年产六万吨硫酸车间干吸工段毕业设计

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摘要

硫酸是重要的基础化工原料之一，是化学工业中最重要的产品,广泛用于各个工业部门。在工业生产中，一般都采用二氧化硫催化氧化的方法制硫酸。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。本设计以年产6万吨硫酸车间干吸工段工艺设计为例。采用两转两吸工艺，即炉气首先在干燥塔中干燥后，再进入转化工段，经一次转化后炉气进入第一吸收塔进行SO3的吸收，吸收后气体中含有少量SO2和残余的SO3，进入二次转化器后回到第二吸收塔进行吸收。设计具体过程包括工艺流程设计，工艺过程计算，主要设备工艺计算及选型，部分设备的平面布置几个部分。本次设计涉及的主要设备有干燥塔，吸收塔，换热器，填料塔等。通过计算得到干燥塔冷却器换热面积为160.12m2；中间吸收塔冷却器换热面积为183.00 m2；最终吸收塔冷却器换热面积为96.00 m2。干燥塔塔高为13.60m，塔径为3.40m；中间吸收塔塔高为11.40m，塔径为2.80m；最终吸收塔塔高为11.40m，塔径为2.80m。计算中对主要工序进了物料衡算，热量衡算，并据此绘制物料平衡表和热量平衡表。最后综合上述结果完成工艺说明书、安全备忘录、环境保护与治理建议。

关键词：硫酸；干吸；两转两吸；工艺设计

I

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Abstract

Sulfuric acid is one of the most important basic chemical materials and the most important product in chemical industry. It’s used in many fields in our national economy. In industrial manufacture, we always produce sulfuric acid by oxidizing SO2with the existence of catalyst. According to the different use of catalysts, ways of producing sulfuric acid in industrial manufacture can be classified into nitrification method and sulfurization method.This design mainly describes about the process of sulfuric acid production with the annual production capacity of 60,000 tons, The whole system adopts double conversion and double absorption flow. First, the process gas enters drying tower to dry before conversion. The sulfur trioxide in the first conversion gas is absorbed in the inter pass absorption tower which contains little amount of the sulfur dioxide and residual sulfur trioxide. Then the gas is absorbed in the second absorption tower after conversion in the second converter. The main process of this design including the flow process design, the calculation and selection of the main equipment, the layout of some equipment. The main equipment involved drying tower, absorption tower, heat exchange, pack tower and so on. The heat exchange area of the drying tower is 160.12m2, the middle absorption tower 183.00 m2, the last absorption tower 96.00m2. The height of the drying tower is 13.60m, the middle absorption tower 11.40m, the last absorption tower 11.40m. The diameter of the drying tower is 3.40m, the middle absorption tower 2.80m, the last absorption tower 2.80m.The design mainly calculated the mass balance and heat balance，and drew material balance table and heat balance in mainly production process. Finally, the process descrip tion, security memorandum, the proposal of environmental protection and management were complete.

Keywords:Sulfuric acid; Drying and absorption; Double conversion and double absorption; Technical design

II

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目录

摘要................................................................. I Abstract ...................................................................................................................................II 第1章概述 (1)

1.1 硫酸的性质 (1)

1.1.1 硫酸的物理性质 (1)

1.1.2 硫酸的化学性质 (1)

1.2 硫酸的工业用途 (3)

1.2.1总括 (3)

1.2.2为农业生产服务 (3)

1.2.3为工业生产服务 (3)

1.2.4对解决人民“穿”与“用”等问题所起的作用 (4)

1.2.5对巩固国防方面所起的作用 (5)

1.3 硫酸的生产方法 (5)

1.3.1 接触法制造硫酸 (6)

1.3.2 硝化法制造硫酸 (7)

1.4 硫酸生产全工段工艺简介 (8)

1.4.1 SO2气体的制取 (8)

1.4.2 炉气的净化 (8)

1.4.3 SO2气体的转化 (9)

1.4.4 SO3气体的吸收 (10)

1.4.5 尾气的处理 (10)

