Курсовая работа: Материал и теплообмен при производстве серной кислоты из природной серы

Рисунок - Зависимость равновесной степени превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI) от температуры (а), давления (б) и содержания оксида серы (IV) в газе (в)

производство серная кислота

Из уравнения (14) следует, что с понижением температуры и повышением давления контактируемого газа равновесная степень превращения Хр возрастает, что согласуется с принципом Ле-Шателье. В то же время, при постоянных температуре и давлении равновесная степень превращения тем больше, чем меньше содержание оксида серы (IV) в газе, то есть чем меньше соотношение SО2:О2. Это отношение зависит от вида обжигаемого сырья и избытка воздуха. На этой зависимости основана операция корректирования состава печного газа, то есть разбавление его воздухом для снижения содержания оксида серы (IV) [1].

Рассмотрим влияние отдельных факторов на процессе окисления .

Влияние температуры

Как следует из принципа Ле Шателье, с повышением температуры процент окисления в уменьшается.

Для достижения высокого процента превращения в следовало бы реакцию окисления вести при температуре около 400 °С. Но при этой температуре, даже если применен катализатор, скорость реакции мала, что невыгодно для ведения процесса в заводских условиях. С повышением температуры скорость реакции окисления в (как и скорость подавляющего большинства известных реакций) возрастает, но при этом степень перехода в понижается из-за обратимости этой реакции. Получается противоречивое положение: если вести процесс окисления при низкой температуре, уменьшается скорость процесса, но увеличивается степень превращения в ; если же вести процесс окисления при высокой температуре, то получается обратная картина.

В таблице 5 приведены данные, показывающие изменение скорости окисления сернистого ангидрида и теоретического (равновесного) процента контактирования в зависимости от температуры (во сколько раз увеличивается скорость окисления с повышением температуры, если принять за единицу скорость окисления при 440°С).

Таблица - Зависимость показателей реакции от температуры

Из сопоставления приведенных в таблице 5 данных видно, что скорость окисления в с повышением температуры от 440 до 560 °С быстро возрастает, в то время как теоретический процент контактирования снижается сравнительно медленно [1]. Отсюда следует, что с повышением температуры для окисления определенного количества сернистого газа потребуется меньше катализатора, т. е. его производительность будет возрастать. Этим пользуются при проведении процесса окисления в заводской практике. Вначале процесс контактного окисления ведут при высокой температуре и тем самым выигрывают в скорости реакции, а затем, по мере прохождения газовой смеси через контактную массу, постепенно снижают температуру, доводя ее на выходе из контактного аппарата примерно до 460°С. Этим обеспечивается достаточно высокая конечная степень превращения в .

Влияние давления

Повышение давления благоприятно влияет на степень окисления в , что видно из данных таблицы 6.

Таблица - Влияние давления на скорость реакции

Из правила Ле Шателье следует, что повышение давления будет благоприятно сказываться как на равновесии реакции окисления в - оно будет смещаться в сторону образования , так и на увеличении ее скорости, ибо повышение давления данном случае равносильно повышению концентрации и , участвующих в реакции. С увеличением давления объем аппаратов в контактной системе может быть значительно меньшим. Однако повышенное давление при контактном способе производства серной кислоты не получило применения. Это объясняется тем, что с увеличением давления возникают трудности в подборе катализатора и в аппаратурном оформлении процесса, в то время как и при атмосферном давлении можно получить достаточно высокие степень контактирования и скорость течения процесса. Кроме того, при применении давления приходится сжимать газ, в котором содержится много азота, не принимающего участия в реакции, т. е. на сжатие его будет непроизводительно расходоваться энергия.

Влияние начального состава газов

Теоретическая степень окисления в изменяется в зависимости от начального состава печных газов (при давлении 1 атм и температуре 475 °С) следующим образом:

Из данных на таблице 7 видно, что при повышении концентрации кислорода в печных газах и связанном с этим понижении содержания в них процент окисления в повышается.

В практических условиях получать печные газы (при сжигании колчедана) с большим содержанием кислорода, т. е. сильно разбавлять их избыточным воздухом, экономически невыгодно. Обычно в контактные аппараты направляют печные газы, содержащие 7--8% . При таком содержании поступающие в контактный аппарат газы подогревают без затраты топлива лишь за счет тепла газов, выходящих из контактного аппарата.

Таблица - Влияние состава смеси на реакцию

В практических условиях получать печные газы (при сжигании колчедана) с большим содержанием кислорода, т. е. сильно разбавлять их избыточным воздухом, экономически невыгодно. Обычно в контактные аппараты направляют печные газы, содержащие 7--8% . При таком содержании поступающие в контактный аппарат газы подогревают без затраты топлива лишь за счет тепла газов, выходящих из контактного аппарата.

