Химическая технология неорганических веществ

w = А СО20,8,

где w – скорость горения; А – коэффициент, равный скорости горения серы в чистом кислороде, г/(см3 с); СО2 – концентрация кислорода, доли ед.

Связь между гидродинамическими и кинетическими величинами

Условия обжига в «кипящем» слое должны обеспечивать:

–линейную скорость газа, при которой не менее 5–10 % огарка остается в «кипящем» слое;

–«кипение» самых крупных частиц, которые содержатся в колчедане;

–повышение температуры в надслоевом (сепарационном) пространстве до 900 °С.

Общее время пребывания частиц в печи должно обеспечивать высокую степень выгорания серы (не ниже 98 %).

Если обозначить Всут – суточную производительность по

45%-ному флотационному колчедану, F – площадь пода печи, Vв.г – удельный объем влажного обжигового газа, Сsк – содержание серы

вколчедане, tсл – среднюю температуру в слое, то справедливо следующее уравнение:

Оптимальный технологический режим обжига колчедана.

С учетом скорости горения флотационного колчедана температура в «кипящем» слое должна составлять 700–750 °С. Для уменьшения содержания SO3 температура газа на выходе из печи должна быть не ниже 850–900 °С.

Концентрация SO2 должна поддерживаться в пределах 14– 14,5 %, что также способствует снижению содержания SO3.

Подовая интенсивность обжига при температуре 750 °С, опти-

мальной концентрации сернистого газа и линейной скорости газа на выходе из кипящего слоя 1 м/с составляет 10–12 т/(м2 сут).

31

Степень выноса огарка должна быть не менее 90 %, что обеспечивает устойчивую работу печи и необходимую температуру газа на

выходе. При этом запыленность выходящего газа составляет 280– 320 г/м3.

Время охлаждения газа в котле-утилизаторе до 400–450 °С должно составлять 0,3–0,4 с.

2.3.3. Теоретические закономерности процесса абсорбции триоксида серы в производстве серной кислоты

В абсорбционном отделении производства серной кислоты осуществляется абсорбция триоксида серы серной кислотой с получением продукта в виде олеума, содержащего 19–24 % свободного SO3, или в виде контактной серной кислоты (92–94 % H2SO4).

При абсорбции триоксид серы поглощается жидкой фазой и при этом либо взаимодействует с содержащейся в серной кислоте водой, либо физически растворяется в 100%-ной серной кислоте, образуя олеум. Концентрация олеума или контактной серной кислоты определяется стандартом на серную кислоту.

Технологическая схема абсорбционного отделения предусматривает наличие двух абсорбционных, чаще всего насадочных, колонн, называемых олеумным и моногидратным абсорберами.

Поскольку более ценным продуктом является олеум, производство должно быть готовым к выпуску всей продукции в виде олеума. Количество выпускаемого олеума зависит от доли SO3, которая абсорбируется в олеумном абсорбере, и от количества воды, которое поступает в абсорбционное отделение с кислотой после сушильной башни.

Расчеты показывают, что для выпуска всей продукции в виде олеума доля SO3, абсорбируемого в олеумном абсорбере, должна составлять в среднем 31 %.

Механизм процесса абсорбции триоксида серы серной кислотой зависит от применяемого абсорбента. Если в качестве абсорбента используется серная кислота с концентрацией 98–99 %, то осуществляется хемосорбция, т.е. процесс абсорбции сопровождается необрати-

32

мой химической реакцией в жидкой фазе между водой и абсорбированным триоксидом серы. В этом случае лимитирующей стадией процесса может быть диффузия SO3 в газовой фазе, стадия химической реакции или диффузия продуктов в жидкой фазе. Установлено, что при абсорбции в моногидратном абсорбере процесс лимитируется диффузией в газовой фазе.

При абсорбции триоксида серы олеумом протекает процесс физической абсорбции, и в этом случае лимитирующей стадией является также диффузия в газовой фазе.

Движущей силой процесса абсорбции триоксида серы в обоих случаях является разность парциального давления SO3 в газе и равновесного давления SO3 над жидкой фазой. Парциальное давление триоксида серы в газовой фазе зависит от исходной концентрации диоксида серы перед контактным аппаратом и от давления. Равновесное же давление SO3 над жидкой фазой зависит от температуры и концентрации серной кислоты. Известно, что в системе Н2О–Н2SО4 образуется азеотроп при концентрации 98,3 % Н2SО4. При постоянной температуре давление паров компонентов над этим раствором минимально, и при температурах жидкой фазы в моногидратном абсорбере 20–60 °С давление паров воды и SО3 практически равно нулю.

