Разработка технологии концентрирования серной кислоты (стр. 5 из 15)

Контактируемый газ входит в щель между лопатками завихрителя и приобретает вращательное движение. Серная кислота из вышележащей ступени по линии перетока поступает на нижнюю царгу ступени, протекает через прорези контактного патрубка во внутреннюю полость между завихрителем и внутренней стенкой контактного патрубка. Поток кислоты разделяется на две части. Часть кислоты эжектируется внутрь завихрителя и вылетает из него в виде капель и струй. Основная доля жидкости раскручивается газожидкостным потоком и движется по спирали вверх по внутренней стенке контактного патрубка. При этом жидкостная пленка непрерывно бомбардируется каплями и струями кислоты, вылетающими из завихрителя, и непрерывно многократно обновляет свою поверхность. Выходящий из щели завихрителя свежий газовый поток образует вихри жидкости, которые сливаются и движутся по спирали в восходящем потоке в виде высокотурбулизированного слоя жидкости, основная часть которой затем отсекается от газового потока под вышележащей царгой, служащей отбойником. Часть серной кислоты уносится газовым потоком на вышележащие ступени. Количество уносимой кислоты определяется расходами газовой и жидкой фаз, поступающих на ступень. За счет уноса определенного количества серной кислоты со ступени на ступень осуществляется такое распределение концентраций серной кислоты на ступенях, при котором величины пересыщения паров серной кислоты на ступенях не достигают критических значений и исключаются условия образования тумана серной кислоты. Отсепарированная на верхней царге серная кислота перетекает через внешний гидрозатвор на нижнюю царгу нижележащей ступени.

Серная кислота перетекает со ступени на ступень вниз, концентрируется и поступает в нижнюю часть колонны. На первой ступени кислота подхватывается газовым потоком и в виде капель и струй по тангенциальному каналу поступает в днище колонны, где раскручивается газовым потоком и поднимается в виде высокотурбулизированного слоя жидкости, струй, брызг по внутренней стенке днища колонны вверх, в зону сепарации по трубопроводу в холодильник.

Газовый поток, контактируя на ступенях с кислотой, отдаст ей свое тепло, освобождается от брызг кислоты на брызгоуловительных ступенях, и с содержанием кислых компонентов в пределах санитарных норм выбрасывается через трубу выброса газов в атмосферу.

3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 МАТЕРИАЛЬНЫЕ РСЧЕТЫ

3.1.1. МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ ОТДЕЛЕНИЯ ДЕНИТРАЦИИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ Для расчета примем исходные условия: массовая доля азотной кислоты – 98 %, массовая доля отработанной серной кислоты – 70 %, массовая доля регенерированной серной кислоты – 92 %.Состав отработанных кислот, поступающих на денитрацию /3/:а) от нитрации HNO₃ - 16 – 26 %H₂SO₄ – 46 - 66 %H₂O – 18 - 28 % б) от абсорбционной установкиHNO₃ – 50 %H₂O – 50 %Расчет составлен на 1 тонну условной отработанной кислоты, поступающей в колонну ГБХ, учитывая, что отработанная кислота составляет 80%, а смесь азотной кислоты и воды – 20 %.Выбираем средний состав кислот: HNO₃ – 27%, H₂SO₄ – 45%, H₂O – 28%.Принимаем, что в отработанной кислоте содержится 3% азотной кислоты в виде окислов азота связаны в нитрозилсерную кислоту по реакции: 2H₂SO₄ + N₂O₃ = 2HNSO₅ + H₂O (3.1) В колону поступает:HNO₃ – 24,3 % H₂SO₄ – 13,5 %H₂O – 58,3 %N₂O₃ – 0,9 %HNSO₅ – 3 %Всего – 100 %В процессе разгонки кислотных смесей и гидролиза HNSO₅ в колонне протекают следующие реакции:- разложение HNSO₅ 2HNSO₅ + H₂O = 2H₂SO₄ + NO₂ +NO (3.2) - разложение HNO₃ 2HNO₃ = 2NO₂ + H₂O + ½O₂ (3.3)2HNO₃ = N₂ + H₂O + 2 · ½O₂ (3.4) - разложение N₂O₃ N₂O₃ (газ) = NO (газ) + NO₂ (газ) (3.5) В колонну ГБХ поступает:1. Перерабатываемая кислотная смесь в количестве G ^´ = 1000 кг, в том числе:HNO₃ – 243 кгH₂SO₄ – 135 кг.H₂O – 583 кг.N₂O₃ – 9 кг.HNSO₅ – 30 кг.2. Регенерированная серная кислота с массовой долей 92 % G ^´ = 1900 кг, в том числе воды g₁ = 1900 · 0,08 = 152 кг.3. Вода в виде перегретого пара g₂ = ∑ g_расх - ∑ g_прих4. Азотная кислота с массовой долей 98 % G ^´₁ = 243 / 0,98 = 248 кгПринимаем, что 3 % азотной кислоты разлагается на нитрозные газы и 1 % уносится с нитрозными газами.Тогда из колоны выходит:1. Азотная кислота с массовой долей 98 %:G ^´₂ = 98 % ∙ G ^´₁, (кг) (3.1)где G ^´₁ – количество азотной кислоты, поступающей в колонну.G ^´₂ = 0,98 ∙ 248 = 243 кгПри этом с парами азотной кислоты уносится вода: g₁ = 2 % · G ^´₂ , (кг) (3.2) где G ^´₂ – количество азотной кислоты, выходящей из колонны. g₁ = 243 · 0,02 = 4,86 кг2. Нитрозные газы:а) в колоне ½ количества (1,5 %) азотной кислоты разлагается до NO₂ по реакции (3.3): g₂ = 1,5 % · G ^´₁ , (кг) (3.3) g₁ = 0,015 · 248 = 3,72 кгПри этом образуются газообразные вещества,: NO₂

