Технологическая схема производства серной кислоты контактным способом

Первая полая  промывная башня 6 работает в испарительном режиме: циркулирующая кислота охлаждает газ, при этом теплота затрачивается на испарение воды из кислоты, поступающей на орошение. Концентрацию орошающей кислоты в первой башне, равную 40... 50%-ной H₂SO₄, поддерживают постоянной путем разбавления 10... 15%-ной кислотой из второй промывной башни 7. Кислота из второй башни поступает в сборник 18 и после охлаждения возвращается на орошение.

После второй промывной  башни газ проходит последовательно  две пары мокрых электрофильтров 8 и 9, затем насадочную сушильную башню 10, орошаемую 93...94%-ной серной кислотой при температуре 28...30°С. Кислота циркулирует между сушильной башней 10 и сборником 18, часть кислоты отводится как готовая продукция на склад. Для поддержания постоянной концентрации H₂SO₄ в сборник кислоты 18 вводят 98... 99%-ную кислоту из моногидратных абсорберов 17 и 20. Для поддержания постоянной температуры на стадии осушки циркулирующую кислоту охлаждают в холодильнике воздушного охлаждения 22. Перед сушильной башней обжиговый газ разбавляют воздухом для снижения в нем концентрации SO₂ до 9 % и увеличения избытка кислорода в соответствии с оптимальными условиями окисления диоксида серы.

После сушильной  башни обжиговый газ проходит через фильтр-брызгоуловитель 11 и поступает в турбогазодувку 12. В теплообменниках 13 газ нагревается за счет теплоты продуктов реакции до температуры зажигания катализатора (420...440°С) и поступает на первый слой контактного аппарата, где происходит окисление 74 % SO₂ с одновременным повышением температуры до 600°С. После охлаждения до 465°С газ поступает на второй слой контактного аппарата, где степень превращения достигает 86%, а температура газа возрастает до 514ºС. После охлаждения до температуры 450ºС газ поступает на третий слой контактного аппарата, где степень превращения SO₂  увеличивается до 94...94,5 %, а температура повышается до 470°С.

Затем реакционный газ охлаждают в теплообменниках 13 до 100°С и направляют на абсорбцию первой ступени: сначала в олеумный абсорбер 21, затем в моногидратный абсорбер 20. После моногидратного абсорбера и фильтра-брызгоуловителя газ вновь нагревают до температуры 430°С и подают на четвертый слой катализатора. Концентрация SO₂ в газе составляет теперь 0,75...0,85 %. В четвертом слое происходит окисление остаточного SO₂ с конверсией ≈ 80 %, сопровождающееся повышением температуры до 449°С. Реакционную смесь вновь охлаждают до температуры 409°С и направляют на последний (пятый) слой контактного аппарата. Общая степень превращения после пяти стадий контактирования составляет 99,9%.

Газовую смесь после охлаждения направляют в моногидратный абсорбер второй ступени абсорбции 17. Непоглощенный газ, состоящий в основном из воздуха, пропускают через фильтр 11 для выделения брызг и тумана и выбрасывают в атмосферу через выхлопную трубу.

Производительность установки  составляет до 1500 т/сут по моногидрату.

Расход на 1 т моногидрата: колчедана 0,82 т, воды 50 м³, электроэнергии 82 кВт -ч.

 

2.2.  Печи для обжига колчедана

 

Для обжига колчедана  существуют печи различных конструкций: механические полочные (многоподовые), вращающиеся цилиндрические, печи пылевидного обжига, печи для обжига в кипящем слое.

В механических полочных печах обжиг колчедана ведут  на нескольких полках (сводах, подах), расположенных этажами друг над другом. Перемешивание и перемещение колчедана с пода на под производится механически.

Вращающиеся цилиндрические печи представляют собой вращающийся  барабан, установленный наклонно. Колчедан подают с верхнего конца, огарок выгружают  через нижний конец печи.

Печи пылевидного обжига получили свое название в связи с тем, что колчедан в них сжигается в виде тонко измельченной взвеси (пыли), подаваемой через форсунки в шахту печи, представляющую собой вертикальный полый цилиндр.

