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年产10万吨硫酸工艺毕业(课程)设计
I年产 10 万吨硫酸工艺设计摘 要硫酸可以由硫铁矿焙烧生成二氧化硫， 通过二氧化硫的进一步催化氧化生成三氧化 硫，最后用浓硫酸吸收三氧化硫制得硫酸。本设计是年产 10 万吨硫酸工厂的设计，主 要进行了工艺计算、设备选型，并绘制了工艺流程图、部分工艺物料流程图、全厂平面 布置图、车间的立面图和平面图。 关键词：硫铁矿，硫酸生产， 工厂设计陕西科技大学毕业设计IIThe Factory of Sulfuric Acid Whose Output is 100,000 Tons Per Year ABSTRACTThe sulfuric acid can be baked by the sulphur iron mine to burn born sulphur dioxide, The further catalyst which passes sulphur dioxide oxidizes born three oxidize sulphur, Finally absorb with the oil of vitriol three oxidize sulphur system sulfuric acid. This design is the year produces 100,000 ton sulfuric acid factory of design. It include the main equipment computation and the shaping in the technical process, entire factory floor-plan, s various workshops elevation and horizontal plan. KEY WORDS: pyrites，sulfuric acid production，plant designIII目 录摘要 ............................................................................................................................................. I ABSTRACT .............................................................................................................................. II 1 总论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 项目依据 ...................................................................................................................... 1 1.1.1 课题背景 ............................................................................................................ 1 1.1.2 硫酸的用途及规格 ............................................................................................ 1 1.1.3 硫酸产业概况及需求现状 ................................................................................ 1 1.1.4 当代硫酸工业的特点及发展趋势 .................................................................... 2 1.2 产品性质、用途及规格 .............................................................................................. 2 1.3 设计原则 ...................................................................................................................... 3 1.4 设计任务 ...................................................................................................................... 3 1.5 工厂组织与劳动定员 .................................................................................................. 3 1.6 资金筹措 ...................................................................................................................... 4 1.7 环境保护与综合利用 .................................................................................................. 4 1.8 劳动安全卫生 .............................................................................................................. 5 2 厂址选择 ................................................................................................................................ 6 2.1 建厂依据 ...................................................................................................................... 6 2.2 指导方针 ...................................................................................................................... 6 2.3 选厂经过 ...................................................................................................................... 6 2.4 环境保护及废物处理 .................................................................................................. 7 3 工艺流程的选择和简介 ......................................................................................................... 8 3.1 硫酸生产的原料 .......................................................................................................... 8 3.2 硫酸生产的方法 .......................................................................................................... 8 3.3 工艺流程的选择 .......................................................................................................... 8 3.4 工艺流程的简介 .......................................................................................................... 9 3.4.1 硫铁矿的预处理 ................................................................................................ 9 3.4.2 硫铁矿的焙烧 .................................................................................................... 9 3.4.3 炉气净化 .......................................................................................................... 10 3.4.4 SO2 催化氧化 .................................................................................................. 10 3.4.5 SO3 的吸收 ....................................................................................................... 11 3.5 硫酸生产三废治理、能量回收利用 ........................................................................ 11 3.5.1 三废治理 .......................................................................................................... 11陕西科技大学毕业设计IV3.5.2 能量利用 .......................................................................................................... 12 4 工艺计算及设备选型 .......................................................................................................... 13 4.1 焙烧工序的工艺计算 ................................................................................................ 13 4.1.1 焙烧工序物料衡算： ...................................................................................... 13 4.1.2 焙烧工序热量衡算： ....................................................................................... 16 4.1.3 废热锅炉的热量衡算： .................................................. 错误！未定义书签。 4.1.4 废热锅炉的工艺计算： ................................................... 