Курсовая работа (т): Получение сернистого ангидрида в производстве серной кислоты

Рис.3.Реакторы обжига колчедана:

а - полочный (1 - корпус, 2 - полки для колчедана, 3 - вращающиеся скребки, 4 - ось привода скребков); б - печь кипящего слоя (1 - корпус, 2- теплообменник). Стрелки внутри аппаратов - движение твердого колчедана в реакторах

серный кислота обжиг абсорбция

Мелкие частицы можно перерабатывать в кипящем (псевдоожиженном) слое, что реализовано в печах КС - кипящего слоя (рис. 3,б). Пылевидный колчедан подается через питатель в реактор. Окислитель (воздух) подается снизу через распределительную решетку со скоростью, достаточной для взвешивания твердых частиц. Их витание в слое предотвращает слипание и способствует хорошему контакту их с газом, выравнивает температурное поле по всему слою, обеспечивает подвижность твердого материала и его переток в выходной патрубок для вывода продукта из реактора. В таком слое подвижных частиц можно расположить теплообменные элементы. Коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя сравним с коэффициентом теплоотдачи от кипящей жидкости, и тем самым обеспечены эффективные теплоотвод из зоны реакции, управление его температурным режимом и использование тепла реакции. Интенсивность процесса повышается до 1000 кг/(м2 * ч), а концентрация SO2 в обжиговом газе - до 13-15%. Основной недостаток печей КС - повышенная запыленность обжигового газа из-за механической эрозии подвижных твердых частиц. Это требует более тщательной очистки газа от пыли - в циклоне и электрофильтре. Подсистема обжига колчедана представлена технологической схемой, показанной на рис.4.

Поддержание высокой концентрации S02 в обжиговом газе печи КС позволяет лучше использовать тепловой потенциал реакции горения. Добавление воздуха после обжига позволяет снизить температуру газа и получить необходимые концентрации SO2 и О2 перед реактором окисления. Сера - легкоплавкое вещество: температура плавления 113 °С. Перед сжиганием ее расплавляют, используя пар, получаемый при утилизации теплоты ее горения. Расплавленная сера отстаивается и фильтруется для удаления имеющихся в природном сырье примесей и насосом подается в печь сжигания. Сера горит в основном в парофазном состоянии.

Рис. 4. Технологическая схема обжига колчедана:

- тарельчатый питатель; 2 - печь (реактор) кипящего слоя: 3 - котел-утилизатор; 4 - циклон; 5 - электрофильтр

Чтобы обеспечить ее быстрое испарение, необходимо ее диспергировать в потоке воздуха. Для этого используют форсуночные и циклонные печи. Первые оборудованы горизонтальными форсунками для тонкого распыления жидкости. В циклонной печи жидкая сера и воздух подаются тангенциально и за счет вихревого движения достигается диспергирование жидкости и перемешивание двух потоков.

Рис. 5. Зависимость адиабатической температуры горения серы Т от концентрации образующегося S02

Рис. 6. Технологическая схема сжигания серы:

- фильтр серы; 2 - сборник жидкой серы с погружным насосом; 3 - печь сжигания; 4- котел-утилизатор

Мелкие капли быстро испаряются, и сера в парообразном состоянии сгорает. Горение протекает адиабатически, и температура зависит от концентрации образующегося SO2 (рис. 5). Теплота горения серы 11325 кДж/кг, и температура в печи - более 1000 °С. Этих условий достаточно для испарения жидкой серы (теплота испарения 288 кДж/кг, температура кипения 445 °С). Печь сжигания работает в комплексе со вспомогательным оборудованием для плавления и фильтрования серы и котлом- утилизатором для использования тепла реакции (рис. 6).

При горении серы по реакции 1/2S2 + O2 = SO2 часть кислорода эквимолярно переходит в диоксид серы, и потому суммарная концентрация O2 и SO2 постоянна и равна концентрации кислорода в исходном газе), так что при сжигании серы в воздухе

Газ от сжигания серы богаче кислородом, чем от сжигания колчедана.

Промывка газа после обжига. Газы обжига колчедана содержат в виде примесей соединения фтора, селена, теллура, мышьяка и некоторые другие, образующиеся из примесей в сырье. Естественная влага сырья также переходит в газ. При горении образуется некоторое количество SO3 и, возможно, оксиды азота. Эти примеси приводят или к коррозии аппаратуры, или к отравлению катализатора, а также сказываются на качестве продукта - серной кислоты. Их удаляют в промывном отделении, упрощенная схема которого приведена на рис. 5.29. В первой промывной башне 1 обжиговый газ охлаждается от 300 - 500 до 60 - 70 °С и улавливаются остатки пыли. Башня полая, чтобы избежать забивания насадки твердым осадком (пылью), и орошается 50 - 60%-й серной кислотой для частичного поглощения химических примесей.

