книги из ГПНТБ / Амелин А.Г. Производство серной кислоты из сероводорода по методу мокрого катализа

2)Коэффициент массопередачи по уравнению (IV, 6):

р1 = о!5з-°,°23-94800'8Рг^ 4“

При температуре 440° 0=0,113 м2/час; плотность газа р=0,49 кг/м3. Отсюда

3)По данным табл. 25 находим а0:

4) Теплота образования паров серной кислоты L0 и теплота их конденс цни LKопределятся йз уравнений (III, 3) и (III, 4):

11,98-1000

Qg Qg — 122 ккал/кг

На первом участке толщина пленки серной кислоты, конденсирующейся на трубке, незначительна, поэтому ее термическое сопротивление мало и можно

принять, что

91

Откуда Сж=98,2% .

При ^пк=104°и концентрации серной кислоты 98,2% давление насыщенного пара pJjK, рассчитанное по уравнению (III, 34), составляет 0,07 мм pm. cm.

Интерполируя данные, приведенные на стр. 89, получаем для t\—tla=

= 104—100=4° значение ав=3950 ккал/м2-час-град.

После подстановки полученных данных в уравнение (IV, 11) получаем:

44,5 (440— 104) + 0,4(40,3 — 0,07)[122-f 296(1 — 0,015)] = 3950 (104— 100)

Откуда 21 480^=15 800.

Поскольку равенство не соблюдено, повторяем расчет, принимая ^ к—^с=

= 105,5° и РдК= 0,07 мм pm. cm. В этом случае достигается достаточно близкое совпадение:

21550 = 21720

По найденной температуре 7*к поверхности конденсации можно определить

поверзуюсть первого участка трубы и, следовательно, его длину. Из урав­ нения (IV, 2) следует:

92

Из уравнения (IV, 12) следует:

72,7

F1 — 44,5(440 — 105,5) = 0,00488 м3

Количество сконденсировавшихся паров серной кислоты определится по уравнению (VI, 5):

qlK= 0,4-0,00488(40,3 — 0,07) = 0,082 кг/час

Зная величины qj!, Cj и а', можно рассчитать давление паров серного ангид­

рида р \ а также давление паров воды Р[[20 и серной кислоты* p |IoSOl в конце участка:

р1 = 39,7 мм pm. cm.

р^20= 55,1 мм pm. cm.

PHaS04= °>8 мм Рт■ с т ■

Р а с ч е т д л я у ч а с т к а II:

Принимаем температуру в конце участка 1,1=425°. Так же, как для участ­ ка I, рассчитываем хх"=44,0 ккал/м3-час-град и (3=0,40 кг/м3-час-град-

Величины, входящие в уравнение (IV, 9) для коэффициента у теплоотда" чи пленки конденсата, имеют следующие значения (при температуре 1^=105°)

)."=3,36- ккал/м-час-град;

р=1743 кг/м3; g=9,81-36002 м/час2;

;а= 8,3 кг/час-м; </пл==я1=®кг/час.

Подставив эти величины в уравнение (IV, 9), получим:

44(425 — 105)+ 0,40(39,7 — 0 ,07)[122+ 296(1 — 0,02)] = = 25 400(105 — 104,3) = 4050(104,3 — 100)

20 612 ф 17 800 ф 17 400

Ввиду большого несоответствия принимаем новые исходные значения:

иповторяем расчет.

Вэтом случае получаются более близкие результаты:

20 570 ж 20 320 яг 20 340

93

В табл. 26 приведены результаты расчета для последующих участков трубы. Пересыщение пара S, возникающее на участках, определялось по урав­ нению (III, 32). При определении давления насыценного пара по уравнению (III, 34) предварительно находили концентрацию кислоты, соответствующую составу газа и температуре на данном участке.

участка PhIso, ^ Ю,5 мм Рт- ст-’ Давление паров воды в газе в конце участка

у и

/?£20 —7,2 ммрт. ст. Без учета небольшого изменения объема газа вследствие конденсации можно принять:

PHaSOj^14’1 мм Рт- ст-<

РнгО= ^’2—(14,1—13,5)=6,6 мм рт. ст.

В этом случае концентрация серной кислоты в газовой фазе определяется по уравнению:

________ J 00______

94

Концентрацию серной кислоты в жидкой фазе, соответствующую Сг= 92,2% , определим по уравнению (III, 35):

lg 9 2 ,2 = 0,13(СЖ— 83)

Откуда Сж=98%.

Давление насыщенного пара кислоты р*п при 210° над 98%-ной серной кислотой составляет 10,8 мм pm. cm., поэтому

Расчет проведен до участка, в котором начинается образование-тумана. Для условий, при которых возникают капли тумана, метод расчета должен быть изменен. При помощи опи­ санного выше метода рас­ чета можно установить условия, в которых тумана не образуется (например, при температуре охлаждаю­ щей воды 160°).

Из данных табл. 26 и рис. 19 (кривая 1, сплошная) видно, что пересыщение пара достигает критической вели­ чины при температуре не­ сколько ниже 200° (на уча­ стке X III—XIV), следова­ тельно, на этом участке тру­ бы происходит, образование тумана (пересечение кривых 1 и о). Степень конденсации серной кислоты низка—око­ ло 68%.

