Проектирование печи кипящего слоя для обжига серного колчедана

Содержание

 

     Введение......................................................................................................5

1. Обзорная часть…………………………………………………………..6

1.1 Способы производства серной кислоты……………………………..6

1.2 Свойства серной кислоты…………………………………………......6

1.3 Контактный способ производства серной кислоты………………..7

1.4 Технологическая схема  производства серной кислоты  контактным способом по методу  «ДК – ДА»…………………………..10

2. Расчетная часть…………………………………………………………12

2.1 Составление материального баланса………………………………12

2.2 Составление теплового баланса печи для обжига серного         колчедана…………………………………………………………………..16

2.3 Расчет параметров печи……………………………………………...18

      Заключение…………………………………………………………….21

      Список  библиографических источников……………………..........22

      Приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Основным сырьем для производства серной кислоты, является сера. Она относится к числу наиболее распространенных химических элементов на нашей планете.

Производство серной кислоты происходит в три стадии: на первой стадии получают SO2, путем обжига FeS2, затем SO3, после чего на третьей стадии получают серную кислоту.

Научно-техническая революция и связанный с ней интенсивный рост химического производства, вызывает существенные негативные изменения в окружающей среде. Например, отравление пресных вод, загрязнение атмосферы, истребление животных и птиц. В результате мир оказался в тисках экологического кризиса. Вредные выбросы сернокислотных заводов следует оценивать не только по действию содержащегося в них оксида серы на расположенные вблизи предприятия зоны, но и учитывать другие факторы:

- увеличение количества случаев  респираторных заболеваний человека  и животных;

- гибель растительности и подавление  её роста;

- разрушение конструкций из известняка и мрамора;

- повышение коррозионного износа  металлов.

В зоне до 300 км от источника загрязнения (SO2) опасность представляет серная кислота, в зоне до 600 км - сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост с/х культур. Помимо экологического ущерба налицо экономический ущерб – громадные суммы каждый год теряются при раскислении почв.    

 

 

 

 

1.Обзорная часть

1. Способы производства серной кислоты

Серная кислота известна очень давно. Первое упоминание о ней относится к 940 г. В настоящее время серная кислота производится двумя основными способами: контактным и нитрозным. Контактный способ разработан в конце XIX и начале XX в. Этот способ эффективен, отвечает высокому уровню современной технологии и потому вытесняет нитрозный способ, существующий уже более 200 лет.

В контактном методе производства  серной кислоты окисление SO2  в SO3 осуществляется на твердых контактных массах. Благодаря усовершенствованию контактного способа производства себестоимость более чистой и высококонцентрированной контактной серной кислоты лишь незначительно выше, чем башенной. В настоящее время свыше 90% всей кислоты производится контактным способом.

 

2. Свойства серной кислоты

В технике под серной кислотой подразумевают любые смеси триоксида серы с водой. Моногидрат, или безводная серная кислота H2SO4 , - тяжелая, маслянистая жидкость, смешивающаяся с водой в любых соотношениях. При разбавлении серной кислоты водой выделяется большое количество теплоты (теплота разбавления). Так, при разбавлении 100% - ной серной кислоты до концентрации 80 % выделяется на 1 моль SO3 36 кДж теплоты. Плотность моногидрата при 0°С составляет 1,85 г/см3 , температура кипения 296,7°С. Раствор SO3 в 100% - ной серной кислоте называется олеумом.

Отечественная сернокислотная промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, отличающихся концентрацией основного вещества и содержанием примесей. Основные сорта серной кислоты: техническая серная кислота (купоросное масло) – 92,5% H2SO4 , олеум – 18,5% свободного SO3 в моногидрате, башенная кислота (полученная нитрозным способом) – 75% H2SO4 , аккумуляторная и реактивная кислоты, в которых строго регламентированы примеси.

 

1.3 Контактный способ  производства серной кислоты

Контактный способ производства серной кислоты включает после обжига серосодержащего сырья ещё три стадии:

1. очистку газа от вредных для катализатора примесей;
2. контактное окисление SO2 в SO3;
3. абсорбцию SO3 серной кислотой.

