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

В табл. 32 приведены результаты расчета процесса конден­ сации паров серной кислоты в башне, орошаемой различным количеством серной кислоты. В расчете приняты приведенные ранее исходные данные (стр. 112) при различных tn и tK.

До момента начала конденсации паров серной кислоты в объеме и образования тумана расчет проводился по обычным формулам тепло- и массопередачи для газа, движущегося вдоль более холодной поверхности.

			Т а б л и ц а 32
Содержание тумана в газе после		башни и средний радиус капель
при различной температуре и различном количестве орошающей кислоты
Температура орошающей кислоты, °С		Количество	Содержание	Средний
		орошающей
на входе	на выходе	кислоты	тумана в газе	радиус капел!
		т}час	г/нмЗ	см-10“ 4
50	80	456	78	5 ,1
50	190	95	48	5 ,5
50	220	80	39	—
ПО	220	116	34	—
120	220	126	15	7 ,7
130	220	138	6	СО

Для расчета участка башни, в котором происходит образова­ ние тумана, использован послойный метод с учетом одновремен­ ной конденсации паров серной кислоты на поверхности и в объеме, а также коагуляции капель.

Из данных табл. 32 видно, что при температуре кислоты на входе в башню 50° с уменьшением количества орошающей кис­ лоты содержание тумана в газе после башни уменьшается.

При этом средний радиус капель тумана изменяется незначи­ тельно. Это объясняется тем, что вследствие повышения темпе­ ратуры кислоты в нижней части башни увеличивается равновес­ ное давление паров воды над серной кислотой и содержание паров воды в газе. В результате понижается концентрация ки­ слоты в образующихся каплях тумана, появляются и более мел­ кие капли, так как возникает большее пересыщение паров.

На рис. 52 показано изменение условий процесса конден­ сации при различной температуре вытекающей из башни кислоты, т. е. при различном количестве орошающей кислоты. С умень­ шением количества орошающей кислоты увеличивается высота насадки, необходимая для достижения заданной полноты кон­ денсации. Для удобства на оси абсцисс отложена относитель­

ная высота насадки	(где h —высота насадки на рассчитывае­
мом участке, Н —общая	высота насадки в башне).
Чем больше кислоты	подается на орошение башни, т. е. чем

ниже температура вытекающей кислоты, тем раньше наступает

И А. Г . Амелин

161

конденсация паров в объеме и тем больше образуется тумана. Давление паров воды уменьшается с понижением температуры газа (в результате поглощения паров орошающей кисдоты) и

возрастает при	повышении температуры кислоты,			вытекающей
из башни.	несмотря	на меньшее	общее давление! паров
Поэтому-то,
серной кислоты	в момент	образования	тумана,	максимальное

Рис. 52. Показатели процесса конденсации в башне при тем-, пературе кислоты на входе 50° и различной температуре кислоты на выходе:

	/ —при 80°; 2—при 190°; 3—при 220° (/—температура газа;				—дав­
	ление паров серной кислоты в газе; S —пересыщение паров серной кислоты;
	q—содержание тумана в газе; гср —средни!'! радиус капель тумана;
	/г—высота	насадки на рассчитываемом участке башни: /У—полная				высо­
			та насадки).
пересыщение		пара	достигает	большого значения		и	капли
тумана	на выходе		из башни имеют меньший средний				радиус.
На	основании		приведенных	данных можно	сделать		вывод,

что при дальнейшем уменьшении количества орошающей кисло­ ты содержание тумана также будет уменьшаться. Однако на практике значительное повышение температуры вытекающей кис­

162

лоты связано с большими трудностями и может быть рекомендо­ вано лишь в особых случаях.

С повышением температуры серной кислоты, подаваемой на орошение башни, температура поверхности конденсации (насад­ ки) повышается по всей высоте башни, что уменьшает возможность туманообразования и способствует возникновению крупных капель

Рис. 53. Показатели процесса конденсации в башне при тем­ пературе кислоты на выходе 220° и различной температуре кислоты на входе:

1—при 50°; 2—при 110°; 3—при 120° (обозначения те же. что на рис. 52).

