Відділення спалювання сірчаного колчедану у виробництві сірчаної кислоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Сірчана (сульфатна) кислота є одним з основних продуктів хімічної промисловості й широко застосовується в різних галузях народного господарства. Важко назвати яке-небудь сучасне виробництво, у якому б не використовувалася сірчана кислота.

Сірчана кислота - одна з найсильніших й найдешевших кислот. Вона широко використовується у виробництві мінеральних добрив, різних солей і кислот, усіляких органічних продуктів, барвників, димоутворюючих і вибухових речовин і т.д. Сірчана кислота знаходить різноманітне застосування в нафтовій, металургійній, металообробній, текстильній, шкіряній і інших галузях промисловості, а також використовується в якості водовіднімаючого й осушуючого засобу, застосовується в процесах нейтралізації, травлення і для багатьох інших цілей.

Одним з найбільш великих споживачів сірчаної кислоти є виробництво мінеральних добрив.

Так як області застосування сірчаної кислоти надзвичайно широкі, то очевидно, що обсяг її виробництва постійно збільшується. Разом з цим розширюється асортимент продукції сірчанокислотних заводів, організовується випуск особливо чистої кислоти, 100%-ного сірчаного ангідриду, висококонцентрованих олеуму й кислоти, а також збільшується виробництво нових продуктів на основі сірчаного ангідриду. Крім олеуму, концентрованої технічної сірчаної кислоти й акумуляторної кислоти, вітчизняні сірчанокислотні заводи випускають також більш чисту контактну кислоту поліпшеної якості (для виробництва штучного волокна, титанового білила й ін.), чистий олеум (для виробництва капролактаму), хімічно чисту і реактивну сірчану кислоту.

Збільшення потреби в концентрованій кислоті викликане тим, що в останні роки для інтенсифікації багатьох хімічних процесів прагнуть застосовувати сірчану кислоту підвищеної концентрації як більш активний реагент. Крім того, зростання потреби в концентрованій сірчаній кислоті і 100%-ному сірчаному ангідриді обумовлено швидким розвитком виробництва хімічних волокон і ряду галузей органічного синтезу, що використовують сірчану кислоту в якості сульфуючого, водовіднімаючого і конденсуючого агенту.

Виняткового значення набула проблема більш повного використання для виробництва сірчаної кислоти сірки, що міститься у відходах різних виробництв: газах кольорової металургії, горючих і топкових газах, у відпрацьованій кислоті, вуглецевому колчедані і т.д.

За останні роки в процеси виробництва сірчаної кислоти внесені істотні поліпшення. Широко застосовується випал колчедану в киплячому шарі і спалювання елементарної сірки в циклонній печі, значно збільшується використання тепла, що виділяється при випалі сировини і на інших стадіях виробництва сірчаної кислоти. Корінні вдосконалення внесені у виробництво контактної сірчаної кислоти. Як каталізатори контактного процесу тепер застосовується термічно стійка ванадієва контактна маса (у вигляді гранул і кілець) зі зниженою температурою запалювання. Важливим удосконаленням є подвійне контактування, при якому забезпечується високий ступінь окиснення сірчистого ангідриду на каталізаторі (до 99,8%) і тому майже виключається необхідність у додатковому санітарному очищенні газів, що відходять.

Протягом більше 50 років з початку промислового впровадження контактного методу виробництва сірчаної кислоти його сутність не піддавалася корінним змінам. Розвиток цього методу йшов по шляху збільшення продуктивності контактних систем, удосконалення окремих стадій процесу, поліпшення конструкцій апаратів, впровадження автоматичних методів контролю й регулювання процесів і т.д. Найважливішим завданням працівників сірчанокислотної промисловості полягає в подальшому удосконаленні виробництва шляхом використання новітніх досягнень науки й техніки, поширення передового досвіду, впровадження прогресивних прийомів і методів роботи.

Метою даного курсового проекту є розробка технологічної схеми відділення спалення сірчаного колчедану на розрахунок матеріального і теплового балансів даного процесу.

