Сушильно –абсорбционное отделение производства серной кислоты Основной аппарат – олеумный абсорбер

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБЩЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ИМЕНИ

В.С. ЧЕРНОМЫРДИНА

 

 

 

 

ФАКУЛЬТЕТ : ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

КАФЕДРА : «ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ НА ПРЕДПРИЯТИИ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

по дисциплине «Технология химических производств»

 

 

ТЕМА: «Сушильно –абсорбционное отделение производства серной кислоты

               Основной аппарат – олеумный абсорбер»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                       Выполнила студентка 

                                                               4-го курса 408259

                                                                       Специальность 080502

                                                        Вахтина А.А.

                                                    Проверил :

 

 

 

 

Москва 2012 г.

Оглавление

1. Введение

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

 Серная  кислота – наиболее сильная  и самая дешевая кислота. Среди  минеральных кислот, производимых  химической промышленностью, серная  кислота по объему производства  и потребления занимает первое место.

Серная  кислота не дымит, в концентрированном  виде не разрушает черные металлы, в  то же время является одной из самых  сильных кислот, в широком диапазоне  температур (от –40…-20 до 260 – 336,5*С) находится  в жидком состоянии. Она широко используется в производстве минеральных удобрений, различных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т.д. Серная кислота находит разнообразное  применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотталкивающего и осушающего средства, применяется  в процессах нейтрализации, травления  и т.д. Наиболее важные области применения серной кислоты отражены на схеме.Еще в XIII веке серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO4, поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса.В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце ХIХ и начале ХХ века. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение диоксида серы при сжигании сернистого сырья. После очистки диоксида серы (особенно в контактном методе) ее окисляют до триоксида серы, который соединяют с водой с получением серной кислоты. Окисление SO2 в SO3 в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы. В настоящее время контактным методом получают концентрированную серную кислоту, олеум и 100% серный ангидрид.

Одновременно  с увеличением объема производства серной кислоты расширяется ассортимент  продукции сернокислотных заводов, организуется выпуск особо чистой кислоты, 100% SO2, высококачественного олеума и  кислоты, а также увеличивается  производство новых продуктов на основе SO2. Кроме олеума, концентрированной  серной кислоты и аккумуляторной кислоты, отечественные заводы выпускают  также более чистую контактную кислоту  улучшенного качества (для производства искусственного волокна, титановых белил и др.), чистый олеум, химически чистую и реактивную серную кислоту.

За последние  годы в процессе производства серной кислоты внесены существенные улучшения. Широко применяется обжиг колчедана  в кипящем слое и сжигание серы в циклонной печи, значительно  увеличивается использование тепла, выделяющегося при обжиге сырья, и на других стадиях производства серной кислоты. Непрерывно повышается производительность башенных сернокислотных систем в результате поддержания  оптимального технологического режима, разработанного на основе исследований; интенсивность башенных систем достигает 250 кг/м3 в сутки. Освоен контактно-башенный процесс производства серной кислоты, при котором расход HNO3 составляет 6 – 7 кг на 1 тонну H2SO4.

В контактном методе производства серной кислоты  окисление диоксида серы в триоксид осуществляется на твердых контактных массах. Благодаря усовершенствованию контактного способа производства, себестоимость более чистой и высококонцентрированной контактной серной кислоты лишь незначительно выше, чем башенной. В настоящее время свыше 90% всей кислоты производится контактным способом.

В качестве катализаторов контактного процесса теперь применяется термически стойкая  ванадиевая контактная масса (в виде гранул и колец) с пониженной температурой зажигания. Проведены работы по освоению процесса окисления SO2 в кипящем  слое катализатора. Важным усовершенствованием  является двойное контактирование, при котором обеспечивается высокая степень окисления SO2 на катализаторе (до 99,8%) и потому исключается необходимость в дополнительной санитарной очистке отходящих газов.Внедряется процесс конденсации H2SO4, заменяющий абсорбцию серного ангидрида.

