Производство серной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание:

- производительность по 100%-ной серной кислоте, G_H2SO4, т/сут: 1400

- состав колчедана (концентрации, массовые%):

- серы C_S: 42

- влаги C_вл: 5.0

- состав огарка: (концентрации, массовые%):

- серы C_S(ог): 1,0

- состав обжигового газа (концентрации, объемные%):

- С_SO2: 14,0

- С_SO3: 0,12

- степень использования серы в колчедане, в (%): 85,8

- относительная влажность воздуха (%): 52,0

- температура кипящего слоя (К): 1103

- концентрация С_SO2 в газе перед контактным аппаратом (объемные%): 8,5

- конструкция контактного аппарата: контактный аппарат с вводом холодного газа после второго слоя

Расчетная часть

1. Расчет материального баланса печи кипящего слоя в процессе обжига колчедана

Рассчитываем общее содержание серы в колчедане:

G_{S =} кг/ч;

Количество сухого колчедана:

кг/ч;

Количество влаги в колчедане:

кг/ч;

Количество огарка:

кг/ч;

Количество серы в огарке:

кг/ч;

Потери серы с огарком:

%;

Количество выгоревшей серы:

кг/ч;

Общее количество SO₂ и SO₃:

мі/ч;

Объем SO_2:

мі/ч;

Объем SO_3:

мі/ч;

Концентрация кислорода в обжиговом газе определяется по формуле:

,

где n - содержание кислорода в воздухе, n=21%; m - стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул SO₂, по балансовому уравнению:

4 FeS₂ + 11 O₂ = 8 SO₂ + 2 Fe₂O₃, ;

%;

Объем сухого обжигового газа:

мі/ч;

Объем кислорода в обжиговом газе:

мі/ч;

Объем азота в обжиговом газе:

мі/ч;

Объем сухого воздуха, поступающего на обжиг колчедана (воздух содержит 79% азота):

мі/ч;

Объем паров воды в воздухе (при 20єС и относительной влажности воздуха ц=52% давление паров воды в нем равно 9,5 мм. рт. ст.= 1263,5*10^-6 МПа):

мі/ч;

Общий объем паров воды в обжиговом газе:

 мі/ч;

Расчет плотностей газов:

; кг/мі; кг/мі; кг/мі; кг/мі; кг/мі; кг/мі;

Материальный баланс

Приход	Количество	Расход	Количество
	кг/ч	мі/ч		кг/ч	мі/ч
Колчедан	52913,12	-	Огарок	39268,86	-
			Обжиговый газ, в т. ч.:		111177,62
Влага колчедана	2784,90	-	SO2	42509,73	14879,15
Сухой воздух	144725,43	111929,95	SO3	455,45	127,54
Влага с воздухом	1151,59	1432,33	О2	4067,36	2848,29
			N2	110530,83	88424,66
Всего	201575,04	-	Всего	200770,21	-

2. Расчет теплового баланса печи обжига колчедана

Тепло сухого колчедана:

кДж/ч;

(С_р(колч)=0,5447 кДж/кг*град - [1]);

Тепло влаги колчедана:

(С_р(воды)=4,19 кДж/кг*град - [1]); кДж/ч;

Тепло сухого воздуха:

(С_р(возд)=1,3012 кДж/кг*град - [1]); кДж/ч;

Тепло влаги воздуха:

(С_{р(вод.пара)}=1,4934 кДж/кг*град - [1], при 20єС); кДж/ч;

Тепло горения колчедана:

4FeS₂ + 11 O₂ = 8 SO₂ + 2 Fe₂O₃ + 3415.7 кДж/моль;

Теплота сгорания химически чистого FeS₂:

кДж/ч;

Количество тепла, выделяющегося при горении колчедана, зависит от степени выгорания серы (содержание серы в FeS₂ равно 53,5%):

кДж/ч;

Выход огарка:

;

Степень выгорания серы:

%;

кДж/ч;

Приход тепла (кДж/ч):

Тепло огарка: (С_р(ог)=0,7961 кДж/кг*град - [1]);

кДж/ч;

Тепло обжигового газа:

(С_р(об.г.)=1,4246 кДж/мі*град - [1]);

кДж/ч;

Теплоотдача печи в окружающую среду:

кДж/ч;

Расход тепла:

кДж/ч;

Тепло, затраченное на испарение воды и получение пара:

 кДж/ч;

Тепловой баланс печи

Приход	Количество	Расход	Количество
	кДж/ч	%		кДж/ч	%
Тепло сухого колчедана	576435,53	0,19	Тепло огарка	25947409,74	8,53
Тепло влаги колчедана	233374,12	0,08
Тепло сухого воздуха	3766334,59	1,28	Тепло обжигового газа	131458419,09	44,25
Тепло влаги воздуха	34395,69	0,01
Тепло горения колчедана	290787522,10	98,44	Тепловые потери	2953980,63	1
			Тепло испарения воды	136726257,18	46,22
Всего	295398062,53	100	Всего	295398062,53	100

3. Расчет концентраций в обжиговом газе перед контактным аппаратом

Состав обжигового газа после обжига серосодержащего сырья в атмосфере воздуха (расчет по данным из таблицы материального баланса):

Состав	% об.	% об. перед конт. апп.
SO2	13.4	8.5
SO3	0.1	-
H2O	4.4	-
O2	2.6
N2	79.5

Перед подачей в реактор газ подвергается осушке и очистке от SO_3, а также дополнительно разбавляется воздухом до содержания SO₂ = 8,5% (объемных).

Состав реакционной массы перед контактным аппаратом (объемные%):

Общий объем газа перед контактным аппаратом:

;

Объем добавленного вохдуха:

;

Содержание азота и кислорода в газе перед контактным аппаратом:

;

;

Концентрации азота и кислорода в газе:

;

;

;

4. Расчет величины адиабатического перегрева

, где ; Q_p - тепловой эффект реакции;

a - концентрация SO_2, a=0,085;

С_р - средняя теплоемкость смеси;

Q_p = - ДН;

Согласно [1], изменение энтальпии в ходе реакции задается эмпирическим уравнением:

;

Средняя объемная теплоемкость смеси:

;

5. Расчет на ЭВМ

Выбор катализатора

В настоящее время в России производятся катализаторы: на природном диатомитовом носителе - катализаторы марок СВД и на искусственном силикагелевом носителе - катализатор ИК-1-6. Катализаторы представляют собой смесь сульфованадатов на силикатных носителях.

По условиям эксплуатации катализаторы марок СВД рекомендованы для применения на всех полках контактных аппаратов, как с одинарным, так и с двойным контактированием. Катализатор ИК-1-6 эффективно применять на нижних полках контактного аппарата.

Стабильность свойств катализаторов марок СВД при эксплуатации в жестких условиях предопределена использованием природного диатомита и специфичной технологией получения комбинированного носителя, для которого характерно сохранение твердого высокопрочного каркаса диатомита и высокое содержание активного аморфного кремнезема пористой полидисперсной структуры.

Сравнительные исследования отечественных и зарубежных катализаторов по общепринятым тестам подтвердили высокий уровень качества катализатора СВД, который соответствует катализаторам лучших зарубежных фирм Monsanto, BASF, Haldor Topsoe, C.C.E. При этом наиболее высокой термостабильностью обладает катализатор марки СВД. Наиболее активными в области низких температур являются катализаторы марок ИК-1-6, СВНТ. Катализаторы марок СВД охватывают весь спектр условий окисления диоксида серы. В случае традиционной совместной загрузки диатомитовых и силикагельных катализаторов рекомендуется комбинирование катализатора СВД (КД) на первых слоях и ИК-1-6 на вторых слоях.

Комбинирование различных марок диатомитовых катализаторов стандартного СВД (КД) и низкотемпературного СВНТ продолжительное время и успешно практикуется на сернокислотных установках.

Кроме того, освоены и апробированы в промышленных условиях катализаторы СВД (К-Д, К) с цезиевым промотором. Катализатор марки СВД (К-Д, К) может успешно применяться для загрузки на все слои аппаратов одинарного или двойного контактирования.