错误！未定义书签。 4.1.5 电除尘器的基本参数计算和选型： ............................ 错误！未定义书签。 4.2 净化工序的工艺计算 ................................................................. 错误！未定义书签。 4.2.1 净化工序物料衡算： ....................................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 对干燥塔进行物料衡算： ............................................... 错误！未定义书签。 4.2.3 干燥塔的工艺计算： ....................................................... 错误！未定义书签。 4.3 转化工序的工艺计算 ................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.1 转化工序物料衡算： ....................................................... 错误！未定义书签。 4.3.2 成塔进行能量衡算： ....................................................... 错误！未定义书签。 4.3.3 转化工序平衡转化率及平衡组成 .................................. 错误！未定义书签。 4.3.4 转化器的工艺计算 .......................................................................................... 19 4.3.5 换热器的工艺计算 .......................................................................................... 20 4.4 吸收工序的工艺计算 ................................................................................................. 22 4.4.1 吸收工序物料衡算： ....................................................................................... 22 4.4.2 混合器物料衡算： ........................................................................................ 25 5 全厂总平面及车间设计 ...................................................................................................... 26 5.1 总平面设计任务和步骤 ............................................................................................ 26 5.1.1 总平面设计任务 .............................................................................................. 26 5.1.2 工厂组织 .......................................................................................................... 26 5.2 总平面设计原则 ........................................................................................................ 27 5.3 总平面布置评述 ........................................................................................................ 27 5.4 车间布置设计的意义 ................................................................................................ 28 5.5 车间布置设计的原则及方法 .................................................................................... 29 5.6 车间布置设计与评述 ................................................................................................ 29 5.6.1 关于平面布置方案 .......................................................................................... 29 5.6.2 关于厂房形式 .................................................................................................. 29 5.5.3 车间设备布置 .................................................................................................. 30 5.5.4 车间辅助室和生活室布置 .............................................................................. 31 5.6 工艺流程设计 ............................................................................................................ 31V5.6.1 工艺流程设计的重要性 .................................................................................. 31 5.6.2 工艺流程设计的原则 ...................................................................................... 31 6 设计结果 ............................................................................................................................... 32 6.1 设计成果 .................................................................................................................... 32 6.2 图纸及比例 ................................................................................................................ 32 6.3 主要设备的工艺参数 ................................................................................................ 32 总 结 ........................................................................................................................................ 35 致 谢 ........................................................................................................................................ 36 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 37
年产 10 万吨硫酸工厂设计11 总论1.1 项目依据1.1.1 课题背景 硫酸是一种十分重要的基本化工原料，其用途广泛，涉及到国民经济各个工业部门 和人们生活的各个方面，曾被誉为“工业之母” ，并以其产量高低作为衡量一个国家国 民经济发展水平的标志之一。在我国其产量的 2/3 用于制造磷肥，另外 1/3 则用于国民 经济的其它行业。近几年来我国高浓度磷复肥发展带动了硫酸需求量的增加，其它用酸 行业的发展也使硫酸需求量增加。 1.1.2 硫酸的用途及规格 硫酸是重要的化工产品，用途十分广泛。硫酸用于生产磷肥(过磷酸钙)和氮肥(硫 酸铵)，其消耗量几乎占硫酸产量一半以上；在有机化工、纤维、塑料、染料以及农药 的生产中都需要硫酸；无机化工，如磷酸、氟氢酸、硼酸等无机酸及硫酸盐、磷酸盐、 铬酸盐等无机盐的生产， 也用硫酸； 在国防和原子能工业， 硫酸用于制造各种无烟炸药、 从铀矿中提取铀；冶金工业的金属精炼、石油工业的产品精制等。 世界硫酸产量 1950 年为 2 780 万， 1960 年为 4822 万吨， 1970 年为 9107 万吨， 1997 年达到 563 万吨。1997 年美国的硫酸产量 4 515 万吨，我国为 1 991 万吨，位居第二。 工业硫酸是指 S03 与 H2O 以一定比例混合而成的化合物，分为稀硫酸(H2S04 含量 65％和 75%)、浓硫酸( H2S04 含量 92.5％和 98%)和发烟硫酸(游离 S03 含量 20%)。国家 标准规定的硫酸产品规格如表 1―1 所示。 1.1.3 硫酸产业概况及需求现状 进入 2006 年，随着下游行业开工率的提高和市场需求的逐步放大，行业继续保持 着快速的增长势头。截止到 2006 年 1-4 月，我国硫酸(折纯)产量、表观消费量、进口和 出口数量分别为 1513.6 万吨、 1590 万吨、 万吨和 0.1 万吨， 76.6 同比增长率分别为 10.1%、 11.1%、33.9%和 12.3%。 以磷肥用酸为基准测算我国硫酸产量。预计 2007 年全国 1.磷肥产量 1260 万吨，比 2006 年仅增长 5%， 其它工业用酸增长 5%， 以此测算， 2007 年我国硫酸表观消费量 5500 万吨；化肥用酸占总消费量 70%，其它工业用酸占总消费量 30%。由于国际有色金属 价格在高位运行，2007 年我国冶炼酸产量将达到 1200 万吨；大型硫铁矿制酸以硫铁矿 渣为盈利增长点，经济形势将优于硫磺制酸，部分硫磺制酸企业将进一步减产；同时，陕西科技大学毕业设计2部分生产成本高、环保条件差的小规模装置趋于淘汰，这将有助于我国硫酸工业的整体 结构的改善和调整，增强硫酸企业自身的综合竞争力。 1.1.4 当代硫酸工业的特点及发展趋势 世界硫酸工业的发展，主要表现在扩大生产规模，采用先进技术，节约能源，提 高劳动生产率和消除环境污染等方面。60年代，采用了两吸两转新技术，使二氧化硫 总转化率提高到99.8以上；为加强生产，提高进入转化器二氧化硫浓度；采用提高余 热利用效率及将传统的柱状催化剂改为环状催化剂，改进设备结构及减小系统阻力等 措施；开发了硫酸尾气治理工艺，使排入大气的二氧化硫含量降至10-4以下；在生产规 模和设备上采用大型化，从而降低了成本，取得了显著的经济效益。 