RU2174945C2 - Method of processing concentrated sulfur dioxide - Google Patents
Method of processing concentrated sulfur dioxide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2174945C2 RU2174945C2 RU99126282A RU99126282A RU2174945C2 RU 2174945 C2 RU2174945 C2 RU 2174945C2 RU 99126282 A RU99126282 A RU 99126282A RU 99126282 A RU99126282 A RU 99126282A RU 2174945 C2 RU2174945 C2 RU 2174945C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- contact
- gas
- stream
- mol
- Prior art date
Links
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 144
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 99
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 117
- AKEJUJNQAAGONA-UHFFFAOYSA-N sulfur trioxide Chemical compound O=S(=O)=O AKEJUJNQAAGONA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 47
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 43
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 36
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 34
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims abstract description 8
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical class S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 72
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 41
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 26
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 20
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 16
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 19
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 abstract 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 278
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 230000008859 change Effects 0.000 description 16
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 14
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 13
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 12
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 5
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- CUANPDVJYOCTJE-UHFFFAOYSA-N [S].O=O Chemical compound [S].O=O CUANPDVJYOCTJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009331 sowing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу переработки концентрированного сернистого газа, включающего окисление диоксида серы, и может быть использовано в химической промышленности для получения контактным способом жидкого триоксида серы, серной кислоты, олеума. The invention relates to a method for processing concentrated sulfur dioxide gas, including the oxidation of sulfur dioxide, and can be used in the chemical industry for the production of liquid sulfur trioxide, sulfuric acid, oleum by contact method.
В контактном способе газообразный поток, содержащий диоксид серы и кислород, а также балластные компоненты, в частности азот, проходит последовательно несколько слоев катализатора, расположенных в одном или нескольких контактных аппаратах. Несколько слоев катализатора применяют для достижения наиболее полного превращения диоксида серы в триоксид. Обычно используются ванадиевые, реже платиновые катализаторы. Для избежания перегрева катализатора газовый поток охлаждают между слоями с использованием теплообменной аппаратуры, располагаемой внутри или снаружи аппарата с адиабатическими слоями катализатора. Возможен прием охлаждения непосредственно слоя катализатора, что на практике не получило распространения. In the contact method, a gaseous stream containing sulfur dioxide and oxygen, as well as ballast components, in particular nitrogen, passes sequentially several catalyst beds located in one or more contact devices. Several catalyst layers are used to achieve the most complete conversion of sulfur dioxide to trioxide. Usually used are vanadium, less often platinum catalysts. In order to avoid overheating of the catalyst, the gas stream is cooled between the layers using heat exchange equipment located inside or outside the apparatus with adiabatic catalyst layers. It is possible to directly cool the catalyst bed, which in practice is not widespread.
Эффективность работы контактного аппарата является аддитивной величиной, определяемой работой каждого слоя контактного аппарата. Эффективность работы слоя контактной массы это прежде всего удельная производительность контактной массы слоя. Под удельной производительностью слоя понимается количество триоксида серы, полученное за время пребывания реакционного газа в слое, отнесенное к объему, который занимает контактная масса слоя. Под производительностью слоя контактной массы понимается количество триоксида серы, полученное за время пребывания реакционного газа в этом слое. The efficiency of the contact apparatus is an additive quantity determined by the operation of each layer of the contact apparatus. The effectiveness of the contact mass layer is primarily the specific productivity of the contact mass of the layer. The specific productivity of a layer is understood to mean the amount of sulfur trioxide obtained during the residence time of the reaction gas in the layer, referred to the volume occupied by the contact mass of the layer. By the performance of the contact mass layer is meant the amount of sulfur trioxide obtained during the residence time of the reaction gas in this layer.
В известных способах контактного окисления диоксида серы в триоксид эффективность работы падает от слоя к слою. Неизвестны способы контактного окисления SO2, которые обеспечивают выравнивание по слоям аппарата удельной производительности контактной массы при заданной производительности слоя контактной массы. Среди известных способов отдельно решается либо задача повышения удельной производительности контактной массы второго и последующих слоев, при этом производительность второго и последующих слоев резко падает, либо задача повышения производительности второго и последующих слоев, при этом удельная производительность контактной массы второго и последующих слоев резко падает.In known methods for the contact oxidation of sulfur dioxide to trioxide, the efficiency decreases from layer to layer. The contact oxidation methods of SO 2 are unknown, which provide alignment of the specific productivity of the contact mass at the given productivity of the contact mass layer over the device layers. Among the known methods, either the task of increasing the specific productivity of the contact mass of the second and subsequent layers is sharply solved, while the productivity of the second and subsequent layers drops sharply, or the task of increasing the productivity of the second and subsequent layers, while the specific productivity of the contact mass of the second and subsequent layers drops sharply.
Известен способ каталитического окисления SO2 до SO3 методом двойного контактирования, промежуточной абсорбцией из контактного газа SO3 после третьего слоя, доокисления SO2 на второй ступени контактирования и конечной абсорбцией SO3 (Справочник сернокислотчика. - М.: Химия, 1971, с. 559-570 [1] ). В данном способе перерабатывается газовый поток, в котором содержание SO2 составляет 9%, а содержание O2 не выше 15% от общего числа молей потока. Остальной объем потока занимает азот, который, являясь балластным компонентом, отводит избыточное тепло из контактного аппарата. Пример переработки SO2 по этому способу представлен в табл. 1.A known method for the catalytic oxidation of SO 2 to SO 3 by the method of double contacting, intermediate absorption of SO 3 from the contact gas after the third layer, oxidation of SO 2 at the second contacting stage and final absorption of SO 3 (Handbook of sulfuric acid. - M .: Chemistry, 1971, p. 559-570 [1]). In this method, a gas stream is processed in which the SO 2 content is 9% and the O 2 content is not higher than 15% of the total number of moles of the stream. The remaining volume of the flow is nitrogen, which, as a ballast component, removes excess heat from the contact apparatus. An example of the processing of SO 2 by this method is presented in table. 1.
Недостатками данного способа являются:
- снижение по сравнению с первым слоем производительности второго и последующего слоев контактной массы и, следовательно, низкая производительность в целом контактного аппарата;
- снижение удельной производительности контактной массы второго и третьего слоев;
- отсутствие возможности перерабатывать газовые потоки с концентрацией диоксида серы выше 9-12 об.%.The disadvantages of this method are:
- a decrease in comparison with the first layer of productivity of the second and subsequent layers of the contact mass and, consequently, the low productivity of the whole contact apparatus;
- a decrease in the specific productivity of the contact mass of the second and third layers;
- the inability to process gas streams with a concentration of sulfur dioxide above 9-12 vol.%.
Известен способ получения серной кислоты путем многостадийного окисления сернистого ангидрида в серный с промежуточной абсорбцией последнего с образованием серной кислоты, делением потока газа после первой или последующих стадий окисления на два потока, один из которых подвергают промежуточной абсорбции с последующим смешением его со вторым потоком перед подачей на следующую стадию окисления (SU 346852 A, 28.07.72 [2]). Газ делят в таком соотношении, при котором теплосодержание потока после промежуточной абсорбции и теплосодержание неабсорбированного потока обеспечивают рабочую температуру последующей стадии окисления. В данном способе перерабатывается газовый поток, в котором содержание SO2 составляет 9%, а содержание O2 не выше 15% от общего числа молей потока. Остальной объем потока занимает азот. Пример переработки по способу [2] представлен в табл. 2.A known method of producing sulfuric acid by multi-stage oxidation of sulfur dioxide to sulfur with an intermediate absorption of the latter with the formation of sulfuric acid, dividing the gas stream after the first or subsequent stages of oxidation into two streams, one of which is subjected to intermediate absorption, followed by mixing it with a second stream before applying to the next stage of oxidation (SU 346852 A, 07/28/72 [2]). The gas is divided in such a ratio that the heat content of the stream after intermediate absorption and the heat content of the unabsorbed stream provide the operating temperature of the subsequent oxidation step. In this method, a gas stream is processed in which the SO 2 content is 9% and the O 2 content is not higher than 15% of the total number of moles of the stream. The remaining volume of the flow is nitrogen. An example of processing by the method [2] is presented in table. 2.
Недостатками данного способа являются:
- снижение производительности второго и последующего слоев контактной массы и, следовательно, низкая производительность контактного аппарата, из-за необходимости поддерживать высокую степень превращения SO2 в SO3 в контактном аппарате;
- отсутствие возможности перерабатывать газовые потоки с концентрацией SO2 выше 9-12 об.% из-за высоких требований к степени превращения.The disadvantages of this method are:
- reduced productivity of the second and subsequent layers of the contact mass and, therefore, low productivity of the contact apparatus, due to the need to maintain a high degree of conversion of SO 2 to SO 3 in the contact apparatus;
- the inability to process gas streams with a concentration of SO 2 above 9-12 vol.% due to the high requirements for the degree of conversion.
Известен способ переработки концентрированного сернистого газа (Боресков Г. К. Катализ в производстве серной кислоты. - М.: Госхимиздат, 1954, с.331 [3] ), который основан на промежуточной дозировке компонентов газовой смеси по слоям. В этом способе исходный сернистый газ разделяют на два потока, разбавляют первый поток воздухом до содержания 7-8% SO2 в нем, перерабатывают этот газ до степени окисления SO2 в SO3, равной 0.7, и разбавляют этим контактным газом второй поток исходного сернистого газа.A known method of processing concentrated sulfur dioxide (Boreskov G. K. Catalysis in the production of sulfuric acid. - M .: Goskhimizdat, 1954, p.331 [3]), which is based on an intermediate dosage of the components of the gas mixture in layers. In this method, the source sulfur dioxide is divided into two streams, the first stream is diluted with air to a content of 7-8% SO 2 in it, this gas is processed to an oxidation state of SO 2 in SO 3 of 0.7, and the second stream of the source sulfur is diluted with this contact gas gas.
Недостатком данного способа является снижение удельной производительности контактной массы второго и последующего слоев из-за накопления SO3 в газовом потоке от слоя к слою.The disadvantage of this method is the reduction in the specific productivity of the contact mass of the second and subsequent layers due to the accumulation of SO 3 in the gas stream from layer to layer.
Известен способ получения серной кислоты по циклической схеме (SU 301985 A, 03.11.85 [4]). Способ включает стадии получения концентрированного сернистого газа, окисления SO2 до SO3, абсорбции SO3, рециркуляции отработанных газов абсорбции, отдувку из цикла части отработанного газа, содержащего SO2, с последующим его выделением и возвратом на переработку. Эффективность окисления SO2 в SO3 также падает от слоя к слою.A known method of producing sulfuric acid in a cyclic manner (SU 301985 A, 03.11.85 [4]). The method includes the steps of producing concentrated sulfur dioxide, oxidizing SO 2 to SO 3 , absorbing SO 3 , recirculating the absorption exhaust gas, blowing part of the exhaust gas containing SO 2 from the cycle, and then releasing it and returning it to processing. The oxidation efficiency of SO 2 in SO 3 also decreases from layer to layer.