Печи для обжига колчедана  в кипящем, или, как принято говорить, во взвешенном слое, характеризуются тем, что колчедан в печи находится во взвешенном состоянии, напоминающем кипение. Это достигается продуванием через слой с большой скоростью воздуха.

Производительность печей  выражают в количестве условного колчедана, содержащего 45% серы, сжигаемого в печи в 1 сутки. Для определения производительности печей введено понятие интенсивность.

Интенсивность работы печи характеризуется количеством колчедана, сжигаемого в сутки на 1 м² поверхности рабочих подов печи, в 1 м³ объема печи или на 1 м² сечения шахты печи, т. е. для каждого типа печи принято свое выражение (размерность) интенсивности (напряженности) работы печи.

В качестве реакторов  для обжига колчедана могут применяться  печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС).

Кипящий слой называют также  взвешенным, псевдоожиженным слоем. Внешне такой слои находится как  бы в состоянии кипения. Это достигается тем, что через слой измельченного сырья (например, колчедана), находящегося на решетке с отверстиями, подают воздух с такой скоростью, что колчедан не проваливается через решетку и не лежит на ней, а находится в состоянии беспорядочного движения. Это наглядно показано на рис.2. При кипении объем слоя увеличивается: первоначальная высота его (в покое) Н₀ меньше, чем высота Н, соответствующая состоянию кипения.

Рис. 2. Схема идеального кипящего слоя:

а - неподвижный слой, б - кипящий слой; 1 - аппарат постоянного  поперечного сечения, 2 - распределительная  решетка, 3 - твердые частицы

В настоящее время  новые сернокислотные системы оборудуются  преимущественно печами КС. Механические печи на действующих заводах постепенно заменяются печами этого типа.

Существенными достоинствами  метода обжига колчедана в печах КС являются:

а) возможность получения концентрированного сернистого газа (12 15% SO₂) с низким содержанием серного ангидрида и мышьяка в обжиговом газе,

б) высокая интенсивность  печей. Так, интенсивность печей  КС [в кг/(м²сут)] в 80 раз выше интенсивности механических печей и в 4 раза — печей пылевидного обжига.

Печи с взвешенным (кипящим) слоем представляют собой  цилиндрическую футерованную камеру с  решеткой, на которую непрерывно поступает  колчедан. Под решетку подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц во взвешенное состояние, но не достаточной для их уноса из печи. Частицы колчедана находятся в непрерывном движении, напоминающем кипение жидкости. Время пребывания частиц колчедана в печи составляет несколько секунд. Постоянный приток воздуха обеспечивает почти полное выгорание серы из колчедана. Взвешенный слой имеет высоту, определяемую расположением патрубка для вывода огарка. Частицы огарка свободно вылетают через патрубок благодаря высокой подвижности взвешенного слоя (рис.3).

Печи КС отличаются высокой интенсивностью (до 10000 кг/м²∙сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа и контроль температуры, облегчают процесс утилизации теплоты реакции обжига. К недостаткам печей КС следует отнести повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку. В настоящее время печи КС полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

 Рис.3 – Печь для обжига колчедана в кипящем слое.

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчетная часть

 

3.1. Материальный баланс

 

Исходные данные:

Вариант	Производительность печи, т/ч (G H2SO4)	Степень использования  серы (β)	Расход сухого колчедана, т (β)	Содержание,%					Содержание в воздухе,%		Относительная влажность  воздуха,% (φ)
				Серы в колчедане (Cs)	Влаги в колчедане (Cвл)	Серы в  огарке (Cs(ог))	SO2 в сухом  обжиговом газе (C SO2)	SO3 в сухом обжиговом газе(C SO3)	O2 (n)	N2(CN2)
6	18,38	0,815	0,84	40	6	1,2	13,8	0,1	20	79	51

 

 

Расчет:

1) Общее содержание  серы в колчедане:

G =   =   = 7372 кг/ч.

2) Количество  сухого колчедана:

G = = = 18430 кг/ч.

3) Количество  влаги в колчедане:

= = = 1176 кг/ч.

4) Количество  огарка: G = = = 13927 кг/ч.

5) Количество  серы в огарке:

=167 кг/ч.

6) Потери серы  с огарком:

= 2,265%

7) Количество  выгоревшей серы: 

   G_S - G _S(ог) =7372-167=7205 кг/ч.

