[鍵入文檔標(biāo)題] 反應(yīng)工程課程設(shè)計一．設(shè)計方案簡介1。1硫酸的性質(zhì)硫酸是三氧化硫（SO3）和水（H2O）化合而成?；瘜W(xué)上一般把一個分子的三氧化硫與一個分子的水相結(jié)合的物質(zhì)稱為無水硫酸.無水硫酸就是指100%的硫酸,又稱純硫酸。純硫酸一般為無色透明的油狀液體，分子量為98.08。硫酸分為發(fā)煙硫酸、濃硫酸和稀硫酸，硫酸中不含水而存在游離S03時成為發(fā)煙硫酸,當(dāng)硫酸水溶液中硫酸質(zhì)量百分?jǐn)?shù)≥75％的硫酸叫做濃硫酸，而把硫酸質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在75%以下的硫酸水溶液叫做稀硫酸【1】。硫酸是強(qiáng)酸之一，具有酸的通性，但濃硫酸有其特殊的性質(zhì)。具有相對密度大、沸點(diǎn)高、液面上水蒸氣的平衡分壓極低等物理特性和吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性等化學(xué)特性［2］.硫酸有很強(qiáng)的吸水性，能吸收氣體中的水蒸氣,也能吸收液體中的部分水分，從而使氣體干燥，溶液發(fā)生相應(yīng)的變化。濃硫酸的脫水性是指其能將部分物質(zhì)中的氫、氧元素按原子個數(shù)比為2：1的比例奪取出來并生成水。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3％的濃硫酸其沸點(diǎn)為338℃,與其它常見的酸相比,沸點(diǎn)較高,硫酸的用途硫酸的用途非常廣泛，是最重要的化工原料之一.硫酸最主要用途是生產(chǎn)化學(xué)肥料，用于生產(chǎn)磷銨、重過磷酸鈣、硫銨等。在中國，硫酸產(chǎn)量的60%以上用于生產(chǎn)磷肥和復(fù)肥。在化學(xué)工業(yè)中，硫酸是生產(chǎn)各種硫酸鹽的主要原料，是塑料、人造纖維、染料、油漆、藥物等生產(chǎn)中不可缺少的原料。在農(nóng)藥、除草劑、殺鼠劑的生產(chǎn)中亦需要硫酸。在石油工業(yè)中，石油精煉需使用大量硫酸作為洗滌劑，以除去石油產(chǎn)品中的不飽和烴等雜質(zhì)。在冶金工業(yè)中,鋼材加工及成品的酸洗要用硫酸;電解法精煉銅、鋅、鎘、鎳時，電解液需使用硫酸；某些貴金屬的精煉亦需用硫酸溶去夾雜的其它金屬。在火、炸藥及國防工業(yè)中,濃硫酸用于制取硝化甘油、硝化纖維、三硝基甲苯等炸藥。原子能工業(yè)中用于濃縮鈾。運(yùn)載火箭所用燃料亦離不了硫酸。1。2硫酸生產(chǎn)工藝簡介按二氧化硫的氧化方法不同,可把硫酸生產(chǎn)方法分成兩類。一類是硝化法，另一類是接觸法。根據(jù)制酸原料不同，又可把接觸法分成：硫鐵礦制酸、硫磺制酸、冶煉煙氣制酸、硫酸鹽制酸及含硫廢液制酸。硝化法又包括鉛室法和塔式法，它們均是以氮氧化物為媒介，使二氧化硫在氧氣及水存在的情況下生成硫酸。用該方法制得的硫酸，H2SO4含量低(〈78％H2SO4)，雜質(zhì)含量高(主要含有塵及氮氧化物)，且需耗用大量硝酸或硝酸鹽，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了染料、化纖、有機(jī)合成、石油化工等部門的要求。因此，此法的發(fā)展受到限制。下面具體介紹一下接觸法生產(chǎn)硫酸的工藝【2】：二氧化硫的制備首先以硫鐵礦為初始原料，制成含二氧化硫的原料氣。硫磺燃燒生成二氧化硫是放熱過程。當(dāng)以硫磺為原料時，可用蒸汽將硫磺熔化，很細(xì)的熱液態(tài)硫磺霧滴（約145℃)被噴射進(jìn)入焚燒爐與干燥的空氣混合反應(yīng)：以硫鐵礦為原料的生產(chǎn)工藝中,硫鐵礦在焙燒爐中于800—1000℃溫度下通入空氣燃燒，生成二氧化硫和氧化鐵:礦石焙燒爐一般分為多室焙燒爐、回轉(zhuǎn)窯和沸騰爐。含二氧化硫原料氣的凈化由硫鐵礦燃燒得到的含二氧化硫原料氣體中，含有礦物粉塵、氧化砷、二氧化硒等雜志，在進(jìn)入下一步工序前必須進(jìn)行除塵和凈化.含二氧化硫氣體的凈化工藝分為水洗和酸洗兩種.酸洗法采用稀硫酸來洗滌礦石燃燒爐氣,先后去氧化砷、二氧化硒等雜志,再經(jīng)過冷凝器和電除塵除霧去酸霧。最后，經(jīng)過干燥塔得到凈化后的干燥二氧化硫原料氣體。二氧化硫氧化為三氧化硫二氧化硫氧化為三氧化硫的反應(yīng)式為:該反應(yīng)僅在催化劑（V2O5）存在時才能獲得滿意的反應(yīng)速率。由于是放熱反應(yīng)，所以在低溫下會獲得較好的三氧化硫平衡產(chǎn)率。但是，反應(yīng)溫度過低又導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，所以一般選取催化劑正常工作所需的溫度410—440℃作為反應(yīng)溫度。三氧化硫的吸收盡管硫酸最終按上式經(jīng)過三氧化硫與水的結(jié)合生成硫酸，但生產(chǎn)中往往采用濃度為98.5％-99％的硫酸而不是水來吸收三氧化硫。