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

При проектировании установок мокрого катализа с исполь­ зованием сероводородного газа высокой концентрации размеры конденсационной башни рассчитывают по данным процесса тепло­ передачи (без учета конденсации паров серной кислоты в объеме и образования тумана). Ниже приведена примерная схема тако­ го расчета.

Сразб.—тепло, выделяющееся при конденсации паров воды и разбавлении

серной кислоты (как установлено отдельным расчетом, Qpa36, = 254 200

ккал/час).

Отсюда:

.Qr = Vncln — VKctK= 21 400-0,33-450 — 18 683.0,33-75 =

= 3 177 900 — 462 400 = 2 715 500 ккал/час

Qo = AL0 — 5000-296 = 1480 000 ккал/час

QK= A LK= 5000-122= 610 000 ккал/час

Таким образом, общее количество выделяющегося тепла составит:

Q = 2 715 500 4- 1 480 000 + 610 000 + 254 200 = 5 059 700 ккал/час

Количество орошающей кислоты N определится из уравнения:

Q

где ск—теплоемкость серной кислоты, 0,37 ккал/кг-град.

Принимая коэффициент теплоотдачи15 а= 3 ккал/м3-час-град, определим поверхность Fs насадки башни, в которой газ охлаждается от 450 до 75°, а орошающая кислота нагревается от 50 до 80°:

F„ = аАQt

Если учесть повышение температуры газа за счет тепла образования .па­ ров серной кислоты [уравнение (IV, 18)], поверхность насадки будет несколько меньше.

При заполнении башни насадкой в виде колец размером 50x50 мм (удель­ ная поверхность такой насадки /„=110 м2 на 1 м3) объем насадки составит:

Принимая фиктивную скорость W0 газа в насадке (скорость отнесена к объему газа при нормальных условиях) равной 0,3 м/сек, найдем площадь се­ чения башни:

21 400

f6 = 3600-0,3 = 19,82 м2

Отсюда высота насадки в башне составит jg gg—6,1 м’ а Диаметр башни

~ 5 м.

Коэффициент теплопередачи К в холодильниках кислоты принимаем рав­ ным 150 ккпл/м.2-час-град, температуру воды на входе 20° и на выходе 30°. Требуемая поверхность холодильников Fx составит:

В проектах промышленных установок количество образующе­ гося тумана не рассчитывается. Обычно после башни предусма­ тривается установка достаточно мощных фильтров, в которых должна достигаться практически полная очистка газа от тумана.

Приведенные данные позволяют определить возможность об­ разования тумана в конденсационной башне, а также рассчитать его количество. Для этого вначале следует определить по уравне­ нию (III, 41) температуру Т, при которой достигается максималь­ ное пересыщение пара, затем, подставив полученное значение Т в уравнение (III, 40), установить величину максимального пересыщения пара. Если 5 > 5 кр., образование тумана неизбежно. •: Чтобы рассчитать количество образующегося тумана, тре­ буется найти не величину максимального пересыщения пара,

а условия, при которых возникающее пересыщение пара дости­ гает критической величины, т. е. когда5= 5 кр.. Эти условия опре­ деляют методом последовательных приближений при различных значениях температуры газа.

При образовании тумана оставшиеся в газе пары серной кислоты конденсируются как на поверхности образовавшихся капель тумана, так и на поверхности насадки. На основании примерных расчетов можно ориентировочно принять, что в кон­

где рт—давление паров серной кислоты в момент образования

тумана, мм pm. cm.

Для расчета принимаем приведенные выше условия (стр. 112), -температу-

Проверим, какое пересыщение пара серной кислоты создается при охлаж­ дении газа до 220°; при этой температуре а=0,85.

Подставив принятые значения в уравнение (III, 39), получаем (без по­

правки на At):

/220 — 65 \0,55

р = I •.,{;■)() . (40,3 — 0) + 0 = 24,4 мм pm. cm.

Так как в процессе охлаждения газа выделяется тепло образования паров серной кислоты, температура газа повышается.

