Производство серной кислоты
Задание:
- производительность по 100%-ной серной кислоте, GH2SO4, т/сут: 1400
состав колчедана (концентрации, массовые%):
серы CS: 42
влаги Cвл: 5.0
состав огарка: (концентрации, массовые%):
серы CS(ог): 1,0
состав обжигового газа (концентрации, объемные%):
СSO2: 14,0
СSO3: 0,12
степень использования серы в колчедане, β (%): 85,8
относительная влажность воздуха (%): 52,0
температура кипящего слоя (К): 1103
концентрация СSO2 в газе перед контактным
аппаратом (объемные%): 8,5
конструкция контактного аппарата: контактный аппарат с вводом
холодного газа после второго слоя
Расчетная часть
1. Расчет материального баланса печи кипящего слоя в
процессе обжига колчедана
Рассчитываем общее содержание серы в колчедане:
GS = 
кг/ч;
Количество сухого колчедана:
кг/ч;
Количество влаги в колчедане:
кг/ч;
Количество огарка:
кг/ч;
Количество серы в огарке:
кг/ч;
Потери серы с огарком:
%;
Количество выгоревшей серы:
кг/ч;
Общее количество SO2 и SO3:
м³/ч;
Объем SO2:
м³/ч;
Объем SO3:
м³/ч;
Концентрация кислорода в обжиговом газе определяется по
формуле:
,
где n - содержание кислорода в воздухе, n=21%; m -
стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул SO2, по балансовому уравнению:
FeS2 +
11 O2 = 8 SO2 + 2 Fe2O3, 
;
%;
Объем сухого обжигового газа:
м³/ч;
Объем кислорода в обжиговом газе:
м³/ч;
Объем азота в обжиговом газе:
м³/ч;
Объем сухого воздуха, поступающего на обжиг колчедана (воздух
содержит 79% азота):
м³/ч;
Объем паров воды в воздухе (при 20ºС и относительной влажности воздуха φ=52% давление паров воды в нем равно 
9,5 мм. рт. ст.= 1263,5*10-6
МПа):
м³/ч;
Общий объем паров воды в обжиговом газе:
м³/ч;
Расчет плотностей газов:
; 
кг/м³; 
кг/м³; 
кг/м³; 
кг/м³; 
кг/м³; 
кг/м³;
Материальный баланс
|
Приход
|
Количество
|
Расход
|
Количество
|
|
кг/ч
|
м³/ч
|
|
кг/ч
|
м³/ч
|
|
Колчедан
|
52913,12
|
-
|
Огарок
|
39268,86
|
-
|
|
|
|
Обжиговый газ,
в т. ч.:
|
|
111177,62
|
|
Влага колчедана
|
2784,90
|
-
|
SO2
|
42509,73
|
14879,15
|
|
Сухой воздух
|
144725,43
|
111929,95
|
SO3
|
455,45
|
127,54
|
|
Влага с
воздухом
|
1151,59
|
1432,33
|
О2
|
4067,36
|
2848,29
|
|
|
|
N2
|
110530,83
|
88424,66
|
|
Всего
|
201575,04
|
-
|
Всего
|
200770,21
|
-
|
. Расчет теплового баланса печи обжига колчедана
Тепло сухого колчедана:
кДж/ч;
(Ср(колч)=0,5447 кДж/кг*град - [1]);
Тепло влаги колчедана:
(Ср(воды)=4,19 кДж/кг*град - [1]); 
кДж/ч;
Тепло сухого воздуха:
(Ср(возд)=1,3012 кДж/кг*град - [1]); 
кДж/ч;
Тепло влаги воздуха:
(Ср(вод.пара)=1,4934 кДж/кг*град - [1], при 20ºС); 
кДж/ч;
Тепло горения колчедана:
4FeS2 + 11 O2 = 8 SO2 + 2 Fe2O3 + 3415.7 кДж/моль;
Теплота сгорания химически чистого FeS2:
кДж/ч;
Количество тепла, выделяющегося при горении колчедана, зависит от
степени выгорания серы (содержание серы в FeS2
равно 53,5%):
кДж/ч;
Выход огарка:
;
Степень выгорания серы:
%;
кДж/ч;
Приход тепла (кДж/ч):
Тепло огарка: (Ср(ог)=0,7961 кДж/кг*град - [1]);
кДж/ч;
Тепло обжигового газа:
(Ср(об.г.)=1,4246 кДж/м³*град - [1]);
кДж/ч;
Теплоотдача печи в окружающую среду:
кДж/ч;
Расход тепла:
кДж/ч;
Тепло, затраченное на испарение воды и получение пара:
кДж/ч;
Тепловой баланс печи
