книги из ГПНТБ / Амелин А.Г. Производство серной кислоты из сероводорода по методу мокрого катализа

туре около 1000° поступает в котел-утилизатор 4, где тепло газа используется для получения пара. Охлажденный газ при 450° поступает в контактный аппарат 5 с промежуточным теплообменом; на полках аппарата помещена ванадиевая контактная масса. Для снижения температуры газа после прохождения через слои

контактной массы	в газ добавляется атмосферный воздух.
По выходе из	контактного аппарата газ, содержащий сер­

ный ангидрид и пары воды, поступает в башню-конденсатор 7, заполненную кольцевой насадкой и орошаемую серной кислотой; температура кислоты на входе в башню 50—60°, на выходе из башни 80—90°. При охлаждении газа серный ангидрид и пары воды соединяются с образованием паров серной кислоты, кото­ рые затем конденсируются. В нижней части башни происходит быстрое охлаждение газа, поэтому возникает высокое пересы­ щение паров серной кислоты, часть которых (около 35%) кон­ денсируется в объеме с образованием тумана. Из башни-кон­

денсатора	газ поступает в брызгоуловитель, расположенный
в верхней части башни,		а затем в электрофильтр 8 для выделения
тумана.	Основная аппаратура
Печь	для сжигания	сероводорода. Печь представляет собой

стальной цилиндрический котел (рис. 31), футерованный огне­ упорным кирпичом. В печи имеется колосниковая насадка из

шамотного кирпича. Серо­							Т
водородный газ				поступает
в верхнюю часть печи через
горелку 3, в которой сме­
шивается		с	воздухом			и
затем сгорает в образую­
щемся внутри печи факеле.
В нижней			части		печи,
кроме патрубка для отвода
газа, имеется предохрани­
тельный	взрывной клапан						(g
1, закрытый				заглушкой
из листовой 'стали толщи­
ной 0,8	мм		и	листового
асбеста.	В случае воспла­
менения		взрывоопасной
газовоздушной				смеси		за­
глушка	вырывается				силой
взрыва из		фланца;			таким			X
путем	предотвращается						_
разрушение			печи.
При внезапном прекра-							Р]1C. 31. Печь для		сжигания	сероводорода:
щении подачи воздуха (что							/- •предохранительный		взрывной	клапан; 2—люк;
иногда	возможно в				про-		•горелка; 4—патр\ бок		для дополнительного ввода-
							3~	воздуха; 5—шамотн ая насадка.

121

изводственных условиях) поступление сероводородного газа в печь прекращается автоматически при помощи мембранного клапана. На рис. 32 представлена разработанная Макеевским коксохимическим заводом схема действия такого устройства.

Сероводородный газ проходит через сетку Деви 1 идалее через мембранный клапан 2 поступает в печь. Клапан открыт при достаточном давлении воздуха в сети (подняты мембрана 3 и клапан 4). При недостатке воздуха мембрана 3 и клапан 4 опуска­ ются, закрывается гнездо 5 клапана и прекращается поступление сероводородного таза в печь.

Сжигание газа в свече

Рис. 32. Схема действия автоматического мембран­ ного клапана:

У—сетка Деви; 2—мембранный клапан; 3—мембрана; 4—клапан; 5—гнездо клапана; 5—взрывная заглушка; 7—гидравлический за­ твор; Л, Б, В—задвижки.

Газопровод, по которому поступает сероводородный газ, соединен с гидравлическим затвором 7. В случае уменьшения потребления сероводородного газа избыток его выводится через гидравлический затвор и сжигается (свеча).

Для разогрева печи в ней сжигается генераторный или кок­ совый газ, который поступает в печь также при достаточно боль­ шом давлении воздуха в сети и тоже через мембранный клапан.

В период разогрева печи задвижка А должна быть закрыта,

задвижки Б	и В —открыты,
В случае	взрыва газа в печи из фланцев вырывается взрыв­

ная заглушка 6 и газы выводятся в атмосферу (сгорают в свече). Пламя не проникает в газопровод, подводящий в печь сероводо­ родный газ, так как оно гасится сеткой Деви.

Котел-утилизатор (рис. 33) выполняется в виде кирпичной камеры, разделенной на две части перегородкой, не доходящей до верха. В камере рядами расположены змеевики, присоединен-

122

Рис. 33. Котел-утилизатор.

ные к водяному коллектору и к коллектору для выхода парово­ дяной эмульсии. Иногда змеевики заключают в кожухи из чугун­ ных колец (мундштуков) для защиты труб от коррозии при кон­ денсации серной кислоты. Давление пара, образующегося в котлах-утилизаторах на установках мокрого катализа, состав­ ляет 6 или 13 am. Более полные данные о котлах-утилизаторах приводятся в справочной литературе10.