Также для  производства серной кислоты используют ангидрид или безводный сульфат  кальция CaSO4, гипс или двуводную соль CaSO4*2H2O и фосфогипс, представляющий собой отход производства концентрированных фосфорных удобрений (смесь гипса, соединений фтора, окислов фосфора, SO2 и других примесей).

В нитрозном  способе катализатором служат оксиды азота. Окисление SO2 происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в  башнях с насадкой. Поэтому нитрозный  способ по аппаратурному признаку называют башенным. Сущность нитрозного метода состоит в том, что обжиговый  газ обрабатывается серной кислотой, в которой растворены окислы азота. Сернистый ангидрид обжигового газа поглощается нитрозой, и затем  окисляется окислами азота по реакции: SO2 + N2O3 + H2O = H2SO4 + 2NO. Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется, а затем частично окисляется кислородом до NO2. Смесь NO и NO2 вновь поглощается H2SO4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Абсорбция триоксида серы

 

Последней стадией процесса производства серной кислоты контактным способом является абсорбция триоксида серы из газовой смеси и превращение его в серную кислоту.

 nSO3 + H2O = H2SO4 + (n-1)SO3+Q………(3)

 если n>1, то получается олеум (раствор SO3 в H2SO4)

 если n=1, то получается моногидрат (98,3% H2SO4)

 если  n<1, то получается разбавленная серная кислота

При выборе абсорбента и условий проведения стадии абсорбции необходимо обеспечить почти 100%-ное извлечение SO3 из газовой  фазы. Для полного извлечения SO3 необходимо, чтобы равновесное парциальное  давление SO2 над растворителем было ничтожно малым, так как при этом будет велика движущая сила процесса абсорбции. Однако, в качестве абсорбента нельзя использовать и такие растворы, над поверхностью которых велико равновесное парциальное давление паров воды. В этом случае еще не растворенные молекулы SO3 будут реагировать с молекулами воды в газовой фазе с образованием паров серной кислоты и быстро конденсироваться в объеме с образованием мельчайших капель серной кислоты, диспергированных в инертной газовой среде – азоте, т.е. с образованием сернокислотного тумана:

 SO3(г) + H2O(г) H2SO4(г) H2SO4(туман) ; Q>0

Туман плохо  улавливается в обычной абсорбционной  аппаратуре и в основном уносится с отходящими газами в атмосферу, при этом загрязняется окружающая среда и возрастают потери серной кислоты.

 Высказанные  соображения позволяют решить  вопрос о выборе абсорбента. Оптимальным  абсорбентом является 98,3%-ная серная  кислота (техническое название  – моногидрат), соответствующая  азеотропному составу. Действительно,  над этой кислотой практически  нет ни паров воды, ни паров  SO3. Протекающий при этом процесс  можно условно описать уравнением  реакции:

SO3 + nH2SO4 + H2O= (n+1) H2SO4

 Использование в качестве поглотителя менее концентрированной серной кислоты может привести к образованию сернокислотного тумана, а над 100%-ной серной кислотой или олеумом в паровой фазе довольно велико равновесное парциальное давление SO3, поэтому он будет абсорбироваться не полностью. Однако если в качестве одного из продуктов процесса необходимо получить олеум, можно совместить абсорбцию олеумом (1-й абсорбер) и абсорбцию 98,3%-ной кислотой (2-й абсорбер).

В принципе при высоких температурах над 98,3%-ной кислотой может быть значительным парциальное давление паров самой кислоты, что также будет снижать степень абсорбции SO3. Ниже 100*С равновесное давление паров H2SO4 очень мало и поэтому может быть достигнута практически 100%-ная степень абсорбции.

