ОХТ в вопросах и ответах Ч2

-минимизация отходов;

-эффективное использование оборудования.

Вопрос. Как решается концепция более полного использования сырьевых

ресурсов?

Ответ. Концепция более полного использования сырьевых ресурсов реша-

ется путём:

-выбора схемы химического процесса;

-избытка одного из реагентов (более дешёвого);

-организации процесса движения потоков в реакторе;

-использования фракционного рецикла;

-организации регенерации с рециклом для вспомогательных пото-

ков;

-утилизации отходов;

-совмещения производств.

Вопрос. В чём заключается концепция более полного использования энергетических ресурсов?

Ответ. Концепция более полного использования энергетических ресурсов направлена на минимизацию затрат на энергетические и тепловые ресурсы и максимальное их использование в производстве. Данная концепция ре-

шается путём утилизации и регенерации тепла и энергии.

Вопрос. Как решается концепция минимизации отходов?

Ответ. Концепция минимизации отходов решается путём:

-более полного использования сырьевых ресурсов и ТЭР;

-санитарной очистки и обезвреживания отходов;

-уменьшения и замены вспомогательных потоков;

-использования замкнутого водооборота;

-повышения надёжности оборудования.

11

Вопрос. Как решается концепция эффективного использования оборудо-

вания?

Ответ. Концепция эффективного использования оборудования решается путём использования следующих приёмов:

-организация процесса в аппарате;

-оптимизация процесса;

-организация технологического процесса в подсистеме ХТС;

-конструктивное решение аппарата;

-увеличение единичной мощности аппарата.

Вопрос. Как решается задача утилизации и регенерации тепловых ресур-

сов материальных потоков?

Ответ. Утилизация тепла и энергии заключается в использовании теплоты и энергии материальных потоков для выработки энергетических ресурсов,

используемых как в данном, так и в других производствах (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема утилизация тепла (а) и энергии (б):

КУ – котел-утилизатор, ГТ – газовая турбина, Г – генератор

Вопрос. В чём заключается регенерация тепла и энергии?

Ответ. Регенерация тепла и энергии заключается в использовании теплоты и энергии материальных потоков для нужд самого производства

(рис. 1.2, схема 8).

Вопрос. В чём заключается анализ ХТС?

Ответ. Анализ ХТС заключается в получении сведений о состоянии ХТС,

об эффективности её функционирования на основе балансов, т.е. расчёте

12

показателей химического процесса и химико-технологического производ-

ства в целом.

Вопрос. Какими свойствами обладают ХТС?

Ответ. Свойства ХТС:

- зависимость режима работы одного элемента ХТС от режимов дру-

гих элементов. Усовершенствование одного элемента (узла) ХТС улучшает эффективность работы ХТС в целом за счет выигрыша в другом элементе

(узле) ХТС;

- оптимальный режим работы одиночного элемента может отличать-

ся от оптимального режима аналогичного элемента в ХТС;

- существование различных режимов работы ХТС, их неоднознач-

ность и устойчивость.

Вопрос. Какие показатели характеризуют использование сырья и энергии?

Ответ. Основными показателями использования сырья и энергии являются расходные коэффициенты по сырью и энергии, т.е. количество фактически затраченного сырья или энергии на производство единицы продукции.

Вопрос. Как определяется степень использования сырья?

Ответ. Степень использования сырья определяется как отношение теоре-

тического расходного коэффициента к фактическому расходному коэффи-

циенту.

Вопрос. Какими показателями характеризуется энергетическая эффектив-

ность ХТС?

Ответ. Энергетическая эффективность ХТС характеризуется тепловым ко-

эффициентом полезного действия – тепловым КПД.

ηтепл Qэн ,

Qзатр

где Qэн – полезно используемая энергия и тепло, Qзатр – общие затраты энергии и тепла.

13

- очистка обжигового газа и подготовка его к каталитическому окис-

лению;

-подогрев обжигового газа;

-каталитическое окисление диоксида серы;

-охлаждение газа перед абсорбцией триоксида серы;

-абсорбция триоксида серы.

Вопрос. Какова функциональная схема ХТС производства серной кислоты из колчедана?

Ответ. Получение обжигового газа (отделение обжига) 1, очистка обжиго-

вого газа (отделение очистки) 2, окисление каталитическое диоксида серы

(каталитическое отделение) 3, абсорбция триоксида серы и получение сер-

ной кислоты (абсорбционное отделение) 4 (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Функциональная схема ХТС производства серной кислоты из

колчедана: 1 – отделение обжига, 2 – отделение очистки, 3 – каталитическое отделение, 4 – абсорбционное отделение

Вопрос. Какие физико-химические основы обжига колчедана?

Ответ. Обжиг колчедана является сложным физико-химическим процес-

сом и включает ряд последовательно и одновременно протекающих реак-

ций:

2FeS2(т) = 2FeS + S2

S2 + 2О2 = 2SO2

4FeS2(т) + 7О2 = 2Fe2O3(т) + 4SO2(г)

Суммарная реакция:

15

4FeS2(т) + 11O2(г) = 2Fe2O3(т) + 8SO2(г) + Qр

Вопрос. В чём заключается очистка и осушка обжигового газа?

Ответ. Очистка обжигового газа заключается в удалении твердых частиц и летучих оксидов мышьяка, селена, теллура и др., осуществляется разбав-

ленными растворами серной кислоты (рис.2.2). Осушка обжигового газа осуществляется концентрированным раствором серной кислоты.

Рис. 2.2 Схема очистки и осушки обжигового газа:

1, 2 – промывные башни; 3 – электрофильтр; 4 – осушительная башня

Вопрос. Каковы физико-химические основы окисления диоксида серы?