Поскольку печь и котел работают под давлением, а в газе, выходящем из печи, содержатся пары воды и некоторое коли­ чество SOa весьма существенное значение имеет качество футеро-

вочных и сварочных работ.	При наличии зазоров в футеровке
и неплотностей в кожухе	печи и корпусе котла-утилизатора

газ проникает к наружным поверхностям этих аппаратов, имею­ щим сравнительно низкую температуру, и охлаждается. Образу­ ющиеся пары серной кислоты конденсируются на стенках аппаратов и разрушают их.

Ранее указывалось (стр. 37), что для уменьшения объема газа и лучшего использования тепла сероводород следует сжигать при минимальном избытке воздуха, а при наличии в сероводород­ ном газе цианистого водорода вести сжигание при недостатке воздуха. Тогда при окислении HCN образуется азот и. следова­ тельно, предотвращается образование окислов азота. Но при уменьшении количества воздуха, подаваемого в печь, температу­ ра в печи повышается. Поэтому, чтобыснизить температуру, внутри печи монтируют змеевики парового котла, совмещая таким образом печь и котел-утилизатор в одном аппарате (пред­ ложение А. П. Сергеева). В этом случае выходящий из печи

газ содержит некоторое количество сероводорода,							не сгоревшего
вследствие		недостатка	воздуха,	или паров серы			(стр. 41—42).
Для полного окисления серы газ				поступает в		камеру дожига­
ния,	куда	вводится некоторое количество воздуха, пропорцио­
нальное количеству, подаваемому				в	печь. Вследствие			выделе­
ния	тепла	реакции окисления остатка H2S температура газа
в камере		дожигания	повышается		примерно	на	30°.	Такое

повышение температуры поддерживают путем изменения количест­ ва подаваемого в печь воздуха и, следовательно, изменения сте­ пени сжигания сероводорода в печи.

Из камеры дожигания газ поступает в камеру-смеситель, куда также добавляется воздух в таком количестве, чтобы темпе­ ратура газа на входе в контактный аппарат составляла 440—450°. Такой режим процесса поддерживается автоматически (см. рис. 49,

стр. 152).

Длительный опыт эксплуатации промышленной печи подоб­ ного типа показал, что сжигание сероводорода в ней происходит без образования окислов азота; кроме того, значительно повы­ шается коэффициент теплоотдачи от газа к змеевикам парового кот­

ла, а также существенно упрощается оборудование печного от­ деления.

124

Контактный аппарат. Для окисления сернистого ангидрида в серный на установках, работающих по методу мокрого катализа, вначале использовались обычные полочные контактные аппараты типа К-39, применявшиеся и в производстве серной кислоты из колчедана11. Затем стали применять контактные аппараты с промежуточным теплообменом, в которых для снижения темпе­ ратуры газа после первого слоя контактной массы в межтруб­ ное пространство промежуточного теплообменника подается подо­ гретый атмосферный воздух12. Для подогрева воздуха исполь­ зуется горячий воздух, выходящий из теплообменников, который подсасывается к поступающему в вентилятор атмосферному воз­ духу в таком количестве, чтобы температура смеси составляла

200—250°.

Подогрев воздуха требуется для предотвращения конденса­ ции серной кислоты в трубах промежуточного теплообменника.. Конденсация начинается в тот момент, когда температура стенок труб теплообменника достигнет точки росы (около 270°).

Однако при подогреве воздуха значительно усложняется конструкция контактного аппарата и расходуется больше элек­ троэнергии. Кроме того, температура воздуха, поступающего в межтрубное пространство теплообменника, иногда может быть ниже требуемого предела, вследствие чего на внутренних стен­ ках труб конденсируется серная кислота, быстро разрушающая трубы.

В настоящее время на установках мокрого катализа преиму­ щественно применяются контактные аппараты, в которых газ по выходе из слоев контактной массы охлаждается путем до­ бавления атмосферного воздуха. Характерной, весьма ответствен­ ной деталью таких контактных аппаратов является смесительное устройство, в котором горячий газ перемешивается со вдуваемым непосредственно в контактный аппарат холодным атмосферным воздухом.

