硫磺制酸轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì).doc

200kt/a硫磺制酸轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì)200kt/a硫磺制酸轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì)目錄第一章 緒論.1 1.1.硫酸的性質(zhì)與用途.1 1.2.硫酸的工業(yè)發(fā)展史.2 1.3.硫酸的工業(yè)概況及其發(fā)展趨勢(shì).3 1.3.1.國(guó)外硫酸工業(yè)概況及其發(fā)展趨勢(shì).3 1.3.2.中國(guó)硫酸工業(yè)概況及其發(fā)展趨勢(shì).4第二章 廠址的選擇.7第三章 原料的選擇.9 3.1.原料的選擇.9 3.2.硫磺制酸的優(yōu)點(diǎn).9 3.3.硫磺的來(lái)源.10第四章 轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì).12 4.1.基本原理.12 4.1.1.二氧化硫氧化熱力學(xué).124.1.2.二氧化硫氧化動(dòng)力學(xué).124.2.工藝流程.144.2.1.工藝流程的確定.144.2.1.1.二轉(zhuǎn)二吸與一轉(zhuǎn)一吸.144.2.1.2.3+1與3+2轉(zhuǎn)化工藝的主要區(qū)別.154.2.1.3.工藝流程的確定.174.2.2.工藝條件.184.2.2.1.轉(zhuǎn)化器一段入口條件中二氧化硫含量.184.3.工藝設(shè)備.204.3.1.轉(zhuǎn)化工段的主要工藝設(shè)備.204.3.2.自動(dòng)控制方案.224.4工藝計(jì)算.234.4.1.物料衡算.244.4.2.能量衡算.26第五章 環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn).335.1.環(huán)境保護(hù).335.2.安全生產(chǎn).33第六章 總結(jié).34致謝.36參考文獻(xiàn).38 第一章 緒論1.1 硫酸的性質(zhì)和用途1,2 硫酸(H2SO4)相對(duì)分子質(zhì)量98.078，是指SO3與H2O的摩爾比等于1的化和物，或指100% H2SO4。外觀為無(wú)色透明油狀液體，密度（20）為1.8305g/cm3。工業(yè)上使用的硫酸是硫酸的水溶液，即SO3與H2O摩爾比1的物質(zhì)。發(fā)煙硫酸是SO3的硫酸溶液，SO3與H2O的摩爾比1的物質(zhì)，亦為無(wú)色油狀液體，因其暴露于空氣中，逸出的SO3與空氣中的水分結(jié)合形成白色酸霧，固稱之為發(fā)煙硫酸。硫酸或發(fā)煙硫酸的濃度均可用H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。但發(fā)煙硫酸的濃度常用其中所含游離SO3（即除H2SO4也外的SO3）或全部的SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。不同表達(dá)方式的硫酸濃度可用也下公式相互換算：CHSO=1.225CSO (t)=100+0.225CSO (f)CHSOH2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%； CSO (t)SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；CSO (f)游離SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。表1.1 硫酸的組成名 稱SO3/H2O摩爾比H2SO4質(zhì)量分率H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%游 離中 和92%硫酸0.68092.0075.1098%硫酸0.90398.0080.00100%硫酸1100.6381.6320%發(fā)煙酸1.30104.502085.3065%發(fā)煙酸3.29114.626593.57幾種典型濃度硫酸的組成如上表1.1所示。硫酸是強(qiáng)酸之一，具有酸的通性。但濃酸有其特殊的性質(zhì)。物理性質(zhì)方面，有相對(duì)密度大，沸點(diǎn)高，液面上水蒸汽的平衡分壓極低等特性；化學(xué)方面，有氧化，脫水和磺化的特性，有關(guān)物理，化學(xué)性質(zhì)及有關(guān)數(shù)據(jù)可查閱文獻(xiàn)。硫酸的用途非常廣泛，無(wú)論在工業(yè)部門，還是在發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，滿足人民物質(zhì)生活需要，加強(qiáng)國(guó)防力量，都起非常重要作用。硫酸在大宗生產(chǎn)的化學(xué)品中產(chǎn)量居于前列，最重要的是化工原料之一。硫酸最主要用途是生產(chǎn)化學(xué)肥料，用于生產(chǎn)磷銨，重過(guò)磷酸鈣，硫銨等。在中國(guó)，硫酸產(chǎn)量的60%以上用于生產(chǎn)磷肥和復(fù)肥。在化學(xué)工業(yè)中，硫酸是生產(chǎn)各種硫酸鹽的主要原料，是塑料，人造纖維，染料，油漆，藥物等生產(chǎn)中不可缺少的原料。在農(nóng)藥，除草劑，殺鼠劑的生產(chǎn)中亦需要硫酸。在石油工業(yè)中，石油精練需使用大量硫酸作為洗滌劑，以除去石油產(chǎn)品中不飽和烴和硫化物等雜質(zhì)。在冶金工業(yè)中，鋼材加工及成品的酸洗要用硫酸；電解法精練銅，鋅，鎘，鎳時(shí)，電解液需使用硫酸；某些貴金屬的精練亦需用硫酸液去夾雜的其它金屬。在火炸藥及國(guó)防工業(yè)中，濃硫酸用于制取硝化甘油，硝化纖維，三硝基甲苯等炸藥。原子能工業(yè)中用于濃縮鈾。運(yùn)載火箭所用燃料亦離不了硫酸。1.2 硫酸的工業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)史1,28世紀(jì)左右，阿拉伯人干餾綠礬（FeSO47H2O）得到一種腐蝕性液體，該液體即為硫酸。15世紀(jì)后半葉，有人將硫磺與硝石一起在潮濕的空氣中焚燒，制得稀硫酸。16世紀(jì)初，在波西米亞（Bohemia）開始以硫酸鐵干餾法制造發(fā)煙硫酸。1570年，G 竇納阿斯(Donaeus)闡明了硫酸的多種性質(zhì)，此后人民才真正認(rèn)識(shí)了硫酸。1740年前后，英國(guó)人J 沃德(Ward)在玻璃器皿中燃燒硫磺和硝石混合物，并將產(chǎn)生的含二氧化硫，氮氧化物及氧氣的混合氣體與水反應(yīng)制成了硫酸。1746年，英國(guó)人J 羅巴克(Roebuck)依照以上方法，在伯明翰建成一座6英尺見(jiàn)方的鉛室，以間歇方式制造硫酸。成為世界上最早的鉛室法制酸工廠。1810年，英國(guó)人金赫爾克開始采用連續(xù)方式焚硫，這是連續(xù)法生產(chǎn)硫酸的開端。