Температура tnx. по­ верхности конденсации изменяется незначитель­ но по длине трубы (см. табл. 26). Поэтому пере­

сыщение пара, возникающее в зависимости от степени охлаждения газа, а также начальные условия образования тумана можно опре­ делить по формуле (III, 36). Для большей точности расчета трубу целесообразно разделить на две примерно равные части и вести для каждой из них отдельный расчет, принимая температуру поверхности конденсации равной температуре кипящей воды

(*П Л .=0-

В данном случае расчет усложняется вследствие того, что по мере охлаждения газа выделяется тепло образования паров серной кислоты по реакции (III, 3) и при 'Выделении этого тепла повышается температура газа. Однако повышение температуры

95

иконце процесса, доли;

Ма—молекулярный вес паров серной кислоты (98,06); L0—теплота образования паров серной кислоты (296 икал/кг.

см. стр. 91);

Р—общее' давление газа (760 мм pm. cm.).

Подставляя известные величины в уравнение для At, получим:

принято постоянным. В этом случае, с учетом поправки на At,

25 и 26); он сделан для двух участков при охлаждении газа с 450° до 300°—учас­

р1 = 24,1 мм рт. cm.

96

ратуры газа на входе в трубу возникающее пересыщение сни­ жается [выражение (III, 42) уменьшается], образуется меньше тумана. Поэтому при прочих равных условиях и более высокой температуре газа на входе достигается более высокая степень конденсации паров на поверхности. С понижением температуры газа на входе в трубу возникающее пересыщение пара увели­

температуры на входе сказывается в меньшей степени; при тем­ пературе газа на входе 520° степень конденсации до начала обра­ зования' тумана составляет 72%.

В промышленных установках повышение температуры поверх­ ности конденсации является наиболее доступным способом умень­ шения возникающего пересыщения пара и создания условий, заключающих образование тумана. Это наглядно подтверждает­ ся результатами расчета процесса конденсации серной кислоты в

пересыщение уменьшается, а степень конденсации увеличивается. На рис. 19 (пунктирные кривые) и в табл. 27 приведены резуль­ таты расчета для тех же условий и той же трубы, но при заполне­

пересыщения и некоторому увеличению степени конденсации па­ ров на поверхности.

При температуре газа на входе в трубу, равной 286°, и тем­ пературе охлаждающей воды 160° возникающее пересыщение паров серной кислоты достигает критической величины (S==SKp.) при 215°. При этом степень конденсации паров серной кислоты на поверхности трубы составляет всего лишь 51%.

98

Несмотря на простоту устройства и малое гидравлическое сопротивление трубчатых конденсаторов, а также возможность выделения в них серной кислоты без образования тумана, в последние годы эти аппараты вытесняются барботажными кон­ денсаторами и башнями с насадкой, так как применяемые в насто­ ящее время трубчатые конденсаторы недостаточно надежны в условиях данного процесса.

Процесс конденсации серной кислоты без образования ту­ мана необходимо вести при сравнительно высокой температу­ ре, при которой серная кислота обладает весьма сильным корро­ зионным действием. В этих условиях достаточно устойчивы не­ металлические материалы и термосилид, но неметаллические материалы мало пригодны в процессах теплопередачи, а термо­ силид не выдерживает резких изменений температуры, неизбеж­ ных в производственных условиях.

Однако при изготовлении конденсационных труб из спе­ циальных кислотостойких сплавов трубчатые конденсаторы мо­ гут найти в дальнейшем широкое применение, так как к достоин­ ствам их (кроме указанных ранее преимуществ) следует отнести и возможность использования тепла конденсации для получе­ ния пара (см. главу VI, стр. 166).

КОНДЕНСАЦИЯ В БАРБОТАЖ НЫХ АППАРАТАХ

В аппаратах барботажного типа конденсация паров серной кислоты при повышенной температуре, требуемой для меньшего туманообразования, осуществляется при прохождении газовой смеси через слой жидкости. В таких аппаратах конденсация па­ ров серной кислоты происходит на внутренней поверхности обра­ зующихся при барботаже газовых пузырьков, что позволяет су­ щественно упростить аппаратурное оформление процесса конден­ сации?

На рис. 21 .изображена схема процесса конденсации серной кислоты в пузырьке газа по мере того, как пузырек поднимается снизу вверх через слой кислоты.

Температуравнутренней поверхности пузырька ниже тем­ пературы газа, поэтому в результате теплоотдачи газ охлаж­ дается. С понижением температуры равновесие реакции (III, 3) смещается в сторону образования паров серной кислоты, выде­ ляющееся при этом тепло такж§ передается внутренней поверх­ ности пузырька. Таким образом, тепло охлаждающегося газа и тепло образования паров серной кислоты передается кислоте, заполняющей конденсатор. Отвод тепла производится при помо­ щи холодильников, устанавливаемых внутри конденсатора, или

•путем добавления в конденсатор холодной кислоты или воды. Способ отвода тепла оказывает, существенное влияние на процесс конденсации. При отводе тепла с помощью холодиль­ ников или добавлением более холодной серной кислоты той же

концентрации, что и в ' конденсаторе, температура внутренней поверхности пузырьков выше температуры всей массы кислоты. В этом случае происходит отдача тепла от внутренней поверх­ ности пузырьков к кислоте, которая выводится из конденсатора. При наличии холодильников часть тепла отводится через их поверхность.

Вода

ние паров серной кислоты в газе и у поверхности пузырька; РН Ф ’* % о - дав-

ление паров воды в газе и у поверхности пузырька; С—концентрация кислоты.

При отводе тепла путем подачи в конденсатор воды или сер­ ной кислоты, менее концентрированной, чем в конденсаторе, тепло передается внутренней поверхности пузырька и расходует­ ся на испарение воды, диффундирующей к поверхности кислоты из общей ее массы. При этом температура кислоты выше темпе­ ратуры внутренней поверхности пузырька, так как при подаче

В зависимости от температуры поступающего газа и количества серного ангидрида в нем содержание паров в газе может быть

100