1. Фізико-хімічні основи методу спалювання сірчаного колчедану

спалювання сірчаний колчедан піч

Спалюванням називають процес горіння колчедану з отриманням сірчистого газу. Це складний хімічний процес, що складається з ряду послідовних та одночасно протікаючих реакцій.

При спалюванні колчедану спочатку має місце термічний розпад дисульфіду заліза FeS₂, що протікає з виділенням пароподібної сірки:

2FeS₂ = 2FeS + S₂. (1)

Пари сірки, що виділяється, починають горіти при 500°С, утворюючи S0₂; в цей період спалювання колчедану в печі спостерігається синє полум'я, що характерне для спалювання сірки.

Сульфід заліза FeS також окислюється (тобто спалюється). Механізм спалювання FeS точно не встановлений. Прийнято вважати, що результат всіх реакцій, що протікають при спалюванні колчедану, може бути виражений наступним рівнянням:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂. (2)

З рівняння (2) видно, що при спалюванні сірчаного колчедану окрім сірчаного ангідриду утворюється також недогарок Fe₂0₃ - оксид заліза. Утворення недогарку йде з послідовним збільшення ступеню окиснення заліза: спочатку утворюється закис заліза FeO, потім закис - оксид Fe₃0₄ і, нарешті, оксид Fе₂0₃.

Процес спалювання колчедану йде з виділенням тепла (екзотермічний процес), тому рівняння (2) може бути записане наступним чином:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q = 3415,7 кДж (815,2 ккал). (3)

Швидкість спалювання сірковмісної сировини залежить від її хімічного та мінералогічного складів, а також від кристалічної будови. Крім того швидкість цього процесу залежить від температури, поверхні стикання фаз, концентрації кисню, товщини шару сировини, тривалості спалювання.

Підвищення температури сприяє процесу спалювання колчедану. Так при підвищенні температури спалювання в киплячому шарі з 600°С до 750°С інтенсивність спалювання колчедану збільшується майже вдвічі. Проте при вмісті в колчедані 35% сірки вже при 800°С спостерігається спікання (шлакування) матеріалу, що горить. Більшість колчеданів спікається при 900°С. Це дуже ускладнює роботу випалювальних печей: шматки, що спеклися, можуть привести до руйнування гребків печі, знижується інтенсивність спалювання, збільшуються втрати сірки в недогарках. В печах КШ в киплячому шарі знаходиться недогарок, що містить небагато сірки, тому температура спікання в таких печах дещо вища, ніж в механічних печах, або печах пилоподібного випалювання.

Велике значення для швидкості спалювання має величина поверхні стикання фаз. При спалюванні сировини є дві фази: газова (кисень) та тверда (сировина). Збільшення поверхні стикання фаз призводить до підвищення швидкості спалення. Збільшенню поверхні стикання фаз сприяє подрібнення сировини та гарне перемішування її в зоні спалення. Цим пояснюється більш інтенсивний процес спалення в печах пилоподібного спалення та в печах КШ порівняно з механічними печами. Процес перемішування сприяє кращому доступу кисню до поверхні сировини та відводу сірчаного ангідриду, що утворився, з зони реакції в газову фазу.

Для практично повного спалювання сірки та попередження можливості спікання недогарку температура в киплячому шарі повинна складати 750-800°С. Вона підтримується на необхідному рівні при відповідному розташуванні в киплячому шарі теплообмінних пристроїв (трубчастих змійовиків), по яким рухається пароводяна емульсія.

При температурі киплячого шару нижче 700°С вагома частина колчедану, що виноситься з шару, згоряє в надшаровому просторі, що може призвести до надмірного підвищення температури газу на виході з печі та зашлакуванню газоходів. Однак для зменшення вмісту SО₃ в газах спалювання їх температура на виході з печі повинна знаходитися в межах 850-900°С. Тому для підвищення температури газів, що відходять з печі, на 100-120°С порівняно з температурою в шарі процес спалювання необхідно проводити в таких гідродинамічних умовах, що забезпечують спалювання в надшаровому просторі ~10% сірки колчедану.

