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

Объем газа, поступающего на контактирование – 6,48 н.м3;

В том числе SО2 – 7,1 % об., N2 – 81% об., О2 – 11,9% об.;

Степень контактирования – 98%;

Тепловые потери от приходной части баланса – 10,5%.

 

Материальный баланс

Состав газа поступающего на контактирование приведен в таблице 3:

      Таблица 3. Состав газа перед конверсией.

компонент	об.%	н·м3	кмоль	кг
SО2	7,1	0,46	0,002	1,28
N2	81	5,25	0,23	6,44
О2	11,9	0,77	0,034	1,088
Всего	100	6,48	0,266	8,808

 

 
   

Пример расчета первой строки:

6,48*7,1%=0,46 н·м3.

1 моль газа при нормальных  условиях занимает 22,4 л, следовательно 0,46/22,4=0,02 кмоль.

Молярная масса SО2 составляет 32+2·16=64 г/моль, соответственно масса 0,02·кмоль SО2 составит 0,02·64=1,28 кг.

Аналогично рассчитываются значения в остальных строках.

 

Расчет состава газа после контактирования производим для основной конверсии 95% и для дополнительного узла конверсии 98 % отдельно.

Окисление SО2 в SО3 происходит по реакции:

 

2SО2+О2→2 SО3.

 

При степени контактирования 95% количество образовавшегося ангидрида составит:

(80*1,28*95)/ 64*100 =1,52 кг.

 

Осталось SО2           1,28*0,05=0,064 кг.

 

Количество кислорода, вступившее в реакцию окисления:

(0,5*32*1,28*95)/64*100= 0,304 кг.

 

Осталось кислорода                1,088 – 0,314=0,774 кг.

Полученные данные приведены в таблице 4.

 

Таблица 4. Состав газа после контактирования при степени конверсии 95%.

компонент	об.%	н·м3	кмоль	кг
SО2	0,35	0,0224	0,001	0,064
N2	83,77	5,15	0,23	6,44
О2	8,95	0,55	0,245	0,784
SО3	6,93	0,426	0,019	1,52
Всего	100,00	6,148	0,2745	8,808

 

 

Пример расчета первой строки:

Масса оставшегося SО2 составляет 0,025 кг, что составляет 0,064/64=0,001 кмоль.

Объем газа 0,001*22,4=0,0224 н.м3.

Аналогично рассчитываются значения в остальных строках.

 

При степени контактирования 98% количество образовавшегося ангидрида составит:

(80*1,28*98)/ 64*100 =1,568 кг.

 

Осталось SО2    1,28*0,02=0,025 кг.

 

Количество кислорода, вступившее в реакцию окисления:

(0,5*32*1,28*98)/64*100= 0,314 кг.

 

Осталось кислорода        1,088 – 0,314=0,774 кг.

Полученные данные приведены в таблице 5.

Таблица 5. Состав газа после контактирования при степени конверсии 98%.

компонент	об.%	н·м3	кмоль	кг
SО2	0,146	0,009	0,0004	0,025
N2	83,91	5,15	0,23	6,44
О2	8,64	0,53	0,024	0,774
SО3	7,3	0,448	0,02	1,568
Всего	100,00	6,137	0,2744	8,808

 
Пример расчета первой строки:

 
Пример расчета первой строки:

Масса оставшегося SО2 составляет 0,025 кг, что составляет 0,025/64=0,0004 кмоль.

Объем газа 0,0004*22,4=0,009 н.м3.

Аналогично рассчитываются значения в остальных строках.

Полученные данные сведем в таблицу 6:

Таблица 6. Материальный баланс контактного узла.

Введено			Выведено при 95 %			Выведено при 98 %
компонент	кг	об. %	компонент	кг	об.%	компонент	кг	об. %
SО2	1,28	7,1	SО2	0,064	0,35	SО2	0,025	0,146
N2	6,44	81	N2	6,44	83,77	N2	6,44	83,91
О2	1,088	11,9	О2	0,784	8,95	О2	0,774	8,64
			SО3	1,52	6,93	SО3	1,568	7,30
Всего	8,808	100	Всего	8,808	100	Всего	8,808	100,00

 

 

Достижение степени конверсии SО2 в SО3 с 95% до 98% позволит увеличить производства серной кислоты на 3,5% и достижение санитарных норм ПДК SО2 в выбросных газах (таблица 7):

Таблица 7. Значение ПДК.

Предельно-допустимая концентрация ПДК, мг/м3
Максимально-разовая	Среднесуточная	Фактически ожидаемая
0,5	0,05	0,0002

 

 

Расчеты увеличения производительности будут приведены в окончательном отчете.

 

Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса /8/:

Q1+Q2=Q1'+Q2',

 

где Q1 – тепло, вносимое газами;

Q2 – тепло экзотермической  реакции окисления;

Q1' – тепло, уносимое газами  после контактирования;

Q2' – тепловые потери.

 

Расчет введенного тепла:

 

Q1= ,

 

Где, , - теплоемкости соответственно SО2, N2, О2

Q1=50·(9,96·19,02+6,81·216,96+7,01·31,88)=94520,8 ккал.

 

Тепло экзотермической реакции окисления Q2.

Изменение теплового эффекта реакции:

2SО2+О2↔2 SО3.

 

С температурой выражается зависимостью:

Q=24205-2,21·Т ккал/кмоль.

 

Число контактных аппаратов неизвестно, поэтому среднюю температуру контактирования можно принять равной 500ºС:

Q=24205-2,21·773=22495 ккал/кмоль.

Q2=Q· =22495·18,621=418879,4 ккал.

ΣQ=Q1+Q2=94520,8+418879,4=513400,2 ккал.

 

Расчет выведенного тепла.

Температуру выходящих из контактного узла газов можно принять ≈250ºС

Q1=

 

Q1=t·(15,33·18,621+10,52·0,399+6,97·216,96+7,22·22,569)=1954,8·t ккал

Тепловые потери в размере 5% от ΣQ:

Q2=0,105·ΣQ=0,105·513400,2=53907,0 ккал

513400,2=53907,0+1954,8·t

t=235ºС

Полученные данные приведены в таблице 8.

Таблица 8. Тепловой баланс контактного узла.

Введено			Выведено
Статья баланса	ккал	%	Статья баланса	ккал	%
Физическое тепло газов	94520,8	18,41	Тепло отходящих газов	459493,2	89,5
Тепло экзотермической реакции	418879,4	81,59	Тепловые потери	53907,0	10,5
	513400,2	100		513400,2	100

 

 

При расчете материального и теплового баланса сумма введенных и выведенных элементов одинакова, из чего следует, что расчеты произведены корректно.

На основании материального и теплового балансов окисления SО2 в SО3 в 2012 году рассчитаны размеры и изготовлена пилотная установка по производству серной кислоты, разработанная фирмой «Хемианлагенбау Хемниц Гмбх» (САС). Данная установка сооружена на базе фирмы «ШВИНГ Флюид Техник ГмбХ», расположенной по адресу: Одерштрассе,7, 47506, Нойкирхен-Флюйн, вблизи г. Дуйсбурга на западе Германии.

Пилотная установка сооружена в отапливаемом цеху. Температура воздуха внутри помещения   более 5 °C.

Установка состоит из следующих узловых компонентов:

- узла хранения, подачи, системы  регулирования и подогрева исходного  газа SO2;

- конвертера для подогрева  и охлаждения сернистых газов под загрузку 80 литров катализатора, с возможностью заполнения и удаления катализатора;

- патронного  фильтра  для отделения частиц катализатора  из газового потока;

- газоанализатора SO2 для измерения концентрации на входе в конвертер и остатка на выходе из конвертера;

- узла абсорбции и нейтрализации  SO2   и  SO3.

 

При этом размер конвертора составляет:

Диаметр – 344 мм;

Высота – 1750 мм;

Реакционный объем – 160 л;

Площадь контакта – 93 000 мм2. 

