,此次設(shè)計中選擇的內(nèi)襯為耐酸陶瓷作為吸收塔的內(nèi)襯.選擇的耐酸陶瓷規(guī)格為:10010020mm選擇的考慮因素包括:1.強度高,空隙率小,介質(zhì)不容易滲透. 2.熱穩(wěn)定性好,可運用于急冷急熱的部分. 3.耐酸性能極其強悍且成本低廉.所以此次設(shè)計內(nèi)襯材料選擇為:耐酸陶瓷進行c. 關(guān)于中間連接層的選擇,需考慮其連接能力大小和抗老化的程度,所以,經(jīng)過細致的選材工作,最終確立的夾層材料為:鉀水玻璃膠泥.該材料成為此次設(shè)計的連接劑的原因以下幾點:1.連接性,抗?jié)B透性由于其它同類型材料. 2.耐熱性好(400的極限溫度對于75那是相當(dāng)夠用). 3.無毒無害,環(huán)保,價格低廉.所以,連接材料為性能優(yōu)秀的:鉀水玻璃膠泥.最終確定殼體的材料選擇: 外殼-玻璃鋼 內(nèi)襯耐酸陶瓷 連接劑-鉀水玻璃膠泥.2.2.2 吸收塔填料的材質(zhì)和規(guī)格的選擇 填料是吸收塔最為重要的組成部分之一，所以，填料選擇何種材料需考慮以下4個方面：1傳質(zhì)效率要高 一般而言，規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料.2通量要大 在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料.3填料層的壓降要低.4填料抗污堵性能強，拆裝、檢修方便.綜合以上4點，此次設(shè)計吸收塔填料選擇為：鮑耳環(huán) 材料選擇為：陶瓷填料 規(guī)格選擇為：38*38*4（徑*高*厚mm） 填料形式：散裝陶瓷的性質(zhì)穩(wěn)定，具有很好的耐腐蝕性及耐熱性，陶瓷填料價格便宜，具有很好的表面潤濕性能，所以成為此次設(shè)計的填料材料的選擇。至于散裝填料規(guī)格的選擇：工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應(yīng)大于8，所以，此次設(shè)計的填料規(guī)格選擇為：38*38*4（徑*高*厚mm）以上，即為吸收填料的的材質(zhì)和規(guī)格的選擇223 吸收塔承壓的選擇承壓板在整個吸收塔系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)了一個承上啟下的任務(wù)，因此，在設(shè)計過程中對于承壓板的考慮主要集中在填料的重量承受，及耐酸耐溫方面出發(fā)。所以，對其各項工藝指標的控制極為嚴格，需要很大的機械強度和耐酸性能,此次設(shè)計選用的承壓板為:鎳基耐蝕合金(主要合金元素是銅、鉻、鉬).其具有良好的綜合性能，符合此次設(shè)計的材料要求,所以,選擇其作為承壓板進行設(shè)計.規(guī)格一般小于殼體,在其表面設(shè)計無數(shù)可供瀉酸的通道,以保障物料的吸收效率和處理速度.2.2.3 吸收塔的小部件的細節(jié)設(shè)計其小部件包括:噴頭,進出口連接件,及各個細微連接件等設(shè)施.對于噴頭而言,需要滿足的要求為:足夠大的輸送物料的能力,以及最為嚴苛的耐酸標準.所以,在選擇其規(guī)格和材料是需注意其物料處理量和抗腐蝕能力.對于物料的處理量而言,需通過計算得出.2.2.4 吸收塔結(jié)構(gòu)的選擇關(guān)于吸收塔結(jié)構(gòu)的選擇部分,此次設(shè)計采用了效率優(yōu)秀的雙層設(shè)計,以加大其對SO3的吸收轉(zhuǎn)化效率和降低對支撐板的條件.對外部表層還需使用專用油漆進行，以達到露天使用的要求。3.1 計算此次最主要的設(shè)計物料衡算部分，以下為該反應(yīng)的主要原理：SO3+H2O=H2SO4設(shè)計的年產(chǎn)量為15萬噸，即1.5108，全年的生產(chǎn)天數(shù)為318天，由此數(shù)據(jù)可知月產(chǎn)量為471698.11，日產(chǎn)量為15723.27，由此可以計算出每一個小時的生產(chǎn)量為665.14，從而可以計算出設(shè)備的體積和處理能力。設(shè)備的進口為：SO3 原料進口 出口為: H2SO4產(chǎn)品出口 循環(huán)物料出口 循環(huán)液: 98.3%的濃硫酸來自出口高濃度的H2SO4稀釋至98.3%后循環(huán)使用。整個系統(tǒng)可以表達為以下圖示：此圖為整個吸收系統(tǒng)的循環(huán)簡圖，其進口和出口以及循環(huán)酸的路線為上圖所示。3.1.1 各個物料的具體計算部分首先，通過對總的物料量進行恒算，可額定進口物料的流量15723.27，則可以通過計算知道15723.27。假設(shè)15723.2798.3%的H2SO4吸收了SO3后變成H2SO4SO3再經(jīng)過稀釋成為98.3%的循環(huán)酸的質(zhì)量可以通過下面的方法進行計算：98.3%的濃硫酸可以看成是H2SO41/9H2O，因為此時H2SO4與H2O的質(zhì)量比為98：2要變成H2SO4SO3的話，就相當(dāng)于是98克H2SO4變成H2SO4SO3，以及2克H2O變成H2SO4SO3，那么它們的質(zhì)量分別