Химическая промышленность: производство серной кислоты

       

     Рис. 7. Зависимость скорости окисления оксида серы (IV) от температуры при различных степенях превращения Х₁ < Х₂ < Х₃ < Х₄ 

     Линия АА, соединяющая точки оптимальных температур, называется линией оптимальной температурной последовательности (ЛОТ) и указывает, что для достижения наилучших результатов процесс контактирования следует начинать при высокой температуре, обеспечивающей большую скорость процесса (на практике около 600 ^оС), а затем для достижения высокой степени превращения снижать температуру, выдерживая температурный режим по ЛОТ. Линии ВВ и СС на рис. 7 очерчивают область допустимых температур в реальном технологическом процессе контактирования.

     В таблице 2 представлен температурный режим работы 4-х слойного контактного аппарата с промежуточным теплообменом, установленный в соответствии с изложенным выше принципом:

     Таблица 2. Температурный режим контактного узла 

       

     Таким образом, противоречие между кинетикой и термодинамикой процесса процесса окисления оксида серы (IV) достаточно успешно снимается конструкцией и температурным режимом работы контактного аппарата. Это достигается разбивкой процесса на стадии, каждая из которых отвечает оптимальным условиям процесса контактирования. Тем самым определяются и начальные параметры режима контактирования: температура 400 - 440 ^оС, давление 0,1 МПа, содержание оксида серы  (IV) в газе 0,07 об. долей, содержание кислорода в газе 0,11 об. долей.

 

      5. Аппаратурно-технологическая схема тонкой очистки сернистого газа и окисления сернистого ангидрида в четырехслойном контактном аппарате с фильтрующими слоями катализатора. 

     Реакторы или контактные аппараты для каталитического окисления оксида серы (IV)по своей конструкции делятся на аппараты с неподвижным слоем катализатора (полочные или фильтрующие), в которых контактная масса расположена в 4-5 слоях, и аппараты кипящего слоя. Отвод тепла после прохождения газом каждого слоя катализатора осуществляется путем введения в аппарат холодного воздуха или газа, или с помощью строенных в аппарат или вынесенных отдельно теплообменников.

     В настоящее время в производстве серной кислоты и олеума контактным методом наиболее распространенной является технологическая схема с использованием принципа двойного контактирования «ДКДА» (двойное контактирование - двойная абсорбция). Часть подобной схемы, за исключением печного отделения и отделения общей очистки газ, технологически однотипных для всех схем, представлена на рис. 9.

     Производительность установки до 1500 т/сут по моногидрату. Расходные коэффициенты (на 1 т моногидрата): колчедан 0,82 т, вода 50 м³, электроэнергия 82 кВт·ч.

     Рис. 9. Технологическая схема производства серной кислоты из колчедана двойным контактированием ДКДА.

     1 - полая промывная башня, 2 - промывная башня с насадкой, 3 - увлажнительная башня, 4 - электрофильтры, 5 - сушильная башня, 6 - турбогазодувка, 7 - сборники 75 %-ной кислоты, 8 - сборник продукционной кислоты, 9 - теплообменники, 10 - контактный аппарат, 11 - олеумный абсорбер, 12 и 13 - моногидратные абсорберы. Потоки продуктов: I - печной газ при 300 ^оС, II - 75 %-ная серная кислота, III - охлажденная 98 %-ная кислота, IV - продукционная кислота на охлаждение, V - охлажденный олеум или моногидрат, VI - продукционный олеум на охлаждение, VII - выхлопные газы. 

6. Материальный баланс 1 ступени контактного аппарата окисления сернистого газа. 

     Данные для расчета:

     1. Общая производительность по серной кислоте в пересчете на моногидрат - 127 т/час;

     2. полнота абсорбции серного ангидрида - 99,8 %;

     3. состав исходного газа:

     SО₂ - 6,82 % (об.), О₂ - 10,4 % (об.), СО₂ - 0,4 % (об.), N₂ - 82,38 % (об.);

     температура 520 ^оС;

     степень достижения равновесия - α = 0,650

     1. Рассчитаем равновесную степень превращения SО₂ в SО₃. Рассмотрим расчет равновесия по известным значениям К_р для реакции окисления диоксида серы:

     SО₂ + 0,5О₂ + СО₂ +N₂ <=> SО₃ + СО₂ +N₂

     а          b         т      п          

     где а, b, т, п - количество (моль) компонентов исходной смеси  SО₂, О₂, СО₂ и N₂ (а + b+ т + п = 1).

     Количество каждого компонента (моль) при достижении равновесной степени превращения х_А,е составит

     SО₂                    О₂                      СО₂      N₂       SО₃

     а - а · х_А,е         b - 0,5а · х_А,е        т         п        а · х_А,е  

     Общее число равновесной смеси:

     а - а · х_А,е +  b - 0,5а · х_А,е+ т + п + а · х_А,е  = 1 - 0,5а · х_А,е

     Константа равновесия

     

     может быть рассчитано по уравнению (стр.433, [1]):

     

     При температуре 520^оС (793 К) константа равновесия равна:

     

     Состояние равновесия реакции можно характеризовать значениями равновесной степени превращения

     

     Обозначив общее давление через р, выразим равновесные давления компонентов:

                    

     Тогда

     

     отсюда

         (6)

     Подставляя исходные данные в уравнение (6), получим (р = 0,1 МПа):

     

     Откуда методом итераций находим и, следовательно, в равновесной смеси содержится:

     

     

     

     SО₃ - 6,38 % (об.), SО₂ - 0,688 % (об.), О₂ - 7,54 % (об.), СО₂ - 0,412 % (об.), N₂ - 84,98 % (об.);

     2. Практическая степень превращения равна:

     

     3. Суммарное уравнение окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI) и абсорбции оксида серы (VI) с образованием серной кислоты:

     SО₂ + 0,5О₂ + Н₂О Н₂SО₄

     64 г/моль                            98  г/моль

     Исходя из уравнения реакции для получения 127 кг/ч серной кислоты необходимо оксида серы (IV):

             кг

     С учетом рассчитанной степени превращения и заданной полноты абсорбции, практически необходимо  оксида серы (IV):      

      кг

       моль

     4. Пересчитаем объемный состав газа в массовый.

     Общее количество моль газовой  смеси равно

       моль

     Количество компонентов исходной смеси равно:

      моль

      кг

       моль

      кг

        моль

      кг

     Количество компонентов полученного газа:

      моль

      кг

        моль

      кг

     Общее количество моль газовой  смеси равно

      моль

      моль

      кг

      моль

      кг

      моль

      кг

     Результаты расчетов сведем в таблицу 3 
 
 
 
 
 
 

     Таблица 3. Материальный баланс процесса контактного аппарата окисления сернистого газа. 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Литература. 

     1. Кутепов А. М. Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология. М. Высш. школа. 1990.

     2. Соколов Р. С. Химическая технология. - М: Гуманит. изд. Центр БЛАДОС, 2000.

     3. Расчеты химико-технологических процессов // Под общ. ред. И. П. Мухленова. - Л.: Химия, 1976

     4. Бесков В. С., Сафронов В. С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. - М.: Химия, 1999.

     5. Общая химическая технология и основы промышленной экологии.// под ред. В. И. Ксензенко. - М.: «КолосС», 2003.