1.4.4 Физико-химические основы процесса абсорбции серного ангидрида

Последней стадией процесса производства серной кислоты контактным методом является извлечение триоксида серы из газовой смеси и превращение его в серную кислоту.

В абсорберах SO₃ абсорбируется серной кислотой. Триоксид серы растворяется в серной кислоте, а затем взаимодействует с содержащейся в ней водой. Взаимодействие серного ангидрида с водой можно описать уравнением реакции:

(1.4.13)

В зависимости от количественного соотношения воды и SO₃ получают серную кислоту различной концентрации. При n > 1 образуется олеум, при n = 1 – моногидрат (100%-ная серная кислота), а при n < 1 – водный раствор серной кислоты, т. е. разбавленная серная кислота.

После абсорбции газовая смесь вместе с непоглощенным серным ангидридом удаляется в атмосферу. Для уменьшения потерь SO₃ с отходящими газами его поглощение в абсорбционном отделении должно быть возможно более полным.

Для получения олеума газ, содержащий SO₃, пропускают вначале через абсорбер, орошаемый олеумом (олеумный абсорбер). Здесь поглощается только часть SO₃, окончательное поглощение происходит во втором абсорбере, орошаемом моногидратом (моногидратный абсорбер).

Стандартом предусматривается содержание в продукционном олеуме не менее 20 % SO₃ своб., им и орошают олеумный абсорбер. Концентрация H₂SO₄, орошающей моногидратный абсорбер, составляет около 98,3%. Кислота такой концентрации хорошо абсорбирует серный ангидрид, так как давление паров SO₃ и воды над ней ничтожно мало.

Количество выпускаемого олеума зависит от того, какая часть серного ангидрида поглощается в олеумном абсорбере, и от объема воды, поступающей с сушильной кислотой из очистного отделения в абсорбционное.

Газообразный серный ангидрид наиболее полно абсорбируется серной кислотой концентрации 98,3 % масс. H₂SO₄, при меньшей или большей концентрации H₂SO₄ способность ее к поглощению ухудшается. Такая зависимость объясняется тем, что над серной кислотой концентрацией ниже 98,3 % масс. H₂SO₄ равновесное давление SO₃ ничтожное ( ), а равновесное давление паров воды значительное ( ), поэтому с поверхности серной кислоты происходит испарение (десорбция) молекул воды.

Основное количество молекул SO₃ диффундирует к поверхности серной кислоты и абсорбируются ею, но часть их встречается с молекулами воды, испаряющимися с поверхности серной кислоты и диффундирующими в основной поток газа. Сталкиваясь, эти молекулы соединяются с образованием паров серной кислоты, которые затем конденсируются в объеме с образованием мельчайших капель (тумана) серной кислоты, по уравнению (1.4.14):

(1.4.14)

Туман плохо улавливается в обычной абсорбционной аппаратуре и в основном уносится с отходящими газами в атмосферу. Чем ниже концентрация серной кислоты и выше ее температура, тем больше выделяется из нее паров воды, больше образуется тумана и больше теряется SO₃.

Над кислотой концентрацией выше 98,3 % масс. H2SO₄ равновесное давление , поэтому он абсорбируется серной кислотой неполностью. В этом случае отходящие газы также уносят в атмосферу часть SO₃. Таким образом, при концентрации орошающей кислоты менее и более 98,3 % масс. H₂SO₄ абсорбция серного ангидрида снижается; она тем ниже, чем выше температура, поскольку равновесные давления паров Н₂O и SO₃ над кислотой возрастают с повышением температуры.

При концентрации кислоты 98,3 % масс. H₂SO₄ равновесные давления паров воды и SO₃ малы ( ; но равновесное давление паров самой серной кислоты значительное ( ), поэтому происходит испарение (десорбция) паров серной кислоты с ее поверхности и степень абсорбции SO₃ снижается. Однако при температуре ниже 100 °С равновесное давление паров серной кислоты очень мало, поэтому в производственных условиях 98,3%-ная серная кислота обладает наиболее высокой абсорбционной способностью по отношению к SO₃.

Если концентрация серной кислоты выше 98,3 % масс. H₂SO₄, то при соприкосновении ее с SO₃ протекает обычный процесс абсорбции. Тогда количество абсорбируемого серного ангидрида можно рассчитать по уравнению (1.4.15):

(1.4.15)

где

– количество абсорбируемого SO₃, кг/ч;

К – коэффициент абсорбции, кг/(м²·ч·Па);

F – Поверхность насадки, м²;

— движущая сила абсорбции, Па.

Коэффициент абсорбции при поглощении SO₃ серной кислотой можно определить по уравнению (1.4.16):

, (1.4.16)

где

K – коэффициент, зависящий от концентрации и температуры;

– фактическая скорость газа в абсорбере, м/с.

Абсорбция SO₃ олеумом в олеумном абсорбере также ухудшается с повышением температуры вследствие уменьшения движущей силы абсорбции, выражаемой при противоточном движении компонентов.

Движущую силу процесса абсорбции можно определить по уравнению (1.4.17):

, (1.4.17)

где

p^’₁, p^’’₁ - парциальное давление SO₃ в газе до и после абсорбера, Па;

p^’₂, p^’’₂ - равновесное давление SO₃ над олеумом на входе газа в абсорбер и выходе из него, Па.

В производственных условиях концентрация SO₃ в газовой и жидкой фазах меняется незначительно. Величина , зависит главным образом от температуры, поскольку входящие в уравнение величины связаны определенной зависимостью с температурой, которая сильно возрастает при ее повышении.

Следовательно, с повышением температуры степень абсорбции SO₃ сильно уменьшается и при определенной температуре абсорбция полностью прекращается. Максимальное содержание SO₃ (своб.) в получаемом олеуме (при заданном содержании серного ангидрида в газе, поступающем на абсорбцию) зависит от температуры абсорбции, так как оно определяется равновесным давлением SO₃ над олеумом.

После олеумного абсорбера газ направляется в моногидратный абсорбер, где происходит окончательная абсорбция серного ангидрида. Поглощение серного ангидрида при абсорбции должно быть полным, поскольку газовая смесь после абсорбции выбрасывается в атмосферу [1 – 5].

Абсорбция протекает с выделением значительного количества тепла, зависищее от концетрации исходного газа. Выпускаемые в настоящее время промышленностью разборные пластинчатые холодильники относятся к наиболее интенсивным типам теплообменных аппаратов. Их применение резко уменьшает попадание сточных вод в реки и другие водоемы при минимальных затратах энергии на прекачку жидкостей. Поэтому мною в данном дпломном проекте предложена замена двух холодильника АВЗ на пластинчатый холодильник «Альфа-Лаваль».