這是因?yàn)樗魵馀c三氧化硫會在氣相中生成硫酸，冷凝形成大量酸霧，造成操作條件惡化,吸收效率降低.用高濃度硫酸吸收三氧化硫時，需要向循環(huán)酸中補(bǔ)充適量的水，以保持吸收用硫酸的濃度恒定并得到所要求規(guī)格的成品硫酸.吸收操作是首先用氣體冷卻器將反應(yīng)氣體冷卻至180—200℃，然后進(jìn)入填料吸收塔，硫酸在塔中從上往下噴淋與反應(yīng)氣體逆向接觸，是三氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸。硫酸吸收劑在重新返回吸收塔之前喜用水或空氣冷卻器降溫，移走吸收過程產(chǎn)生的熱量。1。3硫酸轉(zhuǎn)化器設(shè)計常用的轉(zhuǎn)化器有外部換熱式轉(zhuǎn)化器、內(nèi)部換熱式轉(zhuǎn)化器、徑向轉(zhuǎn)化器、臥式轉(zhuǎn)化器、非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化器.隨著硫酸工業(yè)的發(fā)展，轉(zhuǎn)化工藝流程經(jīng)歷了很大變化.轉(zhuǎn)化流程主要有“一轉(zhuǎn)一吸"和“兩轉(zhuǎn)兩吸”兩大類，“一轉(zhuǎn)一吸”流程亦為一次轉(zhuǎn)化一次吸收，由于受催化劑用量及平衡轉(zhuǎn)化率的限制，該工藝可能達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率為97%～98%，顯然硫的利用率不夠高，尾氣中二氧化硫的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過排放標(biāo)準(zhǔn)，因此該工藝已逐漸被淘汰.“兩轉(zhuǎn)兩吸”流程為兩次轉(zhuǎn)化兩次吸收工藝，可能達(dá)到的最終轉(zhuǎn)化率大于99.5%,該工藝所采用的段數(shù)組合有“2+1”三段轉(zhuǎn)化、“2+2”和“3+1”四段轉(zhuǎn)化、“3+2”五段轉(zhuǎn)化流程。為了適應(yīng)催化劑的活性，南化集團(tuán)設(shè)計院應(yīng)燮堂提出將高濃度二氧化硫煙氣分別稀釋成20％用國產(chǎn)的普通催化劑采用三轉(zhuǎn)三吸方法制酸,并對此作了技術(shù)論證，結(jié)論是高濃度二氧化硫用三轉(zhuǎn)三吸流程制酸技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理，值得推薦［4］。轉(zhuǎn)化工藝在中國的情況如表2所示【3】:表1轉(zhuǎn)化工藝的發(fā)展情況年份轉(zhuǎn)化器形式SO2氣濃%轉(zhuǎn)化率%生產(chǎn)能力t/d1949年以前一次二段6~7～92~1001953年一次三段6.5～7.594～96～2001958年一次四段7～896～97120~1501963年一次四段(爐氣冷激）7～895～96~2001964年一次五段(爐氣冷激）7.5～8.595～97～3001965年一次五段（空氣冷激）8～996～97～4001966年兩次四段（3+1)～998～99～15～2×281972年兩次四段（3+1)～998～992401981年兩次四段（3+1)899~99.3120~1501988年兩次四段（3+1）8.599～99.36001989年兩次五段（3+2）9~99。760本設(shè)計我采用的外部換熱式轉(zhuǎn)化器。1。4硫酸轉(zhuǎn)化催化劑簡介硫酸生產(chǎn)的催化劑經(jīng)歷了從鐵催化劑、鉑催化劑到釩催化劑的發(fā)展過程，目前世界上硫酸生產(chǎn)都使用釩催化劑,中國生產(chǎn)的釩催化劑主要有S101、S106、S107、S108、S1,等型號，國外也形成了以美國孟山都化學(xué)環(huán)保公司、丹麥托普索公司等為主的LP系列和VK系列催化劑【4】.最新研制開發(fā)的S-H型寬溫抗毒SO1氧化制硫酸催化劑，是一種無毒、無污染、高性能的制酸催化劑，具有起燃溫度低,壽命長，使用阻力小，節(jié)能降耗等特點(diǎn)，特別適用于大型制酸企業(yè),其性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平【4】。含銫催化劑的研制和開發(fā)成功提高了轉(zhuǎn)化過程的總轉(zhuǎn)化率,降低尾氣中二氧化硫濃度。含銫催化劑具有起燃溫度低、活性高的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的釩催化劑相比,起燃溫度低20~40℃，適用于處理二氧化硫濃度較低的氣體或用富氧空氣產(chǎn)生的二氧化硫濃度較高的氣體。丹麥TOPSE公司于1996年開發(fā)VK69新型含銫催化劑，該催化劑改進(jìn)了載體，使用新型粘合劑，提高了催化劑的孔隙率；外形采用菊形，同一直徑下比表面積比環(huán)形大約1.5倍；催化劑中V2O5含量提高25%，銫的存在保證了釩活性【4】。