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

При эксплуатации контактного отделения различают два периода его работы:

1) пусковой период, когда тепло реакции еще не выделяется и газ нагревается в подогревателе за счет использования топлива или электроэнергии,

2) период нормальной работы, когда газ нагревается в теплообменниках вследствие выделения тепла реакции (подогреватель не работает). Для каждого из этих периодов существуют определенные схемы включения аппаратов: пусковая и рабочая.

Все аппараты контактного отделения соединены между собой стальными трубами (толщина стенок 4--5 мм) со стальными задвижками, при помощи которых регулируют расход газа и направление газовых потоков. Для лучшего сохранения тепла, выделяющегося при окислении, вся аппаратура контактного отделения покрыта слоем теплоизоляции (толщина слоя 150--250 мм). Контактный аппарат с выносными теплообменниками показан на рисунке 8. Его диаметр -12 м, общая высота -- 22м.

I-IV - слои контактной массы; 1- слой кварца

Рисунок 8 - Контактный аппарат с выносными теплообменниками

Расположение промежуточных теплообменников внутри контактного аппарата значительно осложняет его конструкцию, поэтому в последние годы в высокопроизводительных контактных системах предусматриваются преимущественно контактные аппараты с выносными теплообменниками. Кроме простоты и надежной работы достоинство таких аппаратов заключается еще в том, что в них легко создаются оптимальные условия для осуществления процесса окисления сернистого ангидрида на катализаторе, а в выносных теплообменниках -- оптимальные условия для процесса теплопередачи. Нецелесообразность совмещения этих процессов в одном аппарате проявляется особенно отчетливо с повышением производительности контактных аппаратов.

Кроме того, в аппаратах с выносными теплообменниками газ после каждого слоя хорошо перемешивается по пути следования к теплообменникам и внутри них, что имеет большое значение для достижения высокой степени превращения.

Технологическая схема и аппаратурное оформление контактного узла зависят от характера применяемого сырья, способов отвода тепла реакции и других факторов.

В контактных сернокислотных установках, работающих на сернистом газе, полученном при обжиге серного колчедана или сульфидных руд цветных металлов, обжиговый газ обычно проходит систему мокрой очистки и осушки. В контактное отделение сернистый газ подается газодувкой при температуре 40--70° С. Перед поступлением на контактную массу исходный сернистый газ нагревается в теплообменниках за счет тепла реакционного газа.

1-- В; 2 -- К; 3 -- Т; 4 -- Р; 5 -- В; 6 -- Т; 7 --В

Рисунок - Схема контактного узла, оборудованного контактным аппаратом с промежуточными теплообменниками

Термодинамика реакции окисления сернистого газа

Некоторые иностранные фирмы разработали схемы контактных узлов, в которых часть тепла реакции отводится в теплообменниках, охлаждаемых воздухом. Применяется также подача на 1-й слой контактной массы сернистого газа повышенной концентрации. Например, при работе на колчедане в 1-й слой подается газ, содержащий 9--10% SO2. В этом случае часть промежуточных теплообменников заменена поддувом осушенного воздуха.

Сернистый газ после нагрева в теплообменниках первой ступени окисляется в трех слоях контактной массы на 90%, а затем проходит промежуточную абсорбцию. Нагретый в теплообменниках второй ступени газ поступает на вторую ступень контактирования и затем на конечную абсорбцию.

Термодинамика реакции окисления сернистого газа

Составим термодинамический расчет реакции SO2+0,5O2>SO3.

Расчет теплового эффекта реакции проводим, используя следствие из закона Гесса. На основе его же проводим расчет энтропии. При расчете используем зачения теплоемкостей, как функций от температуры.

Данные термодинамические расчеты обуславливают возможность протекания реакции в заданных условиях.

Материальный баланс

Материальный расчет 1-ого слоя

Для реакции окисления диоксида серы:

где а, b, c - количество (моль) компонентов исходной смеси SО2, О2 и N2 (а + b+ c = 1).