Рис. 7. Схема промывного отделения производства серной кислоты: I, 2- промывные башни; 3 - мокрый электрофильтр, 4 - сушильная башня

Разбавленная кислота образует в башне сернокислотный туман с развитой поверхностью, что способствует лучшей абсорбции примесей. Обеспыленный газ отмывается 15 - 20%-й кислотой от соединений As, F, Se во второй промывной башне 2 с насадкой. Частички тумана укрупняются, что облегчает их удаление вместе со сконденсировавшейся влагой в последующем мокром электрофильтре 3. Это необходимо, поскольку капли тумана содержат растворенные примеси и вызывают сильную коррозию оборудования. Окончательное удаление остатков влаги осуществляется в сушильной башне 4, орошаемой концентрированной серной кислотой - хорошо известным осушающим агентом. Очищенный газ поступает в турбогазодувку, обеспечивающую его транспортировку через систему. Такое расположение нагнетателя рационально вдвойне: во-первых, в него не попадают корродирующие вещества и, во- вторых, стадии обжига и промывки находятся под небольшим разрежением, что способствует больше засасыванию воздуха в систему, чем выбросам грязных и токсичных газов в атмосферу.

Материальный и тепловой баланс печи для обжига колчедана рассчитывают по общепринятой методике (см. ч. I, гл. II). В качестве примера рассмотрим материальный и тепловой баланс печи КС-450.

Исходные данные для расчета:

Производительность печи (100% H2SO4) GH2SO4i, т/……..20,833

Степень использования серы β ……………………………0,885

Расход сухого колчедана (45% S) на 1 т H2SO4 α, т………..0,82

серы в колчедане Cs ............................ 41

влаги в колчедане Свл…………………….6

серы в огарке Cs (ог) ............................. 1

SO2 в сухом обжиговом газе CSO2.. 14,5

SO3 в сухом обжиговом газе CSO3.... 0,1

Температура, 0С:

колчедана tколч.................................... 20

воздуха tвоз,......... .............................. 20

обжигового газа на выходе из печи tг 850

огарка toг............................................ 850

Относительная влажность воздуха ȹ, %         50

Расчет:

Общее содержание серы в колчедане:

Количество сухого колчедана:

Количество влаги в колчедане:

Количество огарка

Количество серы в огарке:

Потери серы с огарком:

Количество выгоревшей серы:

 - Gs(ог) = 7695-140 = 7555 кг/ч.

Общий объем SO2 + SO3:

Объем SO2:

Объем SO3:

Концентрация кислорода в обжиговом газе определяется по формуле

где n - содержание кислорода в воздухе, n = 21%; m - стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул двуокиси серы, по балансовому уравнению 4FeS2 + 110а = 8SO2 + 2Fe2O3; m = 11 : 8 = 1,375.

Объем сухого обжигового газа:

Объем кислорода в обжиговом газе:

Объем азота в обжиговом газе:

Объем сухого воздуха, поступающего на обжиг колчедана (воздух содержит 79% N2),

Материальный баланс печи КС-450

Объем паров в воздухе (при 20° С и относительной влажности воздуха ȹ = 50% давление паров воды в нем PН2O = 8,77 мм.рт.ст)

Общий объем паров воды в обжиговом газе'

Тепловой баланс печи КС-450

Количество

Расход

Количество

10-3 кДж

%

103 кДж

%

Тепло сухого колчедана Тепло влаги колчедана Тепло сухого воздуха Тепло влаги воздуха Тепло горения колчедана

204  101  993  13,4  100 656

0,20  0,10  0,97  0,01  98,72

Тепло огарка   Тепло обжигового газа  Теполопотери  Тепло на получение пара в кипящем слое

8 380  46 128  1 022   46 437

8,2  45,3  1,0   45,5

Всегo

~ 101 967

100

Всего

101 967

100

Как видно из таблицы теплового баланса, тепло горения колчедана преобладает над другими статьями прихода тепла, так что ими можно пренебречь в ориентировочных расчетах. В таблице учтено тепло, израсходованное на получение пара непосредственно в кипящем слое. Однако пар получается также за счет использования тепла отходящего обжигового газа. Таким образом, большая часть тепла горения колчедана используется полезно.