此后，鉛室法在發(fā)展中不斷得到完善。其中，法國(guó)著名科學(xué)家蓋呂薩克(Gay lussac)于1827年提出在鉛室后設(shè)置吸硝塔；英國(guó)人J格洛弗(Glover)于1859年提出在鉛室前設(shè)置脫硝塔。這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)了氮氧化物的循環(huán)，至此鉛室法工藝基本成熟。早期的鉛室制酸廠，所用原料為硫磺。19世紀(jì)30年代，英國(guó)和德國(guó)相繼開發(fā)成功以硫鐵礦為原料的制酸技術(shù)。之后，利用冶煉煙氣制酸亦獲成功。1911年，奧地利人C奧普爾(Opl)以塔替代鉛室，在赫魯紹建成了世界上第一套塔式法制酸裝置。自此，硫酸工業(yè)的發(fā)展進(jìn)入塔式法時(shí)代。1923年，H彼德森(Peterson)在匈牙利烏扎羅爾建成1塔脫硝，2塔成酸，4塔吸硝的七塔式裝置，并對(duì)酸循環(huán)流程和塔內(nèi)氣液接觸方式進(jìn)行了改進(jìn)，使生產(chǎn)效率有較大的提高。鉛室法和塔式法制酸均以氮氧化和物為媒介，使SO2在O2及H2O存在的情況下生成硫酸，因此又稱之為硝化法。硝化法制得的硫酸(H2SO4)含量低（ 78%H2SO4）,雜質(zhì)含量高（主要含有塵及氮氧化合物），且需耗用大量硝酸或硝酸鹽，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了染料、化纖、有機(jī)合成、石油化工等部門的要求。因此，此法的發(fā)展受到限制。1831年，英國(guó)人P菲利普斯（Philips）提出在鉑絲過(guò)鉑粉上進(jìn)行SO2轉(zhuǎn)化制SO3的方法，后人稱之為接觸法。1875年開始在工業(yè)上應(yīng)用。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，相繼建成一些接觸法制酸裝置。但是，以鉑為催化劑的接觸法，酸成本較高，盡管酸的需求量日益增大，限于經(jīng)濟(jì)原因，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，硝化法仍占優(yōu)勢(shì)。釩化合物作為SO轉(zhuǎn)化催化劑是由R.耶爾斯（Meyers）于1899年提出的。1913年，德國(guó)BASF公司開發(fā)出添加堿金屬鹽的釩催化劑，使催化劑達(dá)到了鉑催化劑的水平，而且價(jià)格低、不易中毒。此后，在世界范圍內(nèi)，釩催化劑很快取代了鉑催化劑的地位。在硝化法和接觸法的競(jìng)爭(zhēng)中，由于釩催化劑的廣泛應(yīng)用，接觸法占明顯優(yōu)勢(shì)，從此硝化法逐漸被淘汰。第二次世界大戰(zhàn)后，硫酸需求量迅速增加，硫酸工業(yè)發(fā)展逐漸加快。生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：生產(chǎn)裝置的大型化，開發(fā)和采用生產(chǎn)強(qiáng)度更高的新型反應(yīng)技術(shù)和新型單元操作設(shè)備，生產(chǎn)控制自動(dòng)化，節(jié)能與廢熱利用，新型材料的采用等。20世紀(jì)50年代初，德國(guó)和美國(guó)同時(shí)開發(fā)成功硫鐵礦沸騰焙燒技術(shù)；1964年，德國(guó)拜耳公司首先采用兩轉(zhuǎn)兩吸技術(shù)；1971年，德國(guó)拜耳公司又首先建成一座直徑4m的沸騰床轉(zhuǎn)化器；1972年，法國(guó)尤吉納-庫(kù)爾曼公司建成第一座以硫磺為原料的加壓法裝置，裝置操作壓力為0.5Mp,日產(chǎn)酸550t(100%HSO)；20世紀(jì)80年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者提出非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化器，1982年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。其它還有：低溫位廢熱利用的發(fā)展，環(huán)狀及含銫低起活溫度新型催化劑的應(yīng)用，三廢治理及綜合利用等，都標(biāo)志著硫酸生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展。1.3 硫酸工業(yè)概況及其發(fā)展趨勢(shì)1.3.1 國(guó)外硫酸工業(yè)概況及其發(fā)展趨勢(shì)3,4,5接觸法制硫酸幾乎是目前世界上硫酸工業(yè)的唯一生產(chǎn)方法。其原料為能夠產(chǎn)生二氧化硫的含硫物質(zhì)，一般有硫磺、硫化物、硫酸鹽、含硫化氫的工業(yè)廢氣（包括冶煉煙氣）等。在不同國(guó)家中，由于本國(guó)含硫資源的不同，生產(chǎn)硫酸的原料路線有很大的差異，且所用原料的比重隨硫資源的供給情況也有所調(diào)整。相對(duì)而言，硫磺資源較豐富，制酸過(guò)程簡(jiǎn)單，且經(jīng)濟(jì)效益好，以硫磺為原料制酸占總酸量的絕大多數(shù)。近年來(lái)全世界的硫酸產(chǎn)量中，硫磺制酸約占65%，硫鐵礦制酸約占16%，其它原料制酸約占19%。自從接觸法硫酸生產(chǎn)工藝出現(xiàn)兩轉(zhuǎn)兩吸技術(shù)以來(lái)，硫鐵礦制酸的基本工藝過(guò)程沒(méi)有大的改變，仍為沸騰焙燒、電除塵、酸洗凈化、電除霧、塔式干吸、兩轉(zhuǎn)兩吸。硫酸工業(yè)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減少污染的進(jìn)展主要在以下幾方面:裝置的大型化。裝置的大型化可以顯著降低成本和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，小型工廠正逐漸被大型工廠取代，發(fā)達(dá)國(guó)家新建裝置的規(guī)模一般為300900kt/a.目前，硫酸大部分的產(chǎn)量是由300kt/a以上的裝置生產(chǎn)。設(shè)備結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的改進(jìn)。改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度、減小設(shè)備尺寸、降低損耗、延長(zhǎng)壽命，降低建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用。其中新材質(zhì)的應(yīng)用為設(shè)備性能的提高，結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用提供了保證。這方面的進(jìn)展是近20年硫酸工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要表現(xiàn)。