硫酸工业的技术发展趣势，主要有以下几个方面： 1) 提高 SO2 气体的浓度，强化设备，降低投资； 2) 降低系统阻力； 3) 采用耐腐蚀材料，保证设备可靠运转； 4) 提高余热利用效率； 5) 消除污染； 6) 生产设备大型化和集中化； 7) 采用电子计算机控制技术； 8) 改进冶炼烟气制酸技术； 9) 加速新技术的开发与研究。1.2 产品性质、用途及规格（1）性质：硫酸 相对分子量或原子量：98.07； 熔点（℃）：10.49； 密度：1.834（98%） 沸点（℃）：338（2）性状：纯品是无色油状液体。工业品如含有杂质，则呈黄、棕等色。 （3）溶解情况：溶于水。用水稀释时，应将浓硫酸慢慢注入水中，并随时搅和。勿 将水注入硫酸，以防浓硫酸猛烈地飞溅，引起事故。 （4）用途：应用很广，如制造硫酸盐、合成药物、合成染料、合成洗涤剂、金属冶 炼等。在有机合成中用作脱水剂和磺化剂。金属、搪瓷等工业中用作酸 洗剂。石油工业中用作精炼石油制品。粘胶纤维工业中用于配制凝固浴。 （5）包装及贮运：用专用槽车(船)装运，或用陶瓷坛(或其它耐酸包装物)包装，每 坛净重45kg。酸坛置于木箱内，周围填草、刨花或细炉渣等物， 坛口用耐酸材料密封每批出厂硫酸都应附有质量证明书。包装上 应有明显的“腐蚀性物品”标志。年产 10 万吨硫酸工厂设计3（6）其他：有很强的吸水能力。使棉麻织物、木材、纸张等碳水化合物激烈脱水而 炭化。为无机强酸，腐蚀性很强，化学性很活泼。几乎能与所有金属及其 氧化物、氢氧化物反应生成硫酸盐，还能和其它无机酸的盐类作用。 （7）产品规格见表1-1 表 1-1 工业硫酸规格（GB534―89）指标 浓硫酸 发烟硫酸wH 2SO4 / % ?92.598 20w游离SO3 / %w灰分 / %wFe / %0.10 0.100.10 0.031.3 设计原则（1）遵守法则，法规，贯彻党的基本建设方针，实事求是，因地制宜 （2）合理利用国家资源和财产，最大限度的发挥硬件设施的内在潜力，节约土地，减 少投资，降低成本； （3）采用成熟的、先进的工艺流程，设备，学习先进的生产技术，努力实现自动化、 现代化提高产品的科技含量； （4）尽可能使生产设备大型化和集中化，采用耐腐蚀材料，保证设备可靠运转； （5）尽可能创造良好的劳动条件，以利于劳动工人的身心健康；1.4 设计任务包括硫铁矿制酸的工艺流程设计，物料衡算及热量衡算，主要设备的计算和选型， 画出工艺流程图，全厂平面图以及车间平面、立面布置图。1.5 工厂组织与劳动定员1) 工厂体制及组织机构 工厂为股份所有制企业 主要管理人员：总经理（厂长），副总经理（副厂长）（2名） 下属部门：生产部，后勤保障部（下属仓储，能源保障，技术保障等多个单位）， 销售部，财务部，行政人事部等。 2) 生产班制及定员 工厂生产车间将实行三班制，其他部门将实行一班制。 工厂员工总数为 120 人，其中生产人员 60 人，生产人员当中技术人员为 30 人，比陕西科技大学毕业设计4例为 50%。同时还会不定期的雇佣一部分临时工以应付生产和出货高峰期。 3) 工作制度 正常工作日采用四班三运转， 法定假日和星期假日采用轮换倒班制度， 连续工作制： 工作日=365―设备维修日 =365－65 =300(天) 4) 人员的来源和培训 人员主要在人才市场以及相关学校招聘．培训分两部分，入厂培训由工厂行政人事 部门组织培训，高级培训，如高等工艺培训，企业管理培训将与有关院校合作培训。1.6 资金筹措本厂建立的资金筹备上，将采取三步分，一部分自筹，再吸引一部分投资，以及一 部分银行贷款，在工厂建成投产后，将发行一部分内部股份吸收内部员工入股，在快速 还清银行贷款的同时起到增加员工的归属感和提高员工的劳动积极性的作用。1.7 环境保护与综合利用化工设计必须在全面规划、合理布局、综合利用、保护环境、防止污染反面全面考 虑。根据国家经委、国家计委颁发的《建设项目环境保护管理办法》 ，从事对环境有影 响的项目都必须执行环境影响报告的审批制度， 执行防治污染及其它公害的设施与主体 工程同时设计、同时施工、同时使用的“三同时”制度。 化工设计应符合国家现行的有关标准和规范。有关环境质量标准有： （1）地面水环境质量标准---GB3838-88； （2）环境空气质量标准---GB3095-96； （3）城市区域环境噪声标准---GB3096-93； （4）工业企业厂界噪声标准---GB12348-90； （5）车间空气中有害物质的最高允许浓度； （6）居民区大气中有害物质的最高允许浓度； （7）污水综合排放标准---GB8978-96； （8）锅炉大气污染物排放标准---GB13271-91； （9）大气污染物综合排放标准---GB。 经处理过的排入城镇排水管道的工业废水和生活废水，应符合： （1）水文不高于 40℃； （2）不产生易燃易爆和有毒气体； （3）不伤害养护人员； （4）对病原体必须严格消毒灭菌；年产 10 万吨硫酸工厂设计5（5）有毒物质最高容许浓度应符合《工业“三废”排放试行规定》 。 对于废渣一般采用填埋、焚化、堆肥前应取得卫生部门的同意，不允许污染水 源土壤。 局部派出的有害气体应净化回收后再向大气排放。1.8 劳动安全卫生工业卫生包括防尘防毒、防暑降温、防寒防湿、防噪音、振动控制等，对于一般化 工厂有一定的规定。 根据车间对劳动保护的设计规范《工业企业设计卫生标准》―TJ36-79 规定： （1） 浴室：卫生等级为一级、二级的车间应设车间浴室，三级在车间附近货场去附近 设集中浴室，四季可在居住区设集中浴室。可能引起经皮肤吸收急性中毒的车间 一设事故淋浴。 （2） 更衣室：一级车间的存衣室，便服、工作服应分别存放。二级车间的存衣室，便 服、工作服可同室存放。三级车间的存衣室，便服、工作服可同室存放，存放室 和休息室和并设置。四级车间的存衣室和休息室和并设置，可在适当地点存放工 作服。易沾染经皮肤吸收的有毒气体的车间，设置洗衣房。陕西科技大学毕业设计62 厂址选择2.1 建厂依据根据各行业发展的需求，以及国际市场的需求，经省政府有关部门的批准，新建厂 的厂址拟选在陕西镇安。 新建厂的主要原料，由安徽省池州市金森矿业有限公司长期提供,该公司是中型硫 铁矿山企业， 公司地处 安徽省池州市刘街乡 ， 距长江码头 20 公里， 距铜陵火车站 65 公 里， 水路、 铁路运输方便。 硫铁矿资源丰富， 已探明地质储量 320 万吨， 工业储量 280 万 吨。2.2 指导方针（1）遵守国家的政策规定； （2）符合城市规划和工业布局； （3）利于生产，便于生活； （4）对环境不会造成威胁； （5）合理利用资源； （6）节约投资，留有余地。2.3 选厂经过厂址选择工作组 （又设计部门与工业局主管组成） 依据省市委指示， 经过多方磋商， 考虑到地势、交通、协作等问题，作为大型的化工原料生产基地，厂址定在陕西镇安。 主要理由如下： （1）本化工厂是危险系数较大的化工厂，必须要远离城市，以免有产品外泄，给 环境造成不可挽回的破坏，且本厂对环境有一定的污染，主要为空气污染，在厂的周围 有大面积的森林，防止酸雨产生。 （2）工业布局符合安全环境保护要求，地势平整，减少了三通一平的工作量， 且排水良好； （3）有可靠的供电网，输、供电系统； （4）厂址附近有丰富的劳动力资源，有充足的施工力量、建筑材料供应，有充足 的施工、设备组装、堆放场地。 （5）厂址周围交通便利，靠近铁路，有利于原料的运输。年产 10 万吨硫酸工厂设计72.4 环境保护及废物处理随着世界特别是我国环境的明显恶化，国民的环境保护意识逐步提高，为了我们生 存环境，为了我们自己，为了我们的子孙后代，必须保护环境。对污染源、废水、废气、 废渣、噪音粉尘烟等的具体防止和处理方法主要依据《环境保护法》及相应的可行性研 究、环保报告和初审意见来确定。陕西科技大学毕业设计83 工艺流程的选择和简介3.1 硫酸生产的原料生产硫酸的原料主要有硫磺、硫铁矿、硫酸盐及含硫工业废物。 硫磺是理想原料(含硫 99.5%)，原料纯，流程简单、投资少、成本低。世界上天然硫 矿主要分布在美、日、意、墨西哥等国。石油化工的发展，可从石油、天然气中回收硫。 硫铁矿是世界上大多数国家生产硫酸的主要原料。分有普通硫铁矿、浮选硫铁矿和 含煤硫铁矿。普通硫铁矿有金属光泽，呈金黄色，又称黄铁矿，是硫化物中分布最普遍 的矿物，含硫 25%-52%，含铁 35%-44%。浮选硫铁矿是浮选铜或锌、锡的废矿，又称 尾砂，其含硫量一般为 35%；煤硫铁矿一般含硫 35％--40%，含碳 10％--20%。 硫酸盐有石膏(CaSO4)芒硝(Na2SO4)和明矾石[KA13(OH)6(SO4)2]等，这些原料生产 硫酸，还可生产其它产品。如用石膏生产硫酸和水泥，芒硝生产硫酸、纯碱,明矾石生 产硫酸和钾肥。 含硫废物指冶金厂、石油炼制副产气及低品位燃料燃烧废气中的 S02，炼焦的焦炉 气和合成氨厂半水煤气中的 H2S，及金属加工的酸洗液、炼厂的废酸与废渣。 采用哪种原料生产硫酸，取决于原料的来源和价格。我国 1997 年硫酸，以硫铁矿 制酸占 71.52%，冶炼烟气占 21.53%，硫磺占 5.44%，石膏占 1.2%。3.2 硫酸生产的方法硫酸的制造始于 10 世纪的阿拉伯炼金术者，方法是干馏绿矾(FeSO4?7H2O)，得到 的硫酸称为矾油。15 世纪，用硫磺和硝石混合燃烧，借助氮氧化物的作用将二氧化硫 氧化成酸(硝化法)出现。18 世纪，英国在玻璃容器中实现间歇批量生产；推出铅室取 代玻璃瓶的(铅室法) 。20 世纪，瓷环填料塔的开发成功(塔式法)，使该法生产能力大 大提高，成为硫酸生产的里程碑。 借助固体催化剂的表面活性将二氧化硫氧化生产硫酸的接触法制硫酸的方法，于 1831 年提出，在 20 世纪初，随二氧化硫净化工艺开发成功，形成了工业规模。20 世纪 40 年代，钒催化剂的出现，促进了接触法的发展。接触法产品质量纯，取代了硝化法。 现在世界上 98％以上的硫酸由该法生产。3.3 工艺流程的选择（1）原料：普通硫铁矿，部分制氨工艺副产品 （2）生产方法：采用接触法，可制得任意浓度的硫酸，不同浓度的发烟酸。该法操 作简单、稳定、热能利用率高、生产的硫酸质量纯。年产 10 万吨硫酸工厂设计9（3）基本原理：在催化剂存在下，以空气中的氧气氧化二氧化硫，反应方程如下：4FeS2+11O2 2SO2+O2 2Fe2O3+8SO2 2SO3SO3+H2OH2SO4反应用 V2O5作催化剂 （4）生产流程：硫铁矿硫铁矿的破 碎与筛分硫铁矿的 焙烧二 氧 化 硫炉 气的净化尾气 制酸三氧化硫 的吸收二 氧化 硫的 催化氧化3.4 工艺流程的简介3.4.1 硫铁矿的预处理 硫铁矿主要成分 FeS2，还含有铜、锌、铅、砷、镍、钻、硒等的硫化物和氟、钙、 镁的碳酸盐和硫酸盐及少量的银、金等。硫铁矿含硫量为 30-50%，25％以下则为贫矿。 含硫越高，焙烧时放出热量越大。硫铁矿的粒度影响焙烧反应速率和脱硫程度，还关系 到焙烧的操作状态。 块状硫铁矿和含煤硫铁矿需破碎和筛分。大矿石破碎至 35―45mm 以下，再细碎， 使碎粒小于 3―6mm，送入料仓或焙烧炉。 3.4.2 硫铁矿的焙烧 ①焙烧原理 硫铁矿在焙烧中发生化学反应,主要生成 SO2 炉气,过程分为两步：首先FeS2 分解2FeS2 ? 2FeS ? S2 ? ?Q然后是分解物氧化S2 ? 2O2 ? 2SO2 ? Q 4FeS ? 7O2 ? 2Fe2O3 ? 4SO2 ? Q陕西科技大学毕业设计10总的反应方程式：4FeS2 ? 11O2 ? 2Fe2O3 ? 8SO2 ? 3411kJ焙烧过程的副反应：部分 SO2 与炉渣(Fe2O3)被氧化为 SO3；钙、镁的碳酸盐分解为 相应的氧化物，与 SO3 作用生成硫酸盐；铜、锌、硒、砷等的硫化物生成相应的氧化物， SeO2)和 As2O3；氟则生成氟化物。 焙烧时放出大量热，除设备的热损失，加热炉气和矿渣及蒸发矿石中的水消耗热。 ②焙烧操作条件 a．温度 提高温度有利于增大 O2 通过氧化层的扩散速率，可加快 FeS 焙烧速率， 提高 FeS2 分解速率。但温度太高，使矿料熔融，引起炉内结疤，破坏了炉内正常操作。 焙烧温度控制在 850―950℃。 b．矿粒度 矿粒度决定气固相接触表面积和 O2 通过氧化铁层的扩散阻力。矿粒度 小，接触面积越大，O2 易扩散到矿粒内部，提高焙烧反应速率。矿粒度小会导致炉气 含矿尘多，给净化带来困难。 c．氧浓度 O2 浓度增加，可加快 O2 通过矿粒表面氧化铁层的扩散速度，提高硫 铁矿焙烧速率。氧浓度过高，生成的 SO2 在 Fe2O3 的催化作用下变为 SO3，生成的酸雾 多，加重净化负荷。 3.4.3 炉气净化 净化的目的和指标 硫铁矿中 As、 、 等元素在焙烧过程中以 As2O3 Se F、SeO2、HF的形态存在。As2O3 和 SeO2 使催化剂中毒而失活；HF 腐蚀设备衬里和瓷环，造成催化 剂粉化。