硫酸生产工艺研究

常规的H2SO4生产工艺是在焚硫装置中用空气作为氧化剂将胶体硫转化成二氧化硫,在此基础上在钒催化剂作用下二氧化硫被转化为三氧化硫。因为空气内氧饱和系数有限,同时含有一定比例的氮气,所以在生产中很多二氧化硫,与二氧化氮会随着尾气排入大气,因此造成大气的污染。本文研究了一项使用纯氧作为氧化剂的H2SO4生产新工艺,此工艺通过三转三吸以获得最大的二氧化硫转化率。超过百分之八十五的尾气循环进入转换装置,这样能够从根本降低尾气的排放比率。这一工艺概念现阶段已被模拟与计算所验证,相关内容如下所述。

1.工艺概述

此工艺由熔硫、焚硫、二氧化硫转化为三氧化硫,吸收四部分所构成,其中熔硫工序和常规工艺无显著差异。

(1)熔硫流程

来自脱硫系统的硫泡沫,进入硫泡沫浓缩槽中,清液经静止沉降和浓缩的硫泡沫分离后自流返回脱硫系统。浓缩后得到的硫膏,通过泵传输至熔硫装置。硫膏在熔硫装置的换热段中和加热熔硫后返回的清液换热升温,在此基础上硫膏下降传输至加热段。加热段通过间接蒸汽供热,硫膏在加热段中通过加热、分离、熔融、沉降等过程,熔融硫和脱硫清液分离,呈液态硫磺继续下降传输至贮硫段。在贮硫段中,熔融硫通过排硫设备断续排出后冷却装袋入库。加热段分离出的高温清液,向上进入熔硫器换热段并与下降的硫膏间接逆流换热降温后,从换热段返回脱硫系统。工艺流程见图1。

在熔硫时,熔硫装置的加热蒸汽量受熔硫的温度控制,操作压力依附于满足熔硫操作温度的压力系数从设置在清液排出管处的调节阀自控调节。

(2)焚硫工序

熔融、过滤后的胶体硫和预热后φ(O2)99.5%的纯氧混合后在焚硫装置中燃烧,焚硫装置所生成的装置气传输至转换装置一段,焚硫装置中的反应热经加热装置给水与过热蒸汽连续移出。

(3)二氧化硫转化工序

焚硫装置出来的装置气和循环尾气混合后传输至转换装置一段,二氧化硫通过钒催化剂催化氧化后生成三氧化硫。出口气体通过换热设备冷却后传输至第一吸收塔,吸收后的气体通过再热后传输至转换装置二段进行再转化,二段出口气体通过换热设备冷却后传输至第二吸收塔,吸收后气体同样通过再热后传输至转换装置三段,三段出口气体冷却后传输至第三吸收塔。转换装置一段与二段反应热通过Dowtherm导热油持续的移出,导热油通过过热设备与装置给水预热设备循环,换热后的Dowtherm导热油回流至转换装置。

(4)三氧化硫吸收工序

此次研究的工艺择取三次吸收技术,第一吸收塔涵盖两个吸收段,转换装置一段出来的气体分为两部分,分别在两段内通过H2SO4进行吸收,生成无水H2SO4或发烟H2SO4。两段出来的气体混合后通过预热传输至转换装置二段。第一吸收段出来的220℃高温H2SO4传输至低压装置,通过换热冷却后一部分进入稀释设备,另一部分通过脱盐水加热设备降温后传输至中间槽。第二吸收段出来的216℃高温H2SO4传输至低压装置的另一端,通过换热冷却后和来自稀释设备的H2SO4混合,混合酸用作第一吸收段的吸收酸。低压装置的结构相对繁琐,内设两台单独的换热设备。

第二吸收塔与第三吸收塔构建成一台单独的塔。在第二吸收塔内,气体内三氧化硫被H2SO4吸收,出口气体传输至转换装置三段,H2SO4传输至中间槽。在第三吸收塔内,气体中的三氧化硫也用H2SO4吸收,出塔尾气有百分之八十五循环返回转换装置一段,其余百分之十五被排放。见图2。

2.主要设备

(1)焚硫装置

此研究中燃烧设备的设计具有一定的特殊性,液体胶体硫、氧气与装置给水都经燃烧设备进入焚硫装置。因为焚硫装置的常规操作温度超过胶体硫闪点(即自发着火点),所以仅需在开车过程中使用点火设备。焚硫装置不但能够在一般压力状态下操作,同时还能够在更高压力下进行操作,副产中压或高压蒸汽。

(2)转换装置

转换装置依附于操作压力进行有针对性的设计,常压操作择取冷却盘管式设计。见图3。

管内流动Dowthern导热油,钒催化剂装填在盘管之间。

钒催化剂装填在管程,Dowtherm导热油在壳程流动。

3.消耗预测

较之一般工艺,新工艺纯酸中压蒸汽产量更高、胶体硫与电能消耗更少。

较之采用相同参数的一般工艺进行比较,新工艺排放气体中二氧化硫三氧化硫和二氧化氮饱和度与数量都要低一些,同时排放气总量也较低。

新工艺的优点主要包括下述几方面:(1)胶体硫通过纯氧焚烧,胶体硫燃烧更充分,纯酸排放气体二氧化氮,含量与数量低、回收热量呈几何形递增,同时焚硫装置尺寸缩减;(2)二氧化硫通过纯氧转化,二氧化硫转化率提升,回收热量更多;三氧化硫吸收过程中不存在大量情性气体氮,二氧化硫吸收速率提高,回收热量更多,同时吸收塔尺寸缩减;排放尾气降低,较之常规工艺,排放尾气量可降低99.8%。

4.总结

综上所述,此次研究选用了三次吸收技术。此工艺所用的氧气源于低温空分装置,空气压缩设备动力来自装置自产过热蒸汽。“三合焚硫装置的出口温度与内壁温度低于一般的焚硫装置,燃烧设备具有较强的特殊性,同时也是整个工艺的关键。焚硫装置的传质与传热模拟模型具有多元化特性,盘管间的距离近,进行常规操作过程中胶体硫自行维持燃烧。转换装置温度很容易进行控制,钒催化剂体积缩减,特别是选择中压操作工艺时转换装置可采用更低的操作温度。针对大型装置来说,设备尺寸明显降低,同时操作压力越高其产能与之呈正相关。现阶段正计划实施新工艺的中试与工业试验,这些试验的关键是焚硫装置、燃烧设备、转换装置和催化剂、排放气组成。通过纯氧代替空气会提高生产成本,不过这一点能够经减少约2.87%的胶体硫消耗及更高的过热蒸汽产量而得到弥补。同时,生产时排放气体的体积与其中的二氧化硫、三氧化硫和二氧化氮,含量显著减少,这将从根本利于环保生产。

摘要：H2SO4在生产生活中都具有十分重要的作用,是现阶段应用最为广泛的一种无机化学品,其主要被应用于磷酸盐生产、石油化工、金属冶炼与相应的工业领域。据不完全统计,仅二零一八年国际范围内H2SO4产量约二百兆吨,其中胶体硫制酸产量为总产量的百分之六十。基于此对H2SO4生产工艺的研究势在必行。

关键词：硫酸,生产工艺,研究

参考文献

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