Расчет ХТС производства серной кислоты из элементарной серы одинарным контактированием

 

 

 

 

1 - плавилка серы с ее очисткой от негорючих примесей;

2 - печь сжигания серы;

3 - парогенератор;

_{4 - контактный аппарат;} 

5 - теплообменник;

6 - моногидратный абсорбер;

7 - теплообменник;

8 - жидкостной насос.

 

 

 

 

«Кроткой» называется технологическая схема получения Н₂SO₄  из элементарной серы. Она значительно проще, так как элементарная сера не содержит вредных для контактной массы (катализатора) примесей и отпадает необходимость системы очистки.

Расплавленная сера, очищенная в 1 от негорючих примесей, и очищенный воздух подаются в печь сжигания серы 2, где при сгорании серы образуется SO₂:

S₂+2O₂=2SO_2.

 

 

Температура сернистого газа на выходе из печи составляет 1100-1200⁰С. В

парогенераторе 3 снимается тепло, и температура потока понижается до

420-440⁰С, после чего газовая смесь подается в контактный аппарат 4 для окисления SO₂ в SO₃:

SO₂+0,5О₂=SO_3.

 

 

Это гетерогенно-каталитическая реакция,  для проведения которой используется катализатор на основе пятиоксида ванадия. Полученный триоксид серы после охлаждения в теплообменнике 5 поступает в абсорбер 7, где образуется серная кислота.

SO₃+H₂O= H₂SO₄.

 

 

Циркуляция жидкости через абсорбер с помощью насосов 9 позволяет проводить абсорбцию при оптимальных концентрациях поглотителя и мало меняющемся составе жидкости в абсорбере. В рецикл добавляется необходимое количество воды. Тепло абсорбции снимается в теплообменнике

8.

 

 

 

 

 

3.2. Расчетная схема ХТС.

Некоторые элементы не изменяют состав потоков и их величину, например, теплообменники, насосы, котлы-утилизаторы. Поэтому для расчета материального баланса ХТС такие элементы,  как парогенератор (3), теплообменник (5,7) и насос (8), входящие в нашу систему, приведенную на рис.1, можно исключить. Сокращенный вариант ХТС, предназначенный для расчета материального баланса , представлен на рис.2.

 

 

рис.2 Упрощенная технологическая схема ХТС

 

Использование расчетных элементов позволяет существенно упростить составление и, соответственно, расчет материального баланса сложной ХТС.

Схему ХТС, показанную на рис.2, можно составить из отдельных расчетных элементов, воспроизводящих работу технологических аппаратов, тогда мы получим расчетную схему ХТС. Обратим внимание, что переход к расчетной схеме не всегда связан с простой заменой технологических аппаратов на указанные элементы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис.3 Расчетная схема ХТС

(пунктиром выделены технологические аппараты)

 

 

 

Также расчетная схема ХТС рис.5 может быть представлена в виде таблицы. Для этого пронумеруем все расчетные элементы на рис.5. Для каждого расчетного элемента укажем номера элементов, из которых потоки входят в данный расчетный элемент, и номера элементов, в которые направляются потоки, выходящие из данного расчетного элемента. В каждой строчке таблицы укажем номер и наименование элемента и его связи.

 

 

 

 

 

Расчетная схема ХТС в табличном виде. 

таблица 1

 

 

7	Делитель линейный	6		8	10
8	Делитель простой	7		9	0
9	Смеситель	8	0	5
1 0	Делитель линейный	7		0	0

 

 

 

 

 

4. Математическое описание расчетных элементов.

Элемент ХТС изменяет состояние входящих в него потоков. Можно составить математическое описание каждого из расчетных элементов данной ХТС – уравнения материального баланса. Материальный баланс основан на законе сохранения массы (равенстве масс входящих и выходящих потоков). Характеристикой потока при расчете материального баланса является его величина (общее количество вещества) и покомпонентный состав (наименование и количества всех веществ)..

Рассмотрим нашу ХТС производства серной кислоты из элементарной серы.