тумана. Это подтверждается расчетом процесса конденсации в башне, орошаемой серной кислотой. Температура кислоты на выходе из башни во всех случаях составляет 220°. Результаты расчета показаны на рис. 53. С повышением температуры кислотьц подаваемой на орошение башни, образование тумана начи­ нается при более низкой температуре газа.

Средний радиус капель с повышением температуры кислоты увеличивается в связи с уменьшением количества вновь образую­ щихся капель и интенсивной конденсацией паров на каплях, обра­ зовавшихся в начале конденсации паров в объеме.

11*

163

Из приведенных данных следует важный практический вы­ вод: путем повышения температуры кислоты, подаваемой на орошение башни, или уменьшения количества этой* кислоты можно уменьшить количество образующегося тумана, а при соответствующих условиях туманообразование может быть исклю­ чено полностью. В зависимости от содержания паров серной кис­ лоты в поступающем газе такие условия могут быть созданы в одной или в нескольких последовательно соединенных башнях. Например, при использовании сероводородного газа высокой концентрации благоприятные условия процесса конденсации воз­ можно создать в двух последовательно соединенных башнях. В первой поддерживается более повышенная температура, во второй—обычная или несколько более низкая (для уменьшения коррозии труб и стенок электрофильтра). Цикл орошения этих башен может быть общим (с подачей кислоты одним насосом), но на орошение первой башни следует подавать меньше кислоты, чем на орошение второй башни. При смешении вытекающей из обеих башен кислоты ее температура на входе в холодильник

останется такой же, как	и при обычном режиме с одной башней
(рис. 30, стр. 120). Еще	целесообразнее подавать на орошение
первой башни кислоту,	имеющую повышенную	температуру.
В барботажном конденсаторе благоприятные		условия выде­

ления тумана из отходящих газов создаются потому, что в двух первых камерах происходит конденсация паров на поверхности без образования тумана, причем в этих камерах конденсируется около 95% паров серной кислоты. Повышение температуры кислоты в третьей камере до 120—130° способствует образованию крупных капель тумана. В этом случае замена электрофильтров керамическими фильтрами или аппаратами пенного типа не отразится на полноте очистки отходящих газов от сернокислот­ ного тумана.

Конденсация серной кислоты в башне, орошаемой "водой

Башня с насадкой—простой и надежный в эксплуатации аппа­ рат. Однако при конденсации серной кислоты в насадочной баш­ не по схеме, изображенной на рис. 25 (стр. 108), расходуется большое количество электроэнергии на перекачивание серной кислоты и воды на охлаждение кислоты. Поэтому большой прак­ тический интерес представляет процесс конденсации паров сер­ ной кислоты в башне, орошаемой водой.

Для получения серной кислоты высокой концентрации коли­ чество воды, поступающей на орошение башни, должно быть не больше, чем требуется для образования серной кислоты задан­ ной концентрации и для поглощения основного количества вы­ деляющегося в башне тепла. Это тепло расходуется на испарение воды, образующиеся пары воды отводятся вместе с отходящи­ ми газами в атмосферу. В этом случае плотность орошения не­

164

значительна и конструкция 6aujHH должна обеспечивать хороший контакт газов с жидкостью. Таковы, например, башни с проваль­ ными решетками12, с пенным слоем3 и др.

На рис. 54 представлены результаты расчета условий кон­ денсации в башне диаметром 5 м, орошаемой водой в количестве

Рис. 54. Показатели процесса конденсации в башне,

,орошаемой водой:

1—температура газа;	2—температура кислоты; 3—концентрация
кислоты;	4—давление	паров воды в газе.
7,69 м3/час. Температура, состав		и количество газа			те же, что
в расчете на стр. 112.	На графике		видно,	что концентрация
образующейся в верхней части башни			серной кислоты по мере
стекания ее вниз повышается и в нижней части башни					составляет
96,2% H2S04. Пересыщение паров серной				кислоты	быстро до­

стигает критической величины, в результате чего происходит конденсация паров в объеме и образование тумана.

