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我的设计
年产20万吨硫酸生产的工艺设计及换热器的设计
摘要:
硫酸在无机化学工业是最重要的产品之一,它既可作成品也是很多化工产品如磷肥的中间原料,所以硫酸在化工行业中占有很重要的地位。
本设计主要介绍了硫磺制酸装置工艺流程和设备的设计及选型。
本设计二氧化硫总转化率达到99.8%,所排放的二氧化硫残留量487.113mg/m3,烟囱高度为50米,完全达到了国家标准。
关键词:
硫酸;硫磺;转化;催化剂
中图分类号:
TQ111.1
ProcessDesignofa200kt/aSulfuricAcid
EngineeringProject
Abstract:
Sulfuricacidisoneofthemostimportantproductsininorganicchemicalindustry,itcannotonlymakemanyfinishedproductsbutalsocanbeusedaschemicalintermediaterawmaterialssuchasphosphate,sulphuricacidoccupiesanimportantpositioninthechemicalindustry.Thisdesignintroducesasystemofsulfuracidplantandprocessequipmentdesignandselection.Thedesignofthetotalsulphurdioxideconversionratereached99.8percent,emissionsofsulphurdioxideresidue410.113mg/m3,chimneyheightof50meters,fullyreachtotheNationalStandards.
Keywords:
sulfuricacid;sulfur;convert;cataly
年产20万吨硫酸生产的工艺设计及换热器的设计
1.设计任务书
1.1设计内容
1.1.1硫酸生产的工艺设计
1.1.2换热器的设计
1.1.3设计规模
1)年产:
20万吨/年
2)年生产日:
300天
3)日生产能力:
20/300=666吨/天
1.2设计依据
该设计说明书是依据湖北祥云化工集团有限公司的生产技术资料的基础上,并结合设计任务书的内容年产20万吨硫酸技术要求。
1.3产品及规格
原料:
硫磺产品:
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/T534-2002)一等品规格,硫酸质量符合下表要求。
表1硫酸质量指标表
指标名称
浓硫酸
1
硫酸(H2SO4)≥
98.0
2
灰粉%≤
0.03
3
铁(Fe)含量≤
0.01
4
砷(As)含量%≤
0.005
5
透明度mm≥
50
6
色度ml≤
2.0
1.4硫酸的性质及基本用途
1.4.1硫酸组成
硫酸(英文名:
Sulphuricacidforindustrialuse),H2SO4或SO3·H2O,相对分子质量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/㎝³。
工业上使用的硫酸是硫酸的水溶液,即SO3与H2O摩尔比≤1的物质。
发烟硫酸是SO3的H2SO4溶液,SO3与H2O的摩尔比≥1,亦为无色油状液体,因其暴露于空气中,逸出的SO3与空气中的水分结合形成白色酸雾,故称之为发烟硫酸。
表2几种典型浓硫酸的组成
名称
SO3/H2O
摩尔比
H2SO4质量
分数/%
SO3质量分数/%
游离
总和
92%硫酸
98%硫酸
100%硫酸
20%发烟酸
65%发烟酸
0.680
0.903
1
1.30
3.29
92.00
98.00
100.00
104.50
114.62
——
——
——
20
65
75.10
80.00
81.63
85.30
93.57
1.4.2硫酸的物理性质
1)100%H2SO4在20℃时的密度为1.8305g/cm3,其密度随温度的改变而变化。
2)在一定程度上,硫酸的密度随其浓度的升高而增大,当浓度为97%时,密度出现最大值。
然后,硫酸的密度随浓度的升高而降低,当浓度为100%时,出现密度的最小值。
3)硫酸的沸点和蒸汽压有独特的变化规律。