工藝計算2。1硫平衡的計算轉(zhuǎn)化為33000t硫酸所需的硫的量為:（2—1）硫鐵礦焙燒爐出口氣體的量為：∴焙燒爐出口氣體中2。2焙燒耗氧量根據(jù)下列化學(xué)反應(yīng)方程式eq\o\ac（○,1）eq\o\ac(○，2）反應(yīng)eq\o\ac(○,2)消耗的SO2、O2的量為：反應(yīng)eq\o\ac（○,1）生成的SO2的量為：反應(yīng)eq\o\ac(○，1)消耗的O2的量為：∴焙燒的耗氧量為:2.3N2的量根據(jù)(西寧地區(qū)）可知,2.4進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段的氣體總量凈化后的的SO2量為:∴進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段的氣體總量為：（其中7。6％為一段轉(zhuǎn)化器入口SO2濃度的摩爾百分比）2。5進(jìn)入一轉(zhuǎn)的O2、N2的量轉(zhuǎn)化器中補(bǔ)充的空氣的量為:其中：∴進(jìn)入一轉(zhuǎn)的O2的量為:進(jìn)入一轉(zhuǎn)的N2的量為：2.6轉(zhuǎn)化器各段壓強(qiáng)的計算“2+2"式轉(zhuǎn)化器的工藝流程圖如下圖所示:“2+2”式轉(zhuǎn)化器工藝流程圖已知換熱器的壓降是100mmH20,一吸的壓降是200mmH20。表2轉(zhuǎn)化器各段的壓降段數(shù)一二三四壓降(mmH2o）200150150100所以各段的進(jìn)出口壓降為:一段進(jìn)口：P=2000—100—100=1800mmH20(表)一段出口：P=1800-200=1600mmH20（表）二段進(jìn)口:P=1600—100=1500mmH20（表）二段出口：P=1500—150=1350mmH20（表)三段進(jìn)口：P=1350-100—200-200=850mmH20（表）三段出口：P=850—150=700mmH20(表)四段進(jìn)口：P=700—100=600mmH20（表)四段出口:P=600—100=500mmH20（表）∴一轉(zhuǎn)的壓強(qiáng)為：二轉(zhuǎn)的壓強(qiáng)為：（大氣壓：77。314kPa西寧地區(qū)）2.7一轉(zhuǎn)平衡曲線的繪制二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫，其平很轉(zhuǎn)化率有下式算出：（2-2）式中xT——平衡轉(zhuǎn)化率，％；KP——反應(yīng)平衡常數(shù)；a--二氧化硫初始濃度,%；b-—氧的初始濃度，％;P-—?dú)怏w總壓力，大氣壓。反應(yīng)平衡常數(shù)kP，在400—700℃之間時，可用下式求出：（2-3）式中T--絕對溫度,oK。一轉(zhuǎn)二氧化硫的初始濃度a=7.6％=0。076，氧氣的初始濃度為:氮?dú)獾某跏紳舛葹椋鹤罴褱囟葹椋海?-4）（2—2）式，由于兩邊都有xT項(xiàng)，所以要用試差法求解，將380℃至820℃間的溫度數(shù)代入上面三式，算出一轉(zhuǎn)的平衡轉(zhuǎn)化率和最佳溫度如下表所示：表3一轉(zhuǎn)的平衡轉(zhuǎn)化率和最佳溫度T(℃）380420460500540580620660700740780820KP732。868270。154111。04350。04124。39012。7167.0284。0872。4851。5721.0290。695X0。9940。9850.9660.9270。8630。7700.6560.5320。4140。3130.2330。172T適℃360。5395.3430.4468.1504.7541。4577。6613.4650。2686。1721.6757。1∴一轉(zhuǎn)的平衡曲線及最佳溫度曲線見附表（二）2.8轉(zhuǎn)化器一轉(zhuǎn)一段的計算首先,假設(shè)第一段出口的轉(zhuǎn)化率為x1—出=77％,其進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為x1-進(jìn)=0。那么，第一段出口SO2，SO3，O2，N2的量分別為：根據(jù)附表（一)查得400℃時各物質(zhì)的平均熱容如下表:表4400℃時各物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣氮?dú)猓跭J/（Kmol.℃)]45。5930.9029.64由內(nèi)插算出25℃時各物質(zhì)的平均熱容如下表:表525℃時各物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣三氧化硫[KJ/(Kmol?！?