На основі розрахунків та досвіду роботи печей встановлено, що у випадку спалювання флотаційного колчедану такі умови створюються при лінійній швидкості газу близько 1 м/сек та 750°С, що відповідає інтенсивності печі 9-10 т/(м²*добу). Оптимальна інтенсивність печі при спалюванні звичайного колчедану складає 20-25 т/( м²*добу).

Для досить повного випалювання сірки в надшаровому просторі час перебування в печі газу, що виносить із шару недопалені частки колчедану, повинен складати 8-9 сек [1].

2. Опис технологічної схеми відділення спалення сірчаного колчедану

Оптимальні умови спалювання колчедану в киплячому шарі, вимоги до охолодження та очистки газу від пилу визначили принципову апаратурно-технічну схему пічного відділення: піч - котел - циклони - багатопольний електрофільтр (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Технологічна схема пічного відділення з печами КШ:

1 - тарілчастий живильник; 2 - вібратор; 3 - транспортер для колчедану; 4 - бункер для колчедану; 5 - рійків затвор; 6 - пластинчатий живильник; 7 - піч спалювання флотаційного колчедану в киплячому шарі; 8 - котел - утилізатор; 9 - циклони; 10 - клапан на вході газу в електрофільтр; 11 - електрофільтр; 12 - клапан на виході газу з електрофільтра; 13 - димова труба; 14 - димотяг; 15 - цепний конвеєр; 16 - бункер для недогарку; 17 - шнековий чи барабанний зволожувач; 18 - скребкові конвеєри; 19 - вентилятор (нагнітач).

Ця схема не тільки забезпечує оптимальний технологічний режим, але й дозволяє найбільш повно використовувати тепло процесу випалювання та отримати максимальний питомий вихід пари (на 1 т колчедану, що спалюється). Тому дана схема є основною при проектуванні пічних відділень, що обладнані печами КШ.

Кожна піч пов'язана в одну технологічну нитку з котлом - утилізатором, групою циклонів та двома сухими електрофільтрами. Колчедан подається зі складу до бункерів печей стрічковим конвеєром, на якому встановлені стрічкові ваги та електромагнітний сепаратор. На кожну піч продуктивністю 100 т/добу колчедану (45% S) встановлюється один завантажувальний бункер щілинного типу з запасом колчедану на 8 годин роботи, для печі продуктивністю 200 т/добу - два бункери (бункери оснащені вібраторами). З завантажувальних бункерів колчедан пластинчатим живильником подається в герметичний тарілчастий живильник 1 з ступінчатим бункером, що розширюється донизу та нерухомим спіральним ножем, який завантажує матеріал в спускну трубу форкамери печі 7. Для створення киплячого шару при горінні колчедану в нижню частину печі під решітку (в форкамеру та іншу частину поду) вентилятором 19 подається повітря. До 100-тонної печі встановлюється вентилятор продуктивністю 12000 м³/год при натиску 1200-1000 мм вод. ст., до 200-тонної печі - вітрогінник з продуктивністю 25000 м³/год при натиску 1800 мм вод. ст. Для підтримки необхідної температури киплячого шару в нижній частині печі в „киплячому" матеріалі розташовують охолоджуючі елементи (змійовики) [2].

Для розпалювання печей, сушки системи та розігріву сухих електрофільтрів передбачені спеціальні димотяги (№ 12 для 100-тонної печі, № 15,5 для 200-тонной), що встановлюються після сухих електрофільтрів. З печі КШ випалювальний газ надходить у котел-утилізатор 8, де охолоджується до 400-450°С.

Все надлишкове тепло киплячого шару й випалювального газу використовується в котлі-утилізаторі 8. При цьому можна одержати до 1,5 т пари на 1 т спалюваного стандартного колчедану (сухий, що містить 45% S).

Після виходу з котла випалювальний газ очищається від великих часток пилу в циклонах 9, ретельно знепилюється в багатопольному електрофільтрі 11 і далі направляється на переробку в сірчану кислоту. Недогарок з печі КШ, пил з бункерів котла-утилізатора, циклонів і електрофільтра надходять на скребкові транспортери 18, потім зволожується й охолоджується в холодильному барабані 17 й віддаляється із цеху стрічковим транспортером.

