Разработка контактного метода производства серной кислоты

Аннотация

окисление абсорбция серный кислота

Рассмотрены физико-химические основы процессы окисления SO2 в SO3 в системе двойного контактирования и двойной абсорбции. Определены значения констант равновесия, выхода продукта.

Произведен расчет контактного аппарата двойного контактирования и двойной абсорбции. Составлены материальные и тепловые балансы процессов.

Предложена технологическая схема получения серной кислоты методом двойного контактирования.

Пояснительная записка содержит:

листа, 11 таблиц, 14 литературных ссылок

Annotanion

and chemical bases of the oxidation of SO2 to SO3 in the system double contact and double absorption. The values of the equilibrium constants and the yield of the product.calculation of the contact apparatus in the system double contact and double absorption. The material and heat balances of the processes were drawn up.technological schema of the production of sulfuric acid by double contact.explanatory report contains 46 pages, 11 tables, 14 literature references.

Содержание

Введение

. Физико-химические основы процесса

. Выбор оптимальных условий

. Выбор основного аппарата

. Принципиальная технологическая схема узла

. Выбор средств контроля и автоматизации

. Технологические балансы процесса

.1 Материальный баланс

.2 Тепловой баланс

. Аппаратурные расчеты

.1 Конструктивный расчет

.2 Теплотехнические расчеты

.3 Прочностной расчет

. Подбор оборудования

. Основные специфические вредности в производстве и меры защиты от них

. Вопросы экологической безопасности производства

. Оценка сырьевых и энергетических затрат

. Вывод

Список использованной литературы

Введение

Серная кислота является одним из основных продуктов химической промышленности. Это - наиболее сильная и самая дешевая кислота. Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотнимающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления и для многих других целей [1].

Производство минеральных удобрений является одним из наиболее крупных потребителей серной кислоты. Так, на получение 1 т Р2О5 в концентрированных фосфорных удобрениях расходуется 2,2-2,5 т, на 1 т сульфата аммония - 0,75 т серной кислоты.

Увеличение выпуска серной кислоты сопровождается усовершенствованием ее технологии, аппаратурного оформления всех стадий производственного процесса, внедрением принципиально новых схем и оригинальных инженерных решений.

С начала разработки контактного метода производства серной кислоты и в процессе его развития сконструировано большое число разнообразных контактных аппаратов. Обширные исследования в области усовершенствования конструкций контактных аппаратов непрерывно проводятся во многих странах, поскольку процесс окисления SО2 в SО3 является важнейшей стадией контактного процесса [2].

Одновременно с повышением эффективности производства на современных сернокислотных системах большое внимание уделяется решению экологических проблем. Так, внедрение процесса двойного контактирования с промежуточной абсорбцией и применение новых высокоактивных катализаторов позволило повысить степень окисления диоксида серы в контактном производстве серной кислоты с 97,5-98,0% ДО 99,7- 99,8%. При этом примерно в 8-10 раз снизилось содержание диоксида серы в выхлопных газах.

Для производства серной кислоты используется довольно широкий ассортимент сырья. Так, наряду с серным колчеданом применяют серу, отходящие серосодержащие газы цветной металлургии, сероводород, гипс, фосфогипс, отработанную серную кислоту и др. Из всех этих видов сырья все возрастающее значение имеет сера [1].

Развитие производства серной кислоты в настоящее время идет по линии строительства мощных систем, усовершенствования схем производства, интенсификации технологии процесса и аппаратуры, использования для получения серной кислоты серы, содержащейся в отходах различных производств. Большое внимание уделяется расширению ассортимента продукции сернокислотных заводов и повышению ее качества.

Целью проекта является разработка окисления двуокиси серы по системе ДК-ДА с мощности 495000 т/год.

окисление абсорбция серный кислота

. Физико-химические основы процесса

Реакция окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI), лежащая в основе процесса контактирования обжигового газа, представляет собой гетерогенно-каталитическую, обратимую, изотермическую реакцию и описывается уравнением:

SO2 + 0,5 O2 = SO3,

Это реакция экзотермическая - протекает с выделением тепла. Реакцию ведут с избытком кислорода, поэтому равновесие её смещено вправо.

.1 Расчет основных термодинамических величин

Расчёт всех необходимых величин проводим по основной реакции:

Основные термодинамические величины представлены в таблице 1 [4].

Таблица 1 - Термодинамические величины простых веществ и соединений

ВеществоКоэффициенты уравнения кДж/моль Дж/(моль K)SO3(г)64,9811,75-16,37-395,85256,69SO2(г)46,197,87-7,7-298,90248,07O2(г)31,463,39-3,770205,04

Зная теплоты образования веществ для основной реакции определяем и .

, (1)

где - энтальпия химической реакции, кДж/моль;

-сумма энтальпий продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов, кДж/моль;

-сумма энтальпий исходных веществ реакции с учетом стехиометрических коэффициентов, кДж/моль.

, (2)

где - энтропия химической реакции, Дж/(мольК);

- сумма энтропий образования продуктов реакции с учётом их стехиометрических коэффициентов, Дж/(мольК);

- сумма энтропий образования исходных веществ реакции с учётом их стехиометрических коэффициентов, Дж/(мольК).

Находим коэффициенты , , , по формуле (3):

, (3)

где - сумма термодинамических коэффициентов уравнения продуктов реакции с учетом их стереохимических коэффициентов, Дж/(мольК);

- сумма термодинамических коэффициентов уравнения исходных веществ реакции с учетом их стереохимических коэффициентов, Дж/(мольК).

Аналогично для , :

;

Находим изменение энергии Гиббса по формуле (4):

(4)

Тепловой эффект реакции при различных температурах рассчитываем по уравнению:

, (5)

где - тепловой эффект химической реакции при данной температуре, Дж/моль;

- тепловой эффект химической реакции при нормальных условиях, Дж/моль;

, ,- термодинамические коэффициенты уравнения, Дж/(мольК);

T - температура, К.

Аналогично для и

.

Следует отметить, что с ростом температуры величины тепловых эффектов изменяются незначительно и могут считаться постоянными в значительных интервалах изменения температуры.

Для протекающей основной реакции , следовательно, она является экзотермической.

Изменение энтропии при различных температурах рассчитаем по формуле (6):

; (6)

Аналогично для и

.

Произведем расчет энергии Гиббса по формуле (7):

; (7)

;

;

.

Полученные данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Зависимость значений изменения энергии Гиббса от температуры

Температура, КИзменение энергии Гиббса, Дж/моль693-29600,76783-20693,94873-12233,80

Анализ данных таблицы 2 показывает, что <0, следовательно, процесс может протекать самопроизвольно.

.2 Расчет константы равновесия реакции

Теперь рассчитаем константу равновесия реакции. Константа равновесия реакции Кр является безразмерной величиной, зависящей только от температуры.

В соответствии с уравнением изотермы химической реакции:

, (8)

где - энергия Гиббса, Дж/моль;

- универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/мольК;

- температура, К;

-константа равновесия химической реакции, безразмерная величина.

Тогда из уравнения (8) имеем

, (9)

где - энергия Гиббса, Дж/моль;

- универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/мольК;

- температура, К;

-константа равновесия химической реакции, безразмерная величина.

Уравнение (9) определяет связь константы равновесия реакции с изменением свободной энтальпии системы.

В соответствии с уравнением (9)

, (10)

где - энергия Гиббса, Дж/моль;

- универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/мольК;

- температура, К;

-константа равновесия химической реакции, безразмерная величина.

По данным таблицы 2 для 693 К будем иметь:

Аналогично рассчитываем и с использованием по таблице2. Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения от температуры

Температура, К69378387316923,85,4

.3 Вычисление равновесного выхода продукта

Определяем выход SO3, если в контактный аппарат поступает 11% оксида серы (IV), 10% кислорода и 79% азота:

было 0,11 0,1 0 0,79 моль

стало 0,11-0,11х 0,1-0,055х 0,11х 0,79 моль

, (11)

где - разница чисел молей продуктов реакции и исходных веществ, моль;

- сумма молей продуктов реакции, моль;

- сумма молей исходных веществ реакции, моль.