Однако результаты проведенных расчетов и опытов показы­ вают, что благодаря коагуляции и поглощению паров воды кап­ лями серной кислоты размеры капель тумана в газе на выходе из башни настолько значительны, что эти капли могут быть вы­

делены в пористых			фильтрах,	циклонах		и электрофильтрах.
Есть	основания предполагать,			что	при	вводе части горячего
Газа и		воды в нескольких точках по высоте башни можно из­
менять		условия конденсации паров серной кислоты для умень­
шения		количества	образующегося		тумана.

Увеличение коэффициента использования тепла

Важнейшим способом снижения себестоимости серной кис­ лоты, получаемой из сероводорода, является возможно более полное использование выделяющегося в процессе тепла.

165

В табл. 33 показано, что при получении 1 т серной кислоты из сероводорода выделяется около 2 млн. ккал, т. е. значитель­ но больше, чем при получении серной кислоты из других видов сырья13.

									Т а б л и ц а			33
Тепловой баланс	процесса производства				серной кислоты			из	сероводорода
			(на 1 т H2S04)
Приход тепла		ТЫС .	%		Расход тепла					Т Ы С .	О/
		ккал								ккал
Сжигание H2S . .		1260	63,0 На		образование		пара в			650	32,4
Окисление S02 в S03 . .		234	11,7	печи ...........................			в	холо-
				Передается воде						1017	50,8
Образование паров H2S04		304	15,1	дильниках кислоты					. .
				Уводится с		отходящими				137
Конденсация паров H2S04		122	6,1	газами...........................							6	, 8
				Потери ...........................						200	10,0
Разбавление серной	кис-	83	4,1
Л О Т Ы ...................................
Вс е г о . . .		2004	100,0		В	с е г	о .		. .	2004	100,0

Коэффициент использования тепла т, очень низок:

— 650 = 0,32

71 — 2 004

В настоящее время около половины всего тепла отводится охлаждающей водой в холодильниках кислоты. Таким обр.азом, основное количество тепла не только не используется, но на поглощение его расходуется большое количество воды и электро­ энергии.

Тепло газа, выходящего из контактного аппарата, целесооб­ разно использовать в трубчатом конденсаторе для получения пара. Примерное оформление такого процесса изображено на рис. 55. Из контактного аппарата газ поступает в конден­ сатор 1, представляющий собой трубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого находится кипящая вода.

Расчет показывает, что при температуре кипящей воды 160°, соответству­ ющей давлению пара 6,3 am, в конденсаторе выделяется 96% царов серной кис­ лоты. Оставшиеся пары серной кислоты выделяются затем по любому из опи­ санных методов.

В газе, выходящем из трубчатого конденсатора, остается незначительное количество паров серной кислоты. Благодаря достаточно высокой температуре газа (162—170°) представляется возможность проводить процесс конденсации серной кислоты в башне с насадкой с образованием небольшого количества круп­ нодисперсного тумана. В этом случае электрофильтр может быть заменен более простыми пористыми фильтрами (рис. 55).

При оформлении процесса по схеме, изображенной на рис. 55, можно получить дополнительно (за счет тепла конденсации)

166

около 1 т пара на каждую тонну вырабатываемой серной кис­ лоты. Таким образом, общее количество пара, получаемого при производстве серной кислоты методом мокрого катализа, может быть увеличено до 2 т на 1 т серной кислоты.

Вместо трубчатого аппарата можно использовать змееви­ ковый конденсатор (рис. 56). Выходящий из контактного ап­ парата газ поступает в камеру, в которой размещены заполнен­ ные водой элементы парового котла в виде трубчатых змеевиков.

Газ

Рис. 55. Схема процесса		конденсации	с	максиРис.	56.	Змеевиковый
мальным использованием тепла:					конденсатор.
/ —трлбчатый конденсатор; 2—башня-конденсатор;				3—кера­
мический фильтр.
Образовавшийся	пар	отделяется	от увлекаемых		им брызг воды
и направляется	потребителю, вода возвращается					в змеевики.

В трубчатом конденсаторе верхняя решетка, в которую ввальцованы трубы, находится в жестких условиях: верхняя сторона

трубной	решетки соприкасается	с горячим газом	(450°),	ниж­
няя—с	парами воды, имеющими температуру 160°.		При	подаче
газа в межтрубное пространство		условия несколько	улучшаются.

