Понятие химического реактора (стр. 8 из 11)

Заменять отработанный и загружать свежий катализатор в кипящий слой можно без остановки процесса, что важно при работе по упрощенным технологическим схемам, допускающим присутствие в газе контактных ядов[2].

Достоинства процесса окисления SО₂ в кипящем слое обусловили большой интерес к нему. На основании лабораторных исследований проведены полузаводские и опытно-промышленные испытания этого процесса и запроектированы промышленные установки с кипящим слоем катализатора.

4.4 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.

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.

Сернистый газ, полученный сжиганием чистой серы или сероводорода, как правило, не подвергается специальной очистке. После охлаждения в котлах-утилизаторах исходный сернистый газ поступает в контактный узел при 420—440° С. Производительность вновь устанавливаемых контактных узлов быстро возрастает [5].

Аппараты с непрерывным теплообменом широко применялись при относительно небольших производительностях (от 30 до 100 т/сутки). При использовании принципа непрерывного теплообмена процесс окисления SO, удается приблизить к оптимальным условиям и уменьшить расход катализатора. Однако конструкция таких аппаратов значительно сложнее, чем аппаратов с промежуточным теплообменом, затруднен их ремонт и особенно замена контактной массы. Аппараты с непрерывным теплообменом имеют некоторую перспективу для применения при переработке сернистого газа повышенной концентрации (12—18% SO₂)

В настоящее время применяются почти исключительно контактные аппараты с промежуточным теплообменом.

Для достижения степени окисления сернистого ангидрида 97,5—98,5% необходимо 4—5 слоев катализатора, поэтому ранее применявшиеся трехслойные контактные аппараты заменяются на четырех- и пятислойные.

На рисунке 9 представлена схема контактного узла, включающего 4-слойный контактный аппарат с промежуточными теплообменниками, такие контактные узлы работают в сернокислотных цехах с полной схемой подготовки сернистого газа.

Очищенный и осушенный сернистый газ нагревается за счет тепла реакционного газа, последовательно проходя внешний теплообменник и промежуточные теплообменники в контактном аппарате. Наибольшая разность температур между нагреваемым сернистым газом и реакционным газом создается при их противотоке во всех теплообменниках. Для поддержания оптимального температурного режима применяются байпасные газоходы с задвижками, регулирующими количество исходного газа, поступающего в теплообменники [5].

С этой же целью в ряде контактных узлов температура реакционной смеси после 1-го слоя контактной массы регулируется путем поддува части исходного сернистого газа. После 1-го слоя можно поддувать как холодный сернистый газ (40—70° С), так и газ, предварительно нагретый во внешнем теплообменнике до 220—250° С. В первом случае поддувается около 20, во втором — около 30% общего количества газа, поступающего в контактный узел.

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

Рисунок 9 – Схема контактного узла, оборудованного контактным аппаратом с промежуточными теплообменниками

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.

При использовании метода двойного контактирования оптимальная концентрация исходного газа повышается до 9—10%

в установках, работающих на колчедане, и до 12% в установках, работающих на сере. Общая степень контактирования достигает 99,5—99,8%. Применение метода двойного контактирования позволяет значительно уменьшить содержание в хвостовых газах, кроме того, уменьшается объем газа в контактном и абсорбционном отделениях. К недостаткам метода следует отнести необходимость тщательной очистки газа от брызг и тумана серной кислоты после промежуточной абсорбции и увеличение поверхности теплообменников контактного узла в 1,5—1,7 раза по сравнению с их поверхностью в обычных схемах.

В моей курсовой работе я отдаю предпочтение контактному методу окисления сернистого газа, полученного при обжиге колчедана. Этому способствуют следующие причины.

Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан.

В то же время отходящие газы – наиболее дешевое сырье, низкие оптовые цены и на колчедан. Наиболее же дорогостоящим сырьем является серы. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что в экономическом и инженерном плане выгоднее работать с колчеданом.