8) Общий объем SO₂+SO₃:

V = = 5034 м ³ /ч

9) Образовалось SO₂:

V_SO2= = = 4998 м³/ч

10) Образовалось SO₃:

V_SO3=V -V =5034 – 4998= 36 м³/ч.                                

11) Концентрация  кислорода в обжиговом газе:

С =n-[m- ] C -[ m+0,5 ] C ,

где   n - содержание кислорода в воздухе, n=20%;

        m - стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул диоксида серы, по уравнению 4FeS₂+11O₂=8SO₂+2Fe₂O₃; m=11:8=1,375;

 

C =20-[1,375- ]13,8-[1,375+0,5 0,1 = 1,91 %.

 

12) Объем сухого  обжигового газа:

V_Г= = 36217 м³/ч. 

13) Объем кислорода  в обжиговом газе:

V = = = 692 м^3/ч.    

14) Объем азота  в обжиговом газе:

V =V -(V +V +V ) = 36217- (4998+36+692) = 30491 м³/ч.

15) Объем сухого  воздуха, поступающего на обжиг  колчедана:

V_В= = = 38596 м³/ч. 

16) Количество паров в воздухе

V_Н2О= = = 455 м³/ч. 

17) Общее количество паров воды в обжиговом газе:

V_{Н 2О} = = 1918 м³/ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материальный  баланс печи КС

 

Приход	Количество		Расход	Количество
	Кг	м3		Кг	м3
Колчедан	18430	-	огарок	13927	-
влага колчедана	1176	-
сухой воздух	49789	38596	SO2	14594	4998
			SO3	69	36
			O2	989	692
			N2	38114	30491
			H2O	1147	1918
Влага в воздухе		455
Всего	69395	39051	Всего	68840	38135

 

3.2. Теплового баланс

 

Исходные данные:                                        

Вариант	Теплоемкость							Теплопотери, %	Теплота обжига колчедана , ккал	Температура,0С
	Ккал/кг град		Ккал/м3град							Колчедана	воздуха	Огарка	обжигового газа
	колчедана	Огарка	Воздуха	SO2	SO3	O2	N2
6	0,173	0,36	0,31	0,342	0,342	0,34	0,341	35	1285000	26	20	550	700

 

Расчет:

Приход теплоты:

1) Теплота вносимая сухим колчеданом:

Q₁ = 0,173·26·18430·1000/18430=4498 ккал

2) Теплота поступающая с сухим  воздухом:

Q₂ = 38596·0,31·20·1000/18430= 12984 ккал

3) Теплота поступающая с влагой  колчедана:

Q₃ = 1176·26·1·1000/18430=1659 ккал

4) Теплота поступающая с влагой  воздуха:

Q₄= 455·0,36·20·1000/18430=178 ккал

5) Теплота обжига Q₅по условию задачи 1285000 ккал

 

Общий приход теплоты:

4498+12984+1659+178+1285000=1304319 ккал

 

Расход теплоты:

1) Теплота, уносимая с огарком при 550 С:

Q₆= 13927·0,36·550·1000/18430=149623 ккал

2) Теплота, уносимая с обжиговым  газом:

Q₇= (4998 · 0,342   + 36· 0,342 + 692· 0,34 + 30491·0,341) ·700= 469186 ккал

3) Теплопотери печи  по условию 31% от прихода теплоты:

Q₈= 1304319 · 35/100= 456512 ккал

4) Расход теплоты: 

Q₉= Q₆+ Q₇+ Q₈= 149623+469186+456512= 1075321 ккал

5) Количество теплоты, которое  нужно отвести из печи с  воздухом:

Q₁₀=1304319-1075321 = 228998 ккал

 

Тепловой баланс обжига 1 т влажного колчедана

Приход		Расход
Статья прихода	Количество,	Статья расхода	Количество,
	Ккал		Ккал
С сухим колчеданом	4498	С огарком	149623
С сухим воздухом	12984	С обжиговым газом	469186
С влагой колчедана	1659	Теплопотери	456512
С влагой воздуха	178	С охлаждающим воздухом	228998
От обжига колчедана	1285000
Всего	1304319	Всего	1304319