В змеевиковом конденсаторе трубная решетка отсутствует, что облегчае-т конструктивное оформление и условия эксплуата­ ции такого ’ конденсатора.

В случае применения сероводородного газа низкой концен­

трации или в присутствии большого	избытка паров воды в серо­
водородном газе (по отношению к	H2S) процесс конденсации
может быть также оформлен по схемам,		изображенным на рис. 55
и 56. Но при этом температура воды		в конденсаторе должна

167

быть повышена (до 180—200°); тогда, несмотря на избыток паров воды, концентрация образующейся в конденсаторе кислоты бу­ дет достаточно высокой.

Количество тепла, выделяющегося в трубчатом конденсаторе, в процессе с использованием сероводородного газа низкой кон­ центрации будет примерно таким же, как и в случае применения сероводородного газа высокой концентрации, так как при малой концентрации H2S увеличивается объем газа и его общее тепло­ содержание.

Комплексная автоматизация установок мокрого катализа и создание цехов-автоматов

Сероводород является побочным продуктом очистки горючих газов. На многочисленных газоочистных установках будут соз­ даваться типовые цехи для переработки выделяемого сероводо­ рода на серную кислоту. Поэтому разработка и применение схем комплексной автоматизации таких цехов имеет большое практи­ ческое значение.

Комплексная автоматизация производства серной кислоты из сероводорода методом мокрого катализа может быть осуще­

ствлена с	достаточной простотой.			Это создает предпосылки
для создания		полностью	автоматизированных		установок,
в которых	регулирование		всего	технологического	процесса

производится автоматически, без непосредственного участия обслуживающего персонала.

Поскольку сероводород отличается значительной токсично­ стью, весьма важно исключить необходимость постоянного при­ сутствия аппаратчиков в производственных помещениях. Это обстоятельство также подтверждает важность создания полно­ стью автоматизированных установок для получения серной кис­ лоты из сероводорода.

Схемы автоматизации отдельных аппаратов и узлов этого процесса, а также схема комплексной автоматизации всего произ­ водства приведены ранее (стр. 151). В описанных схе'мах ком­ плексной автоматизации учитываются возможные небольшие колебания количества поступающего сероводородного газа и концентрации в нем H,S, поэтому при таких изменениях не требует­ ся’ вмешательства обслуживающего персонала.

Кроме приборов автоматического контроля и регулирова­ ния, которые предусматриваются схемой комплексной автома­ тизации процесса, в цехах-автоматах должны быть установлены приборы для автоматического пуска цеха и вывода всех аппара­ тов на рабочий режим и для автоматической остановки всего про­ изводства. Ниже описана примерная схема, по которой могут быть осуществлены автоматические пуск и остановка производ­ ства серной кислоты из сероводородного газа высокой концентра­ ции (см. рис. 48, стр. 151).

168

Цех-автомат приводится в действие нажатием соответствую­ щего контакта («пуск») или включается автоматически при от­ сутствии аварийного состояния. При этом исполнительные ме­ ханизмы" включают соответствующие аппараты. Вначале аппа­ ратура работает на пусковом режиме, при котором в печи сжщ гается генераторный газ. По достижении в контактном аппарате1 заданной температуры поступление генераторного газа автома­ тически прекращается и аппараты переводятся на рабочий режим. Остановка цеха-автомата осуществляется путем нажатия контак­

та «остановка», либо исполнительным механизмом			(который
должен сработать при		недостатке сероводородного газа),	либо от
датчиков	аварийных	сигналов (при неисправности отдельных
узлов или аппаратов).			включа­
П уск .	Получив импульс, исполнительный механизм
ет вентилятор 1 (рис.		48) и подает сигнал для полного открытия
клапана,	через который в атмосферу удаляется газ из		газохода

перед контактным. аппаратом (клапан и газоход для отвода газа на рис. 48 не показаны). Кроме того, подаются сигналы для за­ крытия клапанов, регулирующих подачу воздуха на входе в. слои контактной массы. Когда вентилятор приобретает нормальное

число оборотов,	исполнительный механизм открывает задвижку
В (рис. 32, стр.	122) для подачи горючего газа, одновремен­

но включается ток в свечу запала (в газовой горелке). Постоянное количество воздуха поддерживается специальным регулятором, автоматически включаемым в период пуска цеха. Количество подаваемого горючего газа регулируется по показаниям тер­ мопары, измеряющей температуру газа после печи.