節(jié)能與廢熱利用。20世紀(jì)70年代廣泛利用了含硫原料燃燒熱，以及SO2轉(zhuǎn)化的反應(yīng)熱產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，其電量出、除滿足本身需要外，一半左右的電能向外輸送。對(duì)于硫磺制酸裝置，熱利用率可達(dá)到65%70%。80年代初開發(fā)了 HRS低溫位熱量回收系統(tǒng)，使廢熱利用率達(dá)到90%以上。為了節(jié)省系統(tǒng)動(dòng)力，普遍提高了原料氣中SO2濃度，廣泛采用了環(huán)狀催化劑、大開孔率填料支承結(jié)構(gòu)、新興填料等技術(shù)。生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)管理。在新建廠中，普遍采用計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，以確保裝置運(yùn)行穩(wěn)定和達(dá)到最優(yōu)操作狀態(tài)。減少污染物排放，保護(hù)環(huán)境。目前，國(guó)外除了廣泛采用兩轉(zhuǎn)兩吸工藝提高SO2的轉(zhuǎn)化率，以及凈化幾乎全部為酸洗外，為進(jìn)一步使轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.9%以上，愈來(lái)愈多的裝置使用高活性含銫催化劑和“3+2”五段催化層。據(jù)稱，該工藝既能降低成本又能達(dá)到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，接觸法硫酸生產(chǎn)將向增加能量回收、減少排放和降低成本的方向發(fā)展，其手段仍然主要依賴以上五個(gè)方面。此外,多年來(lái)在SO2沸騰轉(zhuǎn)化、加壓轉(zhuǎn)化、非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化等方面的研究成果，為接觸法硫酸生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提供新的契機(jī)。引人注目的是,新近美國(guó)拉爾夫-帕森斯(Ralph-Parsons)公司開發(fā)的純氧非催化法生產(chǎn)工藝和俄羅斯等國(guó)開發(fā)的利用核能同時(shí)H2SO4和H2的工藝為硫酸生產(chǎn)開辟了新天地。1.3.2 中國(guó)硫酸工業(yè)概況及發(fā)展趨勢(shì)1,3,4,6硫酸工業(yè)是中國(guó)化學(xué)工業(yè)中建立較早的一個(gè)部門。1874年天津機(jī)器制造局三分廠建成中國(guó)較早的鉛室板裝置,1876年投產(chǎn),日產(chǎn)硫酸約2噸,用于制造無(wú)煙火藥。1934年,第一座接觸發(fā)裝置在河南鞏縣兵工廠分廠投產(chǎn)。1949年以前,中國(guó)硫酸最高年產(chǎn)量為180Kt(1942年),硫酸廠20余家。20世紀(jì)50年代至70年代,在恢復(fù)、擴(kuò)建和改造基礎(chǔ)上，新建不少中小型裝置,硫酸產(chǎn)量有較大增加。1979年硫酸產(chǎn)量達(dá)6998Kt(100%硫酸計(jì)),僅次于美國(guó)及前蘇聯(lián),居世界第三位。中國(guó)是硫鐵礦資源較為豐富的國(guó)家，硫鐵礦產(chǎn)量居世界首位。相對(duì)而言,天然和再生硫磺要少得多,因此硫鐵礦是中國(guó)硫酸生產(chǎn)的主要原料。用它生產(chǎn)的硫酸占硫酸總產(chǎn)量的80%以上，其它原料在20%以下，其中冶煉煙氣占16%左右。根據(jù)中國(guó)資源的特點(diǎn)，今后中國(guó)的制酸原料仍以硫鐵礦為主，同時(shí)大力發(fā)展冶煉煙氣制酸，穩(wěn)健地發(fā)展硫磺制酸、石膏制酸。80年代以前，中國(guó)硫酸工業(yè)的裝置數(shù)量多而規(guī)模小，工藝陳舊，三廢排放嚴(yán)重，所采用工藝基本都是水洗凈化一次轉(zhuǎn)化，設(shè)備效率低，開工率低，能耗大。隨著改革開放政策的實(shí)施，80年代后，引進(jìn)了一批大型生產(chǎn)裝置，使硫酸產(chǎn)量有進(jìn)一步增加。目前，中國(guó)硫酸企業(yè)總生產(chǎn)能力為22Mt/a。1998年產(chǎn)量為20.495Mt（以100%硫酸計(jì)），僅次于美國(guó)，居世界第二位。同時(shí)，在技術(shù)上也有明顯提高。主要表現(xiàn)在：(1)裝置大型化，相繼新建一批200Kt/a及280Kt/a裝置，更大規(guī)模的具有世界水平的硫鐵礦制酸、冶煉煙氣制酸裝置正在建設(shè)之中。(2)利用新工藝改造舊裝置，目前多數(shù)水洗凈化裝置已改為酸洗，仍未改造的裝置，其廢水基本得到治理，兩次轉(zhuǎn)化技術(shù)得到推廣，裝置的能力已超過(guò)一次轉(zhuǎn)化裝置的能力，一次轉(zhuǎn)化裝置的尾氣多數(shù)得到治理；在提高熱能利用方面，大中型裝置基本做到了利用高、中溫位熱能發(fā)電，在建或新建大型裝置還將利用低溫位熱能，使熱回收率接近90%。(3)廣泛采用新結(jié)構(gòu)、新材料的高效設(shè)備代替老式設(shè)備，很多進(jìn)口設(shè)備，如酸泵、酸冷卻器、轉(zhuǎn)化器、大型沸騰爐、電除霧器等已基本國(guó)產(chǎn)化。(4)使用環(huán)狀催化劑，積極引進(jìn)和開發(fā)高活性低溫催化劑。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)備制造及安裝技術(shù)的不斷提高，中國(guó)硫酸工業(yè)必將大型化、自動(dòng)化、低排放、低消耗等方面取得更大進(jìn)展。目前，我國(guó)以硫磺為原料生產(chǎn)硫酸的裝置能力估計(jì)為75008000kt。其中約有一半是在1999年以來(lái)2年多新建的，另外在建和籌建項(xiàng)目的能力也很大?！笆濉逼陂g，由于西部磷肥基地和全國(guó)各地磷肥項(xiàng)目建設(shè)的需要，硫酸工業(yè)仍將得到進(jìn)一步的發(fā)展，有一批老廠需要進(jìn)行技術(shù)改造，有些企業(yè)還要摻燒硫磺等等。若增加3000kt/a規(guī)模的硫磺制酸的裝置能力，則需要1000kt/a左右的硫磺。毫無(wú)疑問(wèn)，其中的絕大部分還需要通過(guò)國(guó)際貿(mào)易的途徑解決，在近20年中世界市場(chǎng)的硫磺的貿(mào)易量為1500018000kt/a(去除最高和最低值)。在我國(guó)硫磺的產(chǎn)量沒(méi)有較大的變化的情況下，需要從世界市場(chǎng)輸入硫磺的數(shù)量占世界貿(mào)易額相當(dāng)大的份量，對(duì)硫磺市場(chǎng)的平衡有一定的影響。 