应用化工技术专业毕业论文09458.doc
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1、毕 业 设 计(论 文)(冶金化工系)题 目 年产30万吨硫磺制硫酸工艺设计 目录摘要1关键词1第一章 综述21.1物质的性质21.1.1硫磺的性质21.1.2稀硫酸化学性质21.1.3浓硫酸的性质21.1.3稀硫酸化学性质41.2硫酸的用途41.3硫酸生产的工艺比较61.3.1 硫磺与硫铁矿的工艺比较61.3.2冶炼烟气8第二章 硫磺制硫酸的工艺流程与操作指标92.1 原料及反应原理92.1.1原料92.1.2 反应原理92.2 工艺流程102.2.1熔硫、过滤及液硫储存工序102.2.2焚硫、转化及吸收工序112.3工艺设计132.4工艺指标132.5不正常现象及处理方法14第三章 主要设
2、备163.1 主要设备163.1.1熔硫工段(包括原料工段)163.1.2焚硫转化工段163.1.3干吸工段193.1.4成品工段20第四章 物料衡算和能量衡算234.1 物料衡算234.1.1 原料的选取234.1.2 本设计所需达到的工艺指标234.1.3 焚硫工段物料衡算234.1.4 转化阶段物料衡算244.1.5 工艺中所需98%硫酸及工艺水的计算264.1.6 年产30万吨硫酸原料消耗量284.2 热量衡算294.2.1 熔硫阶段热量衡算294.2.2 焚硫阶段的热量衡算324.2.3 转化阶段回收热量计算32结语34致谢35参考文献36附录III摘要本设计主要讲述硫酸生产工业中焚
3、硫转化生产工段。其中转化主要讲述“两转两吸”生产工序,其中“两吸”指硫酸的干燥吸收工序,也是本设计的主要内容。将原料液通过空气过滤器过滤后的空气进入干燥塔,塔内用98%的硫酸吸收空气中的水分,并经塔顶除雾器除去酸沫后进入空气鼓风机,空气经压缩升温后送入焚硫炉。原料和空气在炉内反应,生成二氧化硫气体可达911%,经废热锅炉回收余热后,在气体过滤器除去其中的粉尘。操作时不得超过99%以上的浓度。由于干燥和吸收都是放热反应,出塔酸都需经酸冷却器后才能返回塔内使用。具有中间吸收的制酸系统,基建投资虽然高些,但是它能增加硫酸产量,可以使用较高的气体浓度。因此,足以抵偿其增加的投资费用。但是,采用中间吸收
4、的主要意义在于改善硫酸厂的环境。本次设计为了满足生产工艺条件的要求,绘制了工艺流程图,对吸收塔进行物料衡算和能量横算。本设计设计合理,满足工艺生产要求。关键词硫磺、空气、吸收、填料塔、设计第一章 综述1.1物质的性质1.1.1硫磺的性质硫磺一般呈块状或粉末状,浅黄色,带杂质者为灰绿色。条痕黄白色,脂肪光泽,晶体透明或半透明。硬度1.2,不完全解离,性脆。硫磺的比重2.05-2.09。摩擦生负电,易溶(180),燃烧时生淡蓝色火焰,并放出SO2气体。硫磺外观为淡黄色脆性结晶或粉末,有特殊臭味。分子量为32.06,蒸汽压是0.13KPa,闪点为207,熔点为119,沸点为444.6,相对密度为2.