=1-0,5-1=-0,5 моль;

;

.

Для Т=693К =169

методом подбора находим .

Выход будет равен:

, (12)

где - равновесный выход продукта, %;

- число молей оксида серы (VI), , найденное подбором, моль;

- число молей оксида серы (VI) по реакции, моль.

Для Т=783К =23,8

.

Для Т=873К =5,4

.

Исходя из расчетов физико-химических величин, делаем вывод, что реакция идет в прямом направлении, и максимальный выход продукта увеличивается с уменьшением температуры.

.4 Построение диаграммы t-x для четырехстадийного контактирования с промежуточным теплообменом

Диаграммы t-x характеризует зависимость температуры от степени превращения для четырехстадийного процесса с промежуточным теплообменом при содержании в газе 11% оксида серы (IV) и 10% кислорода.

Константа равновесия реакции окисления оксида серы (IV) равна

, (13)

где - равновесные парциальные давления оксида серы (VI), оксида серы (IV) и кислорода соответственно, Па.

Величина Кр зависит от температуры. Значит значения Кp в интервале температур 390-650ºС могут быть вычислены по формуле (14):

lgKp = 4905/T - 6,1479 (14)

lgKp = 4905/673 - 6,1479=1,1463; Кр=14,0060;

lgKp = 4905/723 - 6,1479=0,6422; Кр=4,3873;

lgKp = 4905/773 - 6,1479=0,2034; Кр=1,5973;

lgKp = 4905/823 - 6,1479=-0,1882; Кр=0,6573;

lgKp = 4905/873 - 6,1479=-0,5236; Кр=0,2995.

Определяем равновесную степень превращения ХР по формуле :

, (15)

где P-общее давление газа, Па;

а - начальное содержание оксида серы (IV) в газовой смеси, объемн.%;

b - начальное содержание кислорода в газовой смеси, объемн.%.

Для Т=400ºС=673К методом подбора находим

;

Аналогично рассчитываем XP для температур 450ºС, 500ºС, 550ºС, 600ºС. Полученные данные сводим в таблицу 4.

Таблица 4 - Степень контактирования при различных температурах

Температура, ºСКонстанта равновесия КрПринятая степень, контактирования ХP ,пр.Полученная степень контактирования ХР40014,00600,990,9994504,38730,960,9695001,59730,920,9225500,65730,830,8356000,29950,700,709

Полученные данные по равновесной кривой превращения наносим на диаграмму Х-t.

Увеличение температуры в процессе окисления диоксида серы при адиабатическом процессе выражается уравнением

tк= tн + ??х , (16)

где tк,tн - конечная и начальная температуры, ºC;

?- коэффициент повышения температуры газа при ?х=1 в адиабатических условиях [1];

?х - повышение степени превращения, доли.

tк1= 420+302·0,6=600ºС;

tк2= 420+130·0,3=459ºС;

tк3= 412+30·0,06=414ºС;

tк4= 410+15·0,036=411ºС.

По полученным данным наносим на диаграмму Х-t адиабаты контактирования. Это прямые линии, поскольку рост температуры линейно пропорционален достигнутой степени окисления.

Вид уже первой адиабаты показывает, что полностью окислить газ в одном слое катализатора невозможно, газ нужно выводить из контакта с катализатором для охлаждения.

Из диаграммы t-x видно, что при адиабатическом повышение температуры примерно до 600ºС степень превращения достигает 0,60. Перед поступлением на второй слой контактной массы газ охлаждается в теплообменнике, что на диаграмме t-x соответствует участку прямой, параллельной оси абсцисс. Газ охлаждается до температуры 420ºС.

Во втором слое контактной массы процесс протекает также в адиабатических условиях. Здесь температура повышается до 459ºС, а степень превращения достигает 0,90. После второго слоя газ охлаждается до 412ºС (новый участок прямой на диаграмме) и поступает в третий слой и т.д.

Таким образом, на каждом слое протекает адиабатический процесс.

2. Обоснование выбора оптимальных условий процесса

Таким образом, расчеты показали, что для процесса окисление двуокиси серы по системе ДК-ДА необходимо осуществить выбор оптимальных значений температур проведения процесса.

Температура окисления принимается от 420ºС до 600ºС, так как температура 420ºС - это температура зажигания новейших катализаторов. Ниже 420ºС катализаторы автотермично не работают, то есть катализатор настолько малоактивен, что выделяющегося тепла недостаточно для поддержания постоянной температуры газа, газ будет охлаждаться.

Ниже 420ºС процесс вести нельзя.

Катализаторы используют насыпные в стационарном слое. Из таких слоев у катализаторов нет возможности отводить тепло, поэтому катализатор нагревается за счет тепла реакции.

В самой горячей точке контактного аппарата катализатор нагревается до 600ºС, а предел термостойкости катализатора 600-620ºС, далее он спекается, становится плохо проницаемым для газа и неактивным, поэтому процесс невозможно вести под повышенным давлением, так как чем выше давление, тем больше газа окисляется в единице объема катализатора, тем больше опасность спекания катализатора.

Процесс невозможно вести под повышенным давлением, так как чем больше давление, тем больше газ окисляется в единице объема, тем больше опасность спекания катализатора.

Таким образом, реакцию ведут при избытке кислорода, для смещения равновесия в сторону продукта.

Это единственный термодинамический параметр, который используется для смещения равновесия вправо, так как по температуре и давлению процесс ведут в термодинамических невыгодных условиях.

Суть использования системы ДК-ДА в том, что частично окисленный газ выводят в абсорбер, там из него поглощают оксид серы (VI) и газ возвращают обратно на окисление.

Вывод части продукции из сферы реакции смещает равновесие реакции вправо, поэтому общая степень окисления увеличивается и достигает 99,6%.

. Выбор основного аппарата

В процессе окисления диоксида серы широкое применение нашли контактные аппараты, работающие по системе ДК-ДА.

Применение данного вида аппаратов обусловлено:

.простой их конструкции по сравнению с другими,

.высокой производительностью, которая достигается благодаря разделению процесса окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI) и процесса теплопередачи,

.хорошим перемешиванием газа после каждого слоя.

Применяемая схем ДК-ДА, в свою очередь, имеет следующие преимущества:

.метод ДК позволяет достичь того же минимального содержания оксида серы (IV) в выхлопных газах сернокислотного производства, что и после химической очистки,

.можно перерабатывать более концентрированные газы, что даёт значительный экономический эффект,

.этот метод позволяет получить степень конверсии, равную 0,995%-0,999%. Остаточное содержание оксида серы (IV) при этом составляет 0,02%-0,05%.

Исходя из вышесказанного для проведения окисления диоксида серы будем использовать контактный аппарат с выносными теплообменниками, работающий по схеме ДК-ДА, состоящий из четырех слоев. Первые три слоя образуют первую ступень контактирования, четвертый слой образует вторую ступень контактирования [1].

4. Принципиальная технологическая схема узла

Печной газ под газодувкой В-101, охлажденный в парообразователе до 420ºС, поступает на первый слой контактного аппарата P-102. Контактный аппарат - это вертикальная колонна, разделенная изнутри горизонтальными перегородками на 4 камеры, в каждой из которых размещен слой катализатора.

В первом слое газ, за счет тепла реакции, нагревается до 600ºС и выводится на охлаждение в выносной теплообменник между первым и вторым слоем Т-103. Данный теплообменник служит пароперегревателем котла утилизатора, сюда поступает насыщенный пар из барабана сепаратора котла, а выходит перегретый пар.

Теплообменники между слоями выносятся, а значит, газ после каждого слоя должен выйти из контактного аппарата и вернуться на следующий слой.