硫磺輸入量逐年增加，以硫磺為原料生產(chǎn)硫酸迅速發(fā)展的主要原因有以下幾點(diǎn): 首先是在我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)框架已初步建立和市場(chǎng)觀念以深入人心的背景下，以提高經(jīng)濟(jì)效益為中心，對(duì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行戰(zhàn)略性調(diào)整，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的質(zhì)量和效益提到前所未有的高度，企業(yè)和市場(chǎng)在資源配置中發(fā)揮了積極的作用。在國(guó)家提出的長(zhǎng)遠(yuǎn)設(shè)想及進(jìn)行產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)下，順應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加入世貿(mào)組織，輸入硫磺生產(chǎn)硫酸進(jìn)而制造磷肥獲得了較快的增長(zhǎng)。其次是隨著我國(guó)進(jìn)一步改革開放，全球經(jīng)濟(jì)一體化，各國(guó)資源共享。在世界硫磺供大于求的情況下不失時(shí)機(jī)開拓外貿(mào)市場(chǎng)，輸入硫磺生產(chǎn)硫酸，使我國(guó)硫酸工業(yè)得到迅速發(fā)展獲較好的效益。這是一個(gè)不可多得的機(jī)遇。再次是以硫磺為原料生產(chǎn)硫酸，具有工藝流程短，設(shè)備少，投資省，建設(shè)周期短，操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，成本低，沒(méi)有污水和廢渣產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較好。 此外，還有一個(gè)不可忽略的原因是我國(guó)磷肥工業(yè)近幾年發(fā)展很快，促進(jìn)了硫酸工業(yè)相應(yīng)發(fā)展。第二章 廠址的選擇 廠址的選擇是工業(yè)基本建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)政策性、技術(shù)性很強(qiáng)的工作。廠址的選擇工作的好壞對(duì)工廠的建設(shè)進(jìn)度、投資數(shù)量、經(jīng)濟(jì)效率、環(huán)境保護(hù)及社會(huì)效益等方面多會(huì)帶來(lái)重大的影響。從宏觀上來(lái)講，它是實(shí)現(xiàn)國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，決定生產(chǎn)力布局的一個(gè)基本環(huán)節(jié)。從微觀上看，廠址的選擇是進(jìn)行項(xiàng)目可行性研究和工程設(shè)計(jì)的前提。在廠址的選擇時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則1,2。1、廠址位置必須符合國(guó)家工業(yè)布局，城市或地區(qū)規(guī)劃要求，盡可能靠近城市城鎮(zhèn)原有企業(yè)，以便于生產(chǎn)上的協(xié)作，生活上的方便。2、址宜選在原料、燃料供應(yīng)和產(chǎn)品銷售便利的地區(qū)，并在出運(yùn)、機(jī)修公用工程和生活設(shè)施等方面有良好的基礎(chǔ)和協(xié)作條件的地區(qū)。3、應(yīng)靠近水資源充足，水質(zhì)良好的水源地，當(dāng)有城市供水、地下水和地面水三種供水條件時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后選用。4、廠址應(yīng)盡可能靠近原由交通線（水運(yùn)、鐵路、公路）即應(yīng)有便利的交通運(yùn)輸條件。在有條件的地方，需優(yōu)先采用水運(yùn)。對(duì)于有超重、超大或超長(zhǎng)設(shè)備的工廠，還應(yīng)該注意沿途是否具備運(yùn)輸條件。5、廠址盡可能靠近熱點(diǎn)供應(yīng)地，一般來(lái)講，廠址應(yīng)該考慮電源的可靠性，并應(yīng)盡可能利用熱電站的蒸汽供應(yīng)，以減少新建工廠的熱力和供電方面的投資。6、選廠盡可能注意節(jié)約用地，不占或少占良田好地菜園果園等。廠區(qū)的大小形狀和其他條件應(yīng)滿足工藝流程合理布置的需要，并應(yīng)有發(fā)展的可能性。7、選廠應(yīng)注意當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件，并對(duì)工廠投產(chǎn)后對(duì)于環(huán)境可能造成的影響作出預(yù)評(píng)價(jià)，工廠的生產(chǎn)區(qū)排渣場(chǎng)居民區(qū)的建設(shè)地點(diǎn)應(yīng)同時(shí)選定。8、廠址應(yīng)避離洪水位、或在采取措施后仍不能確保不受水淹的地段，廠址的自然地形應(yīng)有利于廠房和管線的布置，內(nèi)外交通聯(lián)系和場(chǎng)地的排水。9、廠址附近應(yīng)有生產(chǎn)污水排放的可靠排除地，并保證不因新廠簡(jiǎn)單致使當(dāng)?shù)厥艿叫碌奈廴炯拔：Α?0、廠址應(yīng)不妨礙或破壞農(nóng)業(yè)水利工程，應(yīng)盡量避免拆除民房或建筑物，砍伐果園和拆除大量墳?zāi)埂?1、廠址應(yīng)避免布置在下列地區(qū)：地震斷層帶地區(qū)和基本烈度為9度以上的地震區(qū)；土層厚度較大的III級(jí)自重濕陷性黃土地區(qū)；易受洪水、泥石流、滑坡、土崩等危害的山區(qū)；有卡斯特、流砂、游泥、古河道、底下墓穴、古井等地質(zhì)不良地區(qū)；有開采價(jià)值的礦藏地區(qū)；對(duì)機(jī)場(chǎng)、電臺(tái)等使用有影響的地區(qū)；有嚴(yán)重放射性物質(zhì)影響的地區(qū)及爆破危險(xiǎn)區(qū)；國(guó)家規(guī)定的歷史文物，如古董、古寺、古建筑等地區(qū)；園林風(fēng)景區(qū)和森林自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景游覽地區(qū)；水土保護(hù)禁耕區(qū)和生活飲用水源第一衛(wèi)生防護(hù)區(qū)；自然疫源區(qū)和地方病流行地區(qū)。揚(yáng)農(nóng)集團(tuán)瑞祥分廠位于江蘇揚(yáng)州市儀征市工業(yè)園區(qū)，公司整體發(fā)展規(guī)劃較好,留有公司發(fā)展規(guī)劃地,北鄰寧通高速和長(zhǎng)江沿岸, 交通便利。公司旁邊有一條河流，水質(zhì)良好。周邊有大量的化工企業(yè),還有一個(gè)火力發(fā)電的電廠。該電廠能為公司提供足夠的能源。