 

Размеры патронных фильтров:

3 патрона под углом 1200 в диаметре 466 мм;

Высота – 634 мм.

 

В декабре 2012 года и в январе 2013 года были проведены испытания, целью которой являлись:

- выбор реактора с псевдоожиженным слоем фирмы Швинг в роли конвертера для

конверсии SO2;

- применение катализатора фирмы БАСФ на основе пятиокиси ванадия с

диапазоном размеров частиц от 200 - 500 мкм;

- испытание этого катализатора на нескольких испытательных этапах;

- исследование каталитической активности (лаборатория ТУ Горной академии Фрайберг);

- механическая и термическая  стабильность (специальный испытательный стенд и реактор в техникуме фирмы Швинг);

- проведение испытаний в заданных технологических и температурных режимах (реактор в техникуме фирмы Швинг).

В результате проведенных  испытаний  были получены следующие результаты:

- степень конверсии SO2 в SO3 составил  92- 95 % в одну ступень каталитической конверсии. В традиционных классических сернокислотных системах данное значение достигается после третьей ступени катализа;

- хорошая флюидизация и температурное распределение в слое катализатора;

- температура реакции на выходе из конвертора составила 480°C. В действующих сернокислотных производствах данное значение температуры составляет 620-680 оС, а охлаждение газового потока до рабочей температуры процесса – 380-400 оС требуют огромных трудовых и энергетических затрат /3/.

В связи с этим считаем, что полученные результаты на данном этапе явились точкой отсчета для дальнейшего проведения научно-исследовательских работ, которые должны включить в себя:

- разработка нового катализатора, который будет отличаться от катализатора БАСФ новым носителем и более высокой износостойкостью;

- разработка системы реакторов, состоящая из конвертера с псевдоожиженным слоем и контактного аппарата с неподвижным слоем катализаторов, которая обеспечит степень конверсии SO2 в SO3 не менее 98 %.

 

Так как основным элементом химико-технологической системы является химический реактор, в котором осуществляются химические процессы, состоящие из реакций массо- и теплопереноса, остальные аппараты, расположенные до и после реактора изготовляются методом подбора с учетом коэффициента запаса 1,5-2,0.

 

 

 

 

 

 

4. Оптимизация конструкций основных узлов и элементов  установки - для изготовления дополнительного конвертора и патронных фильтров.

Для оптимизации конструкций основных узлов и элементов  установки были проведены следующие мероприятия:

1. Для обеспечения высокой эффективности контакта «газ-катализатор»

усовершенствованы элементы каналов подачи газовой смеси форсунок конвертора.

2. Для уменьшения парциального давления газовой смеси в реакционной зоне

катализа модернизирована система газоходов установки.

3. Для предотвращения не естественной потери катализатора (проскока)

оптимизирована конструкция патронных фильтров – определен оптимальный диаметр отверстий Ø= 200-300 мкм.

4. Для обеспечения степени конверсии SO2 в SO3 не менее 98 % рассчитаны

размеры дополнительного  контактного аппарата со следующими параметрами /4/:

- диаметр Ø= 200 мм,

- высота Н= 650 мм,

- площадь контактирования F= 31 400 мм2,

- объем катализатора Vk= 10 литров.

Для окончательного выбора схема пилотной установки предлагается

проведение дальнейших испытаний в 3-х вариантах:

- Вариант 1.Дополнительную конверсию SO2 проводить в контактном аппарате после предварительной абсорбции SO3, полученных от основной конверсии (95%) (Рисунок 6);

Рисунок 6. Вариант 1. Схема дополнительной конверсии SO2 в контактном аппарате с промежуточной абсорбцией.

 

- Вариант 2. Проведение дополнительной  конверсии SO2  в контактном аппарате после охлаждения газовой смеси до температуры 380-400 оС (Рисунок 7);

Рисунок 7. Вариант 2.  Схема дополнительной конверсии SO2  в контактном аппарате после охлаждения газовой смеси.