］41.3829.3249.4325℃時各物質(zhì)的反應(yīng)熱如下表:表625℃時各物質(zhì)的反應(yīng)熱物質(zhì)二氧化硫氧氣三氧化硫△Hf［KJ/Kmol］-2970000-395100進(jìn)入系統(tǒng)的熱量Q根據(jù)公式(2—5）∴進(jìn)入系統(tǒng)的熱量為：∴反應(yīng)放出的熱量H計算的設(shè)計路徑如下：其中:現(xiàn)假設(shè)出一段的溫度T1—出=567.501℃，查附表（一)內(nèi)插的該溫度下個物質(zhì)的平均熱容如下表所示:表7567。501℃物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣三氧化硫氮?dú)猓跭J/（Kmol.℃)]47．1831。5366。9130。14∴離開系統(tǒng)的熱容和根據(jù)公式（2—6）∴所以在該假設(shè)條件下的實(shí)際溫度為：∴溫度偏差百分?jǐn)?shù)為：根據(jù)公式（2—7）可知一段的絕熱溫升為：查一轉(zhuǎn)的平衡曲線及最佳溫度曲線圖知當(dāng)T1—實(shí)=567。766℃時,xT=0。80.∴∵R在95％-97％之間,所以符合設(shè)計。2.9轉(zhuǎn)化器一轉(zhuǎn)二段的計算首先，假設(shè)第二段出口的轉(zhuǎn)化率為x2-出=89％，其進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為x2—進(jìn)=77％。那么，第二段出口SO2，SO3，O2，N2的量分別為：根據(jù)附表(一）由內(nèi)插得468℃時各物質(zhì)的平均熱容如下表:表8468℃時各物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣氮?dú)馊趸颍跭J/(Kmol?！?］46。2531.1629.8464.60∴進(jìn)入系統(tǒng)的熱量為：假設(shè)出一段的溫度T2—出=494.120℃，查附表(一）內(nèi)插的該溫度下個物質(zhì)的平均熱容如下表所示：表9494。120℃物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣三氧化硫氮?dú)猓跭J/（Kmol。℃)］46.5031.2665。3129.92∴所以在該假設(shè)條件下的實(shí)際溫度為：∴溫度偏差百分?jǐn)?shù)為：二段的絕熱溫升為：查一轉(zhuǎn)的平衡曲線及最佳溫度曲線圖知當(dāng)T2-實(shí)=567。766℃時，xT=0.934?！唷逺在95％—97%之間，所以符合設(shè)計。2。10二轉(zhuǎn)平衡曲線的繪制因?yàn)楸驹O(shè)計方案采用的流程為“2+2"式，故當(dāng)物料從一轉(zhuǎn)二段出來后進(jìn)入二轉(zhuǎn)的第一段。因?yàn)閺囊晦D(zhuǎn)進(jìn)入二轉(zhuǎn)的過程中經(jīng)過了一吸過程吸收了出料中的三氧化硫,且吸收率為99.95％，故進(jìn)入二轉(zhuǎn)一段的三氧化硫的量為：又知進(jìn)入二轉(zhuǎn)一段的氧氣、氮?dú)?、二氧化硫的量如下：∴二轉(zhuǎn)二氧化硫的初始濃度為:氧氣的初始濃度為:氮?dú)獾某跏紳舛葹椋河迷嚥罘ㄇ蠼?，?80℃至820℃間的溫度數(shù)代入上面三式，算出二轉(zhuǎn)的平衡轉(zhuǎn)化率和最佳溫度如下表所示：表10二轉(zhuǎn)的平衡轉(zhuǎn)化率和最佳溫度T（℃)380420460500540580620660700740780820KP732.868270.154111.04350。04124.39012.7167。0284。0872。4851。5721.0290.695X0。9940。9850。9650.9250。8570.7580.6350。5040.3830。2820.2050.149T適℃361。8396.6433.0470。4507。6544。5581。1617.5653。8690.2726.3761。9∴一轉(zhuǎn)的平衡曲線及最佳溫度曲線見附表（二）。2。11轉(zhuǎn)化器二轉(zhuǎn)一段（第三段）的計算首先,假設(shè)第三段出口的轉(zhuǎn)化率為x3—出=92。4%，其進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為x3—進(jìn)=0。那么，第三段出口SO2,SO3，O2,N2的量分別為：根據(jù)附表（一）由內(nèi)插得439℃時各物質(zhì)的平均熱容如下表:表11439℃時各物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣氮?dú)馊趸颍跭J/(Kmol?！妫45。9731.0529。5863.78∴進(jìn)入系統(tǒng)的熱量為：現(xiàn)假設(shè)出一段的溫度T2—出=465。367℃，查附表（一）內(nèi)插的該溫度下個物質(zhì)的平均熱容如下表所示:表12465。