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

(III, 66), выражающий количество паров воды в отходящих га­ зах, представляет очень малую величину, которую можно не учи­ тывать. В этом случае уравнение упрощается:

122,5

(III, 67)

0,225

1 — -(a-pc + Sd)

Если в процессе конденсации серной кислоты дополнительно добавляется вода в количестве К кг/час,> эту величину необхо­

5.Н. М. Э м м а н у э л ь , Промежуточные продукты сложных газовых реакций, Изд. АН СССР, 1946.

6.А. В. А в д е е в а, Газовая сера, Госхимиздат, 1950.

7.Техническая энциклопедия, Справочник физ.-хим. величин, т. 3, 1929, стр. 436.

8.Справочник по транспорту газов, под ред. К- С. Зарембо, Гостоптехиздат,

6 А. Г. Амелин

Г Л А В А IV

АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ ПАРОВ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Процесс выделения серной кислоты является наиболее спе­ цифической стадией производства серной кислоты по методу

ре освоения описываемого метода и характерны именно для процес­ са мокрого катализа. В связи с этим аппаратурное оформление процесса выделения серной кислоты рассматривается в отдельной главе данной книги.

Содержание сероводорода и паров воды в сероводородном газе, используемом при производстве серной кислоты по методу мокрого катализа, колеблется в широких пределах, в зависимо­ сти от состава горючего газа и применяемого метода его очистки После сжигания сероводорода и окисления сернистого ангид­ рида на катализаторе концентрация серного ангидрида и паров воды в газе уменьшается вследствие добавления воздуха. По­ скольку воздух содержит большое количество балластного азо­ та, различие концентраций S03 и паров воды в газах, полу­ ченных из различных сероводородных газов, значительно умень­ шается.

В табл. 23 приведен состав газов после контактного аппа­ рата, рассчитанный, исходя из степени -контактирования 97% и указанного в табл. 14 состава газов после сжигания (при соот­ ветствующем 3). Концентрация продукционной кислоты определе­ на по уравнению (III, 67).

Из данных табл. 23 видно, что содержание серного ангидри­

разно оформлять так, чтобы часть паров воды оставалась в га­ зовой смеси и выводилась из конденсатора вместе с отходящими газами. Из данных, приведенных в главе III (раздел «Выделение серной кислоты»), следует, что при определенном температурном

82

*Степень контактирования 95%.

**П ри полной конденсации SO: и паров воды.

режиме процесса конденсации паров можно создать такие ус­ ловия, при которых возникающее пересыщение конденсирующихся паров будет ниже критической величины во всех участках кон­ денсационного аппарата. При этом пары могут конденсировать­ ся на поверхности с любой заданной степенью полноты без обра­ зования тумана.

Процесс выделения паров серной кислоты может быть офор­ млен и без соблюдения указанных условий, так как в случае образования тумана его капли могут быть практически полно­ стью выделены при помоши специальных фильтров, установлен­ ных' после конденсатора. Однако вследствие необходимости боль­ ших затрат на очистку газа от тумана таким способом целесо­ образнее уменьшить туманообразование при выделении серной кислоты и создать условия, при которых образуются крупные капли. Известно, что степень очистки газа от тумана в элек­ трофильтрах возрастает с увеличением диаметра капель, так как скорость движения капель радиусом более 10~4 см пропор­ циональна величине радиуса в первой степени. В аппаратах, принцип действия которых основан на инерционном осаждении частиц, зависимость степени осаждения от диаметра капель еще более значительна.

Ранее было отмечено, что после конденсации в объеме пересы­ щение пара понижается благодаря конденсации паров серной кислоты на поверхности капель. В тех случаях, когда, несмотря на начавшийся процесс конденсации паров в объеме, пересыще-

йие не только не уменьшается,'но даже увеличивается и, следо­

меньше ранее образовавшихся, и выделение капель в фильтрах будет происходить с меньшей полнотой. Отсюда следует, что при частичной конденсации паров в объеме в каждом отдельном случае необходимо поддерживать такие оптимальные условия процесса, при которых образуются наиболее крупные капли тумана.

Таким образом, в зависимости от условий охлаждения га­ зовой смеси после контактного аппарата, могут применяться два режима процесса конденсации паров серной кислоты: без образования тумана (при конденсации паров на поверхности) и с образованием тумана (при наличии объемной конденсации).

Каждый из этих режимов имеет свои преимущества и недостат­ ки, которые следует учитывать в практических условиях.

Для выделения серной кислоты при производстве ее мето­ дом мокрого катализа принципиально могут быть использова­ ны разнообразные аппараты, применяемые для конденсации и абсорбции различных паров и газов. Вследствие высокой темпе­ ратуры конденсации паров серной кислоты и сильного коррозион­ ного действия их на материалы, в промышленности распростра­ нены сравнительно немногие типы аппаратов. Основные из них рассматриваются в данной главе.

КОНДЕНСАЦИЯ В ТРУБЧАТЫХ АППАРАТАХ

При конденсации паров в трубчатом конденсаторе газовую смесь, содержащую пары, пропускают по трубам теплообменника, в межтрубном пространстве которого движется более холодный газ или жидкость.

