年产20万吨硫酸工艺设计

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1、年产 20 万吨硫酸工艺设计一、总论1概述（1）硫酸的化学性质 硫酸是一种强酸， 作为二元酸，它有中性盐（硫酸盐）和酸式盐（硫酸氢盐）。 浓硫酸具有氧化剂的性质，同时，根据还原剂的不同，硫酸可以被还原到 SO2、S和 H2S。 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。 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。 浓硫酸与发烟硫酸、 三氧化硫、 氯磺酸都是磺化剂， 它们可以把磺酸基引入 有机化合物。许多种医药、农药和染料的生产都是基于芳香族有机化合物的磺化。 稀硫酸中的硫原子通常不具有强烈的氧化性。与活性在氢之前的金属反应放 出氢气。 （1）硫酸的物理性质 硫酸

2、的物理性质 20 密度 1.8305 g/cm3 熔解热（ 100% ）10.726 KJ/mol 熔点 10.370.05 沸点 100% 2755 98.47%（最高） 3265 比容热（ 25 ） ，J/(g K) 98.5% 1.412 99.22% 1.405 100.39% 1.394 气化潜热（ 326.1 ） 50.124KJ/mol 常用硫酸与发烟硫酸的结晶温度 硫酸浓度 % （重量）结晶温度硫酸浓度 % （重量）结晶温度 10.0 -4.7 100 10.371 76.0 -22.2 游离 SO310 -1.5 93.0 -27 游离 SO320 2.5 98.5 1.8

3、游离 SO365 -0.35 （3）硫酸的用途 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。 硫酸的用途十分广泛，在化肥工业中，硫酸主要用于生产过磷酸钙和硫酸铵； 在冶金工业中则主要用于铜、锌、镉、镍等金属的电解精炼；在电镀、搪瓷工业 中需要硫酸清洗工件表面； 其他工业如轻工业、 有机合成工业、 无机盐工业等也 要消耗相当数量的硫酸，如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、医药和化学工业。如今己内酰胺生产是 硫酸的第二大用户， 聚己内酰胺纤维是一种用途很广泛的合成纤维，除用于衣着 以外，还

4、用于制造渔网、降落伞、轮胎帘子线和绝燃材料。（4）硫酸的生产方法及特点 在 10 世纪，硫酸就由绿矾矿（硫酸铁）干馏后用水吸收而制得。这是铅室 法制酸的萌芽。 19 世纪初期，因布兰法制碱工业的需要，发展了铅室法和塔室 法统称为亚硝基法和硝化法。 硝化法的特点是以氮的氧化物为媒介，使二氧化硫 在有氧及水的情况下生成硫酸。产品浓度低， 酸中杂质多， 生产中又要耗用大量 的硝酸或硝酸盐。 由于染料、 化纤、有机合成和石油工业等对浓硫酸和发烟硫酸 的需要迅速增加， 许多工业部门对硫酸产品的纯度也提出了越来越高的要求，因 而塔式法生产硫酸的比重逐渐减低，最终为接触法生产硫酸所替代。2文献综述利用冶炼烟

5、气生产硫酸是我国硫酸工业的一种重要工艺方法,冶炼烟气制酸工 艺利用矿石原料中的硫资源生产副产品,能够获得一定的经济效益。 本文通过介 绍一个工程实例的工艺设计过程浓度;自热平衡 ;工艺计算 ;设备选型计算 ,叙述了 冶炼烟气制酸装置转化工段主要工艺计算和主要设备的选型计算,提出了在计 算过程中一些设计参数的选择方法和需要注意的事项。得出的结论为:在烟气中 含有一定浓度的一氧化碳的条件下,含较低二氧化硫浓度的烟气同样可以在转 化工段实现自热平衡,用于生产硫酸。12004 年至今中国硫酸产量位居世界首位，2006 年中国硫酸产量达50.43 Mt， 逐渐形成了以硫磺、 硫铁矿和冶炼烟气为主的原料结