367℃物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣三氧化硫氮?dú)猓跭J/(Kmol.℃)]46.2231。1564。5029.84∴所以在該假設(shè)條件下的實(shí)際溫度為：∴溫度偏差百分?jǐn)?shù)為：三段的絕熱溫升為：查一轉(zhuǎn)的平衡曲線及最佳溫度曲線圖知當(dāng)T3-實(shí)=465。416℃時，xT=0.96.∴∵R在95%—97％之間，所以符合設(shè)計。2.12轉(zhuǎn)化器二轉(zhuǎn)二段（第四段)的計算因?yàn)楸驹O(shè)計的要求總轉(zhuǎn)化率要達(dá)到99.5％，且一轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化率已達(dá)到了89％，故二轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化率（也就是二轉(zhuǎn)二段的轉(zhuǎn)化率）為:那么,第四段出口SO2,SO3，O2,N2的量分別為:根據(jù)附表（一）由內(nèi)插得429℃時各物質(zhì)的平均熱容如下表：表13429℃時各物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣氮?dú)馊趸騕KJ/（Kmol?！妫45.8731.0129.7363.51∴進(jìn)入系統(tǒng)的熱量為:現(xiàn)假設(shè)出四段的溫度T2-出=429.920℃，查附表(一）內(nèi)插的該溫度下個物質(zhì)的平均熱容如下表所示：表14429.920℃物質(zhì)的平均熱容物質(zhì)二氧化硫氧氣三氧化硫氮?dú)鈁KJ/（Kmol.℃)］45.8831.0163。5329。73∴所以在該假設(shè)條件下的實(shí)際溫度為:∴溫度偏差百分?jǐn)?shù)為：四段的絕熱溫升為:查一轉(zhuǎn)的平衡曲線及最佳溫度曲線圖知當(dāng)T4-實(shí)=430.000℃時，xT=0.982?！唷逺在95%—97％之間,所以符合設(shè)計.表15物料衡算結(jié)果進(jìn)一段進(jìn)二段出二段物質(zhì)的量kmol/h百分含量％％物質(zhì)的量kmol/hkmol百分含量%%物質(zhì)的量kmol/h百分含量％%SO246。6387.6011。1461.875.1300。86SO335.4925。9641。5086。97O263。25910。3145.5137。6345。3037.60N2503.76182.09503。76184.54503。76184.57∑613.658100595。912100595。702100進(jìn)三段進(jìn)四段出四段物質(zhì)的量kmol/h百分含量％％物質(zhì)的量kmol/hkmol百分含量%%物質(zhì)的量kmol/h百分含量%%SO25.1300。930.3900。070。2310.04SO30.02080。0384.7610。874。8990.89O243。3037。8440。1357。3140。0557。30N2503。76191.192503。76191。75503.76191.77∑552。215100549。047100548.9461002.13各段反應(yīng)速度、反應(yīng)時間及擴(kuò)散效率因子的計算根據(jù)公式：（2—8）式中—-二氧化硫氧化為三氧化硫的反應(yīng)速度；——擴(kuò)散效率因子（即觸媒內(nèi)表面利用率);a——?dú)怏w中起始二氧化硫濃度，一轉(zhuǎn)：7.6％、二轉(zhuǎn)：0.93%;b—-氣體中起始氧氣濃度，一轉(zhuǎn)：10。3%、二轉(zhuǎn)：7.71％；k-—反應(yīng)速率常數(shù)，秒—1大氣壓—1;x——轉(zhuǎn)化率，%；KP—-反應(yīng)平衡常數(shù);D-—二氧化硫或三氧化硫的平均溶劑擴(kuò)散系數(shù)，考慮到在實(shí)際狀況下它們互相影響，故取兩者平均值D=0.44厘米2/秒.根據(jù)（2—8）式算出各段的反應(yīng)速度f(x）值，求其倒數(shù)即為反應(yīng)時間值，分階段求出首尾反應(yīng)的平均數(shù)，則該階段的反應(yīng)時間為：（秒）（2—9)根據(jù)向德輝高級工程師提出的數(shù)學(xué)模型，用下面公式求：（2—10)各段的計算值見下表：表16一段反應(yīng)時間以及ξ值的確定階段轉(zhuǎn)化率x反應(yīng)常數(shù)dx/dtdt/dx△dt/dxτ反ξ起始末尾k*(107)k（101)kp10.0000.0550.251327。0300.2593.8573。1640.1740.21320。0550。1100.418245.5570。4042。4722。0460。1130。40930.1100.1650。684186。1950。6181.6191。3500.0740。42440.1650.2201.102142。