Катализаторы для окисления в

О каталитической активности некоторых окислов и металлической платины дают представление следующие данные таблицы .

Таблица - Влияние катализаторов на реакцию

Наиболее активным катализатором является платина, однако она вышла из употребления вследствие дороговизны и легкой отравляемости примесями обжигового газа, особенно мышьяком. Окись железа дешевая, но при обычном составе газа - 7% SO2 и 11% О2 она проявляет каталитическую активность только при температурах выше 625 єС и поэтому применялась лишь для начального окисления SO2 [4]. Ванадиевый катализатор менее активен, чем платиновый, но дешевле и отравляется соединениями мышьяка в несколько тысяч раз меньше, чем платина; он оказался наиболее рациональным и только он применяется в производстве серной кислоты.

а -- таблетки; б, в -- гранулы; г -- кольцеобразная масса; д -- шарообразные гранулы для кипящего слоя

Рисунок - Виды формования контактной массы. Условия для ведения процесса контактного окисления в

Изучение влияния температуры на процесс контактного окисления в S03 показало, что при заданном проценте контактирования скорость окисления с повышением температуры вначале увеличивается, а затем уменьшается. Это объясняется тем, что на скорость окисления в S03 влияет, с одной стороны, температура, которая повышает скорость, с другой стороны, движущая сила процесса, которая представляет собой разность между общей концентрацией в газе и концентрацией в состоянии равновесия реагирующей системы; эта разность (движущая сила) с повышением температуры понижается. Таким образом, на скорость рассматриваемой реакции действуют две противоположно направленные величины: константа скорости реакции, увеличивающаяся с повышением температуры, и движущая сила процесса, уменьшающаяся с повышением темпера туры. Вначале процесса с повышением температуры преобладающее значение имеет первая величина (константа скорости реакции), так как она резко увеличивается при незначительном уменьшении движущей силы, затем наступает наивысшая скорость процесса, после чего преобладающее значение получает изменение второй величины, что приводит к понижению скорости реакции.

Зависимость скорости окисления S02 в S03 от температуры при различной степени контактирования показана на рисунке 3.

Из рисунке 3 видно, что для каждого процента контактирования на кривой зависимости скорости окисления от температуры имеется максимальная скорость. Если соединить эти точки, то получим прямую АА, которая дает возможность определить, при какой температуре скорость окисления для промежуточных степеней контактирования будет оптимальной. Линии ВВ и СС ограничивают область, в пределах которой скорость окисления составляет не менее 90% максимальной.

Технологическая часть

Рисунок 6 - Схема контактного получения серной кислоты

Принципиальная схема получения серной кислоты контактным способом показана на рисунке 6. Образующиеся в печи Х1 газы последовательно проходят через сухой электрофильтр Эф1, увлажнительную башню Х2, влажный электрофильтр Эф2, осушительную башню Х3, содержащий катализатор контактный аппарат Р1 (реактор) и поглотительную башню Х4. Из нижней части последней отбирается полученный олеум, а из верхней удаляются выхлопные газы (азот и др.). Рассмотрим более подробно реализацию метода контактного окисления сернистого газа, как определяющую стадию в производстве серной кислоты контактным методом.

Контактное отделение сернокислотного завода

Контактное отделение любой сернокислотной системы оборудуется подогревателем, контактными аппаратами и теплообменниками.

В период пуска системы, когда тепло реакции окисления SО2 до SО3 еще не начало выделяться, газ нагревают до температуры зажигания в подогревателе. При выходе контактного узла на обычный режим работы подогреватель отключают.

Разогрев контактного аппарата во время пуска (как и продувка контактной массы перед остановкой контактного аппарата) проводится сухим атмосферным воздухом, предварительно пропускаемым через сушильную башню. С этой целью на крупных системах устанавливают специальную небольшую сушильную башню и пусковой вентилятор. Разогрев и продувку аппарата можно проводить и влажным атмосферным воздухом. Однако при этом необходимо следить за тем, чтобы SО3 из катализатора удалялся при высокой температуре (для предотвращения конденсации паров Н2S04).

Окисление SО2 до SО3 проводится в контактных аппаратах с промежуточным или внутренним теплообменом. В аппаратах с промежуточным теплообменом газ после каждого слоя катализатора охлаждается в теплообменнике котле-утилизаторе или поддувом холодного газа. В аппарате с внутренним теплообменом газ из первого слоя поступает во второй слой, в котором расположены теплообменные трубы с циркулирующим в них более холодным газом.[1]

Контактные аппараты с промежуточным теплообменом просты, удобны в регулировании и дают возможность использовать тепло реакции, поэтому их в последние годы применяют все чаще. Число слоев в этих аппаратах может быть от трех до пяти.

В контактном аппарате с кипящим слоем холодильные элементы (змеевики) размещены в самом слое массы. Охлаждение проводится холодной водой или другим хладагентом.