6、构。改革开放以来， 中国硫 酸行业的产业集约化程度大幅提高， 单系列硫酸装置的最大规模分别为硫铁矿制 酸 400 kt/a、硫磺制酸1000 kt/a、冶炼烟气制酸600 kt/a。还指出今后中国硫酸 工业的发展趋势是： 装置进一步大型化， 产业集约化程度继续提高， 全方位提升 技术装备水平， 加大节能减排力度， 提高废热回收利用率， 走循环经济的发展道 路，实现可持续发展。2德国 Process Engineering Associate (PEA)公司推出一种可使排放废气中的 SO2含量低于 3 10 -4%的二段法硫酸生产新工艺 , 该工艺可用于处理各种浓 度的 SO2气体。第一段 :

7、接触反应器在工艺的第一段 , 接触反应器中的 SO2气 体在转换成硫酸之前要进行冷却和清洗。该工艺能生产浓度为 95 %98 %的硫 酸以及游离 SO2 高达 32 %的发烟硫酸。在转换器中单层催化剂将 65 %70 % 的 SO2 转换成 SO3 , 剩下的气体通过管道输送到工艺的第二段。第二段 : 塔式 反应器浓缩或用于生产发烟硫酸。第二段工艺是对原氧化氮工艺的改进( 原称容 腔工艺或塔式工艺 ), 在此 SO2几乎完全转换成 76 % 的强酸 , 然后又回到接触反应 器中进一步76 %的硫酸是在塑料塔式反应器中产生的 , 没有返回到接触反应器 中 , 因此纯度极高 , 可作特殊用途的酸使

8、用 , 如作蓄电池酸。3 Kvaerner Chemetics公司开发和建设了一套装置 , 采用最新且可靠的工艺 , 将 炼厂排放物中的硫转化成硫酸。 该工艺包括以下三个主要步骤 : 含硫化合物氧化或还原成 SO2 , SO2氧化成 SO3以及 SO3与水部分冷凝生产浓硫酸。 a) H2S氧化。来自于脱硫工艺及其他含硫废气的浓缩 H2 S被输送到装配有蒸汽 锅炉的燃烧室中 , H2 S被高效地氧化成 SO2 , 少部分进一步氧化成 SO3。b) 酸再生。当燃烧废酸或酸渣时 , 工业上使用的是燃烧炉而不再是燃烧室 , 其目 的是有较长的停留时间 , 以在约 1 000 的温度下分解废酸。酸气化及

9、分解成 SO2的反应属于吸热反应 , 因此须向燃烧炉补充热量。 H2S能提供部分或全部补充的反应热。 当燃烧废酸、 重燃料油或酸渣时 , 须安装一套热气过滤器 , 使气体除尘后再进入催化转化器。 c) 催化转化器。来自于燃烧室或燃烧炉的废气经冷却后 , 用蒸汽锅炉控制温度在 400 , 经离心式鼓风机将其输送到催化转化器。催化转化器是不锈钢制的圆筒 形反应器 , 塔盘上装有金属氧化物催化剂 , 将废气中的 SO2 氧化成 SO3。催化 剂的活性组分为 V2O5。低温也有益于生成 SO3 , 但是 400 是其下限 , 因为该 温度是催化剂的触发温度。当 SO2 的体积浓度低于 2%,且催化剂床

10、层的温升低 于 50 时 , 利用单床层反应器系统 ,SO2 的转化率就能超过 98 % 。催化剂床层 温升低时无需使用多床层系统。如果进入催化转化器的 SO2 浓度非常高 , 使用 23 个床层 , 且进行级间冷却 ,SO2 的转化率可超过 97 %。 d) 硫酸冷凝。该步骤使用单塔 ( 或双塔 ) 将 SO3 部分冷凝来生产硫酸 , 冷却冷 凝过程在回收塔中完成。硫酸的浓度可达到 40 %60 %(质量 ) 。使用转化器出口 的部分废气来蒸发稀硫酸中的水分同时吸收更多的 SO3 时 , 硫酸的浓度可达到 93 %98 % 。一套使用该法从含硫废气生产硫酸的装置于 1998 年在瑞典的某造纸