 

 

1.   Делитель линейный.

Разделяет поток на два, и для него определен коэффициент разделения каждого компонента α_i, выходящего с одним из потоков.

^G1сера^{= α}сера^G0сера  ^{(1 поток)} G_1сера=(1- α_сера)G_0сера   (2 поток)

2. Смеситель (объединяет 2 потока)

Будем записывать материальный баланс массовых величин потоков на выходе из смесителя и 1-ого и 2-ого потоков на входе, а также материальный баланс по какому-нибудь из компонентов.

 

 

^G1сера^+G0возд^=G2смеси

^G1сера^g1сера^+G0возд^g0сера^=G2смеси^g2сера

 

 

3. Реактор (протекает химическое превращение)

Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическим уравнением:

S₂+2O₂=2SO₂

 

 

Изменение количества любого вещества определяется через степень превращения x исходного компонента. Будем выражать мольные количества продукта реакции после реактора:

 

 

 

 

_{4. Реактор} 

₁

^N_{3 SO}

⁼ 

 

N _{2 S} x

 

Стехиометрическое уравнение: SO₂+0,5О₂=SO₃

 

^N 4 SO 

^N3 SO₂ 

^xSO₂

 

5. Смеситель 

 

 

^G4 SO  ^{+ G}9 H SO  ^{= G}5смеси

 

 

^G4 SO 

^g 4 SO  ^{+ G}9 H SO 

^g9 SO  ^{= G}5 смеси 

 

^g5смеси

 

 

 

6. Реактор

Стехиометрическое уравнение:

_{SO3+H2O= H2SO4.}

 

^N 6 H SO  ^{= N}5 SO 

^xSO

 

 

 

 

7. Делитель линейный

^G7 H SO  ^=α H SO 

 

 

^G6 H SO 

 

 

(1поток)

 

^G7 H SO  ^=(1-α H SO  ^{) G}6 H SO 

(2поток)

 

 

 

8.Делитель простой (разделяет на два потока, при этом составы потоков не изменяются).

Полагаем, что один из выходящих из делителя потоков составляет долю α от входящего потока.

 

^G8 H 

SO  тов ^{= α G}7 H 

 

₂ ^SO₄ 

(1поток)

 

^G8 H 

SO  тов ^{=(1- α) G}7 H 

 

₂ ^SO₄ 

(2поток)

 

 

 

 

9.Смеситель 

 

 

^G8 H 

 

 

 

₂ ^SO₄ 

 

 

рейц ^{+ G}0 H 

 

 

O ^{= G}9 смеси

 

 

^G8 H 

 

₂ ^SO₄ 

 

рейц 

 

^g8 H 

 

₂ ^SO₄ 

рейц ^{+ G}0 H O 

 

^g0 H 

 

₂ ^SO₄ 

^{= G}9 смеси 

 

^g9 H 

 

₂ ^SO₄

 

 

 

 

 

 

5 . М а т е м а т и ч е с к о е о п и с а н и е п р о ц е с с а в с л о е к а т а л и з а т о р а .

 

 

Каталитическое окисление сернистого ангидрида  является  типичным примером гетерогенного катализа окислительной простой обратимой экзотермической реакции. Компоненты реакционной смеси взаимодействуют с катализатором и образуют соединении, которые собственно, и катализируют реакцию.

На промышленном зерне катализатора окисление тормозится переносом реагентов в порах катализатора.

При расчете слоя катализатора используем программу кафедры ОХТ по лабораторному практикуму (см.  пункт 9). Мы задаем температуру перед первым слоем Т_1н, количество слоев катализатора N, степень превращения на выходе из реактора на выходе из реактора (после последнего слоя)  x_к= x_nк. Требуется определить координаты режима слоев катализатора: х_iн, Т_iн, х_iк, Т_iк, обеспечивающие достижение заданного превращения х_к в минимальном объеме катализатора, то есть ∑ν_кi=min.