1.5两次吸收法生产硫酸的流程图 (11)

1.6 流程说明 (12)

1.6.1 干燥系统流程说明 (12)

1.6.2 一吸系统流程说明 (12)

1.6.3 二吸系统流程说明 (12)

1.7 工艺计算的基础数据 (13)

1.7.1 干燥塔基础数据 (13)

1.7.2两转两吸的吸收塔基础数据 (13)

1.8 我国硫酸工业的发展趋势 (14)

III

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1.9 本次设计主要内容 (14)

第2章工艺计算 (15)

2.1 原始数据 (15)

2.1.1 产量 (15)

2.1.2 炉气成分（%） (15)

2.1.3 炉气水分含量 (15)

2.1.4 进酸浓度 (15)

2.1.5 转化率及吸收率 (15)

2.2 干燥塔及其循环槽的工艺计算 (16)

2.2.1 干燥塔及循环槽的物料衡算 (16)

2.2.2 干燥塔及其循环槽的热量衡算 (17)

2.3吸收塔及其循环槽的物料衡算 (22)

2.3.1中间吸收塔物料衡算 (22)

2.3.2 最终吸收塔物料衡算 (24)

2.3.3 吸收循环槽物料衡算 (25)

2.4吸收塔及其循环槽的热量衡算 (25)

2.4.1中间吸收塔热量衡算 (25)

2.4.2 最终吸收塔热量衡算 (27)

2.4.3 吸收循环槽热量衡算 (29)

第3章主要设备的工艺计算 (31)

3.1冷却器计算 (31)

3.1.1干燥塔冷却器的计算 (31)

3.1.2中间吸收塔冷却器的计算 (34)

3.1.3最终吸收塔冷却器的计算 (36)

3.1.4 冷却器设计结果 (38)

3.2填料塔的工艺计算 (39)

3.2.1干燥塔的工艺计算 (39)

3.2.2中间吸收塔的工艺计算 (42)

3.2.3最终吸收塔的工艺计算 (45)

3.2.4 填料塔设计结果 (49)

3.2.5 设备一览表 (50)

IV

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第4章设计结论及建议 (51)

第5章其他相关内容 (53)

5.1 硫酸的危害性 (53)

5.1.1 硫酸对人体的危害 (53)

5.1.2 硫酸生产中的危害 (53)

5.1.3 硫酸的爆炸性 (54)

5.1.4 硫化物对人体的危害 (54)

5.2 安全措施 (55)

5.2.1 安全防护措施 (55)

5.2.2 防护用具 (55)

5.3环境保护与治理建议 (55)

设计总结 (57)

参考文献 (59)

致谢 (61)

V

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1 第1章 概述

1.1 硫酸的性质

硫酸是（SO 3）和水（H 2O ）化合而成。化学上一般把一个分子的三氧化硫与一个分子的水相结合的物质称为无水硫酸。无水硫酸就是指的100%的硫酸（又称纯硫酸）。纯硫酸的化学式用“H 2SO 4”来表示，分子量为98.08。

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]。

1.1.1 硫酸的物理性质

纯硫酸是无色、粘稠，导电性能极高的油状液体，并不易挥发。浓的硫酸具有脱水性，把其他分子中的氢、氧原子以二比一的比例抽出。 纯硫酸是一种非常极性的液体，其介电系数大约为100。因为它分子与分子之间能够互相质子化对方，造成它极高的导电性，这个过程被称为质子自迁移。这种反应机理是和纯磷酸以及纯氢氟酸所同出一辙的。但纯硫酸达成这种反应平衡所需要的时间则比以上两者快得多，差不多是即时性的。

2 H 2SO

4 H 3SO 4++ HSO 4? K ap (25°C)= [H 3SO 4+][HSO 4?] = 2.7×10?4

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]。

（1）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：H 2SO 4 + nH 2O = H 2SO 4·nH 2O ，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），而且还能吸收某些结晶水合物（如CuSO 4· 5H 2O 、Na 2CO 3·10H 2O ）中的水。鉴于硫酸的这个特性，H 2SO 4可用于干燥很多的气体，作为干燥剂使用。

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2 （2）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（2∶1）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）。

C 12H 22O 11 ???→浓硫酸

12C + 11H 2O （3）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，本身一般被还原成SO 2，在这些反应中，硫酸表现出了强氧化性和酸性。

Cu + 2H 2SO 4(浓) ?