炉气夹带的细小矿尘会堵塞孔道，增大阻力，降低催化剂活性。高温时以气体 的金属氧化物存在的矿尘，在降温后凝固于除尘器上形成结瘤，难清除。炉气中的水蒸 气与 SO2 形成酸雾，腐蚀管道和设备，难吸收，产酸率下降，污染大气。 工艺流程不同，净化指标有所差别，我国规定的标准(mg?m-3)如下： 水分＜100；尘＜2；砷＜5；氟＜10；酸雾：一级降雾＜35，二级电降雾＜5。 3.4.4 SO2 催化氧化 主要在转化器中，以 S101 为催化剂，将 SO2 转化为 SO3 ，主要采用二转二吸流程， 炉气经 3 热交换器预热到 430℃左右，进入转化器第 1 段催化剂层，转化后气体经 I 换 热器冷却后进第 II 段转化，依次类推。通过 Ill 段转化后，转化率达 95％，经 3 换热器 冷却后送去第一吸收塔吸收。吸收后的气体经除沫器，再送到 4、2 换热器加热后，到 420℃左右进入第 IV 段催化剂进行二次转化。 转化后的气体经 4 换热器冷却后， 送去第 二吸收塔吸收。 该流程的优点是转化率高 (达 99．5％)，减少了污染，缺点是两次预热炉气，需传热年产 10 万吨硫酸工厂设计11面积大；不适于 SO2 浓度低的炉气，因为转化时放热量太少，难于保持热平衡。 3.4.5 SO3 的吸收SO3 的吸收收成酸是用硫酸水溶液吸收 SO3。SO3 溶解在溶液中，与所含的水化合生成硫酸： nSO3＋H2O＝H2SO4＋(n-l)SO3＋Q 当 n＞1 时，生成发烟硫酸；n―1 时，生成无水硫酸；n＜1 时生成含水硫酸。生产 中用浓度为 98.3％的酸来吸收，效果最好，过低过高都会使操作恶化。 浓度低于 98.3％的硫酸，液面上水蒸气分压大。浓度越低，水蒸气分压越大。SO3 气体和水蒸气迅速结合成硫酸分子，生成的硫酸分子来不及溶解于水中，绝大部分随不 溶性气体(占转化气约 90％)一起逸出。不能用水或稀硫酸来吸收。 浓度高于 98.3％的硫酸，SO3 蒸气压较大。浓度越高，SO3 蒸气压越大，吸收推动 力越小。吸收速率低。只有浓度为 98.3％的硫酸，在任何温度下，总蒸气压最小，是 理想的吸收剂。 吸收 SO3 所用的硫酸，须严格控制浓度和温度。温度太高，硫酸中水分蒸发，与 SO3 气体形成酸雾，吸收率降低；温度过低，粘度增大，降低传质系数和吸收速率，吸 收酸温以 40―50℃为宜。 吸收塔用的是 98.3％的硫酸， 吸收 SO3 后浓度越来越高。 为了维持酸的浓度不变， 向 93％的酸槽中添加 98.3％的硫酸；向 98.3％的酸槽中添加 93％的硫酸。3.5 硫酸生产三废治理、能量回收利用3.5.1 三废治理 废渣主要是硫铁矿焙烧后的矿渣， 含有氧化铁和残余的硫化亚铁， 以及少量铜、 铅、 锌、砷和微量元素钴，硒、锌、锗、银、金等。当矿含硫 25％－35％时，生产 1t 硫酸 /0.7～1t 矿渣。矿渣占耕地，氧化成水溶性硫酸铁，污染水体。废水主要是冷却水， 除含硫酸外，还含有砷、氟的化合物和贵重金属。酸度严重影响水生物生命，砷则为剧 毒物质，氟会影响人体骨骼及牙齿。生产 1t 硫酸/ 10－15 t 废水。废气主要是吸收后 排放尾气，含有少量 SO2、SO3 以酸雾和水蒸气。 为保护环境，对三废处理，我国硫酸三废排放标准 GB8978―88 规定，排放烟筒高 30m 时，SO2 排放量不超过 34kg/h，酸雾 260mg?m-3；废水最高允许浓度(mg?L-1)为：硫 化物 1.0，砷 0.5，铅 1.0，锌 5.0，铜 2.0，汞 0.05，氟 20。 废渣的综合利用的主要途径有：①用作生产含铁水泥；②作为炼铁原料；③用于 提炼有色金属及贵金属；④作石油钻井用的钒土液加重剂；⑤制砖、铺路等。 废水治理大都采用石灰乳中和处理。 中和污水、 与污水中砷、 氟起反应生成沉淀外，陕西科技大学毕业设计12与酸泥中的铁离子生成氢氧化铁。再经过活性炭吸附法、离子交换法或其它物理化学方 法处理，便可排放。 减少尾气中的 SO2 和 SO3 是提高转化率和吸收率，采用二转二吸流程，SO2 转化率 99.5％，尾气中 SO2 降到 100～200ug?g-1。如国外采用加压法转化，操作压力 2MPa， 总转化率达 99.97％，尾气 SO2 仅 30ug?g-1。 尾气回收方法很多，例如用氨水吸收 SO2，副产生亚硫酸铵，供纸厂代替烧碱制造 纸浆。 3.5.2 能量利用 硫酸生产过程中的三个化学反应都有热量放出。以硫铁矿为原料制酸为例，每生 产 1t 100％硫酸， 焙烧放热 4． ×106 kJ， 2 氧化放热 1×106KJ， 4 SO 干燥和吸收放热 1.8 ×106kJ，共计 7.2 ×106kJ，折合 200 度电。 大型硫酸厂， 广泛地用副产高压蒸汽发电。 2 氧化反应温度为 400℃， SO 若原料中砷、 氟较少，可用副产蒸汽发电。干燥和吸收过程温位较低(120℃)，目前很少利用。实际 上，硫酸生产的热量回收利用水平还很低，仅为 27.7kJ／t(硫酸)。年产 10 万吨硫酸工厂设计134 工艺计算及设备选型4.1 焙烧工序的工艺计算4.1.1 焙烧工序物料衡算： 计算依据: ①反应方程式： 4FeS2 ? 11O2 ? 8SO2 ? 2Fe2O3 ② 炉气中 SO2 的体积含量： 12%SO3 的体积含量： 0.3%水的含量： 8.09% 干矿中硫的含量： 40%CO2 的体积含量： 0.67%③矿渣中硫的含量： 0.8% （1）炉气的的组成： ④ ?净化 ? 99% ， ?转化 ? 99% ， ?吸收 ? 99.95%焙烧硫铁矿所需的氧气来自空气，空气作为焙烧介质，由于空气中的氧主要消耗于 生成 SO2 和氧化铁矿渣，而氮及其他气体直接进入炉气，计算方法是做氧平衡． 设： m 代表参加反应的氧分子数与反应生成的 SO2 分子数之比；n 代表空气中氧的含量（体积分数） C( 2 代表炉气中 O2 的含量， % （体积分数） O )C( C(S2 O S3 O代表炉气中 SO2 的含量， % （体积分数） ) 代表炉气中 SO3 的含量， % （体积分数） )计算以干矿石为基准，若无 SO3 生成时，对于生成 100 体积的干炉气需要空气量：100 ? C(SO2 ) ? mC(SO2 )则加入空气中的氧气量为：n (100 ? C (SO2 ) ? mC(SO2 ) ) 100 n ?100 ? (m ? 1)C (SO2 ) ? ? ? 100 ?由此可知，炉气中反应剩余的氧含量：C(O 2 ) ? n ?100 ? (m ? 1)C(SO 2 ) ? ? mC(SO 2 ) 100? n(m ? 1) ? ?n?? ? m ? C(SO 2 ) ? 100 ?如果炉气中有 SO3 存在时,炉气中的氧含量为：陕西科技大学毕业设计14m(m '? 1) ? ? n(m ? 1) ? ? C(O 2 ) ? n ? ? ? m ? C(SO 2 ) ? ?m '? C(SO3 ) 100 ? ? 100 ? ? ?式中： m ' 代表参加反应的 O2 分子数与生成的 SO3 分子数之比m ' ? m ? 0.5以空气为焙烧介质： 则反应后炉气中氧含量：m?11 ? 1.375 821? 0.875 ? ? 21? 0.375 ? ? C(O 2 ) ? 21 ? ? ? 1.375? ?12 ? ?1.875 ? ? 0.3 ? 4.88 100 ? ? 100 ? ? ?所以炉气中 C(O2 ) ? 4.88 （2）烧渣量的计算： 烧渣的组成：①反应生成的氧化铁 ②矿石中不可燃烧的部分 ③未完全燃烧的硫化物 设矿渣中未燃烧的硫以 FeS 的形式存在，反应生成的氧化物为 Fe2O3 在 100kg 硫铁矿中含 FeS2 ：P? 120 ? 1.875kg 64式中： P ―干矿中的硫含量， % 在 100kg 硫铁矿中含 FeS ：q? 88 ? 2.75qkg 32设 X 代表矿渣产率，则由 100kg 硫铁矿所得的矿渣中，含 2.75qXkg FeS ，这相当于3.75qXkg FeS2 其余部分等于 1.875P ? 3.75qXkg ， 并以 Fe2O3 的形式转入炉渣中， 2O3 的 Fe质量为 1.25P ? 2.5qXkg ，因此，有 100kg 干硫铁矿可得：FeS2.75qX100 1.875X ?Fe2O3 1.25P ? 2.5qX脉石等 所以,矿渣总质量等于上述三项之和：100X ? 100 ? 0.625P ? 0.25qX所以矿渣率等于：X? 100 ? 0.625P 100 ? 0.25qkg 矿渣 k矿石 g有已知 P=40, q 取 0.8年产 10 万吨硫酸工厂设计15∴X ? 矿渣中各种物料组成：100 ? 0.625P ? 74.85 100 ? 0.25q表 4-1矿渣的组成FeS 2.2%Fe2O364.8%脉石等33%（3）硫铁矿中硫的烧出率：?烧 ? p ? X?q ? 100% p 40 ? 0.8 ? 74.85 ? ?100% 40 ? 98.5%（4）炉气的体积及燃烧所需空气量 若按生产 1000kg 酸为基准，所需炉气的体积V(炉气) ?? ? 22.4 ? ? 98 ??总? C(SO 2 )22860 ?? 总?C( S 2 O3)? 1795.1m / hV (空气) ?2 ? (m ? 1)C(SO 2 ) ? ? ??总?C(SO 2 ) ? 100 ? ??100 ? (1.375 ? 1) ?12 ? ? 1795.1? ? ? 100 ? ? 3 ? 2063.9m /1000kg酸式中 ??总? ? ?烧 ? ?净化 ? ?转化 ? ?吸收? 98.5% ? 99% ? 99% ? 99.5% ? 96.4%每小时产酸量： 13.9 吨,圆整后取 14 吨 ∴炉气产量： 14 ?1975.1 ? 27440m3 / h 空气用量： 14 ? 2063.9 ? 28675m3 / h 炉气组成物料表如下：陕西科技大学毕业设计16表 4-2 炉气组成物料表名称1 2 3kg / hV / m3Kmol / hmol%g / m3― ― ― ― ― ― 423 423SO2 O2 SO3 N2 H 2O CO2矿尘 合计4
363 ― 392759.1 82.3 9.9 183.8 ― 27440150.6 60 3.7 907.9 91.3 8.25 ― 122212 4.88 0.3 74.06 8.09 0.67 ― 10045 6 7电除尘器出口物料表如下：表 4-3 电除尘器出口物料表名称1kg / hV / m3Kmol / hmol%g / m3― ― ― ― ― ― 8 8SO2 O2 SO3 N2 H 2O CO2矿尘 合计4
363 ― 39229.3 5.5 183.9 ― 27440150 58.8 3.7 907.9 92.7 8.25 ― 1221.3511.95 4.8 0.3 74.06 8.22 0.67 ― 10023 4 56 74.1.2 焙烧工序热量衡算： （1）对沸腾焙烧炉进行热量衡算。 计算依据：硫铁矿含硫 40% （湿基）含水量 5% 矿渣中含硫量为 0.8% 硫的总利用率为 96.49% 矿渣烧出温度为 500 ℃ 依据盖斯定律，按下步骤进行： 烧出的 SO2 浓度 12% 炉子散热为总收入的 4% 空气相对湿度 60% 空气及矿石进料温度均为 25 ℃矿尘从炉子里带出量占总矿渣量的 60%年产 10 万吨硫酸工厂设计17式中： t 1 ―矿石及空气入炉时的温度，℃t 2 ―烧渣及炉气出炉时的温度，℃ t 0 ―热衡算基准温度，℃由盖斯定律知： ?H ? ?H1 ? ?H2 ? ?HRt 1 定为 25℃① ?H1 的计算t 2 定为 50℃对于干矿石与空气从 t 1 变化到 t 0 ，仅有显热变化，但物料除干矿石和干空气外， 还需考虑矿中水分及空气中的水分，其热效应为：?H1 ? ? mi Cpi (t 0 ? t1 )i ?1 4式中： mi ―分别代表干矿石、干空气、矿中水、及空气中水的物料量，kgCpi ―上述四种物料在 t0―t1 温度范围内的平均热容，kJ/(kg. ℃)m( 矿中水) ? 21748.4 ? 5% ? 1087kg m(干矿) ? 21748.4 ? (1 ? 95%) ? 21096kg由空气相对湿度为 60%，查得湿空气的 H―I 图得： 空气含水量为 0.015kg 水/kg 绝干气 m (空气水 ) ? 2 ? 0.015 ? 556kgm (空气) ? 2 ? 556 ? 36521kg∴由手册查得各种物料的比热为： Cp 水=4.178 Cp 矿石=0.54 Cp 空气=1.009 Cp 矿渣=0.96?H1 ? ?(1087 ? 556) ? 4.178 ?
