Проведение полного комплекса опытных испытаний на пилотных установках и оптимизация конструкционных узлов и элементов

 

Самой основной стадией производства серной кислоты является процесс

каталитической конверсии SO2 в SO3 и повышение степени окисления (стадия 3).  Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SO2.

Чаще всего в промышленности каталитическую конверсию SO2 в SO3 осуществляют в контактных аппаратах полочного типа с наружным теплообменом. Совокупность контактного аппарата, теплообменников и газопроводов представляет собой контактный узел. На рис. 1 показан контактный узел сернокислотной системы оборудованный контактным аппаратам фильтрующего типа 1, подогревателем 2, и выносными теплообменниками 3.

Рисунок 1. Принципиальная схема контактного узла производства серной кислоты с выносными теплообменниками /6/:

1 - контактный аппарат; 2 – подогреватель; 3 – теплообменники.

 

Конверсия SO2 в SО3 проводится в контактных аппаратах с промежуточным или внутренним теплообменом (Рис.2). В аппаратах с промежуточным теплообменом газ после каждого слоя катализатора охлаждается в теплообменнике, котле-утилизаторе или поддувом холодного газа. В аппарате с внутренним теплообменом газ из первого слоя катализатора поступает во второй, в котором расположены теплообменные трубы с циркулирующими в них более холодным газом.

Рисунок 2. Принципиальная схема контактного узла производства серной кислоты с внутренним теплообменном:

1 - контактный аппарат; 2 – встроенные внутренние теплообменники.

 

В настоящий момент проводятся исследования по применению в производстве серной кислоты катализаторов с наименьшими гидравлическим сопротивлением и высокой поверхностью массо- и теплообмена – микро- и нанокатализаторов, т.е. проведение процесса конверсии SO2 в SО3 в контактных аппаратах с псевдоожиженным (кипящим) слоем.

В контактном аппарате  с псевдоожиженным (кипящим) слоем холодильные элементы размещены в самом слое контактной массы. Охлаждение проводится холодной водой или другим хладагентом. 

Каталитическая конверсия SO2 в SО3 в псевдоожиженом (кипящем) слое позволяет увеличить поверхность контакта газа с катализатором при интенсивном перемешивании, вследствие чего происходит увеличение скорости окисления SO2 в SО3. При этом, как вытекает из экспериментальных исследований, расход катализатора снижается в два раза. В аппаратах с псевдоожиженным (кипящим) слоем не только уменьшается объем катализатора, но газ может подаваться в аппарат с температурой ниже температуры зажигания и концентрация его может быть выше обычной (7-7,5%). Перечисленные преимущества делают процесс окисления в псевдоожиженом (кипящем) слое весьма перспективным.

 

Рисунок 3. Принципиальная схема контактного узла производства серной кислоты с псевдоожиженным (кипящим) слоем:

1 - контактный аппарат с псевдоожиженным (кипящим) слоем катализатора; 2 – встроенные внутренние теплообменники.

 

Гидравлическое сопротивление кипящего слоя не зависит от размера зерен, поэтому для каталитической конверсии SO2 в SО3 в псевдоожиженом (кипящем) слое применяют очень мелкие сферические гранулы катализатора (радиус 0,5-2 мм), что обеспечивает практически полное использование внутренней его поверхности. Интенсивность процесса в псевдоожиженом (кипящем) слое повышается также вследствие постоянства температуры во всем слое /2/.

Присутствие некоторого количества пыли в газе, поступающий в пседоожиженный (кипящий) слой катализатора, не вызывает затруднений, так как вследствие большой скорости газа и интенсивного перемешивания пыль в кипящем слое не задерживается.

Заменять отработанный и загружать свежий катализатор в кипящем слое можно без остановки процесса, что очень важно при работе по упрощенным технологическим схемам, допускающим присутствие в газе контактных ядов.

 

К достоинствам контактных аппаратов кипящего слоя относятся:

- высокий коэффициент теплоотдачи от катализатора в состоянии кипящего слоя к

поверхности теплообменника (в 10 раз больше, чем от газа), что позволяет без перегрева вести контактирование печного газа с высоким содержанием оксида серы (IV) и снизить температуру зажигания катализатора;

-нечувствительность к пыли, вносимой вместе с печным газом.