在常压下,硫酸的沸点随浓度的增加而升高。
当H2SO4含量达98.479%时,沸点最高。
随后沸点逐渐降低,与沸点的变化相适应,在常压和同一温度下,硫酸液面上的蒸汽压随浓度的升高而降低。
4)硫酸的粘度随温度的升高而降低。
对于浓硫酸,温度的影响特别明显。
5)硫酸的结晶温度随其浓度的不同而有较大的变化,其变化关系是不规则的。
6)硫酸的沸点和蒸汽压有独特的变化规律。
常压下,硫酸的沸点随浓度的增加而升高。
当H2SO4含量达98.479%时,沸点最高,随后沸点逐渐降低。
与沸点的变化相同,在常压和同一温度下,硫酸液面下的蒸汽压随浓度的升高而降低,直到沸点最高的浓度98.479%,此时,硫酸液面上的蒸汽压最低。
1.4.3硫酸的化学性质
1)硫酸是一种二元强酸。
它有中性盐(硫酸盐)和酸式盐(硫酸氢盐)。
2)浓硫酸是强氧化剂,特别在加热时,能氧化很多金属和非金属。
浓硫酸与发烟硫酸、三氧化硫、氯磺酸都是磺化剂,它们可以把磺酸基(—SO3H)引入有机化合物。
3)根据还原剂的不同,硫酸可以被还原为SO2、S和H2S。
4)浓硫酸是强脱水剂,对于有机物和人的皮肤有强烈的破坏作用。
5)浓硫酸与硝酸混合组成硝化剂,广泛应用于有机化合物的硝化过程。
6)吸水性:
浓硫酸能和水结合为一系列稳定的水化物,常用来作为干燥剂。
7)稀硫酸中的硫原子通常不具有强烈的氧化剂。
稀硫酸只能氧化按电动序排列在氢左面的金属。
例如:
稀H2SO4与Fe反应,生成Fe2SO4和H2。
1.4.4硫酸的用途[2]
硫酸的用途十分广泛,作为重要的化工基本原料之一,广泛应用于化工、国防、冶金、医药、石油、纺织等各个工业部门。
硫酸主要用于生产化学肥料合成纤维、涂料、洗涤剂、制冷剂、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。
在化肥工业方面,使用大量的硫酸用于生产磷酸、磷铵、过磷酸钙及硫酸铵,其消耗量占硫酸产量的50%~60%。
在冶金工业中,用硫酸作为钢铁表面氧化皮的清洗剂;在化学工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、药物等生产中不可缺少的原料。
在农药、除草剂杀鼠剂的生产中亦需要硫酸;在有色金属的生产中,用硫酸配制电解液用于精制各种金属;某些贵重金属的精炼也需用硫酸溶去夹杂的其他金属。
在有机合成工业中,硫酸用于各种磺化反应和硝化反应。
在石油工业中,石油精炼需用硫酸除去石油产品中的不饱和烃、胶质及硫化物等杂质。
在火药及国防工业中,浓硫酸用于制制取硝化甘油、硝化纤维、三硝基甲苯等炸药;原子能工业中用于浓缩铀。
1.5生产路线的选择
1.5.1硫铁矿制硫酸[3]
以硫铁矿为原料生产硫酸,共有九中流程,他们的共同特点是均采用沸腾焙烧,干法除尘,酸洗净化,两转两吸,回收高低温位余热技术方案。
设计采用的流程为:
焙烧炉废热锅炉旋风除尘器电除尘器Swemco洗涤塔
电除雾器干燥塔主鼓风机(2+2两转两吸,该流程首先对硫铁矿进行处理,对于块状硫铁矿则要粉碎加工成粉矿,对于硫精砂则要进行干燥。
若矿的品种较多,入炉前还要按杂质含量要求进行掺配。
其主要工序有:
硫铁矿焙烧、炉气净化、二氧化硫转化及三氧化硫吸收。
)
1.5.2硫磺制酸
根据硫磺原料的品质来确定值酸工艺流程,入硫磺中含有砷、硒等杂质并危及触媒中毒时,则必须设置转化工序。
对于一般纯净的硫磺仅需要三个工序(焚硫、转化与吸收)即可完成制酸全过程。
1.5.3冶炼烟气制酸
冶炼烟气即含硫的有色金属在冶炼中产生的废气,其中三氧化硫3%~13%,用此气制成硫酸,称冶炼烟气制酸。
流程也有多种形式,主要差别表现在净化工序上,比如常见的水洗流程、稀酸洗流程,热浓硫酸洗流程及干法净化流程等。
1.5.4硫酸盐制酸
有代表性的硫酸盐是硫酸钙(石膏或磷石膏)制酸。
其主要原料为石膏(磷石膏)、焦炭、一定比例将不同原料加入球磨机中,将细磨的混合物料转入粘土、砂、硫铁矿渣等。
这些原料分别经颚式破碎机破碎、双辊破碎机(或反击式破碎机)细破,干燥脱水后转入各自原料储斗中。
按回转窑内与高温燃煤烟气逆向接触,经预热,在900~1200℃下,进行还原分解,生产二氧化硫、三氧化硫与氧化钙,再进行转化、吸收等工段得到硫酸。
2.工艺部分
2.1工艺岗位操作
2.1.1焚转岗位操作[9]
2.1.1.1工艺流程说明