? 21096 ? 0.543? ?(50 ? 25) ? 1.37 ?106 kJ② ?H R 的计算：陕西科技大学毕业设计18?HR ? m矿 ? ?H?t0 ? m水 ? ?H?r式中： m 矿 ―矿石中 FeS2 量，kg?H?t0 ―矿石中每千克 FeS2 在 t0 温度下反应热焓，KJ/kg m 水 ―矿石及空气中水分之和，kg ?H?r ―每千克水在 t0 温度下等压汽化潜热，KJ/kg按热力学定义， ?H?t0 ? 0 ， ?H?r ? 0?H R ? m矿 ? ?H? t 0 ? m水 ? ?H? r 72.5 ?1000 ? (?3310.08) ? (1087 ? 330) ?
? ?6.3 ?106 kJ ?③ ?H2 的计算： 对于炉气及烧渣而言,包括 N2、O2 、SO2 、SO3、水、矿渣、矿尘六个组分?H 2 ? ? mi CPi (t 2 ? t 0 )i ?1 6计算基准： 1h 的进气量 在转化器一、二、三段反应掉的 SO2 为：VSO2 ? V3 ? ? 2(SO2 ) ? ?1转化 ? V3 ? ? 2(SO2 ) ? (1 ? ?1转化 ) ? ?2转化 ? V3 ? ? 2(SO2 ) ? (1 ? ?1转化 ) ? (1 ? ?2转化 ) ? ?3转化 ? 47990 ? 7.0% ? 70% ? 47990 ? 7.0% ? 30% ? 85% ?47990 ? 7.0% ? 30% ?15% ? 92% ? 在转化器一、二、三段消耗的 O2 为：1 1 VO2 ? ? VSO2 ? ? 3347.20 ?
2 2产生的 SO3 ：VSO3 ? VSO2 ? 则去转化器四段的 SO2 量为：V3 ? 7.0% ? VSO2 ? 47990 ? 7.0% ? 3347.20 ? 12.1m3产生的 SO3 气体量为：V4SO3 ? 12.1??4转化 ? 12.1? 95% ? 11.50m3消耗的 O2 量为：1 V4O2 ? ? V4SO3 ? 5.75m3 2未反应掉的 SO2 量为：12.10 ? 11.50 ? 0.6m3年产 10 万吨硫酸工厂设计19(2)570 ℃时 KP ? 14.9 , P ? 1.1atm 代入(2)得X ? 14.9 0.117 ? 0.035X (1 ? X) 1.1 1 ? 0.035X用试差法求得： X ? 0.815 即平衡转化率为： 81.5% 平衡产物组成为： molSO2 ： 0.07 ? (1 ? 0.815) ? 0.013mol O2 ： 0.117 ? 0.035 ? 0.815 ? 0.0885mol SO3 ： 0.07 ? 0.815 ? 0.0571mol N 2 ： 0.8092mol CO2 ： 0.0038mol总计： 0.9716mol 则各种气体组分的平衡 mol% ：SO2 ： 1.42% ； SO3 ： 5.88% ；4.3.4 转化器的工艺计算 催化剂床层的直径和高度：O2 ： 9.11% ； N 2 ： 83.29% ； CO2 ： 0.3%计算依据：催化剂床层填料的体积 62m 3 ，最适宜的气体线速度以操作状况下的的空塔 线速度表示， 3.2m / s ，处理气量 47990m3 / h 转化塔内件是圆柱形容器，催化剂床层的直径和高度一般由催化剂的体积决定。 根据处理气量和空塔线速度可以计算催化剂床层直径： 即： D ? 圆整为 2.5m 式中： D ―催化剂床直径， m ；V ―处理气量， m3 / h ；V 47990 ? ? 2.3m 0.785W 0.785 ? 3600 ? 3.2W ―操作状态下的空塔气速， m / h由催化剂体积计算催化剂床层高度：H? Vk 62 ? ? 12.6m 取 H ? 13m 2 0.785D 0.785 ? 2.52由上式计算得到的直径和高度经调整后，进行催化剂床阻力校核，一般合成 塔高径比在 5 ? 8 范围内。陕西科技大学毕业设计20H 13 ? ? 5.2 D 2.5经校核合成塔高径比在 5―8 范围内。 4.3.5 换热器的工艺计算 （1）Ⅰ换热器的工艺计算 热气体进口温度： 579 ℃ 冷气体进口温度： 220 ℃ 热流量： 6kg / s 出口温度： 450 ℃ 出口温度： 435 ℃换热器由 ? 25mm ? 2.5mm 的管组成气体的平均比热： 0.725KJ / kg ?? C 由于管内外侧气体组成和空气比较接近， ? 近似取空气值，所以 管内侧气体的 ?i 为 50W / m2 ? ? C ,管外侧气体的 ?o 取 50W / m2 ? ? C 钢的 ? 为 45W / m ? ? C 由《物化手册》查得气体的污垢热阻 Rsi ? 0.5 ?10?3 m2 ? ? C/ W ，且近似认为R si ? R so由d d bd 1 1 o ? o ? Rs i o ? ? R s? o k0 ? d i d i ?d m ? i?o0.025 0.025 0.0025 ? 0.025 1 ? 0.5 ? 10?3 ? ? 0.5 ? 10?3 ? 50 ? 0.02 0.02 45 ? 0. ? ? 0.0462m ? C / W∴ k0 ? 21.6W/ m2 ??C 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即 S ?Q ，换热器的传热量为： k 0 ?t mQ ? Wh Cph (T1 ? T2 ) ? 6 ? 0.725?103 (579 ? 450) ? 561KW?t m ? ?t 2 ? ?t1 (579 ? 450) ? (435 ? 220) ? ? 43.8 ? C ?t 2 579 ? 450 ln ln 435 ? 220 ?t1S?Q 561?103 ? ? 593m2 k 0 ?t m 21.6 ?13.8所以Ⅰ换热器的传热面积为 593m 2 （2）Ⅱ换热器工艺计算 热气体进口温度： 476 ℃ 冷气体进口温度： 265 ℃ 热流量： 9kg / s 出口温度： 440 ℃ 出口温度： 435 ℃换热器由 ? 25mm ? 2.5mm 的管组成其它条件与Ⅰ换热器近似相同，气体组成没有发生大的变化，总的传热系数参考Ⅰ年产 10 万吨硫酸工厂设计21换热器的总传热系数 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即 S ?Q ，换热器的传热量为： k 0 ?t mQ ? Wh Cph (T1 ? T2 ) ? 9 ? 0.725 ?103 (476 ? 440) ? 234.9KW?t m ? ?t 2 ? ?t1 (476 ? 440) ? (435 ? 265) ? ? 89 ? C ?t 2 476 ? 440 ln ln 435 ? 265 ?t1S?Q 234.9 ?103 ? ? 127m2 k 0 ?t m 21.6 ? 89所以Ⅱ换热器的传热面积为 127m2 （3）Ⅲ换热器工艺计算 热气体进口温度： 473 ℃ 冷气体进口温度： 60 ℃ 热流量： 9kg / s 换热器的总传热系数 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即 S ?Q ，换热器的传热量为： k 0 ?t m出口温度： 140 ℃ 出口温度： 265 ℃换热器由 ? 25mm ? 2.5mm 的管组成其它条件与Ⅰ换热器近似相同，气体组成没有发生大的变化，总的传热系数参考ⅠQ ? WhCph (T1 ? T2 ) ? 9 ? 0.725 ?103 (473 ?140) ? 2172.8KW?t m ? ?t 2 ? ?t1 (473 ? 140) ? (265 ? 60) ? ? 263.9 ? C ?t 2 473 ? 140 ln ln 265 ? 60 ?t1S?Q 3 ? ? 382m2 k 0 ?t m 21.6 ? 