У нас реактор с вводом холодного газа после первого слоя и теплообменниками после остальных. Схема реактора и режим его работы в

 

координатах «Т-х» показаны на рис.1. В таком реакторе в первый слой направляется доля β от общего объема газа V₀  с температурой Т_1н. Оставшаяся часть с температурой Т_х.г.  подается после первого слоя для охлаждения прореагировавшего в нем потока. Вместе с температурой меняется и степень превращения

Т_2н= Т_х.г.+ β(Т_1к- Т_х.г);  х_2н= βх_1к  (1)

 

 

Объем катализатора в i-ом слое ν_кi=τV₀, и при заданной нагрузке на реактор

V₀ условие оптимальности будет βτ₁+ ^å  τ₁=min

Адиабатический процесс в слое катализатора описывается уравнением:

dx/dτ=W(x,T), T=T_н+ΔТ_ад(х-х_н)

  , где f(x,T)=1/W(x,T)

Между слоями в теплообменниках степень превращения не меняется :

^хiк^=хi+1,н  ⁽²⁾ Оптимальному режиму отвечают следующие соотношения:

Равенство скорости реакции в конце предыдущего и начале следующего слоев

^W(xik^,Tik^)=W(xi+1,н^,Тi+1,н⁾

(для i=1 надо учитывать связи (1), для i>1-(2)); Интегральные выражения для слоев

  =[x_1kf(x_1k,T_1k)- τ₁]/(Т_1н- Т_х.г);

  =0, i=3,…..,N

f(x,T)=1/W(x,T); f_T(x,T)=df/dT  (стр.79[4])

 

 

 

 

 

 

6. Метод решения математического описания ХТС.

Для расчета материального баланса ХТС производства серной кислоты воспользуемся программой SPT_ХТС. ХТС при этом представляем как совокупность расчетных элементов, соединенных между собой потоками.

В SPT_ХТС для решения системы алгебраических уравнений используется метод простой итерации. Все элементы расчетной схемы предварительно нумеруются от 1 до К. Расчет производится последовательно по аппаратам в направлении возрастающих их номеров.

Первоначально неизвестная величина потока в рецикле задается равной нулю. После первого «прохода» получают некоторое значение величины рециркулирующего потока. Далее повторяют последовательно расчет с полученными значениями величин потока рециркуляции. Данную итерационную процедуру повторяют до тех пор, пока не удовлетворится неравенство:

 

_å ^G_{i ,вх} 

^- _å ^G_{i ,вых}

 

    ^{i  i}   _<ε

^{å Gi ,вх}

i

 

где G_i,вх, G_i,вых- величины входного и выходного потока i-ого компонента соответственно;

ε – заданная точность расчета (в программе использовано значение ε=0,0001).

 

 

Результаты расчета материального баланса по всем избранным элементам ХТС будут выведены на экран  в виде таблиц. Все данные о потоках представлены в массовых и объемных величинах по всем компонентам и потокам в целом, а также в процентном содержании компонентов в потоках.

 

 

 

 

 

7 . О ц е н к а к о л и ч е с т в и с х о д н ы х в е щ е с т в д л я о б е с п е ч е н и я з а д а н н о й п р о и зв о д и т е л ь н о с т и Н ₂ S O ₄ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Таблицы с материальным балансом ХТС.

 

 

 

2. Смеситель
реагент	Вход   из  аппарата  1				2 - ой вход из аппарат  0				Выход   в   аппарат 3
	% мол.	тыс.м3	% вес.	Т	% мол.	тыс.м3	% вес.	Т	% мол.	тыс.м3	% вес.	Т
О2	0	0	0	0	64.17	29.437	66.33	42.095	62.85	29.437	63.56	42.095
N2	0	0	0	0	35.49	16.289	32.11	20.378	34.75	16.289	30.77	20.378
S2	100	0.968	100	2.765	0	0	0	0	2.06	0.968	4.18	2.765
сум.расх	100	0.968	100	2.765	100	46.383	100	63.458	100	47.351	100	66.224
Плотность 0.35					Плотность 0.73				Плотность 0.72