, (кг) (3.4) где M₁ – молекулярная масса оксида азота (IV), кг/моль; M₄ – молекулярная масса азотной кислоты, кг/моль.NO₂

кгH₂O

, (кг) (3.5) где M₂ – молекулярная масса воды, кг/моль.H₂O

кг O₂

, (кг) (3.6) где M₃ – молекулярная масса кислорода, кг/моль.O₂

кгб) По реакции (3.4) разлагается ½ количества (1,5 %) азотной кислоты до N₂: N₂

, (кг) (3.7) где M₅ – молекулярная масса азота, кг/моль.N₂

кг H₂O

, (кг) (3.8) где M₂ – молекулярная масса воды, кг/моль.H₂O

кг
O₂

,(кг) (3.9) где M₃ – молекулярная масса кислорода, кг/моль.O₂

кг 3. При разложении N₂O₃ по реакции (3.5): NO₂

, (кг) (3.10) где M₅ – молекулярная масса оксида азота (IV), кг/моль; M₄ – молекулярная масса оксида азота (VI), кг/моль.NO₂

кг NO

, (кг) (3.11) где M₇ – молекулярная масса оксида азота (II), кг/моль; M₄ – молекулярная масса оксида азота (VI), кг/моль.NO

кг 4. При разложении нитрозилсерной кислоты по реакции (3.2): NO₂

, (кг) (3.12) где M₁ – молекулярная масса оксида азота (IV), кг/моль; M₄ – молекулярная масса нитрозилсерной кислоты, кг/моль.NO₂

кг NO

, (кг) (3.13) где M₇ – молекулярная масса оксида азота (II), кг/моль; M₄ – молекулярная масса оксида азота (VI), кг/моль.NO

кг Выделившаяся в процессе реакции серная кислота вновь войдет в состав отработанной кислоты и ее количество составит 154 кг.5. С нитрозными газами уносится 1 % азотной кислоты: G ^´₃ = 1 % · G ^´₁ , (кг) (3.14) где G ^´₁ – количество азотной кислоты, поступающей в колону.G ^´₃ = 0,01 · 248 = 2,48 кг6. Слабая серная кислота с массовой долей 70 %.В колону поступает с кислотной смесью моногидрата H₂SO₄ – 154 кг и 1900 кг с массовой долей 92 %. Тогда жидкостная нагрузка по серной кислоте:G ^´₃ =

кгПри этом с этой кислотой уносится воды: g₃ = 30 % · G ^´₃ , (кг) (3.15) G ^´₃ – жидкостная нагрузка по серной кислоте, кг. g₃ = 0,3 · 2720 = 816 кг. Принимаем g₃ = 820 кг.В результате гидролиза получается следующее количество сухих нитрозных газов (без учета подсоса воздуха):O₂ = NO₂ = 2,72 + 5,45 + 5,43 = 13,6 кгили NO₂ = 13,6 ∙ 22,4 / 46 = 6,62 нмNO = 3,55 + 3,54 = 7,09 кгили NO = 7,09 · 22,4 / 30 = 5,3 нмN₂ = 0,53 + 0,53 = 1,06 кгили N₂ = 1,06 ∙ 22,4 / 28 = 0,85 нмO₂ = 0,47 + 2,36 = 2,83 кгили O₂ = 2,83 · 22,4 / 32 = 1,981 нм HNO₃ = 2,48 кгHNO₃ = 2,48 · 22,4 / 63 = 0,88 нмВсего: 24,58 кг или 14,76 нм. 4. Воздух, подсасываемый из помещения: Принимаем, что подсасываемый воздух поступает при t = 20 ºС с относитель-ной влажностью 70%. Подсос воздуха через неплотности соединений царг принимаем равным 100 % объема сухих газов. Тогда V_подс = 14,76 нм.. В том числе: N₂ = с ₁ ∙ V_подс , (нм) (3.16) где с ₁ = 78 % - массовая доля азота в сухом воздухе /5/; V_подс – объем воздуха, подсасываемый через неплотности соединений царг, нм. N₂ = 0,78 ∙ 14,76 = 11,51 нм O₂ = с ₂ · V_подс , (нм) (3.17) где с ₂ = 21 % - массовая доля кислорода в сухом воздухе /5/; V_подс – объем воздуха, подсасываемый через неплотности соединений царг, нм. O₂ = 0,21 · 14,76 = 3,10 нм.Или N₂ = 11,51 ∙ 28 / 22,4 = 14,40 кг O₂ = 3,10 ∙ 32 / 22,4 = 4,43 кгИтого: 18,83 кг. Масса водяных паров, поступающих в колонну с воздухом:М _{Вод. пар.} =18,83 · 0,01042 = 0,2 кггде d₀ = 10,42 г/ кг сухого воздуха – влагосодержание Количество и состав сухих газов, выходящих из колонны с учетом подсоса воздуха: NO₂ = 2,72 + 5,45 + 5,43 = 13,6 кгили NO₂ = 13,6 ∙ 22,4 / 46 = 6,62 нмNO = 3,55 + 3,54 = 7,09 кгили NO = 7,09 · 22,4 / 30 = 5,3 нмN₂ = 0,53 + 0,53 + 14,40 = 15,46 кгили N₂ = 15,46 ∙ 22,4 / 28 = 12,37 нмO₂ = 0,47 + 2,36 + 4,43 = 7,26 кгили O₂ = 7,26 · 22,4 / 32 = 5,10 нм HNO₃ = 2,48 кгHNO₃ = 2,48 · 22,4 / 63 = 0,88 нмИтого: 45,89 кгили 30,27 нм. Количество паров воды, уходящих из колонны с нитрозными газами при t = 35 ºС, определяем по формуле: H₂O =

(кг) (3.18) где V = 30,27 нм ³ – объем сухих газов; р – парциальное давление паров воды /5/, МПа; М – молекулярная масса воды, кг/моль.р = 1,8 мм. рт. ст – парциальное давление воды над 98 % HNO₃ при t = 35 ºСp = 133.3 · 1.8 = 239.9 ПаH₂O =

кгили в объеме

нм Общий состав и количество газов, выделившихся из системы гидролиза и поступающих на поглощение:NO₂ = 13,6 кгили NO₂ = 6,62 нмNO = 7,09 кгили NO = 5,3 нмN₂ = 15,46 кгили N₂ = 12,37 нмO₂ = 7,26 кгили O₂ = 5,10 нм HNO₃ = 2,48 кг или HNO₃ = 0,88 нмH₂O = 1,45 кг или H₂O = 1,80 нмИтого: 45,89 кгили 30,27 нм. На основании полученных данных в таблице 3.1 приведен сводный баланс воды при регенерации кислотной смеси, в таблице 3.2 приведен сводный баланс по кислотам и нитрозным газам. Таблица 3.1 – Сводный баланс воды при регенерации 1 тонны кислотной смеси

Приход	Масса, кг	Расход	Расход, кг
1. С перерабаты – ваемой кислотной смесью2. С серной кислотой с массо –вой долей 92 %3. С перегретым паром	583 152 90	1. С отработанной серной кислотой 2. С парами азотной кислоты с массовой долей98 %	820 5
Итого:	825	Итого:	825

Таблица 3.2 – Сводный баланс по кислотам и нитрозным газам при регенерации 1 тонны кислотной смеси

Приход	Масса, кг	Расход	Расход, кг
1	2	3	4
1. С азотной кислотой с массовой долей 50 %2. С перерабаты-ваемой кислотной смесью 3. С серной кислотой с массовой долей 92 %4. С воздухом с учетом влаги5. С водой в виде подогретого пара	333,40 666,60 1900 20,63 88,26	1. С азотной кислотой с массовой долей 96 %2. С отработанной серной кислотой с массовой долей70 %3. С нитрозными газами с учетом подачи воздуха	243 2720 45,89
Итого:	3008,89	Итого:	3008,89