??→ CuSO 4 + SO 2↑+ 2H 2O 2Fe + 6H 2SO 4(浓) = Fe 2(SO 4)3 + 3SO 2↑ + 6H 2O

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SO 2。在这类反应中，浓硫酸只表现出氧化性。

C + 2 H 2SO 4(浓) ?

??→ CO 2↑ + 2SO 2↑ + 2H 2O S + 2 H 2SO 4(浓) = 3SO 2↑ + 2H 2O

2P + 5 H 2SO 4(浓) = 2H 3PO 4 + 5SO 2↑ + 2H 2O

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H 2S 、HBr 、HI 等还原性气体不能选用浓硫酸。 H 2S + H 2SO 4(浓) = S ↓ + SO 2↑ + 2H 2O

2HBr + H 2SO 4(浓) = Br 2↑ + SO 2↑ + 2H 2O

2HI + H 2SO 4(浓) = I 2↑ + SO 2↑ + 2H 2O

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1.2 硫酸的工业用途

1.2.1总括

硫酸是基本化学工业中重要产品之一。它不仅作为许多化工产品的原料，而且还广泛地应用于其他的国民经济部门。它的应用范围日益扩大，需要数量日益增加。兹将硫酸在国民经济中的作用分述如下。

1.2.2为农业生产服务

用于肥料的生产硫酸铵（俗称硫铵或肥田粉）和过磷酸钙（俗称过磷酸石灰或普钙）这两种化肥的生产都要消耗大量的硫酸。

2NH3+H2SO4====(NH4)2SO4

每生产一吨硫酸铵，就要消耗硫酸（折合成100%计算）760kg，每生产一吨过磷酸钙，就要消耗硫酸360kg。

用于农药的生产许多农药都要以硫酸为原料如硫酸铜、硫酸锌可作植物的杀菌剂，硫酸铊可作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂。最普通的杀虫剂，如1059乳剂(45%)和1605乳剂(45%)的生产都需用硫酸。前者每生产1t，需消耗20%发烟硫酸1.4t后者每生产1t，需消耗硫酸36kg。为大家所熟悉的滴滴涕，每生产1t需要20%发烟硫酸1.2t。

在农业生产中，越来越多地采用硫酸改良高pH值的石灰质土壤。过去20年来，尿素-硫酸肥料的产量大幅度提高并在美国西部诸州的土壤中广泛施用。将硫酸注入牛奶场湖泊，改变湖水pH值，可解决圈养牲畜过程产生的若干空气和水质问题，将硫酸施入农用土壤和水中，其主要作用是溶解钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐。这些钙、镁盐然后取代可交换的钠盐，钠盐随后用水浸洗除去。当碳酸盐和碳酸氢盐被分解后，硫酸与更惰性的物质反应，释放出磷、铁等植物养分。简单地降低土壤的pH值可引起许多元素溶解度的变化，提高它们对植物的效力。在高pH值的石灰质土壤上施用硫酸，可使植物更加健壮，收成增加。

1.2.3为工业生产服务

（1）用于冶金工业和金属加工在冶金工业部门，特别是有色金属的生产

过程需要使用硫酸。例如用电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液就需要使用硫酸，

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某些贵金属的精炼，也需要硫酸来溶解去夹杂的其他金属。在钢铁工业中进行冷轧、冷拔及冲压加工之前，都必须用硫酸清除钢铁表面的氧化铁。在轧制薄板、冷拔无缝钢管和其他质量要求较高的钢材，都必须每轧一次用硫酸洗涤一次。另外，有缝钢管、薄铁皮、铁丝等在进行镀锌之前，都要经过用硫酸进行酸洗手续。在某些金属机械加工过程中，例如镀镍、镀铬等金属制件，也需用硫酸来洗净表面的锈。在黑色冶金企业部门里，需要酸洗的钢材一般约占钢总产量的5%～6%，而每吨钢材的酸洗，约消费98%的硫酸30kg～50kg。

