Обжиг колчедана в производстве серной кислоты контактным способом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Характеристика обжига колчедана в производстве серной кислоты контактным способом. Сравнение способов получения. Свойства продуктов

Физико-химические основы процесса

Технологическая схема процесса

Расчет печи с кипящим слоем для обжига колчедана

Анализ технико-экономической и экологической эффективности печи КС

Список литературы

Характеристика обжига колчедана в производстве серной кислоты контактным способом

Первой стадией процесса является окисление сырья с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы. В зависимости от вида сырья протекают экзотермические химические реакции обжига:

4FeS2 +11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 (I)

S + O2 - SO2 (II)

При протекании реакции (I) помимо газообразного продукта реакции SO2 образуется твердый продукт Fe2O3, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Колчедан содержит различные примеси, в частности соединения мышьяка и фтора, которые в процессе обжига переходят в газовую фазу. Присутствие этих соединений на стадии контактного окисления диоксида серы может вызвать отравление катализатора. Поэтому реакционный газ после стадии обжига колчедана должен быть предварительно направлен на стадию подготовки к контактному окислению (вторая стадия), которая помимо очистки от каталитических ядов включает выделение паров воды (осушку), а также получение побочных продуктов (Se и Te).

Если обжиговый газ получают сжиганием серы, то отпадает необходимость очистки от примесей. Стадия подготовки будет включать лишь осушку газа и утилизацию теплоты.

На третьей стадии протекает обратимая экзотермическая химическая реакция контактного окисления диоксида серы:

SO2 + 1/2O2 - SO3 (III)

Последняя стадия процесса - абсорбция триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом.

Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SO2 в SO3. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы - снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SO2.

Повышение степени превращения SO2 может быть достигнуто разными путями. Наиболее распространенный из них - создание схем двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА).

Сравнение способов получения

Исходными реагентами для получения серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы.

Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты получают из серы, треть - из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

В то же время отходящие газы - наиболее дешевое сырье, низкие оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является серы. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.

Получение серной кислоты включает несколько этапов. Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья (необходимость в этой стадии отпадает при использовании в качестве сырья отходящих газов, так как в этом случае обжиг сульфидов является одной из стадий других технологических процессов). Следующий этап - превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Этот окислительный процесс характеризуется очень высоким значением энергии активации, для понижения которой необходимо, как

правило применение катализаторов. В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO2 в SO3, различают два основных метода получения серной кислоты.

В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO2 в SO3 проводят на твердых катализаторах.

Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса - абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SO3 + H2Oa H2SO4

При проведении процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.

Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и конечным продуктом является серная кислота:

SO2 + N2O3 + H2O a H2SO4 + 2NO

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью.

Свойства

Выходящие из печей обжига колчедана газы содержат 10-15% (об.) SO2 и приблизительно 0,5% (об.) SO3. Сера выгорает из колчедана не полностью и в огарке остается небольшое количество неразложившегося колчедана. В огарок переходят также сопровождающие колчедан примеси (SiO2, CaSO4 и др.).

Физико-химические основы процесса

Обжиг колчедана - типичный гетерогенный процесс в системе «газ - твердое», который можно описать моделью с фронтальным перемещением зоны реакции. В соответствии с этой моделью процесс включает ряд диффузионных стадий и саму химическую реакцию, также многостадийную. Согласно модели с фронтальным перемещением зоны реакции процесс характеризуется наличием нескольких последовательных стадий:

- внешняя диффузия газообразного реагента (в данном случае О2) из ядра потока через пограничный газовый слой к поверхности твердой частицы;

- внутренняя диффузия газообразного реагента через слой твердого продукта (золы) к поверхности ядра;

- химическая реакция на поверхности ядра;

- внутренняя диффузия газообразного продукта реакции (в данном случае SO2) через слой золы к поверхности твердой частицы;

- внешняя диффузия газообразного продукта реакции от поверхности твердой частицы в поток газа.

Лимитирующей стадией является стадия, сопротивление которой существенно превышает сопротивление остальных. Для интенсификации гетерогенного процесса, необходимо знать область его протекания - лимитирующую стадию, которая может быть определена экспериментальными методами, основанными на изучении влияния на скорость изменения параметров технологического режима: скорости газового потока, дисперсности частиц твердого реагента и температуры.

Для увеличения скорости процесса стремятся, прежде всего, уменьшить сопротивление диффузионных стадий, т.е. не проводить обжиг колчедана в диффузионной области. Это может быть достигнуто измельчением твердой фазы и интенсивной турбулизацией потока. Наиболее удобным аппаратом для этой цели является печь с псевдоожиженным слоем колчедана (печь «кипящего слоя» КС).

Обжиг колчедана в токе воздуха представляет собой необратимый некаталитический гетерогенный процесс, протекающий с выделением тепла через стадии термической диссоциации дисульфида железа:

FеS2 = 2FеS + S2

и окисления продуктов диссоциации:

S2 + 2О2 = 2SО2 4FеS + 7О2 = 2Fе2S3 + 4SО2

что описывается общим уравнением

4FеS2 + 11О2 = 2Fе2S3 + 8SО2, где Н = 3400 кДж.

Увеличение движущей силы процесса обжига достигается флотацией колчедана, повышающей содержание дисульфида железа в сырье, обогащением воздуха кислородом и применением избытка воздуха при обжиге до 30 % сверх стехиометрического количества.

Температура процесса должна быть достаточно большой для обеспечения высокой скорости реакции. При низких температурах (ниже 500 0C) не может протекать эндотермическая реакции термического разложения дисульфида железа. Однако проведение обжига при очень высоких температурах может вызвать нежелательный физический процесс спекания частиц горящего материала, приводящий к увеличению их размеров. Следствием этого явится увеличение времени полного превращения твердых частиц и понижением производительности печи. Температура спекания колеблется в зависимости от состава (сорта) колчедана в пределах от 800 до 900 0C. Проведение процесса в адиабатическом режиме привело бы к разогреву до более высоких температур. Поэтому часть теплоты обжига приходится отводить внутри печи. Удобнее всего это сделать в печах КС, так как в псевдоожиженном слое твердого материала достаточно велик коэффициент теплоотдачи от колчедана к поверхности охлаждающих элементов [~ 1000 кДж/(мІ·ч·К)] и в «кипящей» слой можно ввести змеевики охлаждения.

Технологическая схема процесса

Рис. 1

Для обжига колчедана применяют несколько типов непрерывно действующих печей, в которых по-разному решен вопрос о характере движения твердой фазы. В старых сернокислых установках можно встретить механические (подовые) печи. Измельченный колчедан находиться в таких печах на нескольких подах и сгорает по мере перемещения его гребками с одного пода на другой. В печах пылевидного обжига частицы колчедана сгорают во время падения в полой камере. В циклонные печи колчедан подают тангенциально вместе с горячим воздухом с большой скоростью; колчедан сгорает, вращаясь в печи вместе с воздухом: расплавленный огарок вытекает через специальные отверстия.

В настоящее время в сернокислой промышленности для обжига колчедана применяют в основном печи кипящего слоя с псевдоожиженным слое твердого материала. В псевдоожиженном слое обеспечивается высокая скорость диффузионных и теплообменных процессов (подвод кислорода к поверхности колчедана, отвод диоксида серы в газовый поток, отвод теплоты от поверхности сырья к газовому потоку). Отсутствие тормозящего влияния масс - и теплообмена позволяет проводить обжиг колчедана в таких печах с высокой скоростью. Печи КС характеризуются максимальной интенсивностью в сравнение с другими конструкциями, применяемые для обжига колчедана. К недостаткам печей КС можно отнести высокую запыленность обжигового газа.

Печь кипящего слоя КС представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру, в нижней части которой расположена газораспределительная решетка. На решетку непрерывно поступает колчедан. Снизу под решетку подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц пирита во взвешенное состояние без уноса его из печи. Поскольку реакция обжига пирита является экзотермической, то температура может подниматься выше 800°С, потому избыточную теплоту надо отводить, ее можно использовать для получения пара.

Атмосферный воздух подается с помощью воздуходувки в нижнюю часть печи. С помощью специального устройства воздух равномерно распределяется по диаметру печи и направляется через подовую решетку, в которой закреплены специальные керамические грибки для воздуха, который, проходя снизу вверх через слой колчедана, приводит его в подвижное состояние, напоминающее кипение - «кипящий» слой. В нем для отвода теплоты, выделяющейся при протекании суммарной реакции, размещен теплообменник в виде нескольких секций трубчатого теплообменника. Внутрь труб теплообменника в качестве хладагента подается нагретый водяной пар или вода, на выходе из теплообменника получается перегретый водяной пар при давлении 4 МПа и температуре порядка 440 0С.

Колчедан подается в печь при помощи двухклапанного питателя для предотвращения выноса частиц колчедана при его загрузке. Огарок отводиться из печи при помощи специальных окон на уровне верхней границы кипящего слоя и направляется с помощью транспортера в отвал.

Мазут подается только для розжига печи при ее загрузке. Вторичный воздух необходим для полного сгорания мелких частиц колчедана, выносимых из кипящего слоя. Расширяющаяся часть печи играет роль сепарационного пространства. Однако, несмотря на это, выходящий из печи обжиговый газ значительно загрязнен мелкодисперсными частицами колчедана, выносимыми из кипящего слоя.

Технологические расчеты

Исходные данные:

Производительность печи по колчедану, т/сут	250 т/сут = 10417 кг/ч
Содержание серы в сухом колчедане, масс. %	49
Влажность колчедана, масс. %	1,0
Содержание серы в огарке, масс. %	0,5
Относительная влажность воздуха, %	60
Содержание в сухом обжиговом газе: SO2, об. % SO3, об. %	13,5 0,4
Температура на входе в печь: колчедана, °C воздуха, °C	20 20
Температура обжигового газа на выходе: из печи, °C из котла-утилизатора, °C	750 410
Параметры нагретого пара: давление, Мпа температура, °C	1,0 390

Материальный баланс на 1000 кг.

Приход:

1.Количество сухого колчедана, поступающего на обжиг:

10417*0,99 = 10312,8 кг/ч

2.Количество влаги, поступающей с колчеданом:

10417*0,01=104,17 кг/ч

3.Объем воздуха, необходимого для горения колчедана:

Содержание серы в сухом колчедане:

Cs факт=49/0,99=49,5 %

Выход огарка на 250 т/сут сухого колчедана:

x=(160- Cs факт)/(160-Cs ог)

x=(160- 49,5)/(160-0,5)=0,69

Количество выгоревшей серы:

Cs выг= Cs факт-x*Cso2

Cs выг=49,5-0,69*0,5=49,16% (от массы сухого колчедана)

Расход воздуха на 250 т/сут сухого колчедана:

Vвозд= [700/(Cso2+Cso3)+2,625]* Cs выг

Vвозд= [700/(13,5+0,4)+2,625]* 49,16=2604,7 м3

Расход воздуха на 250 т/сут влажного колчедана:

2604,7 *0,99=2578,7 м3

Количества кислорода и азота, поступающих с воздухом:

Vo2=2578,7 *21/100=541,5 м3 или 541,5 *32/22,4=774,35 кг

VN2=2578,7 *79/100=2037,2 м3 или 2037,2*28/22,4=2546,5 кг

4. Количество влаги, поступающей с воздухом:

Воздух поступает с температурой 20о С, относительная влажность воздуха 0,60%,следовательно содержание водяного пара в воздухе равно 17,29 г/ м3.

Количество влаги, приносимой воздухом:

2578,7 *17,29*0,60/(760-17,29*0,60)=35,7 кг

Расход

1. Количество полученного огарка:

10417*0,69*0,99= 7115,9 кг (690 кг - выход огарка на 1000 кг сухого колчедана)

2. Количество, образовавшегося сухого обжигового газа:

Vг=700*49,16*0,99/13,9=2450,9 м3

Содержание в газе:

кислорода

Сo2=21-1,296*13,5-1,692*0,4=2,83 % (об.)

азота (по разности)

100-13,5-0,4-2,83=83,27 %(об.)

влаги, поступающей из колчедана и воздуха

104,17+35,7=139,87 кг или 174,06 м3

Состав влажного печного газа

	м3	% об.	кг
SO2	330,87	13,5	945,26
SO3	9,8	0,4	35,0
O2	541,5	2,83	774,35
N2	2037,2	83,27	2546,5
H2O	174,06	-	139,87

Материальный баланс обжига 250 т/сут влажного колчедана

Приход	кг	м3	Расход	кг	м3
Сухой колчедан	10312,8	-	Огарок	7115,9	-
Влага колчедана	104,17	-	Печной газ:
Сухой воздух:			SO2	945,26	330,87
O2	774,35	541,5	SO3	35,0	9,8
N2	2546,5	2037,2	O2	774,35	541,5
Влага воздуха	35,7	44,43	N2	2546,5	2037,2
			H2O	139,87	174,06
Всего:	13773,52	2623,13	Всего:	11556,88	3093,43

Погрешность материального баланса

(13773,52-11556,88)/ 11556,88=0,16%

Тепловой баланс обжига 1 т влажного колчедана

Приход тепла

Теплота поступает:

с сухим колчеданом

10417*0,99*0,515*20=106222,1 кДж

[0,515-теплоемкость колчедана, кДж/ (кг*К), 20 - температура колчедана на входе в печь]

с сухим воздухом

2604,7 *1,3*20=67722,2 кДж

[1,3- теплоемкость воздуха, кДж /(м3 *К)]

с влагой колчедана

104,17 *4,19*20=8729,5 кДж

с влагой воздуха

35,7 *1,51*20=1078,14 кДж

[1,51- теплоемкость водяного пара, кДж /(м3 *К)]

Тепловой эффект реакции горения колчедана:

133,2*49,16*10417*0,99=67529565,88 кДж

Общий приход теплоты:

106222,1 + 67722,2 + 8729,5 + 1078,14 +67529565,88 = 67713317,82 кДж

Расход теплоты

1.Теплота уходит:

с огарком (10% огарка уходит из кипящего слоя при 4100 и 90% уносится газами при 7500)

0,1*7115,9 *0,84*410+0,9*7115,9 *0,84*750= 4279786,9 кДж

[0,84 -теплоемкость огарка, кДж/ (кг*К)]

с обжиговым газом

3093,43*1,45*750=3364105,125 кДж

[1,45- средняя теплоемкость обжигового газа, кДж /(м3 *К)]

2. Теплопотери печи принимаем равными 1% от прихода теплоты:

(4279786,9+3364105,125)*0,01= 76438,9 кДж

3. Расход теплоты:

4279786,9 +3364105,125 +76438,9 =7720330,9 кДж

4.Количество теплоты, используемой для испарения воды и получения пара:

107500654,56-7720330,9 = 99780323,66 кДж

Составляем тепловой баланс обжига 1000 кг влажного колчедана:

Приход кДж	Расход кДж
с сухим колчеданом 106222,1	с огарком 4279786,9
с сухим воздухом 67722,2	с обжиговым газом 3364105,125
с влагой колчедана 8729,5	Теплопотери 76438,9
с влагой воздуха 1078,14	теплота, используемая на получение пара 99780323,66
от горения колчедана 67529565,88
Всего 67713317,82	Всего 107500654,585

Расчет печи с кипящим слоем для обжига колчедана

Задание: Определить габаритные размеры печи, число и размеры дутьевых устройств, диаметр газохода для обжигового газа.

Расчет:

1.Определение интенсивности печи:

Uп= 34465* Cso2*W/Cs*з*T, где

W - линейная скорость газа в рабочих условиях, м/c;

Пусть скорость газа в печи 1 м /c

з - степень выгорания серы, в долях единицы;

T- температура газа, К.

Uп= 34465*13,5*1 / 49*0,99*(750+273)= 9,4 т/(м2*сут)

2. Определение объемной интенсивности печи:

Uоб=34465* Cso2/Cs*з*T*ф, где

ф - время пребывания газа в печи, пусть равно 8с.

Uоб= 34465*13,5/ 49*0,99*(750+273)*8=1,2 т/(м3*сут)

3.Расчет основных параметров печи:

Площадь пода печи и ее диаметр

F= B/Uп, где

[В-производительность печи, т/сут]

F=250/9,4=26,6 м2

D=1,13= 5,8 м

Внутренний объем печи

Vвн=В/Uоб

Vвн=250/1,2=208,3 м3

Высота цилиндрической части

Н= Vвн/F= Uп/ Uоб

Н=208,3/26,6= 7,8 м

4. Объем воздуха, необходимого для сжигания 1 т колчедана

Vвозд=(700/13,5+2,625)*49=2669,4 м3/т

Полный расход воздуха на обжиг:

V=2669,4 *(250/24)=27806,3 м3/ч

5.Объем обжигового газа в расчете на 1 т сухого колчедана

Vг=700*49/13,5=2540,7 м3/т

Расход в час составит:

V=2540,7*250/24=26465,6 м3/ч

6. Скорость газа в печи в рабочих условиях

26465,6 *(273+750)/26,6*3600*273=1,03 м/с,

что практически соответствует заданной скорости в условии расчета.

7.Определение числа и размеров дутьевых устройств:

Число дутьевых грибков на 1 м2 примем 30 шт.

Тогда всего грибков должно быть 30*26,6=798 шт.

Расход воздуха на провальную часть дутьевой решетки принимаем 20% от общего количества:

27806,3 *0,2=5561,26 м3/ч.

Расход воздуха на один грибок:

(27806,3 -5561,26)/798*3600=0,0077 м3/с.

Площадь сечения центрального канала грибка вычисляем, принимая скорость воздуха в нем 12 м/с: 0,0077/12= 0,00064 м2.

Диаметр канала равен:

d=0,785=0,02 м=20 мм.

Под шляпкой грибка на центральном стержне просверливают 8 отверстий: при скорости в них

10 м/с, диаметр одного отверстия:

d'=/8*10*0,785= 0,011 м =11 мм.

Общая площадь отверстий должна быть:

5561,26 /10*3600=0,154 м2.

Количество отверстий:

0,154/(0,785*0,012)=1962 шт.

8. Площадь сечения и диаметр газохода

F=26465,6 *(273+750)/3600*10*273=2,75 м2

D= /0,785= 2,11 м

Рис. 2

Анализ технико-экономической и экологической эффективности печи КС

колчедан обжиг печь сера

Печи КС характеризуются максимальной интенсивностью в сравнение с другими конструкциями, применяемые для обжига колчедана. Следовательно, в технико-экономическом плане более эффективна. К недостаткам печей КС можно отнести высокую запыленность обжигового газа, что уменьшает экологическую эффективность печи.

Список литературы

1. «Расчеты по технологии неорганических веществ». Под редакцией М.Е. Позина. - М.: Химия, 1977.

2. «Расчеты химико-технологических процессов» Ю.Г. Пикулин, Б.Б. Еремеев. - М.: МГУИЭ.

3. «Общая химическая технология» Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г.-1990.

4. «Химическая технология и основы промышленной экологии». Под редакцией Т.И. Бондаревой, Ю.Г. Пикулина. - М.: МГУИЭ, 2006.

Размещено на Allbest.ru