Ближайшими к заявляемому способу известными техническими решениями аналогичной задачи являются способ получения жидкого SO3 по циклической схеме (US 4046866 A, 1977 [5]) и способ получения серного ангидрида по циклической схеме (US 563115 A, 10.08.77 [6]). Способы [5] и [6] основаны на получении жидкого SO3, серной кислоты и олеума из газовых смесей с высокой концентрацией в них SO2 и O2 и включают следующие стадии:
- получение концентрированного SO2 окислением серы O2 с подачей в реакционную камеру рециклового газа для понижения температуры окисления;
- каталитическое окисление SO2 с разбавлением контактной смеси исходной смесью с промежуточной дозировкой ее по слоям контактного аппарата и теплоотводом между слоями;
- выделение жидкого SO3 путем его конденсации и абсорбции из контактного газа, получаемого на выходе многослойного аппарата;
- рециркуляцию отходящих газов на стадию сжигания серы;
- выведение из цикла части отработанного газа.The closest to the claimed method known technical solutions to a similar problem are a method for producing liquid SO 3 in a cyclic manner (US 4046866 A, 1977 [5]) and a method for producing sulfuric anhydride in a cyclic manner (US 563115 A, 10.08.77 [6]). Methods [5] and [6] are based on the production of liquid SO 3 , sulfuric acid and oleum from gas mixtures with a high concentration of SO 2 and O 2 in them and include the following stages:
- obtaining concentrated SO 2 by oxidation of sulfur O 2 with the supply of recycled gas to the reaction chamber to lower the temperature of oxidation;
- catalytic oxidation of SO 2 with dilution of the contact mixture with the initial mixture with an intermediate dosage of it over the layers of the contact apparatus and heat removal between the layers;
- the allocation of liquid SO 3 by condensation and absorption from the contact gas obtained at the outlet of the multilayer apparatus;
- exhaust gas recirculation to the sulfur burning stage;
- removing from the cycle part of the exhaust gas.
В способе [5] в контактный аппарат подают газовый поток, содержащий (от общего количества молей потока) 15 - 45% диоксида серы, 20 - 40% кислорода, 15 - 25% азота и 2 - 25% триоксида серы. Между слоями катализатора для понижения температуры контактного газа предусмотрено его разбавление смесью исходного и рециклового газа. За один проход через контактный аппарат достигают степени превращения SO2 в SO3, равной 60%. Пример окисления по данному способу представлен в табл. 3 и 4.In the method [5], a gas stream containing (from the total number of moles of the stream) 15 to 45% sulfur dioxide, 20 to 40% oxygen, 15 to 25% nitrogen and 2 to 25% sulfur trioxide is supplied to the contact apparatus. Between the layers of the catalyst to reduce the temperature of the contact gas, it is envisaged to dilute it with a mixture of source and recycle gas. In one pass through the contact apparatus, a degree of conversion of SO 2 to SO 3 of 60% is achieved. An example of oxidation by this method is presented in table. 3 and 4.
В способе [6] весь кислород подают на первый слой контактной массы контактного аппарата. Исходный сернистый газ распределяется между слоями и дозируется в каждый слой контактной массы. С выхода каждого слоя, кроме последнего, поток контактного газа подается на вход следующего слоя, предварительно охлаждаясь. С выхода последнего слоя контактного аппарата контактный газ направляется на стадию выделения SO3.In the method [6], all oxygen is supplied to the first layer of the contact mass of the contact apparatus. The source sulfur dioxide is distributed between the layers and dosed into each layer of the contact mass. From the output of each layer, except the last, the contact gas flow is fed to the input of the next layer, pre-cooled. From the output of the last layer of the contact apparatus, the contact gas is directed to the SO 3 separation step.
Недостатками способов [5, 6] являются:
- низкая удельная производительность контактной массы из-за присутствия в реакционном газе SO3;
- непроизводительная рециркуляция SO3, который возвращают в печь и в контактный аппарат для понижения температуры.The disadvantages of the methods [5, 6] are:
- low specific productivity of the contact mass due to the presence of SO 3 in the reaction gas;
- unproductive recirculation of SO 3 , which is returned to the furnace and to the contact apparatus to lower the temperature.
Общим недостатком известных способов многостадийного окисления SO2 в SO3 в многослойном аппарате с неподвижными слоями контактной массы является то, что происходит снижение эффективности использования контактной массы катализатора от слоя к слою. Снижение эффективности использования контактной массы катализатора происходит либо из-за снижения производительности слоя контактной массы, либо из-за снижения удельной производительности контактной массы слоя, либо по обеим причинам.A common disadvantage of the known methods of multi-stage oxidation of SO 2 in SO 3 in a multilayer apparatus with fixed layers of contact mass is that there is a decrease in the efficiency of using the contact mass of the catalyst from layer to layer. The decrease in the efficiency of using the contact mass of the catalyst occurs either due to a decrease in the productivity of the contact mass layer, or due to a decrease in the specific productivity of the contact mass of the layer, or for both reasons.
Снижению производительности контактного аппарата от слоя к слою отвечает снижение адиабатического разогрева газа за время пребывания в слое контактной массы, что происходит из-за изменения количеств молей SO2, O2 и SO3 в реакционном газе на входе в каждый слой контактной массы, а также из-за нехватки количества контактной массы в слое. В известных способах [4]-[6] повышения производительности второго и последующих слоев контактной массы добиваются распределением исходного сернистого газа по слоям контактного аппарата с одновременным применением в реакционном газе SO3 как аккумулятора теплоты, выделяющейся в процессе окисления SO2. Однако в этих способах резко снижается удельная производительность контактной массы от слоя к слою, что требует дополнительного объема контактной массы и увеличивает капитальные затраты.The decrease in the productivity of the contact apparatus from layer to layer corresponds to a decrease in the adiabatic heating of the gas during the stay in the contact mass layer, which is due to a change in the amounts of moles of SO 2 , O 2 and SO 3 in the reaction gas at the inlet to each contact mass layer, as well as due to lack of contact mass in the layer. In the known methods [4] - [6], the productivity of the second and subsequent layers of the contact mass is improved by distributing the initial sulfur dioxide gas over the layers of the contact apparatus with the simultaneous use of SO 3 in the reaction gas as an accumulator of heat released during the oxidation of SO 2 . However, in these methods, the specific productivity of the contact mass from layer to layer decreases sharply, which requires an additional volume of contact mass and increases capital costs.
Снижение удельной производительности контактной массы в контактном аппарате от слоя к слою происходит из-за накопления в контактном газе SO3, а также из-за изменения отношения количества молей SO2 к количеству молей O2 в реакционном газе на входе каждого слоя по сравнению с реакционным газом на входе в первый слой. Это ведет к снижению скорости химической реакции и как результат к снижению удельной производительности контактной массы от слоя к слою.The specific productivity of the contact mass in the contact apparatus from layer to layer decreases due to the accumulation of SO 3 in the contact gas, and also due to a change in the ratio of the number of moles of SO 2 to the number of moles of O 2 in the reaction gas at the inlet of each layer compared to the reaction gas at the entrance to the first layer. This leads to a decrease in the rate of a chemical reaction and, as a result, to a decrease in the specific productivity of the contact mass from layer to layer.
Анализ известных способов с позиции производительности и удельной производительности показывает следующее:
- в способе [1] абсорбцией SO3 из межслоевого газа с выхода третьего слоя повышается удельная производительность четвертого слоя контактной массы. В способе [2] абсорбцией SO3 из межслоевого контактного газа повышается удельная производительность второго и третьего слоев контактной массы. Однако в способах [1] и [2] никак не решается задача повышения производительности слоя контактной массы. Поэтому общая производительность контактной массы падает от слоя к слою (табл. 1 и 2) из-за необходимости добиваться полного превращения SO2 в SO3.Analysis of known methods from the standpoint of productivity and specific productivity shows the following:
- in the method [1], the absorption of SO 3 from the interlayer gas from the output of the third layer increases the specific productivity of the fourth layer of the contact mass. In the method [2], the absorption of SO 3 from the interlayer contact gas increases the specific productivity of the second and third layers of the contact mass. However, in the methods [1] and [2] the problem of increasing the productivity of the contact mass layer is not solved in any way. Therefore, the total productivity of the contact mass drops from layer to layer (Tables 1 and 2) due to the need to achieve the complete conversion of SO 2 to SO 3 .
- в способах [4-6] в результате использования концентрированного SO2 и O2 повышается производительность каждого слоя контактной массы, то есть решается задача повышения производительности слоя контактной массы и не решается задача увеличения удельной производительности второго и последующих слоев контактной массы. Поэтому удельная производительность контактной массы падает от слоя к слою (табл. 3 и 4).- in methods [4-6], as a result of using concentrated SO 2 and O 2, the productivity of each contact mass layer is increased, that is, the problem of increasing the productivity of the contact mass layer is solved and the problem of increasing the specific productivity of the second and subsequent contact mass layers is not solved. Therefore, the specific productivity of the contact mass drops from layer to layer (Tables 3 and 4).
В способах [1, 2] увеличения производительности второго и последующих слоев контактной массы можно достичь, распределяя и дозируя в эти слои исходный сернистый газ и применяя рецикл отработанного газа с отдувкой азота из отработанной смеси. In the methods of [1, 2], an increase in the productivity of the second and subsequent layers of contact mass can be achieved by distributing and dosing into these layers a source of sulfur dioxide and using a recycling of exhaust gas with nitrogen blowing from the exhaust mixture.
В способах [4-6] увеличения удельной производительности контактной массы можно достичь, извлекая из межслоевого контактного газа с выхода каждого слоя SO3, а также изменяя соотношение количеств SO2 и O2 в реакционной смеси на входе в слой.In the methods [4-6] increasing the contact mass specific capacity can be achieved by extracting from the interlayer contact with the gas exit of each layer SO 3, and also changing the ratio of amounts of SO 2 and O 2 in the reaction mixture at the inlet to the bed.
Еще одним недостатком известных способов [1, 2] является сложное аппаратурное оформление стадии выделения SO3 из межслоевых потоков контактного газа. Сначала требуется охладить межслоевой контактный газ, выделить абсорбцией SO3 и снова нагреть газ до температуры проведения реакции окисления SO2 в слое контактной массы.Another disadvantage of the known methods [1, 2] is the complex hardware design stage of the allocation of SO 3 from interlayer flows of contact gas. First, it is necessary to cool the interlayer contact gas, separate it by absorption of SO 3, and heat the gas again to the temperature of the SO 2 oxidation reaction in the contact mass layer.
Вышеизложенное свидетельствует о несовершенстве известных технологий переработки сернистого газа в многослойном контактном аппарате. The above indicates the imperfection of known technologies for processing sulfur dioxide in a multilayer contact apparatus.
Задачей изобретения является совершенствование технологии переработки концентрированного сернистого газа в многослойном контактном аппарате и получение следующих эффектов:
- повышение удельной производительности каждого слоя контактной массы и как следствие повышение производительности каждого слоя и всего аппарата в целом;
- повышение управляемости контактного аппарата.The objective of the invention is to improve the processing technology of concentrated sulfur dioxide in a multilayer contact apparatus and obtain the following effects:
- increase the specific productivity of each layer of contact mass and, as a result, increase the productivity of each layer and the entire apparatus as a whole;
- increase the controllability of the contact apparatus.
