Применяемые катализаторы

На оксидно-железном катализаторе () энергия активации составляет
Е_к =160 кДж/моль. Катализатор характеризуется высокой температурой зажигания ^оС, и равновесная степень превращения SO₂ х_р ≈ 70%.

Для ванадиевых катализаторов с калиевым активатором () суммарная скорость реакции выражается уравнением:

и кДж/моль. При ^оС и х_р ≈ 99%.

Для наиболее активного платинового катализатора (металлическая платина)

где – равновесная концентрация

Порядок реакции и кДж/моль при Однако платина не нашла применения вследствие дороговизны и лёгкой отравляемости примесями обжигового газа, особенно мышьяком.

В настоящее время применяют катализатор, содержащий пятиоксид ванадия (~7%) и активатор К₂О, носителями для создания развитой поверхности служат пористые алюмосиликаты или диоксид кремния. Гранулы катализатора имеют размер не более 1,5 мм и хорошо противостоят диффузионному торможению внутри пор катализатора. Однако мелкие гранулы создают большое гидрав­ли­ческое сопротивление, и поэтому применяют зерна размером 5 мм. Срок службы в среднем 4 года.

В целом мы можем классифицировать окисление диоксида серы как простой, экзотермический, двусторонний смещаемый, гетерогенно-каталитический процесс.

Процесс катализа складывается из диффузионных и кинетических стадий. В крупных гранулах катализатора суммарная скорость процесса определяется диффузией реагентов в порах, но при размерах частиц не более 5 мм лимитирующей стадией является общий акт каталитического химического взаимодействия, т.е. процесс протекает с химическим торможением.

Основным типовым технологическим приемом для простого или сложного, экзотермического, двустороннего смещаемого процесса является его проведение в полочном реакторе при понижающейся от начала к концу контактирования (от слоя к слою катализатора) температуре. Температурный режим при этом приближен к линии оптимальных температур процесса.

Для увеличения конечной степени превращения SO₂ используют двойное контактирование (рис. 7). Оно состоит в том, что окисление SO₂ ведут в два этапа. На первом этапе обеспечивают степень превращения SO₂ примерно 98%, затем удаляют SO₃ из газа путем абсорбции. Газ возвращают на окисление, при котором обеспечивается степень превращения оставшегося SO₂ примерно 95%, общая степень превращения в двойном контактировании достигает 99,5%.

 

Рисунок 7 – Схема контактного отделения с двойным контактированием

1 – газодувка, 2 – газовые теплообменники, 3 – контактный аппарат

7. Процесс абсорбции SO₃

Способ выделения SO₃ зависит от того, подвергается газ осушке перед стадией окисления или нет.

В первом случае SO₃ абсорбируют серной кислотой, а во втором – проводят конденсацию серной кислоты из парагазовой смеси.

На современных установках газ обязательно подвергают осушке и SO₃ абсорбируют серной кислотой.

Сначала SO₃ растворяется в серной кислоте, а затем взаимодействует с содержащейся в ней водой по реакции:

nSO₃ + H₂O «H₂SO₄ + (n-1)SO₃

при n > 1 образуется олеум, n = 1 – 100% серная кислота (моногидрат), n < 1 – разбавленная серная кислота.

Если в качестве продукта желательно получить олеум, содержащий SO₃, газ в начале пропускают через абсорбер, орошаемый олеумом. Газообразный SO₃ наиболее полно абсорбируется 98,3% серной кислотой.

Процесс абсорбции описывается обычным уравнением:

Q = KFDp

Q – количество абсорбировавшегося SO₃;

K – коэффициент абсорбции;

Dp - движущая сила абсорбции;

F – поверхность контакта газовой и жидкой фаз.

Поверхность контакта F увеличивают путем использования насадочных абсорберов. Процесс протекает в пленке жидкости, образующейся на развитой насадке. Коэффициент абсорбции К зависит, в первую очередь, от температуры. Она должна быть в пределах 30-50 град. С. С увеличением температуры степень абсорбции снижается, а при достижении определенной температуры процесс полностью прекращается.

Схема двухстадийного процесса абсорбции показана на рисунке 8.

 

 

Рисунок 8 – Схема двухстадийного процесса абсорбции SO₃

1 – холодильник газа; 2 – олеумный абсорбер; 3 – моногидратный аппарат; 4 – сушильный барабан; 5 – холодильники жид­ко­го продукта; 6, 7 – сборники олеума и моногидрата соответственно

 

На представленной схеме на первой стадии абсорбции SO ₃ и абсорбент (20 % олеум) охлаждают до 80 ^оС перед абсорбцией. На второй стадии в ка­честве сорбента используют моногидрат.

 

 

8. Технологическая схема получения H₂SO₄ методом ДК - ДА

Полную технологическую схему производства серной кислоты контакт­ным способом называют ДК - ДА (двойное контактирование – двойная абсор­б­ция). Она является гораздо более сложной и включает следующие отделения:

– печное с сухой очисткой газа;

– промывное, в котором газ подвергают мокрой очистке от остатков пыли, сернокислотного тумана, контактных ядов и водяных паров;

– компрессорное;

– контактное;

– абсорбционное.

Производительность такой установки составляет до 1500 т / сутки по моногидрату. Расходные коэффициенты на 1 т моногидрата таковы: кол­чедан – 0,82 т, вода – 50 м³, электроэнергия – 82 кВт · ч.

Часть подобной схемы, за исключением печного отделения и отделения общей очистки печного газа, технологически однотипных для всех схем, представлена на рис. 9.

Рисунок 9 – Технологическая схема производства H2SO4 методом ДК-ДА 1 – полая промывная башня; 2 – промывная башня с насадкой; 3 - увлажнительная башня; 4 – электрофильтры; 5 – сушильная башня; 6 - турбогазодувка; 7 – сбоники 75%-ной кислоты; 8 – сборник продукционной кислоты; 9 – теплообменники; 10 – контактный аппарат; 11 – олеумный абсорбер; 12 и 13 – моногидратные абсорберы. Потоки продуктов: I – охлажденная 98% кислота; II – продукционная кислота на охлаждение; III – охлажденный олеум или монигидрат; IV - продукционный олеум на охлаждение