11、 厂建成投产。该装置的 SO2平均转化率超过 98.8 %, 经回收塔后未转化的 SO2 平均浓度为 134ppm ( 干基), 生产的硫酸浓度 为 93 %( 质量 ) 。4接近于零排放的硫酸生产新工艺 (SAPNE)。 该工艺结合了接触法制酸技术和硝化制酸技术。来自净化工序的气体依次经w(H2 SO4 ) 6 5 % 、w (H2 SO4 ) 96 %硫酸干燥后 , 进行一段转化 ,70 % 的 SO2 转化成 SO3 并制成 w(H2 SO4 ) 98%硫酸 , 剩余的 SO2 再经 NOX 催化氧化成 SO3 制成 w(H2 SO4 ) 76 % 硫酸 ,SO2 的总转化率达 99.9

12、97%。SAPNE工艺的投资费用是两转两吸工艺的近 95 % , 操作费用近 90 % 。53. 设计任务的依据或项目来源依据 2009 年 10 月在大冶有色金属公司冶炼厂实习情况而定。4. 设计产品所需的主要原材料规格、来源。单位成分合计SO2SO3O2CO2H2O N2体积 % 7.06 0.28 11.15 4.8 11.2 65.3 100 m3/h （标况）6247.2 247. 8 9866.3 4247.4 9910. 8 57782. 2 88487. 3 二、烟气量及成分 烟尘量烟尘成分 g/m3标 况Cu Fe Pb Zn Bi Cd SiO2 As 0.06 0.06

13、0.06 0.04 0.02 0.02 0.06 0.04 b) 酸再生。当燃烧废酸或酸渣时 , 工业上使用的是燃烧炉而不再是燃烧室 , 其目 的是有较长的停留时间 , 以在约 1 000 的温度下分解废酸。酸气化及分解成 SO2的反应属于吸热反应 , 因此须向燃烧炉补充热量。 H2S能提供部分或全部补充的反应热。 当燃烧废酸、 重燃料油或酸渣时 , 须安装一套热气过滤器 , 使气体除尘后再进入催化转化器。 c) 催化转化器。来自于燃烧室或燃烧炉的废气经冷却后 , 用蒸汽锅炉控制温度在 400 , 经离心式鼓风机将其输送到催化转化器。催化转化器是不锈钢制的圆筒 形反应器 , 塔盘上装有金属氧化

14、物催化剂 , 将废气中的 SO2 氧化成 SO3。催化 剂的活性组分为 V2O5。低温也有益于生成 SO3 , 但是 400 是其下限 , 因为该 温度是催化剂的触发温度。当 SO2 的体积浓度低于 2%,且催化剂床层的温升低 于 50 时 , 利用单床层反应器系统 ,SO2 的转化率就能超过 98 % 。催化剂床层 温升低时无需使用多床层系统。如果进入催化转化器的 SO2 浓度非常高 , 使用 23 个床层 , 且进行级间冷却 ,SO2 的转化率可超过 97 %。 d) 硫酸冷凝。该步骤使用单塔 ( 或双塔 ) 将 SO3 部分冷凝来生产硫酸 , 冷却冷 凝过程在回收塔中完成。硫酸的浓度可达

15、到 40 %60 %(质量 ) 。使用转化器出口 的部分废气来蒸发稀硫酸中的水分同时吸收更多的 SO3 时 , 硫酸的浓度可达到 93 %98 % 。一套使用该法从含硫废气生产硫酸的装置于 1998 年在瑞典的某造纸 厂建成投产。该装置的 SO2平均转化率超过 98.8 %, 经回收塔后未转化的 SO2 平均浓度为 134ppm ( 干基), 生产的硫酸浓度 为 93 %( 质量 ) 。4接近于零排放的硫酸生产新工艺 (SAPNE)。 该工艺结合了接触法制酸技术和硝化制酸技术。来自净化工序的气体依次经w(H2 SO4 ) 6 5 % 、w (H2 SO4 ) 96 %硫酸干燥后 , 进行一段转化 ,70 % 的 SO2 转化成 SO3 并制成 w(H2 SO4 ) 98%硫酸 , 剩余的 SO2 再经 NOX 催化氧化成 SO3 制成 w(H2 SO4 ) 76 % 硫酸 ,SO2 的总转化率达 99.997%。SAPNE工艺的