5020。9241.0820.9100。0500。39450.2200.2751.747110.0301.3540.7380。9720。0530。35160.2750.3301.16485.6740.8301。2051.1230。0620。46870.3300。3851。47767.2460.9611.0400.9760。0540.44580。3850。4401。85853.1851。0960.9120。8630。0470.41990。4400.4952。32242.3711.2290。8140.7780。0430.393100.4950。5502。88233.9911。3480.7420。7200。0400.367110.5500。6053。55427.4501。4340。6970.6930。0380。342120。6050。6604.35522.3081.4510。6890。7250。0400.318130。6600。7155.30518。2391.3160。7600.9750。0540。296140。7150。7706.42614.9990。8401.1903.9690.2180。276150.7706.42614.9990。1486。749∑0。7734.494ξ平均值0.321一段S107的反應(yīng)時間0。361一段S101的反應(yīng)時間0。427從表中可以看出：一段反應(yīng)采用了兩種催化劑,當(dāng)溫度小于460℃，轉(zhuǎn)化率小于60%時采用k＊（107)型催化劑；當(dāng)溫度經(jīng)過于460℃繼續(xù)升高后則采用k（101）型催化劑。表17二段反應(yīng)時間以及ξ值的確定階段轉(zhuǎn)化率x反應(yīng)常數(shù)dx/dtdt/dx△dt/dxτ反ξ起始末尾k(101）kp10.7700.7941.17784。7770。2304。3434.4160.1060。59320.7940.8181。30476。3120。2234。4884。6340.1110.56930.8180。8421。44468。7920.2094。7805.0660。1220.54640。8420。8661。59662。1020。1875.3535.9840.1440。52450。8660.8901。76256。1400.1516。6148。3400。2000。50360.8901.76256.1400。09910.0665.0337∑0。6831.708ξ平均值0。342從表中可以看出：二段反應(yīng)采用了k(101)型一種催化劑。表18三段反應(yīng)時間以及ξ值的確定階段轉(zhuǎn)化率x反應(yīng)常數(shù)dx/dtdt/dx△dt/dxτ反ξ起始末尾k（101)k*(101)kp10。0000.0660。350168。2822。2150.4510。4440.0290.33320.0660.1320.384161。4072.2920.4360。4300.0280.46830。1320。1980.422154.8472.3580.4240。4190。0280。58440.1980.2640。462148。5872。4120。4150.4120。0270.64850。2640.3300。506142。6102。4490.4080。4070。0270.68360.3300.3960.555136.9032.4660。4060。4060。0270。70070.3960。4620。607131。4522.4580.4070.4100.0270。70580。4620.5280。664126。2452。4200.4130。4200.0280.70290.5280。5940。727121.2692。3450.4260。4200.0280.693100。5940。6600。861116.5142.4140.4140.4430。0290.653110.6600.7260.896111.9682。1200.4720。5160。0340.654120。7260。7920。931107。6221。7860.5600。6360.0420。653130.7920。8580。968103.4651.4060.7110。8730。0580。650140.8580。9241。00699。4890.9661。0351。7390。1150.645150.9241。00699。4890。4092。442∑0.4127。478ξ平均值0。0290。534從表中可以看出:三段反應(yīng)采用了二種催化劑,當(dāng)溫度小于470℃,轉(zhuǎn)化率小于60％時，采用k*(101)型催化劑，當(dāng)溫度繼續(xù)升高后則采用k(101)型催化劑。表19四段反應(yīng)時間以及ξ值的確定階段轉(zhuǎn)化率x反應(yīng)常數(shù)dx/dtdt/dx△dt/dxτ反ξ起始末尾k（107)kp10.9240。9300.406218.9780.2144。6814。9080。0300.98220。9300.9360.408217。