（2）用于石油产品的生产过程

用于石油工业汽油、润滑油等石油产品的生产过程中，都需要浓硫酸精炼，以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。每吨原油精炼需要硫酸约24kg，每吨柴油精炼需要硫酸约31kg。石油工业所使用的活性白土的制备，也消耗不少硫酸。

（3）用于其它化工生产

用于其他化工生产和其他工业部门许多化工生产都需要使用硫酸。例如，在浓缩硝酸中，以浓硫酸为脱水剂；氯碱工业中，以浓硫酸来干燥氯气、氯化氢气等；无机盐工业中，如冰晶石(Na3AlF6)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)、磷酸三钠、磷酸氢二钠、硫酸铅、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其他硫酸盐的制备都要用硫酸。许多无机酸如磷酸、硼酸、铬酸(H2CrO4，有时也指CrO3)、氢氟酸、氯磺酸(ClSO3H)；有机酸如草酸[(COOH)2]、醋酸等的制备，也常需要硫酸作原料。此外炼焦化学工业（用硫酸来同焦炉气中的氨起作用副产硫酸铵）、电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、油漆工业（有机溶剂的制备）、工业炸药和铅蓄电池制造业等等，都消耗相当数量的硫酸。

1.2.4对解决人民“穿”与“用”等问题所起的作用

用于化学纤维的生产为人民所熟悉的粘胶丝，它需要使用硫酸、硫酸锌、硫酸钠的混合液作为粘胶抽丝的凝固浴。每生产1t粘胶纤维，需要消耗硫酸1.2t～1.5t，每生产1t 维尼龙短纤维，就要消耗98%硫酸230kg，每生产1t卡普纶单体，需要用1.6t20%发烟硫酸。此外，在尼龙、醋酸纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤维生产中，也使用相当数量的硫酸。

用于化学纤维以外的高分子化合物生产塑料等高分子化合物，在国民经济中越来越占有重要的地位。每生产1t环氧树脂，需用硫酸2.68t，号称“塑料王”的聚四氟乙烯，每生产1t，需用硫酸1.32t；有机硅树胶、硅油、丁苯橡胶及丁腈橡胶等的生产，也都要使

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5 用硫酸。

用于染料工业几乎没有一种染料（或其中间体）的制备不需使用硫酸。偶氮染料中间体的制备需要进行磺化反应，苯胺染料中间体的制备需要进行硝化反应，两者都需使用大量浓硫酸或发烟硫酸。所以有些染料厂就设有硫酸车间，以配合需要。

用于日用品的生产生产合成洗涤剂需要用发烟硫酸和浓硫酸。塑料的增塑剂（如苯二甲酸酐和苯二甲酸酯）、赛璐珞制品所需的原料硝化棉，都需要硫酸来制备。玻璃纸、羊皮纸的制造，也需要使用硫酸。此外，纺织印染工业、搪瓷工业、小五金工业、肥皂工业、人造香料工业等生产部门，也都需要使用硫酸。

用于制药工业磺胺药物的制备过程中的磺化反应，强力杀菌剂呋喃西林的制备过程中的硝化反应，都需用硫酸。此外，许多抗生素的制备，常用药物如阿斯匹林、咖啡因、维生素B 2、B 12及维生素C 、某些激素、异烟肼、红汞、糖精等的制备，无不需用硫酸。

1.2.5对巩固国防方面所起的作用

某些国家硫酸工业的发展，曾经是和军用炸药的生产紧密连结在一起的。无论军用炸药（发射药、爆炸药）或工业炸药，大都是以硝基化物或硝酸酯为其主要成分。主要的有硝化棉、三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油、苦味酸等。虽然这些化合物的制备是依靠硝酸，但同时必须使用浓硫酸或发烟硫酸。