Первые исследования процесса конденсации серной кислоты в трубчатых конденсаторах, проведенные в Советском Союзе, состояли в следующем1-4. Полую трубку или трубу с насадкой помещали в электрическую печь, температура в ней понижалась от одного конца трубы к другому. Нагретая примерно до 400° газовая смесь, содержащая серный ангидрид и пары воды, по­ ступала в трубу и по мере продвижения по ней охлаждалась. При этом вначале происходило образование паров серной кис­ лоты, которые затем конденсировались на внутренней поверх­ ности трубы.

Скорость охлаждения газовой смеси и, следовательно, ско­ рость конденсации паров регулировалась путем изменения тем - пературы по длине трубы.

Результаты лабораторных исследований подтверждают воз­ можность достаточно полного выделения паров серной кислоты

84

и полностью соответствуют приведенным в главе III данным, о том, что в трубах с насадкой достигается большая полнота выделения серной кислоты, чем в трубах без насадки.

Конденсатор, использованный на полузаводской установке4 (производительность 235 кг в сутки), представлял собой труб­ чатый теплообменник (рис. 17), состоящий из 37 фарфоровых труб (внутренний диаметр 15 мм, длина 1 м), заполненных фар-

.форовыми шариками диаметром 10 мм. Каждая фарфоровая труба заключена в стальную цельнотянутую трубу (внутренний диаметр 32 мм), кольцевое пространство между обеими трубами заполнено песком. В межтрубном пространстве находится вода, уровень которой контролируется при помощи водомерного стекла. Размер кольцевого пространства между трубами подобран с таким расчетом, чтобы поддерживалась достаточно высокая тем­ пература поверхности конденсации. При этом возникающее пе­ ресыщение паров серной кислоты не превышает критического. Пересыщение уменьшается также благодаря присутствию в тру­ бах насадки, на поверхности которой происходит дополнитель­

Полученные на основании полузаводских опытов данные бы­ ли использованы в 1940 г. для проектирования заводской ус­ тановки5. Трубы конденсатора на этой установке были выпол­ нены из термосилида, кольцевое межтрубное пространство за­ полнено расплавленным свинцом. Установка находилась в экс­

ва серной кислоты методом мокрого катализа в Германии рабо­ тало довольно много установок небольшой производительности (1—5 т в сутки). Выделение серной кислоты на этих установках

85

Газ

I

Пар

Сечете по Я-Б

1 2

Вода

Кислота

Рис. 17. Конденсатор серной кислоты полузаводской установки:

/ —стальные трубки; 2—фарфоровые трубки; 3—патрубки для водомерн о- го стекла; 4—патрубок для выхода газа; 5—футеровка (кислотоупорный бетон).

осуществлялось в трубчатых конденсаторах6- 8. Подобная же установка имеется в настоящее время в Чехословакии. Конден­ сатор кислоты на этой установке размещен в нижней части кон­ тактного аппарата и является его продолжением. Он представ­ ляет собой теплообменник, выполненный из стальных цельно­ тянутых освинцованных труб диаметром 53/58 мм, в которые

лоты в трубчатом конденсаторе (рис. 18). Тепло газа, движущего­ ся по трубе сверху вниз, передается пленке конденсата, стекаю­ щего .по внутренней поверхности трубы. Одновременно на плен­ ке конденсируются пары жидкости, выделяющееся при этом тепло также передается пленке.

Значительное количество тепла выделяется также при об­ разовании серной кислоты по реакции (111,3 ) по мере охлаждения газа, так как при 450° серная кислота почти полностью диссо­ циирована на S03 и Н .р. Тепло реакции, выделяющееся в соот­ ветствии с уравнениями (III, 3) [с учетом ассоциации паров— уравнения (III, 29) и (III, 30)1, передается от газа пленке конден­ сата, от нее—стенке трубы и от стенки трубы—воде.

Разность температур на внутренней и наружной поверх­ ности стенки трубы весьма незначительна, поэтому температуру внутренней и наружной стенки принимаем одинаковой.

87

Таким образом, процесс теплопередачи можно выразить урав­ нением:

88

где а0—начальная степень ассоциации паров серной кислоты, определяемая по уравнению (III, 29), доли;

L0—теплота образования серной кислоты, ккал/кг. Количество тепла Q4, передаваемого пленкой конденсата

поверхности трубы, определяем по уравнению:

d —внутренний диаметр трубы, м;

<7пл.—количество кислоты, образующей пленку, кг/час. Количество тепла Q5, передаваемого наружной поверхностью

где ав—коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности тру­

чительно изменяются по длине трубы в процессе конденсации

89

принимаются постоянными11. После подстановки полученных значений в уравнение (IV, 1) и сокращения на F получаем:

Чтобы наглядно пояснить влияние различных факторов на процесс кон­ денсации серной кислоты в трубчатом аппарате, приводится расчет одного

где w—весовая скорость газа, кг!к?-час.

90