揚(yáng)州市地處北亞熱帶向南溫過(guò)渡地帶,年均溫一月份達(dá)0.7,八月份達(dá)到26.8,年均溫度為14.65,夏季東南風(fēng)為主,冬季西北風(fēng)為主3。該公司處于主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)，且離城市較遠(yuǎn)，因此對(duì)城市影響很小。目前，國(guó)際硫磺價(jià)格較穩(wěn)定，而國(guó)內(nèi)硫鐵礦資源日益貧乏；硫磺制酸具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備少、建設(shè)周期短、轉(zhuǎn)化率高、環(huán)保形態(tài)良好。根據(jù)揚(yáng)農(nóng)集團(tuán)瑞祥分廠所處地理位置考慮硫磺質(zhì)量及價(jià)格，決定采用加拿大硫磺；其中國(guó)硫磺的價(jià)格大約900元/t左右，與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)格相當(dāng)，但質(zhì)量要比國(guó)內(nèi)土法生產(chǎn)的質(zhì)量高。根據(jù)計(jì)劃認(rèn)證和市場(chǎng)預(yù)測(cè)，需新建一套年產(chǎn)20萬(wàn)噸的硫酸車間方能滿足。因此,在公司的發(fā)展規(guī)劃地新建一套年產(chǎn)20萬(wàn)噸的硫酸車間。第三章 原料的選擇生產(chǎn)硫酸的主要原料有三類：硫、金屬硫化物和硫酸鹽。其中專門為硫酸生產(chǎn)而開采的硫資源有硫礦，硫鐵礦和磁硫礦，還有石膏和硬石膏；作為副生的硫資源有：天然氣或石油回收硫，有色金屬礦山副產(chǎn)硫精礦，含煤硫鐵礦，有色金屬冶煉氣，硫化氫等；作為工業(yè)廢棄物回收利用的硫資源有：磷石膏，廢脫硫劑，煉油廢酸和其他工業(yè)過(guò)程產(chǎn)業(yè)的廢酸以及硫酸亞鐵等。我們選擇硫磺作原料制硫酸。3.1 原料的選擇硫磺是制造硫酸使用最早又最好的原料。硫在通常情況下為固體。硫在熔融時(shí)，初成為黃色流動(dòng)液體 （粘度810-3-1010-3Pa）。熔化硫自155開始變?yōu)楹稚?，再提高溫度粘度反而減小，至400時(shí)，深褐色的溶硫又慢慢變?yōu)橐琢鲃?dòng)的液體(粘度1410-3PaS)。這些性質(zhì)的變化是和各種分子變形體間的比率隨著溫度的上升而發(fā)生變化有關(guān)。液體硫在4111.09時(shí)沸騰。表3.1 各種溫度下固體硫和液體硫上面的蒸汽壓溫度,501002003004004111.09蒸汽壓,Pa0.0471.13293.316399.550662101324氣體硫分子在1700時(shí)是由單原子構(gòu)成；在8001400間分子主要有S2構(gòu)成，溫度更低，則雙分子就轉(zhuǎn)變成S6和S8的分子。一般氣態(tài)中也含有S4分子。世界上天然硫礦床有意大利的西西里島；日本的北海道；美國(guó)的路易斯安那州及德克薩斯州。最近我國(guó)山東泰安地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有天然硫礦其他含硫原料。3.2 硫磺制酸的優(yōu)點(diǎn)硫磺制酸和硫鐵礦制酸相比具有工序少，流程短，工藝成熟，硫利用率高，副產(chǎn)蒸汽多，電耗低，三廢少的特點(diǎn)。1、工序少，流程短硫磺制酸的首道工序是固體硫磺的熔融和精制，過(guò)程和設(shè)備都比較簡(jiǎn)單；第二道工序是將精制的液硫用于空氣燃燒，幾乎得到不含塵、砷、硒、氟等有害雜質(zhì)的SO2爐氣，因此不需要設(shè)備干法除塵設(shè)備，也沒(méi)有必要設(shè)立濕式凈化工序。硫磺制酸沒(méi)有礦渣、礦塵和稀酸產(chǎn)生，相應(yīng)的處理裝置也就無(wú)須設(shè)置。2、工藝合理，硫利用率高，副產(chǎn)蒸汽多，電耗低6硫磺制酸不存在“熱-冷-熱”不合理現(xiàn)象，而且不存在凈化工序的硫損失，在焚硫爐硫的燃燒率可達(dá)100%，在轉(zhuǎn)化工段中二氧化硫的累計(jì)轉(zhuǎn)化率大于99.7%，三氧化硫的吸收率大于99.95%，故硫的利用率高。由于硫磺的燃燒和二氧化硫的轉(zhuǎn)化都產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量用于產(chǎn)生大量蒸汽，這些蒸汽除本公司自用外,一般還有大量的蒸汽作為商品外供給周邊的化工廠。硫磺制酸自身的電耗為6070KW/h/t H2SO4，是硫鐵礦制酸的60%左右。3、爐氣中SO2和O2濃度高，可以強(qiáng)化相關(guān)設(shè)備6空氣燃燒所得到的干爐氣中，若不計(jì)微量SO3，則SO2和O2合計(jì)量等于21%，而不是空氣焙燒燃燒硫鐵礦時(shí)的18%18.5%。由于焚硫氣體中SO2和O2的濃度高，因此可以強(qiáng)化硫磺制酸的轉(zhuǎn)化器、換熱器和吸收塔等設(shè)備，亦即在同樣的規(guī)模下這些設(shè)備將比較小。4、“三廢”少，轉(zhuǎn)化率高6硫鐵礦制酸存在著廢渣、廢水、廢氣即“三廢”都要治理的問(wèn)題。而硫磺制酸只要吸收尾氣需要排放，沒(méi)有廢渣和工藝廢水污染問(wèn)題。焚硫氣體中氧硫比較高，這就提高了SO2的轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)化率，并使轉(zhuǎn)化反應(yīng)的起始溫度降低。所以硫磺制酸比硫鐵礦制酸可獲得較高的轉(zhuǎn)化率，即硫磺制酸排放的吸收尾氣中SO2含量低。3.3 硫磺的來(lái)源我國(guó)目前消費(fèi)的硫磺主要依靠進(jìn)口，國(guó)際市場(chǎng)硫磺供需情況和價(jià)格變化將對(duì)我們的決策產(chǎn)生重要影響,我國(guó)現(xiàn)在及未來(lái)幾年里硫磺新增產(chǎn)能表7：從我國(guó)過(guò)去幾年的硫磺的進(jìn)口量來(lái)看，這幾年我國(guó)進(jìn)口量幾本上不算平穩(wěn)。中國(guó)進(jìn)口的硫磺只要來(lái)自加拿大。20世紀(jì)70年代以來(lái)，溫哥華硫磺離岸價(jià)的變化列于上表：有上表可以預(yù)測(cè)，由于近期硫磺市場(chǎng)還供大于求，所以硫磺的價(jià)格不會(huì)象80年代那樣飛漲，但因?yàn)橹袊?guó)、澳大利亞和印度等國(guó)家硫磺進(jìn)口數(shù)量增加很快，硫磺價(jià)格也不會(huì)降低到1998年的水平，而且會(huì)呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。目前世界上大多數(shù)國(guó)家主要以硫磺為原料生產(chǎn)硫酸，如：1996年英國(guó)占總產(chǎn)量82.9%的硫酸以硫磺為原料，美國(guó)占82.0%。1995年，以硫鐵礦為原料的硫酸產(chǎn)量為20000Kt左右，占硫酸總產(chǎn)量的13%。