Очистка газа освобождает обжиговый газ от механических и химических примесей, что необходимо для предохранения контактной массы от порчи. Очистка газа от огарковой пыли осуществляется как в центробежных пылеочистителях – циклонах, так и в электрофильтрах. Содержание пыли в газе, полученном в печах со взвешенным слоем, после очистки в циклонах снижается с 300 до 20 г пыли на 1 м3 газа. Однако даже такая тонкая очистка в электрофильтрах недостаточна для контактного способа производства серной кислоты. Для окончательного освобождения газа от оставшихся частиц пыли и более полного отделения As2O3 и селена, являющихся сильными контактными ядами, необратимо отравляющими контактную массу, применяют очистку в промывных башнях и мокрых электрофильтрах. Последние называют так потому, что в них выделяются мельчайшие капельки воды, в которых растворены триоксиды серы и мышьяка. Образование мельчайших капелек (тумана) в газе происходит при увлажнении и охлаждении его до 30 - 50°С. После очистки от ядов газ осушают в сушильных башнях 93 – 95 % - ной серной кислотой. Подготовленный таким образом газ подается турбокомпрессором в контактное отделение для окисления диоксида серы.

 Контактное окисление диоксида серы представляет собой главную стадию сернокислотного производства; по названию этой операции именуется и весь способ. Контактное окисление SO2 в SO3 служит типичным примером гетерогенного экзотермического катализа, осуществляемого по уравнению реакции

2SO2 + O2 > < 2 SO3 + 189 кДж (500°С)

и относится к обратимым экзотермическим процессам, протекающим с уменьшением газового объёма. Поэтому в соответствии с принципом

Ле Шателье равновесие этой реакции сдвигается в сторону образования SO3 при уменьшении температуры и увеличении давления. Однако в сернокислотном производстве повышенное давление не применяется из-за небольшой концентрации сернистого газа и кислорода (в обжиговом газе содержится обычно свыше 80% балластного азота). В связи с этим энергетические затраты  на сжатие газов и удорожание аппаратуры и коммуникаций значительно превосходят выгоду от применения давления.

Скорость процесса окисления SO2 определяется, прежде всего, активностью применяемого катализатора. Каталитически на реакцию окисления SO2 действуют многие вещества, однако в сернокислотной промышленности в разное время применялись лишь три катализатора:

1. металлическая платина;
2. оксид железа;
3. оксид ванадия (V).

Наиболее активный катализатор – платина, но она дорога и очень легко необратимо отравляется даже следами мышьяка. Оксид железа дешевый, не отравляется мышьяком, но проявляет каталитическую активность только при температуре выше 625°С, т.е. когда равновесная степень превращения меньше 70%, и поэтому его можно применять лишь на начальной стадии окисления SO2.

Ванадиевый катализатор менее активен, чем платиновый, но значительно дешевле и отравляется соединениями мышьяка в несколько тысяч раз меньше, чем платина. В настоящее время на всех отечественных сернокислотных заводах применяются только ванадиевые контактные массы, содержащие до 7% V2O5 и в качестве промоторов – оксиды щелочных металлов (обычно К2О); носителями, как алюмосиликаты.

Размеры гранул контактной массы имеют очень большое значение для процесса катализа. Чтобы не было диффузионного торможения внутри пор применяемого катализатора марки СВД, необходимы размеры зерна не более 1,5 мм. Однако мелкие гранулы создают большое гидравлическое сопротивление потоку газа через фильтрующий слой катализатора, поэтому приходится применять зёрна контактной массы около 5 мм в поперечнике, в результате чего скорость процесса резко тормозится диффузией газов внутрь пор зерна катализатора.

В контактных аппаратах для достижения максимальной скорости процесса следовало бы начинать его при более высокой температуре (около 600°С) и затем, снижая температуру по кривой оптимальных температур, заканчивать при 400°С. Возможно, большему приближению к этим условиям в основном и подчинены конструкции современных контактных аппаратов. Свежий газ, содержащий SO2, подогревается за счет реакции до температуры зажигания 440 - 450°С, а затем в результате большего тепловыделения температура в первом слое аппарата поднимается почти до 600°С. Чаще всего применяются полочные контактные аппараты со ступенчатым отводом теплоты.

 Полочные контактные аппараты – один из наиболее распространенных типов контактных аппаратов. Принцип их действия состоит в том, что подогрев и охлаждение газа между слоями катализатора, лежащими на полках, производится в самом контактном аппарате с использованием различных теплоносителей или способов охлаждения. В аппаратах такого типа высота каждого нижележащего слоя катализатора выше, чем расположенного над ним, т.е. увеличивается по ходу газа, а высота теплообменников уменьшается, так как по мере возрастания общей степени превращения скорость реакции снижается и соответственно уменьшается количество выделившегося тепла. В межтрубном пространстве теплообменников последовательно снизу вверх проходит свежий газ, охлаждая продукты реакции и нагреваясь до температуры начала реакции. 

