43. Контактное отделение сеpнокислотного производства. Контактные аппаpаты.

Контактный способ производства серной кислоты включает после обжига серосодержащего сырья ещё три стадии:

очистку газа от вредных для катализатора примесей;

контактное окисление SO2 в SO3;

абсорбцию SO3 серной кислотой.

Очистка газа освобождает обжиговый газ от механических и химических примесей, что необходимо для предохранения контактной массы от порчи. Очистка газа от огарковой пыли осуществляется как в центробежных пылеочистителях - циклонах, так и в электрофильтрах. Содержание пыли в газе, полученном в печах со взвешенным слоем, после очистки в циклонах снижается с 300 до 20 г пыли на 1 м3 газа. Однако даже такая тонкая очистка в электрофильтрах недостаточна для контактного способа производства серной кислоты. Для окончательного освобождения газа от оставшихся частиц пыли и более полного отделения As2O3 и селена, являющихся сильными контактными ядами, необратимо отравляющими контактную массу, применяют очистку в промывных башнях и мокрых электрофильтрах. Последние называют так потому, что в них выделяются мельчайшие капельки воды, в которых растворены триоксиды серы и мышьяка. Образование мельчайших капелек (тумана) в газе происходит при увлажнении и охлаждении его до 30 - 50°С. После очистки от ядов газ осушают в сушильных башнях 93 - 95 % - ной серной кислотой. Подготовленный таким образом газ подается турбокомпрессором в контактное отделение для окисления диоксида серы.

Контактное окисление диоксида серы представляет собой главную стадию сернокислотного производства; по названию этой операции именуется и весь способ. Контактное окисление SO2 в SO3 служит типичным примером гетерогенного экзотермического катализа, осуществляемого по уравнению реакции

2SO2 + O2 > < 2 SO3 + 189 кДж (500°С)

и относится к обратимым экзотермическим процессам, протекающим с уменьшением газового объёма. Поэтому в соответствии с принципом

Ле Шателье равновесие этой реакции сдвигается в сторону образования SO3 при уменьшении температуры и увеличении давления. Однако в сернокислотном производстве повышенное давление не применяется из-за небольшой концентрации сернистого газа и кислорода (в обжиговом газе содержится обычно свыше 80% балластного азота). В связи с этим энергетические затраты на сжатие газов и удорожание аппаратуры и коммуникаций значительно превосходят выгоду от применения давления.

Скорость процесса окисления SO2 определяется, прежде всего, активностью применяемого катализатора. Каталитически на реакцию окисления SO2 действуют многие вещества, однако в сернокислотной промышленности в разное время применялись лишь три катализатора:

металлическая платина;

оксид железа;

оксид ванадия (V).

Наиболее активный катализатор - платина, но она дорога и очень легко необратимо отравляется даже следами мышьяка. Оксид железа дешевый, не отравляется мышьяком, но проявляет каталитическую активность только при температуре выше 625°С, т.е. когда равновесная степень превращения меньше 70%, и поэтому его можно применять лишь на начальной стадии окисления SO2.

Ванадиевый катализатор менее активен, чем платиновый, но значительно дешевле и отравляется соединениями мышьяка в несколько тысяч раз меньше, чем платина. В настоящее время на всех отечественных сернокислотных заводах применяются только ванадиевые контактные массы, содержащие до 7% V2O5 и в качестве промоторов - оксиды щелочных металлов (обычно К2О); носителями, как алюмосиликаты.

Размеры гранул контактной массы имеют очень большое значение для процесса катализа. Чтобы не было диффузионного торможения внутри пор применяемого катализатора марки СВД, необходимы размеры зерна не более 1,5 мм. Однако мелкие гранулы создают большое гидравлическое сопротивление потоку газа через фильтрующий слой катализатора, поэтому приходится применять зёрна контактной массы около 5 мм в поперечнике, в результате чего скорость процесса резко тормозится диффузией газов внутрь пор зерна катализатора.

В контактных аппаратах для достижения максимальной скорости процесса следовало бы начинать его при более высокой температуре (около 600°С) и затем, снижая температуру по кривой оптимальных температур, заканчивать при 400°С. Возможно, большему приближению к этим условиям в основном и подчинены конструкции современных контактных аппаратов. Свежий газ, содержащий SO2, подогревается за счет реакции до температуры зажигания 440 - 450°С, а затем в результате большего тепловыделения температура в первом слое аппарата поднимается почти до 600°С. Чаще всего применяются полочные контактные аппараты со ступенчатым отводом теплоты.

Полочные контактные аппараты - один из наиболее распространенных типов контактных аппаратов. Принцип их действия состоит в том, что подогрев и охлаждение газа между слоями катализатора, лежащими на полках, производится в самом контактном аппарате с использованием различных теплоносителей или способов охлаждения. В аппаратах такого типа высота каждого нижележащего слоя катализатора выше, чем расположенного над ним, т.е. увеличивается по ходу газа, а высота теплообменников уменьшается, так как по мере возрастания общей степени превращения скорость реакции снижается и соответственно уменьшается количество выделившегося тепла. В межтрубном пространстве теплообменников последовательно снизу вверх проходит свежий газ, охлаждая продукты реакции и нагреваясь до температуры начала реакции.