263.9所以Ⅲ换热器的传热面积为 382m 2 （4）Ⅳ换热器工艺计算 热气体进口温度： 461 ℃ 冷气体进口温度： 70 ℃ 热流量： 6kg / s 换热器的总传热系数 换热器传热面积可根据传热速率方程求得，即 S ?Q ，换热器的传热量为： k 0 ?t m出口温度： 140 ℃ 出口温度： 220 ℃换热器由 ? 25mm ? 2.5mm 的管组成其它条件与Ⅰ换热器近似相同，气体组成没有发生大的变化，总的传热系数参考ⅠQ ? Wh Cph (T1 ? T2 ) ? 6 ? 0.725 ?103 (461 ?140) ? 1396.35KW陕西科技大学毕业设计22?t m ??t 2 ? ?t1 (461 ? 140) ? (220 ? 70) ? ? 225 ? C ?t 2 461 ? 140 ln ln 220 ? 70 ?t1S?Q 3 ? ? 288m2 k 0 ?t m 21.6 ? 225所以Ⅳ换热器的传热面积为 288m 2 换热器的选型：选用固定管板式换热器表 4-11 换热器选型计算换 换热器 名称 Ⅰ换热器 Ⅱ换热器 Ⅲ换热器 Ⅳ换热器 公称直 mm 0 公称直 MPa 1.6 1.6 1.6 1 1 1 管程数 N 管子 根数 n 5 39 27 37 中心排 管数 管程流通 面积 Φ25×2.5 0.0 0.3501 热面积 换热管 长度 602.6m2 m2 m2 .6 1 605 27 0.m2 6000m 径（DN） 径（PN）4.4 吸收工序的工艺计算4.4.1 吸收工序物料衡算： （1）Ⅰ吸塔物料衡算：年产 10 万吨硫酸工厂设计23计算依据：来自转化塔三段的气体组成为：?3(SO3 ) ? 7.22%?3(O2 ) ? 8.51%转化塔三段出口气体流量：?3 ( 2 ? 8 3 . 8 5 % N )?3 ( C2O ?)0 . 3 9 %?3 ( S2O ?)0 . 0 3 %V ' ?
/ h3 V (' S 3O ? 3 3 4 7 . 2 0 m / )吸收塔总的吸收率： ?吸 ? 99.95% 各吸收塔的吸收率分别为： ?1吸 ? 84.80% 去转化器四段进口气体流量：?2吸 ? 57%V ' ? 4 2 9 7 0 .3 8 6 m / h '设其它气体的量在吸收过程中不变，在吸收塔中吸收的 SO3 的量（体积流量）为V ''(SO3 ) ，未被吸收的 SO3 的量（体积流量）为 V ''1(SO3 ) ，每小时产生的 H2SO4（ 100% ）的量为 n1 ，气体的总体积变为 V '1 计算基准： 1h 的进气量 吸收的 SO3 量为：V''(SO3 ) ? V'(SO3 ) ??1吸 ? 3347.2 ? 84.80% ?
/ h V''1(SO3 ) ? V'(SO3 ) ? (1??1吸 ) ? 3347.2 ? (1? 84.80%) ? 508.54m3 / h则每小时产生的硫酸量为：n1 ? V ''(SO3) 22.4 ? 2838.66 ? 126.73kmol / h 22.4则气体的总体积 V '1 为：V'1 ? V'? V''(SO3 ) ? 46316.39 ? 2838.66 ? 43477.73去转化塔四段进口气体组成如下：陕西科技大学毕业设计24表 4-12 转化塔四段进口气体组成SO3体积含量 体积百分 比 （2）Ⅱ吸塔物料衡算:508.54 1.16%SO212.1N2.32%O2.07%CO2182.36 0.42%0.03%计算依据： 转化器四段出口气体流量： V'1 ?
/ h ， 各种气体的组成见上表。 设其它气体的量在吸收过程中不变，在吸收塔中吸收的 SO3 的量（体积流量）为?2吸 ? 57%V '''(SO3 ) ，未被吸收的 SO3 的量（体积流量）为 V''2(SO3 ) ，每小时产生的 H2SO4 （ 100% ）的量为 n 2 ，气体的总体积变为 V '2 计算基准： 1h 的进气量 吸收的 SO3 量为：V'''(SO3 ) ? 505.4 ??2吸 ? 505.4 ? 57% ? 228m3未被吸收的 SO3 量为：V''2(SO3 ) ? 505.4 ? (1??2吸 ) ? 505.4 ? (1? 57%) ? 217.4m3产生的硫酸量为：年产 10 万吨硫酸工厂设计25n2 ?V '''(SO3 ) 22.4?228 ? 13.86kmol 22.4尾气的体积变为：V'2 ? V'1 ? V'''(SO3 ) ? 43477.73 ? 228 ? 尾气中各种气体的含量及组成：表 4-13 尾气组成SO3体积含量 体积百分 比217.41.50%SO20.60.03%N238836.589.92%O23941.239.13%CO2182.360.42%4.4.2 混合器物料衡算： 计算依据： 93%H2SO4 和 98.6%H2SO4 混合成 98%的H2SO4 ，其流量为13.9 ?103 kg / h ，各溶液的另一组分为水衡算基准： 1 小时，以 W 表示各股物流的质量流量，其示意图如下：混合器总质量： W1 ? W2 ? W3 混合器水平衡： 7%W1 ? 1.4%W2 ? 2%W3 用 W3 ? 13.9 ?103 kg / h 代入上式解得： W1 ? 1489.3kg / h 其物料平衡表：表 4-14 混合器物料平衡表W2 ? 1 2 4 1 0 . 7 k g / h流股123陕西科技大学毕业设计2693%H2SO4组分98.6%H2SO4kg / h %(wt)98%H2SO4kg / h %(wt)kg / h%(wt)H2SO4 H 2O合计 1489.393 7 100 12410.798.6 1.4 10090098 2 1005 全厂总平面及车间设计5.1 总平面设计任务和步骤全厂平面设计为本设计的一项重要任务，总平面设计的是否合理，直接影响新建 厂能否节约而有效的顺利进行，影响到建厂后的生产，管理，成本，能耗等各个方面， 同时还影响到全厂的美观和今后的发展。 5.1.1 总平面设计任务 （1）在满足生产流程条件下，结合厂区地形情况，经济合理的安排场内外各建筑物、 构筑物p堆场等的相对位置； （2）经济合理的竖向布置，正确选择标高； 确定场内外运输方式p运输布置，合理组织人流p物流； （3）布置综合管线； （4）标高绿化美化，考虑卫生p消防条件，创造美好的工作条件。 5.1.2 工厂组织 （1）生产区 a 原料车间：包括原料库等； b 包装配套：检验包装等； （2）辅助车间：包括机修、动力、化验室等； （3）运输设施：包括道路广场等； （4）堆场和仓库：包括原料、燃料的露天堆场； （5）行政管理机构和福利区；年产 10 万吨硫酸工厂设计27（6）绿化及美化。5.2 总平面设计原则（1） 总平面布置首先必须满足生产要求， 以最大限度的保证生产作业线的连接、 短捷、 方便，从原料进厂到成品出厂，整个流程必须符合生产工艺要求，力求做到流程线路畅 通、连续、短捷、避免交叉进行 ，是各种物料的输送距离为最小。同时，应将水电汽 等公用工程耗量大的车间，尽量集中布置，已形成负荷中心与供应来源靠近，是各种公 用系统介质的工程管线减少和输送距离最短，达到节约能源。 （2） 要能够充分结合场地优势、地位、地貌等有利条件，因地制宜，紧凑布置，节约 土地，少占良田，少拆房屋，提高土地利用率。 （3） 大多数厂房，特别是主要生产车间的布置，应考虑到日照方位和主导风向，保证 自然通风，厂前区和防污染的车间放在上风向，产生粉尘、烟、热等的车间及易燃库布 置在下风向。 （4） 各车间之间注意满足防火、卫生等国家安全规定，各种厂房按性质分区集中。对 易燃易爆的各类储罐和由危险性的库房（油库、危险品库） ，应力求远离火源和人员往 来集中地，一般应布置在厂区边缘，主导风向的下风向以及地势较低的地段。 （5） 人流、物流各行其道，路线短捷，避免交叉。 （6） 综合管线统筹安排，防止干扰，力求管线短，拐弯少。 （7） 近期建设和远期发展相结合，主要生产车间留有适当的发展余地，但必须注意与 城市建设和地域总体规划相适应， 轻化工工厂变化较快， 综合利用较广， 加工深度较深， 大多数工艺流程更新快，这要求在设计实现留有较大的预留地，以满足工厂发展变化的 需要。 （8） 为示踪平面图具有建筑艺术性，厂房形状要规则简单，是道路径直，厂房中心线 保持垂直或平行。 （9） 采取各种措施，提高建筑系数和场地利用稀疏。建筑系数一般为 25%～40%，场 地利用系数一般为 50%～60%，这是总平面设计的主要技术经济指标。5.3 总平面布置评述（1） 生产区布置：主要生产区选择两层厂房，便于组织和运输及个工序的衔接，以便 于生产的自动化和流水线的组合。 （2） 辅助车间布置：以生产车间为中心，根据总平面布置原则，综合各种因素对各个 辅助车间布置如下： a 维修车间：远离厂区前，降低噪音污染，在主力生产车间附近，便于设备维修。 b 锅炉房：布置在用蒸汽较多的地方，且是主导风向的下风向。陕西科技大学毕业设计28c 变配电站：靠近电力负荷中心，缩短了电线路线，减少了投资，且在水处理车间 的上风向，煤堆场的平行风向。 d 水处理车间：靠近负荷中心，处理每日生产车间所需的工业用水，并提供部分生 活用水。 （3） 运输设备布置：车库油库均布置在主干道边缘，道路设计为主力干道，宽 12 米， 人行道每边各 1.5 米，此干道 6 米，车间引道 3～4 米，这样有利于消防和道路的改造。 （4） 堆场和仓库：布置在主导风向的下风向，置于厂区边缘，靠近主生产车间，且位 于主力干道边缘。这样有利于原料或产品的进厂和出厂，且有利于火灾发生时，消防车 的顺利到达出事地点。 （5） 行政管理机构和福利区：办公楼位于厂前区且位于主导风向的上风向。 （6） 绿化和美化区：本厂的绿化包括生产区p福利区的绿化带。既有专门的绿化区， 也有环绕厂房及其他建筑物的绿化带。绿化带以草坪为主，路旁加种树木。这样，可使 场区空气得以净化，噪音减小，美化和改善了环境的卫生条件，使本厂的小环境p小气 候得以明显改善。 综上所述，平面布置有以下几个特点： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 厂房建筑物的布置与生产工艺流程相适应。原料p半成品和成品形成整个顺序， 锅炉房p水泵房p配电站等辅助车间尽量靠近其主要部门，以缩短期间距离， 由前区到生产区主要干道，应避免与主要运输道路交叉； 尽量使大多数厂房向阳p背风p避免瓦斯等，尽可能使各厂区有条件采用自然 按防火规范的要求，保证建筑物之间的距离，符合规定； 根据卫生规范的要求，保证厂区内卫生符合规定； 根据环境发展的要求，生产区设在有废渣处理系统p废水处理系统p废气处理 考虑工厂今后的发展，在厂区留有建筑余地； 尽量做到以生产区为轴线，再考虑辅助车间p行政楼和道路的安排。 尽量保证流水作业，避免逆行和交叉； 节省投资；采光和自然通风等；系统等设施 ；另外 ，总平面布置图右上方会有风向玫瑰图，下方会有明细表等。本图采用 1：1000 的比例。5.4 车间布置设计的意义车间布置设计是工厂设计中重要环节，竟要符合工艺要求，又要经济实用，合理布 局。车间布局直接影响到项目建设的投资，建设后的生产运转正常，设备维修安全，以 及各项经济指标的完成。年产 10 万吨硫酸工厂设计295.5 车间布置设计的原则及方法车间布置设计的原则： （1）车间平面布置首先必须适合全厂总平面布置的要求，应尽可能使各车间的平面布 置在总体上达到协调，整齐，紧凑，美观，相互融合，浑为一体， （2）从生产需要出发，最大限度地满足生产，既要符合流程，满足生产，便于管理， 便于运输，利于设备的安装和维修。 （3）生产要安全，既要全面妥善的解决防火，防爆，防毒，防腐，卫生等方面的问题， 符合国家的有关规定。 （4）要考虑将来扩建及增建的余地，为今后生产发展，品种改革，技术改造提供方便。 车间布置设计的基本依据： 在进行工艺设备布置时应注意：第一，符合生产工艺要求。做到流程通畅，生产连 续正常。第二，符合设备安装检修要求。要考虑设备的安装、检修和拆卸的可能及其方 式方法。第三，符合安全要求。要创造良好的工作条件和环境。保证操作者的人身安全 和生产正常运行。 常用的设计规范和规定： a．建筑设计防火规范---GBJI6-87(2001 修订版)； b．化工企业安全卫生设计规定---HG20571-95； c．工业企业厂界噪音标准---GB2348-90 d．爆炸和火灾危险环境电力装置设计规定---GB50058-92。5.6 车间布置设计与评述5.6.1 关于平面布置方案 工厂车间布置方案一般有长方形型，L 型，T 型等数种。其中以长方形布置采用最 多，长方形布置的优点是施工方便，节约用地，有利于设备摆列，缩短管道，便于安排 交通和出入口，有较多可供自然采光和通风的墙面有利于今后发展。长方形布置适用于 中小型车间。 5.6.2 关于厂房形式 （1）厂房形式： 集中式或分散式厂房： 一般的轻化工工厂，由于生产规模限制，车间各工段联系频繁，生产特点无显著差 异，在符合建筑设计防火规范及工业企业设计卫生标准的前提下，结合建厂地区的具体 情况，可采用集中布置，生产规模较大，车间中各工段的生产特点有显著差异，集中布 置不利于生产管理和安全生产是时，要考虑分散布置。本厂生产规模中等，采用集中式 厂房。陕西科技大学毕业设计30单层或多层厂房： 一般情况下多层厂房占地少，但造价高，单层厂房占地多，但造价 低，在设计时 必须根据不同的工艺流程及其采用的设备以及场地的条件，对厂房提出不同的要求。本 厂根据生产流程以及设备的限制，设计成二层厂房。 （2）关于厂房的层高： 工厂厂房高低取决于设备的高低，安装的位置以及安全生产等条件，厂房层高应符 合建筑模数制的要求，即 0.3m 的倍数，一般工厂厂房的层高为 4~6m,采用框架或混合 结构的多层厂房，层高多采用 5.1、6m，最低不得低于 4.5m。本厂根据生产需要，采用 6m 的层高。 （3）关于厂房柱网和厂房宽度： a．厂房柱网：厂房柱网车间布置的设计有密切关系，就一般而言，跨距大小，层高都 会有变化，一般化工工厂多层厂房常采用×6*6m 的柱网，因为这样的跨度较经济。本 厂设计为 6*6m 的柱网。 b．厂房宽度：厂方宽度一般由以下几个方面所决定：各工艺设备所占厂房宽度之和， 各工艺设备沿厂房宽度方向间距之和，厂房内纵向通道之和及纵墙厚度，对多层厂房来 说，由于受到自然采光和通风的限制，其总宽度一般不超过 24m，单层厂房的总宽度不 宜超过 30m，一般车间的宽度常为 2~～3 跨。 本厂设计厂房宽度 18m，三跨。 5.5.3 车间设备布置 （1）保证工艺流程的畅通，既保证工艺流程在水平方向和竖直方向的连续性，以利于 生产的顺利进行。应充分利用高位差布置有压差的设备主要设备如反应器布置在中层， 贮槽布置在底层。相同的设备或同类的设备应尽可能布置在一起，如热交换器、泵。 （2）考虑合适的设备间距，设备间距过大，会增大建筑面积，拉长管道，从而增加建 筑和管道的投资，同时操作和管理都不方便，设备间距过小，虽可节省占地和投资，但 会带来操作，安装和维修的困难。 （3）满足生产方便操作，如彼此相连续的各工序的设备，应尽量配置靠近些，以缩短 联系他们之间的输送线，设备之间尽可能达到自动流送物流，这样可减少输送设备。 （4） 满足安装检修， 拆卸的要求， 一般厂房大门的宽度要比所需要过的设备宽度达 0.2m 左右，对二层楼或更高时的情况，一般应在楼板上设置吊装孔。 本厂厂房大门宽度设 计为 3.8m。 （5）考虑运输通道，如每排设备至少一侧要留有通道，大的室内设备在底层还要留有 移出通道， 并接近大门布置， 通道的宽窄取决于运输工具， 运输物件的外形尺寸及人流， 货流通过量。 （6）考虑物料的防火、防爆、防毒及噪音。噪音大的设备宜采用封闭的隔绝。对方热年产 10 万吨硫酸工厂设计31量大、有毒的工段，在室内应设置送风设备，以满足卫生标准。 （7）有剧烈震动的设备应布置在厂房的底层，其操作台和基础不得与建筑物的柱墙相 连。 （8）在厂房大门以及楼梯胖布置设备时要求不影响开门并确保人出入通畅。 5.5.4 车间辅助室和生活室布置 （1）生产规模不大的车间，多是将辅助室、生活室集中布置在车间中的一个区域内。 （2）生活室中的办公室、化验室、休息室已布置在南面房间，更衣室、厕所可布置在 厂房的北面。 （3）有毒的或者对卫生方面有特殊要求的工段必须设置专用的浴室。5.6 工艺流程设计5.6.1 工艺流程设计的重要性 （1）工艺流程设计是工厂设计最主要的内容。工艺流程设计的质量直接决定车间的生 产产品质量、生产能力、操作条件、安全生产、三废治理、经济效益等一系列根本性问 题。 （2）工艺流程设计是工艺设计的核心。在整个设计中，设备选型、工艺计算设备布置 等工作都与工艺设计有直接关系，只有工艺流程确定后，其他工作才可以展开。 5.6.2 工艺流程设计的原则 （1）先进性 工艺流程的首要条件是技术上的可行性和经济上的合理性。 技术上有尽可能先进才 可能有较大的竞争力。经济上主要考虑技术指标优良，原材料及能耗少，成本低，生产 安全，产品质量好。 （2）可靠性 可靠性指所选的工艺路线是否成熟可靠。要防止只考虑先进性，而忽视装置的可靠 性。所设计的工艺流程必须可靠即经过实验室、工业小试、中试，证明技术是成熟的， 生产安全可靠，才可以设计选用。 （3）结合国情，因地制宜 工艺流程的选择从技术角度来说， 应尽量采用新工艺、 新技术， 单从具体情况考虑， 并不必选择国外的先进的技术。因为国外的技术往往价格较高，技术保密性强，没有实 用价值。所以，结合实际，选择自己易于掌握和改进的技术要方便、实用。陕西科技大学毕业设计326 设计结果6.1 设计成果本次设计按照《毕业设计任务书》完成了教研室下达的任务。一共完成 1 号图纸 5 张、设计说明书 1 份和外文文献及翻译一份。6.2 图纸及比例A：工艺流程图 B：物料流程图 C：车间平面图 D：车间立面图 E：总平面布置图 一张 一张 一张 一张 一张 1：1 1：1 1：60 1：60 1：10006.3 主要设备的工艺参数（1）硫铁矿卸车设备 选用“C”型转子式翻车机，设备由我国大连重型机器厂生产，其主要参数如厂： 翻转周期 60s 车辆中心和回转中心距离 300 mm 驱动功率 37×2kw （2）破碎设备 最大回转角度 175° 端环直径 7.6m 翻车机重量 120 t年产 10 万吨硫酸工厂设计33针对原料硫铁矿及生产能力，可供选择的破碎设备有多种，如辊压机、圆锥破碎 机、旋盘破碎机和棒磨机等。同和矿业株式会社根据自己多年的生产经验，选择棒磨 机作为硫铁矿的破碎设备。该设备的特点是两端加料周边排料，破碎比大，排料粒度 均匀，运行可靠，并采用橡胶衬板以降低磨机噪音。棒磨机的主要性能参数如下： 筒体直径：3 000 mm 筒体转速：16. 5 r/min 筒体长度：4200mm 生产能力：l2l t/h(干基)(进料粒度 40 mm 、出料粒度 3 mm 的量大于 90% ) （3）沸腾焙烧炉 沸腾焙烧炉为一次扩大型，由圆柱形底部、锥形中部、扩大的圆柱形上部及锥形 风室组成。炉壳由碳钢制造，内衬黏土质耐火砖和硅藻土保温砖。硫铁矿分三个加料 点，通过星型给料器密闭加人炉内前室(扩大的圆柱形段)，加料点间夹角为 105℃。设 置的燃油升温系统由燃油烧嘴、点火烧嘴、点火器、火焰监控器、自控系统及供油、 供气工艺管线、阀门组成。炉内设置的冷却管换热面积 146m2 ,循环方式为强制循环。 冷却管材质为 ASTM A 一 214,表面衬 22Cr12Ni 耐磨材料。其主要工艺参数如下： 生产能力：1 200 t /h ( 100%硫酸 ) 沸腾层截面积：60 m2 沸腾层温度：800―850℃ 炉气出口温度：≈900℃ 炉气量：27440m3 /h(湿基，标准状况) （4）洗涤塔(空塔) 操作压力：-1.4kPa 塔高：～4800mm （5）冷却塔（填料塔） 操作压力：-3.9kPa 塔高：～3850mm （6）干吸塔 壳体直径：1800mm 和 1900mm 壳体材质：炭钢内衬耐酸砖 填料：人型球拱支撑异鞍填料 干燥塔：50mm 填料 4.5m 吸收塔：50mm 填料 3.5m 75mm 填料 1.0m 操作温度（进口） ：63℃ 壳体直径：1300mm 操作温度（进/出） ：350/63℃ 壳体直径：1700mm壳体材质：炭钢内衬橡胶板、耐酸砖壳体材质：玻璃钢内衬聚丙烯陕西科技大学毕业设计34采用铸铁管式分酸器，并分别设网丝除雾器、足式除雾器 （7）转化器 转化器为带中心支柱的全钢制反应器，四段催化剂床层自上而下呈 1 ,2,3,4 排列。 它包括中心支撑柱、壳体、锥形顶盖、底板及催化剂层，每段床层由隔板隔开。因第二 层与第三层之间压差较大，隔板采用带梁支撑的平板结构，其他层间采用弧形隔板。隔 板和壳体采用焊接，以避免各床层之间发生窜气，提高转化率。 本设计的特点是根据不同的操作温度选择转化器各层的材质。 顶盖和温度较低的第 四床层材料为碳钢内表面喷铝，第一、二、三床层材料为 0Cr18Ni9 不锈钢。合理选材 克服了因高温产生的变形和漏气，同时也消除了高温下碳钢生成氧化皮脱落而污 染、堵塞催化剂层。其工艺参数如下： 转化率：≥99.5% 介质：SO2/SO3 操作压力：9.3～32.3 kPa 催化剂装填量：62m3 (S101) 操作温度：430～590℃年产 10 万吨硫酸工厂设计35总 结通过近三个月的毕业设计，在孙永会老师指导下和自己的努力下，已基本圆满完成 设计任务：年产 10 万吨硫酸工厂设计，设计成果为图纸 5 张和设计说明书 1 份。 本次毕业设计是一个复习与提高、理论与实际相结合的过程，综合运用了所学的理 论知识和实习积累的知识，缩小了理论与实践之间的距离，同时提高了自己对理论知识 的理解。 在设计过程中，学习并掌握了查阅文献资料、数据、控理分析资料数据以及编写文 件等技能。 基本上了解了硫酸工厂设计的基本内容和方法，以及物料、能量衡算、设备选型等 内容。培养了科学的工作方法，循序渐进，思路清晰，同时又反复设计，不断提高，以 求精益求精，提高了独立思考与科学分析问题的能力。达到了解决专业范围内一般技术 问题的训练。 本设计的题目是《年产 10 万吨硫酸工厂设计》 ，重点对各工序进行了物料衡算和能 量衡算及设备选型。在本次设计中，始终贯彻了党和政府的方针政策，遵循国家工业企 业设计规范，并体现出技术先进，经营管理，符合国情的设计原则。 设计的顺利进行乃至完成，与各位老师的热情、耐心的辅导是分不开的。在此， 对各位老师表示中心的感谢，并真心预祝各位老师工作顺利，万事如意!陕西科技大学毕业设计36致 谢在本次设计中，从搜集资料到最后的设计完成，都经过了孙永会等老师的悉心帮助 和指导，历时三个多月，终于圆满完成。 通过本次设计，学习并掌握了许多工厂设计必备的知识，为以后的学习和工作打下 了良好的基础，并深深地感到要完成一个良好的工厂设计方案，不仅要求工艺设计人员 要具备广阔的工艺知识及其他专业的基础知识， 而且与其他人员的互助协助也是分不开 的。 本次设计从开始到结束，各位老师都是热心辅导，毫无保留的把知识传给我们，并 认真谨慎的总结了其他毕业生设计中存在的各类问题， 对我们存在的疑难提供大量的帮 助信息，并耐心与我们共同探讨解决，力求取得设计的合理性，可行性。 设计的进行以至完成，与各位老师的热情耐心辅导是分不开的，在此，对各位老师 表示衷心的感谢，并顺祝各位老师工作顺利，身体健康。刘新刚 2007 年 6 月 8 号年产 10 万吨硫酸工厂设计37参 考 文 献[1] 姚玉英等．化工原理上p下册[M]．天津：天津科技出版社，1999． [2] 谭蔚．化工设备设计基础 [M]．天津：天津大学出版社，2000． [3] 陈均志．化工原理实验及课程设计 [M]．西安：陕西人民出版社，2002． [4] 周镇江．轻化工工厂设计概论 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