1997年除中國(guó)外，其他地區(qū)以硫鐵礦為原料的硫酸產(chǎn)量下降了8%；1998年以硫鐵礦為原料的硫酸產(chǎn)量低于18000Kt。隨著硫磺供應(yīng)的增加和國(guó)際硫磺價(jià)格的降低，我國(guó)的硫磺制酸有了很大的發(fā)展。19951998年，我國(guó)硫酸生產(chǎn)原料組成情況如下表：我國(guó)2006年國(guó)產(chǎn)硫磺的價(jià)格在持續(xù)下降,如下圖: 采用硫磺制酸的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保兩個(gè)方面。因此采用硫磺代替硫鐵礦制酸是一種大趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)從實(shí)際出發(fā)，揚(yáng)州的鐵路運(yùn)輸緊張，而且硫鐵礦資源貧乏，如選用硫鐵礦制酸，則需要其他硫鐵礦供應(yīng)，這樣增加了硫酸成本。綜合射陽(yáng)疏能有限公司所處的地理位置，以及原料的價(jià)格，決定采用加拿大進(jìn)口硫磺為原料制酸第四章 轉(zhuǎn)化工段工藝設(shè)計(jì)4.1 基本原理2、3、4、54.1.1 二氧化硫氧化熱力學(xué)爐氣經(jīng)過(guò)焚硫爐、廢熱鍋爐后進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，進(jìn)行二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的轉(zhuǎn)化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是硫磺制酸的第二個(gè)化學(xué)變化過(guò)程，即：SO2+O2SO3+QP ( 4-1)式中QP為恒壓熱效應(yīng),相當(dāng)于HR,其值為溫度的函數(shù),即:-HR=92.253+2.35210-2T-43.78410-6T2+26.88410-9T3-6.90010-12T4 ( 4-2)由上式可算出各溫度下的HR值,兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)下圖：圖4.1 SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱與溫度關(guān)系根據(jù)質(zhì)量作用定律,平衡常數(shù)可表示為:KP= (4-3)式中p,p,p-分別為SO,SO,O的分壓,atm(latm=0.10133Mpa), 右下標(biāo)eq表示平衡.平衡常數(shù)KP亦為溫度發(fā)函數(shù),可由范特霍夫定律推得以下關(guān)系式.lg KP=-2.8245lgT+2.28410-3T-7.0210-7T2+1.19710-10T3+2.23 （4-4）溫度在400700時(shí), -HR和 KP可由下列簡(jiǎn)化式計(jì)算,計(jì)算結(jié)果可滿足工程設(shè)計(jì)要求.-HR=101342-9.25T （4-5）lg KP=-4.645 （4-6）4.1.2 二氧化硫氧化動(dòng)力學(xué)4.1.2.1 二氧化硫氧化速率及催化劑的使用從熱力學(xué)上講,二氧化硫與氧可以自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)。但在動(dòng)力學(xué)方面，由于反應(yīng)活化能高達(dá)209340J/mol,在溫度400-600范圍內(nèi),反應(yīng)速率很慢,達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)要求,只有溫度達(dá)到1000以上，反應(yīng)速率才較快。但由于反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng),此時(shí)平衡轉(zhuǎn)化率很低。為此,必須采用催化劑降低活化能,提高反應(yīng)速率,使反應(yīng)能在較低溫度下足夠快地進(jìn)行，并能達(dá)到較高轉(zhuǎn)化率，以滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。釩催化劑以五氧化二釩為主要活性組分，以堿金屬（主要是鉀）硫酸鹽為助催化劑，以硅膠、硅藻土、硅酸鋁等作載體。釩催化劑化學(xué)組成一般為V2O5 686，K2O913， Na2O15，SO31020， SiO25070，并含有少量 Fe2O3、 Al2O3、 CaO、 MgO及水分等。產(chǎn)品形狀有圓柱狀、環(huán)狀、球狀。 中國(guó)生產(chǎn)的釩催化劑主要有S101、S 106、 S107、S 108、S 109等型號(hào)。S 101為中溫催化劑，操作溫度 425600，各段均可使用，壽命可達(dá) 10年以上，活性達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 S 102為環(huán)狀中溫催化劑，特點(diǎn)是內(nèi)表面利用率較高，床層阻力小，但易粉碎。 S 105、 S 107、 S 108為低溫催化劑，起活溫度 380390，操作溫度400550，一般裝在一段上部和最后一段，以使反應(yīng)能在低溫下進(jìn)行。這時(shí)不僅能提高總轉(zhuǎn)化率和減小換熱面積，還允許提高轉(zhuǎn)化器進(jìn)口氣體中SO2含量。 目前國(guó)外生產(chǎn)的催化劑可分四大類：中溫催化劑、低溫催化劑、沸騰床催化劑、非釩催化劑。美國(guó)孟山都公司開發(fā)出含銫高活性、低溫起燃催化劑，可允許較高SO2濃度，并能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率。非釩催化劑目前尚處于試驗(yàn)階段。 如上所述，釩催化劑的毒物有砷、氟、酸霧和水分等，分述如下。砷。砷化合物對(duì)釩催化劑的危害表現(xiàn)在兩個(gè)方面：A釩催化劑能竣吸附As2O3并氧化成As2O5，因而將催化劑孔隙堵塞，增大氣體內(nèi)擴(kuò)散阻力，減少活性表面；BAs2O3能與V2O5生成一種V2O5As2O5揮發(fā)性物質(zhì)，該物質(zhì)在 550以上揮發(fā)，然后在稍低溫度的后段床層凝結(jié)，由此使反應(yīng)器內(nèi)催化劑從上至下大面積活性下降。氟。氟在爐氣中以 HF形式存在，它能與硅氧化物作用生成 SiF4，在催化劑上 SiF4水解生成SiO2，催化劑表面被SiO2覆蓋，嚴(yán)重的結(jié)成硬殼，使床層阻力上升，催化劑活性下降。 氟還能與釩反應(yīng)生成 VF5（沸點(diǎn) 111.2），使V2O5揮發(fā)損失，降低催化劑活性。 酸霧與水分。水分和酸霧在轉(zhuǎn)化器操作溫度下,對(duì)催化劑并無(wú)毒害,但在較低的溫度下，卻是有害的，這是因?yàn)榕c催化劑中K2S2O7K2SO4相平衡的水蒸汽分壓很低，在150下近于零。當(dāng)氣相中的水汽達(dá)到一定含量時(shí)，會(huì)吸附在催化劑上，又因在表面上存有硫酸鹽，使得表面上硫酸的平衡分壓極低，因而，硫酸蒸氣會(huì)在比正常露點(diǎn)高的溫度下冷凝下來(lái)。此時(shí)冷凝下的硫酸能溶解表面上硫酸鹽和硫代釩酸鉀，導(dǎo)致催化劑活性下降和機(jī)械強(qiáng)度降低。礦塵。礦塵覆蓋在催化劑表面，可使其活性降低，并增加催化床層阻力。4.2工藝流程4.2.1 工藝流程的確定2、3、4、5、64.2.1.1兩轉(zhuǎn)兩吸與一轉(zhuǎn)一吸對(duì)一次轉(zhuǎn)化一次吸收工藝的分析可知,該種工藝可能達(dá)到的最終轉(zhuǎn)化率為 97.5%98%。如要得到更高的轉(zhuǎn)化率，將使催化劑用量大幅度增加，而且轉(zhuǎn)化的段數(shù)亦要增加，這是很不經(jīng)濟(jì)的。如果將尾氣直接排入大氣,將造成嚴(yán)重的大氣污染。為了減少SO2對(duì)大氣的污染,許多制酸裝置設(shè)置了尾氣處理裝置，其處理的方法很多，但都存在硫利用率低，投資和運(yùn)行費(fèi)用高的缺點(diǎn)。為此,人們?cè)谔岣逽O2轉(zhuǎn)化率方面，從SO2催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)尋找答案，先后開發(fā)出“加壓工藝”、“低溫高活性催化劑”及“兩轉(zhuǎn)兩吸”工藝等技術(shù)。自20世紀(jì)60年代以來(lái),硫酸生產(chǎn)中SO2轉(zhuǎn)化工藝最大的技術(shù)進(jìn)步是采用了兩次轉(zhuǎn)化、兩次吸收工藝,簡(jiǎn)稱兩轉(zhuǎn)兩吸。所謂“兩轉(zhuǎn)兩吸”工藝就是說(shuō)，爐氣進(jìn)行一次轉(zhuǎn)化、一次吸收后,再進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)化和第二次吸收。由SO2氧化的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)可知，從氣體混合物中移去產(chǎn)物，會(huì)提高平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率。因此，在第一次吸收后進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)化，由于反應(yīng)氣體中不含SO3，使O2濃度與SO2濃度比值較一次轉(zhuǎn)化時(shí)高得多，平衡轉(zhuǎn)化率明顯提高，反應(yīng)速率亦相對(duì)大大提高。在此條件下，可用較少的催化劑就能保證第二次轉(zhuǎn)化率達(dá)到95左右。經(jīng)兩次轉(zhuǎn)化后，最終轉(zhuǎn)化率按下式計(jì)算。 Xf = X1 + (1X1)X2 （4-7）式中X1、X2、Xf分別為第一次、第二次和最終轉(zhuǎn)化率。如X1=09， X2095則： Xf 09（ 1 09） 095 O995 (4-8)由此可見(jiàn)，兩次轉(zhuǎn)化中，每次轉(zhuǎn)化率雖不很高，但累計(jì)以后轉(zhuǎn)化率能達(dá)到很高值。根據(jù)宏觀動(dòng)力學(xué)及式（4-16），可分別計(jì)算一次轉(zhuǎn)化和兩次轉(zhuǎn)化的接觸時(shí)間。當(dāng)SO2含量為9，轉(zhuǎn)化率低于92時(shí)，兩種工藝的接觸時(shí)間基本相同；而當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到95時(shí)，一次轉(zhuǎn)化的接觸時(shí)間為 456S，兩次轉(zhuǎn)化是 203S，由此可知轉(zhuǎn)化率由 92上升到 95，第一次轉(zhuǎn)化需263S，而第二次轉(zhuǎn)化只需0096S，這時(shí)第二次轉(zhuǎn)化的催化劑用量為第一次轉(zhuǎn)化用量的 126，如轉(zhuǎn)化率繼續(xù)提高，一次轉(zhuǎn)化所需催化劑將比兩次轉(zhuǎn)化催化劑用量高得更多。因此兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收不僅能較容易地獲得高轉(zhuǎn)化率，而且在經(jīng)濟(jì)上項(xiàng)更為合算。兩轉(zhuǎn)兩吸工藝具有以下特點(diǎn):最終轉(zhuǎn)化率高,轉(zhuǎn)化反應(yīng)速度快。能夠處理濃度較高的氣體；可減少尾氣中SO2的排放量；由于增加中間吸收塔，轉(zhuǎn)化氣溫度由高低高，整個(gè)系統(tǒng)熱量損失較大。所需的換熱面積較大；系統(tǒng)阻力比一轉(zhuǎn)一吸工藝增加45KPa。二次轉(zhuǎn)化流程較一次轉(zhuǎn)化復(fù)雜，操作亦稍復(fù)雜。采用兩次轉(zhuǎn)化工藝時(shí)，催化劑裝填段數(shù)及其在前后兩次轉(zhuǎn)化的分配與最終轉(zhuǎn)化率、換熱面積大小有很大關(guān)系。流程的特征，可用第一、第二次轉(zhuǎn)化段數(shù)和含 SO2氣通過(guò)換熱器的次序來(lái)表示?，F(xiàn)在,一般有“2 1”、“3 1”、“2 2”、“32”等組合方式，而國(guó)內(nèi)外多采用“31”組合方式，這種方式，氣體進(jìn)入第一吸收塔（中間吸收塔）后，由于經(jīng)過(guò)三段轉(zhuǎn)化，在塔中將會(huì)有更多SO3從系統(tǒng)中移去，如果第二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度足夠低，則可獲得稍高的最終轉(zhuǎn)化率。為了進(jìn)一步提高最終轉(zhuǎn)化率，以適應(yīng)越來(lái)越高的環(huán)保要求，采用“32”組合方式逐漸增多，其段數(shù)分配得更好，最終轉(zhuǎn)化率可達(dá)到997以上，但投資和操作費(fèi)用有所增加。目前國(guó)內(nèi)硫磺制酸裝置大多采用“3+1”四段轉(zhuǎn)化和“3+2”五段轉(zhuǎn)化。4.2.1.2 “3+1”與“3+2”轉(zhuǎn)化工藝的主要區(qū)別6，7(1).催化劑裝填量不同 SO2氧化為SO3的化學(xué)反應(yīng)是可逆的放熱反應(yīng),高溫下的平衡轉(zhuǎn)化率低,低溫下的平衡轉(zhuǎn)化率高。由于反應(yīng)活化能高,這個(gè)反應(yīng)在常溫下進(jìn)行得極慢。工業(yè)生產(chǎn)上為加快其反應(yīng)速度,必須采用催化劑,使該反應(yīng)能在不太高的溫度下進(jìn)行得足夠快。對(duì)一定組分的原料氣在某一催化劑中反應(yīng),為達(dá)到一定的SO2轉(zhuǎn)化率,其反應(yīng)速率有一個(gè)極大值,與此對(duì)應(yīng)的反應(yīng)溫度稱為最佳反應(yīng)溫度。