На рис. 34 изображен смеситель газа, в который атмосфер­ ный воздух поступает по кольцу 3, а из него в контактный ап­ парат—через сопла 5 (всего 16 сопел размером 110x35 мм) в тангентальном направлении по всему сечению аппарата. Кроме того, в середину подведена керамическая труба 4, по которой

воздух подается в			центральную часть				аппарата.	перегородкой
4	Смеситель,	показанный			на рис.	35,	снабжен
	с выходным отверстием			в	центре	и тангентально		расположен­
ными лопастями 3.			Выходное отверстие прикрывается диском
2,	благодаря	чему	газ,	направляемый			лопастями,	приобретает

в отверстии смесителя вращательное движение и перемешивается. Под отверстием расположен конус 5, равномерно распределяющий газовый поток по сечению аппарата. Атмосферный воздух по

трубе 1	поступает		в центральную	часть	аппарата,	отражается
■' от диска,	а	затем	вместе со всем	газовым	потоком	поступает в
смесительное		устройство.

125

/

Рис. 34. Смеситель газа:

/ —корпус смесителя; 2—кварцевая кусковая насадка; 3—кол!Цо для ввода воздуха; 4—керамическая труба; 5—сопла.

г j

Рис. 35. Смеситель газа:

/ —труба для ввода воздуха; 2—диск; а—направляющие лопа­ сти; 4—перегородка с отверстием; 5—направляющий конус. 6—рас­ пределительная решетка.

Типовой контактный аппарат (рис. 36) снабжен смесителем* действующим по описанному принципу. Атмосферный воздух поступает в центральную трубу У и по выходе из нее через отвер­ стия 2 смешивается с газом. Для лучшего перемешивания газ проходит решетку 5, затем лопасти 3, которые придают газу вращательное движение, и, наконец, решетку 4.

SO,

Рис. 36. Контактный аппарат:

/ —центральная труба; 2—отверстия в центральной трубе; 3—лопасти; 4, 5—решетки; б'—контактная масса.

При добавлении воздуха для снижения температуры в кон­ тактном аппарате увеличивается объем газа, что приводит к повышению гидравлического сопротивления и увеличению рас­

127

хода электроэнергии на преодоление этого сопротивления. Поэто­ му концентрацию сернистого ангидрида на входе в контактный аппарат поддерживают выше оптимальной, а в последних стадиях контактирования добавляют воздух в таком количестве, чтобы содержание кислорода в газе приближалось к оптимальному.

Количество воздуха е, которое требуется добавлять после каждой стадии контактирования, можно определить по следую­ щему уравнению18:

	V — V0_ с				\х + t„ —		(V, 1)
		V0	св		tK tB
где	e—количество	воздуха,		добавляемого		на	единицу объема
	газа, поступающего			в	контактный		аппарат;
	V0—начальный	объем газа,			нм3;
с,	V —конечный	объем газа после добавления воздуха, нм3;
	св—теплоемкость		газа	и	воздуха,	ккал/м3град;

\—максимальное повышение температуры газа при пол­ ном окислении двуокиси серы (х = 1) в адиабатических условиях, °С;

х —степень окисления		сернистого			ангидрида,	доли;
tQ—температура газа		на	входе в		катализатор,	°С;
tB—начальная	температура			воздуха, °С;
tK—температура газа после				добавления воздуха, °С;
A t—’Понижение	температуры			газа	в результате потерь
тепла в окружающую среду.						а Д/ =	0.
В приближенных	расчетах можно принять с=се,
Тогда е определяют	из уравнения:
	L _ t Т					(V,	2)
	К	_	1 +	Е

где t —температура газа перед добавлением воздуха, °С. Концентрация сернистого ангидрида в газе после добавления

воздуха (в пересчете на начальную концентрацию сернистого ангидрида, т. е. без учета образования SOs) выражается уравне­ нием:

	а =	- f S	(V, 3)
	1
где а —концентрация сернистого		ангидрида в	газе, поступаю­
щем в контактный аппарат, %;
а'—концентрация сернистого ангидрида после добавления
воздуха,	%.		содержит пары
Добавляемый	в контактный аппарат воздух

воды, что приводит к снижению концентрации получаемой серной кислоты, особенно в летнее время, когда и сероводородный газ и атмосферный воздух имеют большую влажность. Поэтому на некоторых заводах газ по выходе из первого слоя контактной массы охлаждают в промежуточном теплообменнике, а после

128

второго	слоя, в котором		выделяется	незначительное	количество
тепла,	для	охлаждения	газа добавляют воздух.
На некоторых установках мокрого катализа применяются
трехслойные		контактные	аппараты.	Степень контактирования
в них составляет 97%, что достигается добавлением					в контакт­

ный аппарат большого-количества воздуха для охлаждения газа. При этом снижается концентрация сернистого ангидрида в газе и соответственно увеличивается концентрация кислорода, т. е.

