Расчет олеумного абсорбера

                  

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………..	5
1 Технологическая  часть………………………………………………...	6
1.1 Описание  технологической схемы производства………………….	6
1.2 Теоретические  основы процесса…………………………………….	12
1.3 Описание  объекта разработки, выбор материалов в объекте разработки………………………………………………………	16
2 Технологические  расчеты процесса и аппарата……………………..	23
2.1   Материальный  баланс процесса………………………………...	28
2.2  Технологические расчеты …………………………………………	28
2.3 Конструктивные расчеты ………………………………………….	31
2.4 Гидравлическое сопротивление аппарата…………………………	32
2.5 Выбор вспомогательного оборудования…………………………..	33
3 Расчеты аппарата  на прочность и герметичность……………………	38
3.1 Определение толщины стенки аппарата, крышки…………………	38
3.2 Расчет фланцевого соединения……………………………………...	40
3.3 Укрепление отверстий………………………………………………	41
3.4 Расчет опоры аппарата………………………………………………	42
Список литературы……………………………………………………..	44
Приложения. Приложение  А – Расчёт на ПЭВМ фланцевого соединения Приложение  Б - Спецификации к чертежам	46

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Серная кислота  по объемам производства и применения занимает одно из первых мест среди химических веществ. Она применяется во многих отраслях промышленности для получения широкого ассортимента важнейших продуктов. Объем производства серной кислоты в любой стране может рассматриваться как показатель, который в определенной мере отражает уровень промышленного развития страны.

Примерно половина выпускаемой серной кислоты расходуется на получение минеральных удобрений, обеспечивающих повышение урожайности сельскохозяйственных культур, с другой стороны – с использованием серной кислоты выпускаются десятки миллионов тонн различных химических продуктов. Увеличение выпуска серной кислоты сопровождается усовершенствование ее технологии, аппаратурного оформления всех стадий производственного процесса, внедрением принципиально новых схем и оригинальных инженерных решений. Одновременно с повышением эффективности производства на современных сернокислотных системах большое внимание уделяется решению экологических проблем. Так, внедрение процесса двойного контактирования с промежуточной абсорбцией и применением новых высокоактивных катализаторов позволяет 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. Развитие народного хозяйства страны выдвигает новые и все более повышенные требования к сернокислотной промышленности. Необходимо увеличить выпуск улучшенных сортов серной кислоты, предельно снизить вредные выбросы, более полно использовать все имеющиеся виды сырья, а также отходы в виде отработанной кислоты, железного купороса, отходящих слабых газов. Важнейшей задачей является увеличение надежности оборудования, повышение рентабельности производства.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

 

1.1  Описание технологической схемы  производства

 

Получение серной кислоты включает несколько этапов. Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья.

 Следующий этап – превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI) .  В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO₂ в SO₃, различают два основных метода получения серной кислоты: контактный метод (процесс окисления проводят в твердых катализаторах) и нитрозный (башенный) метод (переносчиками кислорода являются оксиды азота). Каждый из этих методов осуществляется в  4 стадии: 1) получение обжигового газа, содержащего диоксид серы; 2) подготовка обжигового газа к контактному окислению; 3) каталитическое окисление диоксида серы; 4) абсорбция триоксида серы. Эти 4 стадии процесса получения серной кислоты объединяются в единую технологическую схему.

На рисунке 1 изображена технологическая схема процесса производства серной кислоты.

Колчедан  через дозатор подают в печь кипящего слоя 3. Унесенные частицы колчедана через циклон возврата 4 возвращаются в печь кипящего слоя. Полученный запыленный обжиговый газ, содержащий до 13 об. % SO₂, имеющий на выходе из печи температуру ~700°С, подают сначала в котел-утилизатор 5, а затем на стадию сухой очистки от огарковой пыли (в циклон 6 и в сухой

электрофильтр 7). Наличие в газе пыли, даже в небольших количествах оставшейся после сухой очистки, может привести к повышению гидравлического сопротивления аппаратов и отравлению катализатора соединениями As, адсорбированными на огарковой пыли. Отравление катализатора произойдет и в том случае, если в газовой фазе останутся оксид мышьяка As₂O₃ или соединения фтора (HF и SiF₄). Диоксид селена SeO₂ не является ядом для катализатора контактного окисления, однако он представляет собой ценное исходное сырье для промышленности полупроводников.В котле-утилизаторе происходит охлаждение газа до температуры 420°С с одновременным получением энергетического водяного пара (давление 4 МПа и температура 450°С), который может быть использован как в самой установке для компенсации затрат энергии на работу компрессров и насосов, так и в других цехах завода.

Основные примеси обжигового газа (As₂O₃, SeO₂ и др.), находящиеся в газо- и парообразном состоянии, выделяются при промывке газа серной кислотой, имеющей более низкую температуру, чем очищаемый газ. Эти примеси частично растворяются в серной кислоте, но большая их часть переходит в состав сернокислотного тумана. Кроме SO₂ обжиговый газ содержит небольшое количество триоксида серы и паров воды, которые при охлаждении газа взаимодействуют с образованием паров серной кислоты.

В очистном отделении, состоящем из двух промывных башен 8 и 10, двух пар мокрых электрофильтров 12 и сушильной башни 13, происходит очистка газа от соединений мышьяка, селена, фтора и его осушка. Первая полая промывная башня 8 работает в испарительном режиме: циркулирующая кислота охлаждает газ, при этом теплота затрачивается на испарение воды из кислоты, поступающей на орошение. Концентрация орошающей кислоты в первой башне, равная 40—50 мас. % H₂SO₄. Первая промывная башня — полая, так как в насадочной или тарельчатой колоннах будет происходить забивание контактных элементов осаждающейся пылью. Во второй (насадочной) промывной башне происходит укрупнение и частичное осаждение капель тумана. Кислота из второй башни поступает в сборник 9 и после охлаждения возвращается на орошение.

Для улучшения условий выделения тумана в мокрых электрофильтрах снижают температуру газа и концентрацию орошающей кислоты во второй промывной башне. При этом повышается относительная влажность газа, что приводит к поглощению паров воды каплями тумана и увеличению их размера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После второй промывной башни газ проходит последовательно два электрофильтра 12, затем насадочную сушильную башню 13, орошаемую 93—94%-ной серной кислотой при температуре 28—30°С. Кислота циркулирует между сушильной башней 13 и сборником 9; часть кислоты отводится как готовая продукция на склад. Для поддержания постоянной температуры на стадии осушки циркулирующую кислоту охлаждают в оросительном холодильнике 11. Перед сушильной башней обжиговый газ разбавляют воздухом с целью снижения в нем концентрации SO₂ до 9 об. % и увеличения избытка кислорода в соответствии с оптимальными условиями окисления диоксида серы.

Содержание  водяных паров тем больше, чем  выше температура газа. Пары воды безвредны для ванадиевого катализатора. Однако их наличие в газе приводит к образованию тумана в абсорбционном отделении. При этом возможны большие потери кислоты с отходящими газами, так как туман практически не улавливается в обычных абсорберах. Кроме того, образующийся в результате коррозии металл сульфат железа попадает на контактную массу, что приводит к повышению гидравлического сопротивления, а в последующем приводит к снижению объема получаемой продукции. Отсюда ясна необходимость в тщательной очистке воздуха от паров воды. Содержание влаги в газе, выходящем из сушильных башен, не должно превышать 0,08 г/м³ (0,01 об. %). Осушка газов осуществляется в сушильных башнях (13), которые орошаются серной кислотой с концентрацией 92,5–94 %.  Орошение при помощи более концентрированной кислоты, хотя и позволяет достичь высокой  степени осушки, но при этом в газе после башни увеличивается содержание тумана серной кислоты. При орошении башни кислотой с концентрацией менее 92,5 % не достигается необходимая степень осушки газа от влаги. Поэтому  концентрация кислоты 92,5 %–95% оптимальна и позволяет получить газ с содержанием влаги не более 0,02 %.

 

 

После сушильной башни  обжиговый газ проходит через  фильтр-брызгоуловитель 14 и поступает в турбогазодувку 1, которая подает его в контактное отделение.

Пуск контактного  аппарата начинается с его сушки  и сушки катализатора и заканчивается донасыщением катализатора. Процесс сушки  начинается с продувки атмосферным воздухом без включения топки пускового подогревателя. Для предотвращения конденсации водяных паров на нижних слоях, которые образовались на верхних слоях, продувают в течение 4–6 часов нижние слои, потом верхние слои, в течение того же времени. После выравнивания температуры по всему аппарату разжигают топку пускового подогревателя и начинают продувку нижних слоев, осушенных воздухом, повышая температуру на 10–15⁰С за час. Содержание влаги не должно превышать 0,01 % и воздух не должен содержать диоксид серы. Для нагрева воздуха нагружают газовую горелку по газу, сохраняя нормальное соотношение газ–воздух. После повышения температуры на входе в нижние слои на 30⁰С часть потока воздуха направляют на первый слой, с целью определить разогрев первого слоя нижними слоями на 10–20 ⁰С. После достижения по всему аппарату температуры 110–120⁰С сделать выдержку в течении 6 часов, затем постепенно переходить на последовательный разогрев в подачей всего объема воздуха на первый слой, не допуская снижения температуры на нижних слоях. Разогрев ведут равномерно, со скоростью 15–20⁰С в час до достижения температуры 400–480⁰С на входе в первый слой. Количество воздуха постепенно уменьшают. Отношение объема нагретого воздуха к объему загруженного катализатора должно быть не менее 150 нм³/ч. И как только температура на выходе из последнего слоя достигнет значения 320–340⁰С разогрев прекращают и приступают к сульфатизации катализатора.

 В теплообменниках 15 газ нагревается за счет теплоты продуктов реакции до температуры зажигания катализатора  и поступает на первый слой контактного аппарата. В первом слое катализатора происходит окисление SO₂ на 74% с одновременным повышением температуры до 600°С. После охлаждения до 465°С газ поступает на второй слой контактного аппарата, где степень превращения достигает 86%, а температура газа возрастает до 514°С. После охлаждения до 450°С газ поступает на третий слой контактного аппарата, где –х_SO2 увеличивается до 94—94,5%, а температура повышается до 470°С.

Затем в соответствии с требованиями метода ДКДА реакционный газ охлаждают в теплообменниках 15 до 120°С и направляют на абсорбцию первой ступени:сначала в олеумный абсорбер 17, затем в моногидратный абсорбер 19.

Олеумные абсорберы  представляют собой вертикальный стальной цилиндр, футерованный кислотоупорной керамикой. Для обеспечения большей  поверхности соприкосновения газа и орошающей кислоты в  башне устанавливаются несколько рядов крупных колец Рашига: 2 ряда – (150 х 150 мм); 2 ряда – (120 х 120 мм); 2 ряда – (100 х 100 мм); 2 ряда – (80 х 80 мм), на которые укладывают основной слой насадки из колец  (50 х 50 мм).

Насадка опирается на колосниковую решетку, которая опирается на столбы из кислотоупорного кирпича. В процессе осушки воздуха происходит абсорбция паров воды концентрированной серной кислотой.

 После моногидратного абсорбера  газ вновь нагревают до температуры 430°С и подают на четвертый слой катализатора. Концентрация диоксида серы в газе составляет теперь 0,75—0,85 об. %. В четвертом слое происходит окисление SO₂ на ~80%, сопровождающееся повышением температуры до 449°С. Реакционную смесь вновь охлаждают до температуры 409°С и направляют на последний (пятый) слой контактного аппарата. Общая степень превращения после пяти стадий контактирования составляет 99,9%. Непоглощенный газ, состоящий в основном из воздуха подают на санитарную очистку.

 

 

 

1.2 Теоретические основы процесса

 

Нами рассматривается  технологическая схема с двойным  контактированием – двойной абсорбцией (ДК/ДА) – как метод, при котором возможно увеличить степень извлечения целевого продукта, достичь того же минимального содержания SO₂ в выхлопных газах сернокислотного производства. что и после химической обработки, т.е. решаются экологические проблемы.

Этот  метод  основан на принципе Ле-Шателье, согласно которому удаление одного из компонентов реакционной смеси двигает равновесие реакции в сторону образования этого компонента. Сущность метода заключается в проведении процесса окисления диоксида серы с выделением триоксида серы  в дополнительном абсорбере.

На первой стадии проводят частичное окисление SO₂. Протекает экзотермическая химическая реакция:

S + O₂ ––––> SO₂ + Q.

 

                                         Сера                                  Вода    Пар

            

 Воздух           Осушка              Сжигание            Утилизация        Окисление

                        воздуха                   серы                    теплоты                 SO₂

                                                      Отходящие

                                               Вода               газы                             Вода

 

             Серная кислота          Абсорбция          Окисление        Абсорбция

            (целевой продукт)                SO₃                     SO₃                       SO₃

                                                              II                          II                           I

Рисунок 2 –  Принципиальная схема производства серной кислоты из серы методом двойного  контактирования