5、0。硫磺不溶于水,微溶于乙醇、醚,易溶于二硫化碳。作为易燃固体,硫磺主要用于制造染料、农药、火柴、橡胶、人造丝等。1.1.2稀硫酸化学性质 (1)可与多数金属(比铜活泼)氧化物反应,生成相应的硫酸盐和水; (2)可与所含酸根离子对应酸酸性比硫酸根离子弱的盐反应,生成相应的硫酸盐和弱酸; (3)可与碱反应生成相应的硫酸盐和水; (4)可与氢前金属在一定条件下反应,生成相应的硫酸盐和氢气; (5)加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解。 (6)强电解质,在水中发生电离H2SO4=2H+ + SO4 2- 1.1.3浓硫酸的性质脱水性就硫酸而言,脱水性是浓硫酸的性质,而非稀硫酸的性质,即浓硫酸有脱
6、水性且脱水性很强。 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(21)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(炭化)。 浓硫酸 如C12H22O11=12C + 11H2O (4)黑面包反应 在200mL烧杯中放入20g蔗糖,加入几滴水,搅拌均匀。然后再加入15mL质量分数为98%的浓硫酸,迅速搅拌。观察实验现象,可以看到蔗糖逐渐变黑,体积膨胀,形成疏松多孔的海绵状的炭。 强氧化性跟金属反应 常温下,浓硫酸能使铁、铝等金属钝
7、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SO2 ;Cu + 2H2SO4(浓) =加热)=CuSO4 + SO2+ 2H2O 2Fe + 6H2SO4(浓) = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O 在上述反应中,硫酸表现出了强氧化性和酸性。 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SO2。在这类反应中,浓硫酸只表现出氧化性。 C + 2H2SO4(浓) =(加热) CO2 + 2SO2 + 2H2O S + 2H2SO4(浓) = 3SO2 + 2H2O 2P + 5H2SO4(
8、浓) = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O 跟其他还原性物质反应 浓硫酸具有强氧化性,实验室制取H2S、HBr、HI等还原性气体不能选用浓硫酸。 H2S + H2SO4(浓) = S + SO2 + 2H2O 2HBr + H2SO4(浓) = Br2 + SO2 + 2H2O 2HI + H2SO4(浓) = I2 + SO2 + 2H2O 难挥发性(高沸点)制氯化氢、硝酸等(原理:利用难挥发性酸制易挥发性酸) 如,用固体氯化钠与浓硫酸反应制取氯化氢气体 NaCl(固)+H2SO4(浓)=NaHSO4+HCl (常温) 2NaCl(固)+H2SO4(浓)=Na2SO4+2HCl (加
9、热) Na2SO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+SO2 再如,利用浓盐酸与浓硫酸可以制氯化氢气体。 酸性:制化肥,如氮肥、磷肥等 2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4 Ca3(PO4)2+2H2SO4=2CaSO4+Ca(H2PO4)2 稳定性:浓硫酸亚硫酸盐反应 Na2SO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+SO2 1.1.3稀硫酸化学性质 (1)可与多数金属(比铜活泼)氧化物反应,生成相应的硫酸盐和水; (2)可与所含酸根离子对应酸酸性比硫酸根离子弱的盐反应,生成相应的硫酸盐和弱酸; (3)可与碱反应生成相应的硫酸盐和水; (4)可与氢前金属在一定条件下反应,生成相应的硫酸盐和
10、氢气; (5)加热条件下可催化蛋白质、二糖和多糖的水解。 (6)强电解质,在水中发生电离H2SO4=2H+ + SO4 2- 1.2硫酸的用途(1)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。(2)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%
11、)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。(3)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。 (4)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。(5)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(N
12、a2B4O710H2O)、磷酸三钠(Na3PO4)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、硫酸铅(PbSO4)、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(CH3COOH)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。 (6)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