создаются	благоприятные условия для	окисления сернистого
ангидрида	на ванадиевом катализаторе (см. главу		III, стр. 45).
Ниже	приведены основные показатели	работы	промышленно­

го трехслойного контактного аппарата с промежуточным тепло­ обменником после первого слоя контактной массы и добавлением воздуха после второго слоя:

Производительность, т H2S04 в сутки . . .						36
Содержание S03 в газе, % ..........................						6,0
	Количество	перерабатываемого газа, нм.3/час				6000
Внутренний диаметр				аппарата, мм		3600
'	в верхней		ч ас т и ..................................
	в нижней части ..................................					4500
	Поверхность теплообменников, м3 ................					400
	Количество контактной массы, м3					3
	в первом слое			......................................
	во втором		»	..............................		3
	в третьем		»	л /с у т к и		4,8
	на 1	m'H2S04,				300
	Степень контактирования,				%	80
	после первого			слоя	. . . " ...................
	»	второго		»	...............................	92
	»	■ третьего		»		97,7
	Гидравлическое сопротивление аппарата, мм					400
	вод. cm.............................................................
	Температура газа, °С					450
	на входе в первый слой . ...................
	после первого с л о я ...............................					585
	на входе		во второй сл о й ...................			480
	после второго слоя				сл..............................о й	500
	на входе в третий					445
	после третьего слоя..............................					455

Уменьшение концентрации сернистого ангидрида в газе при­ водит -к снижению производительности аппаратов, что в свою очередь, существенно сказывается на технико-экономических показателях установки. Поэтому оптимальный состав газа в каждом отдельном случае следует устанавливать на основе достаточно разработанных теоретических данных13 (см. также главу III, стр. 59). При использовании сероводородного газа, содержащего 85% H2S, оптимальная концентрация SO,2 в конеч­ ной стадии процесса составляет около 6,5% (в пересчете на начальные условия). При снижении температуры газа в кон­ тактном аппарате путем добавления атмосферного воздуха концентрация сернистого ангидрида на входе в контактный аппа­ рат должна быть более 10% (см. расчет на стр. 55). Однако

9 А. Г. Амелин

129

вследствие недостатка кислорода в газе снижается скорого процесса Окисления сернистого ангидрида на первых слоях контактной массы; в этих случаях требуется применение четырех- и даже пятислойных контактных аппаратов. Удорожание их стоимости компенсируется значительным повышением произ­ водительности установки (до 50%), связанным с уменьшением объема перерабатываемого газа.

На проектируемых установках мокрого катализа предусматрива­ ются четырехслойные контактные аппараты, в которых понижение температуры газа по выходе из слоев контактной массы осуще­ ствляется путем добавления атмосферного воздуха. В таких аппаратах степень контактирования достигает примерно 98%.

Башня-конденсатор, в которой газ охлаждается после кон­ тактного аппарата и происходит конденсация серной кислоты, устроена так же, как башни с насадкой, применяемые для осушки газа и абсорбции серного ангидрида в производстве серной кисло­ ты контактным методом11.

Башня-конденсатор представляет собой стальной, футеро­ ванный кислотоупорной керамикой корпус (рис. 37), заполнен­ ный керамическими или фарфоровыми кольцами размером преиму­ щественно 50x50 мм\ нижняя часть насадки состоит из несколь­ ких рядов более крупных колец размером 150x150, 120x120, 100x 100 и 80x80 мм. В верхней части башни имеются штуцера для входа кислоты и выхода газа, а также люк для загрузки и выгрузки насадки башни и два смотровых стекла для осмотра башни и для освещения. На сферической (или конической) крыш­ ке башни размещены распылители кислоты, равномерно рас­ пределяющие ее по сечению аппарата. В зависимости от диаметра башни устанавливают от 8 до 12 распылителей. Плотность ороше­ ния составляет 6 —10 м3/час на 1 м2 сечения башни.

Температура кислоты, поступающей на орошение башни, составляет 50—60°. Пары серной кислоты конденсируются на поверхности насадки, смоченной серной кислотой; выделяющееся при этом тепло расходуется на нагревание орошающей кислоты; температура кислоты повышается и на выходе из башни составля­

ет 80—90°.

Вытекающая из башни кислота поступает непосредственно в оросительные холодильники или стекает в сборник, из кото­ рого подается центробежным насосом в оросительные холодиль­

ники.

При указанной сравнительно низкой температуре орошаю­ щей кислоты в башне, как известно, возникает высокое пересы­ щение паров серной кислоты, вследствие этого часть паров кон­ денсируется в объеме с образованием тумана. В этих условиях в башне выделяется 65—70% серной кислоты, что хорошо согла­ суется с результатами расчета (см. стр. 115).

На выходе из башни в газе, имеющем довольно низкую тем­ пературу, содержится незначительное количество паров воды,

130