Расчет олеумного абсорбера

 

Вторая стадия включает осушку газа и утилизацию теплоты.

На третьей  стадии протекает обратимая экзотермическая  химическая реакция контактного окисления сернистого ангидрида в серный, протекающего на ванадиевом катализаторе:

SO₂ + ½ O₂ Û SO₃ + Q.

Константа равновесия определяется по формуле:

                                              ,

где P_SO3 – парциальное давление серного ангидрида , Па;

P_SO2 – парциальное давление сернистого ангидрида, Па;

P_O2 – парциальное давление кислорода в состоянии равновесия, Па.

Процесс окисления  ведется на ванадиевом катализаторе V₂O₅ при температуре 400⁰С. Скорость окисления SO₂ в SO₃ равна скорости обратного процесса. Оптимальной температурой является 590–610⁰С. При более высокой температуре катализатор стекает.  Катализатор активен потому. Что является переносчиком кислорода: 

V₂O₃ + SO₂ = V₂O₄ + SO₃

 

V₂O₄ + 0,5 O₂ = V₂O₅.

 

Активность  катализатора снижается в присутствии  так называемых каталитических ядов. Это мышьяк и другие вещества отрицательно действующие на катализатор.

На последней  стадии происходит  поглощение полученного  в контактном аппарате газообразного серного ангидрида, а затем превращение его в серную кислоту. Серный ангидрид растворяется в серной кислоте, а затем взаимодействует с содержащейся в ней водой:  

nSO₃ + H₂O = H₂SO₄ + (n – 1) SO₃.

В ходе этой реакции  образуется серная кислота и выделяется тепло. В том случае, когда коэффициент n > 1 образуется олеум, при n = 1 – моногидрат, а при

n < 1 – разбавленная серная кислота. Поглощение серного ангидрида зависит от концентрации, температуры поглощающей кислоты, от плотности орошения абсорберов.

Абсорбцией  называют процесс поглощения газов или паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с  абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение (как в нашем случае), то процесс называется хемосорбцией.

Физическая  абсорбция в большинстве случаев  обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора –

   десорбция.

При абсорбции  содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси).

Для системы  газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрация в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость  между парциальным давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление Р_А растворенного газа пропорционально его мольной доле х_А  в растворе

 

р*_A = Ex_A

или растворимость  газа (поглощаемого компонента А) в  жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью

,

где р*_A – парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х_А (в мол. долях);

х*_А – концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой

фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно р_А;

Е – коэффициент  пропорциональности,  называемый коэффициентом, или 

константой Генри.

Числовые значения коэффициента Генри для данного  газа зависят от природы поглотителя  и газа и от температуры, но не зависят  от общего давления в системе.

Принимая расходы фаз по высоте аппарата постоянными, и выразив содержание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях, получаем уравнение материального баланса абсорбции:

G(Y_H – Y_K) = L (X_K – X_H),

где G – расход инертного газа, кмоль/сек;

Y_H и Y_K – начальная и конечная абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа;

L – расход абсорбента, кмоль/сек;

Х_Н и Х_К – концентрации кмоль/кмоль абсорбента.

Из этого  уравнения следует , что общий  расход абсорбента (в кмоль/сек):

,

а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа)

.

Это уравнение  можно переписать так:

Y_H – Y_K = l(X_K- X_H).

Последнее уравнение  показывает, что изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y-X рабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен l = L/G.

Абсорбция является одним из видов процесса массопередачи, который характеризуется переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.  Процесс массопередачи включает процессы массоотдачи в пределах каждой из двух взаимодействующих фаз и, кроме того – процесс переноса распределяемого вещества через поверхность раздела фаз. Основное уравнение массопередачи, определяющее количество М вещества, переносимого из фазы в фазу в единицу времени, выражают следующим образом:

М = K_yF(y – y*)t,

M = K_xF(x* - x) t,

где у*, x* -  равновесные концентрации в данной фазе, соответствующие концентрациям распределяемого вещества в основной массе (ядре) другой фазы;

К_у, К_х – коэффициенты массопередачи, выраженные соответственно через концентрации фаз Ф_у и Ф_х.