Таким образом, для обеспечения высокой степени  поглощения следует поддерживать в  абсорбере концентрацию серной кислоты, близкую к 98,3%, а температуру ниже 100*С. Однако в процессе абсорбции SO3 происходит закрепление кислоты (повышение ее концентрации) и в силу экзотермичности реакции увеличивается температура. Для уменьшения тормозящего влияния этих явлений абсорбцию ведут так, чтобы концентрация H2SO4 при однократном прохождении абсорбера повышалась только на 1-1,5%, закрепившуюся серную кислоту разбавляют в сборнике до концентрации 98,3%, охлаждают в наружном холодильнике и вновь подают на абсорбцию, обеспечивая высокую кратность циркуляции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АБСОРБЦИОННОЕ ОТДЕЛЕНИЕ СОВРЕМЕННОГО КОНТАКТНОГО ЗАВОДА

В абсорберах серная кислота извлекает  из газовой смеси только триоксид серы, остальная часть газа, пройдя абсорберы, удаляется в атмосферу. Обычно S0₃ поглощается в двух последовательно соединенных абсорберах: в первом — олеумном и во втором — моногидратном (рис.1.)

Из контактного отделения газ  поступает в ангидридный холодильник, а затем в олеумный абсорбер (см. рис. 1). Поглощая серный ангидрид, олеум нагревается за счет тепла реакции образования H₂S0₄. Горячий концентрированный олеум вытекает из абсорбера 2 в сборник; сюда же добавляется необходимое количество моногидрата для разбавления. Из сборника олеум перекачивается через трубчатый холодильник 5 (или холодильник другого типа) на орошение абсорбера 2. Часть олеума непрерывно передается на склад или используется для получения концентрированной кислоты.

Газ из олеумного абсорбера 2 поступает в моногидратный абсорбер 3, орошаемый 98,3%-ной серной кислотой (моногидрат). При поглощении триоксида серы кислота нагревается и концентрация ее повышается. Из абсорбера 3 моногидрат стекает в сборник, куда для разбавления добавляется кислота из сушильной башни или вода. Горячая кислота из сборника перекачивается для охлаждения в оросительный холодильник 4 и вновь поступает на орошение моногидратного абсорбера 3.Часть моногидрата непрерывно передается в олеумный сборник и, в сушильную башню. Газы из моногидратного абсорбера проходят фильтр 6 для выделения брызг и тумана серной кислоты и выводятся в атмосферу.

Для для выпуска всей продукции в виде стандартного олеума доля триоксида серы, поглощаемого в олеумном абсорбере, должна составлять 31% всего количества S0₃. В действительности, в олеумном абсорбере поглощается до 70% SO3. Вследствие этого уменьшается нагрузка на моногидратный абсорбер, но в нем образуется меньше серной кислоты, чем требуется для разбавления, олеума и поддержания его заданной концентрации. Чтобы предотвратить нарушение установленного режима абсорбции, часть олеума направляют в сборник моногидрата и разбавляют сушильной .кислотой или водой до концентрации моногидрата.

Основной показатель работы абсорбционного    отделения - полнота абсорбции SO3; при оптимальном режиме моногидратного абсорбера отходящие газы практически прозрачны, в них содержатся только следы сердаой кислоты.  При концентрации кислоты, орошающей моногидратный абсорбер, менее и более 98,3%  H2SO4 образуется туман и отходящие газы становятся видимыми. В моногидратном абсорбере туман образуется также при повышенной влажности газа. Обычно в газе после сушильных- башен остается 0.01% водяных паров. Поскольку в газе после контактного аппарата содержится большое количество SО₃, то при охлаждении газа пары воды полностью, превращаются  в  пары H2SO4,  концентрация  которых составляет также 0,01%, или 0,437 г/м³.

Пары серной кислоты конденсируются на поверхности насадки абсорбера. При очень низкой температуре    орошающей кислоты или при повышенной влажности газа (содержание серной кислоты в газе более 0,437 г/м³) часть паров серной кислоты конденсируется в объеме с образованием тумана, который не осаждается в абсорберах и выбрасывается в атмосферу.

При отсутствии ангидридных холодильников и при высокой температуре газа на выходе в абсорбер газовая фаза иногда обогащается парами серной кислоты за счет местного перегрева олеума на некоторых участках олеумного абсорбера (внизу) и испарения серной кислоты. В таких случаях содержание сернокислотного тумана в отходящих газах повышается.