Поставленная задача решается настоящим способом переработки концентрированного сернистого газа в триоксид серы по циклической схеме путем окисления диоксида серы в многослойном контактном аппарате по последовательно-параллельной схеме с распределением потоков исходного сернистого газа W и кислорода V по слоям контактного аппарата и деления потока контактного газа Zi с выхода каждого i-го слоя при i=1, 2, ..., m, где m - количество слоев, на потоки Xi и Yi, подаваемые: Xi - на вход следующего (i+1)-го слоя, с выхода последнего слоя поток Xm возвращают на вход первого слоя; Yi - на стадию выделения триоксида серы и затем в рецикл, при этом состав реакционного газа, включающий содержание диоксида серы NSO2нi, кислорода NO2нi, триоксида серы NSO3нi, на входе в каждый слой поддерживают, исходя из совместного выполнения следующих условий:
Ti к - Ti н + Δ1i = Tрi - Tзi; (1)
Tзi ≤ Ti н < Ti к ≤ Tрi; (2)
τпрi= (1+Δ2i)•τ
0≤Δ2i≤0,5, (4)
при этом значения величины Wi, Vi, Xi и Yi определяют по материальному балансу слоя, по материальному балансу процесса деления потока Zi с выхода (i-1)-го слоя и по материальному балансу процесса смешения потоков Wi и Vi согласно следующим уравнениям:
Xi-1 = Zi-1•NSO3нi/NSO3кi-1; (5)
Yi-1 = Zi-1 - Xi-1; (6)
Wi = NSO2н i + NO2 W i - NSO2кi-1•Xi-1/Zi-1; (7)
Vi = NO2н i - NO2 W i - NO2кi-1•Xi-1/Zi-1, (8)
причем
Wi + Vi + Xi-1 = NSO2нi + NO2нi + NSO3нi; (9)
∑Wi=W; (10)
∑Vi=V; (11)
Wi = NSO2 W i + NO2 W i; (12)
Vi = NO2 V i, (13)
где Ti н, Ti к - температура реакционного газа на входе и выходе i-го слоя катализатора, К;
Tзi, Tрi - температура соответственно зажигания и начала термического разрушения контактной массы i-го слоя, К;
Δ1i- запас термоустойчивости контактной массы, К;
τпрi- время пребывания реакционного газа в i-м слое контактной массы, с;
Δ2i- безразмерный запас, учитывающий падение активности контактной массы слоя;
τci- теоретическое время соприкосновения реакционного газа с поверхностью контактной массы i-го слоя, с;
τ
Xi-1, Yi-1 - потоки, возникшие от деления потока Zi-1, моль/с;
Zi-1 - поток контактного газа, покидающий (i-1)-й слой, моль/с;
NSO2нi, NO2нi, NSO3нi - содержание SO2, O2, SO3 в потоке газа на входе в i-й слой, моль/с;
NSO2кi-1, NO2кi-1, NSO3кi-1 - содержание SO2, O2, SO3 в потоке Zi-1, моль/с;
Wi - распределяемый в i-й слой поток исходного концентрированного сернистого газа, моль/с;
NSO2 W i, NO2 W i - содержание диоксида серы и кислорода в потоке Wi, моль/с;
Vi - распределяемый в i-й слой поток кислорода, моль/с;
W, V - потоки исходного концентрированного сернистого газа и кислорода, поступающие на вход контактного аппарата, моль/с;
NO2 V i - содержание кислорода в потоке Vi, моль/с,
и отдувки из рецикла части отработанного газа, предварительно очищенного от оксидов серы, возвращаемых на переработку, на стадии окисления SO2 используют кислород технический или технологический или кислородно-воздушную смесь, при этом:
Vi = NO2 V i + NN2 V i, (14)
где NN2 V i - содержание азота в потоке Vi, моль/с.The problem is solved by the present method of processing concentrated sulfur dioxide gas into sulfur trioxide in a cyclic manner by oxidizing sulfur dioxide in a multilayer contact apparatus in a series-parallel manner with the distribution of the source sulfur dioxide gas W and oxygen V across the layers of the contact apparatus and dividing the contact gas flow Z i with the output of each i-th layer for i = 1, 2, ..., m, where m is the number of layers to the flows X i and Y i supplied: X i - to the input of the next (i + 1) -th layer, with the last layer output stream of recycled X m and the entrance of the first layer; Y i - to the stage of separation of sulfur trioxide and then to recycling, while the composition of the reaction gas, including the content of sulfur dioxide N SO2нi , oxygen N O2нi , sulfur trioxide N SO3нi , is supported at the entrance to each layer based on the joint fulfillment of the following conditions:
T i k - T i n + Δ1 i = T pi - T zi ; (1)
T zi ≤ T i n <T i k ≤ T pi ; (2)
τ pri = (1 + Δ2 i ) •
0≤Δ2 i ≤0.5, (4)
the values of the values of W i , V i , X i and Y i are determined by the material balance of the layer, by the material balance of the process of dividing the stream Z i from the output of the (i-1) th layer, and by the material balance of the process of mixing the flows W i and V i according to the following equations:
X i-1 = Z i-1 • N SO3нi / N SO3кi-1 ; (5)
Y i-1 = Z i-1 - X i-1 ; (6)
W i = N SO2н i + N O2 W i - N SO2кi-1 • X i-1 / Z i-1 ; (7)
V i = N O2н i - N O2 W i - N O2кi-1 • X i-1 / Z i-1 , (8)
moreover
W i + V i + X i-1 = N SO2ni + N O2ni + N SO3ni ; (9)
∑W i = W; (10)
∑V i = V; (eleven)
W i = N SO2 W i + N O2 W i ; (12)
V i = N O2 V i , (13)
where T i n , T i k - temperature of the reaction gas at the inlet and outlet of the i-th catalyst layer, K;
T zi , T pi - temperature, respectively, of ignition and the beginning of thermal destruction of the contact mass of the i-th layer, K;
Δ1 i - stock thermal stability of the contact mass, K;
τ pri is the residence time of the reaction gas in the i-th layer of the contact mass, s;
Δ2 i is the dimensionless margin taking into account the decrease in the activity of the contact mass of the layer;
τ ci is the theoretical contact time of the reaction gas with the surface of the contact mass of the i-th layer, s;
X i-1 , Y i-1 - flows arising from the division of the flow Z i-1 , mol / s;
Z i-1 — contact gas flow leaving the (i-1) th layer, mol / s;
N SO2нi , N O2нi , N SO3нi — SO 2 , O 2 , SO 3 content in the gas stream at the entrance to the i-th layer, mol / s;
N SO2кi-1 , N O2кi-1 , N SO3кi-1 - content of SO 2 , O 2 , SO 3 in the stream Z i-1 , mol / s;
W i - distributed in the i-th layer stream of the source of concentrated sulfur dioxide gas, mol / s;
N SO2 W i , N O2 W i - the content of sulfur dioxide and oxygen in the stream W i , mol / s;
V i - oxygen flow distributed in the i-th layer, mol / s;
W, V — streams of the initial concentrated sulfur dioxide and oxygen supplied to the input of the contact apparatus, mol / s;
N O2 V i - the oxygen content in the stream V i , mol / s,
and blowing from the recycle part of the exhaust gas, previously purified from sulfur oxides returned to the processing, at the stage of oxidation of SO 2 using technical or technological oxygen or oxygen-air mixture, while:
V i = N O2 V i + N N2 V i , (14)
where N N2 V i is the nitrogen content in the stream V i , mol / s.
Отличительными признаками предлагаемого способа являются:
- последовательно-параллельная схема окисления SO2 в SO3 в многослойном контактном аппарате;
- проведение процесса окисления диоксида серы в триоксид в каждом слое контактного аппарата в режиме τпрi=(1+Δ2i)•τ
- совместное применение приемов: распределение по слоям исходного концентрированного сернистого газа с концентрацией сернистого газа не менее 50%; распределение по слоям потока кислорода; выделение SO3 из межслоевого контактного газа;
- смешение потока, который не подвергся выделению SO3 после разделения межслоевого контактного газа перед подачей на следующую ступень окисления с распределенным потоком исходного сернистого газа и с распределенным потоком O2;
- применение единой стадии выделения SO3 для всех потоков после деления межслоевого контактного газа и для потока с последней стадии контактирования;
- деление контактного газа с выхода слоя на два потока как приема, обеспечивающего управление:
реакционной загрузкой слоев;
временем соприкосновения газа с катализатором;
количеством рециклового газа;
количеством выделяемого SO3;
соотношением рецикла и количества выделенного SO3.Distinctive features of the proposed method are:
- a series-parallel oxidation scheme of SO 2 in SO 3 in a multilayer contact apparatus;
- carrying out the process of oxidation of sulfur dioxide to trioxide in each layer of the contact apparatus in the mode τ pri = (1 + Δ2 i ) •
- joint application of techniques: distribution of the initial concentrated sulfur dioxide gas in layers with a sulfur dioxide concentration of at least 50%; distribution over the layers of the flow of oxygen; the allocation of SO 3 from the interlayer contact gas;
- mixing the stream, which has not undergone the evolution of SO 3 after separation of the interlayer contact gas before feeding to the next oxidation stage with a distributed stream of the source sulfur dioxide and with a distributed stream of O 2 ;
- the use of a single stage of separation of SO 3 for all flows after the division of the interlayer contact gas and for the stream from the last stage of contacting;
- dividing the contact gas from the output of the layer into two streams as a method for controlling:
reaction loading of layers;
gas contact time with the catalyst;
the amount of recycle gas;
the amount of SO 3 emitted;
the ratio of recycle and the amount of allocated SO 3 .
В заявляемом способе новые признаки совершенствуют технологию переработки сернистого газа в производстве серной кислоты. Их использование обеспечивает получение следующих свойств:
- увеличение производительности контактного аппарата;
- увеличение удельной производительности контактной массы;
- интенсификацию процесса переработки SO2 при существенном уменьшении размеров технологического оборудования;
- возможность осуществления процесса окисления при более низкой температуре газа на входе в слой контактной массы и более высокой температуре на выходе из слоя;
- выравнивание реакционной нагрузки слоев аппарата и возможность управления нагрузкой слоев в широком диапазоне;
- увеличение управляемости процесса переработки SO2 за счет возможности инвариантного воздействия на состав и объем реакционной смеси, что обеспечивается сочетанием следующих воздействий: распределением по слоям исходного сернистого концентрированного газа, распределением по слоям кислорода, деления контактного газа с выхода каждого слоя;
- уменьшение количества ступеней выделения SO3 до одной;
- гибкость технологии в условиях изменчивости спроса на ассортимент и количество продукции.In the inventive method, new features improve the technology of processing sulfur dioxide in the production of sulfuric acid. Their use provides the following properties:
- increase the performance of the contact apparatus;
- an increase in the specific productivity of the contact mass;
- intensification of the process of processing SO 2 with a significant reduction in the size of technological equipment;
- the possibility of the oxidation process at a lower gas temperature at the inlet to the contact mass layer and at a higher temperature at the outlet of the layer;
- equalization of the reaction load of the layers of the apparatus and the ability to control the load of the layers in a wide range;
- an increase in the controllability of the SO 2 processing process due to the possibility of an invariant effect on the composition and volume of the reaction mixture, which is ensured by a combination of the following effects: distribution of the initial sulfur concentrated gas over the layers, distribution over the oxygen layers, fission of the contact gas from the output of each layer;
- reducing the number of stages of allocation of SO 3 to one;
- the flexibility of technology in the face of variability in demand for the range and quantity of products.
На основании изложенного заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого способа переработки концентрированного сернистого газа по циклической схеме, и признать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень". Based on the above, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty." Analysis of the known technical solutions in the study area allows us to conclude that there are no signs in them that are similar to the distinctive features of the proposed method for the processing of concentrated sulfur dioxide in a cyclic manner, and to recognize the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".
В известных способах в контактном аппарате более всего отвечает условию максимальной эффективности и удельной производительности работа первого слоя контактной массы. В последующих слоях либо величина запаса Δ1i имеет высокое значение, поэтому не выполняется условие (1), что отрицательно сказывается на производительности слоя контактной массы (см. табл. 1, 2, 4), либо величина запаса Δ2i выходит за границы (4), повышая значение величины τci. что снижает удельную производительность контактной массы слоя (см. табл. 3).In the known methods in a contact apparatus, the operation of the first layer of the contact mass most meets the condition of maximum efficiency and specific productivity. In subsequent layers, either the margin Δ1 i has a high value, therefore condition (1) is not fulfilled, which negatively affects the productivity of the contact mass layer (see Tables 1, 2, 4), or the margin Δ2 i is outside the boundaries (4 ), increasing the value of τ ci . which reduces the specific productivity of the contact mass of the layer (see table. 3).
