|
一、选题背景及意义
硫酸是一种重要的基本化工原料，广泛应用于各大工业领域。主要用于生产涂料、合成纤维、洗涤剂、制冷剂、化学肥料、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。随着社会的不断发展和人们生活水平的不断提高，硫酸在科学技术和人们日常生活中所发挥的作用也越来越大。硫酸跨领域、涉及性广等一系列特点对各个领域产生了重要的影响，而且各个领域对硫酸的重视也促进了硫酸自身的发展和硫酸工业的进步，因此，研究硫酸的生产工艺不仅可以提高硫酸的生产水平，还可以带动其他行业的发展[1]。
硫酸的生产技术是一门成熟的技术，近年来虽有少许发展但无重大的变革或改进。在硫酸生产历史上,出现过三种生产方法,即塔式法、铅室法和接触法。(1)塔式法和铅式法 是古老的生产方法。 在中间装填瓷圈的塔型结构的设备或 中空的铅室中进行,所用催化剂是二氧化由此制得的硫酸浓度只有65%～75%,浓度不高而受到限制,仅用作生产肥料(如过磷酸钙等),而且含硝化物硫酸对设备的腐蚀相当严重 物硫酸对设备的腐蚀相当严重。(2)接触法在 20 世纪 50 年代后建厂,现在基本上取代了塔式法和铅室法。该法是将焙烧制得的SO2与固体催化剂V2O5,(现为含铯钒催化剂)接触,在一定温度、压力和焙烧炉气中剩余氧的参与下转化为SO3并与水作用可制得浓硫酸和发烟硫酸。而在接触法硫酸工艺中SO2转化成SO3最为关键[2]，顾此次设计30万吨/年 转化二段绝热固定床反应器设计。
二、研究概况及发展趋势综述
1我国硫酸工业的现状
我国的硫酸工业起始于19世纪70年代，当时产量很少，早期的硫酸工业是与军工联系在一起的，最早建设的7个硫酸厂其中就有6个在军工厂内，抗日战争和解放战争时期，解放区的硫酸企业也是为军工服务的。新中国建立后,硫酸工业获得了快速地发展。20世纪50年代以后逐步推广接触法，取代铅室法和塔式法,20世纪80年代以后全部采用接触法。2004年我国硫酸产量达到39950kt ,首次超过美国位世界第一位 ,占到当年世界硫酸总产量184990kt的21.6%。2009年硫酸产量创历史新高 ,达59686kt,占到世界硫酸产量的32.2% ,连续6年位居世界第一位。
随着我国硫酸工业的迅猛发展,硫酸生产原料格局也发生了巨大变化,从硫铁矿占统治地位,逐步形成了“硫磺一冶炼烟气一硫铁矿”三大原料制酸三足鼎立的格局,并且硫磺和冶炼烟气制酸所占比例越来越大。[3-4] 经过最近25年的发展,我国的硫酸工业产能、产量大幅度增加,技术装备水平持续提高,既满足了化肥生产的需求,为保证我国的粮食安全做出了巨大贡献,又满足了石化、化工、纺织、轻工、有色冶金、钢铁等行业的需求，为国民经济的高速发展提供了重要的保障。
2国外硫酸发展现状
世界硫酸工业生产始于18世纪中叶。1746年建立了第一个铅室法硫酸厂，月产浓度33.4%的硫酸334Kg，用于漂白亚麻。20世纪初，塔式法硫酸生产出现，塔式法的设备生产强度为铅室法的6-10倍，并将成品酸的浓度提高到了75%以上，前苏联对塔式法生产硫酸进行了深入的研究，大大降低了建设硫酸厂的投资并提高了塔的生产强度。1900年美国建立了第一个一硫铁矿为生产原料的接触法硫酸厂，用铂做催化剂。1915年，开始使用钒催化剂，由于钒催化剂价格低廉，对一些有毒害物质的抵抗力较高，昂贵的的铂催化剂和低活性的铁催化剂便渐渐被取代。接触法生产的硫酸浓度高，杂质含量低，用途广，还可以生产发烟硫酸和液体三氧化硫，没有氮氧化物对大气的污染，50年代以来已成为世界硫酸生产的主要方法[3]。
3硫酸工业及发展趋势
硫酸是三氧化硫与水的等摩尔化合物，因此硫酸的生产首先是以各种含硫物质为原料生产二氧化硫，将二氧化硫氧化成三氧化硫，最后加工制成硫酸，工业上主要采用接触法和硝化法。由于硝化法生产硫酸的过程中会消耗大量硝酸或硝酸盐，经济不划算；而且浓度低，仅有75%左右，使其的用途受到了大量的限制，因此该法主要在新中国成立前几20世纪50年代时采用，以后便被淘汰。目前，工业上硫酸生产方法主要为接触法硫酸生产工艺。接触法是通过催化剂的催化作用，将二氧化硫和空气中的氧化合而成三氧化硫，再将三氧化硫吸收而成硫酸。由于接触法生产的硫酸产品浓度高，含杂质少，生产设备强度大，所以现在世界上生产硫酸皆采用此法。
近年来，我国硫酸工业有了很大的发展，硫酸工程设计项目多、质量好、技术水平高、经济效益和社会效益显著提高。此外，从国外引进了一些先进的硫酸生产技术，大大改变了我国硫酸工业的技术状况。
根据硫酸生产原料的不同，可分为硫铁矿制酸、硫磺制酸、烟气制酸、磷石膏制酸等。目前我国硫酸生产主要是以硫铁矿为原料，同时也有部分以重有色冶金工业的冶炼烟气或石膏、磷石膏为原料生产硫酸，但随着硫磺供应的增加，越来越多的新建工程从治理环境、生产简便和经济角度考虑，选用硫磺为原料生产硫酸。
目前国际上著名的硫酸专有技术供应商有美国的 MECS、丹麦的 TOPSE、加拿大的 CHEMYICS、芬兰的 OUTOKUMPU 以及德国的 LURGI等。工业上一般选用的硫酸生产技术较多地采用“3+2”两转两吸工艺[ 9]，并采用中压锅炉和省煤器回收焚硫和转化工序的废热，产生中压过热蒸汽 [4] 。
三、研究内容及实验方案
设计内容：
1 30万吨/年SO2转化二段绝热固定床反应器设计。
2 固定床反应器的计算。（催化剂用量、床层高度和直径、床层压降和传热面积等）
设计方案：
1 了解硫酸生产工艺。
生产工艺大致有六大工序，即：原料预处理、制取SO2、SO2气体净化、二氧化硫转化、三氧化硫吸收、“三废”处理。
2 画出工艺流程图及固定床反应器设备图。
3 主要设备选型。
2.1考虑到转化器设计应让二氧化硫尽可能在最优化温度条件下反应，最大限度的利用二氧化硫反应放出的热量，设备阻力既要小，又能使气体分布均匀。故考虑使用外部换热型转化器。
2.2换热器考虑到气体有一定腐蚀性，故选用列管式换热器[5]。
4 学习Excel进行非线性方程的求解、图形的构建及固定床反应器床层高度和尺寸计算。
Excel软件是微软公司开发的功能强大的电子表格管理软件,它可以帮助用户组、分析和计算各种类型的数据[1]。Excel自带图表处理、数据管理、数据分析、数据库的使用、数据查找等功能函数,具有强大的数据处理和计算功能。因此,在Excel环境下,熟练运用这些功能函数,便可快捷、方便地进行化工计算中较复杂的计算过程 [6] 。
5 对计算结果进行分析讨论数据分析、图形对比 。
6 对整个设计进行审核。
7 进行本次设计总结。
|