Определим по уравнению (IV, 18) поправку At (стр. 96):

At = 5,2[(40,3 — 24,4)(1 — 0,015) + 24,4(0,85 — 0,015)] = 187*

С учетом этой поправки получим по уравнению (III, 39):

Чтобы определить по уравнению (III, 32) возникающее пересыщение пара серной кислоты, необходимо знать давление насыщенного пара рн. Для этого следует предварительно определить концентрацию кислоты в образующихся каплях тумана. Поскольку ведется приближенный расчет, принимаем такое же соотношение между S03 и Н20 в газе при 220°, как и в начале процесса (кон­ центрация кислоты в газовой фазе Сг=93%). В действительности это соотно­ шение несколько изменяется по мере движения газа по насадке башни и кон­

При 220° давление паров серной кислоты над 98,2%-ной серной] кислоты равно 15,5 мм pm. cm. [по уравнению (III, 34) и данным табл. 22]. Следова­ тельно, пересыщение пара составит:

19,4

S = 15Т5= 1,25

114

Критическое пересыщение паров серной кислоты при 220° составляет 1,8

Давление насыщенного пара H 2S04 при 205° равно 9,3 мм pm. cm., а пе-

18,5

ресыщение S=g~g-=2,0. При этой температуре критическое пересыщение

SKp.= 2,0. Так как S = S Kp., то при 205° происходит конденсация паров в объеме. Таким образом, содержание тумана серной кислоты в газе после башни

составит (по уравнению, приведенному на стр. 114):

Общее количество тумана в отходящих газах составит:

18 683-79,6

-НИУИФ , № 1, 78, Госхимиздат, 1957.

8*

ты. Таким образом, обе описанные схемы существенно не отли­ чаются друг от друга.

В Советском Союзе были проведены широкие научные иссле­ дования процесса производства серной кислоты методом мокрого катализа, однако освоение этого метода в промышленном масшта-

Рис. 28., Технологическая схема производства серной кислоты мето­ дом мокрого катализа:

/ —фильтр; 2—вецтиляторы; 3—печь; 4—холодильник; 5—контактный аппарат; 6—трубчатый конденсатор.

бе было осуществлено в СССР только в 1954 г. В годы первых пятилеток в пашей стране значительно возросла потребность в сере, особенно не содержащей селена (сера для целлюлозной промышленности), поэтому экономически целесообразными ока­ зались такие методы очистки горючих газов от сероводорода, при которых в качестве побочного продукта получалас’ь элемен­ тарная сера, а не сероводород. Этим обстоятельством объясняется также замедленное освоение в промышленности как мокрых методов очистки газов с побочным получением газообразного сероводорода, так и производства серной кислоты из H2S методом мокрого катализа.

В результате осуществления промышленного процесса получе­ ния газовой серы (из сернистого ангидрида в цветной металлур­ гии) и увеличения добычи природной серы положение существен­ но изменилось, и поэтому проблема производства серной кислоты из сероводорода приобрела гораздо большее значение. Этому ‘способствовали также успешные результаты полузаводских и за­ водских испытаний мокрых методов очистки газов с выделением

117

газообразного H2S и освоение способов переработки этого сероводо­ рода в концентрированную серную кислоту. В связи с быстрым развитием газовой промышленности и широким использованием искусственных и природных горючих газов для синтеза разно­ образных продуктов возросли требования к тщательности очист­ ки газов от сероводорода и возникла необходимость эффективного использования этого сероводорода.

Анализ имеющихся данных показал, что наиболее экономи­ чески эффективно использование мокрых методов очистки газа с последующей переработкой получаемого газообразного серо­ водорода в серную кислоту. Поэтому весьма важное значение имеет разработка простых и дешевых способов получения сер­ ной кислоты из сероводорода с возможно более полным исполь­ зованием тепла для получения энергетического пара.

Применяемые в СССР технологические схемы производства серной кислоты из сероводорода разработаны на основе резуль­ татов всесторонних лабораторных исследований, полузаводских и заводских опытных работ и отличаются простотой и оригиналь­ ностью, а также обеспечивают получение концентрированной серной кислоты высокого качества.

Широкое применение в промышленности получили две схемы: 1) с использованием сероводородного газа высокой кон­ центрации; 2) с использованием сероводородного газа низкой концентрации.

Каждая из этих схем имеет особенности, обусловленные тем, что оформление процессов сжигания сероводорода и выделе­ ния серной кислоты существенно зависит от содержания H2S в сероводородном газе.

Основные аппараты в производстве серной кислоты из серо­ водорода методом мокрого катализа оформляются примерно так же и выполняются из тех же материалов, как и в производ­ стве контактной серной кислоты из других видов сырья. Некото­ рые особенности печного отделения связаны со специфичес­ кими свойствами сжигаемого сероводорода (возможность образо­ вания взрывоопасных смесей, токсичность и др.).

