Стадия сжигания серы в производстве серной кислоты. Выбор и обоснование источников сырья

  ной  серной  кислотой  или  олеумом  в   паровой  фазе   довольно   велико

  равновесное  парциальное давление SO3, поэтому  он будет абсорбироваться не

  полностью.  Однако если в качестве одного  из продуктов процесса необходимо

  получить олеум,  можно  совместить  абсорбцию   олеумом  (1-й  абсорбер)  и

  абсорбцию  98,3%-ной кислотой (2-й абсорбер).

      В принципе при высоких температурах  над 98,3%-ной кислотой может   быть

  значительным  парциальное давление паров самой  кислоты,  что  также  будет

  снижать степень  абсорбции SO3.  Ниже  100*С   равновесное  давление  паров

  H2SO4 очень мало  и поэтому может  быть  достигнута  практически  100%-ная

  степень абсорбции.

      Таким образом, для  обеспечения   высокой  степени  поглощения  следует

  поддерживать  в абсорбере концентрацию серной  кислоты, близкую к 98,3%,  а

  температуру  ниже  100*С.  Однако  в  процессе  абсорбции  SO3  происходит

  закрепление  кислоты (повышение ее концентрации) и в силу  экзотермичности

  реакции увеличивается  температура.  Для  уменьшения  тормозящего  влияния

  этих  явлений   абсорбцию  ведут  так,  чтобы   концентрация   H2SO4   при

  однократном   прохождении  абсорбера   повышалась   только    на   1-1,5%,

  закрепившуюся  серную кислоту разбавляют в  сборнике до концентрации 98,3%,

  охлаждают   в  наружном  холодильнике  и  вновь   подают   на   абсорбцию,

  обеспечивая  высокую кратность циркуляции. 

                             Задание для расчета 
 

      Вариант №3 
 

      Стадии производства серной кислоты:

     1. подготовка  сырья:  очистка  и  плавление   серы;  очистка,  сушка  и

        дозировка воздуха;

     2. сжигание  серы: S + O2 = SO2 (1) .Процесс ведут с  избытком воздуха;

     3. контактное  окисление SO2 в SO3: SO2 + 0,5O2 = SO3 (2).Процесс   идет

        на ванадиевом катализаторе при  температуре 420-550*С;

     4. абсорбция  SO3 : SO3  +  H2O  =  H2SO4  (3).  Абсорбционная   колонна

        орошается  98,3%  H2SO4.   Перед   отправкой   на   склад   кислота

        разбавляется до ~93% H2SO4  в соответствии  с требованиями ГОСТа.

                         Исходные данные для расчета 

|Показатель                            |Значения                              |

|Степень превращения                   |92.0                                  |

|серы в SO2, %                         |                                      |

|Степень превращения                   |99.0                                  |

|SO2 в SO3, %                          |                                      |

|Степень абсорбции  SO3, %              |99.8                                  |

|Содержание SO2 в  газе, поступающем в  |8.0                                   |

|контактный аппарат, % (по объему)     |                                      |

|Содержание H2SO4 в  целевом продукте, %|92.5                                  |

|по массе                              |                                      |

|Базис расчета,  кг H2SO4               |2000                                  | 
 
 

                             Выполнение расчета. 
 
 

      1.Составляем блок-схему производства. 
 
 

                                        03 

                    011

                                                                          12

       23                         302

                   012 

                                         301 
 

      011  - Сера жидкая

      012  - Воздух

     12. -  SO2 содерж. газ

      23 -  SO3 содерж. газ

       3. -  Вода

      301. -  Выхлопные газы

      302. – Серная кислота 
 

      2. Составление уравнений по каждому  узлу. 
 

      1.Составляем уравнения по первому  узлу: 

      0.92*N011=N12SO2

      N12SO2=N12*0.08                                           N011=X1

      0.92*N011=N12*0.08                                      N12=X3

      0.92*X1=X3*0.08                (1) 

      2. Составляем уравнения по второму  узлу: 

      а) 0,99*N12SO2=N23SO3

          0.99*N12*0.08=N23SO3                               N23SO3=X4

          0.99*X3*0.08=X4                     (2) 

      б) N12*(0.21-0.08)=2N23SO3

          X*(0.21-0.08)=2X4            (3) 

      3.Составляем уравнение по третьему  узлу: 

      а) G302*0.925=2000  базисное уравнение  G302=X7

          X7*0.925=2000                  (4) 

      б) 0.998*N23SO3=2000/Mr(H2SO4)

          0.998*X4=2000/98              (5) 

      в) N301=N301SO2 + N301N2 + N301SO3 + N301O2

          N301SO2=N12SO2*(1-0.99)=N12SO2*0.01=N12*0.08*0.01

          N301N2= 0.79*N012

          N301SO3=N23SO3*(1-0.998)=0.002*N23SO3

           N301O2=N12*(0.21-0.08)-1/2*N12*(0.21-0.08)=N12*0.13*(1-

         1/2)=0.13/2*N12 

          N301=N12*0.08*0.01+0.79*N012+0.002*N23SO3+0.065*N12

          N301=0.0658*N12+0.79*N012+0.002*N23SO3

          X6=0.0658*X3+0.79*X2+0.002*X1    (6)

          N012=X2

          N301=X6 

      Но надо учесть , что N12=N012  ,т.е.  X2=X3      (7) 

      6 неизвестных и 7 уравнений.  Выбрасываем   уравнение  (3)  и  получаем

  систему уравнений: 

      0,92*X1=0.08*X3

      0.99*0.08*X3=X4

      0.925*X7=2000

      0.998*X4=20.41

      X6=0.0658*X3+0.79*X2+0.002*X4

      X3=X2 

      0.92*X1-0.08*X3=0

      0.0792*X3-X4=0

      X7=2162.2

      X4=20.45

      0.8558*X3+0.002*X4- X6=0 

      0.92*X1-0.08*X3=0

      0.0792*X3-20.45=0

      X7=2162.2

      X4=20.45

      0.8558*X3+0.002*20.45-X6=0 

      0.92*X1-0.08*X3=0

      X3=257.23

      X7=2162.2

      X4=20.45

      0.8558*X3+0.041-X6=0 

      0.92*X1=0.08*257.23

      X3=257.23

      X7=2162.2

      X4=20.45

      0.8558*257.23+0.041-X6=0 

      X1=22.37=N011

      X3=257.23=X2=N12=N012

      X7=2162.2=G301

      X4=20.45=N23SO3

      X6=220.18=N301 
 

      1.Количество целевого продукта:

      X7=G301=2162.2 кг 92.5%  серной кислоты 

      2. Расход серы:

      X1=N011=22.37 кмоль

      ms=Ns*MS=22.37*32=715.84 кг

      GSнач=715,84/0,92=778,1 кг было введено  в систему 

      3. Расход воздуха:

      X2=X3=N012=257.23 кмоль

      Gвозд=Nвозд*Mвозд=257,23*29=7459,67 кг 

      4.Определение расхода кислорода  и азота

      GO2=7459,67*0,21=1566,7 кг

      GN2=7459,67*0,79=5893,1 кг 

     5. Определяем  количество SO2, содержащегося в газе:

      X3=N12=257.23 кмоль

      N12SO2=257.23*0.08=20.58 кмоль

      GSO2=NSO2*MSO2=20.58*64=1317 кг 

     6. Определение  SO3, содержащегося в газе:

       X4=N23SO3=20.45 кмоль

      GSO3=NSO3*MSO3=20.45*80=1636 кг 

     7. Расход  воды на абсорбцию:

      G03=G301*MH2O/MH2SO4=2162.2*18/98=397 кг 

     8. Выхлопные  газы:

      X6=N301=220.18 кмоль

      G301=G301SO2+G301N2+G301SO3+G301O2=1317*0.01+5893.1+

      0.002*1636+0.065*7459.67=13.17+5893.1+3.27+484.88=

      6394.42 кг 
 

      3.Материальный баланс. 
 

|Введено                               |Получено                               |

|Реагенты    |кг          |% масс      |Продукты     |кг          |%масс       |

|Сера        |778,1       |9           |Серная       |2162,2      |25          |

|            |            |            |кислота:     |            |            |

|Вода        |397         |4,6         |H2SO4        |2000        |23,2        |

|Воздух:     |7459,67     |86,4        |H2O          |162,2       |1,8         |

|21% О2      |1566,7      |18,1        |Выхлопные    |6394,42     |74,1        |

|            |            |            |газы:        |            |            |

|79%N2       |5893,1      |69,3        |SO2          |13,17       |0,15        |

|            |            |            |N2           |5893,1      |68,25       |

|            |            |            |SO3          |3,27        |0,06        |

|            |            |            |O2           |484,88      |5,64        |

|            |            |            |Невязка      |78,15       |0,9         |

|            |            |            |             |            |            |

|Всего       |8634,77     |100         |Всего        |8634,77     |100         | 
 

                             Список литературы. 
 

1. Г.Н. Кононова, В.В. Сафонов, Н.Г. Чабан. Разработка  алгоритма  и  расчет

  материального  баланса химико-технологической  системы. Москва. 1995.

     2.  Учебник  для  химико-технологических   специальностей   ВУЗов   под

        редакцией проф. И.П. Мухленова.  Общая химическая технология.  Часть

        2 « Важнейшие химические производства».  Москва «Высшая школа»1984.

     3. А.М.  Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г.  Беренгартен.  Общая  химическая

        технология.  Издание  второе  исправленное  и  дополненное.  Москва

        «Высшая школа» 1990.

     4. Конспект  лекций (лектор: Г.Н. Кононова)