Котел-утилізатор являє собою цегляну камеру, розділену перегородкою. У камері рядами встановлені металеві змійовики, приєднані до колекторів для виведення води й для виводу пароводяної емульсії. Змійовики виконані зі сталевих труб, які іноді поміщають у захисні кожухи із чавунних кілець (мундштуків), що охороняють труби від корозії при конденсації сірчаної кислоти. Під котлом розташований бункер для пилу, що видаляється механічним способом.

Випалювальний газ із печі надходить у секції подвійних труб (типу „труба в трубі"). По зовнішніх трубах рухається вода, по внутрішнім - випалювальний газ.

Присутність сірчаного ангідриду у випалювальному газі небажана, тому що SO₃ сприяє утворенню щільних кірок пилу на електродах в електрофільтрах. Випалювальний газ печей КШ містить незначну кількість SO₃, що є значною перевагою печей цього типу. Однак у наступних апаратах сірчанокислотної системи в міру охолодження газу відбувається додаткове утворення сірчаного ангідриду в результаті окиснення сірчистого ангідриду (каталізатором окиснення SO₂ служать огарковий пил, компоненти футеровки й ін.).

Щоб зменшити можливість утворення сірчаного ангідриду в апаратах, установлених після печей, газ на виході з печі КШ направляється безпосередньо в котел-утилізатор, де швидко охолоджується (тривалість перебування газу в котлі-утилізаторі менше 0,5 сек). Тому при температурах, сприяючих високій швидкості окиснення SO₂ в SO₃, газ перебуває досить малий час, внаслідок чого кількість сірчаного ангідриду, що утвориться, незначна. Температура газу після котла-утилізатора досить низька (менше 450°С) і сірчаний ангідрид практично не утворюється.

Значною перевагою методу випалу колчедану в киплячому шарі є також одержання концентрованого сірчистого газу (12-15% SO₂) з низьким вмістом SО₃ і при залишку сірки в недогарку близько 1% [3].

Вивантаження недогарку провадиться періодично (у відповідності до заданої висоти киплячого шару) через провальну решітку за допомогою секторного затвору. При необхідності недогарок вивантажується також і з не провального поду печі. З бункерів котла-утилізатора недогарок вивантажується безперервно через клапанні затвори. Варто відмітити, що недогарок не повинен накопичуватись в бункерах цих апаратів, тому передбачене його безперервне видалення транспортними засобами - герметичними скребковими конвеєрами (редлерами), а з-під сухих електрофільтрів - ланцюговими конвеєрами.

В залежності від місцевих умов (взаємне розташування пічного відділення і бункерів для недогарку, довжини траси та ін.) недогарок транспортується редлерами безпосередньо до бункерів, розташованих над залізничною колією, або спочатку поступає в барабанні (або шнекові) зволожувачі, а потім стрічковими конвеєрами завантажується в бункери. Система механізованого транспорту дублюється. Переважно застосовується транспорт сухого недогарку редлерами.

Обладнання пічного відділення необхідно розміщувати в повздовжньому напрямі найбільш компактно з мінімальною довжиною газоходів, особливо від печей до циклонів. Збірні газові колектори перед електрофільтрами не встановлюють.

Стабільність та точність дотримання заданого режиму спалення підтримується системою автоматичного регулювання, що передбачає: стабілізацію витрати повітря, регулювання подачі колчедану по концентрації SO₂ в газі, автоматизацію подачі колчедану в тарілчастий живильник печі та вивантаження недогарку із шару по заданому опору шару, постійність розрідження під склепінням печі, автоматизацію котлів-утилізаторів, електроблокіровку вітрогінника, живильника печі, насосів котла [2].

