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
|
Слои |
I |
II |
III |
IV |
|
Температурный режим в контактном аппарате, оС |
440–600 |
460–500 |
440–450 |
420–425 |
|
Температурный режим в теплообменнике, оС |
600–460 |
500–440 |
450–420 |
420 |
|
Хр |
0,70 |
0,90 |
0,96 |
0,98 |
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 Кр 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 хА,е составит
SО2 О2 СО2 N2 SО3
а – а · хА,е b – 0,5а · хА,е т п а · хА,е
Общее число равновесной смеси:
а – а · хА,е + b – 0,5а · хА,е+ т + п + а · хА,е = 1 – 0,5а · хА,е
Константа равновесия
может быть рассчитано по уравнению (стр.433, [1]):
При температуре 520оС (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.
|
Приход |
Расход |
||||||
|
Статья |
моль/ч |
об. % |
кг/ч |
Статья |
моль/ч |
об.% |
кг/ч |
|
SО2 О2 СО2 N2 |
2207,42 3366,17 129,47 26664 |
6,82 10,4 0,4 82,38 |
141,275 107,717 5,697 746,590 |
SО2 SО3 О2 СО2 N2 |
215,87 2002 2365,82 129,47 26664 |
0,688 6,38 7,54 0,412 84,98 |
13,815 160,160 75,706 5,697 746,590 |
|
Всего |
32367,06 |
100 |
1001,279 |
Всего |
31377,16 |
100 |
1001,279 |
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.