 

В настоящее время в производстве серной кислоты и олеума контактным способом наиболее распространенной является технологическая схема с использованием принципа двойного контактирования ДК—ДА (двойное контактирование — двойная абсорбция).

Технологический процесс производства серной кислоты из элементарной серы контактным способом отличается  рядом особенностей:

особая конструкция печей для получения печного газа;

повышенное содержание оксида серы (IV) в печном газе;

отсутствие стадии предварительной очистки печного газа.

Производство серной кислоты из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (Рис. 4) состоит из нескольких стадий:

Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню, где он осушается 93-98%-ной серной кислотой до содержания влаги 0,01% по объему; Осушенный воздух поступает в серную печь после предварительного подогрева в одном из теплообменников контактного узла.

Сжигание (горение) серы представляет собой гомогенную экзотермическую реакцию, которой предшествуют переход твердой серы в жидкое состояние и ее последующее испарение:

STB→ SЖ → Snap.

 

Таким образом, процесс горения протекает в газовой фазе в потоке предварительно высушенного воздуха и описывается уравнением:

S + О2 → SO2 + 297,028 кДж.

 

 

Рисунок 4. Схема производства серной кислоты из серы по методу ДК—ДА /6/:

1-серная печь; 2-котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4-пусковая топка; 5, 6-теплообменники  пусковой топки; 7-контактный аппарат; 8-теплообменники; 9-олеумный абсорбер; 10-сушильная башня; 11 и 12-первый и второй моногидратные абсорберы; 13-сборники кислоты.

 

Для сжигания серы используют печи форсуночного и циклонного типов. В форсуночных печах расплавленная сера распыляется в камере сгорания сжатым воздухом через форсунки, которые не могут обеспечить достаточно полного перемешивания паров серы с воздухом и необходимой скорости горения. В циклонных печах, работающих по принципу центробежных пылеуловителей (циклонов), достигается значительно лучшее смешивание компонентов и обеспечивается более высокая интенсивность горения серы, чем в форсуночных печах.

Газ, содержащий 10-14% по объему SO2, охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO2 9-10% по объему при 420°С поступает в контактный аппарат на первую стадию конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора (SO2+V2O2→SO3+96,296 кДж), после чего газ охлаждается в теплообменниках;

Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO3, при 200°С поступает на первую стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый олеумом и 98%-ной серной кислотой:

 

SO3 + Н2О→Н2SO4+130,56 кДж.

 

Далее газ проходит очистку от брызг серной кислоты, нагревается до 420°С и поступает на вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй ступени, орошаемый 98%-ной серной кислотой, и затем после очистки от брызг выбрасывается в атмосферу.

 

Подготовка к каталитической конверсии SO2 вSO3, полученного при сжигании серы, значительно проще. Сера практически не содержит примесей, которые при сжигании могли бы стать каталитическими ядами, а также печной газ  отличается более высоким содержанием SO2 и не содержит большого количества пыли.

Эта схема отличается простотой и получила название «короткой схемы» (Рис.5), поэтому схема переработки значительна упрощается.

 

Рисунок 5. Производство серной кислоты из серы (короткая схема):

1 — плавильная камера для серы; 2 — фильтр жидкой серы; 3 — печь для сжигания серы; 4 — котел-утилизатор; 5 — контактный аппарат; 6 — система абсорбции оксида-серы (VI); 7— холодильники серной кислоты.

 

Очистка газа заключается в его осушке. Так как осушка концентрированной серной кислотой происходит при низких температурах, целесообразно подвергать осушке не обжиговый газ, который пришлось бы специально охлаждать, а холодный воздух, подаваемый на сжигание серы. Обжиговый газ в этом случае будет содержать минимально допустимое количество паров воды и для проведения контактного окисления его нужно лишь охладить в котлах-утилизаторах до температуры зажигания катализатора. В связи с чем, в «короткой схеме» отсутствуют громоздкие и дорогостоящие оборудования – экономайзер, пусковая топка, теплообменники пусковой топки, теплообменники.