3. Опис печі КШ

Інтенсивність випалу сірковмісної сировини визначається, з одного боку, швидкістю реакції розкладання сировини (наприклад, колчедану), швидкістю окиснення сірки й інших факторів, а з іншого боку, швидкістю дифузії кисню з газового потоку до поверхні сировини, що спалюється, продуктів випалу від поверхні сировини в газовий потік, а також швидкістю відводу тепла від поверхні сировини до газового потоку, тобто процесами масо- і тепловіддачі. Тому інтенсивність випалу сировини в печах пилоподібного випалу вища, ніж у подових печах.

Це пояснюється тим, що за рахунок розвинутої поверхні і великої швидкості польоту часток сировини, що розпорошуються, збільшується швидкість процесів тепло- і масовіддачі в печах пилоподібного випалу.

У печах киплячого шару процеси масо- і тепловіддачі протікають із ще більшою швидкістю, ніж у печах пилоподібного випалу, тому що частки сировини інтенсивно перемішуються в турбулентному потоці. Цим і обумовлено переважне поширення печей КШ на сьогодні.

Піч КШ представлена на рисунку 3.1. Вона являє собою шахту, сталевий кожух якої футерований вогнетривким матеріалом. У нижній частині печі розташована подова плита (ґрати) з великою кількістю отворів, через які повітря, що подається знизу, рівномірно розподіляється по всьому перерізі печі. У зоні киплячого шару розміщені водяні охолоджуючі елементи 7 (труби з вуглецевої сталі), приєднані до системи примусової циркуляції парового котла-утилізатора. Охолоджуючі елементи 5 знаходяться у завантажувальній камері 9. Недогарок через провальну решітку камери 9 надходить у бункер 4. Розпал печі здійснюється за допомогою форсунки 8. Вторинне повітря подається через колектор 10. У печах КШ можна випалювати не тільки флотаційний, але й більш грубо подрібнений колчедан. Якщо в такому колчедані відсутній дріб'язок, то можна збільшити швидкість газу й відповідно спалювати більшу кількість колчедану на одиницю площі решітки. Так, при розмірі часток колчедану 6 мм навантаження печі може досягати 15-20 т сировини на 1 м² площі решітки у добу; при спалюванні флотаційного колчедану навантаження зменшується приблизно в 2 рази. Кількість пилу, що виноситься з печей КШ, становить до 90% усього недогарку. Тому спочатку запилений випалювальний газ проходить через один або два циклони, де відокремлюється основна маса найбільш грубого пилу, а потім газ очищається в електрофільтрах.

Рисунок 3.1 - Піч КШ для випалу колчедану:

1 - опорна рама; 2 - обичайка; 3 - конус; 4 - бункер під провальною решіткою завантажувальної камери; 5, 7 - охолоджуючі елементи; 6 - подова плита; 8 - форсунки; 9 - завантажувальна камера; 10 - колектор.

Завдяки високій швидкості процесу горіння й інтенсивному перемішуванню, у киплячому шарі практично перебуває не колчедан, а недогарок. Вміст сірки в недогарку в різних точках киплячого шару приблизно однаковий. Висота киплячого шару визначається висотою, на якій розташований отвір для видалення недогарка з печі.

Тривалість контакту повітря з гартованим матеріалом залежить від висоти киплячого шару: чим вищий киплячий шар, тим повніше вигорає сірка. Однак для підтримки великого шару матеріалу в киплячому стані варто підвищити тиск повітря, що подається в піч, що приводить до збільшення витрати електроенергії.

При випалі колчедану температура в печах КШ, щоб уникнути злипання часток сировини, не повинна перевищувати 800°С. Втрати тепла в навколишнє середовище в цих печах невеликі (1-2% залежно від продуктивності печі), тому для підтримки в них необхідної температури необхідно відводити з печі велику кількість тепла. Для цього в зоні киплячого шару розташовують охолоджуючі елементи - змійовики для підігріву води або секції труб парового котла, що дозволяє сполучити в одному апараті процеси спалювання колчедану й одержання пари. Коефіцієнт теплопередачі в киплячому шарі становить близько 1000 Кдж/(м^2-год*град) [250 Ккал/(м²*год*град)] [3].