Аппаратура абсорбционного отделения

Олеумный (первый) абсорбер. Газ из контактных аппаратов поступает в олеумный абсорбер, который представляет собой скруббер с насадкой (рис. 2), выполненный в виде стального вертикального цилиндра 1. В нижней части его расположена колосниковая решетка 2, на которую укладывают насадку 3 (стальные и керамические кольца).

На старых заводах стенки абсорбера футерованы кислотоупорным кирпичом, а колосниковая решетка смонтирована из андезитовых или других кислотоупорных плит. На новых контактных заводах стальные стенки олеумного абсорбера не футерованы, колосниковая решетка смонтирована из стальных балок.

Для равномерного распределения  кислоты по насадке абсорбера применяются различные устройства и приспособления - стальные плиты, в которые вставлены стальные или фарфоровые трубки, распределительные желоба, распылители и др. На новых контактных заводах устанавливают стальные распределители кислоты, по конструкции аналогичные устройствам для распределения сушильной кислоты.

Поскольку даже для выпуска  всей продукции в виде олеума только 1/3 триоксида серы должна поглощаться в олеумном абсорбере, поверхность соприкосновения в нем газа с орошающим олеумом может быть небольшой, вследствие чего на некоторых заводах устанавливают олеумные абсорберы без насадки. Необходимая поверхность соприкосновения газа с жидкостью создается путем разбрызгивания олеума.

Размеры олеумного абсорбера и количество олеума, подаваемого на орошение, зависит от производительности сернокислотной системы. Обычно на 1 т/ч продукции требуется поверхность насадки в абсорбере от 600 до 1000 м² при скорости газа в насадке до 1 м/с и плотности орошения 10-12 м³/м² сечения олеумного абсорбера.

Моногидратный абсорбер устроен так же, как сушильная башня орошается 98,3%-ной серной кислотой. В абсорбере кислота поглощает SO3 и концентрация ее повышается. В сборнике моногидрата кислота разбавляется водой или сушильной кислотой до, начальной концентрации и через холодильник вновь поступает на орошение моногидратного абсорбера; плотность орошения составляет около 20м³/(м^2*ч).

На некоторых установках олеумный абсорбер подключен к моногидратному абсорберу в шунт. В этом случае газ после ангидридного холодильника разделяется на два потока, один из которых направляется непосредственно в моногидратный абсорбер, а второй вначале поступает в олеумный абсорбер, а из него в моногидратный. Такая схема позволяет включать в работу олеумный абсорбер только в тех случаях, когда необходимо выпускать олеум.

Смесители кислоты. При добавлении воды к концентрированной кислоте (олеуму или моногидрату) можно получить кислоту любой концентрации. При смешении концентрированной серной кислоты с водой выделяется большое количество тепла, возможно бурное выделение паров и выброс раствора из сосуда, поэтому кислоту смешивают с водой в специальных аппаратах, называемых смесителями, соблюдая соответствующие меры пред-осторожности.

Смесители для приготовления  кислоты низкой концентрации выполняются из кислотостойкого материала, для приготовления концентрированной кислоты - из чугуна.

При выпуске товарной продукции  в виде технической контактной кислоты ее обычно выводят из сушильных башен. Для этого в одной из сушильных башен поддерживают концентрацию кислоты, соответствующую стандартным требованиям на контактную техническую серную кислоту, и по мере накопления ее передают из сборника на склад. В таких случаях в абсорбционном отделении (где происходит разбавление) выделяется значительно больше тепла, чем при выпуске олеума, поскольку моногидрат приходится разбавлять водой.