Удельная производительность Yмi контактной массы i-го слоя равна
Yмi = MSO3i/Vкi, (15)
где Vкi - объем занимаемый контактной массой слоя, м3;
МSO3i = NSO3кi - NSO3нi - производительность i-го слоя контактной массы, моль/с.The specific productivity Ym i of the contact mass of the i-th layer is
Ym i = M SO3i / Vк i , (15)
where Vк i is the volume occupied by the contact mass of the layer, m 3 ;
M SO3i = N SO3кi - N SO3нi - productivity of the i-th layer of contact mass, mol / s.
Объем, который занимает i-й слой контактной массы, определяется по следующей формуле:
где ωi- скорость химической реакции в i-м слое, моль/(с•м3). Скорость химической реакции определяется, например, по формуле [1]
где PSO2i, PO2i, PSO3i - парциальные давления SO2, O2, SO3 в i-м слое, Па;
Ki, Kрi - константы скорости [моль/(Па•с•м3)] и равновесия [Па-0.5] реакции в i-м слое;
NSO3нi, NSO3кi - количество SO3 в газовом потоке на входе и выходе i-го слоя, моль/с.The volume that the ith layer of the contact mass occupies is determined by the following formula:
where ω i is the rate of a chemical reaction in the i-th layer, mol / (s • m 3 ). The chemical reaction rate is determined, for example, by the formula [1]
where P SO2i , P O2i , P SO3i are the partial pressures of SO 2 , O 2 , SO 3 in the i-th layer, Pa;
K i , K p i are the rate constants [mol / (Pa • s • m 3 )] and the equilibrium [Pa -0.5 ] of the reaction in the i-th layer;
N SO3нi , N SO3кi - the amount of SO 3 in the gas stream at the inlet and outlet of the i-th layer, mol / s.
Парциальные давления компонентов в реакционном газе на входе в i-й слой связаны с мольным расходом этих компонентов следующими соотношениями:
NSO2нi = Nнi•PSO2нi/Pнi, (18)
NO2нi = Nнi•PO2нi/Pнi, (19)
NSO3нi = Nнi•PSO3нi/Pнi, (20)
где Pнi - давление реакционного газа на входе в i-й слой, Па;
PSO2нi, PO2нi, PSO3нi - парциальное давление SO2, O2, SO3 в потоке газа на входе i-го слоя, Па;
NSO2нi, NO2нi, NSO3нi - содержание SO2, O2, SO3 в газовом потоке на входе i-го слоя, моль/с;
Nнi - расход реакционного газа через i-й слой, моль/с.The partial pressures of the components in the reaction gas at the entrance to the i-th layer are related to the molar flow rate of these components in the following relationships:
N SO2нi = N нi • P SO2нi / P нi , (18)
N O2нi = N нi • P O2нi / P нi , (19)
N SO3нi = N нi • P SO3нi / P нi , (20)
where P ni is the pressure of the reaction gas at the entrance to the i-th layer, Pa;
P SO2ni , P O2ni , P SO3ni - partial pressure of SO 2 , O 2 , SO 3 in the gas stream at the inlet of the i-th layer, Pa;
N SO2нi , N O2нi , N SO3нi — SO 2 , O 2 , SO 3 content in the gas stream at the inlet of the i-th layer, mol / s;
N нi is the flow rate of the reaction gas through the i-th layer, mol / s.
Уравнение (16) определяет характер зависимости необходимого в слое объема контактной массы от состава реакционного газа на входе в слой. Удельная производительность и объем контактной массы слоя связаны обратно пропорциональной зависимостью (15). Equation (16) determines the nature of the dependence of the volume of contact mass required in the layer on the composition of the reaction gas at the inlet to the layer. The specific productivity and volume of the contact mass of the layer are inversely related (15).
На фиг. 1-3 (табл. 5) показаны зависимость необходимого объема контактной массы, удельной производительности контактной массы слоя и производительности слоя от содержания SO3 в реакционной смеси на входе в слой, отношение количества SO2 к количеству O2 составляет 1:1. Расход реакционного газа на входе в слой составляет 100 моль/с.In FIG. 1-3 (table. 5) shows the dependence of the required volume of contact mass, specific productivity of the contact mass of the layer and productivity of the layer on the content of SO 3 in the reaction mixture at the inlet of the layer, the ratio of the amount of SO 2 to the amount of O 2 is 1: 1. The flow rate of the reaction gas at the inlet to the bed is 100 mol / s.
Отсутствие SO3 в реакционном газе на входе в слой позволяет производить окисление SO2 при минимально необходимом объеме контактной массы, что благоприятствует величине удельной производительности. Извлечение SO3 из межслоевого контактного газа обеспечивает увеличение удельной производительности контактной массы слоя.The absence of SO 3 in the reaction gas at the inlet to the bed allows the oxidation of SO 2 at the minimum required volume of contact mass, which favors the value of specific productivity. Extraction of SO 3 from the interlayer contact gas provides an increase in the specific productivity of the contact mass of the layer.
На величину удельной производительности контактной массы слоя явным образом оказывает влияние производительность слоя контактной массы. По формуле (15) удельная производительность прямо пропорциональна производительности слоя. Увеличение производительности слоя благоприятно влияет на величину удельной производительности контактной массы. The specific productivity of the contact mass of the layer is explicitly affected by the performance of the layer of contact mass. According to the formula (15), the specific productivity is directly proportional to the productivity of the layer. An increase in the productivity of the layer favorably affects the value of the specific productivity of the contact mass.
Докажем, что в случае выполнения условия (1) - (2) производительность слоя контактной массы максимальна, если расход и состав реакционного газа через слой контактной массы постоянны. При постоянстве расхода и состава реакционного газа выполнение температурного режима зависит от наличия или отсутствия необходимого количества объема контактной массы, который определяется во время проектирования. Наличие необходимого объема контактной массы обеспечивает необходимое для выполнения заданного температурного режима времени соприкосновения реакционного газа с контактной массой. Let us prove that if condition (1) - (2) is fulfilled, the productivity of the contact mass layer is maximum if the flow rate and composition of the reaction gas through the contact mass layer are constant. With a constant flow rate and composition of the reaction gas, the temperature regime depends on the presence or absence of the required amount of contact mass volume, which is determined during design. The presence of the required volume of the contact mass provides the necessary time for the contact temperature of the reaction gas to come into contact with the contact mass.
Контактная масса слоя имеет определенную температуру зажигания (нижняя температурная граница проведения реакции окисления) и определенную температуру начала термического разрушения (верхняя температурная граница проведения реакции окисления). В слое контактной массы в результате окисления SO2 в SO3 выделяется теплота, что приводит к возрастанию температуры по высоте слоя. Теплота, которая выделяется в слое, не должна разогреть слой до температуры начала термического разрушения контактной массы. Поэтому имеется температурное ограничение на производительность слоя контактной массы и для определения возможной производительности слоя контактной массы необходимо использовать уравнение теплового баланса слоя i-го слоя
(NSO2нi•CSO2нi + NO2нi•CO2нi + NSO3нi•CSO3нi)•Ti н + MSO3i•Qp = [(NSO2нi - MSO3i)•CSO2кi + (NO2нi - MSO3i/2)•CO2кi + (NSO3нi + MSO3i)•CSO3кi]•Ti к, (21)
где Qp - тепловой эффект реакции, Дж/моль;
NSO2нi, NO2нi, NSO3нi - расход SO2, O2, SO3, моль/с;
CSO2нi, CO2нi, CSO3нi, CSO2кi, CO2кi, CSO3кi - теплоемкость SO2, O2, SO3 на входе и на выходе слоя, Дж/(моль•град);
MSO3i - производительность слоя контактной массы, моль/с;
Ti н, Ti к - температура на входе и на выходе i-го слоя, К.The contact mass of the layer has a certain ignition temperature (lower temperature boundary of the oxidation reaction) and a certain temperature of the onset of thermal destruction (upper temperature boundary of the oxidation reaction). Heat is released in the contact mass layer as a result of SO 2 oxidation to SO 3 , which leads to an increase in temperature along the height of the layer. The heat released in the layer should not warm the layer to the temperature of the onset of thermal destruction of the contact mass. Therefore, there is a temperature limit on the productivity of the contact mass layer, and to determine the possible productivity of the contact mass layer, it is necessary to use the heat balance equation of the i-th layer
(N SO2нi • C SO2нi + N O2нi • C O2нi + N SO3нi • C SO3нi ) • T i н + M SO3i • Qp = [(N SO2нi - M SO3i ) • C SO2кi + (N O2нi - M SO3i / 2) • C O2кi + (N SO3нi + M SO3i ) • C SO3кi ] • T i к , (21)
where Qp is the thermal effect of the reaction, J / mol;
N SO2ni , N O2ni , N SO3ni - flow rate of SO 2 , O 2 , SO 3 , mol / s;
SO2ni C, C O2ni, C SO3ni, C SO2ki, C O2ki, SO3ki C - heat capacity of SO 2, O 2, SO 3 at the inlet and outlet layer, J / (mol • deg);
M SO3i — productivity of the contact mass layer, mol / s;
T i n , T i k - temperature at the inlet and outlet of the i-th layer, K.
Из (21) следует:
MSO3i = NSO3кi - NSO3нi = [(NSO2нi•CSO2кi + NO2нi•CO2кi + NSO3нi•CSO3кi)•Ti к - (NSO2нi•CSO2нi + NO2нi•CO2нi + NSO3нi•CSO3нi)•Ti н]/[Qp + Ti к•(CSO2кi + CO2кi/2 - CSO3кi)]. (22)
На фиг. 4 и 5 (табл. 6 и 7) построена зависимость разрешимой тепловым балансом производительности от температуры реакционного газа на выходе из слоя контактной массы. Предполагается, что температурный режим обеспечивается необходимым количеством контактной массы. Верхняя линия построена для реакционного газа с температурой на входе в слой, равной 673 К, средняя линия - 723 К, нижняя линия - 753 К. На фиг. 4 показаны графики для реакционного газа расходом 100 моль/с состава SO2=43 об.%, O2=57 об.%, а на фиг. 5 состава SO2=38 об.%, O2=52 об.%, SO3=10 об.%. Согласно построенным зависимостям производительность адиабатического слоя тем больше, чем больше температура газа на выходе из слоя и чем меньше температура газа на входе в слой.From (21) it follows:
M SO3i = N SO3кi - N SO3нi = [(N SO2нi • C SO2кi + N O2нi • C O2кi + N SO3нi • C SO3кi ) • T i к - (N SO2нi • C SO2нi + N O2нi • C O2нi + N SO3нi • C SO3нi ) • T i н ] / [Qp + T i к • (C SO2кi + C O2кi / 2 - C SO3кi )]. (22)
In FIG. 4 and 5 (Tables 6 and 7), the dependence of the solvable heat balance on the temperature of the reaction gas at the outlet of the contact mass layer is plotted. It is assumed that the temperature regime is provided with the necessary amount of contact mass. The upper line is constructed for the reaction gas with a temperature at the inlet of the layer equal to 673 K, the middle line is 723 K, the lower line is 753 K. FIG. 4 shows graphs for the reaction gas with a flow rate of 100 mol / s of the composition SO 2 = 43 vol.%, O 2 = 57 vol.%, And in FIG. 5 composition SO 2 = 38 vol.%, O 2 = 52 vol.%, SO 3 = 10 vol.%. According to the constructed dependences, the productivity of the adiabatic layer is greater, the higher the gas temperature at the outlet of the layer and the lower the gas temperature at the entrance to the layer.
Температура Тi н реакционного газа на входе в i-й слой не может быть ниже температуры Tзi зажигания реакционной смеси на катализаторе. Температура Тi к реакционного газа на выходе из i-го слоя не может быть выше температуры Tpi начала термического разложения контактной массы. Для различных типов ванадиевых катализаторов, по сведениям [6], температура зажигания изменяется в пределах 623 - 723 К, а температура начала термического разложения в пределах 873 - 923 К.The temperature T i n of the reaction gas at the entrance to the i-th layer cannot be lower than the temperature T zi of ignition of the reaction mixture on the catalyst. The temperature T i k of the reaction gas at the outlet of the i-th layer cannot be higher than the temperature T pi of the onset of thermal decomposition of the contact mass. For various types of vanadium catalysts, according to [6], the ignition temperature varies in the range of 623–723 K, and the temperature of the onset of thermal decomposition in the range of 873–923 K.
Присутствие SO3 в реакционном газе повышает температуру зажигания по причине возникновения химической реакцией между ванадием на поверхности катализатора и SO3. Это отрицательно сказывается на диапазоне температурного режима (1)-(2). Присутствие O2 в реакционном газе, наоборот, снижает температуру зажигания ванадиевой контактной массы.The presence of SO 3 in the reaction gas raises the ignition temperature due to a chemical reaction between vanadium on the surface of the catalyst and SO 3 . This negatively affects the temperature range (1) - (2). The presence of O 2 in the reaction gas, on the contrary, reduces the ignition temperature of the vanadium contact mass.
На основании вышеизложенного становится очевидным, что максимальную производительность адиабатического слоя контактной массы обеспечивает такой температурный режим, при котором Ti к = Тpi, а Тi н = Tзi. Однако проведение окисления SO2 в таком температурном режиме является опасным, с одной стороны, из-за возможности перегреть катализатор, а с другой стороны, подать на вход в слой контактной массы холодный газ и погасить реакцию окисления SO2 в объеме слоя контактной массы. Температурный режим процесса окисления в адиабатическом слое контактной массы, обеспечивающий близкую к максимальной производительность слоя контактной массы и позволяющий избежать перегрева или охлаждения катализатора, определяют условием (1)-(2). Запас Δ1i вводят для того, чтобы избежать перегрева контактной массы. Диапазон изменения Δ1i выбирают из опыта эксплуатации конкретного типа катализатора. Каждый тип катализатора имеет свой диапазон изменения Δ1i. Выполнение условия (1)-(2) обеспечивает максимальную производительность слоя контактной массы для реакционного газа заданного состава, а следовательно, рост удельной производительности контактной массы слоя, что является отличительным свойством данного способа.Based on the foregoing, it becomes apparent that the maximum performance of the adiabatic layer of the contact mass is ensured by such a temperature regime at which T i k = T pi , and T i n = T zi . However, carrying out the oxidation of SO 2 in this temperature regime is dangerous, on the one hand, due to the possibility of overheating the catalyst, and on the other hand, applying cold gas to the entrance to the contact mass layer and extinguishing the SO 2 oxidation reaction in the bulk of the contact mass layer. The temperature regime of the oxidation process in the adiabatic layer of the contact mass, which ensures close to maximum productivity of the contact mass layer and avoids overheating or cooling of the catalyst, is determined by condition (1) - (2). The reserve Δ1 i is introduced in order to avoid overheating of the contact mass. The range of variation Δ1 i is selected from the operating experience of a particular type of catalyst. Each type of catalyst has its own range of variation Δ1 i . The fulfillment of condition (1) - (2) provides the maximum productivity of the contact mass layer for the reaction gas of a given composition, and therefore, the growth of the specific productivity of the contact mass of the layer, which is a distinctive property of this method.
Влияние расхода реакционного газа при построении схемы контактного окисления можно не учитывать. Это вытекает исходя из следующих соображений. Объем контактной массы Vкi, время пребывания в i-м слое τпрi и расход реакционного газа через слой Qгi связаны соотношением
Vкi= Qгi•τпрi. (23)
Производительность можно выразить через расход реакционного газа и парциальные давления компонентов и представить следующим образом:
MSO3i = Nнi•[(CSO2кi• PSO2нi/Pнi + CO2кi•PO2нi/Pнi + CSO3кi•PSO3нi/Pнi)•Ti к - (CSO2нi•PSO2нi/Pнi + CO2нi•PO2нi/Pнi + CSO3нi•PSO3н/Pнi)•Ti н]/[Qр + Ti к•(CSO2кi + CO2кi/2 - CSO3кi)]. (24)
Если подставить уравнения (23) и (24) в (15) и учесть, что мольный расход и объем ный связаны соотношением Qгi = 0.0224•Nнi•Ti н/273, то расход реакционного газа через слой в (15) сокращается. Однако необходимо учесть, что при увеличении или уменьшении расхода реакционного газа через слой контактной массы необходимо увеличить или уменьшить пропорционально объем контактной массы слоя, что решается при проектировании контактного аппарата. В режиме эксплуатации контактного аппарата расход является режимным параметром процесса окисления и отличается от максимально возможного в основном в периоды пуска и останова установок, а в остальное время близок к максимальному, поэтому можно считать, что объем контактной массы соответствует расходу и не оказывает влияния на величину удельной производительности контактной массы слоя.The influence of the flow rate of the reaction gas when constructing the contact oxidation scheme can be ignored. This follows from the following considerations. The volume of the contact mass Vк i , the residence time in the i-th layer τ pri and the flow rate of the reaction gas through the Q qi layer are related by
Vк i = Q гi • τ pri . (23)
Performance can be expressed in terms of the flow rate of the reaction gas and the partial pressures of the components and can be represented as follows:
M SO3i = N нi • [(C SO2нi • P SO2нi / P нi + C O2кi • P O2нi / P нi + C SO3кi • P SO3нi / P нi ) • T i к - (C SO2нi • P SO2нi / P нi + C O2нi • P O2нi / P нi + C SO3нi • P SO3н / P нi ) • T i н ] / [Qр + T i к • (C SO2кi + C O2кi / 2 - C SO3кi )]. (24)
If we substitute equations (23) and (24) in (15) and take into account that the molar flow rate and volumetric flow rate are related by the relation Q gi = 0.0224 • N нi • T i н / 273, then the flow rate of the reaction gas through the layer in (15) is reduced . However, it must be taken into account that with an increase or decrease in the flow rate of the reaction gas through the contact mass layer, it is necessary to increase or decrease in proportion to the volume of the contact mass of the layer, which is solved when designing the contact apparatus. In the operating mode of the contact apparatus, the flow rate is a regime parameter of the oxidation process and differs from the maximum possible during the start-up and shutdown periods of the plants, and at other times it is close to the maximum, therefore, we can assume that the contact mass volume corresponds to the flow rate and does not affect the specific contact mass performance of the layer.
Выше было показано, что величине удельной производительности контактной массы слоя благоприятствует отсутствие SO3 в реакционной смеси на входе в контактный слой. Это означает, что должно выполняться равенство τпрi= τ
Выделение SO3 из межслоевого контактного газа как в способах [1, 2] требует для каждого потока межслоевого контактного газа, из которого выделяется SO3, свой абсорбер и свою теплообменную аппаратуру, которая необходима для того, чтобы охладить газ, а затем снова нагреть.The separation of SO 3 from the interlayer contact gas, as in the methods of [1, 2], requires for each interlayer contact gas stream from which SO 3 is released , its own absorber and its heat exchange equipment, which is necessary in order to cool the gas and then heat it again.
В предлагаемой схеме организации работы слоев контактного аппарата упрощается процесс выделения SO3 из контактного газа с выхода каждого слоя. В предлагаемом способе SO3 извлекают в общем блоке выделения, поэтому не требуется стадии нагревания контактного газа после стадии выделения, как например в способах [1, 2]. В результате применения общего блока выделения SO3 производится распараллеливание слоев контактного аппарата, что является отличительным свойством данного изобретения.In the proposed scheme for organizing the work of the layers of the contact apparatus, the process of separating SO 3 from the contact gas from the outlet of each layer is simplified. In the proposed method, SO 3 is extracted in a common separation unit, therefore, the step of heating the contact gas after the separation step is not required, as for example in the methods [1, 2]. As a result of the use of a common SO 3 extraction unit, parallelization of the layers of the contact apparatus is performed, which is a distinctive property of the present invention.
Триоксид серы имеет некоторые положительные свойства. Например, SO3 обладает по сравнению с SO2 и O2 большей теплоемкостью, и SO3 замедляет скорость окисления SO2. При окисления концентрированных сернистых смесей эти свойства играют положительную роль.Sulfur trioxide has some positive properties. For example, SO 3 has a higher heat capacity than SO 2 and O 2 , and SO 3 slows down the oxidation rate of SO 2 . In the oxidation of concentrated sulfur mixtures, these properties play a positive role.
Известно, что в процессе эксплуатации контактной массы происходит снижение активности. При снижении активности контактной массы условие (1) при Δ2i = 0 не выполняется. Диапазоном (4) учитывают изменчивость свойств контактной массы в реальных условиях эксплуатации и тем самым обеспечивают выполнение условия (1). Для новой контактной массы величина Δ2i принимается максимальной, то есть, например, Δ2i = 0.3. Если в процессе эксплуатации контактной массы при постоянном расходе и составе газа произошло снижение активности контактной массы и перестало выполняться условие (1), то величину Δ2i уменьшают. Кроме того, величиной Δ2i нейтрализуют разного рода возмущения, возникающие в процессе окисления SO2. К таким возмущениям можно отнести колебания температуры и состава реакционной смеси, изменение расхода и другие.It is known that during the operation of the contact mass, a decrease in activity occurs. When the activity of the contact mass decreases, condition (1) with Δ2 i = 0 is not satisfied. The range (4) takes into account the variability of the properties of the contact mass in real operating conditions and thereby ensure the fulfillment of condition (1). For a new contact mass, the quantity Δ2 i is taken as the maximum, that is, for example, Δ2 i = 0.3. If during the operation of the contact mass with a constant flow rate and composition of the gas, the contact mass activity decreases and condition (1) ceases to be fulfilled, then Δ2 i is reduced. In addition, by the value of Δ2 i, various kinds of disturbances arising during the oxidation of SO 2 are neutralized. Such disturbances include temperature fluctuations and the composition of the reaction mixture, a change in flow rate, and others.
Величина Δ2i - это избыточная контактная масса. При работе на концентрированном SO2 и O2 избыточная контактная масса перегревается. Для того чтобы избежать перегрева контактной массы, используют присутствие SO3 в реакционном газе на входе в слой контактной массы. С этой целью поток Zi контактного газа с выхода предыдущего слоя делят на два потока Xi и Yi в отношении, которое обеспечивает необходимое количество SO3 на входе (i+1)-го слоя, поток Xi направляют в (i+1)-й слой, поток Yi на стадию выделения SO3. Вместо потока Yi, направляемого на стадию выделения триоксида серы, на вход (i+1)-го слоя подают свежий поток Vi+1 кислорода и свежий поток Wi+1 концентрированного сернистого газа. Такой прием обеспечивает неполное распараллеливание слоев контактного аппарата и позволяет увеличивать или уменьшать степень распараллеливания. Контактный аппарат работает по последовательно-параллельной схеме.The value Δ2 i is the excess contact mass. When working on concentrated SO 2 and O 2, the excess contact mass overheats. In order to avoid overheating of the contact mass, the presence of SO 3 in the reaction gas at the entrance to the contact mass layer is used. To this end, the contact gas stream Z i from the outlet of the previous layer is divided into two flows X i and Y i in a ratio that provides the necessary amount of SO 3 at the input of the (i + 1) layer, the flow X i is directed to (i + 1 ) th layer, flow Y i to the stage of separation of SO 3 . Instead of a stream Y i directed to the sulfur trioxide separation step, a fresh oxygen stream V i + 1 and a fresh stream W i + 1 of concentrated sulfur dioxide are fed to the input of the (i + 1) th layer. This technique provides incomplete parallelization of the layers of the contact apparatus and allows you to increase or decrease the degree of parallelization. The contact device operates in a serial-parallel circuit.