Далее, охлажденный газ до 420ºС поступает на второй слой и также выводится на охлаждение в теплообменник между вторым и третьим слоями Т-104. Затем охлажденный газ поступает на третий слой, после чего, охлаждаясь в теплообменнике, поступает на первую стадию абсорбции.

Теплообменники между вторым и третьим слоем Т-104, третьим и четвертым слоем Т-106 - это рекуперационные теплообменники, то есть теплообменники, которые рекуперируют тепло, возвращают тепло газу, который идет с промежуточного абсорбера К-107.

В этих теплообменниках газ охлаждается газом, который возвращается с абсорбера К-107.

Обычно не хватает газа, идущего из абсорбера и этим газом не удается охладить газ, газ идущий на абсорбцию, поэтому устанавливается дополнительный экономайзер котла утилизатора Т-105.

За счет теплообмена с этим более холодным газом, газ возвращающийся с абсорбера нагревается до температуры зажигания и поступает на четвертый слой контактного аппарата.

После четвертого слоя газ имеет температуру 411ºС и поэтому он охлаждается котловой водой в экономайзере Т-111 и поступает на вторую стадию абсорбции.

. Выбор средства контроля и автоматизации

В контактном отделении целью контроля является расход воздуха, подаваемого в систему, параметры технологического газа, температуры по слоям контактного аппарата, выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу.

Целью контроля является избежать сплавления катализатора, поэтому контролируем температуру после первого слоя. Если газ перегревается, то необходимо увеличить коэффициент избытка воздуха на печи; в случае аварийной ситуации устанавливаем холодный байпас, который подает дополнительный воздух только в аварийной ситуации.

Выбор средств контроля и автоматизации проводим по рекомендациям[5]. Данные заносим в таблицу 5.

Таблица 5 - КИП и средства автоматического регулирования процесса

Измеряемая величинаМесто отбора импульсаВерхний предел измеряемой величиныТип датчикаТип вторичного прибораТип регуля-тораТемпература технологич. газов, ºСТрубопровод газа перед I слоем II слоем III слоем IV слоем Трубопровод после I слоем II слоем III слоем IV слоем Внутри I слоя До и после теплообменников контактного узла 420 420 412 410 600 460 414 411 500 До 500Термопара ТХК Термопара ТХК ТХКПотенциометр КСП-3 Потенциометр КСП-4 КСП-4ПРЗ.21 -Объемный расход, м3/ч технологич. газа воздуха на охлаждение газа Трубопровод газа перед сушильной башней Перед печью128000 40000Дифманометр ДСП ДМППрибор ПВ 4 ПВ 4Концентрация диоксида серы, %Трубопровод газа перед сушильной башней Трубопровод газа на выходе из второго моногидратного абсорбера11 0,05Газоана-лизатор ДТ Газоана-лизатор ПГУ-2Прибор КСД Потенциометр КСП-3ПРЗ.21 -

6. Технологические балансы процесса

.1 Материальный баланс

Материальный баланс контактного аппарата

Исходные данные:

Производительность системы: 495000 т/год в пересчете на моногидрат.

Концентрация диоксида серы в газе 11%, кислорода 10%.

·Количество диоксида серы, поступающего в аппарата:

14022,9 нм3/ч или 40980,1 кг/ч

·Степень превращения SO2 в SO3 в контактном аппарате:

I слой: 60,0 %;

II слой: 90,0 %;

III слой: 96,0 %;

IY слой: 90,0 %.

·Общая степень превращения оксида серы (IV) в оксида серы (VI) в контактном аппарате: 99,60 %.

Объем газа, поступающего в контактный аппарат:

V= нм3/ч, (17)

где 495000 - производительность по серной кислоте, т/год;

,9 - мольный объем оксида серы (IV);

и 24 - число рабочих дней в году и часов в сутках;

,996 -степень превращения, д.е.;

- молекулярная масса серной кислоты;

,11 - содержание оксида серы (IV) в газе.

Количество оксида серы (IV), поступающее в контактный аппарат:

×127481/100=14022,9 нм3/час или 40980,1 кг/ч

Количество кислорода, поступающее в контактный аппарат:

×127481/100=12748,1 нм3/час или 18211,5 кг/ч

Количество азота, поступающее в контактный аппарат:

×127481/100=100710,1 нм3/час или 112399,7,1 кг/ч

Первый слой.

. Количество оксида серы (IV), превратившееся в оксида серы (VI):

,1×0,60=24588,1 кг/ч.

. Количество оксида серы (IV), в газе уходящем из первого слоя:

,1-24588,1=16392 кг/ч.

. Количество оксида серы (VI), образовавшееся в слое:

24588,1×(80/64) =30735,1 кг/ч.

4. Количество кислорода, пошедшего на образование оксида серы (VI):

,1-24588,1=6147 кг/ч.

. Количество кислорода, оставшегося в газе:

,5-6147=12064,6 кг/ч.

Второй слой.

. Количество оксида серы (IV), превратившееся в оксида серы (VI):

40980,1×0,90=36882,1 кг/ч.

2. Количество оксида серы (IV), в газе уходящем из второго слоя:

,1-36882,1=4098 кг/ч.

. Количество оксида серы (VI), образовавшееся в слое:

,1×(80/64)=46102,6 кг/ч.

. Количество кислорода, пошедшего на образование оксида серы (VI):

,6-36882,1=9220,5 кг/ч.

. Количество кислорода, оставшегося в газе:

,5-9220,5=8991 кг/ч.

Третий слой.

. Количество оксида серы (IV), превратившееся в оксида серы (VI):

,1×0,96=39340,9 кг/ч.

. Количество оксида серы (IV), в газе уходящем из третьего слоя:

,1-39340,9=1639,2 кг/ч.

. Количество оксида серы (VI), образовавшееся в слое:

,9×(80/64)=49176,1 кг/ч.

. Количество кислорода, пошедшего на образование оксида серы (VI):

,1-39340,9=9835,2 кг/ч.

. Количество кислорода, оставшегося в газе:

,5-9835,2=8376,3 кг/ч.

На первой ступени абсорбции поглотится оксида серы (VI):

,1·0,9=44258,5 кг/ч.

Количество непоглощенного оксида серы (VI):

,1-44258,5=4917,6 кг/ч.

Четвертый слой.

. Количество оксида серы (IV), превратившееся в оксида серы (VI):

,2×0,9=1475,3 кг/ч.

. Количество оксида серы (IV), в газе уходящем из четвертого слоя:

,2-1475,3=163,9 кг/ч.

. Количество оксида серы (VI), образовавшееся в слое:

,3×(80/64)=1844,1 кг/ч.

. Количество кислорода, пошедшего на образование оксида серы (VI):

,1-1475,3=368,8 кг/ч.

. Количество кислорода, оставшегося в газе:

,3-368,8=8007,5 кг/ч.

В результате контактирования окислилось 99,6% двуокиси серы, не окислилось 0,4% двуокиси серы.

Результаты вычислений заносим в таблицу 6.