баланс обжиг колчедан кислота

Сравнительная характеристика катализаторов производства серной кислоты

Марка катализатора	СВД(КД)	СВД (К-Д, К)	СВНТ	ИК-1-6
Наименование показателя	Значение
Температура зажигания, 0С	420	385	405	365
Максимальная температура эксплуатации, 0С кратковременная, 0С	620 640	620 640	620 640	620 700
Каталитическая активность, % при t 420 0С при t 485 0С	20-25 83	50-55 83	30-35 83	50-55 85

Особенности семейства катализаторов ИК-1-6:

o высокая прочность и активность, стабильность и селективность;

o содержат соединения ванадия (7-9% V2O5);

o промотированные сернокислыми солями щелочных металлов, на стабилизированном кремниевом носителе;

o имеют высокотемпературные и низкотемпературные модификации:
ИК-1-6М(ВТ) и ИК-1-6М(НТ), изготавливаются в виде разнообразных форм и размеров: гранул диаметром от 4 до 6 мм или трубок диаметром от 10 до 27 мм;

o предназначены для широкого диапазона условий эксплуатации: при температурах от 380 до 620°С, в контактных системах одинарного и двойного контактирования, а также в аппаратах нестационарного окисления SO2;

обеспечивают степени превращения: 98,5% при одинарном контактировании, 99,9% при двойном контактировании

Выбираем катализатор ИК-4.

Параметры: T_z = 758 K; K(T_z) = 1.45; T₁ = 693 K; T₂ = 793 K; E₁ = 30.2;

E₂ = 13.3; E₃ = 0;

Расчет равновесных степеней превращения SO_2.

Исходные данные:

- концентрация SO₂ - 0,085

- концентрация O₂ - 0,099

- давление - 1 атм.

- интервал температур - от 700 до 900 К

- шаг 20.

Результат расчета

Т	Хравн	Кр
700	0,983	229,95
720	0,973	146,89
740	0,96	96,13
760	0,941	64,34
780	0,917	43,95
800	0,885	30,60
820	0,847	21,69
840	0,802	15,62
860	0,751	11,43
880	0,694	8,48
900	0,634	6,48

Расчет скорости реакции при заданной степени конверсии.

Исходные данные:

- концентрация SO₂ - 0,085

- концентрация O₂ - 0,099

- давление - 1 атм.

- интервал температур - от 650 до 900 К

- шаг 10

Результат расчета

T, K	X=0.6	X=0.65	X=0.7	X=0.75	X=0.8	X=0.85	X=0.9	X=0.92	X=0.94	X=0.96	X=0.98
650	0,06	0,052	0,043	0,036	0,028	0,021	0,013	0,011	0,008	0,005	0,002
660	0,085	0,073	0,062	0,051	0,04	0,029	0,019	0,015	0,011	0,007	0,003
670	0,12	0,104	0,087	0,072	0,056	0,041	0,027	0,021	0,016	0,01	0,004
680	0,168	0,145	0,122	0,1	0,078	0,058	0,037	0,029	0,022	0,014	0,005
690	0,232	0,2	0,168	0,138	0,108	0,079	0,051	0,04	0,029	0,018	0,005
700	0,281	0,242	0,204	0,167	0,131	0,096	0,062	0,048	0,034	0,02	0,003
710	0,322	0,277	0,233	0,191	0,149	0,109	0,07	0,054	0,038	0,02	-0,003
720	0,366	0,315	0,266	0,217	0,17	0,123	0,078	0,059	0,04	0,018
730	0,416	0,358	0,301	0,246	0,191	0,138	0,085	0,063	0,04	-0,01
740	0,47	0,404	0,34	0,277	0,215	0,154	0,091	0,065	0,036
750	0,53	0,455	0,382	0,31	0,239	0,168	0,095	0,062	0,025
760	0,594	0,51	0,427	0,345	0,264	0,181	0,093	0,052	0,003
770	0,664	0,568	0,474	0,381	0,287	0,19	0,082	0,029	-0,037
780	0,739	0,63	0,523	0,416	0,307	0,192	0,057	-0,013
790	0,818	0,695	0,573	0,449	0,321	0,182	0,008
800	0,836	0,707	0,576	0,442	0,258	0,141	-0,072
810	0,825	0,691	0,555	0,413	0,2	0,076
820	0,809	0,67	0,525	0,372	0,119	-0,014
830	0,787	0,64	0,485	0,316	0,01
840	0,758	0,601	0,431	0,241	-0,136
850	0,719	0,547	0,358	0,139
860	0,666	0,476	0,261	0,003
870	0,597	0,382	0,132	-0,177
880	0,505	0,258	-0,038
890	0,385	0,095
900	0,23	-0,016

Расчет оптимальных температур окисления:

Исходные данные:

- концентрация SO₂ - 0,085

- концентрация O₂ - 0,099

- давление - 1 атм.