Распределение потоков исходного сернистого газа и кислорода по слоям контактного аппарата с одновременным выделением SO3 из межслоевого контактного газа выравнивает режимы работы всех слоев контактного аппарата и приближает к режиму работы первого слоя, а значит к наиболее эффективному. Распределением потоков и выделением SO3 обеспечивают выравнивание реакционной нагрузки слоев контактного аппарата, а также выполнение условия (1)-(2). Выравнивание реакционной нагрузки слоев контактного аппарата и осуществление процесса окисления SO2 с соблюдением условия (1)-(2) являются отличительным свойством изобретения.The distribution of the flows of the initial sulfur dioxide gas and oxygen over the layers of the contact apparatus with the simultaneous release of SO 3 from the interlayer contact gas equalizes the operating modes of all layers of the contact apparatus and brings it closer to the operating mode of the first layer, and therefore to the most effective one. The distribution of flows and the release of SO 3 provide equalization of the reaction load of the layers of the contact apparatus, as well as the fulfillment of conditions (1) - (2). The equalization of the reaction load of the layers of the contact apparatus and the implementation of the oxidation process of SO 2 in compliance with conditions (1) - (2) are the distinguishing feature of the invention.
Параллельно-последовательная схема позволяет нейтрализовать не только вышеперечисленные возмущения, но и возмущение, которое возникает из-за уменьшения или увеличения расхода реакционного газа через слой контактной массы, обусловленное изменением производственной программы. Изменение расхода реакционного газа через слой означает изменение величины τпрi, что требует изменения значения величины τ
Так как значение величины Δ2i определяет величину потока Xi-1, а величина расхода газа через i-й слой контактной массы является надежно измеряемой, объем, занимаемый контактной массой, известен, то для того чтобы рассчитать требуемый состав реакционного газа на входе в слой, необходимо задать значения величин Δ1i и Δ2i. Значение искомых величин NSO2нi, NO2нi, NSO3нi определяют по следующей методике.Since the value of Δ2 i determines the flow rate X i-1 , and the gas flow rate through the ith layer of the contact mass is reliably measurable, the volume occupied by the contact mass is known, in order to calculate the required composition of the reaction gas at the inlet to the layer , it is necessary to set the values of Δ1 i and Δ2 i . The value of the sought quantities N SO2нi , N O2нi , N SO3нi is determined by the following procedure.
Пусть объем контактной массы i-го слоя равен Vкi=4.9 м3. Значение величины расхода реакционного газа Qгi на входе в i-й слой измеряется, то есть известно. Пусть Qгi= 5.93 м3/с. Тогда время пребывания реакционного газа в слое контактной массы тоже известно:
τпрi = Vкi/Qгi = 4.9/5.93 = 0.83 с. (25)
По условию (3-4) время пребывания выражается через время соприкосновения как
τпрi= (1+Δ2i)•τ
Принимая величину Δ2i = 0.3, из (3) получаем значение величины времени соприкосновения для реакционного газа без SO3 расходом Qгi, которое равно
Таким образом, реакционный газ без SO3 с расходом Qгi должен соприкасаться с контактной массой меньшее время, чем он на самом деле пребывает в слое. Объем контактной массы, соответствующий времени соприкосновения τ
Vк
Этот объем контактной массы был бы необходим для реакционного газа с расходом Qгi, если бы в его составе не было SO3. С другой стороны объем контактной массы можно определить по уравнению (16). Для объема Vкi 0 можно записать
Нижняя граница интеграла (29) равна нулю. Верхняя граница этого интеграла определяется уравнением теплового баланса слоя
NSO3кi = [(NSO2нi•CSO2кi + NO2нi•CO2кi + NSO3нi•CSO3кi)•Ti к - (NSO2нi•CSO2нi + NO2нi•CO2нi + NSO3нi•CSO3нi)•Ti н] /[Qр + Ti к•(CSO2кi + CO2кi/2 - CSO3кi)] + NSO3нi. (30)
Скорость химической реакции ω определяется по уравнению (17). Температуру реакционного газа Ti н на входе в слой и Ti к на выходе из слоя определяет условие (1-2). Изменение температуры в самом слое подчиняется закону
где NSO2i= NSO2 н i-dNSO3i; NO2i=NO2 н i-dNSO3i/2; NSO3i=NSO3 н i+dNSO3i. Изменение температуры в самом слое необходимо знать, чтобы определить величины констант скорости и равновесия Ki(T) и Kрi(T), которые входят в уравнение (17).Let the volume of the contact mass of the ith layer be equal to Vк i = 4.9 m 3 . The value of the flow rate of the reaction gas Q gi at the entrance to the i-th layer is measured, that is, it is known. Let Q i = 5.93 m 3 / s. Then the residence time of the reaction gas in the contact mass layer is also known:
τ pri = Vк i / Q Гi = 4.9 / 5.93 = 0.83 s. (25)
According to condition (3-4), the residence time is expressed in terms of the contact time as
τ pri = (1 + Δ2 i ) •
Taking the value Δ2 i = 0.3, from (3) we obtain the value of the contact time for the reaction gas without SO 3 with the flow rate Q gi , which is equal to
Thus, a reaction gas without SO 3 with a flow rate of Q gi must come into contact with the contact mass less time than it actually resides in the layer. Contact mass volume corresponding to contact
Vk
This volume of the contact mass would be necessary for the reaction gas with a flow rate of Q gi if SO 3 were not present in its composition. On the other hand, the volume of the contact mass can be determined by equation (16). For volume Vк i 0 we can write
The lower boundary of the integral (29) is equal to zero. The upper boundary of this integral is determined by the equation of the heat balance of the layer
N SO3нi = [(N SO2нi • C SO2кi + N O2нi • C O2кi + N SO3нi • C SO3кi ) • T i к - (N SO2нi • C SO2нi + N O2нi • C O2нi + N SO3нi • C SO3нi ) • T i n ] / [Qp + T i k • (C SO2кi + C O2кi / 2 - C SO3кi )] + N SO3нi . (thirty)
The chemical reaction rate ω is determined by equation (17). The temperature of the reaction gas T i n at the entrance to the layer and T i to at the exit of the layer determines the condition (1-2). The temperature change in the layer itself obeys the law
where N SO2i = N SO2 n i -dN SO3i ; N O2i = N O2 n i -dN SO3i / 2; N SO3i = N SO3 n i + dN SO3i . The temperature change in the layer itself must be known in order to determine the values of the rate and equilibrium constants K i (T) and Kр i (T), which are included in equation (17).
Таким образом, в уравнении (29) неизвестными остаются PSO2нi и PO2нi. Используя (18-19) парциальные давления, выразим как:
PSO2i = Pi•(NSO2iн - dNSO3i)/Ni; (32)
PO2i = Pi•(NO2iн - dNSO3i/2)Ni. (33)
Учитывая, что
NSO2нi = Nнi - NSO3нi - NO2нi, (34)
а объемный расход газа известен и связан с мольным соотношением
Qгi = 0.0224•Nнi•Ti н/273. (35)
Уравнения (32-35) позволяют в (29) выразить и замерить парциальное давление SO2 через парциальное давление O2 с помощью уравнений (32) - (35). В уравнении (29) остается одна неизвестная величина - это NO2нi. Одно уравнение, одна неизвестная величина - уравнение имеет решение. Уравнений (17), (29) - (35) и условия (1) - (2) достаточно, чтобы найти NO2нi. Зная NO2нi, по уравнению (34) находим NSO2нi и затем находим их соотношение NSO2нi:NO2нi.Thus, in equation (29), P SO2нi and P O2нi remain unknown. Using (18-19) partial pressures, we express as:
P SO2i = P i • (N SO2iн - dN SO3i ) / N i ; (32)
P O2i = P i • (N O2iн - dN SO3i / 2) N i . (33)
Given that
N SO2нi = N нi - N SO3нi - N O2нi , (34)
and gas volumetric flow rate is known and is associated with a molar ratio
Q gi = 0.0224 • N ni • T i n / 273. (35)
Equations (32-35) allow in (29) to express and measure the partial pressure of SO 2 through the partial pressure of O 2 using equations (32) - (35). One unknown quantity remains in equation (29) - this is N O2нi . One equation, one unknown quantity - the equation has a solution. Equations (17), (29) - (35) and conditions (1) - (2) are enough to find N O2нi . Knowing N O2нi , by equation (34) we find N SO2нi and then we find their ratio N SO2нi : N O2нi .
Сохраняя полученное соотношение SO2:O2 = NSO2нi:NO2нi, опять используя уравнения (17), (29) - (35) и условия (1) - (2), но подставляем в эти уравнения действительный объем контактной массы Vкi=4.9 м3, и полученное выше соотношение SO2: O2. Теперь неизвестным является необходимое количество триоксида серы NSO3нi. Одно уравнение - одно неизвестное. Уравнение имеет решение. Определив необходимое количество триоксида серы NSO3нi и зная соотношение SO2: O2, находим действительные количества диоксида серы NSO2нi и кислорода NO2нi в реакционной смеси с количеством триоксида серы NSO3нi на входе в контактный слой.Preserving the obtained relation SO 2 : O 2 = N SO2нi : N O2нi , again using equations (17), (29) - (35) and conditions (1) - (2), but we substitute the actual volume of the contact mass Vk i into these equations = 4.9 m 3 and the above ratio of SO 2 : O 2 . Now unknown is the required amount of sulfur trioxide N SO3нi . One equation - one unknown. The equation has a solution. Having determined the required amount of sulfur trioxide N SO3ni and knowing the ratio of SO 2 : O 2 , we find the actual amounts of sulfur dioxide N SO2ni and oxygen N O2ni in the reaction mixture with the amount of sulfur trioxide N SO3ni at the entrance to the contact layer.
На фиг. 6 (табл. 8) показана построенная по уравнениям (17), (29) - (35) и условию (1) - (2) зависимость объема контактной массы от отношения SO2:O2 для реакционной смеси без SO3. При пересечении прямой Vкi 0=3.8 м3 с этой зависимостью получается искомое отношение SO2:O2. Зная соотношение SO2:O2, уже на прямой Vкi= 4.9 м3 получаем точку, которая определяет необходимое количество триоксида серы NSO3нi в реакционной смеси на входе в слой (фиг. 7). Если построить зависимость объема контактной массы от отношения SO2:O2 для реакционной смеси с найденным количеством триоксида серы NSO3нi, то прямая Vкi=4.9 м3 пересечется с зависимостью в данной точке (фиг. 7).In FIG. 6 (Table 8) shows the dependence of the contact mass on the SO 2 : O 2 ratio for the reaction mixture without SO 3 constructed according to equations (17), (29) - (35) and condition (1) - (2). When the straight line intersects Vк i 0 = 3.8 m 3 with this dependence, the desired SO 2 : O 2 ratio is obtained. Knowing the SO 2 : O 2 ratio, already on the straight line Vк i = 4.9 m 3 we get a point that determines the required amount of sulfur trioxide N SO3нi in the reaction mixture at the inlet of the layer (Fig. 7). If we construct the dependence of the contact mass volume on the SO 2 : O 2 ratio for the reaction mixture with the found amount of sulfur trioxide N SO3нi , then the straight line Vк i = 4.9 m 3 intersects the dependence at this point (Fig. 7).
Так как в уравнении (29) имеется интегральная зависимость, в которой все переменные взаимосвязаны, то аналитическое решение системы уравнений (17), (29) - (35) получить сложно. Решение хорошо получается с использованием вычислительной техники, численными методами, используя конечно-разностную аппроксимацию. Since in equation (29) there is an integral dependence in which all variables are interconnected, it is difficult to obtain an analytical solution to the system of equations (17), (29) - (35). The solution is well obtained using computer technology, numerical methods, using finite-difference approximation.