原子反应堆用的核燃料的生产，反应堆用的钛、铝等合金材料的制备，以及用于制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星的材料的钛合金，都和硫酸有直接或间接的关系。从硼砂制备硼烷的过程需要多量硫酸。硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料。硼烷又用做制备硼氢化铀用来分离铀-235的一种原料。由此可见，硫酸与国防工业和尖端科学技术都有着密切的关系。

1.3 硫酸的生产方法

生产硫酸最古老的方法是用绿矾（FeSO 4·7H 2O ）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（FeSO 4·7H 2O ）煅

烧???→Fe 2O 3+SO 2+SO 3+14H 2O 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

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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接触法和硝化法[3]。

1.3.1 接触法制造硫酸

现代硫酸生产常用的两次转化工艺，是使经过两层或三层催化剂的气体，先进入中间吸收塔，吸收掉生成的三氧化硫，余气再次加热后,通过后面的催化剂层,进行第二次转化，然后进入最终吸收塔再次吸收。由于中间吸收移除了反应生成物，提高了第二次转化的转化率，故其总转化率可达99.5％以上。部分老厂仍采用传统的一次转化工艺，即气体一次通过全部催化剂层，其总转化率最高仅为98％左右。在以硫化氢为原料时，进转化器的气体中含有大量水蒸气，二氧化硫在水蒸气存在下进行转化，故又称之为湿接触法。将二氧化硫与氧化合成为三氧化硫的反应式是：2SO2＋O2= 2SO3＋Q，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（也叫触媒氧化）。这便是接触法制造硫酸名称的由来。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[6]。

（1）接触法生产硫酸由下列四个工序组成：

①制备二氧化硫气体；

②精制二氧化硫以除去其中的杂质；

③二氧化硫氧化成三氧化硫；

④三氧化硫被吸收而变成硫酸[4,7]。

（2）接触法的优缺点

接触法制造硫酸主要有以下优点：

①产品纯度高，且产品种类多；

②设备腐蚀较轻，容易维护而且维护费用也较小，设备寿命比较长，管理也比较容易；

③生产比较平稳，指标波动范围小。

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接触法的缺点主要有：

投资较大、建造速度慢、采酸率较低等。

1.3.2 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。其中铅室法在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。目前我国硫酸生产接触法占绝大部分，塔式法已很少，但是硝化法还具有它一定的优点。虽然它产酸的浓度为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，其缺点是必须消耗硝酸。

（1）硝化法制造硫酸可归纳为三个重要过程：

①二氧化硫与氮氧化物的作用。反应结果，二氧化硫被氧化成硫酸，高级的氮氧化物转变为低级氮氧化物（NO）。

②一氧化氮的氧化。目的在于使其变为高级的氮氧化物，并再次参与二氧化硫的氧化反应。

③氮氧化物的回收。以硫酸吸收高级氮氧化物使之与尾气分离回收。

（2）硝化法的优缺点

硝化法制造硫酸主要有如下优点：

①投资小，建设速度快；

②采酸率高，可达92%以上，电的消耗比较少。

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硝化法的缺点：

①一般只能生产稀硫酸；

②设备腐蚀较重，维护也比较困难，维护费用也较高；

③生产操作比较不稳定，指标波动大[4,5]。

1.4 硫酸生产全工段工艺简介

1.4.1 SO2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。

1.4.2 炉气的净化

进入净化系统的炉气含有0.5~30g/cm3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，有增加了床层的阻力。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气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，炉气必须进行一部的进化和干燥，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[8]。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。

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1.4.3 SO2气体的转化

（1）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[9]。一次转化一次吸收工艺可能达到的最佳最终转化率是97.5～98%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。

（2）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，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[9]。两次转化的最终转化率因工艺条件而异，一般在99.5～99.8%范围内。根据设计要求及工艺条件，本次设计拟采用两转两吸工艺。

（3）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；

②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；

③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，

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10 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。