Когда температура отводимого в атмосферу топочного газа достигнет 150°, клапан на газоходе закрывается и топочные газы направляются в контактный аппарат (рис. 48). Одновременно включается насос для подачи серной кислоты на орошение баш­ ни-конденсатора 5 и включается аппаратура подстанции, снабжаю­ щей током высокого напряжения электрофильтр 6. Темпера­ тура газа на входе в контактный аппарат должна достигнуть 440°' и поддерживаться некоторое время на этом уровне для ра­ зогрева контактной массы. Для поддержания постоянства данной температуры к горячему газу перед контактным аппаратом до: бавляется холодный воздух (рис. 48). По истечении заданного времени разогрева (устанавливается в зависимости от произ­ водительности контактного аппарата) реле времени воздействует на исполнительный механизм, который открывает задвижку А и закрывает.задвижку В (рис. 32). При этом в печь начинает посту­

пать	H2S и прекращается подача горючего газа, в результате
цех	переводится на рабочий режим.

По достижении предельных значений технологических пара­ метров (давление пара в котле-утилизаторе, температура газа на выходе из слоев контактного аппарата, температура орошающей кислоты и др.) автоматические приборы воздействуют на соответ-

169

ствующие исполнительные механизмы, поддерживающие требуе­ мые величины параметров.

О с т а н о в к а . Получив импульс в результате нажатия кон­ такта «остановка» или от аварийных устройств, сигнализирующих о неисправности отдельных узлов и аппаратов, исполнительный механизм закрывает задвижку А и открывает задвижку В (рис. 32). В результате в контактный аппарат начинают поступать то­ почные газы для удаления из контактной массы серного ангидри­ да (продувка контактного аппарата). Продолжительность продув­ ки в зависимости от производительности контактного аппарата составляет 20—30 час.

По истечении этого времени реле воздействует на соответству­ ющие исполнительные механизмы, которые закрывают задвижку В (рис. 32), выключают вентилятор 1 (рис. 48), насос для пере­ качки кислоты, аппараты подстанции, питающей электрофиль­ тры, и т. д.

По описанной схеме цех автоматически останавливается на длительное время. В большинстве случаев остановки цеха, вызы­ ваемые неисправностью оборудования, непродолжительны. При этом по аварийному сигналу цех останавливается без продувки

контактного аппарата с одновременным включением	реле вре­
мени.	в контакт­
Если авария устранена раньше, чем температура
ном аппарате станет ниже температуры зажигания	контактной

массы, включается вентилятор, возобновляется подача серово­ дородного газа и одновременно включаются другие аппараты цеха в соответствии с технологической схемой. В случае охлаждения контактной массы ниже температуры зажигания реле времени включает исполнительные механизмы, с помощью которых вклю­ чается вентилятор и другие аппараты в последовательности, опи-

сайной выше	(как при продувке контактного аппарата).
В процессе	эксплуатации активность ванадиевой контактной

массы уменьшается, вследствие чего для достижения наиболее вы­ сокой степени контактирования и, следовательно, возможно лучших технико-экономических показателей процесса необходймо перио­ дически изменять температурный режим контактного аппарата. Для этого в цехах-автоматах целесообразно использовать вы­ числительные устройства, обеспечивающие автоматическое поддержание оптимального температурного режима контактного аппарата.

Количество контактной массы, загружаемой на каждую пол­ ку контактного аппарата, определяется расчетом. При соответ­ ствующем количестве контактной массы на полках устанавливает­ ся оптимальный температурный режим и достигается наиболее высокая степень контактирования на каждом слое контактной массы. Однако из-за снижения ее активности с течением времени возникает необходимость устанавливать новый оптимальный тем­ пературный режим для каждой полки.

ПО