Таблица 6 - Сводный материальный баланс контактного аппарата

I слойПриходРасходКомпонентКоличествоКомпонентКоличествонм3/чкг/ч% об.нм3/чкг/ч% об.Диоксид серы Триоксид серы Кислород Азот14022,9 - 12748,1 100710,140980,1 - 18211,5 112399,711 - 10 79Диоксид серы Триоксид серы Кислород Азот5609,1 8605,8 8445,2 100710,116392 30735,1 12064,6 112399,74,5 7,1 6,8 81,6 Итого127481,1171591,3100 Итого123370,2171591,3100II слойДиоксид серы Триоксид серы Кислород Азот5609,1 8605,8 8445,2 100710,116392 30735,1 12064,6 112399,74,5 7,1 6,8 81,6Диоксид серы Триоксид серы Кислород Азот1402,3 12908,7 6293,7 100710,14098 46102,6 8991 112399,71,2 10,6 5,2 83 Итого123370,2171591,3100 Итого121314,8171591,3100III слойДиоксид серы Триоксид серы Кислород Азот1402,3 12908,7 6293,7 100710,14098 46102,6 8991 112399,71,2 10,6 5,2 83Диоксид серы Триоксид серы Кислород Азот560,9 13769,3 5863,4 100710,11639,2 49176,1 8376,3 112399,70,5 11,4 4,8 83,3 Итого121314,8171591,3100 Итого120903,7171591,3100IV слойДиоксид серы Триоксид серы Кислород Азот560,9 1376,9 5863,4 100710,11639,2 4917,1 8376,3 112399,70,5 1,3 5,4 92,8Диоксид серы Триоксид серы Кислород Азот56 1893,3 5605,3 100710,1163,9 6761,7 8007,5 112399,70,05 1,7 5,2 93,05 Итого108511,3127332,8100 Итого108264,7127332,8100

Материальный баланс моногидратного абсорбера

Исходные данные:

Количество поступающего на абсорбцию газа: 120903,7 м3/с;

Содержание оксида серы (VI) в поступающем газе: 49176,1 кг/ч;

Степень извлечения оксида серы (VI) из газа: 90%.

Выбираем приведенную скорость газа (при н.у.) 0,7 м/с и определяем необходимую площадь поперечного сечения абсорбера

,

чему соответствует диаметр 8 м.

Принимаем абсорбер диаметром 8 м, площадью сечения 50 м2.

Принимаем плотность орошения 10 м3/ч, тогда количество орошения составит 10·50=500 м3/ч при плотности моногидрата 1800 кг/м3

L=500·1800=900000 кг/ч.

Количество поглощенного оксида серы (VI) составит:

,90·49176,1=44258,5 кг/ч.

Приходит по газовой фазе 900000 кг/ч серной кислоты, так как серная кислота 98,3%-ная, то воды в ней 1,7% - 15564,5 кг/ч, а значит кислоты:

-15564,5=884435,5 кг/ч.

Количество непоглощенного оксида серы (VI)

,1-44258,5=4917,6 кг/ч.

Количество образовавшейся серной кислоты

+44258,5=944258,5 кг/ч;

в том числе воды, если на 80 кг оксида серы (VI) необходимо 18 кг воды, то на 44258,5 кг необходимо 9958,2 кг воды. Тогда количество воды составит:

,5-9958,2=5606,3 кг/ч;

тогда количество безводной серной кислоты составит:

,5-5606,3=938652,2 кг/ч.

Результаты расчета сведем в таблицу 7.

Таблица 7 - Сводный материальный баланс моногидратного абсорбера

ПриходРасходКомпонент КоличествоКомпонентКоличествонм3/чкг/ч% мас.нм3/чкг/ч% мас.1) Газ, в том числе: Диоксид серы Триоксид серы Кислород Азот 2)Моногидрат, в том числе: Серная кислота Вода 120903,7 560,9 13769,3 5863,41 100710,1 221525,9 202156,7 19369,2171591,3 1639,2 49176,1 8376,3 112399,7 900000 884435,5 15564,516 841)Отходящ. газ, в том числе: Диоксид серы Триоксид серы Кислород Азот 2)Моногидрат, в том числе: Серная кислота Вода108511,3 560,9 1376,9 5863,41 100710,1 221525,7 214549 6976,7127332,8 1639,2 4914,6 8376,3 112399,7 944258,5 938652,2 5606,312 88 Итого342429,61071591100 Итого3300371071591100

6.2Тепловой баланс

Тепловой баланс контактного аппарата

Условие теплового баланса:

прих=Qрасх; (18)

Q(прих)i=Q1+Q2, (19)

где Q1 - физическое тепло, поступающее в i-слой контактного аппарата с газами при температуре tвх, кДж;

Q1= , (21)

где , , , - физическое тепло компонентов газовой смеси, кДж/ч:

; (22)

;

,

где , , - теплоемкости газовых компонентов при tвх, кДж/(кг·гр) [1];

, , - количество компонента, пришедшего в аппарат (из материального баланса), кг/ч;

tвх - температура газа на входе в i-слой, ºС.

Q2 - тепло экзотермической реакции в i-слое при окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI), кДж.

Q2=, (23)

где - тепловой эффект реакции окисления, кДж/моль;

- масса окислившегося диоксида серы в i-слое, кг/ч;

- молекулярная масса диоксида серы, г/моль.

Qрасх=Q3+Q4, (24)

где Q3 - физическое тепло, уносимое из i-слоя контактного аппарата с газами при температуре tвых, кДж;

Q3= , (25)

где , , , - физическое тепло компонентов газовой смеси, кДж/ч:

; (26)

;

,

где , , - теплоемкости газовых компонентов при tвых, кДж/(кг·гр) [1];

, , - количество компонента, уходящего из аппарата (из материального баланса), кг/ч;

tвых - температура газа на выходе из i-слоя, ºС.

Q4 - потери тепла в окружающую среду. Потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем.

Исходные данные:

Температура газа на входе, tвх, оС: в 1-ый слой - 420,

во 2-ой слой - 420,

в 3-ий слой - 412,

в 4-ый слой - 410.

Разность степеней контактирования по слоям, х, д.е.:

,60;

,30;

,06;

,90.

Первый слой.вх = 420 0С, х=0,60.

Приход тепла.

1)С обжиговым газом:1= (40980,1×0,783+18211,5×1,023+112399,7×1,082)×420=72380388 кДж/ч.

)Тепло выделяющееся при окислении оксида серы (IV) в оксид серы (VI):

=40980,1·0,6=24588,1 кг/ч;

Q2 = (96000 × 24588,1)/64=36882150 кДж/ч.

Q(прих)1=72380388+36882150=109262538 кДж/ч.

Расход тепла.

1. Тепло, уносимое отходящими газами:

Обозначим температуру газа, покидающего первый слой контактной массы через tвых, получим количество тепла, уносимое с газами:расх=(16392×0,825+30735,1×0,997+12064,6×1,068+112399,7×1,129)× tвых =

=183950· tвых кДж/ч.

Составим уравнение теплового баланса первого слоя катализатора:

=183950· tвых.

Температура газа, выходящая из первого слоя будет:

tвых=109262538/183950=593,9ºС,

значит Qрасх=109262538 кДж/ч.

Сходимость полученного значения температуры с найденным ранее (600ºС) вполне удовлетворительна.

После первого слоя газ направляется в пароперегреватель. Охладившись там до 420ºС, он возвращается во второй слой контактного аппарата.

Второй слой.

tвх = 420 0С, х=0,30.

Приход тепла.

1)С обжиговым газом:1= (16392×0,783+30735.11×0,922+12064.6×1,023+112399.7·1.082)×420=

=73555132 кДж/ч.

)Тепло выделяющееся при окислении оксида серы (IV) в оксид серы (VI):

=16392·0,3=4917,6 кг/ч;

Q2 = (96000 × 4917,6)/64=7376400 кДж/ч.

Q(прих)2=73555132+7376400=80931532 кДж/ч.

Расход тепла.

)Тепло, уносимое отходящими газами:

Обозначим температуру газа, покидающего второй слой контактной массы через tвых, получим количество тепла, уносимое с газами:расх=(4098×0,808+46102,6×0,964+8991×1,048+112399,7×1,106)× tвых =

· tвых кДж/ч.

Составим уравнение теплового баланса второго слоя катализатора:

=181508· tвых.

Температура газа, выходящая из второго слоя будет:

tвых=80931532/181508=446ºС,

значит Qрасх=80931532 кДж/ч.

Сходимость полученного значения температуры с найденным ранее (459ºС) вполне удовлетворительна.

После второго слоя газ направляется в рекуперационный теплообменник. Охладившись там до 412ºС, он возвращается на третий слой контактного аппарата.

Третий слой.

tвх = 412 0С, х=0,06.

Приход тепла.

1)С обжиговым газом:1= (4098×0,783+46102,6×0,922+8991×1,023+112399.7·1.082)×412=

=72730195 кДж/ч.