В табл. 9 представлены результаты расчета состава реакционного газа на входе в слой контактной массы по известному расходу. Значение величины расхода реакционного газа двух крайних случаев отличается в 2 раза. Объем контактной массы слоев изменяется незначительно. Внутренний диаметр цилиндрического контактного аппарата 6 м. In the table. 9 shows the results of calculating the composition of the reaction gas at the inlet to the contact mass layer according to a known flow rate. The value of the flow rate of the reaction gas of the two extreme cases is 2 times different. The volume of the contact mass of the layers varies slightly. The inner diameter of the cylindrical contact apparatus is 6 m.
Выполнение условий (1)-(4) определяет состав реакционного газа на входе в контактный слой по его расходу и благоприятствует как величине производительности слоя контактной массы, так и величине удельной производительности контактной массы слоя. The fulfillment of conditions (1) - (4) determines the composition of the reaction gas at the entrance to the contact layer by its flow rate and favors both the value of the productivity of the contact mass layer and the specific productivity of the contact mass of the layer.
По известному составу реакционного газа на входе в i-й слой определяются величины входящих в слой потоков. Например, по уравнениям (25)-(31) и условию (1)-(4) определили, что в реакционном газе на входе в i-й слой должно присутствовать NSO2нi моль/с SO2, NO2нi моль/с O2 и NSO3нi моль/с SO3. Расход реакционного газа через слой можно представить как
Nнi = NSO2нi + NO2нi + NSO3нi. (36)
С другой стороны, расход реакционного газа состоит из потоков, входящих в слой
Nнi = Vi + Wi + Xi-1. (37)
На вход i-го слоя подается поток Vi чистого O2, в этом потоке содержится Vi=NO2 V i моль/с кислорода, поток Wi исходного сернистого газа, в этом потоке содержится NSO2 W i моль/с SO2 и NO2 W i моль/с O2 и соблюдается соотношение Wi= NSO2 W i+ NO2 W i.According to the known composition of the reaction gas at the entrance to the i-th layer, the values of the flows entering the layer are determined. For example, according to equations (25) - (31) and condition (1) - (4), it was determined that N SO2нi mol / s SO 2 , N O2нi mol / s O 2 should be present in the reaction gas at the entrance to the i-th layer and N SO3ni mol / s SO 3 . The flow rate of the reaction gas through the bed can be represented as
N ni = N SO2ni + N O2ni + N SO3ni . (36)
On the other hand, the flow rate of the reaction gas consists of flows entering the bed
N ni = V i + W i + X i-1 . (37)
At the input of the ith layer, a stream of V i of pure O 2 is supplied, this stream contains V i = N O2 V i mol / s of oxygen, the stream W i of the initial sulfur dioxide gas, this stream contains N SO2 W i mol / s SO 2 and N O2 W i mol / s O 2 and the relation W i = N SO2 W i + N O2 W i is observed.
На вход i-го слоя подается поток Xi-1 с выхода (i-1)-го слоя. С этим потоком на вход i-го слоя поступает необходимое количество NSO3нi моль/с SO3. Так же с потоком Xi-1 в слой поступает NSO2 X i= NSO2кi-1•NSO3нi/NSO3кi-1 моль/с SO2 и NO2 X i= NO2кi-1•NSO3нi/NSO3кi-1 моль/с O2.At the input of the i-th layer, the flow X i-1 from the output of the (i-1) -th layer is fed. With this stream, the required amount of N SO3нi mol / s SO 3 is supplied to the input of the ith layer. As with the flow of X i-1 is supplied to the layer N SO2 X i = N-1 SO2ki SO3ni • N / N-1 SO3ki mol / with SO 2 and N O2 X i = N-1 O2ki SO3ni • N / N SO3ki- 1 mol / s O 2 .
Оставшееся количество SO2 в i-й слой поступает с потоком Wi. Количество SO2, поступающее с потоком Wi, найдем как NSO2 W i = NSO2нi - NSO2 X i моль/с. С потоком Wi поступает NO2 W i = Wi - NSO2 W i моль/с кислорода.The remaining amount of SO 2 in the i-th layer comes with a stream of W i . The amount of SO 2 supplied with the stream W i will be found as N SO2 W i = N SO2нi - N SO2 X i mol / s. With a stream of W i comes N O2 W i = W i - N SO2 W i mol / s of oxygen.
Недостающий кислород поступает с потоком Vi в количестве NO2 V i=Vi-NO2 W i моль/с.The missing oxygen is supplied with a stream of V i in the amount of N O2 V i = V i -N O2 W i mol / s.
Так как состав потоков известен, то известны и сами величины потоков:
Vi = NO2 V i; (38)
Wi = NSO2 W i - NO2 W i; (39)
Xi-1 = NO2 X i + NSO2 X i + NSO3нi. (40)
С помощью уравнений материального баланса вычислили входящие в контактный слой потоки.Since the composition of the flows is known, the values of the flows themselves are known:
V i = N O2 V i ; (38)
W i = N SO2 W i - N O2 W i ; (39)
X i-1 = N O2 X i + N SO2 X i + N SO3нi . (40)
Using the equations of material balance, the fluxes entering the contact layer were calculated.
Поток Zi-1, покидающий (i-1)-й контактный слой, равен Zi-1 = Nнi-1 - 0.5(NSO3кi-1 - NSO3нi-1), где NSO3кi-1 определяется из уравнения
В случае использования в качестве окислителя технического или технологического кислорода или кислородно-воздушной смеси для определения значений величин потоков используют такую же методику расчетов с включением в уравнения материальных балансов величины содержания азота.The flow Z i-1 leaving the (i-1) th contact layer is Z i-1 = N нi-1 - 0.5 (N SO3кi-1 - N SO3нi-1 ), where N SO3кi-1 is determined from the equation
If technical or technological oxygen or an oxygen-air mixture is used as an oxidizing agent, the same calculation procedure is used to determine the values of the flux values, including the nitrogen content in the equations of material balances.
Как видно из табл. 9, небольшому различию объемов контактной массы слоев соответствуют достаточно большие возможные диапазоны изменения расхода и состава реакционного газа. Как известно, в процессе окисления SO2 имеются колебания расхода и изменения состава реакционного газа на входе в слой, связанные как с режимами работы оборудования, так и производственным заданием (спросом на продукцию). В предлагаемом способе на изменение расхода реакционного газа на входе в слой можно реагировать изменением состава.As can be seen from the table. 9, a small difference in the volumes of the contact mass of the layers corresponds to sufficiently large possible ranges of variation in the flow rate and composition of the reaction gas. As is known, in the process of SO 2 oxidation, there are fluctuations in flow rate and changes in the composition of the reaction gas at the inlet to the bed, which are associated both with the operating modes of the equipment and the production task (demand for products). In the proposed method, a change in the composition can react to a change in the flow rate of the reaction gas at the inlet to the layer.
Например, в случае отсутствия SO3 в реакционном газе на входе изменение состава реакционного газа от SO2=8.26%, O2=91.74% до SO2=17.9%, O2=82.1% позволяет изменять расход в 1.91 раза, а изменение состава реакционного газа от SO2= 94.64%, O2=5.36% до SO2=17.9%, O2=82.1% позволяет изменять расход в 56.5 раза. Введение небольшого количества триоксида серы на входе в слой расширяет границы возможного изменения расхода реакционного газа через слой.For example, in the absence of SO 3 in the reaction gas at the inlet, a change in the composition of the reaction gas from SO 2 = 8.26%, O 2 = 91.74% to SO 2 = 17.9%, O 2 = 82.1% allows you to change the flow rate by 1.91 times, and the change in composition reaction gas from SO 2 = 94.64%, O 2 = 5.36% to SO 2 = 17.9%, O 2 = 82.1% allows you to change the flow rate 56.5 times. The introduction of a small amount of sulfur trioxide at the entrance to the bed expands the boundaries of a possible change in the flow rate of the reaction gas through the bed.
Увеличивается управляемость процесса переработки SO2 и обеспечивается гибкость технологии в условиях изменчивости спроса на ассортимент и количество продукции, что является также отличительными свойствами данного способа.The controllability of the SO 2 processing process is increased and the flexibility of the technology is ensured under the conditions of variability of demand for the assortment and quantity of products, which are also distinctive properties of this method.
Обеспечить диапазон изменения расхода и состава реакционного газа на входе в контактный слой, представленный табл. 9, распределяя только исходный концентрированный сернистый газ, как в способах [5, 6], невозможно. Необходимо иметь возможность отдельного влияния на содержание в реакционном газе как SO2, так и O2. Таким образом, необходимо кислород подавать в слой отдельно от исходного сернистого газа. Добавление к этому процесса деления контактного газа с выхода предыдущего слоя позволяет инвариантно влиять на содержание и расход SO2, O2 и SO3 на входе в слой.To provide a range of changes in the flow rate and composition of the reaction gas at the entrance to the contact layer, presented in table. 9, distributing only the initial concentrated sulfur dioxide gas, as in the methods of [5, 6], is impossible. It is necessary to have the possibility of a separate effect on the content of both SO 2 and O 2 in the reaction gas. Thus, it is necessary to supply oxygen to the bed separately from the source sulfur dioxide. Adding to this the process of fission of contact gas from the output of the previous layer allows you to invariantly affect the content and consumption of SO 2 , O 2 and SO 3 at the entrance to the layer.
На фиг. 8 - 10 приведены технологические схемы для реализации предлагаемого способа. Схемы включают: печь (П); блок утилизации теплоты сгорания серы (БУТ); контактный аппарат (KA); блок выделения триоксида серы (БВ) в составе теплообменника (Т), конденсатора-холодильника (К-Х), абсорбера (А); узел очистки отработанного газа (О). In FIG. 8 to 10 are flow charts for implementing the proposed method. Schemes include: oven (P); unit for utilization of heat of combustion of sulfur (BUT); contact device (KA); a sulfur trioxide (BV) separation unit as a part of a heat exchanger (T), a condenser-cooler (KX), an absorber (A); exhaust gas purification unit (O).
В печи сжигают серу в атмосфере кислорода в присутствии рециклового газа и получают исходный концентрированный сернистый газ. Рецикловый газ необходим в печи для понижения температуры сжигания серы. Исходный концентрированный сернистый газ образует поток W реакционного газа. В случае если контактное отделение имеет отдельный от стадии сжигания серы рецикл (фиг. 8), то к потоку W добавляется рецикл контактного отделения. Поток реакционного газа W распределяют между контактными слоями аппарата. Одновременно распределяют между контактными слоями аппарата и поток V кислорода. Sulfur is burned in an oven in an atmosphere of oxygen in the presence of recycle gas and an initial concentrated sulfur dioxide gas is obtained. Recycling gas is needed in the furnace to lower the sulfur burning temperature. The starting concentrated sulfur dioxide gas forms a reaction gas stream W. If the contact compartment has a recycling separate from the sulfur burning step (FIG. 8), then the contact compartment recycling is added to the flow W. The flow of reaction gas W is distributed between the contact layers of the apparatus. At the same time, oxygen flow V is distributed between the contact layers of the apparatus.
Путем смешения потоков сернистого газа из печи, контактного газа с выхода предыдущего слоя и потока кислорода устанавливают требуемую температуру газовой смеси на входе следующего слоя. Не исключается также возможность использовать межслоевые теплообменники. By mixing the flows of sulfur dioxide from the furnace, the contact gas from the outlet of the previous layer and the oxygen stream, the required temperature of the gas mixture at the inlet of the next layer is established. The possibility of using interlayer heat exchangers is also possible.