Так, по литературным данным для серной кислоты концентрацией 98,5 % общее давление паров определяется уравнением

lg p* = A – B/T + 2,126,

где А и В – константы, А = 9,78, В = 4211; р* – давление паров, Па. Таким образом, при t = 60 °С р* = 0,18 Па. Следовательно,

в этом случае движущая сила процесса абсорбции практически равна рSO3. При отклонении концентрации кислоты от азеотропа в меньшую сторону общее равновесное давление над жидкой фазой возрастает. При этом в паровой фазе преобладают пары воды. С этим связана возможность образования сернокислотного тумана, который трудно улавливается в абсорбционных колоннах.

При концентрации орошаемой кислоты выше 98,3 % равновесное давление паров также растет и в паре преобладает триоксид се-

33

ры. Это понижает движущую силу абсорбции и снижает скорость и степень абсорбции.

Когда абсорбция осуществляется олеумом, в паровой фазе над ним содержится только SO3, и для олеума с 20 % свободного SO3 давление пара определяется также уравнением (2.1), в котором

А = 9,84; В = 2915. Так, при t = 60 °C p*SO3 = 1630 Па (при t = 20 °C

pSO3 = 104 Па).

Для увеличения движущей силы абсорбции триоксида серы олеумом олеумный абсорбер располагается в схеме первым по ходу газа.

Для расчета скорости абсорбции SO3 используют формулу

Q = kF∆p,

где Q – количество абсорбируемого SO3, кг/ч; k – коэффициент абсорбции, кг/(м2 ч Па); ∆р – движущая сила абсорбции, Па.

Коэффициент абсорбции связан с коэффициентом массопередачи k0 соотношением k = k0w0,8, где w – линейная скорость газа, рассчитанная на все сечение абсорбера, м/с.

В жидкой фазе при 60 °С и концентрации Н2SO4 98,3 % и SO3 80 % k0 = 0,17 10–3; при концентрации свободного SO3 20 % и SO3

85,3 % k0 = 0,12 10–3, k = 0,17 10–3.

2.3.4.Средства практической реализации

втехнологии серной кислоты

Технологические схемы производства

В производстве серной кислоты технологические схемы различаются в основном в зависимости от используемого сырья (флотационный колчедан, сера, сероводородсодержащий газ), отсутствия или применения двойного контактирования, схем абсорбционного отделения.

Классическая схема производства серной кислоты с использованием флотационного колчедана представлена на рис. 5. Производство серной кислоты по этой схеме включает в себя следующие отделения: обжиговое, очистное, контактное и абсорбционное.

34

35

Рис. 5. Схема производства серной кислоты контактным методом: 1,12 – нагнетатели; 2 – печь КС; 3 – ко- тел-утилизатор; 4 – циклон; 5 – сухой электрофильтр; 6 – первая промывная башня; 7 – вторая промывная башня; 8 – мокрые электрофильтры; увлажнительная башня; 10 – сушильная башня; 11 – брызгоуловители; 13 – теплообменник; 14 – контактный аппарат; 15 – экономайзер; 16 – олеумный абсорбер; 17 – моногидратный абсорбер; 18 – оросительные холодильники; 19 – трубчатый холодильник; 20 – сборники кислоты

36

Рис. 6. Схема производства серной кислоты из серы по методу ДК: 1 – серная печь; 2 – котел-утилизатор; 3 – экономайзер; 4 – пусковая топка; 5, 6 – теплообменники пусковой топки; 7 – контактный аппарат; 8 – теплообменники; 9 – сушильная башня; 10, 11 – первый и второй моногидратные абсорберы; 12 – сборники кислоты; 13 – выхлопная труба

Технологическая схема производства серной кислоты из серы по методу двойного контактирования (ДК) представлена на рис. 6.