隨著反應(yīng)的繼續(xù),轉(zhuǎn)化率不斷提高,最佳反應(yīng)溫度則逐漸下降。因此,為使轉(zhuǎn)化反應(yīng)能以最快的速率進(jìn)行,就應(yīng)在反應(yīng)過(guò)程中隨著轉(zhuǎn)化率的升高,須采取相應(yīng)的降溫措施,不斷降低反應(yīng)溫度。轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度決定了含SO2爐氣在轉(zhuǎn)化反應(yīng)時(shí)需要的接觸時(shí)間,由此也就決定了催化劑的用量。如果轉(zhuǎn)化反應(yīng)的段數(shù)分得越多,其反應(yīng)溫度就越接近最佳溫度,催化劑用量在理論上就會(huì)越少。但是分段多了使設(shè)備增多,投資增加,流程變復(fù)雜。根據(jù)新的國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展要求,新建的硫酸裝置允許其尾氣排放的SO2濃度最高為960mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀況),相應(yīng)要求SO2總轉(zhuǎn)化率應(yīng)達(dá)到99.75%以上。硫磺制酸裝置在原料氣(爐氣)中(SO2)為9%11.5%的條件下,使用進(jìn)口的普通釩催化劑,采用“3+1”四段轉(zhuǎn)化工藝,其最終轉(zhuǎn)化率可達(dá)到99.8%或更高。采用“3+2”五段轉(zhuǎn)化工藝,四段出口的轉(zhuǎn)化氣經(jīng)換熱降溫后進(jìn)入五段進(jìn)行轉(zhuǎn)化,從平衡轉(zhuǎn)化率的角度考慮,有利于平衡轉(zhuǎn)化率的提高。一些硫磺制酸裝置(如山東紅日、昆陽(yáng)磷肥廠等)在“3+2”轉(zhuǎn)化工藝中采用了國(guó)產(chǎn)的催化劑,它們的最終轉(zhuǎn)化率也達(dá)到了上述指標(biāo)。但就催化劑裝填量而言,同一種催化劑在同等裝置規(guī)模、最終轉(zhuǎn)化率相等的條件下,采用“3+1”四段轉(zhuǎn)化其裝填量略高于“3+2”五段轉(zhuǎn)化。(2).工藝流程不同顯而易見(jiàn)采用“3+2”五段轉(zhuǎn)化,為控制轉(zhuǎn)化器五段的進(jìn)口轉(zhuǎn)化氣溫度,需要增加四段出口轉(zhuǎn)化氣的換熱設(shè)備,或者采用冷激式轉(zhuǎn)化流程(通常采用冷激式的)。冷激式轉(zhuǎn)化流程按所用的冷激氣分為SO2氣和空氣兩種。SO2冷激氣轉(zhuǎn)化流程是往轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的熱轉(zhuǎn)化氣中補(bǔ)充一定量的冷SO2氣(冷的原料氣),使轉(zhuǎn)化氣的溫度降低。該流程與外部換熱的轉(zhuǎn)化流程相比,催化劑的用量要增加,且冷激氣補(bǔ)入的位置(催化劑層的段數(shù))越往后,催化劑的增加量越多。它的優(yōu)點(diǎn)是不必為此增設(shè)換熱器。目前,國(guó)內(nèi)外硫磺制酸裝置大多在轉(zhuǎn)化器的四段出口設(shè)置中溫蒸汽過(guò)熱器,用中壓過(guò)熱蒸汽與四段出口的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)行換熱,既降低了進(jìn)五段的轉(zhuǎn)化氣溫度,又充分利用了轉(zhuǎn)化氣的余熱。常用的“3+2”與“3+1”轉(zhuǎn)化工藝流程見(jiàn)下圖4.2和圖4.3示意。 圖4.2 “3+2”五段轉(zhuǎn)化工藝流程示意 圖4.3 “3+1”四段轉(zhuǎn)化工藝流程示意兩種轉(zhuǎn)化工藝在國(guó)內(nèi)硫磺制酸中的應(yīng)用“3+1”四段轉(zhuǎn)化和“3+2”五段轉(zhuǎn)化,這兩種轉(zhuǎn)化工藝在國(guó)內(nèi)的硫磺制酸裝置中目前都得到了應(yīng)用。采用“3+1”的典型裝置是蘇州精細(xì)化工集團(tuán)股份有限公司的300Kt/a硫磺制酸裝置,已連續(xù)運(yùn)行多年了,年開車率高于99%,最終轉(zhuǎn)化率達(dá)99.8%,日產(chǎn)量超過(guò)1000(100%H2SO4計(jì)),排放的尾氣中SO2濃度低于730mg/m3、酸霧含量小于25 mg/m3 (標(biāo)準(zhǔn)狀況)。采用“3+2”的昆陽(yáng)磷肥廠由40Kt/a硫鐵礦制酸裝置改造為120Kt/a的硫磺制酸裝置,也已投產(chǎn)多年,運(yùn)行平穩(wěn),最終轉(zhuǎn)化率達(dá)99.76%。由上可見(jiàn),“3+1”與“3+2”這兩種轉(zhuǎn)化工藝在國(guó)內(nèi)的硫磺制酸裝置中同時(shí)并存,說(shuō)明它們各有所長(zhǎng)。4.2.1.3工藝流程的確定2，5，6綜合上述,本設(shè)計(jì)采用兩轉(zhuǎn)兩吸“3+2”式工藝流程,從焚硫爐來(lái)的氣體降溫到410進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)行轉(zhuǎn)化,出轉(zhuǎn)化器一段催化劑床層的595左右爐氣進(jìn)入3#過(guò)熱器組，與2#過(guò)熱器組來(lái)的蒸汽換熱，爐氣氣溫降到430后又進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段繼續(xù)反應(yīng)；出二段的爐氣進(jìn)入熱換熱器，與第一吸收塔出口經(jīng)第一，第二冷換熱器預(yù)熱的爐氣換熱，溫度降至430后又進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段催化劑床層反應(yīng)；出三段的爐氣依次進(jìn)入第二，第一冷換熱器和1#省煤器降溫到180，然后送入第一吸收塔，完成一次轉(zhuǎn)化。經(jīng)過(guò)第一吸收塔吸收SO3后的爐氣依次通過(guò)第一，第二冷換熱器和熱換熱器，利用轉(zhuǎn)化二，三段的反應(yīng)熱升溫到420，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段催化劑床層反應(yīng)；出四段的爐氣進(jìn)入2#過(guò)熱器組，與1#過(guò)熱器組來(lái)的蒸汽換熱，溫度降到410后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器五段催化劑床層反應(yīng)，出五段的爐氣進(jìn)入2#省煤器與除氧軟水換熱溫度降到180后去第二吸收塔，第二次轉(zhuǎn)化完成。吸收后的廢氣經(jīng)處理后排空,工藝流程見(jiàn)圖4.4。3#過(guò)熱器組 轉(zhuǎn)化器 熱換熱器 2#冷換熱器 1#冷換熱器 空氣預(yù)熱器 來(lái)自焚硫工段 2.45Mpa,400過(guò)熱飽和蒸氣來(lái)自 2#過(guò)熱