|
Приход
|
Количество
|
Расход
|
Количество
|
|
кДж/ч
|
%
|
|
кДж/ч
|
%
|
|
Тепло сухого
колчедана
|
576435,53
|
0,19
|
Тепло огарка
|
25947409,74
|
8,53
|
|
Тепло влаги
колчедана
|
233374,12
|
0,08
|
|
|
|
|
Тепло сухого
воздуха
|
3766334,59
|
1,28
|
Тепло
обжигового газа
|
131458419,09
|
44,25
|
|
Тепло влаги
воздуха
|
34395,69
|
0,01
|
|
|
|
|
Тепло горения
колчедана
|
290787522,10
|
98,44
|
Тепловые потери
|
2953980,63
|
1
|
|
|
|
Тепло испарения
воды
|
136726257,18
|
46,22
|
|
Всего
|
295398062,53
|
100
|
Всего
|
295398062,53
|
100
|
3. Расчет концентраций в обжиговом газе перед контактным
аппаратом
Состав обжигового газа после обжига серосодержащего сырья в
атмосфере воздуха (расчет по данным из таблицы материального баланса):
|
Состав
|
% об.
|
% об. перед
конт. апп.
|
|
SO2
|
13.4
|
8.5
|
|
SO3
|
0.1
|
-
|
|
H2O
|
4.4
|
-
|
|
O2
|
2.6
|
|
|
N2
|
79.5
|
|
Перед подачей в реактор газ подвергается осушке и очистке от SO3, а также дополнительно
разбавляется воздухом до содержания SO2 = 8,5% (объемных).
Состав реакционной массы перед контактным аппаратом
(объемные%):
Общий объем газа перед контактным аппаратом:
;
Объем добавленного вохдуха:
;
Содержание азота и кислорода в газе перед контактным
аппаратом:
;
;
Концентрации азота и кислорода в газе:
;
;
;
4. Расчет величины адиабатического перегрева
, где 
; Qp - тепловой эффект реакции;
a - концентрация SO2, a=0,085;
Ср - средняя теплоемкость смеси;
Qp = - ΔН;
Согласно [1], изменение энтальпии в ходе реакции задается
эмпирическим уравнением:
;
Средняя объемная теплоемкость смеси:
; 
5. Расчет на ЭВМ
Выбор катализатора
В настоящее время в России производятся катализаторы: на
природном диатомитовом носителе - катализаторы марок СВД и на искусственном
силикагелевом носителе - катализатор ИК-1-6. Катализаторы представляют собой
смесь сульфованадатов на силикатных носителях.
По условиям эксплуатации катализаторы марок СВД рекомендованы
для применения на всех полках контактных аппаратов, как с одинарным, так и с
двойным контактированием. Катализатор ИК-1-6 эффективно применять на нижних
полках контактного аппарата.
Стабильность свойств катализаторов марок СВД при эксплуатации
в жестких условиях предопределена использованием природного диатомита и
специфичной технологией получения комбинированного носителя, для которого
характерно сохранение твердого высокопрочного каркаса диатомита и высокое
содержание активного аморфного кремнезема пористой полидисперсной структуры.
Сравнительные исследования отечественных и зарубежных
катализаторов по общепринятым тестам подтвердили высокий уровень качества
катализатора СВД, который соответствует катализаторам лучших зарубежных фирм
Monsanto, BASF, Haldor Topsoe, C.C.E. При этом наиболее высокой
термостабильностью обладает катализатор марки СВД. Наиболее активными в области
низких температур являются катализаторы марок ИК-1-6, СВНТ. Катализаторы марок
СВД охватывают весь спектр условий окисления диоксида серы. В случае
традиционной совместной загрузки диатомитовых и силикагельных катализаторов
рекомендуется комбинирование катализатора СВД (КД) на первых слоях и ИК-1-6 на
вторых слоях.
Комбинирование различных марок диатомитовых катализаторов
стандартного СВД (КД) и низкотемпературного СВНТ продолжительное время и
успешно практикуется на сернокислотных установках.
Кроме того, освоены и апробированы в промышленных условиях
катализаторы СВД (К-Д, К) с цезиевым промотором. Катализатор марки СВД (К-Д, К)
может успешно применяться для загрузки на все слои аппаратов одинарного или
двойного контактирования.
баланс обжиг колчедан кислота
Сравнительная характеристика катализаторов производства
серной кислоты
|
Марка
катализатора
|
СВД(КД)
|
СВД (К-Д, К)
|
СВНТ
|
ИК-1-6
|
|
Наименование
показателя
|
Значение
|
|
Температура
зажигания, 0С
|
420
|
385
|
405
|
365
|
|
Максимальная
температура эксплуатации, 0С кратковременная, 0С
|
620 640
|
620 640
|
620 640
|
620 700
|
|
Каталитическая
активность, % при t 420 0С при t 485 0С
|
20-25 83
|
50-55 83
|
30-35 83
|
50-55 85
|
Особенности семейства катализаторов ИК-1-6:
o высокая прочность и
активность, стабильность и селективность;
o содержат соединения
ванадия (7-9% V2O5);
o промотированные
сернокислыми солями щелочных металлов, на стабилизированном кремниевом
носителе;
o имеют высокотемпературные
и низкотемпературные модификации:
ИК-1-6М(ВТ) и ИК-1-6М(НТ), изготавливаются в виде разнообразных форм и
размеров: гранул диаметром от 4 до 6 мм или трубок диаметром от 10 до 27 мм;
o предназначены для
широкого диапазона условий эксплуатации: при температурах от 380 до 620°С, в
контактных системах одинарного и двойного контактирования, а также в аппаратах
нестационарного окисления SO2;
обеспечивают степени превращения: 98,5% при одинарном
контактировании, 99,9% при двойном контактировании
Выбираем катализатор
ИК-4.
Параметры: Tz = 758 K; K(Tz) = 1.45; T1 = 693 K; T2 = 793 K; E1 = 30.2;
E2 = 13.3; E3 = 0;
Расчет равновесных степеней превращения SO2.
Исходные данные:
концентрация SO2 - 0,085
концентрация O2 - 0,099
давление - 1 атм.
интервал температур - от 700 до 900 К
шаг 20.
Результат расчета
|
Т
|
Хравн
|
Кр
|
|
700
|
0,983
|
229,95
|
|
720
|
0,973
|
146,89
|
|
740
|
0,96
|
96,13
|
|
760
|
0,941
|
64,34
|
|
780
|
0,917
|
43,95
|
|
800
|
0,885
|
30,60
|
|
820
|
0,847
|
21,69
|
|
840
|
0,802
|
15,62
|
|
860
|
0,751
|
11,43
|
|
880
|
0,694
|
8,48
|
|
900
|
0,634
|
6,48
|
Расчет скорости реакции при заданной степени конверсии.
Исходные данные:
концентрация SO2 - 0,085
концентрация O2 - 0,099
давление - 1 атм.
интервал температур - от 650 до 900 К
шаг 10
Результат расчета
|
T, K
|
X=0.6
|
X=0.65
|
X=0.7
|
X=0.75
|
X=0.8
|
X=0.85
|
X=0.9
|
X=0.92
|
X=0.94
|
X=0.96
|
X=0.98
|
|
650
|
0,06
|
0,052
|
0,043
|
0,036
|
0,028
|
0,021
|
0,013
|
0,011
|
0,008
|
0,005
|
0,002
|
|
660
|
0,085
|
0,073
|
0,062
|
0,051
|
0,04
|
0,029
|
0,015
|
0,011
|
0,007
|
0,003
|
|
670
|
0,12
|
0,104
|
0,087
|
0,072
|
0,056
|
0,041
|
0,027
|
0,021
|
0,016
|
0,01
|
0,004
|
|
680
|
0,168
|
0,145
|
0,122
|
0,1
|
0,078
|
0,058
|
0,037
|
0,029
|
0,022
|
0,014
|
0,005
|
|
690
|
0,232
|
0,2
|
0,168
|
0,138
|
0,108
|
0,079
|
0,051
|
0,04
|
0,029
|
0,018
|
0,005
|
|
700
|
0,281
|
0,242
|
0,204
|
0,167
|
0,131
|
0,096
|
0,062
|
0,048
|
0,034
|
0,02
|
0,003
|
|
710
|
0,322
|
0,277
|
0,233
|
0,191
|
0,149
|
0,109
|
0,07
|
0,054
|
0,038
|
0,02
|
-0,003
|
|
720
|
0,366
|
0,315
|
0,266
|
0,217
|
0,17
|
0,123
|
0,078
|
0,059
|
0,04
|
0,018
|
|
|
730
|
0,416
|
0,358
|
0,301
|
0,246
|
0,191
|
0,138
|
0,085
|
0,063
|
0,04
|
-0,01
|
|
|
740
|
0,47
|
0,404
|
0,34
|
0,277
|
0,215
|
0,154
|
0,091
|
0,065
|
0,036
|
|
|
|
750
|
0,53
|
0,455
|
0,382
|
0,31
|
0,239
|
0,168
|
0,095
|
0,062
|
0,025
|
|
|
|
760
|
0,594
|
0,51
|
0,427
|
0,345
|
0,264
|
0,181
|
0,093
|
0,052
|
0,003
|
|
|
|
770
|
0,664
|
0,568
|
0,474
|
0,381
|
0,287
|
0,19
|
0,082
|
0,029
|
-0,037
|
|
|
|
780
|
0,739
|
0,63
|
0,523
|
0,416
|
0,307
|
0,192
|
0,057
|
-0,013
|
|
|
|
|
790
|
0,818
|
0,695
|
0,573
|
0,449
|
0,321
|
0,182
|
0,008
|
|
|
|
|
|
800
|
0,836
|
0,707
|
0,576
|
0,442
|
0,258
|
0,141
|
-0,072
|
|
|
|
|
|
810
|
0,825
|
0,691
|
0,555
|
0,413
|
0,2
|
0,076
|
|
|
|
|
|
|
820
|
0,809
|
0,67
|
0,525
|
0,372
|
0,119
|
-0,014
|
|
|
|
|
|
|
830
|
0,787
|
0,64
|
0,485
|
0,316
|
0,01
|
|
|
|
|
|
|
|
840
|
0,758
|
0,601
|
0,431
|
0,241
|
-0,136
|
|
|
|
|
|
|
|
850
|
0,719
|
0,547
|
0,358
|
0,139
|
|
|
|
|
|
|
|
|
860
|
0,666
|
0,476
|
0,261
|
0,003
|
|
|
|
|
|
|
|
|
870
|
0,597
|
0,382
|
0,132
|
-0,177
|
|
|
|
|
|
|
|
|
880
|
0,505
|
0,258
|
-0,038
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
890
|
0,385
|
0,095
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
900
|
0,23
|
-0,016
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет оптимальных температур окисления:
Исходные данные:
концентрация SO2 - 0,085
концентрация O2 - 0,099
давление - 1 атм.
интервал степени превращения: от 0,7 до 1
шаг 0,01
Результат расчета
|
Х
|
Топт
|
Х
|
Топт
|
Х
|
Топт
|
|
0,7
|
793,0
|
0,8
|
793,0
|
0,9
|
776,3
|
|
0,71
|
793,0
|
0,81
|
793,0
|
0,91
|
770,1
|
|
0,72
|
793,0
|
0,82
|
793,0
|
0,92
|
763,4
|
|
0,73
|
793,0
|
0,83
|
793,0
|
0,93
|
755,9
|
|
0,74
|
793,0
|
0,84
|
793,0
|
0,94
|
747,6
|
|
0,75
|
793,0
|
0,85
|
793,0
|
0,95
|
738,1
|
|
0,76
|
793,0
|
0,86
|
793,0
|
0,96
|
727,0
|
|
0,77
|
793,0
|
0,87
|
792,7
|
0,97
|
713,2
|
|
0,78
|
793,0
|
0,88
|
787,6
|
0,98
|
694,9
|
|
0,79
|
793,0
|
0,89
|
782,1
|
0,99
|
677,4
|
Оптимизация многослойного реактора окисления с промежуточными
теплообменниками и вводом холодного газа после 1 слоя.
Исходные данные:
концентрация SO2 - 0,085
концентрация O2 - 0,099
давление - 1 атм.
адиабатический разогрев - 234,4
интервал степени превращения - от 0 до 0,98
начальная температура 693 К
температура холодного газа - 298
Результаты расчета
число слоев катализатора - 3
|
Слой
|
Хн
|
Хк
|
Тн
|
Тк
|
тау
|
|
|
|
1
|
0
|
0.7213
|
693
|
862.1
|
0.571
|
0.647
|
|
|
2
|
0.4664
|
0.9199
|
662.8
|
769.1
|
2.569
|
1
|
|
|
3
|
0.9199
|
0.9800
|
683.2
|
697.3
|
3.437
6.577
|
1
|
|
|
- число слоев
катализатора - 4
|
|
|
Слой
|
Хн
|
Хк
|
Тн
|
Тк
|
тау
|
|
|
1
|
0
|
0.719
|
693
|
850.4
|
0.539
|
0.767
|
|
2
|
0.5150
|
0.8565
|
721.4
|
801.4
|
0.921
|
1
|
|
3
|
0.8565
|
0.9503
|
713.7
|
735.7
|
1.478
|
1
|
|
4
|
0.9503
|
0.98
|
688.3
|
695.2
|
2.348
5.286
|
1
|
|
- число слоев
катализатора - 5
|
Хн
|
Хк
|
Тн
|
Тк
|
тау
|
|
|
|
1
|
0
|
0.6363
|
693
|
842.1
|
0.530
|
0.830
|
|
|
2
|
0.5279
|
0.8071
|
749.4
|
814.9
|
0.556
|
1
|
|
|
3
|
0.8071
|
0.9128
|
740.3
|
765.0
|
0.781
|
1
|
|
|
4
|
0.9128
|
0.9590
|
711.0
|
721.9
|
1.225
|
1
|
|
|
5
|
0.9590
|
0.9800
|
689.6
|
694.5
|
1.919
5.010
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из диаграмм видно, что наименьшие отклонения от ЛОТ
наблюдаются при использовании реактора с 5 слоями катализатора.
Оптимизация действующего многослойного реактора окисления с
промежуточными теплообменниками и вводом холодного газа после 1 слоя.
Исходные данные:
концентрация SO2 - 0,085
концентрация O2 - 0,099
давление - 1 атм.
адиабатический разогрев - 234,4
число слоев катализатора - 5
интервал степени превращения - от 0 до 0,98
температура холодного газа - 298
время контакта (на объем исходной смеси):
Результаты расчета:
|
Слой
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
тау
|
0,530
|
0,556
|
0,781
|
1,225
|
1,919
|
|
Слой
|
Хн
|
Хк
|
Тн
|
Тк
|
тау
|
|
|
1
|
0
|
0,6268
|
731,0
|
877,9
|
0,530
|
0,786
|
|
2
|
0,493
|
0,7951
|
754,1
|
824,9
|
0,556
|
1
|
|
3
|
0,7951
|
0,9094
|
741,2
|
768,1
|
0,781
|
1
|
|
4 5
|
0,9094 0,9580
|
0,9580 0,9798
|
712,0 689,6
|
723,4 694,7
|
1,225 1,919 5,011
|
1 1
|
Расчет объема катализатора на каждом слое
|
Слой
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
тау
|
0,53
|
0,556
|
0,781
|
1,225
|
1,919
|
|
Объем кат.
|
25,77
|
27,04
|
37,98
|
59,57
|
93,31
|
Список
используемой литературы
1.
Амелин
А.Г. Технология серной кислоты. М. Химия, 1983, 360 с.
2.
Общая
химическая технология в 2-х частях (под ред. Мухленова) М. Высшая школа.
1977,288 с.
3.
Бесков
В.С., Давидханова М.Г., Царев В.И. Автоматизированная система расчетных работ в
общеинженерных курсах по химической технологии. Учебное пособие (РХТУ им. Д.И.
Менделеева. М., 1997, 83 с.)
4.
Общая
химическая технология. Под редакцией проф. Амелина А.Г.М., Химия, 1977