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一．设计方案简介
1.1 硫酸的性质
硫酸是三氧化硫（SO3）和水（H2O）化合而成。化学上一般把一个分子的三氧化硫与一个分子的水相结合的物质称为无水硫酸。无水硫酸就是指100%的硫酸，又称纯硫酸。纯硫酸一般为无色透明的油状液体，分子量为98.08。硫酸分为发烟硫酸、浓硫酸和稀硫酸，硫酸中不含水而存在游离S03时成为发烟硫酸，当硫酸水溶液中硫酸质量百分数≥75%的硫酸叫做浓硫酸，而把硫酸质量百分数在75%以下的硫酸水溶液叫做稀硫酸【1】。
硫酸是强酸之一，具有酸的通性，但浓硫酸有其特殊的性质。具有相对密度大、沸点高、液面上水蒸气的平衡分压极低等物理特性和吸水性、脱水性和强氧化性等化学特性［2］。硫酸有很强的吸水性，能吸收气体中的水蒸气，也能吸收液体中的部分水分，从而使气体干燥，溶液发生相应的变化。浓硫酸的脱水性是指其能将部分物质中的氢、氧元素按原子个数比为2：1的比例夺取出来并生成水。质量分数为98.3%的浓硫酸其沸点为338℃,与其它常见的酸相比,沸点较高,是一种难挥发的强酸。硫酸无论是用水稀释还是与其它液体混合，都会放出大量的热。浓硫酸具有强氧化性，不仅能氧化活泼性位于氢以前的金属，而且能氧化部分非金属单质，活泼性位于氢后的金属及某些含有低价态元素的化合物或离子。 硫酸的用途
硫酸的用途非常广泛，是最重要的化工原料之一。
硫酸最主要用途是生产化学肥料，用于生产磷铵、重过磷酸钙、硫铵等。在中国，硫酸产量的60%以上用于生产磷肥和复肥。
在化学工业中，硫酸是生产各种硫酸盐的主要原料，是塑料、人造纤维、染料、油漆、药物等生产中不可缺少的原料。在农药、除草剂、杀鼠剂的生产中亦需要硫酸。
在石油工业中，石油精炼需使用大量硫酸作为洗涤剂，以除去石油产品中的不饱和烃等杂质。
在冶金工业中，钢材加工及成品的酸洗要用硫酸；电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液需使用硫酸；某些贵金属的精炼亦需用硫酸溶去夹杂的其它金属。
在火、炸药及国防工业中，浓硫酸用于制取硝化甘油、硝化纤维、三硝基甲苯等炸药。原子能工业中用于浓缩铀。运载火箭所用燃料亦离不了硫酸。
1.2 硫酸生产工艺简介
按二氧化硫的氧化方法不同，可把硫酸生产方法分成两类。一类是硝化法，另一类是接触法。根据制酸原料不同，又可把接触法分成：硫铁矿制酸、硫磺制酸、冶炼烟气制酸、硫酸盐制酸及含硫废液制酸。
硝化法又包括铅室法和塔式法，它们均是以氮氧化物为媒介，使二氧化硫在氧气及水存在的情况下生成硫酸。用该方法制得的硫酸，H2SO4含量低（<78%H2SO4），杂质含量高（主要含有尘及氮氧化物），且需耗用大量硝酸或硝酸盐，远远满足不了染料、化纤、有机合成、
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石油化工等部门的要求。因此，此法的发展受到限制。
下面具体介绍一下接触法生产硫酸的工艺【2】： ? 二氧化硫的制备
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首先以硫铁矿为初始原料，制成含二氧化硫的原料气。硫磺燃烧生成二氧化硫是放热过程。当以硫磺为原料时，可用蒸汽将硫磺熔化，很细的热液态硫磺雾滴（约145℃）被喷射进入焚烧炉与干燥的空气混合反应：
S?O2?SO2?Q
以硫铁矿为原料的生产工艺中，硫铁矿在焙烧炉中于800-1000℃温度下通入空气燃烧，生成二氧化硫和氧化铁：
4FeS2?10O2?2Fe2O3?8SO2?Q
矿石焙烧炉一般分为多室焙烧炉、回转窑和沸腾炉。
? 含二氧化硫原料气的净化
由硫铁矿燃烧得到的含二氧化硫原料气体中，含有矿物粉尘、氧化砷、二氧化硒等杂志，在进入下一步工序前必须进行除尘和净化。
含二氧化硫气体的净化工艺分为水洗和酸洗两种。酸洗法采用稀硫酸来洗涤矿石燃烧炉气，先后去氧化砷、二氧化硒等杂志，再经过冷凝器和电除尘除雾去酸雾。最后，经过干燥塔得到净化后的干燥二氧化硫原料气体。
? 二氧化硫氧化为三氧化硫
二氧化硫氧化为三氧化硫的反应式为：
SO2?12O2?SO3?Q
该反应仅在催化剂（V2O5）存在时才能获得满意的反应速率。由于是放热反应，所以在低温下会获得较好的三氧化硫平衡产率。但是，反应温度过低又导致反应速率下降，所以一般选取催化剂正常工作所需的温度410-440℃作为反应温度。
? 三氧化硫的吸收
SO3?H2O?H2SO4?Q
尽管硫酸最终按上式经过三氧化硫与水的结合生成硫酸，但生产中往往采用浓度为98.5%-99%的硫酸而不是水来吸收三氧化硫。这是因为水蒸气与三氧化硫会在气相中生成硫酸，冷凝形成大量酸雾，造成操作条件恶化，吸收效率降低。用高浓度硫酸吸收三氧化硫时，
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需要向循环酸中补充适量的水，以保持吸收用硫酸的浓度恒定并得到所要求规格的成品硫酸。
吸收操作是首先用气体冷却器将反应气体冷却至180-200℃，然后进入填料吸收塔，硫酸在塔中从上往下喷淋与反应气体逆向接触，是三氧化硫转化为硫酸。硫酸吸收剂在重新返回吸收塔之前喜用水或空气冷却器降温，移走吸收过程产生的热量。
1.3 硫酸转化器设计
常用的转化器有外部换热式转化器、内部换热式转化器、径向转化器、卧式转化器、非稳态转化器。