1.4.4 SO 3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：

32243()nSO +H O =H SO +n-1SO （（液液）液）（）

改变上式中的n 值，便形成相应浓度的产品硫酸。当n>1时，形成发烟硫酸；n=1时，形成无水硫酸；n<1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SO 3气体后，气相中的SO 3含量可降至0.1~0.01%，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。

1.4.5 尾气的处理

硫酸厂尾气中的有害物，主要是SO 2（约0.2%~0.5%），少量的SO 3和酸雾。因此，减少尾气中的有害物的排放，主要应该是提高SO 2的转化率及SO 3的吸收率。提高SO 2的最终转化率，使之达到99.75%，就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，这种流程以得到广泛的采用。但是，在早期建成的硫酸装置中，绝大多数为一转一吸流程，对尾气及含低浓度SO 2气体的处理方法甚多，且各具特色，主要有：

（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SO 2，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灰来源方便，价格低廉，投资和操作费用较低。

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11 （3）金属氧化物法

金属氧化物所形成的碱性溶液，亦可作为SO 2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SO 2和吸附态的氧作用，形成吸附态SO 3，有水存在时，便形成硫酸。

（5）控制SO 2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。

1.5

两次吸收法生产硫酸的流程图

图1.1 两次吸收法生产硫酸工艺流程图

1 焚硫炉

2 废热锅炉

3 转化器

4 蒸汽过热器

5 蒸发器

6 锅炉给水预热器

7 换热器 8 中间吸收塔 9 最终吸收塔 10过滤器 11 空气干燥器 12鼓风机 13 泵

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1.6 流程说明

1.6.1 干燥系统流程说明

由净化工段来的炉气，从干燥塔的底部进入，与塔顶喷淋的浓硫酸逆流接触，被吸收了水的硫酸从塔底引出进入酸循环槽，且其浓度降低，为了维持酸浓，由吸收工段引来98%H2SO4，串入酸循环槽中。喷淋酸由于吸水放热，酸温上升。酸循环液由酸泵打出，一部分引入酸冷却排管，经冷却后作为喷淋酸，一部分串入吸收工段的酸循环槽。

1.6.2 一吸系统流程说明

吸收酸由塔顶进入，与来自下部的转化器逆流接触，吸收了SO3的硫酸从塔底引出时，其浓度提高了。为了维持入塔喷淋酸浓度的稳定，在干燥塔与吸收塔之间串酸，并加入补充水。

随着SO3吸收的进行，释放出大量的反应热和溶解热，同时，还进行着汽、液两相之间的传热，使塔内酸温提高。在串酸过程中，酸温亦有变化。故吸收塔在入塔前必须经过冷却。吸收了SO3的酸被引入酸循环槽。再由泵抽出，一部分串入干燥系统，一部分作为吸收酸。另外还有一部分酸直接从酸循环槽引出作为成品酸到酸贮槽。

1.6.3 二吸系统流程说明

二次转化炉来的转化气进入第二吸收塔底，与下降的吸收酸形成逆流，其中SO3基本被吸收完全，则SO3的利用率可达99.5%。

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1.7 工艺计算的基础数据

1.7.1 干燥塔基础数据

表1.1 干燥塔基础数据

项目干燥塔

气体进口温度/℃﹤40

气体出口温度/℃40～50

淋洒酸进口温度/℃﹤45

淋洒酸出口温度/℃50～60

淋洒酸浓度/% 93～95

淋洒密度/(m3/m2·h) 15～20

塔的操作速度/(m/s) 0.8～1.5 出塔气体含水量/(g/m3）0.1

效率/% ﹥99

1.7.2两转两吸的吸收塔基础数据

表1.2 两转两吸吸收塔基础数据

项目一吸塔二吸塔气体进口温度/℃130～150 120～180

气体出口温度/℃50～70 50～70

淋洒酸进口温度/℃45～55 45～55

淋洒酸出口温度/℃60～70 50～65 淋洒酸浓度/%/ 98 98 淋洒密度/(m3/m2·h) 15～30 15～30

塔的操作速度/(m/s) 0.8～1.5 0.8～1.5 效率/% ﹥99 ﹥99

（表1.1、表1.2见《硫酸工作手册》[2]）

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1.8 我国硫酸工业的发展趋势

硫酸是个古老的行业，迄今已有260多年的历史。在我国，由于硫酸与化肥、继而与粮食之间的密切关系，硫酸工业在我国国民生计中占有举足轻重的地位，一直是个备受关注的行业。