13、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1.2t1.5t,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。 (7)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,也都要使用硫酸。 (8)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
14、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。 (9)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。 (10)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B2、B1
15、2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。 (11)与原子能工业及火箭技术的关系 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硫酸生产的工艺比较目前硫酸生产的主要方法有硫磺制酸、硫铁矿制酸、冶炼烟气制酸及其他制酸四种生产方法。下面对硫磺制酸和硫铁矿制酸两种制酸方法进行工艺比较,突出硫磺
16、制硫酸的工艺和理性。1.3.1 硫磺与硫铁矿的工艺比较采用矿石制酸工艺, 若装置生产能力为年产15万t硫酸。矿石经提取矿中有效成分硫元素后, 产出的大量矿渣部分处理到钢铁厂作为炼铁原料, 大部分作为水泥厂生产中的添加料, 以调整水泥原料成分, 增加水泥强度。矿石制酸工艺存在的最大问题是对环境污染大,大量的污水、粉尘及矿渣严重影响着周围环境; 另外操作环境恶劣、操作强度高。同时能耗也高, 环保费用无法承受。而在人们对环境质量要求越来越高, 政府对环境整治决心越来越大的现状下,上硫厂的硫酸生产到了非采取“行动”不可的时候了。是保留原生产工艺矿石制酸, 而加大环保治理投入, 还是选择从工艺流程上改进
17、措施, 从根本上解决问题? 经过认真深入的分析研究, 最终上硫厂选择了工艺改进的方案, 由矿石制酸改为硫磺制酸工艺, 即以液体硫磺为原料来生产硫酸, 从根本上解决了矿石 制酸生产时产出的大量污水、粉尘、矿渣对环境的污染问题。使上硫厂从沉重的环保困境中得以解脱, 使生产经营步入良性循环。硫磺制酸与矿石制酸工艺比较 1.减少工序, 消除污染源 硫磺制酸工艺少了粉碎、水洗净化两道复杂的工序, 同时也消除了大量污染源粉尘、污水、矿渣。 2.能源消耗下降( 1) 工艺过程改进后, 动力设备投用量大幅减少, 动力消耗明显下降。矿石制酸电耗为110 kWh/t, 硫磺制酸为70 kWh/t, 下降了36%;
18、 深井水用量从100 万 t/a, 下降到20万 t/a。( 2) 硫磺制酸工艺能源利用更加合理。硫磺炉出口的1000温度的二氧化硫气体经中压锅炉、过热器、省煤器充分利用热量后, 二氧化硫气体降温至420进入转化器。 3. 生产场地缩小为企业提供了发展空间 由于工艺过程改进后, 工艺路线大幅缩短,生产用地大幅缩小, 现生产装置占地仅不到原装置的十分之一, 且节省了大量矿料和矿渣堆场, 这对企业的发展和充分利用土地资源极为重要。4. 工艺改造前后的效果表 1-1 矿石工艺与硫磺工艺比较悬浮物(吨/年)砷(吨/年)氟(吨/年)污水量(万吨/年)排污费(万元/年)矿石工艺6701.011243087
19、硫磺工艺1160016827 综上所述硫磺制酸工艺相对矿石制酸工艺有许多的改进之处, 它是一条清洁生产的工艺,更节能环保, 只有这样的生产工艺才能使化工企业生存和发展得更好。走好可持续发展之路,利国利民。1.3.2冶炼烟气冶炼烟气制酸前冶炼烟气收尘需用收尘用的电除尘器,电除尘器内部结构较复杂,体积较大需要较高的能耗,且需定期的维护保养,增加了设备费用。表1-2各种制酸方法消耗定额的比较消 耗定额硫磺法硫铁矿法冶炼烟气法硫磺(S99.5%)/(t/t)0.333硫铁矿(含硫35%)/(t/t)0.957电/kw h t-155.0693.96126.12综上所述,硫铁矿制酸生产工艺复杂、管理要求
20、高、操作环境差及需要处理大量的固体和液体废物。此工艺存在一定的局限性,因此本设计采用硫磺制硫酸。-38-第二章 硫磺制硫酸的工艺流程与操作指标2.1 原料及反应原理2.1.1原料硫磺制硫酸的主要原料为硫磺、氧气。其主要原料及规格见表2-1。表2-1 硫磺的成分及其含量含S98.5%含灰分0.4%酸度(以H2SO4)0.03%含As0.05%含有机物0.80%含水分1.00%机械杂质无表2-2 空气成分氮气0.79氧气0.212.1.2 反应原理将硫磺经熔融、焚烧产生二氧化硫气体,经废热锅炉、过滤器,再通入空气氧化转化成三氧化硫,再经冷却、酸吸收,制得成品硫酸。其反应方程式如下:S+O2=SO2
21、+Q2SO2+O2=2SO3+QSO3+H2O=H2SO4+Q2.2 工艺流程图2-1 硫酸装置工艺流程1.鼓风机 2.透平 3.干燥塔 4.最终吸收塔 5. 硫酸循环槽 6.烟囱 7.中间吸收塔8.发烟硫酸吸收塔 9.发烟硫酸泵槽 10. SO3蒸发器 11.冷却器 12.发烟硫酸循环罐13.发烟硫酸循环罐 14.液态SO3 储罐 15.皮带机 16.熔硫槽 17.熔硫储槽 18.过滤器19.液硫储槽 20.焚硫炉 21.废热锅炉 22.汽包 23.过热器 24.转化器 25.热换热器 26.冷换热器27.最终省煤器 28.中间省煤器 29.硫酸储罐 30.发烟硫酸储罐31.发烟硫酸储罐2.
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