来自熔硫的精硫通过高压精硫泵将液硫加压后机械喷嘴喷入焚硫炉,焚硫炉所需的空气经空气风机加压加入干燥塔,在干燥塔内在于98%的浓硫酸逆向接触,使空气中的水分被吸干,出干燥塔的空气水分含量小于0.1g·Nm-3,进入焚硫炉与硫蒸汽混合燃烧生成含SO210.0%左右的高温炉气,经废热锅炉回收热量后,温度降至420℃左右再进入转化一段催化剂床层进行反应,二段出口气体温度升至520℃左右进入热热换热器换热温度降至440℃左右,进入转化三段催化剂床层进行反应,转化三段出口气体温度升至469℃左右,依次经冷热换热器和2#省煤器换热后,温度降至180℃左右,进入第一吸收塔,与98%的浓硫酸接触吸收其中的三氧化硫。
未被吸收的气体通过塔顶的烛式纤维除沫器除去其中的酸雾后,依次通过冷、热换热器换热,利用转化二、三段的余热升温至420℃左右进入转化四段催化剂床层进行第二次转化,四段出口气体温度升至446℃左右进入中温过热器降温至415℃进入转化五段催化剂床层进行反应,五段出口气体温度升至425℃左右进入低温过热器和1#省煤器降温至160℃左右进入第二吸收塔,用98%浓硫酸吸收其中的三氧化硫后,尾气经塔顶的除沫器除去酸沫和尾气吸收装置,使出吸收塔SO2浓度≦920mg·Nm-3,SO3≦45mg·Nm-3后由70米放空烟囱排放。
转化工段工艺流程图见附图一。
图1焚转岗位工艺流程图
2.1.1.2工艺原理
焚硫炉内硫磺的燃烧过程,首先是液硫枪口的雾化蒸发过程,硫磺蒸汽与空气混合,在高温下达到硫磺燃点时,气流中的氧与硫蒸汽燃烧反应,生成二氧化硫后进行扩散,伴随反应放出热量,由热气流和热辐射给雾状硫传热,因此使液硫继续热发。
液硫在周围气膜中的燃烧反应速度与其热发速度为控制因素,反应速度随空气流速的增加而增加,因而改善雾化质量,增大液硫蒸发表面,增加空气流的湍动,提高空气的温度有利于液硫的蒸发,强化液硫的燃烧和改善焚硫操作。
硫与氧气反应为:
S+O2=SO2+Q
转化反应是助于钒触媒的催化作用,将SO2与空气中氧转化生成SO3,并释放出大量的热,反应式为:
2SO2+O22SO3+Q
二氧化硫在固体触媒上转化为三氧化硫的过程,及触媒的催化作用可用以下步骤加以解释:
1)触媒表面的活性中心吸附氧分子,使氧分子中的原子键断裂而产生活泼的氧原子;
2)触媒表面的活性中心吸附SO2分子;
3)被吸附的二氧化硫分子和氧原子之间进行电子的重新排列化合成为SO3分子;
4)三氧化硫分子从触媒表面上脱附下来,进入气相。
2.1.2干吸岗位操作
2.1.2.1工艺流程说明
1)干燥部分
空气经风机鼓入干燥塔,用98%浓硫酸干燥吸收水分,再由塔顶的金属丝网除沫器除去酸沫,使出干燥塔的气体水分含量小于0.1g·Nm-3,送到焚硫炉,出干燥塔的循环酸流入循环酸槽再由二吸泵送到第二吸收塔,另一部分送去成品酸冷却器,冷却后进入成品酸库。
图2干吸岗位气体工艺流程图
2)吸收部分
经一次换化从2#省煤器出来的炉气进入第一吸收塔,用98%浓硫酸吸收其中的SO3,炉气经塔顶纤维除雾器后返回转化四段和五段进行二次转化。
四段和五段触媒转化之后的SO3炉气经过低温过热器、1#省煤器降温后进入第二吸收塔,用98%硫酸吸收其中的SO3,尾气经塔顶纤维除沫器除雾后由排气筒排除,吸收酸循环槽不加工艺水。
3)酸系统
整个酸系统设置吸收酸循环槽及地上排酸槽和成品酸库,吸收塔回流酸约95℃经干燥酸泵打入锅炉给水加热器,干燥酸冷却器冷却至50℃,进入干燥塔;干燥塔下塔酸约70℃直接用泵打入第二吸收塔,第二吸收塔下塔酸约90℃一吸循环槽,一吸循环槽中的酸温约95℃进入第一吸收塔,下塔酸温约100℃流入干燥循环槽;成品酸由第二吸收塔上酸管线送入成品酸冷却器冷却后进入成品酸库,冷却设备设置锅炉给水加热器、干燥塔酸冷却器、成品酸冷却器。
图3干吸岗位酸系统工艺流程图
4)循环水部分
来自生产给水管的水进入冷却池,经循环水泵到阳极保护管壳式酸冷器,经吸收后的热水被送到凉水塔内进行喷淋抽风冷却,经冷却后进入水池,完成过程。
2.1.2.2工艺原理
1)干燥原理
从风机来的空气,在干燥塔内与98%的浓硫酸充分接触,利用浓硫酸的吸水性吸收空气中的水分,使干燥后气体中的水分含量小于0.1g·Nm-3,达到干燥目的。
在干燥过程中,干燥酸浓度越高,水蒸气分压越低,硫酸蒸汽分压越高,水分被吸收的效果越好,同时,硫酸蒸汽分压越高,产生的酸雾越大,资料表明浓度为98.3%的硫酸其水蒸气分压最低。