)Тепло выделяющееся при окислении оксида серы (IV) в оксид серы (VI):

=4098·0,06=245,88 кг/ч;

Q2 = (96000 × 245,88)/64=368820 кДж/ч.

Q(прих)3=72730195+368820=73099015 кДж/ч.

Расход тепла.

)Тепло, уносимое отходящими газами:

Обозначим температуру газа, покидающего третий слой контактной массы через tвых, получим количество тепла, уносимое с газами:расх=(1639,2×0,783+49176,1×0,992+8376,3×1,023+112399,7×1,082)× tвых =

· tвых кДж/ч.

Составим уравнение теплового баланса второго слоя катализатора:

=176809· tвых.

Температура газа, выходящая из третьего слоя будет:

tвых=73099015/176809=413,4ºС,

значит Qрасх=73099015 кДж/ч.

Сходимость полученного значения температуры с найденным ранее (413,8ºС) вполне удовлетворительна.

После третьего слоя газ проходит экономайзер и рекуперационный теплообменник. Охладившись там до 120ºС, он направляется на первую стадию абсорбции. После первой стадии абсорбции газ имеет температуру 60ºС, он нагревается в рекуперационных теплообменниках до 410ºС и поступает на четвертый слой контактного аппарата.

Четвертый слой.

tвх = 412 0С, х=0,90.

Приход тепла.

1)С обжиговым газом:1= (1639,2×0,783+4917,6×0,922+8376,3×1,023+112399.7·1,082)×410=

=55761209 кДж/ч.

)Тепло выделяющееся при окислении оксида серы (IV) в оксид серы (VI):

=1639,2·0,036=59,01 кг/ч;

Q2 = (96000 × 59,01)/64=88516,8 кДж/ч.

Q(прих)4 =55761209+88516,8=55849725,8 кДж/ч.

Расход тепла.

)Тепло, уносимое отходящими газами:

Обозначим температуру газа, покидающего четвертый слой контактной массы через tвых, получим количество тепла, уносимое с газами:расх=(163,9×0,783+6761,7×0,992+8007,5×1,023+112399,7×1,082)× tвых =

· tвых кДж/ч.

Составим уравнение теплового баланса второго слоя катализатора:

,8=136170· tвых.

Температура газа, выходящая из четвертого слоя будет:

tвых=55849725,8/136170=410,5ºС,

значит Qрасх=55849725 кДж/ч.

Сходимость полученного значения температуры с найденным ранее (411ºС) вполне удовлетворительна.

После четвертого слоя газ проходит экономайзер. Охладившись там до 120ºС, он направляется на вторую стадию абсорбции.

Результаты полученных данных заносим в таблицу 8.

Таблица 8 - Тепловой баланс контактного аппарата

ПРИХОД ТЕПЛАРАСХОД ТЕПЛАНаименование статьиМДж/ч%Наименование статьиМДж/ч%1 слой1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления72380 3688266 341. Физическое тепло, уносимое газовой смесью109262100Итого:109262100Итого:1092621002 слой1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления73555 737690 101. Физическое тепло, уносимое газовой смесью80931100Итого:80931100Итого:809311003 слой1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления72730 36899,5 0,51. Физическое тепло, уносимое газовой смесью73099100Итого:73099100Итого:730991004 слой1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления55761 8899,8 0,21. Физическое тепло, уносимое газовой смесью55849100Итого:55849100Итого:55849100

Тепловой баланс теплообменников

Теплообменник между первым и вторым слоем.

Данный теплообменник служит пароперегревателем котла утилизатора. Сюда поступает насыщенный пар из барабана сепаратора, а выходит перегретый пар.

Приход тепла.

Количество тепла, приносимое газовой смесью в пароперегреватель котла-утилизатора: Q3=109262538 кДж/ч.

Расход тепла.

Количество тепла, уносимое газовой смесью из пароперегревателя котла-утилизатора: Q1=73555132 кДж/ч.

Потери тепла в окружающую среду.

Потери тепла в окружающую среду принимаем 0,1%, тогда количество потерь составит: Qп=109262538·0,001=109262,5 кДж/ч.

Количество тепла перегретого пара:

Q5=109262538-73555132-109262.5=35598144 кДж/ч.

Теплообменники после второго и третьего слоя.

После второго и третьего слоя установлены рекуперационные теплообменники, которые связаны между собой. Они служат для обратного нагрева газа, который возвращается с абсорбера, куда он поступает после третьего слоя контактной массы.

Теплообменник между вторым и третьим слоем.

Тепло, приходящее после второго слоя: Q3=80931532 кДж/ч.

Тепло, уходящее на третий слой: Q1=72730195 кДж/ч.

Тепло, уходящее на четвертый слой: Q1=55761209 кДж/ч.

Потери тепла в окружающую среду.

Потери тепла в окружающую среду принимаем 0,1%, тогда количество потерь составит: Qп=(55761209+72730195)·0,001=128491 кДж/ч.

Количество тепла приходящее из третьего теплообменника

+Q=55761209+72730195+128491

Q=47688363 кДж/ч.

Теплообменник между третьим и четвертым слоем.

После третьего слоя перед теплообменником устанавливаем дополнительный экономайзер.

Количество тепла, приходящее после третьего слоя: Q3=73099015 кДж/ч.

Количество тепла, уходящее во второй теплообменник: Q=47688363кДж,ч.

Тепло, уходящее в абсорбер:= (1639,2×0,662+49176,1×0,893+8376,3×0,934+112399.7·1,044)×120=

=20419589 кДж/ч.

Тепло, приходящее из абсорбера:= (1639,2×0,632+4917,6×0,883+8376,3×0,924+112399.7·1,040)×60=

=7800816 кДж/ч.

Потери тепла в окружающую среду.

Потери тепла в окружающую среду принимаем 0,1%, тогда количество потерь составит: Qп=(73099015+7800816)·0,001=80899,8 кДж/ч.

Тепло, отводимое в дополнительный экономайзер:

+7800816=47688363+20419589+80899,8+Q

Q=12710979,2 кДж/ч

Теплообменник после четвертого слоя.

Количество тепла, приходящего с газовой смесью на четвертый слой: Q3=55849725,8 кДж/ч.

Количество тепла, отводимое на вторую стадию абсорбции:

Q=55849725,8·150/411=20284404 кДж/ч.

Потери тепла в окружающую среду.

Потери тепла в окружающую среду принимаем 0,1%, тогда количество потерь составит: Qп=55849725,8·0,001=55849,7 кДж/ч.

Количество тепла, уносимое водой, которая идет в цикл орошения котла утилизатора:

Q=55849725,8-20284404-55849,7=35509472,1 кДж/ч.

Результаты полученных данных заносим в таблицу 9.

Таблица 9 - Тепловой баланс теплообменников

ПРИХОД ТЕПЛАРАСХОД ТЕПЛАНаименование статьиМДж/ч%Наименование статьиМДж/ч%Теплообменник после первого слоя1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью1092621001. Физическое тепло, уносимое газовой смесью 2. Тепло, затраченное на перегрев пара 3. Потери73555 35598 10967,3 32,6 0,1Итого:109262100Итого:109262100Теплообменник после второго слоя1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью после второго слоя 2. Физическое тепло, приносимое газовой смесью с третьего теплообменника80931 4768862,9 37,11. Физическое тепло, уносимое газовой смесью на третий слой 2. Физическое тепло, уносимое газовой смесью на четвертый слой 3. Потери72730 55761 12856,5 43,4 0,1Итого:128619100Итого:128619100Теплообменник после третьего слоя1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью после третьего слоя 2. Тепло приносимое газовой смесью из абсорбера73099 780090,3 9,71. Физическое тепло, уносимое газовой смесью во второй теплообменник 2. Тепло уходящее в абсорбер 3.Тепло, отводимое в экономайзер 4. Потери47688 20419 12711 8158,9 25,3 15,7 0,1Итого:80899100Итого:80899100Теплообменник после четвертого слоя1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью на четвертый слой558491001. Физическое тепло, уносимое газовой смесью на вторую стадию абсорбции 2. Физическое тепло, уносимое водой 3. Потери20284 35509 5536,3 63,6 0,1Итого:55849100Итого:55849100

7. Аппаратурные расчеты

.1 Конструктивный расчет

Исходные данные:

Производительность: А - 495000 т/год = 62,5 т/ч, H2SO4.

Концентрация :SO2 в газе - 11% об.

O2 в газе - 10% об.

Объем газа V = 127481,1 м3/ч = 35,41 м3/с.

Конечная степень превращения - 99,6%.

Общее давление Р, Па - 105.

Четырехслойный контактный аппарат с промежуточным теплообменом загружен гранулированной контактной массой и работает по режиму, представленному в таблице 10.

Таблица 10 - Режим работы контактного аппарата

СлоиПервыйВторойТретийЧетвертыйТемпература газа на входе в контактную массу, ºС420420412410Степень превращения, д.е.0,60,90,960,9

Определение оптимальных температур контактирования

Tопт=, (27)

где х - достигаемая степень превращения, д.е.;

b - начальная концентрация O2 , % об.;

а - начальная концентрация SO2 , % об..

Оптимальная температура в первом слое:

tопт=.

Оптимальная температура во втором слое:

tопт=.

Оптимальная температура в третьем слое:

tопт=.

Оптимальная температура в четвертом слое:

tопт=.

Расчет времени контактирования

Слой разбиваем на четыре участка. Степень превращения на каждом участке принимаем соответственно: 0,12; 0,32; 0,52; 0,60.

Для первого участка имеем:

а=0,11;tн=420 оС;х=0,12;

в=0,10;Р=105Па;х=0,12.

Определяем конечную температуру на первом участке первого слоя:

к = tн+×х, (28)

где tк, tн, - конечная и начальная температуры, оС;

- коэффициент повышения температуры газа при х=1 в адиабатических условиях, град.

Tк =420+302×0,12=456,24 оС=729,24 К.

Константа скорости окисления SO2 в SO3 рассчитывается по уравнению:

К=Ко×е-Е/R×T , (29)

где К - константа скорости окисления, Па-1 ×с-1;

Ко - предъэкспонента; Ко=0,225 [1];

Е - энергия активации, Дж/моль;

R - универсальная газовая постоянная, 8,326 Дж/моль ×К;

Т - абсолютная температура, К.

К=0,225×е-59871/8,326×729,24=1,17×10-5 Па-1 ×с-1.

Реакция окисления SO2 в SO3 обратима. Константа равновесия Кр этой реакции также зависит от температуры и в интервале 390 - 650 оС может быть вычислена по эмпирическому уравнению:

lg Kp= (30)

Kp=,

Kp=0,379.

Время контактирования на первом участке первого слоя определяем по уравнению:

, (31)

где - время контактирования, с.;

х - степень превращения, д. е.;

а - концентрация SO2 в газе, д. е.;

в - концентрация O2 в газе, д. е.;

К - константа скорости реакции, Па-1 ×с-1;

Р - общее давление, Па.

(32)

.

с.

Для второго участка первого слоя:

а=0,11;tн=456 оС; х=0,32;

в=0,10;Р=105 Па; х=0,2.

Tк =456+302×0,2=516,4 оС=789,4 К.

К=0,225×е-59871/8,326×789,4=2,48 × 10-5 Па-1 ×с-1.

lg Kp=;

Kp=0,116.

.

с.

Для третьего участка первого слоя:

а=0,11;tн=516,4 оС; х=0,52;

в=0,10;Р=105 Па; х=0,2.

Tк =516,4+302×0,2=576,8 оС=849,8 К.

К=0,225×е-59871/8,326×849,8=4,75 × 10-5 Па-1 ×с-1.

lg Kp=;

Kp=0,042.

.

с.

Для четвертого участка первого слоя:

а=0,11;tн=576 оС; х=0,6;

в=0,10;Р=105 Па; х=0,08.

Tк =576+302×0,08=600,16 оС=873,16 К.

К=0,225×е-59871/8,326×873,16=5,96 × 10-5 Па-1 ×с-1.

lg Kp=;

Kp=0,029.

.

с.

Аналогично выполняются расчеты для других слоев катализаторной массы. Результаты расчетов времени контактирования приведены в таблице11.

Таблица 11 - Результаты расчетов времени контактирования

Слойtнtкхх1 слой участок 1 участок 2 участок 3 участок 4 420 456 516 576 456 516 576 600 0,12 0,32 0,52 0,60 0,12 0,2 0,2 0,08 0,094 0,083 0,073 0,0690,130 0,147 0,130 0,076 0,4832 слой участок 1 участок 2 участок 3 участок 4 420 435 450 455 435 450 455 459 0,67 0,75 0,85 0,90 0,07 0,08 0,10 0,05 0,053 0,052 0,050 0,0490,182 0,206 0,182 0,106 0,6763 слой участок 1 участок 2 участок 3 412 412,5 413 412,5 413 413,8 0,92 0,94 0,96 0,02 0,02 0,02 0,046 0,045 0,0460,423 0,227 0,227 0,8774 слой участок 1 участок 2 участок 3 410 410,2 410,4 410,2 410,4 411 0,97 0,98 0,996 0,01 0,01 0,016 0,462 0,462 0,4620,563 0,330 0,423 1,316ИТОГО:3,352

С увеличением числа участков на каждом слое общее время контакта снижается.

Объем контактной массы

Объем контактной массы определяем, принимая значения коэффициентов запаса в соответствии с конструкцией контактного аппарата:

V=k×V× , (33)

где V - объем газа при нормальных условиях, м3/с;

- время контактирования в слое, с;

k - коэффициент запаса [1].

V1=4×35,41×0,483=68.41 м3;

V2= 2×35,41×0,676=47,87 м3;

V3= 1.3×35,41×0,877=40,37 м3;

V4= 1,35×35,41×1,316=62,90 м3;

Всего: 219,55 м3.

Площадь каждого слоя контактной массы определяем по уравнению:

F=V/3600×, (34)

где V - объем газа при нормальных условиях, м3/с;

- фиктивная скорость газа при нормальных условиях, м3/с; принимаем

=0,3 м3/с.

F1=F2=F3=F4=F5= м2.

Следовательно, внутренний диаметр контактного аппарата будет равен:

D= (35)

D==12,26 м2.

С практики химической технологии обнаружено, что мы технологически не умеем распределять газ в аппаратах диаметром больше 8 метров. Поэтому, принимаем к установке два контактных аппарата, каждый площадью по 60 м2, тогда получим радиус каждого аппарата 4,36 м, соответственно диаметр 8,7 м.

Высота слоев контактной массы составит:

h1= м;

h2= м;

h3= м;

h4= м;

Общая высота слоев: 1,86 м

По практическим данным принимаем пространство над слоями 0,5 радиуса, под слоями ¼ радиуса.

Пространство над первым, вторым, третьим, четвертым слоем:

,5R=0,5·4,36=2,18 м.

Пространство под первым, вторым, третьим, четвертым слоем:

/4R=1/4·4,36=1,09 м.

Отсюда общая высота аппарата:

,18·4+1,09·4+1,86=15 м.

Гидравлическое сопротивление слоев контактной массы определяем по уравнению:

, (36)

где А=500 - для массы БАВ с гранулами 5 мм [1];

w - скорость газа при средней температуре в первом слое;

м/с (37)

? - плотность газа при средней температуре в первом слое;

. (38)

Аналогично рассчитываем , , :

=754,09 Па;

=625,35 Па;

=974,81 Па.

Общее сопротивление контактной массы:

=1066,77+754,09+625,35+974,81=3421,02 Па.

Принятые в данном расчете температура газа на входе в каждый слой и степень превращения как после каждого слоя, так и после каждого участка, установлены путем предварительных расчетов таким образом, чтобы общее время контакта для всего контактного аппарата приближалось к минимальному значению.

7.2 Теплотехнический расчет

В качестве теплотехнического расчета рассчитаем теплообменник между первым и вторым слоем - пароперегреватель.

Величина максимальной теплообменной поверхности:

, (39)

где Q - количество тепла, отведенное в теплообменник (из теплового баланса), Вт;

k - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м2·К);

k=10 Вт/(м2·К) [6];

?tср - средняя разность температур, К; ?tср=180ºС.

м2.

Так как в схеме два пароперегревателя, то величина максимальной теплообменной поверхности для одного теплообменника 1094,78м2.

7.3Прочностной расчет

В прочностном расчете рассчитываем толщины обечайки.

Определяем допускаемое напряжение для материала:

[?]=?·?* (40)

где ?- коэффициент; ?=1 [1].

?*- нормативное допускаемое напряжение при 50<tрасч<100 0С, МПа (сталь марки Ст3сп); ?*=133МПа

[?]=1·134=134 МПа

Толщину обечаек определяют в соответствии с ГОСТ 14292-80.

Определим исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением

(41)

где P - избыточное давление в колонне, МПа;

P=

? - коэффициент прочности сварных швов; ?=1;

С - прибавка к расчетным толщинам элементов,

С=С1+С2+С3 (42)

Так как С2 и С3 невелики, то их не учитывают, гораздо существеннее прибавка С1 для компенсации коррозии или эрозии элементов сосуда или аппарата. Тогда:

С=С1=П·Та (43)

где П - скорость коррозии или эрозии; П=0,1мм/год;

Та - срок службы аппарата, Та=10лет.

С=0,1·10=1мм

мм

Эта формула применима при следующем условии: для труб и обечаек D?200мм должно соблюдаться условие:

(44)

Принимаем толщину стенок обечаек равной 5 мм.

8. Подбор оборудования

8.1 Расчет теплообменника

Рассчитываем теплообменник после первого слоя.

Fmax=1094,78м2 (из теплотехнического расчета)

Подбираем теплообменный аппарат:

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объёмный расход:

n= , (45)

где V - расход газа на второй слой; V=123370,2нм3/ч (из материального баланса);

- фиктивная скорость газа, м/с;

n==1184,34

Условию n<1184,34 и F<1094,78м2 удовлетворяет [6] теплообменный аппарат двухходовой диаметром 3600мм с числом труб на один ход трубного пространства n=3249.

Значит принимаем по ГОСТ 15118- 79 двухходовой теплообменный аппарат типа КН со следующими характеристиками: диаметр труб d=25х2 мм; внутренний диаметр кожуха D=3600мм; число труб обшее-3249; длина труб L=6м; поверхность теплообмена F = 1530 м2.

.2 Расчет абсорбера

Рассчитываем промежуточный моногидратный абсорбер.

Выбираем приведенную скорость газа (при н.у) 0,7 м/м и определяем необходимую площадь поперечного сечения абсорбера:

?50м2.

Принимаем абсорбер диаметром 8 м, площадью сечения 50 м2.

Определяем поверхность насадки из основного уравнения массопередач:

Q=КF?p , (46)

где Q - количество абсорбируемого диоксида серы (VI), кг/ч;

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

F - поверхность насадки, м2;

?p - движущая сила абсорбции, Па.

Коэффициент абсорбции при поглощении диоксида серы (VI) серной кислотой можно определить:

K=K0·w0,8, (47)

где K0 - коэффициент, зависящий от концентрации и температуры; при 60ºС и концентрации 98,3% серной кислоты величина K0 составляет 1,3·10-3;

w - фактическая скорость газа в абсорбере, м/с.

Принимаем фактическую скорость газа в абсорбере 0,7 м/с.

K=1,3·10-3·0,7=0,91·10-3.

Принимаем насадку 50х50, для них удельная поверхность составит:

Vудел.=2000/100=20м3+20%

Определяем высоту насадки

(48)

где Sраб.с. - рабочее сечение абсорбера, м2.

Принимаем абсорбер диаметром 8 м, высота насадки абсорбера 27м.

9. Основные специфические вредности в производстве и меры защиты от них

Производство серной кислоты характеризуется наличием большого количества опасных веществ:

- отравляющих и удушающих газов (диоксид и триоксид серы, природный газ),

концентрированной серной кислоты, жидкой серы, а также использованием различного оборудования с движущимися механизмами и токоприемными устройствами. Поэтому, нарушения правил эксплуатации оборудования, техники безопасности, пожарной безопасности, норм технологического режима могут стать причинами аварий и травматизма. Особенно строго должны соблюдаться правила техники безопасности при проведении ремонтных, монтажных и очистных работ.

Основные опасные вещества, образующиеся при производстве серной кислоты:

- Диоксид серы. SO2 - бесцветный газ с резким запахом. Плотность газа 2,926 г/л. Абсолютно сухой SO2 при комнатной температуре малореакционноспособен. Сильные окислители окисляют SO2 в SO3, кислород окисляет только в присутствии катализатора.

Токсическое действие - раздражает дыхательные пути, вызывает спазм бронхов. При воздействии SO2 в виде аэрозоля, образующегося при туманах и повышенной влажности воздуха, раздражающий эффект сильнее. При неблагоприятных метеорологических условиях выделение SO2 может вызвать массовое отравление. Влажная поверхность слизистых поглощает SO2, затем последовательно образуются H2SO3 и H2SO4. Общее действие заключается в нарушении углеводного и белкового обмена; угнетении окислительных процессов в головном мозге, печени, селезенке, мышцах. Раздражает кроветворные органы. Порог восприятия запаха - 0,003 мг/л, у наиболее чувствительных 0,00087 мг/л. Непосредственно во время воздействия раздражение глаз вызывают концентрации 0,05 мг/л; раздражение в горле - 0,02-0,03 мг/л; кашель - 0,05 мг/л. При 0,06 мг/л наблюдается сильное раздражение в носу, чихание, кашель, 0,12 мг/л можно выдержать 3 мин.; 0,3 мг/л лишь 1 мин. При более длительном воздействии наблюдается также рвота, иногда с кровью. Острые отравления со смертельным исходом редки.

ПДК максимальная разовая- 10 мг/м3. При одновременном присутствии в воздухе SO2 и Н2SO4 сумма отношений фактических концентраций каждого из них в воздухе рабочей зоны к их ПДК не должна превышать единицу.

Индивидуальная защита. Меры предупреждения.

Перчатки, очки, спецодежда из кислотостойких материалов. Фильтрующий промышленный противогаз марки "В" или "В" с фильтром. Длительность защитного действия противогаза при концентрации 0,0086 мг/л - 90 мин., а противогаза с фильтром - 45 мин. Возможно использование противогаза марки БКФ с меньшим защитным действием. Защита глаз и кожи. Борьба с образованием и выделением SO2 в воздух. Предварительные и периодические медицинские осмотры 1 раз в 24 месяца.

- Триоксид серы. SO3 - бесцветная легкоподвижная жидкость, плотностью 1,92 г/см3 , кипящая при 44,7 оС и кристаллизующаяся при 16,8 оС. Триоксид серы, попадая в атмосферу цеха, мгновенно соединяется с водяными парами воздуха, образуя стойкий туман серной кислоты. Туман серной кислоты раздражает и прижигает слизистые оболочки верхних дыхательных путей, поражает легкие. При попадании на кожу может вызвать ожоги. Действие тумана сильнее, чем действие диоксида серы.

ПДК максимально разовая - 1 мг/м3. При одновременном присутствии в воздухе SO2 и Н2SO4 сумма отношений фактических концентраций каждого из них в воздухе рабочей зоны к их ПДК не должна превышать единицу.

Индивидуальная защита. Меры предупреждения.