При смешении концентрированной  кислоты с водой или с более  разбавленной серной кислотой необходимо рассчитать количество смешиваемых кис< лот. Расчеты производятся по так называемому правилу креста

 

 

Рис. 3 Технологическая схема производства серной кислоты из флотационного колчедана:

 

1,  10 —-нагнетатели;  2 - печь   КС:   3 - котел-утилизатор;   4 - циклон;   5 - сухой   электрофильтр;   6, 7-1-я и 2-я промывные башни;  8- мокрые электрофильтры;  9 - сушильная башня;  11- теплообменники;  12 –конта-ктный аппарат;  13, 14 - моногидратные абсорберы; 15-холодильники кислоты.

Технологический режим  абсорбции

 

Схемы абсорбционных отделений  на заводах мало отличаются друг от друга, сходны также применяемые технологические режимы. Ниже приведены примерные нормы технологического режима абсорбционного отделения на одном из контактных заводов:

Температура на выходе из абсорбера, °С, не более

олеумного  60

моногидратного  60

Концентрация  орошающей кислоты в абсорбере

в олеумном, % S0₃  (своб)  20±1

в моногидратном, % H2SO4  98,6±0,2

Степень абсорбции, %, не менее  99,95

 

Современная схема производства серной кислоты из флотационного колчедана с окислением SО₂ в процессе двойного контактирования показана на рис.3. Из нагнетателя 10 газ, проходит теплообменники 11 и поступает на первый, а затем на второй и третий слои контактной массы аппарата 12. После третьего слоя газ подают в промежуточный моногидратный абсорбер 13, а затем в теплообменник и в четвертый "слой контактной массы. Охлажденный в теплообменнике газ проходит абсорбер 14 и далее выводится в атмосферу.

 

 

 Материальный баланс сушильно-абсорбционного отделения

 

Исходные  данные:

Производительность      завода,       т/ч

H_aS0₄ …………..10

Степень превращения х    .     .     .     0,98

 Полнота  поглощения SO3

в олеумном абсорбере y .     .     .     0,5

общая z     .     ....     .     .     0,9995

Концентрация

олеума,   орошающего    олеумный

абсорбер  С0, %  SO₃  (своб) .     .     20 [85,3%  SO₃  (общ)]

моногидрата С_м,  %  HaSOi        .     98 [80%  SO₃ (общ)]

сушильной кислоты С_п, % H2SC4      93 Расход обжигового газа,  м³/ч    .     .     ……..  26820 в том числе:

SЩ₂ …………….2350

Щ₂ …………….2220

N₂  …………….21460

пары   Н2О…………………………660

SO3 ……………………....................130

Барометрическое давление P, Па …… 1,01*10/5

Разрежение  перед сушильной башней

P_р Па 2,9.10»

Температура газа на входе в сушиль 
ную башню, °С 32

Давление  паров воды   в   этом   газе

РН.О, Па 4,75-10»

Содержание   SO2  в газе  после разбавления воздухом и осушки а,   % ………………7

     Перед сушильной башней концентрация диоксида серы в газе снижается до 7% путем добавления воздуха при температуре 20 °С, насыщенного на 50% парами воды. В результате промывки обжигового газа разбавленной серной кислотой в промывных башнях, а затем водой в увлажнительной башне газ практически полностью насыщается парами воды.

Находим общее количество газа, поступающего в контактное отделение

Vконт =VSO2 / a = 2350/0,07 =33660 м³

Количество  добавляемого воздуха определяем по разности

33 660 - (2350 + 2220 + 21 460) = 7630 м³/ч

В этом воздухе  содержится (в м³/ч):

кислорода         7630 -0,21 = 1600

азота                7630-1600 = 6030

.Количество паров воды в поступающем воздухе (давление насыщенного пара воды при 20 °С составляет 2,34-10³Па)

     VH2O=7630*2,34*10⁵*0,5/1,01*10³*2,34*10³*05= 88 м³/ч

Содержание  паров воды в газе после мокрых электрофильтров

 

VH2O = (V2-VH2O-VSO3)pH2O / P-pp-pH2O

 

VH2O = (26820-660-130)4.75*10³/1,01*10³-2,9*10³-4,75*10³= 1520м³/ч

 

Таким образом, общее количество кислорода, азота и паров воды в газе перед  сушильной башней составит (в м³/ч)

V_O2 = 2220 + 1600 = 3820

V_N2 = 21 460 + 6030 = 27 490

У_Н2O = 1520 + 88 + 1608 (g _H2O = 1286 кг/ч)

Количество моногидрата Y_с, подаваемого в сборник сушильной башни для связывания воды, находим из уравнения баланса серной кислоты

СmYс = n(Y_с + g_H2O)

98Yс = 93 (Y_c + 1286)

откуда  Yс=23 920 кг/ч.