 

 

 

 

2. Предварительная технико-экономическая оценка способа получения серной кислоты конверсией SO2 в SО3 в псевдоожиженном (кипящем) слое катализатора.

 

Экономическую эффективность производства серной кислоты определяют три основных показателя:

- удельные капитальные  затраты;

- себестоимость продукции;

- производительность труда.

Эти показатели связаны между собой и зависят от производительности системы, ее технологического и аппаратурного оформления и организации производства.

Капитальными затратами называется большая одновременная затрата средств на строительство предприятия. Чем качественнее аппаратура и материалы, из которых она изготовлена, чем выше уровень контроля и регулирования процесса, тем больше капитальные затраты. Однако эксплуатационные затраты при этом снижаются. Таким образом, при проектировании необходимо учитывать все конкретные условия и факторы, определяющие капитальные затраты, необходимые для строительства производства.

Удельные капитальные затраты – более наглядные показатели, чем капитальные затраты, они получаются от деления общей стоимости сернокислотной установки на ее годовую производительность.

Проектная стоимость строящегося сернокислотного завода СП «СКЗ Казатомпром» мощностью 180 тыс.тн серной кислоты в год составляет около 23 000 тыс. $ США, следовательно, удельные капитальные затраты будут равны 23 000:360 = 63,8  $ в год на 1 тн серной кислоты.

В таблице 1 приведены ориентировочные удельные капитальные затраты в производстве серной кислоты из различного сырья.

 

Таблица 1. Удельные капитальные затраты в производстве серной кислоты.

Сырье	Удельные капитальные затраты, %
Пирит	100
Сера:              - самородная              - от очистки нефтяных газов	107,7 80,9
Отходящие газы металлургических производств	71,9
Сероводород	59,9
Фосфогипс	98,1

 

 

Как видно из таблицы 1, наиболее низкие затраты при получении контактной серной кислоты из сероводорода. Наиболее высокие затраты при получении серной кислоты из природной серы обусловлены стоимостью добычи серы /2/, а также затрат на ее подготовку – измельчение, механическая очистка, плавление.

Накопленный за последние годы опыт работы одиночных сернокислотных систем показывает, что при использовании сырья постоянного состава, высококачественном оборудовании, а также при поддержании устойчивого технологического режима нет необходимости в кратковременных остановках производства.

В таблице 2 приведены сравнительные капитальные затраты производства серной кислоты из серы по традиционной схеме и метода с использованием каталитической конверсии SO2 в SO3в псевдоожиженном слое мощностью 180 тыс.тн серной кислоты в год.

Таблица 2. Сравнительные капитальные затраты в производстве серной кислоты.

Отделение	Капитальные затраты,%	Традиционная схема, тыс. $	Каталитическая конверсия SO2 в SO3в псевдоожиженном слое, тыс.$	Примечание
Склад сырья Печное Очистное Контактное Абсорбционное Склад кислоты	11 16 6 28 26 13	2 530 3 680 1 380 6 440 5 980 2 990	2 530 3 680 - 2 576 5 980 2 990	Снижение затрат составят 23 % или 5 244 тыс. $ США
	100	23 000	17 756

 

Из таблицы 2 видно, что при одинаковых мощностях сернокислотного производства, снижение капитальных затрат по предлагаемому способу составляют 23 % или 5 244 тыс.$ США из-за:

- не надобностью Очистного отделения;

- сокращения количества  используемого катализатора на 50%;

- упрощения технологической  системы контактного узла –  отсутствие теплообменников и  экономайзеров.

Технико-экономические расчеты от внедрения мобильных сернокислотных установок с псевдоожиженным (кипящим) способом каталитической конверсии SO2 в SО3 мощностью 10-25 тыс. тн H2SO4 будут приведены после проведения полного комплекса опытных испытаний и определения окончательных технологических параметров технологического процесса.

3. Материально-тепловой расчет  и определение параметров контактного аппарата опытно-промышленной установки

 

Исходные данные: