Понятие химического реактора (стр. 7 из 11)
| Рисунок 5 - Зависимость производительности контактного аппарата от начальной концентрации сернистого ангидрида (для газа, получаемого обжигом колчедана в воздухе) |
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.
4.1 Подготовка обжигового газа к контактному окислению (очистное отделение)
Подготовка обжигового газа к контактному окислению заключается в удалении из него примесей, присутствие которых может вызвать затруднения при проведении последующий стадий, а также нагрев (или охлаждение) до температуры, при которой начинается контактное окисление.
Обжиговый газ, полученный сжиганием колчедана в печах КС содержит большое количество огарковой пыли, соединения мышьяка, селена и фтора. Очистка обжигового газа начинается в печном отделении, где в циклонах и сухих электрофильтрах осаждают огарковую пыль. Содержание пыли в газе после этих аппаратов сухой очистки не должно превышать 50 мг/м³. Затем газ направляют на стадию мокрой очистки (в промывное отделение), где из обжигового газа удаляют остатки пыли, каталитические яды (соединения мышьяка и фтора), а также соединения селена.
Наличие в газе пыли, даже в небольших количествах оставшихся после сухой очистки, может привести к повышению гидравлического сопротивления аппаратов и отравлению катализатора соединениями Аs, адсорбированными на огарковой пыли. Отравление катализатора произойдет в том случае, если в газовой фаза останутся оксиды мышьяка As2O3 или соединения фтора (HF и SiF4).
Мокрая очистка обжигового газа заключается в промывке его разбавленной серной кислотой. При этом происходит ряд физических процессов: конденсация, абсорбции и т.д.
Для того чтобы мокрая очистка прошла эффективно, ее осуществляют в нескольких аппаратах. Первая промывная башня – полая, так как в насадочной или тарельчатой колонне будет происходить забивание контактных элементов осаждающейся пылью. Во второй (насадочной) промывной башне происходит укрупнение и частичное осаждение капель тумана. Окончательно туман улавливают в мокрых электрофильтрах.
Для улучшения условий выделения тумана в мокрых электрофильтрах снижают температуру газа и концентрацию орошающей кислоты во второй промывной башне, а после первого электрофильтра пропускают газ через увлажнительную башню, орошаемую очень слабой (5%-ной) серной кислотой. При этом повышается относительная влажность газа, что приводит к поглощению паров воды каплями тумана и увеличению их размера.
Во второй промывной и увлажнительной башнях газ практически полностью насыщается парами воды. Присутствие паров воды в газе приводит к конденсации кислоты в теплообменниках контактного отделения и образованию тумана в абсорбционном отделении. При этом возможны большие потери серной кислоты с отходящими газами, так как туман очень плохо улавливается в обычной абсорбционной аппаратуре. Этим объясняется необходимость тщательной осушки обжигового газа в очистном отделении. Осушку газа производят в насадочных башнях, где пары воды абсорбируются концентрированной серной кислотой. Содержание влаги в газе, выходящим из сушильных башен, не должен превышать 0,08г/м³(0,01%).
Подготовка к контактному окислению газа, полученного при сжигании серы, значительно проще. Сера практически не содержит примесей, которые при ее сжигании могли бы стать каталитическими ядами. Поэтому очистка газа заключается лишь в его осушке. Так как осушка концентрированной серной кислотой происходит при низких температурах, целесообразно подвергать осушке не обжиговый газ, который пришлось бы специально охлаждать, а холодный воздух, подаваемый на сжигание серы. Обжиговый газ в этом случае будет содержать лишь минимальное (допустимое) количество паров воды и для проведения контактного окисления его нужно лишь охладить в котлах – утилизаторах до температуры зажигания катализатора [1].
4.2 Двойное контактирование
Для достижения высокой степени окисления и уменьшения содержания сернистого ангидрида в отходящих газах без значительного увеличения количества контактной массы применяют так называемое двойное контактирование (или контактирование с промежуточной абсорбцией).
Сущность двойного контактирования состоит в том, что процесс окисления SО2 на катализаторе осуществляют в два этапа. На первом этапе степень превращения составляет около 90%. Затем из газа выделяют серный ангидрид, направляя газ в дополнительный, промежуточный абсорбер. В результате в газе увеличивается соотношение О2:SО2, что позволяет на втором этапе увеличить степень превращения оставшегося сернистого ангидрида до 95—97%. Общая степень превращения достигает 99,5—99,7%, а содержание SО2 в отходящих газах составляет около 0,03%.
На рисунке 7 представлено контактное отделение с двойным контактированием. При двойном контактировании сернистый газ дважды нагревается от начальной температуры около 50°С (после осушки в сушильной башне и выделения серного ангидрида в первой стадии абсорбции), поэтому для обеспечения автотермичности процесса концентрация SО2 в газе на входе в первую стадию контактирования должна поддерживаться 9— 10%.
| 1, 2, 4, 8 — Т; 3 — Р, 5 — Ф; 6, 7 —К Рисунок 7 – Контактное отделение с двойным контактированием |
Газ проходит теплообменники Т 1 и 2 и поступает на первый, а затем на второй и третий слои контактной массы аппарата Р. После третьего слоя газ подают в промежуточный абсорбер К и из него в теплообменники 4 и 8, а затем в четвертый слой контактной массы. Охлажденный в теплообменнике 4 газ проходит абсорбер 7 и из него выводится в атмосферу. Так как в случае возможных нарушений режима абсорбции очистка газа от сернокислотного тумана в волокнистом фильтре 5 может быть неполной, что способствует разрушению труб в теплообменнике, после фильтра иногда устанавливают небольшой легко заменяемый теплообменник [1].
4.3 Окисление SО2 на катализаторе в кипящем слое
Увеличение поверхности соприкосновения газа с катализатором при интенсивном перемешивании увеличивает скорость процесса окисления SО2 до SО3. При этом, как вытекает из экспериментальных исследований, расход катализатора снижается в два раза.
Интенсивность перемешивания увеличивает скорость процесса, позволяет полнее использовать поверхность контактной массы, значительно улучшает теплопередачу (а следовательно, и отвод тепла). Поэтому в аппаратах с кипящим слоем не только уменьшается объем катализатора, но газ может подаваться в аппарат с температурой ниже температуры зажигания и концентрация его может быть выше обычной (7—7,5%). Перечисленные преимущества делают процесс окисления в кипящем слое весьма перспективным.
Гидравлическое сопротивление кипящего слоя не зависит от размера зерен, поэтому для каталитического окисления SО2 в кипящем слое применяют очень мелкие сферические гранулы катализатора (радиус 0,5—2 мм), что обеспечивает практически полное использование внутренней его поверхности. Интенсивность процесса в кипящем слое повышается также вследствие постоянства температуры во всем слое.
Присутствие некоторого количества пыли в газе, поступающем в кипящий слой катализатора, не вызывает затруднений, так как вследствие большой скорости газа и интенсивного перемешивания пыль в кипящем слое не задерживается.