改革开放以来，硫酸工业得到了迅速发展，其产业结构、原料构成、装置规模、技术装备水平、废物排放指标全然今非昔比，正在以崭新的面貌迈入现代化工的行列。虽然我国硫酸工业取得了令人瞩目的成就，但是，我国只是一个硫酸生产大国，而不是硫酸生产强国。从技术方面来看，其工艺设计、设备制造、催化剂性能、废热回收率等与国外先进水平仍有一定的差距。因此，坚持与时俱进、坚持技术创新，是我国硫酸工业实现可持续发展的唯一途径。随着全球经济一体化战略的推进，我国目前这种以本国资源为主要原料、中小型企业星罗棋布的产业结构最终将彻底打破，取而代之的是与国际市场竞争规则相适应的体系。生产装置的大型化、环保意识的极限增强、技术装备水平的全方位提升、能源工厂设计理念的广为接纳，这些目前发达国家已经实现或正在追寻的目标必将成为新世纪我国硫酸工业的现实[10,11,12]。

1.9 本次设计主要内容

本次设计的主题是年产6万吨硫酸车间干吸工段的工艺设计，根据设计要求采用了两转两吸的工艺，对干吸工段进行了物料衡算和热量衡算，并根据计算结果对此工段的主要设备干燥塔、吸收塔和换热器进行了初步的设计。

根据工艺条件及硫酸生产特点，此次设计中干燥塔及吸收塔拟采用填料塔。相关计算过程见第3章。

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15 第2章 工艺计算

2.1 原始数据

2.1.1 产量

（以每小时产量为基准进行计算）

本设计生产能力6万吨／年，按年开车7200h 计算，可知车间每小时硫酸的生产量为：h t /33.8720010000

6=?

2.1.2 炉气成分（%）

SO 2：10.6 ； O 2 ：6.35； N 2 ：83.2；

2.1.3 炉气水分含量

0.1mol/mol 干炉气

2.1.4 进酸浓度

干燥塔进酸浓度93%；出酸浓度≥92.5%。

吸收塔进酸浓度98%；出酸浓度～98.5%。

2.1.5 转化率及吸收率

一次转化率92%；

二次转化率99%；

吸收率99%。

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2.2 干燥塔及其循环槽的工艺计算 2.2.1 干燥塔及循环槽的物料衡算

（1）进干燥塔气体成分

h

kmol O H h

kmol N h kmol O h

kmol SO /94.81)75.68096.5173.86(1.0:/75.6806

.102.8373.86:/96.516.1035.673.86:/73.8699

.099.01981000

33.8:

2222=++?=?

=?=???

炉气成分见下表。

表2.1 进干燥塔炉气成分

项目 kmol/h kg/h m 3/h % SO 2 86.73 5550.72 1942.75 10.60 O 2 51.96 1662.72 1163.90 6.35 N 2 680.75 19061.00 15248.80 83.20 ∑ 819.44 26274.44 18355.45 100.15

H 2O

81.94

1475.28

1835.46

（2）干燥塔出口气体含水量

设出干燥塔气体中含水量为0.1g/m 3，则干燥塔出口气体含水量为：

h

kg /84.11000

45

.183551.0=?

（3）吸收塔循环酸与干燥塔循环酸对串酸量

设：93%硫酸—98%硫酸串酸量为x kg/h ；98%硫酸—93%硫酸串酸量为y kg/h 。 由O H 2平衡得：x y ?=?+%08.24%2028.1475 （3.1） 由3SO 平衡得：x y ?=%92.75%80 （3.2）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g9fe.html