Количество  триоксида серы, образующегося в контактном   отделения, равно

Vso₃= V_SO2x = 2350*0,98 = 2304 м³/ч

 

2304*80/22,4 =8240 кг/ч

В пересчете  на олеум оно будет равно

 

8240/0,853 = 9660

 

Количество  SO3 в готовой продукции составит

 

G so₈= 10000-0,816 = 8160 кг/ч

 

Расхождение в балансе примерно на 1%  (8240—8160=80 кг) составляет потери серной кислоты в абсорбционном отделении и на складе.

Количество  абсорбируемого SO3 (в кг/ч)

в    олеумном    абсорбере      8240*0,5=4120

в моногидратном абсорбере    8240-0,499=4120

Количество моногидрата Y_m, передаваемого в сборник олеумного абсорбера для связывания SO₃, определяется из уравнения баланса серного ангидрида в сборнике олеумного абсорбера

0,8Y_m + 4120 = 0,853 {Y_m + 4120)

Откуда  Y_m = 11434 кг/ч.

Количество олеума, образующегося  в олеумном абсорбере, равно сумме моногидрата и SO3

Q₀ = 4120 + 11434 = 15 554 кг/ч

Часть образующегося олеума передают на склад (9660 кг), а остаток в cборнике моногидратного абсорбера составляет 15 554-9660=5894 кг/ч.

Количество воды g н₂о, добавляемой в сборник моногидратного абсорбера, можно найти по уравнению баланса серного ангидрида в сборнике моногндратдого абсорбера

 

5894-0,853 + 4112 = 0,8 (5894 +4112+gH2O)

 

Откуда  g н₂о=142 кг/ч.

Количество  образующегося моногидрата

5894 + 4120 + 142 = 10 756 кг/ч

Материальный баланс сушильно-абсорбционного отделения приведен в табл. 1, состав и количество газа — в табл. 2

 

Таблица 1. Материальный баланс сушильно-абсорбционного отделения

 

Приход

Количество, кг/ч

Расход

Количество, кг/ч

 
Сушильная башня

 

Вода с газом Моногидррат .	1286 23920	Сушильная кислота	25206
Итого:	25206	Итого:	25206

Олеумный абсорбер

 

Серный ангидрид Моногидрат	4120 11434	Олеум на склад Олеум в сборник моногидратного абсорбера	9660    5894
Итого:	15554	Итого:	15554

Моногидратный абсорбер

 

Серный ангидрид Сушильная кислота  Олеум Добавляемая вода	4112   25206   5894 142	Моногидрат   в   сборник олеумного абсорбера Моногвдрат   в   сборник сушильной башни	11434     23920
Итого:	35354	Итого:	35354

Общий баланс

 

Вода с газом Добавляемая вода Серный ангидрид	1286 142   8232	Олеум на складе	9660
Всего:	9660	Всего:	9660

 

Таблица 2. Состав газовых потоков на различных участках контактной системы

 

			Состав, м3/ч
	So2	So3		О2	N2	Н2о
После печей	2350	130	2220		21460	660
После     мокрых     электро-фильтров	2350	-	2220		21460	1520
Перед  контактным   отделе-	2350	-	3820		27464	-
отделением
После контактного л контактного   отделе-	48	2302	2666		27464	-
отделения
Отходящие газы
м3/ч	48	2,4	2666		27464	-
г /м3	4,5	0,28	-		-	-