武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书
Qp?101314.48?2.21?T
2.2.2 工艺流程说明
现运用接触法一转一吸酸洗封闭流程生产硫酸，其生产工艺大致有六大工序，即：原料预处理、SO2炉气制取、SO2气体净化、二氧化硫转化、三氧化硫吸收、“三废”处理。这里主要介绍一下转化系统。转化系统为一转一吸四段反应装置，因为二氧化硫转化的过程是一个放热过程，它的转化率随着温度的升高而降低，因此采用多段反应器，通过一段反应器后物料的温度升高，经冷却后通入下一段反应器继续反应，使整个反应的操作曲线在最适温度曲线附近，既保证了反应的速度，又可以达到较高的转化率。此流程使用原料气作为冷却剂，可以省去外加的冷却剂，又可以利用反应产生的热量来预热原料气，节约能源，一举两得。转化系统包括一个四段反应器和四个换热器。前面制取的气体经过一系列净化的过程，一次通过第一、第二、第三、第四换热器预热后进入反应器，第一、第二、第三、第四段反应床层出来的气体分别经过第一、第二、第三、第四换热器进行冷却，再通入吸收塔。
2.2.3 主要设备选型说明
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。换热器考虑到气体有一定腐蚀性，故选用列管式换热器。风机选用罗茨风机
2.2.4 化工原材料规格及用量
进入转化器气体组成：SO2占7.5%，O2占8.0%，N2占84.5%。本设计采用的催化剂型号使用温度为400-580℃，入口SO2：7.5-9.4%[5]。
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第三章 转化工序物料衡算与热量衡算
3.1转化工序流程示意图及简要说明
鼓风机 原 料 气 第二换热器 第一换热器 第三转化炉 第三换热器 第四转换炉 第二转化炉 第二换热器 第一换热器 第一转化炉 第四换热器 第三换热器 第四换热器 降温去吸塔 图3.1 转化工序流程示意图
图3.1是硫酸转化工艺的流程，原料气由干燥器进入换热器，再进入转化炉
一段，再进入到第一换热器，以此类推，直到从第四换热器出来降温至吸收塔。
3.2确定各段进口温度及转化率
3.2.1温度与平衡转化率的关系[6]
在400~700℃时，lgKP?5140.6?4.8817 （3.1） T 式中： KP——平衡常数 T——温度/K
平衡转化率XT?KP （3.2）
100?0.5aXTKP?P(b?0.5aXT)式中：a=7.5%——进转化器的炉气中SO2的浓度（%） b=8.0%——进转化器的炉气中的O2的浓度（%）
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P=0.11Mpa——系统总压力/Kpa
取反应温度T 由公式（3.1）计算KP 由公式（3.2）计算XT 试差过程：
T?400℃时，由公式lgKP?5104.6?4.8817得Kp=568.766， T由公式XT?KP，设等式右边Xt=0.9000，得Xt=0.9923；
100?0.5aXTKP?P(b?0.5aXT)同上：设Xt=1.0000得Xt=0.9923,；Xt=0.9900得Xt=0.9923；Xt=0.9932得Xt=0.9920；Xt=0.9921得Xt=0.9920.；Xt=0.99200得Xt=0.9920。综上取
Xt=0.9920。
依次计算得平衡转化率与温度的关系列表3-1。
表3-1 平衡转化率与温度的关系
T/℃ Kp
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
568.8 439.7 342.4 268.6 212.1 168.6 134.9 108.6 87.86 71.50
Xt/% 99.20 98.96 98.68 98.32 97.89 97.36 96.73 95.98 95.10 94.07 T/℃ Kp
500
510
520
530
540
550
560
570
580
58.51 48.12 39.77 33.03 27.55 23.09 19.43 16.41 13.92
Xt/% 92.88 91.52 89.97 88.24 86.32 84.20 81.90 79.42 76.77
3.2.2最适宜温度与转化率关系
4905????x??4.937lg?b?0.5ax??(1?x)?100?0.5ax???T适?
取不同x值，计算。
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计算得最适宜温度与转化率的关系列表3-2。
表3-2 最适宜温度与转化率的关系
XT/%
T/℃
99.20 363.33 92.88 457.05
98.68 382.09 89.97 475.73
97.89 400.89 86.32 494.34
96.73 419.68 81.90 512.98
95.10 438.37 76.77 531.59
XT/%
T/℃
3.2.3确定操作线
进气组成：SO2占7.5%，O2占8.0%，N2占84.5% 确定转化器一段进口温度430℃
气体经每层触媒后温度升高，计算式是： t?t0??(x?x0)
表3-3二氧化硫的浓度与?值的关系
SO2浓度，%
2 3 4 5
?
60 89 117 145
SO2浓度，%
6 7 8 9
?
173 200 226 252
SO2浓度，%
10 11 12 14
?
278 303 328 378
由表3-3查得，浓度为7.5%的SO2对应的?值为213。
操作线温度的确定：已知催化剂的使用温度为400-580℃，考虑到应使操作线尽量与最适温度曲线靠近，且出口温度在催化剂的使用温度范围内，取原料气的进口温度为430℃，四段操作线的斜率根据原理气里SO2的浓度差表得1/213。考虑到原料气的预热过程是依次经历第一、第二、第三、第四换热器，对应于第四、第一、第二、第三段反应器的冷却，所以如果考虑每个换热器的换热面积相当，则出口气体冷却降温的温差应为第一段大于第二段，第二段大于第三段，按照这个原则，分别取第一段的降温的温差为65，第二段的降温的温差为50，第三段的降温温差为40，并且每一段转化器的出口温度和转化率对应的点都在平
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衡曲线和最佳温度曲线之间，由此估算得到四段反应器的操作曲线。
3.2.4各段进口温度及转化率
表3-4 一次转化分段转化率和温度
段数 转化率/% 进口温度/℃
一 69.0 430
二 86.0 470
三 94.0 440
四 97.79 405
由图3.2以及表3-4的数据可得： 转化器第一段操作线方程：t=430+226(x-0) 第二段操作线方程：t=470+226(x-0.752) 第三段操作线方程：t=440+226(x-0.895) 第四段操作线方程：t=405+226(x-0.971)
图3.2 四段反应过程的X-T关系图
3.3转化工序物料衡算
本设计为25万吨/年硫酸转化系统工艺设计（以每小时计算），由
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