Ответ. Окисление диоксида серы – простая обратимая экзотермическая реакция, протекающая на катализаторе с уменьшением объёма:

SO2 + 0,5O2 = SO3 + Q

Константа равновесия и равновесная степень превращения уменьшаются с повышением температуры в зоне реакции. Избыток кислорода смещает равновесие в сторону увеличения равновесной степени превращения. За-

висимости скорости превращения диоксида серы при постоянной его кон-

центрации в зоне реакции от температуры подчиняется известным законо-

мерностям, характерным для обратимых экзотермических реакций.

16

Вопрос. Как организовать процесс окисления диоксида серы по линии оп-

тимальных температур в ХТС производства серной кислоты ?

Ответ. Окисление диоксида сера в режиме, близком к линии оптимальных температур, осуществляется в многополочном аппарате с промежуточным охлаждением потока газа между слоями катализатора (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема реактора окисления диоксида серы:

1 – слои катализатора; 2 – встроенные теплообменники; 3 – смеситель; 4 – теплообменник

В данной схеме используются байпасирование потока, регенерация тепла и перекрёстная связь.

Вопрос. Как изменяются температура и степень превращения в реакторе по ходу движения реакционной смеси?

Ответ. В адиабатическом режиме температура в слоях изменяется линейно согласно уравнению адиабаты:

Т = Т0 + Т∙(х–х0).

где Т0 – начальная температура, х – текущее значение степени пре-

вращения вещества, х0 – начальная степень превращения вещества.

Между первым и вторым слоями катализатора вводится холодная реакционная смесь, которая снижает температуру на входе во второй слой и уменьшает степень превращения диоксида серы, так как повышается концентрация диоксида серы в смеси. Между другими слоями катализато-

17

ра – простой теплообмен: температура реакционной смеси уменьшается при постоянной степени превращения. Таким образом, процесс окисления диоксида серы как бы колеблется относительно линии оптимальных тем-

ператур.

Вопрос. Каковы физико-химические основы абсорбции триоксида серы?

Ответ. Абсорбция триоксида серы водой описывается экзотермической ге-

терогенной реакцией газ–жидкость:

SO3(г) + H2O(ж) = H2SO 4 + Qр

Процесс лимитируется диффузией триоксида серы из газовой фазы в жидкую. Скорость абсорбции триоксида серы зависит от парциального давления триоксида серы в газовом потоке и равновесного парциального давления триоксида серы над образующимся раствором серной кислоты, а

также от температуры абсорбции, поверхности раздела фаз и турбулизации потоков. Понижение температуры ведёт к интенсификации процесса аб-

Рис. 2.4. Фазовая диаграмма тройной системы H2O H2SO4 – SO3

сорбции SO3, так как растворимость газа при этом увеличивается Абсорбцию триоксида серы проводят концентрированным (98,3 %)

раствором серной кислоты. Температура орошения абсорбера должна быть не выше 93 °С. Фазовая диаграмма равновесия тройной системы H2O –

18

H2SO4 – SO3 представлена на рис. 2.4. В паровой фазе левой части графика над раствором серной кислоты присутствуют преимущественно пары во-

ды, реакция поглощения триоксида серы будет протекать с образованием тумана серной кислоты, который уйдет из абсорбера с газовой фазой. В

паровой фазе правой части графика присутствует практически чистый три-

оксид серы, и его абсорбция из газового потока затруднена. В азеотропной точке А при значении концентрации серной кислоты 98,3 % в паровой фазе присутствует только кислота, что обеспечивает максимальную движущую силу процесса абсорбции SO3. Абсорбция триоксида серы при этом будет наиболее полной.

Вопрос. Каким образом решается концепция более полного использования сырья в ХТС производства серной кислоты ?

Ответ. Концепция более полного использования сырья в ХТС производ-

ства серной кислоты решается путём повышения степени обжига колчеда-

на, повышения степени окисления диоксида серы и увеличения степени абсорбции триоксида серы.

Вопрос. Каким образом решается концепция эффективного использования энергоресурсов в ХТС производства серной кислоты ?

Ответ. Концепция эффективного использования энергоресурсов в ХТС производства серной кислоты решается путём использования тепла сгора-

ния серосодержащего сырья в котле-утилизаторе и путём регенерации теп-

ла окисления диоксида серы для подогрева обжигового газа перед его по-

дачей в реактор окисления. Одновременно при этом охлаждается поток га-

за между слоями катализатора так, что процесс окисления диоксида серы протекает вблизи линии оптимальных температур.

Вопрос. Какие виды отходов могут быть в ХТС производства серной кислоты?

19

Ответ. В ХТС производства серной кислоты образуются отходы по линии основного материального потока – это огарок, диоксид серы, содержащий-

ся в небольшой концентрации в отходящих газах. По линии дополнитель-

ного материального потока – это отработанный катализатор.

Вопрос. Какие концепции синтеза ХТС позволяет решать метод двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА) в ХТС производства сер-

ной кислоты?

Ответ. Метод ДКДА в ХТС производства серной кислоты позволяет ре-

шать концепцию более полного использования сырья (повышения степени окисления диоксида серы) и концепцию уменьшения отхода по линии ос-

новного материального потока (рис.2.5).

Вопрос. Что представляет собой функциональная схема производства сер-

ной кислоты по методу двойного контактирования и двойной абсорбции

(ДКДА)?

Ответ. Функциональная схема производства серной кислоты по методу двойного контактирования и двойной абсорбции может быть представлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Функциональная схема производства серной кислоты по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА):

1 – отделение обжига; 2 – отделение очистки; 31, 4 – первая ступень контактирования и абсорбции; 32, 5 – вторая ступень контактирования и абсорбции.

Элементы 31 и 32 монтируются в одном аппарате

20