9780。1955。1365。4210。0340。98130。9360.9430。409216.9820.1755。7066.0730。0380。98040.9430。9490.411215.9920。1556.4416.9370.0430.97950。9490.9550。412215。0070。1357。4338.1540.0510.97860。9550。412215.0070.1138。8764.4387∑0。1952。944ξ平均值0.589從表中可以看出：四段反應(yīng)采用了k(107)型催化劑。2。14轉(zhuǎn)化器的直徑D與氣量V的計算各段的平均溫度為：各段的摩爾流量為：各段的平均壓力為：轉(zhuǎn)化器的氣量由下式計算：(2-11）∴各段的氣量分別為：轉(zhuǎn)化器的氣速，過去一般采用0。4—0.6米/秒，現(xiàn)在一般制在0。6-1.0米/秒。因氣體通過觸媒層的速度不易算準(zhǔn)且復(fù)雜，故在計算徑向轉(zhuǎn)化器觸媒筐面積時，也取以上兩種范圍的氣速來計算。軸向取0。7米/秒，徑向取0。5米/秒。本設(shè)計采用的是軸向轉(zhuǎn)化器，故取氣速為0.7米/秒。轉(zhuǎn)化器直徑D公式如下：（2—12）∴各段轉(zhuǎn)化器的直徑D為:故轉(zhuǎn)化器的直徑去D=4.60m。2。15反應(yīng)速率常數(shù)k反應(yīng)速率常數(shù)k，它隨著觸媒品種和反應(yīng)溫度條件的變動而變化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定,具體計算式如下：對于S101型觸媒：（2-13）式中e——自然對數(shù)的底數(shù);K0——有觸媒種類決定的常數(shù)，S101型為15，當(dāng)t<470℃，x〈60％時，K0=34。2;E—-觸媒的活化能，S101型E=22000cal/mol，當(dāng)t<470℃,x<60%時，E=50000cal/mol；R—-氣體常數(shù)，混合氣體R=1.987cal/mol；T—-絕對溫度，oK。將上述數(shù)據(jù)代入式（8）中，則簡化為:（2—14)（2-15）對于S105型和S107型觸媒，因其低溫活性極為接近,故合并考慮:（2—16)（2—17）對于S101型觸媒，當(dāng)t〈470℃，x<60%時，計算用k*值。對于S105型和S107型觸媒,當(dāng)t〈460℃，x<60％時,計算用k*值。2.16使用效率總系數(shù)C使用效率總系數(shù)C的公式如下所示：C=1+C1+C2+C3（2-18）式中C1-—熱衰退校正系數(shù)；C2--慢性中毒校正系數(shù);C3--氣流不勻校正系數(shù)。熱衰退校正系數(shù)C1：C1=0.001tG—B（2—19）式中tG——某一觸媒層最高溫度，℃;B-—線性函數(shù)方程截距(即調(diào)節(jié)參數(shù)）,根據(jù)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在400℃以下觸媒無衰退現(xiàn)象，可不考慮用觸媒量,故取B=0.4。因?yàn)槲锪线M(jìn)入每一段到離開該段的過程，溫度都是在一直的升高，故某一觸媒層的最高溫度即為該段的出口溫度。表20四段的出口溫度段數(shù)一段二段三段四段溫度℃569。642494.111465。416430。000∴各段觸媒熱衰退校正系數(shù)為:慢性中毒校正系數(shù)C2：（2—20）式中G水—-進(jìn)轉(zhuǎn)化器氣體實(shí)際含水量，克/標(biāo)米3；G霧—-進(jìn)轉(zhuǎn)化器氣體實(shí)際酸霧含量,克/標(biāo)米3；G塵——?dú)怏w進(jìn)轉(zhuǎn)化器實(shí)際礦塵含量，克/標(biāo)米3；A、B、C——毒物影響系數(shù)，A、B各為1，C為50.若氣體經(jīng)凈化后有害成分含量與規(guī)定指標(biāo)相同，即水分=0。1克/標(biāo)米3，酸霧=0。3克/標(biāo)米3=0。001克/標(biāo)米3，則各段的慢性中毒校正系數(shù)為：氣流不勻校正系數(shù)C3：（2-21)式中D——轉(zhuǎn)化器直徑,米；H-—每段觸媒層高度，米。2。17觸媒層高度、轉(zhuǎn)化器高度的計算轉(zhuǎn)化器的高度即各段的觸媒層的高度、布?xì)鈱拥母叨龋òz修空間高度)相加。布?xì)鈱痈叨萮2一般為600—800毫米，取h2=700毫米。外部換熱式轉(zhuǎn)化器，布?xì)鈱臃譃檫M(jìn)和出兩個，即每段布?xì)鈱痈叨葹?h2。故每段布?xì)鈱痈叨葹?400毫米,即1。4m。一段觸媒層高度計算現(xiàn)假設(shè)一段觸媒層高度H1—假=0.940m，那么根據(jù)式（2—21)可以求得氣流不勻校正系數(shù)C3為:∴各段接觸時間τ接觸根據(jù)下式:（2—22）∴所需的觸媒量根據(jù)公式有：（2—23）∴將轉(zhuǎn)化器看作圓柱形,則觸媒層的高度為：實(shí)際求得的H1=0。