Кроме того, известные различия аппаратурного оформления процесса и требований к применяемым материалам обусловлены присутствием в газовой смеси, выходящей из контактного ап­ парата, большого количества водяных паров. При охлаждении такой смеси ниже точки росы происходит конденсация паров серной кислоты как на поверхности стенок аппаратов, так и в объеме с образованием тумана. Серная же кислота обладает при высокой температуре весьма сильным коррозионным действием, а сернокислотный туман очень трудно выделяется из газовой смеси.

При температуре выше точки росы газовая смесь, содержащая серный ангидрид и пары воды, не оказывает заметного действия на черные металлы. Поэтому теплообменники, решетки контакт­ ных аппаратов, газоходы и другие аппараты в цехе мокрого ката­

118

лиза изготовляют из стали и чугуна. Стенки газоходов, компен­ саторов и других аппаратов снабжаются теплоизоляцией, чтобы предотвратить охлаждение газа и конденсацию паров серной кисло­ ты на внутренней поверхности. Газоходы для отвода газов из контактного аппарата дополнительно футеруют изнутри кислото­ упорной керамикой. Газоходы, фасонные детали, вентили и дру­ гая арматура для сероводородного газа выполняются из обыч­ ной стали.

ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ СЕРОВОДОРОДНОГО ГАЗА

ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

Вследствие высокой концентрации сероводорода в газе при сжигании H2S в печах выделяется большое количество тепла. В связи с этим возникают затруднения при конструктивном оформлении печей и выборе соответствующих материалов. Кроме того, смеси концентрированного сероводорода с воздухом взрыво­ опасны, что также усложняет технологическое оформление печно­ го отделения. Одновременно возникает необходимость рациональ­ ного использования выделяющегося тепла, так как это в значитель­ ной степени определяет технико-экономические показатели всего процесса.

При получении серной кислоты методом мокрого катализа некоторыми особенностями отличается процесс окисления серни­ стого ангидрида. В контактное отделение газ поступает при довольно высокой температуре, поэтому отвод тепла в процессе окисления S02 должен осуществляться иначе, чем в производст­ ве серной кислоты из колчедана.

Как следует из приведенных ранее теоретических положений (глава III), пары серной кислоты могут быть выделены либо путем конденсации их на поверхности без образования тумана, либо при одновременной конденсации паров на поверхности и

•в объеме с частичным образованием тумана. Для выделения ту­ мана требуется дополнительная аппаратура.

При использовании сероводородного газа высокой концен­ трации наиболее широко применяются в качестве конденсаторов

рис. 29. После сжигания сероводорода в печи 1 полученный сернистый газ вначале охлаждается в холодильнике 2, затем в присутствии паров воды окисляется до серного ангидрида в контактном аппарате 3 на ванадиевом катализаторе. Далее кон­ тактный газ поступает в башню-конденсатор 4, орошаемую кон-

.центрированной серной кислотой при температуре выше 100°, затем направляется в электрофильтр 5, трубы которого охлаж­ даются воздухом. Охлаждение предусмотрено для конденсации

119

остатка паров серной кислоты, поступающих с газом из башниконденсатора, а также для уменьшения коррозии чугунных труб электрофильтра.

При перекачивании горячей концентрированной серной кис­ лоты возникают известные трудности, поэтому на действую-

Рис. 29. Схема производства серной кислоты из сероводорода:

/ —печь; 2—газовый холодильник; 3—контактный аппарат; 4—башня-конденсатор с насадкой; 5—электрофильтр.

щих заводах температуру орошающей кислоты поддерживают ниже 100°. В этом случае отпадает необходимость охлаждения труб электрофильтра, но требуется установка более мсщных

Рис. 30. Типовая схема производства серной кислоты из сероводородного газа высокой концентрации:

/ —фильтр; 2—вентилятор; печь; 4—паровой котел-утилизатор; 5—контактный аппарат; 6—холодильник; 7—башня-конденсатор; 8—электрофильтр.

электрофильтров, так как указанное изменение температурного режима конденсации приводит к образованию большого количе­

типовая схема производства серной кислоты из сероводородного газа высокой концентрации (рис. 30), которая широко приме­ няется в настоящее время на отечественных заводах5-9.

120