3.1.2 МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ ОТДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ОТРАБОТАННОЙ СЕРНОЙ КИСЛОТЫДля расчета принимаем следующие исходные данные:Производительность концентратора по моногидрату H₂SO₄ – 31,5 тонн;Массовая доля продукционной кислоты – 92 %;Массовая доля отработанной серной кислоты, поступающей на концентрирова-ние – 70 %;Потери серной кислоты с отходящими газами – 1,5 %;Приход:1. В вихревую колонну поступает разбавленная /3/ серная кислота с учетом 0,06 % потерь: G_разб = G · (1 – 0,0006), (кг) (3.19) G_разб = 7654,87 · 0,9994 = 7650,28 кгв том числе воды:G_H2O = G_разб · (1 – w / 100), (кг) (3.20)G_H2O = 7650,28 · (1 – 0,7) = 2295,08 кг2. Топочные газы:Соотношение серной кислоты с массовой долей 70 % и топочных газов равно 3:1. Следовательно, масса топочных газов, поступивших в колонну на концентрирование 70 % - ной серной кислоты: m = 2600 кг.3. Вода, поступившая в концентратор на абсорбцию: G_H2O^´ =

(кг), (3.21) где G_разб – количество серной кислоты, поступившей на концентрирование, кг; w₁– массовая доля воды, содержащейся в разбавленной серной кислоте, %; w ₂– массовая доля серной кислоты, поступившей на концентрирование, %.G_H2O^´ =

= 3278,7 кгРасход:1. При концентрировании серная кислота разлагается по формуле: H₂SO₄ = SO₂ + H₂O + ½ O₂ (3.6) Потери от разложения составляют 50% общих потерь или 0,03 %: G_пот = 0,03 % · G _разб, (кг) (3.22) G_пот = G _разб · 0,03 / 100 = 7650,28 · 0,0003 = 2,3 кг.2. Потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами составляют также 50% общих потерь (0,03%): G _ун = 0,03 % · G _разб, (кг) (3.23) G_ун = 0,0003 ∙ 7650,28 = 2,3 кг.2. Общие потери составляют: G_пот = G_ун + G_разл , (кг) (3.24) G_пот = 2,3 + 2,3 = 4,6 кг.4. При разложении серной кислоты образуется: H₂SO₄ = SO₂ + H₂O + ½ O₂ (3.7)SO₂ = (М_SO2 / М_H2SO4 ) · G_ун , кг, (3.25) где М_H2SO4 – молекулярная масса серной кислоты,кг/моль; М_SO2 – молекулярная масса оксида серы (VI), кг/моль; G _ун – потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами, кг. SO₂ = (64 / 98) · 2,3 = 1,5 кг H₂O = (М_Н2О / М_H2SO4 ) · G_ун , (кг) (3.26) где М_H2O – молекулярная масса воды,кг/моль; М_Н2SO4 – молекулярная масса серной кислоты, кг/моль; G _ун – потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами, кг. Н₂O= (18 / 98) · 2,3 = 0,42 кг O₂ = (0,5 · М_О2 / М_H2SO4 ) · G_ун , (кг) (3.27)
где М_H2O – молекулярная масса воды, кг/моль; М_Н2SO4 – молекулярная масса серной кислоты, кг/моль; G _ун – потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами, кг. O₂ = (0,5 · 32 / 98) · 2,3 = 0,38 кг, 5. В колонне выпаривается воды: G_вых = G_разб · [(1 – w₃ / 100) – (1 – w₄ / 100)], (кг) (3.28) где G_разб – количество серной кислоты, поступившей на концентрирование, кг; w₁– массовая доля разбавленной серной кислоты, %; w ₂– массовая доля концентрированной серной кислоты, %.G_вых = 7650.28 · [(1 – 70 / 100) – (1 – 92 / 100)] = 1606,56 кгНа процесс абсорбции поступает вода в количестве 3278,7 кг. При этом на поглощение газов затрачивается по 5 % на каждой абсорбционной ступени, т. е. 15 % от общего количества воды и равно 491,81 кг. Остальное количество воды выходит из колонны.6. Выход 92% продукционной H₂SO₄:G_кон= G _разл – G_вых , (кг) (3.29)G_кон= 7650.28 – 1606.56 = 6043,76 кг.7. Приход кислоты по моногидрату (конденсат): G _конд = G_разб · (1 – w₃ / 100), (кг) (3.30) G _конд = 7650,28 ∙ 0,7 = 5355,2 кгВ таблице 3.3 приведен сводный баланс отделения концентрирования серной кислоты.
Таблица 3.3 – Сводный баланс концентрирования серной кислоты.

Приход	Масса, кг	Расход	Масса, кг
1	2	3	4
1. С серной кислотой с массовой долей 70 %2. Топочные газыС температурой 900 ºС 3. Вода, поступающая на концентрирование	7650,28 2600 5573,78	1. Потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами2. При разложении серной кислоты 3. В колонне выпаривается воды 4. Выход 92% продукционнойсерной кислоты5. Приход кислоты по моногидрату6. Выход отработанной воды	2,3 2,3 1606,56 6043,76 5355,2 2786,90
Итого:	15797,02	Итого:	15797,02

3.2 ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