Количество каждого компонента (моль) при достижении равновесной степени превращения хА,е составит

SО2 О2 N2 SО3

а - а · хА,е b - 0,5а · хА,е c а · хА,е

Константа равновесия

может быть рассчитано по уравнению (стр. 502, [5]):

Из таблиц значений степеней превращения и соответствующих им оптимальным температурам выберем Топт=807К

При температуре 807К константа равновесия равна:

Состояние равновесия реакции можно характеризовать значениями равновесной степени превращения

Обозначив общее давление через р, выразим равновесные давления компонентов:

Тогда

Отсюда

Учтем, что р = 0,1 МПа:

Откуда методом итераций находим и, следовательно, в равновесной смеси содержится:

;

;

;

;

SО3 - 7,1 % (об.), SО2 - 0,145 % (об.), О2 - 7,8 % (об.), N2 - 84,9 % (об.);

Практическая степень превращения равна: ;

Суммарное уравнение окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI) и абсорбции оксида серы (VI) с образованием серной кислоты:

Исходя из уравнения реакции, по формуле Менделеева-Клапейрона:

;

;

С учетом рассчитанной степени превращения, практически необходимо оксида серы (IV):

;

;

Пересчитаем объемный состав газа в массовый.

Общее количество моль газовой смеси равно

;

Количество компонентов исходной смеси равно:

;

;

;

;

Количество компонентов полученного газа:

;

;

Общее количество моль газовой смеси равно

;

;

;

;

;

кмоль;

;

Результаты расчетов материальных балансов представлены на таблицах

Таблица - Материальный баланс 1-ого слоя

Материальный расчет 2-ого слоя

Во второй слой поступают газы из первого слоя и охлаждающий их воздух ( в кг/ч) mSO3=31725 кг; mSO2=518 кг

Из расчета на 2467 кг O2 необходимо дополнительно ввести 1248 кг кислорода. В нашем случае на 13941 кг будет введено 9799 кг О2.

mО2=13941+9799=23740 кг

Из расчета на 21145 кг N2 необходимо дополнительно ввести 5739 кг азота. В нашем случае будет введено 36036,5 кг N2.

mN2=132774,5+36036,5=168811 кг

Степень контактирования, достигаемая во втором слое 0,912. Следовательно Изменение SO2 составит:

mSO2,прих*0,912=518*0,912=472,4 кг

Расчет расхода веществ:

mSO2= mSO2,прих- mSO2,изм=518-472,4=45,6 кг;

Изменение SO3 составит: mSO3,изм*fSO3/SO2=472,4*1,2497=590,4 кг;

mSO3= mSO3,прих+ mSO3,изм=31725+590,4=32315,4 кг;

Изменение О2 составит: mO2,изм= mSO3,изм- mSO2,изм=590,4-472,4=118 кг;

mO2= mO2,прих- mO2,изм=23740-118=23622 кг

Таблица 11 - Материальный баланс 2-ого слоя

Материальный расчет 3-ого слоя

В третий слой поступают газы из второго слоя и охлаждающий их воздух ( в кг/ч) mSO3=32315,4 кг; mSO2=45,6 кг

С учетом ввода воздуха: mО2= mO2,прих+ mO2,изм= 23622+4984=28606 кг

С учетом ввода воздуха: mN2= mN2,прих+ mN2,изм=168811+17475=186286 кг

Степень контактирования, достигаемая в третьем слое 0,958. Следовательно:

Изменение SO2 составит: mSO2,прих·0,958=45,6·0,958=43,68 кг

Расчет расхода веществ:

mSO2= mSO2,прих- mSO2,изм=45,6-43,68=1,92 кг;

Изменение SO3 составит: mSO3,изм·fSO3/SO2=1,92·1,2497=2,39 кг;

mSO3= mSO3,прих+ mSO3,изм=32315,4+2,39=32317,8 кг;