随着硫酸工业的发展，转化工艺流程经历了很大变化。转化流程主要有“一转一吸”和“两转两吸”两大类，“一转一吸”流程亦为一次转化一次吸收，由于受催化剂用量及平衡转化率的限制，该工艺可能达到最终转化率为97%～98%，显然硫的利用率不够高，尾气中二氧化硫的含量远远超过排放标准，因此该工艺已逐渐被淘汰。“两转两吸”流程为两次转化两次吸收工艺，可能达到的最终转化率大于99.5%，该工艺所采用的段数组合有“2+1”三段转化、“2+2”和“3+1”四段转化、“3+2”五段转化流程。为了适应催化剂的活性，南化集团设计院应燮堂提出将高浓度二氧化硫烟气分别稀释成20%用国产的普通催化剂采用三转三吸方法制酸，并对此作了技术论证，结论是高浓度二氧化硫用三转三吸流程制酸技术可靠，经济合理，值得推荐［4］。转化工艺在中国的情况如表2所示【3】：
表1 转化工艺的发展情况
年份 1949年以前 1953年 1958年 1963年 1964年 1965年 1966年 1972年 1981年 1988年 1989年 转化器形式 一次二段 一次三段 一次四段 一次四段（炉气冷激） SO2气浓 % 转化率 % 生产能力t/d 6～7 6.5～7.5 7～8 7～8 ～92 94～96 96～97 95～96 95～97 96～97 98～99 98～99 99～99.3 99～99.3 ～99.7 ～100 ～200 120～150 ～200 ～300 ～400 ～15～2×28 240 120～150 600 60 一次五段（炉气冷激） 7.5～8.5 一次五段（空气冷激） 两次四段（3+1） 两次四段（3+1） 两次四段（3+1） 两次四段（3+1） 两次五段（3+2） 8～9 ～9 ～9 8 8.5 9 本设计我采用的外部换热式转化器。
1.4 硫酸转化催化剂简介
硫酸生产的催化剂经历了从铁催化剂、铂催化剂到钒催化剂的发展过程，目前世界上硫
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酸生产都使用钒催化剂，中国生产的钒催化剂主要有S101、S106、S107、S108、S1，等型号，国外也形成了以美国孟山都化学环保公司、丹麦托普索公司等为主的LP系列和VK系列催化剂【4】。
最新研制开发的S-H型宽温抗毒SO1氧化制硫酸催化剂，是一种无毒、无污染、高性能的制酸催化剂，具有起燃温度低，寿命长，使用阻力小，节能降耗等特点，特别适用于大型制酸企业，其性能达到了国际先进水平。
含铯催化剂的研制和开发成功提高了转化过程的总转化率，降低尾气中二氧化硫浓度。含铯催化剂具有起燃温度低、活性高的特点，与传统的钒催化剂相比，起燃温度低20～40℃，适用于处理二氧化硫浓度较低的气体或用富氧空气产生的二氧化硫浓度较高的气体。丹麦TOPSE公司于1996年开发VK69新型含铯催化剂，该催化剂改进了载体，使用新型粘合剂，提高了催化剂的孔隙率；外形采用菊形，同一直径下比表面积比环形大约1.5倍；催化剂中V2O5含量提高25%，铯的存在保证了钒活性【4】。
【4】
二． 工艺计算
2.1 硫平衡的计算
转化为33000t硫酸所需的硫的量为： ns?（2—1）
?33000?103mMH2SO4t?1?净化?1?吸收?1?总
98?300?24?198.5%?199.95%?199.5%
?47.743Kmol/h硫铁矿焙烧炉出口气体的量为：
n总?ns12%?0.1%?47.74312%?0.1%?394.570Kmol/h
∴焙烧炉出口气体中
nSOnSO2,炉?12%n总?12%?394.570?47.348Kmol/h
3，炉,?nS?nSO2?47.743?47.348?0.395Kmol/h
2.2 焙烧耗氧量
根据下列化学反应方程式
4FeS2?11O2?2Fe2O3?8SO2 ○1
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O2?SO3 2
○
反应○2消耗的SO2、O2的量为：
nSOnO2,2?122，耗?nSO3?0.395Kmol/h
12?0.395?0.198Kmol/h
nSO3?反应○1生成的SO2的量为：
nSO2,总?nSO2,炉?nSO2,耗?0.395?47.348?47.743Kmol/h
反应○1消耗的O2的量为：
nO2,1?118?47.743?65.647Kmol/h
∴焙烧的耗氧量为：
nO2?nO2,1?nO2,2?65.647?0.198?65.845Kmol/h
2.3 N2的量
根据nO:nN?20.4:79.6（西宁地区）可知，
22nN2,1?79.620.4?nO2?79.620.4?65.845?256.925Kmol/h
2.4 进入转化器一段的气体总量
净化后的的SO2量为：
nSO2??净化nSO2,炉?47.348?98.5%?46.638Kmol/h
∴进入转化器一段的气体总量为：
n总?nSO27.6%?46.6387.6%?613.638Kmol/h
（其中7.6%为一段转化器入口SO2浓度的摩尔百分比）
2.5 进入一转的O2、N2的量
转化器中补充的空气的量为：
n补?n总?nN2?nSO3?613.658?256.925?46.638?310.095Kmol/h
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