4. Розрахунок матеріального балансу спалювання колчедану

Розрахунок статей приходу

Маса сухого колчедану:

,

де m - маса сухого колчедану, G - загальна маса колчедану, w - вологість колчедану.

кг.

Вміст сірки в сухому колчедані:

.

Кількість недогарку, що утворюється з 1 тони колчедану розраховуємо за формулою:

,

де x - кількість недогарку, що утворюється з 1 тони колчедану, т/т;

[S_СК] - вміст сірки в сірчаному колчедані, %;

[S_НЕДОП] - масова частка залишкової сірки в недогарку, %.

т/т.

Кількість сірки, що згоріла, обчислюємо за формулою:

.

Розраховуємо об'єм повітря на 1000 кг колчедану:

,

де V_{пов -} об'єм повітря на спалювання 1000 кг колчедану, м³;

- вміст SO₃ у газі, %; - вміст SO₂ у газі, %;

.

Об'єми та маси кисню і азоту, що надходять з повітрям:

,

.

,

.

Розраховуємо кількість води, що надходить з повітрям. Для цього приймаємо, що температура повітря на вході 20?С т насиченість вологою складає 0,5. Вміст водяної пари в повітрі при 20? С складає 17,29 г/м³, тоді:

,

Розрахунок статей витрати

Маса одержаного недогарку:

де m_недоп - маса утвореного недогарку; G - загальна маса колчедану, кг.

Об'єм утвореного сухого пічного газу знаходиться за формулою:

Вміст у цьому газі кисню знаходять за формулою:

де С _O2 - залишкова концентрація кисню в газі; С_SО2, С_SО3 - відповідно концентрації SO₂ та SO₃.

Вміст у цьому газі азоту знаходять із різниці:

Вміст у цьому газі води, що надійшла разом із повітрям та з колчедану:

На підставі розрахованих вище величин складемо таблицю матеріального балансу.

Таблиця 4.1 - Матеріальний баланс спалювання 1000 кг колчедану

Розходження матеріального балансу складає:

.

5. Розрахунок теплового балансу спалювання колчедану

Таблиця 5.1 - Теплоємності компонентів

Розрахунок статей приходу

Надходження теплоти із сухим колчеданом:

де Q_K - теплота, що надходить із колчеданом, C_PK - теплоємність колчедану.

Надходження теплоти із сухим повітрям:

Надходження теплоти з вологою колчедану:

Надходження теплоти з вологою повітря:

Тепловий ефект реакції горіння колчедану:

Таким чином, загальний прихід теплоти складає:

Розрахунок статей витрати

Приймемо, що 10% недогарку виноситься з печі при 750?С, а 90% - із газами при 850?С, тоді із недогарком з печі виноситься теплоти:

де m_недог - маса утвореного недогарку; С_Рнедог - теплоємність недогарку; Т₁ та Т₂ - відповідно температури недогарку та газів. Таким чином,

З газами виноситься теплоти:

Теплові втрати приймемо рівними 1% від сумарного приходу теплоти:

Витрата теплоти, що використовується для випаровування води та одержання пари:

Зведемо одержані значення в таблицю теплового балансу та обчислимо кількість теплоти, що використовується для одержання пари.

Таблиця 5.2 - Тепловий баланс спалювання 1000 кг колчедану.

Висновок

В даному курсовому проекті розглянуто технологічні основи спалення сірчаного колчедану для одержання сірчаної кислоти, наведено технологічну схему відділення спалення сірчаного колчедану та розглянуто будову печі киплячого шару.

Також проведено розрахунки теплового та матеріального балансів процесу спалення колчедану.

Перелік посилань

1. Амелин А.Г., Яшке Е.В. "Производство серной кислоты" М.:Высшая школа, 1980. - 244 с.

2. Малин К.М. "Справочник сернокислотчика" М.: Химия, 1971. - 744 с.

3. Мухленов И.П., Сажин Б.С., Фролов В.Ф. "Расчеты аппаратов кипящего слоя" Л.: Химия, 1986. 350 с.

Размещено на Allbest.ru