943與假設(shè)的H1-假=0.940接近，故假設(shè)成立.二段觸媒層高度計算現(xiàn)假設(shè)二段觸媒層高度H2-假=0.940m，那么根據(jù)式（21）可以求得氣流不勻校正系數(shù)C3為：∴∴將轉(zhuǎn)化器看作圓柱形，則觸媒層的高度為：實(shí)際求得的H1=0。370與假設(shè)的H1—假=0.370相等,故假設(shè)成立.三段觸媒層高度計算現(xiàn)假設(shè)三段觸媒層高度H3-假=0.250m，那么根據(jù)式（21)可以求得氣流不勻校正系數(shù)C3為：∴∴將轉(zhuǎn)化器看作圓柱形，則觸媒層的高度為：實(shí)際求得的H1=0。250與假設(shè)的H1-假=0.251相近,故假設(shè)成立。四段觸媒層高度計算現(xiàn)假設(shè)四段觸媒層高度H4-假=0.07m，那么根據(jù)式(21)可以求得氣流不勻校正系數(shù)C3為：∴∴將轉(zhuǎn)化器看作圓柱形，則觸媒層的高度為：實(shí)際求得的H1=0。07與假設(shè)的H1-假=0。072相近，故假設(shè)成立.故轉(zhuǎn)化器的高度為：2.18觸媒層壓力降的計算我國生產(chǎn)的條狀釩觸媒，平均直徑5毫米,長10毫米。在填裝時下墊鵝卵石(塊度25毫米左右)厚度50毫米,從里向外倒裝（指人孔方位而言)，一次性裝平，填裝高度在300-900毫米之間，根據(jù)統(tǒng)計校核，在上述條件下裝填，用以下經(jīng)驗(yàn)公式來計算：（2—24）式中—-觸媒層壓力降,毫米水柱；H——觸媒層高度，米；——在平均溫度下氣體重度，公斤/米3；—-平均溫度下轉(zhuǎn)化器截面氣速，米/秒；560——阻力系數(shù),決定于填裝工況.又因?yàn)楹偷墓饺缦滤?（2—25）式中-—二氧化硫的重度，公斤/米3,2.86；-—氧氣的重度,公斤/米3,1。43；——氮?dú)獾闹囟?公斤/米3,1.25；P——?dú)怏w壓力，大氣壓，一轉(zhuǎn)：P=0.915KPa，二轉(zhuǎn)：P=0。828KPa；a、b、c——分別為二氧化硫、氧氣、氮?dú)獾暮浚?；t——轉(zhuǎn)化器的平均溫度。各段的值如下所示：的公式如下：（2—26）各段的值為：∴各段的壓強(qiáng)降為：總的壓強(qiáng)降為：2.19合日產(chǎn)100％硫酸每噸用觸媒量各段的觸媒量之和為:∴日產(chǎn)100%硫酸每噸用觸媒量為：2.20轉(zhuǎn)化設(shè)備保溫層的計算根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)化設(shè)備保溫層厚度可用下式計算：（2—26）式中Q——每單位面積允許散熱量,千卡/米2.小時；t1-—設(shè)備內(nèi)部平均溫度,℃;ta-—周圍空氣溫度，℃;δ—-保溫層厚度，米;λ-—保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，千卡/米2。小時。℃；a——保溫層外側(cè)給熱系數(shù),千卡/米2。小時?！?由于一般轉(zhuǎn)化設(shè)備體積龐大，管道復(fù)雜,并且轉(zhuǎn)化過程中易發(fā)生有毒氣體的泄漏,通常將其放置于室外。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可用下式計算：（2—27)一般取，根據(jù)各地區(qū)的差異，本設(shè)計取,則由于保溫材料的品種不同，形成方法各異，各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計擬采用巖棉氈保溫材料進(jìn)行保溫。（2—28）式中--保溫材料的平均工作溫度，℃；—-器內(nèi)或管道內(nèi)氣流溫度,℃；—-保溫層表面溫度，℃，一般取20—50℃,視地區(qū)的不同而定。選取下列參數(shù)：轉(zhuǎn)化器：換熱器：管道：轉(zhuǎn)化器：換熱器:管道:設(shè)單位面積散熱量，用巖棉氈保溫：由于要考慮到保溫層裂縫、脫落及停車保溫的需要，并且西寧市的海拔高，溫度低，需要增加保溫層厚度，因此擬采用保溫層厚度，錯開氈縫，用鐵絲網(wǎng)緊固，外抹厚石灰、紙筋、水泥的面層,再刷一層銀粉漆或包一層鋁合金皮.設(shè)計結(jié)果匯總表21物料衡算、熱量衡算表一段二段三段四段SO2-進(jìn)kmol/h46.63811。1465.1300.390O2-進(jìn)kmol/h63。25945。51343.30340。155N2-進(jìn)kmol/h503.761503.761503。761503.761SO3—進(jìn)kmol/h035.4920.02084.176SO2-出kmol/h11.1465。1300.3900.231O2-出kmol/h45.51345.30340.1354。055N2—出kmol/h503。761503。76