Спецодежда из кислотостойких материалов, очки, перчатки или рукавицы. Защита - противогаз марки БКФ с аэрозольным фильтром. Медицинские осмотры проводятся, так же как и для работающих с диоксидом серы.

Серная кислота. H2SO4 - маслянистая, в чистом виде прозрачная бесцветная жидкость. температура плавления 10,35 оС; температура кипения 330 оС, плотность 1,834 т/м3. С водой смешивается во всех отношениях, выделяя большое количество тепла. Начиная с 200 оС, и выше выделяет пары SO3, которые с водяным паром воздуха образуют белый туман. Концентрированная H2SO4 - довольно сильный окислитель.

Токсическое действие - раздражает и прижигает слизистые верхних дыхательных путей, поражает легкие. При попадании на кожу вызывает тяжелые ожоги. Аэрозоль H2SO4 обладает более выраженным токсическим действием, чем SO2. Особенно тяжелые поражения при попадании серной кислоты в глаза. Обычно, H2SO4 встречается в воздухе предприятий вместе с SO2 , и поэтому почти все описания отравлений относятся к совместному действию этих веществ (см. диоксид серы).

Неотложная терапия. При раздражении слизистой дыхательных путей - свежий воздух, ингаляции содового раствора. Пить теплое молоко с содой и боржомом. При попадании на кожу или слизистые крепкой кислоты - обильное промывание. При ожоге накладывают повязки с 2-3 % раствором соды. Немедленное обращение к врачу.

ПДК максимально разовая - 1 мг/м3. При одновременном присутствии в воздухе SO2 и Н2SO4 сумма отношений фактических концентраций каждого из них в воздухе рабочей зоны к их ПДК не должна превышать единицу.

Индивидуальная защита. Меры предупреждения.

Фильтрующие промышленные противогазы марок В (с фильтром), БКФ, М; шланговые противогазы ПШ-1, ПШ-2. Защитные очки или маски и щитки из оргстекла и др. Спецодежда (брюки и куртки или комбинезон, фартуки, перчатки или рукавицы) из кислотостойких тканей: ШХВ-30, ШЛ, нитрон, лавсан, кислотозащитное сукно ШЛ-40, СВХ-1, смешанные ткани из лавсана с хлоропреном и др. Резиновые сапоги.

10. Вопросы экологической безопасности производства

Экологическая оценка предотвращенного ущерба, выбросами производства определяется по формуле:

Ј=??fM (49)

где ? - безразмерная константа, ?=2,4 [7];

? - безразмерный показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха на территории различных типов. Для территории промышленного предприятия ?=4 [7];

f - безразмерный множитель, учитывающий характер рассеивания примесей в атмосфере, f =10 [7];

М - приведенная масса готового выброса загрязнения усл.т/год, определяемая по формуле:

(50)

где mi - годовой выброс i-компонента в атмосферу,

mSO2=163,9 кг/ч=1298т/г;

A - показатель относительной агрессивности i-компонента, Ai=16,5 усл.т/т [7] ;

N - общее число компонентов, выбрасываемых источником в атмосферу, N=1.

Подставляя полученное значение получим:

Ј=2,4·4·16,5·10·1298=2056032руб/год.

. Оценка сырьевых и энергетических затрат

Теоретически требуется серы:

S=62,5·32/98=20,41т/ч.

Коэффициент сгорания S=0,999. 0,4% оксида серы не окислится, 0,1% триоксида серы не поглотится в абсорбере.

Практически требуется серы:

S=20,41·0,995=20,31т/ч

Цена 1тонны серы 3000 рублей.

Затраты на серу составят:

,41·3000=61230 руб./ч. или 484,941млн. руб./год.

Энергозатраты:

Количество тепла, выделяющегося при получение 1 т серной кислоты в результате сжигания серы: 3,03 млн. кДж;

Количество тепла, выделяющегося при получение 1 т серной кислоты в результате окисления оксида серы: 0,98 млн. кДж.

Выход энергетического пара составит:

,03+0,98=4,01 млн кДж.

Теплосодержание энергетического пара 3330 кДж/кг.

Выход энергетического пара составит:

,01/3,33=1,2 т/т

Для производства 62,5т/ч по моногидрату выход энергетического пара составит 75 т/ч

Удельный расход энергии для производства 1т. серной кислоты составляет 85 кВт/ч;

Стоимость 1 кВт/ч составляет 4руб.

Энергозатраты составят:

·4=340руб./ч или 2,692млн руб./год.

Для производства 62,5 т/ч по моногидрату энергозатраты составят 21250руб./ч или 168,250млн. руб/год.

Общие затраты на производство 62,5 т/ч по моногидрату составят:

+61230=82480руб./ч или 653,191 млн. руб/год.

. Выводы

В ходе курсового проекта, ознакомившись с существующими схемами и оборудованием контактного отделения, выбрана схема ДК-ДА. Схема двойного контактирования и двойной абсорбции обладает возможностью достижения высокой степени контактирования (99,6%) и уменьшением размеров контактного аппарата и абсорберов за счет повышения концентрации газа. Выбран контактный аппарат с выносными теплообменниками.

Выполнен расчет материального и теплового балансов схемы контактного аппарата, осуществлен выбор средств контроля и автоматизации процесса.

Выполнен расчет основного и дополнительного оборудования. Контактный аппарат диаметром 8,7м и высотой 15 метров имеет четыре слоя ванадиевого катализатора. Общая высота слоев равна 1,86м. Рассчитаны температуры по каждому слою по участкам.

Также был произведён выбор конструкционного материала и расчет на прочность, в результате чего мы установили необходимую для обеспечения надежной и безопасной работы оборудования толщину обечайки.

Список литературы

1Амелин, А.Г. Технология серной кислоты. / А.Г. Амелин. - М.: Химия, 1971. - 496с.

2Васильев, Б.Т. Технология серной кислоты./ Б.Т. Васильев, М.И. Отвагина. - М.: Химия, 1985. - 384с.

Справочник сернокислотчика. / Под ред. К.М.Малина - М.: Химия, 1971. - 744с.

Карапетьтьянц ,М.Х. Химическая термодинамика. / М.Х. Карапетьтьянц. - М.:Химия, 1975. - 584с.

Промышленные приборы и средства автоматизации. Справочник /В.Я. Баранов, Т.Х. Безновская, В.А. Бек и др.; Под. ред. В.В. Черенкова. Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние.1987.-847с.

Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии./ Ю.И. Дытнерский , Г.С. Борисов, В.П. Брыков и др. - М.: ООО ИД "Альянс", 2008.-496 с.

Беспамятнов, Г.П. ПДК вредных веществ в воздухе и в воде. / Г.П. Беспамятнов, К.К. Богушевская, А.В. Беспамятова. - Л.: Химия, 1975.-456с.

Тетеревков, А.И. Оборудование заводов неорганических веществ и основы проектирования. / А.И. Тетеревков, В.В. Печковский. - Минск: Высшая школа,1981.-326с.

Расчёты по технологии неорганических веществ. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. / Под ред. М.Е. Позина. - Л.: Химия, 1977. - 496с.

Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и A.M. Пономаревой. - Л.: Химия, 1983. - 232с.

Когтев, С.Е. Методические указания по разработке раздела "Физико-химические основы процесса" в комплексном курсовом проекте для студентов спец. 250200 всех форм обучения / НГТУ; Сост.: С.Е.Когтев, Н.В.Ксандров, И.Н.Постникова и др. Н.Новгород, 1999.- 24с.

Ксандров, Н.В. Методические указания по разработке раздела "Материальный и тепловой балансы" в комплексном курсовом проекте для студентов спец. 250200 всех форм обучения / НГТУ; Сост.: Н.В.Ксандров, А.С. Борисенко, Ю.И. Михайлов и др. Н.Новгород, 2004.- 25с.

Справочник химика./ Под ред. Никольского Б.П., т. III. - М. - Л.: Химия, 1964. - 1008 с.

Павлов, К.Ф.. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - Л.: Химия, 1981. - 560с.