Расчет основных показателей печи КС-450

Исходные данные для расчета:

Высота кипящего слоя печи КС в спокойном состоянии, H0, м …1,0

Интенсивность работы печи I, кг/м3 сут ………………..10000

Количество сжигаемого сухого колчедана, содержащего 41% S,

Gколч, кг/ ч ............................................. …………...18 768

Температура газа, °С

на входе в котел-утилизагор tвх........... ……………….850

на выходе из котла-утилизатора tвых.. ………………450

Теплоемкость обжигового газа сг, кДж/ м3 ………………….1,43

Диаметр печи определяем исходя из уравнения

где F - поверхность пода печи, м2,

G' - количество сухого колчедана (45% S), сжигаемого в печи, определяют по формуле

Рис 8. Диаграмма теплового баланса печи КС-10

Количество тепла, используемого в котле-утилизаторе (если потери тепла в нем составляют 1%), определяют по уравнению

Общее количество используемого тепла (в печи КС и в котле-утилизаторе) составляет [учитывая, что Qп = 46 437 000 кДж/ч (см тепловой баланс)]

Количество получаемого пара

где q - энтальпия пара при 40 атм, q = 2790 кДж/кг.

Количество получаемого пара в пересчете на 1 т H2SO4

или 1,17 т/т H2S04.

Окисление диоксида серы. Реакция

2 + 1/2O2 = SO3

является обратимой, экзотермической, протекает на катализаторе с уменьшением объема. Тепловой эффект реакции при температуре 500 °С Qp = 94,2 кДж/моль. Константа равновесия Кр [атм-0.5] зависит от температуры и в интервале 400 - 700 °С равна

 Кр = 4905/T- 4,6455.

Согласно закону действующих масс, при равновесии

где PSO3.p , PSO2.p p , PO2 p - парциальные давления соответствующих компонентов в состоянии равновесия, атм.

Абсорбция триоксида серы - последняя стадия процесса, в которой образуется серная кислота. Взаимодействие SO3 с Н2O

03 + Н20 = H2S04

протекает достаточно интенсивно как в жидкой, так и в газообразной (паровой) фазах. Кроме того, H2S04 может растворять в себе SO3, образуя олеум Этот продукт удобен для транспортировки, поскольку он не вызывает коррозии даже обычных сталей. Растворы сер ной кислоты чрезвычайно агрессивны. Олеум является основным продуктом сернокислотного производства.

Рис. 9. Схема реактора окисления S02;

- слои катализатора; 2 - промежуточные теплообменники; 3 - смеситель; 4 - внешний теплообменник; Хг - ввод холодного газа

Особенностью системы "H2O-H2SO4-SO3" является то, что в широком интервале концентраций раствора H2SO4 в паровой фазе присутствуют почти чистые пары воды, а над олеумом (раствор SO3 в H2SO4) в газовой фазе преобладает S03. Одинаковый состав жидкой и паровой фаз (азеотропная точка) будет при концентрации серной кислоты 98,3%. Если S03 поглощать раствором с меньшей концентрацией, то реакция (5.11) будет проте кать и в паровой фазе - будет образовываться туман серной кислоты, который уйдет из абсорбера с газовой фазой. А это - и потери продукта, и коррозия аппаратуры, и выбросы в атмосферу. Если SO3 абсорбировать олеумом, то поглощение будет неполным.

Из этих свойств следует двухстадийная (двухбашенная) схема абсорбции (рис. 10.). Газ, содержащий S03, после реактора проходит последовательно олеумный 1 и моногидратный 2 абсорберы. Другой компонент реакции (Н2О) подается противотоком в моногидратный абсорбер. За счет интенсивной циркуляции жидкости (абсорбента) в ней можно поддерживать близкую к оптимальной концентрацию H2S04 - 98,3% (увеличение концентрации за проход жидкости не более 1-1,5%). Техническое название такой кислоты - моногидрат, откуда и название абсорбера. Концентрационные условия абсорбции обеспечивают полное поглощение S03 и минимальное образование сернокислотного тумана. Кислота из моногидратного абсорбера поступает в олеумный. В нем циркулирует 20%-й раствор SO3 в H2SO4, который частично отбирается как конечный продукт - олеум. Кислота из предыдущего абсорбера - моногидрат - также может быть продуктом.