Изменение О2 составит: mO2,изм= mSO3,изм- mSO2,изм=2,39-1,92=0,47 кг;

mO2= mO2,прих- mO2,изм=28606-0,47=28605,53 кг

Таблица - Материальный баланс 3-ого слоя

Материальный расчет 4-ого слоя

В четвертый слой поступают газы из третьего слоя и охлаждающий их воздух ( в кг/ч) mSO3=32317,8 кг; mSO2=1,92 кг

С учетом ввода воздуха: mО2= mO2,прих+ mO2,изм= 28605,53+5262,2=33867,75 кг

С учетом ввода воздуха: mN2= mN2,прих+ mN2,изм=186286+18266,3=204552,3 кг

Степень контактирования, достигаемая в четвертом слое 0,982.Следовательно:

Изменение SO2 составит: mSO2,прих·0,982=1,92·0,982=1,885 кг

Расчет расхода веществ:

mSO2= mSO2,прих- mSO2,изм=1,92-1,885=0,035 кг;

Изменение SO3 составит: mSO3,изм·fSO3/SO2=0,035·1,2497=0,0437 кг;

mSO3= mSO3,прих+ mSO3,изм=32317,8+0,0437=32317,8437 кг;

Изменение О2 составит: mO2,изм= mSO3,изм- mSO2,изм=0,0437-0,035=0,0087 кг;

mO2= mO2,прих- mO2,изм=33868,67-0,0087=33868,6613 кг

Таблица - Материальный баланс 4-ого слоя

Тепловой баланс

Тепловой баланс 1-ого слоя

С=1,38-теплоемкость газа; теплота реакции q=94275кДж/кмоль; Х - степень превращения

-Приход теплоты:

1)За счет входящего газа Q1=VCTвх

Q1=22000·1,38·tвх=22000·1,38·460=13965600 кДж/ч

2) За счет окисления SО2

Qр=94275·0,07·22000·0,83/22,4=6481406,25 кДж/ч

-Расход теплоты:

1) За счет уноса газа из слоя (изменением обьема газа пренебрегаем)

Q2=22000·1,38·tвых=22000·1,38·600=18216000 кДж/ч

2) За счет теплопотерь (теплопотери составляют 2% от теплоты реакции)

Qпот=Qр·0,02=6481406·0,02=129628,12 кДж/ч

3) Теплота, отводимая из слоя с помощью водяных холодильников

Qx=(Q1+Qp)-(Q2+Qпот)=(1396560+6481406)-(18216000+129628)=2101378 кДж/ч

Результаты расчетов тепловых балансов представлены на таблицах .

Таблица - Тепловой баланс 1-ого слоя

Тепловой баланс 2-ого слоя

Начальная температура 470єС; Конечная температура 500єС; всего 160731м3/ч;

Х2=0,912

-Приход теплоты:

1) Q1=160731·1,38·tвх=160731·1,38·470=104250126,6 кДж/ч

2) Qр=94275·0,07·160731·0,912/22,4=43185808 кДж/ч

-Расход теплоты:

1) Q2=160731·1,38·tвых=22000·1,38·500=110904390 кДж/ч

2) Qпот=Qр·0,02=43185808·0,02=863716 кДж/ч

3)Qx=(Q1+Qp)-(Q2+Qпот)=35667828 кДж/ч

Таблица - Тепловой баланс 2-ого слоя

Тепловой баланс 3-ого слоя

Начальная температура 460єС; Конечная температура 466єС; всего 178117,3 м3/ч; Х3=0,958

-Приход теплоты:

1) Q1=178117,3·1,38·tвх=178117,3·1,38·460=113068862 кДж/ч

2) Qр=94275·0,07·178117,3·0,958/22,4=50271075 кДж/ч

-Расход теплоты:

1) Q2=178117,3·1,38·tвых=178177,3·1,38·466=114543673 кДж/ч

2) Qпот=Qр·0,02=50271075·0,02=1005421,5 кДж/ч

3)Qx=(Q1+Qp)-(Q2+Qпот)=47790842,5 кДж/ч

Таблица - Тепловой баланс 3-ого слоя