2)吸收原理
吸收过程是产酸的过程,它包括物理吸收和化学吸收两个过程。
由于水的表面分压很大,三氧化硫气体与水蒸气接触立刻生成酸雾,生成的酸雾难以再被水和硫酸吸收,因此,在实际生产过程中,只能用浓硫酸吸收SO3于液相中,再用水来调节硫酸浓度,从而达到生产硫酸的目的。
其反应式如下:
SO3+H20=H2SO4
表3干吸岗位操作指标
项目
规定范围
干燥塔出口水分
<0.1g·Nm-3
干燥塔出口酸雾
<0.03g·Nm-3
吸收塔酸浓
98.5%±0.3%
干燥塔酸温
<65℃
吸收塔酸温
70—90℃
吸收塔进口气温
150—180℃
干燥塔酸浓
98.5%±0.3%
循环槽液位
1350±50mm
吸收率
>99.95%
成品酸浓
>98%
2.1.3锅炉岗位操作
2.1.3.1工艺原理
利用锅炉给水加热器、省煤器、火管锅炉、高温过热器、中温过热器、低温过热器回收焚硫炉转化反应和干吸的热量,使气体温度控制在转化各段规定的范围内,同时产出合格的过热蒸汽用于推动汽轮机带动发电机(透平风机)发电。
余热锅炉将焚硫炉出口1025℃炉气降温到420℃以达到转化一段进口的适宜温度。
用低温过热器把五段出口的425℃的高温气体降温到350℃,中温过热器把四段出口的455℃的高温气体降温到415℃,高温过热器把一段出口的612℃的高温气体降温的450℃,产出的过热蒸汽去汽轮机作功。
转化三段出口设置冷热换热器和2#省煤器,转化五段设置1#省煤器,脱盐水经锅炉给水加热器、除氧器、两级省煤器加热送去除余热锅炉。
2.1.3.2流程说明
由脱盐水站来的脱盐水经锅炉给水加热器、除氧器除氧后,温度升高到104℃再经给水泵加压后送到余热锅炉的1#、2#省煤器将水加热到200℃直接送到汽包,余热锅炉自然循环,炉水由汽包引出,沿八根下降管流入锅壳,经锅壳中的列管加热后产生汽水混合物,再由锅壳顶部五根上升管送回汽包。
经汽水分离后的炉水继续循环,饱和蒸汽有汽包顶部引出,送到低温过热器、中温过热器、高温过热器将蒸汽过热到430℃去过热蒸汽集箱。
2.1.4汽轮机岗位
图4汽轮机岗位工艺流程图
表4汽轮机岗位操作指标
项目
指标
额定转速
3000r/min
汽机工作转速
2975—3025r/min
汽机临界转速
1874r/min
主汽阀前蒸汽压力
3.14—3.63MPa
主汽阀前蒸汽温度
420—445℃
汽机排气压力
0.59—0.984MPa
汽机额定排气温度
267℃
汽封抽汽器蒸汽工作压力
0.5—1.0MPa
最高冷却水温
≤33℃
润滑油压
0.08—0.12MPa
分配油压
0.6MPa
冷油器出口油温
35—45℃
轴瓦回油温度
55—65℃
进汽量
~74.7t/h
额定工况保证汽耗率
12.48kg/(kw·h)
额定转速时振动值
≤0.03mm
临界转速时振动值
≤0.15mm
转速摆动值
±2r/min
危机遮断器动作转速
3300—3360r/min
轴向位移保安装置动作时转子相对位移值
0.7mm
表5锅炉岗位操作指标
项目
规定范围
炉水pH
9—11
炉水PO
5—15mg·L-1
给水温度
102—104℃
给水电导率
<10uS·cm-1
过热蒸汽温度
400—600℃
饱和液位
中心线±50mm
饱和压力
3.3—3.82MPa
给水中Na+浓度
<0.01mg·L-1
炉水中Cl-浓度
<25mg·L-1
2.2物料衡算
2.2.1二氧化硫转化计算依据[4]
年产20万吨硫酸,全年扣除检修,日实际工作日300天,则生产能力283.45kmol/h,以SO3吸收率为100%作为计算基准;
表6转化各段转化率和温度
段数
一段
二段
三段
四段
转化率/%
64
66.7
58.3
97
进口温度/℃
425
450
450
425
出口温度/℃
600
525
475
450
触媒四层:
一次转化用三层触媒,二次转化用一层触媒(每一层称为一段)。
假定本设计生产的平均环境温度为17~21℃,生产中的大气压101kPa;此时气体摩尔体积为22.4m3/kmol。
2.2.2物料衡算计算
1)进一段气体量及成分
SO2=283.45kmol/h
O2=283.45kmol/h
N2=283.45×79%/10.5%=2132.62kmol/h
2)出一段(进二段)气体量及成分
消耗SO2量=283.45×0.64=181.41kmol/h
