Контактный узел состоит из контактного аппарата, кожухотрубного теплообменника и не показанного на схеме огневого пускового подогревателя газа. В теплообменнике пускового подогревателя газ нагревается перед поступлением в аппарат при пуске или при падении температуры в аппарате ниже нормы.
Обычно применяются полочные контактные аппараты. Такой аппарат имеет цилиндрический корпус диаметром от 3 до 10 и высотой 10-20 м. Внутри корпуса установлены четыре-пять решеток со слоем гранул контактной массы на каждой из них. Между слоями контактной массы установлены промежуточные трубчатые или коробчатые теплообменники. Свежий газ подогревается за счет тепла прореагировавшего горячего газа сначала во внешнем теплообменнике, потом он частично или полностью проходит для подогрева последовательно три-четыре внутренних теплообменника, при 440-450 оС поступает в первый слой контактной массы. Эта температура регулируется открыванием задвижек. Главное назначение внутренних теплообменников - охлаждение частично окисленного и разогретого в слое катализатора газа, таким образом, чтобы режим ступенчато приближался к кривой оптимальных температур.
Режим работы пятиполочного аппарата с промежуточными теплообменниками для поступающего газа концентрацией 7% SO2 и 11% О2 представлен на диаграмме.Диаграмма x-t для пятислойного аппарата с промежуточным тпелообменом Оптимальная кривая 2 , соответствующая максимальной скорости реакции, рассчитана по формуле
Tоп=4905/(lg(x/((1-x)*((C(O2)-0.5C(SO2)*x)/(100-0.C(SO2)*x))0.5))+4.937)
где 4905= ; 4,937 - функция константы равновесия, теплоты реакции и энергии активации; Qр - тепло реакции, которое при температуре зажигания катализатора можно рассчитать по упрощенной формуле
Qр=10140-9,26Т дж/моль (24205-2,21Т кал/моль).
Эта формула справедлива для ванадиевых катализаторов при энергии активации Е=21,5 ккал/г-моль SO3 (90,0 кдж/г-моль), и протекании процесса в кинетической области.
Пунктирные кривые на рис.3 соответствуют скоростям реакции, составляющим 0,9; 0,8; 0,7 и 0,5 от максимальной (на оптимальной кривой). Линии б рассчитаны на основе теплового баланса теплообменников.
Как видно из этого рисунка для пятиполочного аппарата при исходном газе 7% SO2 четыре слоя катализатора могут работать при скоростях реакции не ниже чем 0,8 от максимальной и лишь первый слой имеет неудовлетворительный температурный режим. Однако в первом слое происходит чрезвычайно быстро ввиду большой концентрации реагентов, поэтому количество катализатора в нем незначительно. Уменьшение числа слоев катализатора приводит к сильному отклонению от оптимальной кривой и понижению конечной степени окисления , а увеличение числа слоев катализатора усложняет конструкцию аппарата. Пять слоев считается оптимумом.
Производительность контактных аппаратов в пересчете на H2SO4 в зависимости от их размеров составляет от 50 до 500 т в сутки H2SO4. Разработаны конструкции контактных аппаратов мощностью 1000 и 2000 т в сутки. В аппарат загружают 200-300 л контактной массы на 1 т суточной выработки.
Трубчатые контактные аппараты применяются для окисления SO2 реже, чем полочные.
Для окисления сернистого газа повышенной концентрации рационально применять контактные аппараты с кипящими слоями катализатора.
Абсорбцию серного ангидрида по реакции
SO3+H2O аH2SO4+9200 дж
обычно проводят в башнях с насадкой, так как барботажные или пенные абсорберы при большой интенсивности работы обладают повышенным гидравлическим сопротивлением. Если парциальное давление водяных паров над поглощающей кислотой значительно, то SO3 соединяется с H2O в газовой фазе и образует мельчайшие капельки трудноуловимого сернокислотного тумана. Поэтому абсорбцию ведут концентрированными кислотами. Наилучшей по абсорбционной способности является кислота, содержащая 98,3% Н2SO4 и обладающая ничтожно малой упругостью как водяного пара, так и SO3. Однако за один цикл в башне невозможно закрепление кислоты с 98,3% до стандартного олеума, содержащего 18,5-20% свободного серного ангидрида. Ввиду большого теплового эффекта абсорбции при адиабатическом процессе в башне кислота разогревается и абсорбция прекращается. Поэтому для получения олеума абсорбцию ведут в двух последовательно установленных башнях с насадкой: первая из них орошается олеумом, а вторая - 98,3%-ной серной кислотой. Для улучшения абсорбции охлаждают как газ, так и кислоту, поступающую в абсорбер, при этом увеличивается движущая сила процесса.
Во всех башнях контактного производства, включая и абсорберы, количество орошающей кислоты во много раз больше, чем нужно для поглощения компонентов газа (Н2О, SO3) и определяется тепловым балансом. Для охлаждения циркулирующих кислот устанавливаются обычно оросительные холодильники, в трубах которых, орошаемых снаружи холодной водой, протекает охлаждаемая кислота.
Производство серной кислоты значительно упрощается при переработке газа, получаемого сжиганием предварительно расплавленной и профильтрованной природной серы, почти не содержащей мышьяка. В этом случае чистую серу сжигают в воздухе, который предварительно высушен серной кислотой в башне с насадкой. Получается газ 9% SO2 и 12% О2 при температуре 1000 оС, который сначала направляется под паровой котел, а затем без очистки в контактный аппарат. Интенсивность работы аппарата больше, чем на колчеданном газе, вследствие повышенной концентрации SO2 и О2. В аппарате нет теплообменников, так как температура газов снижается добавкой холодного воздуха между слоями. Абсорбция SO3 производится так же, как и в технологической схеме.
Важнейшие тенденции развития производства серной кислоты контактным способом: 1) интенсификация процессов проведением их во взвешенном слое, применением кислорода, производством и переработкой концентрированного газа, применением активных катализаторов; 2) упрощение способов очистки газа от пыли и контактных ядов (более короткая технологическая схема); 3)увеличение мощности аппаратуры;
4) комплексная автоматизация производства; 5) снижение расходных коэффициентов по сырью и использование в качестве сырья серусодержащих отходов различных производств ;6) обезвреживание отходящих газов.
[Предыдущая страница]
By Baranenko Denis