- интервал степени превращения: от 0,7 до 1

- шаг 0,01

Результат расчета

Х	Топт	Х	Топт	Х	Топт
0,7	793,0	0,8	793,0	0,9	776,3
0,71	793,0	0,81	793,0	0,91	770,1
0,72	793,0	0,82	793,0	0,92	763,4
0,73	793,0	0,83	793,0	0,93	755,9
0,74	793,0	0,84	793,0	0,94	747,6
0,75	793,0	0,85	793,0	0,95	738,1
0,76	793,0	0,86	793,0	0,96	727,0
0,77	793,0	0,87	792,7	0,97	713,2
0,78	793,0	0,88	787,6	0,98	694,9
0,79	793,0	0,89	782,1	0,99	677,4

Оптимизация многослойного реактора окисления с промежуточными теплообменниками и вводом холодного газа после 1 слоя.

Исходные данные:

- концентрация SO₂ - 0,085

- концентрация O₂ - 0,099

- давление - 1 атм.

- адиабатический разогрев - 234,4

- интервал степени превращения - от 0 до 0,98

- начальная температура 693 К

- температура холодного газа - 298

Результаты расчета

- число слоев катализатора - 3

Слой	Хн	Хк	Тн	Тк	тау
1	0	0.7213	693	862.1	0.571	0.647
2	0.4664	0.9199	662.8	769.1	2.569	1
3	0.9199	0.9800	683.2	697.3	3.437 6.577	1
- число слоев катализатора - 4
Слой	Хн	Хк	Тн	Тк	тау
1	0	0.719	693	850.4	0.539	0.767
2	0.5150	0.8565	721.4	801.4	0.921	1
3	0.8565	0.9503	713.7	735.7	1.478	1
4	0.9503	0.98	688.3	695.2	2.348 5.286	1
- число слоев катализатора - 5
Слой	Хн	Хк	Тн	Тк	тау
1	0	0.6363	693	842.1	0.530	0.830
2	0.5279	0.8071	749.4	814.9	0.556	1
3	0.8071	0.9128	740.3	765.0	0.781	1
4	0.9128	0.9590	711.0	721.9	1.225	1
5	0.9590	0.9800	689.6	694.5	1.919 5.010	1

Из диаграмм видно, что наименьшие отклонения от ЛОТ наблюдаются при использовании реактора с 5 слоями катализатора.

Оптимизация действующего многослойного реактора окисления с промежуточными теплообменниками и вводом холодного газа после 1 слоя.

Исходные данные:

- концентрация SO₂ - 0,085

- концентрация O₂ - 0,099

- давление - 1 атм.

- адиабатический разогрев - 234,4

- число слоев катализатора - 5

- интервал степени превращения - от 0 до 0,98

- температура холодного газа - 298

- время контакта (на объем исходной смеси):

Результаты расчета:

Слой	1	2	3	4	5
тау	0,530	0,556	0,781	1,225	1,919

Слой	Хн	Хк	Тн	Тк	тау
1	0	0,6268	731,0	877,9	0,530	0,786
2	0,493	0,7951	754,1	824,9	0,556	1
3	0,7951	0,9094	741,2	768,1	0,781	1
4 5	0,9094 0,9580	0,9580 0,9798	712,0 689,6	723,4 694,7	1,225 1,919 5,011	1 1

Расчет объема катализатора на каждом слое



Слой	1	2	3	4	5
тау	0,53	0,556	0,781	1,225	1,919
Объем кат.	25,77	27,04	37,98	59,57	93,31

Список используемой литературы

Амелин А.Г. Технология серной кислоты. М. Химия, 1983, 360 с.

Общая химическая технология в 2-х частях (под ред. Мухленова) М. Высшая школа. 1977,288 с.

Бесков В.С., Давидханова М.Г., Царев В.И. Автоматизированная система расчетных работ в общеинженерных курсах по химической технологии. Учебное пособие (РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 1997, 83 с.)

Общая химическая технология. Под редакцией проф. Амелина А.Г.М., Химия, 1977

Размещено на Allbest.ru