Расплавленная сера подается в форсунки серной печи 1. В печь подается также воздух после осушки в сушильной башне 9 и нагревания в межтрубном пространстве двух теплообменников 85 и 84. Газы от сжигания серы с температурой °С поступают в котелутилизатор 2, и после охлаждения в нем до температуры 430–440 °С его направляют в контактный аппарат 7. В пятислойном контактном аппарате три первых слоя составляют первую ступень контактирования, а четвертый и пятый слои – вторую ступень

Газ после прохождения первого слоя катализатора в контактном аппарате охлаждается в трубном пространстве теплообменника 81 и возвращается в контактный аппарат на вход 2-го слоя катализатора. После 2-го слоя газ направляется для охлаждения в трубное пространство теплообменника 82 и далее поступает на вход 3-го слоя катализатора. Выходящий из 3-го слоя газ последовательно охлаждается в трубном пространстве теплообменников 83, 84 и 85 и после охлаждения подается в нижнюю часть первого моногидратного абсорбера 10. После абсорбера газ нагревается в межтрубном пространстве теплообменников 83, 82 и 81 и подается на вторую ступень контактирования на вход 4-го слоя. На выходе из 4-го слоя газ смешивается с небольшим количеством воздуха после сушильной башни и поступает на вход 5-го слоя.

На выходе из контактного аппарата газ охлаждается в экономайзере 3 питательной водой котла-утилизатора 2 и направляется на вход второго моногидратного абсорбера 11. После абсорбера остатки газа выбрасываются в атмосферу через выхлопную трубу 13.

В отделение абсорбции в сушильную башню 9, первый абсорбер 10 и второй абсорбер 11 на орошение поступает концентрированная кислота, которая циркулирует с помощью насосов, проходя последовательно сборники, холодильники и башни. Из второго моногидратного абсорбера 11 часть кислоты перетекает в сборник сушильной башни 9. Одновременно часть кислоты из сборника сушильной башни с помощью насоса перекачивается в сборник перво-

37

го моногидратного абсорбера 10, а из этого сборника перекачивается в сборник второго моногидратного абсорбера 11.

Кислота на склад перекачивается из сборника первого абсорбера. Некоторое количество воды подается в сборник второго абсорбера.

Для пуска системы используют пусковую топку 4 и теплообменники 5 и 6, нагревающие воздух, с помощью которого осуществляется разогрев контактного аппарата.

Основное оборудование производства серной кислоты

Основным оборудованием производства серной кислоты являются печи обжига флотационного колчедана и сжигания серы, контактные аппараты и абсорберы. В качестве вспомогательного оборудования на различных стадиях используются котлы-утилизаторы, циклоны, электрофильтры, насадочные башни, теплообменники, холодильники кислоты, сборники, насосы, газовые нагнетатели и др. На рис. 7 представлен общий вид печи обжига флотационного колчедана. Печь снабжена загрузочной камерой, где размещены патрубки для подачи колчедана 1, колосниковой решеткой с соплами для подачи воздуха, коробами охлаждающих элементов 12, штуцерами выхода огарка 7 и газа 6.

На рис. 8 изображен пятислойный контактный аппарат. Колосниковые плиты 8 крепятся к корпусу контактного аппарата и к центральной колонне 1. На плитах размещаются слой кускового кварца 4

икатализатор 3. Контактный аппарат снабжается штуцерами для входа и выхода газа, перегородками и теплообменниками. Охлаждение между слоями катализатора в представленном контактном аппарате осуществляется подачей холодного байпасного газа между первым и вторым слоями, в наружном теплообменнике между вторым

итретьим слоями и во внутренних теплообменниках между третьим

ичетвертым и четвертым и пятым слоями.

На рис. 9 изображен олеумный абсорбер насадочного типа, применяемый в абсорбционном отделении производства серной кислоты.

38

Рис. 7. Печь обжига флотационного колчедана производительностью 450 т/сут: 1 – подача колчедана; 2 – выход огарка; 3, 4, 5 – ввод воздуха; 6 – выход газа; 7 – выход огарка основной; 8, 9, 10 – люки; 11 – горелки; 12 – короб охлаждающих элементов; 13 – смотровое окно; 14 – карманы для термопар

39

Рис. 8. Контактный аппарат производительностью 1030 т/сут: 1 – центральная колонна; 2 – теплообменники; 3 – катализатор; 4 – кварц; 5 – сетка; 6 – перегородка; 7 – решетка; 8 – колосниковые плиты; 9 – штуцер

40