 

1.4 Технологическая схема  производства серной кислоты  контактным способом по методу  «ДК – ДА»

Для соблюдения санитарных норм для крупных сернокислотных цехов необходимо достигать степени окисления 99,5%. Такая степень достигается на системах, работающих по схеме, получившей название «двойное контактирование – двойная абсорбция» - ДК – ДА. Суть её состоит в том, что на первой стадии контактирования степень превращения составляет около 90%. Перед тем как направить газ на вторую стадию контактирования, из газа в абсорбере абсорбируется основное количество SO3, что в соответствии с принципом Ле Шателье сдвигает равновесие окисления в сторону продукта реакции – триоксида серы и степень превращения оставшегося диоксида достигает 0,95 – 0,97. Общая степень превращения составляет 99,5 – 99,7%, а содержание SO2 в отходящих газах снижается до санитарной нормы.

По схеме (см. приложения) обжиговый газ после грубой очистки от пыли в сухих электрофильтрах при температуре около 300°С поступает на тонкую очистку в полую промывную башню, которая орошается холодной 75% - ной серной кислотой. При охлаждении газа имеющийся в небольшом количестве триоксид серы и пары воды конденсируются в виде мельчайших капель. В этих каплях растворяются оксиды мышьяка, и образуется туман серной кислоты и мышьяка, который частично улавливается в башне 1 и 2, заполненной насадкой из керамических колец Рашига. В этих же башнях одновременно улавливаются остатки пыли, селен и другие примеси. При этом образуется загрязнённая серная кислота (около 8% от общей выработки), которую выдают как нестандартную продукцию. Окончательная очистка газа от тумана серной кислоты и мышьяка осуществляется в мокрых электрофильтрах 3. Подготовка газа к окислению заканчивается осушкой его от паров воды купоросным маслом в башнях с насадкой 4. Большое количество аппаратуры и газоходов создаёт сопротивление в системе до 2*10-2 МПа, поэтому для транспортировки газа за сушильным отделением устанавливают турбокомпрессор 5, который просасывает газы из печного отделения через систему очистки и осушки газа и нагнетает его в контактное отделение цеха.

Контактное отделение состоит из трубчатых теплообменников 6 для подогрева реакционных газов и охлаждения контактированного газа и контактного аппарата 7. Охлажденный после контактного аппарата газ поступает в абсорбционное отделение цеха.

Абсорбцию триоксида серы по уравнению реакции

SO3 +Н2О → Н2SO4 + 92000 Дж

осуществляют в башнях с насадкой концентрированной серной кислотой. Если абсорбцию производить водой или разбавленной серной кислотой, то над абсорбентом из-за большой упругости водяных паров взаимодействие SO3 и Н2О происходит в газовой фазе с образованием мельчайших капелек тумана серной кислоты, который очень трудно улавливается.

Наилучшей по абсорбционной способности является 98,3% - ная серная кислота, отличающаяся ничтожной упругостью паров Н2О и SO3. Такой кислотой и орошают абсорбционные башни 8 и 9, получая в качестве продукции моногидрат Н2SO4. Если необходимо получать олеум, то устанавливают последовательно две башни, и моногидрат, получаемый в одной башне, концентрируется до олеума во второй.

Охлаждение кислоты, разогретой при абсорбции, осуществляется в холодильниках кислоты 11. Далее из приёмных сборников 12 насосами 13 кислота подается на орошение башен и частично откачивается на склад готовой продукции. 

 

 

 

2. Расчетная часть
1. Составление материального баланса

4 FeS2 + 11 O2 = 2 Fe2O3 + 8 SO2

Расчет ведем на 1т серного колчедана

2 SO2 + O2 → 2 SO3              SO3 + Н2О → Н2SO4

Приход:

1). Рассчитываем массу воды в 1т серного колчедана:

 (кг)

Сухого колчедана:            1000 – 46 = 954 (кг)

2). Рассчитываем объём воздуха, необходимого для горения колчедана:

   а). Определяем содержание  серы в сухом колчедане:

 

   б). Рассчитываем выход огарка  на 1т сухого серного колчедана:

160 – стехиометрическое количество  огарка, получающееся из стехиометрического количества колчедана.

   в). Рассчитываем процент  выгоревшей серы:

   г). Рассчитываем объём воздуха  на 1т сухого колчедана:

,

где 700 и 7 – это коэффициенты, выведенные на основании стехиометрических уравнений горения колчедана;

m – стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул диоксида серы.

Не учитываем расход воздуха на окисление SO2 в SO3, так как погрешность составляет менее 1%.

 

 д). Рассчитываем расход воздуха на 1т влажного колчедана:

3). Рассчитываем объём и массу  кислорода и азота, поступающих  с воздухом. Исходим из того, что  в воздухе 21%  кислорода и 79% азота: