Обжиг колчадана

3.6.3 Проточно-циркуляционный метод испытания активности контактных масс

Этот метод позволяет вести процесс контактирования в режиме идеального смешения, практически при отсутствии градиентов концентраций и температур, и дает возможность непосредственно измерять скорость реакции. Этот метод допускает исследование зерен катализатора любой крупности и формы без предварительного измельчения. Можно испытывать даже отдельные зерна или кольца, но в этом случае необходимо довольно большое соотношение скоростей циркуляции и газового потока, чтобы наблюдаемая скорость реакции не зависела от неравномерности прохождения реакционной смеси по сечению реактора.

При исследовании активности ванадиевых катализаторов в проточно-циркуляционной установке (рисунок 3.6, а) газы (кислород или воздух, азот, двуокись серы) из баллонов, пройдя систему очистки и осушки, поступают в расходомеры. Затем три газовых потока соединяются в смесителе и направляются в колонку, заполненную , для более тонкой осушки. Газовый поток непрерывно поступает в цикл и выводится из него. Интенсивная циркуляция газа в цикле достигается при помощи стеклянного поршневого электромагнитного насоса производительностью около 1000 л/ч. Клапанная коробка обогревается наружной электрической спиралью, что позволяет избежать «залипания» клапанов вследствие конденсации S03.

Контактный аппарат (рисунок 3.6, 6) представляет собой кварцевую трубку внутренним диаметром 25-28 мм и высотой 100-120 мм со стеклянной сеткой, на которую помещен катализатор, и впаянным карманом для термопары. Змеевик контактного аппарата с большим числом витков (15-20) служит для подогрева входящего газа до температуры катализа. Внутренний диаметр трубок змеевика 6-8 мм. Реактор помещен в трубчатую печь внутренним диаметром 70 мм (наружный диаметр печи не менее 180--200 мм) и высотой 700 мм. Температурное поле по высоте печи должно иметь изотермический участок длиной не менее 100 - 120 мм.

Рисунок 3.6. Схема испытания активности контактных масс проточно-циркуляционным методом: а - проточно-циркуляционная установка; 1 - колонка с оксидом меди; 2 -- моностаты; 3 - осушители газа (с серной кислотой); 4 - стеклянные реометры; 5 - смеситель; 6 - колонка с ангидроном; 7 - колонки с P2O5; 8 - клапанная коробка; 9 - циркуляционные насос; 10 - дифференциальный манометр; 11 - реактор; 12 - ловушка; 13 - барботер с серной кислотой; б - реактор; 1 - трубка; 2 - змеевик; 3 - карман для термопары; 4 - пористая пластинка или сетка.

Заданная температура в печи поддерживается с помощью терморегулятора типа ЭПВ2-11А или другого. Регулирующая термопара находится в кармане, расположенном вдоль стенки трубки в печи (непосредственно под обмоткой), показывающая термопара помещается в кармане реактора (в слое катализатора).

Содержание S02 на выходе из цикла определяют по методу Рейха, анализ конечного газа проводится 3-5 раз без поглощения S03 с интервалом по 30 мин. Если результаты сходятся, определение считают законченным. Исходный газ анализируют на содержание S02 таким же методом, кислород определяют в исходном газе путем поглощения 02 щелочным раствором пирогаллола.

Сразу же после испытаний при 485°С переходят к определению активности при 420°С и степени превращения 30-33%. Степень превращения регулируется изменением объемной скорости; интервал между анализами конечного газа 1 ч [1, 509].

3.7 Термическая устойчивость

Второй существенной характеристикой качества контактной массы является ее устойчивость к перегревам. Для определения термической устойчивости контактных масс схема установки сохраняется такой же, как при испытании их активности, но изотермическая печь заменяется обычной электрической печью с платиновым нагревателем. В кварцевую или фарфоровую контактную трубку внутренним диаметром 30-35 мм вставляют внутренний кварцевый чехол Для хромельалюмелевой или платиноплатиновой термопары; наружный диаметр чехла 10 мм. Испытуемую массу известной активности обрабатывают двуокисью серы и 30 мл этой массы загружают в контактную трубку.

Температуру повышают до 450°С, после чего через контактную трубку начинают пропускать газовую смесь, содержащую 5% S02. Затем температуру возможно быстрее повышают до 700°С и выдерживают в этих условиях 5 ч, после чего температуру быстро снижают до 450°С и проводят испытания каталитической активности. По окончании испытаний измеряют объем выгруженной контактной массы [1, 511].

3.8 Сушка и насыщение ванадиевых контактных масс

Насыщение катализатора БАВ проводится в рабочих контактных аппаратах. Сушка и разогрев контактной массы в аппарате производится сухим воздухом, содержащим не более 0,002% S02 и 0,02% паров воды. Газ в аппарате проходит сверху вниз, температуру воздуха на входе в аппарат для насыщения можно быстро повысить до 80°С, а в дальнейшем постепенно повышать со скоростью 10 град/ч. По достижении на входе в аппарат температуры 100-120°С ее подъем задерживается на 4-5 ч. В дальнейшем нагревание можно ускорить до 20-25 град/ч. Разогрев массы воздухом продолжается до достижения на входе температуры 400-420° С, затем массу выдерживают 4-5 ч для равномерного разогрева всех участков катализатора. Количество воздуха составляет 400-1000 мэ/ч на 1 г насыщенной массы. Температура воздуха в нижних слоях контактной массы должна быть не ниже 360°С.

По окончании сушки к воздуху добавляют двуокись серы (для насыщения контактной массы). Вначале добавление S02 ведут очень осторожно, с таким расчетом, чтобы концентрация S02 не превышала 0,1%. При этой концентрации следует продолжать насыщение 3-4 ч, затем содержание двуокиси серы повышают до 0,2- 0,3% и, в зависимости от объема подаваемого воздуха, поддерживают на этом уровне в течение 12-20 ч. Далее концентрацию S02 повышают до 0,4-0,5% и сохраняют постоянной на этом уровне до окончания насыщения. При этом вследствие превращения хлоридов в сульфаты контактная масса разогревается, и термопары, находящиеся в середине и в конце слоя массы, отмечают резкий подъем температуры.

Если температура достигнет 500°С, концентрацию двуокиси серы необходимо снизить. Обработку контактной массы газом указанного состава следует продолжать до тех пор, пока разность температур на выходе и входе снизится до 30°С. После этого концентрацию S02 постепенно повышают до 1% и поддерживают ее 4-5 ч, чтобы полностью насытить отдельные участки контактной массы. Затем концентрацию двуокиси серы повышают со скоростью 0,2-0,5% в 1 ч до достижения 5% S02 и поддерживают эту концентрацию в течение 4 ч, далее переходят на эксплуатационный режим, если операция сушки и насыщения ванадиевого катализатора проводилась в производственном аппарате. Если же эти операции выполнялись в специальном аппарате, подачу двуокиси серы прекращают и через контактную массу продувают в течение 10 ч воздух при начальной температуре 420-450° С. Затем температуру воздуха снижают со скоростью 50-100 град/ч до уровня, при котором можно перегружать контактную массу в промышленный реактор.

В процессе насыщения из контактной массы выделяется хлор, поэтому выходящие из аппарата газы следует отводить в трубу достаточной высоты. Насыщенная масса гигроскопична н, поглощая влагу из воздуха, разрушается. Хранение насыщенной массы допускается лишь в герметичной таре [1, 512].

3.9 Кинетика окисления двуокиси серы на ванадиевых катализаторах

Предложено несколько кинетических уравнений, описывающих зависимость скорости реакции окисления S02 на ванадиевых катализаторах от состава газовой смеси. Более точно эта зависимость описывается уравнением Борескова - Иванова:

где k - константа скорости реакции; Кр - константа равновесия; , , - парциальные давления двуокиси серы, кислорода и трехокиси серы; А' - коэффициент (А' - 0,80). Обозначим начальные концентрации (в долях) двуокиси серы через а, кислорода через b и степень превращения через х, тогда уравнение (5) преобразуется к виду

Здесь член учитывает увеличение концентрации S02 вследствие уменьшения общего объема газовой смеси в результате реакции (коэффициент А = 1 - А' для катализатора БАВ равен 0,20-0,25).

Условное время контакта равно

где vK - объем катализатора, м3; v0 - объемная скорость исходной реакционной смеси, приведенной к нормальным условиям, м3/сек. В таблице 5 приведены значения констант скорости реакции окисления двуокиси серы на гранулированном ванадиевом катализаторе при 400-600°С.

Таблица 5 Константы скорости k реакции окисления диоксида серы на промышленном катализаторе БАВ (диаметр зерен 4,5-5 мм, длина 10 мм)

Состав и свойства катализатора зависят от состава реакционной смеси. При температурах 470°С и ниже в зависимости от содержания двуокиси и трехокиси серы в газе активный компонент ванадиевого катализатора превращается в каталитически малоактивный сульфат ванадила с одновременным фазовым превращением. В связи с этим зависимость константы скорости реакции от температуры имеет ряд особенностей. Для катализатора промышленного зернения (зерна 4,54,5 мм) подобная зависимость приведена на рисунке 3.7. График lg k = 1/Т имеет три излома - при температурах 440, 470 и 530°С и соответственно разные значения энергий активации Е, наблюдаемые в различных областях изменения температур и степеней превращения.

Рисунок 3.7 График для катализатора БАВ промышленного зернения; 1 - при 2 - при

Влияние процессов массопереноса на скорость процесса окисления двуокиси серы. Процесс окисления двуокиси серы на зернах катализаторов, используемых в промышленных контактных аппаратах, протекает в переходной области (между областями химической кинетики и внутренней диффузии). Степень использования внутренней поверхности катализатора зависит от пористости его структуры, крупности зерен и степени превращения.

На рисунке 3.8 приведены константы скоростей реакции на мелких зернах катализатора (в кинетической области) и для зерен размером 4,54,5 мм (во внутридиффузионной и переходной областях).

Рисунок 3.8 График для катализатора БАВ: 1 - зерна 0,75 мм; 2 - зерна 4,5 мм.

Процессы переноса к внешней поверхности зерен катализатора оказывают влияние на скорость окисления S02 лишь при высоких температурах, малых степенях превращения и высоком содержании двуокиси серы [1, 513].

4. Расчетная часть

Расчет материального баланса произведен в программе MachCad в приложении А. Результаты расчета представлены в таблицах 7 - 10 [5, 71].

Таблица 7

Таблица 8

Таблица 9

Таблица 10

Расчет теплового баланса произведен в программе MachCad в приложении Б. Результаты расчета представлены в таблицах 11 - 12 [5, 81].

Таблица 11

Таблица 12

Расчет основных размеров контактного аппарата в производстве серной кислоты произведен в программе MachCad в приложении В. Результаты расчета представлены в таблице 13 [1, 513].

Таблица 13

Высота аппарата - 19,358 м.

Расчет гидравлического сопротивления контактного аппарата произведен в программе MachCad в приложении Г. Результаты расчета:

Общее гидравлическое сопротивление - 2,809 103 Па [1, 516].

5. Эксплуатация аппарата

В период пуска системы, когда тепло реакции окисления еще не начало выделяться, газ нагревают до температуры зажигания в подогревателе. При выходе контактного узла на обычный режим работы подогреватель отключают.

Разогрев контактного аппарата КА во время пуска (как и продувка контактной массы перед остановкой контактного аппарата) проводится сухим атмосферным воздухом, предварительно пропускаемым через сушильную башню. Разогрев и продувку аппарата можно проводить и влажным атмосферным воздухом. Однако при этом необходимо следить за тем, чтобы из катализатора удалялся при высокой температуре (для предотвращения конденсации паров ). В контактном аппарате с кипящим слоем холодильные элементы размещены в самом слое массы. Охлаждение проводится холодной водой или другим хладагентом.

При эксплуатации контактного отделения различают два периода его работы:

1. Пусковой, когда тепло реакции еще не выделяется и газ нагревается в подогревателе за счет использования топлива или электроэнергии;

2. Период нормальной работы, когда газ нагревается в теплообменниках вследствие выделения тепла реакции (подогреватель не работает).

Для каждого из этих периодов существуют определенные схемы включения аппаратов: пусковая и рабочая [3, 134]. При эксплуатации катализатор загружается через штуцера. Активность контактной массы постепенно снижается, поэтому катализатор меняют через каждые 3 - 5 лет. При строгом соблюдении правил эксплуатации (например, поддержание постоянного температурного режима в аппарате, продувка его перед остановкой горячим воздухом и т. д.) этот срок значительно увеличивается.

Заключение

В данном курсовом проекте спроектирована технологическая схема и контактный аппарат окисления в производстве концентрированной серной кислоты. Также произведен расчет материального и теплового баланса контактного аппарата, его габаритные размеры и гидравлическое сопротивление.

В данной работе осуществлен обзор и анализ существующих конструкций реакторных устройств, был выбран катализатор и оптимальные условия для проведения процесса.

Список использованной литературы

1. Справочник сернокислодчика. Издание 2-е и переработанное. Под ред. Доктора технологических наук профессора К.М. Малинина. М: Изд-во «Химия», 1971. - 722 с.

2. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.С. Общая химическая технология. Учебник для технических вузов. - М.: Академ. книга. 2003. -520с.

3. Амелин А.Г., Ярский Е.В. Производство серной кислоты: Учебник для проф.-техн. Учеб. Заведений. - 2-е издание, переработанное и доп. - М.: высш. Школа, 1980. - 245 с.

4. Электронный курс лекций. Химическая технология органических веществ. В.П. Колесников. Ставрополь, 2007.

5. Расчеты по технологии неорганических веществ. Издание 2-е, переработанное. Под общей редакцией проф. М.Е. Позина. Ленинградское отделение: Изд-во «Химия», 1977. - 490 с.

6. Проскурнин А.Л. Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальности 240301 - «Химическая технология неорганических веществ». Невинномысск 2003, - 13 с.

Размещено на Allbest.ru