消耗O2量=181.41/2=90.705
SO2=283.45-181.41=102.04kmol/h
SO3=181.41kmol/h
O2=283.45-90.705=192.745kmol/h
N2=2132.62kmol/h
3)出二段(进三段)气体量及成分
消耗SO2量=102.04×0.667=68.06kmol/h
消耗O2量=68.06/2=34.03kmol/h
SO2=102.04-68.06=33.98kmol/h
SO3=181.41+68.06=249.47kmol/h
O2=192.745-34.03=158.715kmol/h
N2=2132.62kmol/h标
4)出三段(进中间吸收塔)气体量及成分
消耗SO2量=33.98×0.583=19.81kmol/h
消耗O2量=19.81/2=9.905kmol/h
SO2=33.98-19.81=14.17kmol/h
SO3=249.47+19.81=269.28kmol/h
O2=158.715-9.905=148.81kmol/h
N2=2132.62kmol/h
5)出中间吸收塔(进四段)气体量及成分考虑计算简便和实际影响不大,吸收塔只将SO3全部吸收掉,SO2、O2、N2含量不改变
SO2=14.17kmol/h
O2=158.715-9.905=148.81kmol/h
N2=2132.62kmol/h
产H2SO4=269.28kmol/h
6)出四段(进最终吸收塔)气体量及成分
消耗SO2量=14.17×0.97=13.74kmol/h
消耗O2量=13.74/2=6.87kmol/h
SO2=14.17-13.74=0.43kmol/h
SO3=13.74kmol/h
O2=148.8-6.87=141.94kmol/h
N2=2132.62kmol/h
7)出最终吸收塔气体量及成分
SO2=0.43kmol/h
O2=141.94kmol/h
N2=2132.62kmol/h
产H2SO4=13.74kmol/h
表7转化器物料平衡数据表
进一段
kmol
kg
m3标
V%
SO2
283.45
18140.8
6349.28
10.5
O2
283.45
9070.4
6349.28
10.5
N2
2132.62
59713.36
47770.688
79
∑
2699.52
86924.56
60469.248
100
出一段(进二段)
kmol
kg
m3标
V%
SO2
102.04
6530.56
2285.696
3.91
SO3
181.41
14512.8
4063.584
6.95
O2
192.745
6167.84
4317.488
7.39
N2
2132.62
59713.36
47770.688
81.75
∑
2608.815
86924.56
58437.456
100
出二段(进三段)
kmol
kg
m3标
V%
SO2
33.98
2174.72
761,152
1.32
SO3
249.47
19957.6
5588.128
9.69
O2
158.715
5078.88
3555.216
6.16
N2
2132.62
59713.36
47770.688
82.83
∑
2574.785
86924.56
57675.184
100
出三段(进中间吸收塔)
kmol
kg
m3标
V%
SO2
14.17
906.88
317.408
0.55
SO3
269.28
21542.4
6031.872
10.50
O2
148.81
4761.92
3333.344
5.80
N2
2132.62
59713.36
47770.688
83.15
∑
2564.88
86924.56
57453.312
100
出中间吸收塔(进四段)
kmol
kg
m3标
V%
SO2
14.17
906.88
317.408
0.62
O2
148.81
4761.92
3333.344
6.48
N2
2132.62
59713.36
47770.688
92.90
∑
2295.6
65382.16
51421.44
100
H2SO4
269.28
26389.44
-
-
出四段(进最终吸收塔)
kmol
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