Коэффициент массопередачи (К_у или К_х) показывает, какое количество вещества переходит из фазы в фазу за единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе массопередачи, равной единице.

Концентрации  фаз изменяются при их движении вдоль  поверхности раздела,

соответственно  изменяется движущая сила массопередачи. Поэтому в уравнение массопередачи вводят величину средней движущей силы (Dу_ср и Dх_ср), тогда

    основное уравнение массопередачи принимает вид:

M = K_yF Dу_срt,                                                 (1)

          M = K_xF Dx_срt.                                                 (2)

Этими уравнениями  характеризуется скорость процесса абсорбции, если движущую  силу выражают в концентрация газовой фазы (1), если движущая сила выражается в концентрациях жидкой фазы (2).

Во многих практически важных процессах абсорбции  поглощение газа жидкостью сопровождается химическим взаимодействием фаз. Скорость хемосорбции зависит как от скорости реакции, так и от скорости массопередачи между фазами. В зависимости от того, какая скорость определяет  общую скорость процесса переноса массы, различают кинетическую, диффузионную или смешанную диффузионно-кинетическую области протекания хемосорбционных процессов. При расчете требуемой поверхности контакта фаз в условиях хемосорбции ускорение процесса можно учесть увеличением коэффициента массопередачи b_ж, если считать движущую силу процесса такой же, как при физической абсорбции. Тогда коэффициент массоотдачи в жидкой фазе  b¢_ж при протекании химической реакции

b¢_ж = b_жF,

где F - фактор ускорения массообмена, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость абсорбции за счет протекания химической реакции.

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Описание  объекта разработки,

выбор материалов в объекте разработки

 

1.3.1 Описание  объекта разработки

Объектом разработки является олеумный абсорбер, который  представляет собой вертикальный стальной, сварной цилиндрический аппарат,  футерованный  кислотоупорным кирпичом на селикатной замазке (3). Диаметр абсорбера (находится по расчетам)  6020 мм, высота  15760 мм. Абсорбер заполнен насадкой – кольцами Рашига на высоту 7000 мм (3). Насадка кислотоупорная керамическая ГОСТ 176.12–89. Крышка абсорбера отштукатурена диабазовой замазкой, на металлической сетке.

Газ в башню поступает  с температурой 120⁰С, через штуцер (4) в подколосниковом пространстве и отводится сверху, через штуцер в крышке (5).

Кислоту на орошение подают с температурой 40⁰С и массовой долей свободного SO₃ не менее 20%, через распределительные устройства (6), обеспечивающие равномерное распределение орошения по всему поперечному сечению аппарата. Кислота преимущественно стекает по насадке в виде пленки. Соприкосновение газа с кислотой происходит главным образом на сплоченной поверхности насадки, которая накрыта тонкой пленкой. Отводится кислота снизу через отводную трубу (7). Распределительное   устройство состоит из распределителей и распределительной плиты.    Для   орошения      насадочных колонн более трех метров из–за значительного увеличения габаритов и массы оросителя с увеличением диаметра, применяют не сплошные плиты, а сборные конструкции в виде секторов. Их стенки, при соответствующей установке образуют зазоры для прохода газа. Плита распределяет жидкость по квадратной сетке оросителя.

Еще одна функция плиты, кроме  равномерного распределения жидкости обеспечивает работу колонны с минимальным уносом брызг. Плита, к тому же, мало чувствительна к засорениям, содержащимся в орошающей кислоте.

Чтобы  избежать образования  больших волн кислоты при наливе ее на плиту, в данном абсорбере предусмотрены  распределители, которые равномерно распределяют кислоту по поверхности  плиты.

Секторные плиты обладают практически всеми достоинствами цельных распределительных плит, и, кроме того, имеют достоинства, особенно важные при орошении абсорберов больших диаметров: во–первых, коэффициент перфорации оросителя, отнесенный к поперечному сечению колонны достигает значения  a_n = 50%, что позволяет во многих случаях прекратить процесс уноса брызг даже при высоких нагрузках аппарата по газу; во–вторых , металлоемкость оросителя меньше, чем у цельных плит такого же диаметра, и секторные плиты менее громоздки и сложны в изготовлении и монтаже, чем цельные плиты; в–третьих , у секторных плит легче избежать перекоса, а влияние  перекоса   сектора   на   равномерность   распределения    жидкости сказывается меньше, чем при перекосе цельной плиты; в–четвертых, применение отдельных секторов, имеющих крупные прорези переливов в патрубках, упрощает эксплуатацию и изготовление таких оросителей. Однако эти оросители не обеспечивают полной смачиваемости  насадки даже при большом числе точек подачи жидкости.

Рисунок 3  - Олеумный абсорбер

1 – насадка  – кольца Рашига керамические 50х50 мм в навал; 2 -  насадка –  кольца Рашига керамические уложенные  (80х80 мм, 100х100 мм, 120х120 мм, 150х150 мм; 3 –  футеровка кислотоупорным кирпичом; 4 – штуцер подвода газа; 5 – штуцер отвода газа; 6 – распределительное устройство подачи кислоты; 7 – отводная труба кислоты

 

При применении неупорядоченного дополнительного  слоя колец, лежащих на насадке, можно  повысить степень смачиваемости  торца насадки и равномерность распределения жидкости по нему за счет интенсивного растекания потоков в дополнительном слое.

Аппарат снабжен штуцерами  и люками технологического назначения.

Главным преимуществом аппарат  данной конструкции являются небольшое  сопротивление и возможность работать в довольно широких пределах при изменении нагрузки по газу, а также небольшой брызгоунос.

 

1.3.2 Выбор материалов  в объекте разработки

При разработке аппаратов, используемых в химической промышленности в основном выбирают материалы, стойкие к агрессивным средам. При подборе материала учитывают не только коррозионную стойкость, но и прочность, устойчивость к высоким температурам; возможность обработки и сварки. Учитывают также стойкость материала, а также наличие стандарта или утвержденных технических условий.

И так как  стойкость изделия в значительной степени определяется стоимостью материалов, применяемых при  его изготовлении, то при всех прочих равных условиях, предпочтение отдается более дешевым и менее дефицитным материалам.

Так, рабочая среда в  абсорбере – олеум. Такая среда является сильно коррозионной. Рабочая температура в аппарате до 40⁰С. Учитывая все возможные варианты по выбору конструкционного материала для корпуса аппарата применяем сталь ВСт3 пс3 и футеруется кислотоупорным кирпичом на силикатной замазке.

Сталь характеризуется  хорошими сочетаниями механических и химических свойств, позволяющих  применять данную сталь для изготовления аппарата, при этом для защиты от воздействия агрессивной среды аппарат футеруют. Для изготовления крышки применяем Ст 3пс + 10Х17Н13М2Т ГОСТ 5632–72.

Все штуцера, фланцы, патрубки, люки больших размеров изготовляют из стали СТ 3пс, с внутренним кислотоупорным покрытием.

Детали аппарата, которые непосредственно контактируют с агрессивной средой, изготавливают из высоколегированной стали 10Х17Н13М2Т ГОСТ 5632–72.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технологические расчеты

процесса и аппарата

 

2.1 Материальный  баланс процесса  абсорбции

 

Производительность  цеха серной кислоты H₂SO₄ – 200 тыс. тонн в год в перерасчете на олеум

2.1.1 Исходя  из производительности и числа  рабочих дней 365, определяем часовую производительность. Часовая производительность составит 22831 кг

 

                               (2.1)

 

Принимаем что  в олеумном абсорбере поглощается 70% SO₃ [8,стр.251], тогда в олеумном абсорбере получим производительность по 100%–ой серной кислоте

   (2.2)

 

Процесс производства серной кислоты состоит из основных стадий:

• сжигания элементарной серы и получения сернистого ангидрида

S + O₂ Û SO₂ + Q;

• окисление сернистого ангидрида до получения серного ангидрида

V₂O₅

SO₂ + ½ O₂  Û    SO₃ + Q

• абсорбция серного ангидрида серной кислотой

SO₃ + H₂O Û H₂SO₄ + Q.

 

 

 

                                                                    16258

Из уравнения  реакции SO₃ + H₂O Û H₂SO₄  находим количество серного

                                              80                      98