Процесс окисления в каждом слое осуществляют в диапазоне от температуры начала реакции Tзi (температура зажигания смеси) до температуры Tрi, выше которой начинается термическое разложение катализатора. На вход каждого слоя подается реакционный газ с минимальным заданным содержанием триоксида серы в его составе. С выхода i-го слоя поток Zi контактного газа делят на два потока Xi и Yi. Поток Yi, i=1, 2, ..., m, m - число слоев контактного аппарата, подают на общую для всех слоев стадию выделения SO3.The oxidation process in each layer is carried out in the range from the temperature of the beginning of the reaction T zi (ignition temperature of the mixture) to the temperature T pi , above which the thermal decomposition of the catalyst begins. At the entrance of each layer, reaction gas is supplied with a minimum predetermined sulfur trioxide content in its composition. From the output of the i-th layer, the contact gas stream Z i is divided into two flows X i and Y i . The stream Y i , i = 1, 2, ..., m, m is the number of layers of the contact apparatus, fed to the stage of SO 3 extraction common to all layers.
В предлагаемом способе, сочетая распределение исходного газа и кислорода с делением контактного газа, воздействуют на состав реакционной смеси на входе слоев и на расход реакционной смеси через слои и тем самым управляют скоростью реакции окисления SO2, производительностью и удельной производительностью слоя и контактного аппарата.In the proposed method, combining the distribution of the source gas and oxygen with the division of the contact gas, they affect the composition of the reaction mixture at the inlet of the layers and the flow rate of the reaction mixture through the layers and thereby control the rate of oxidation of SO 2 , the productivity and specific productivity of the layer and the contact apparatus.
После разделения потока Zi контактного газа с выхода каждого слоя на два потока Xi и Yi поток Xi подают на вход следующего слоя контактного аппарата, а поток Yi, как и контактный газ с выхода последнего слоя, направляют в конденсатор-холодильник. В конденсаторе-холодильнике из контактного газа, охлаждая его в интервале температур 17 - 44oC, путем конденсации выделяют жидкий SO3. С выхода конденсатора-холодильника отработанный газ направляют в линию рецикла, а жидкий SO3 направляют в склад готовой продукции или на переработку в кислоту (олеум).After separation of the contact gas stream Z i from the output of each layer into two streams X i and Y i, the stream X i is supplied to the input of the next layer of the contact apparatus, and the stream Y i , like the contact gas from the output of the last layer, is sent to the condenser-cooler. In the condenser-refrigerator from contact gas, cooling it in the temperature range 17 - 44 o C, liquid SO 3 is isolated by condensation. From the outlet of the condenser-cooler, the exhaust gas is sent to the recycling line, and liquid SO 3 is sent to the finished goods warehouse or for processing into acid (oleum).
В предлагаемом способе серная кислота может быть получена из газа, отводимого из конденсатора-холодильника, так, как показано на фиг. 8. Для этого газ с выхода конденсатора-холодильника подают в абсорбер, в котором этот газ промывают концентрированной серной кислотой, что обеспечивает практически полное извлечение SO3 из газа и одновременно исключает сернокислотный туман в рецикле. Так, при орошении абсорбера серной кислотой, в частности 98.3%-ной концентрации, пары воды в аппарате практически отсутствуют, а парциальное давление паров кислоты при 25oC составляет 3.29 • 10-8 МПа.In the proposed method, sulfuric acid can be obtained from the gas discharged from the condenser-cooler, as shown in FIG. 8. For this, the gas from the outlet of the condenser-cooler is fed into the absorber, in which this gas is washed with concentrated sulfuric acid, which ensures almost complete extraction of SO 3 from the gas and at the same time eliminates sulfuric acid fog in recycling. So, when the absorber is irrigated with sulfuric acid, in particular 98.3% concentration, there are practically no water vapor in the apparatus, and the partial pressure of acid vapor at 25 o C is 3.29 • 10 -8 MPa.
Такой прием, заключающийся в последовательной обработке контактного газа конденсацией и абсорбцией, позволяет снизить требования к составу отводимого из конденсатора-холодильника газа на наличие в нем SO3 и тем самым смягчить регламентные требования к режимам работы конденсатора и одновременно в отличие от прототипа исключить SO3 в рецикле.This technique, which consists in sequential processing of the contact gas by condensation and absorption, can reduce the requirements for the composition of the gas discharged from the condenser-cooler to the presence of SO 3 in it and thereby soften the regulatory requirements for the condenser operating modes and at the same time, unlike the prototype, eliminate SO 3 in recycle.
Последовательно-параллельная схема переработки SO2 позволяет получать в качестве готовой продукции жидкий SO3, серную кислоту, олеум, что обеспечивает гибкость предлагаемой технологии в условиях изменчивости спроса на ассортимент и количество продукции.The serial-parallel scheme of SO 2 processing makes it possible to obtain liquid SO 3 , sulfuric acid, and oleum as a finished product, which provides the flexibility of the proposed technology in the face of varied demand for the range and quantity of products.
Присутствие SO3 в рецикле нецелесообразно; с одной стороны, это отрицательно влияет на экономические показатели циклической схемы, а с другой - является возмущающим воздействием на процесс окисления. Колебания концентрации SO3 в рецикле дестабилизирует процесс переработки сернистого газа, что усложняет управление контактным аппаратом.The presence of SO 3 in recycling is not practical; on the one hand, this negatively affects the economic indicators of the cyclic scheme, and on the other hand, it is a disturbing effect on the oxidation process. Fluctuations in the concentration of SO 3 in recycling destabilizes the process of processing sulfur dioxide, which complicates the control of the contact apparatus.
При использовании технического (технологического) кислорода в системе происходит накопление балластных компонентов (азот), необходима их отдувка из технологического цикла. На фиг. 10 показана схема для реализации этого приема, согласно которому часть рециклового газа отводят на стадию очистки. Здесь из газа выделяют оксиды серы, возвращают их на переработку, а очищенный газ отводят в атмосферу. When using technical (technological) oxygen in the system, the accumulation of ballast components (nitrogen) occurs, their blowing from the technological cycle is necessary. In FIG. 10 shows a diagram for implementing this technique, according to which part of the recycle gas is taken to the purification step. Here, sulfur oxides are extracted from gas, returned to processing, and the purified gas is taken to the atmosphere.
Пример осуществления предлагаемого способа. An example implementation of the proposed method.
На фиг. 9 приведена технологическая схема реализации предлагаемого примера. In FIG. 9 is a flow chart of the implementation of the proposed example.
В печь (П) подают: жидкую серу в количестве 39.73 моль/с, газ рецикла 189.28 моль/с, в котором содержится 37.3 об.% SO2 и 62.7 об.% - O2. Из печи отводят 189.28 моль/с концентрированного сернистого газа с концентрацией SO2 58.3 об.%, O2 - 41.7 об.%. Печной газ охлаждают до температуры 723 К в блоке утилизации тепла стадии сжигания серы (БУТ) и распределяют по слоям контактного аппарата (КА), обеспечивая необходимое количество диоксида серы на входе в каждый слой. На первый слой подают поток W1 печного газа в количестве 41.34 моль/с, на второй - W2 в количестве 47.95 моль/с, на третий - W3 в количестве 49.25 моль/с, на четвертый - W4 в количестве 50.63 моль/с.Into the furnace (P) serves: liquid sulfur in an amount of 39.73 mol / s, recycle gas 189.28 mol / s, which contains 37.3 vol.% SO 2 and 62.7 vol.% - O 2 . From the furnace, 189.28 mol / s concentrated sulfur dioxide gas with a concentration of SO 2 of 58.3 vol.%, O 2 - 41.7 vol.% Is removed. The furnace gas is cooled to a temperature of 723 K in the heat recovery unit of the sulfur burning stage (BFC) and distributed over the layers of the contact apparatus (SC), providing the necessary amount of sulfur dioxide at the entrance to each layer. The first layer is fed with a flow of W 1 furnace gas in an amount of 41.34 mol / s, on the second - W 2 in an amount of 47.95 mol / s, on the third - W 3 in an amount of 49.25 mol / s, on the fourth - W 4 in an amount of 50.63 mol / from.
Поток V= 60.03 моль/с кислорода распределяют по слоям контактной массы следующим образом: на первый слой подают поток V1=23.05 моль/с; на второй - V2= 14.3 моль/с; на третий - V3= 12.36 моль/с; на четвертый - V4=10.32 моль/с.The flow V = 60.03 mol / s of oxygen is distributed among the layers of the contact mass as follows: the flow V 1 = 23.05 mol / s is fed to the first layer; on the second - V 2 = 14.3 mol / s; on the third - V 3 = 12.36 mol / s; on the fourth - V 4 = 10.32 mol / s.
Контактный аппарат имеет диаметр 2 м и четыре слоя контактной массы; высота первого слоя 0.17 м, второго слоя - 0.18 м, третьего слоя - 0.18 м, четвертого слоя - 0.19 м. Мольный расход реакционного газа через каждый слой составляет 100 моль/с (5.93 м3/с при температуре 723 К).The contact apparatus has a diameter of 2 m and four layers of contact mass; the height of the first layer is 0.17 m, the second layer is 0.18 m, the third layer is 0.18 m, the fourth layer is 0.19 m. The molar flow rate of the reaction gas through each layer is 100 mol / s (5.93 m 3 / s at 723 K).
Состав реакционного газа на входе в каждый слой контактной массы и режимные параметры окисления диоксида серы в каждом слое представлены в табл. 10. The composition of the reaction gas at the entrance to each layer of contact mass and the operating parameters of the oxidation of sulfur dioxide in each layer are presented in table. 10.
Триоксид серы в количестве 6.3 моль/с на вход первого слоя подают потоком X4. С потоком X4 на первый слой поступает 11.97 моль/с SO2 и 17.34 моль/с O2. Недостающие 24.1 моль/с SO2, а также 17.24 моль/с O2 подают на первый слой с потоком W1. Недостающие 23.05 моль/с O2 подают потоком V1. Поток X4 образуется путем деления покидающего четвертый слой потока Z4=94.99 моль/с в соотношении X4:Y4=6.3:10.52.Sulfur trioxide in an amount of 6.3 mol / s is supplied to the inlet of the first layer by flow X 4 . With a flow of X 4 , 11.97 mol / s SO 2 and 17.34 mol / s O 2 enter the first layer. The missing 24.1 mol / s SO 2 , as well as 17.24 mol / s O 2 are fed to the first layer with a stream of W 1 . The missing 23.05 mol / s O 2 is fed by stream V 1 . Stream X 4 is formed by dividing the stream leaving the fourth layer Z 4 = 94.99 mol / s in the ratio X 4 : Y 4 = 6.3: 10.52.
С выхода первого слоя поток Z1=95.1 моль/с делится в соотношении X1:Y1= 6.4: 9.70. Триоксид серы на вход второго слоя подают потоком X1 в количестве 6.4 моль/с. С потоком X1 поступает 10.42 моль/с SO2 и 20.93 моль/с O2. Недостающие 27.96 моль/с SO2, а также 19.99 моль/с O2 подают с потоком W2. Недостающие 14.3 моль/с O2 подают потоком V2.From the output of the first layer, the flow Z 1 = 95.1 mol / s is divided in the ratio X 1 : Y 1 = 6.4: 9.70. Sulfur trioxide is supplied to the inlet of the second layer with a stream of X 1 in an amount of 6.4 mol / s. With a stream of X 1 10.42 mol / s SO 2 and 20.93 mol / s O 2 . The missing 27.96 mol / s SO 2 and also 19.99 mol / s O 2 are supplied with a flow of W 2 . The missing 14.3 mol / s O 2 is fed by a stream of V 2 .
С выхода второго слоя поток Z2=95.02 моль/с делится в соотношении X2:Y2= 6.6:9.76. Триоксид серы на вход третьего слоя подают потоком X2 в количестве 6.6 моль/с. С потоком X2 поступает 11.45 моль/с SO2 и 20.34 моль/с O2. Недостающие 28.71 моль/с SO2, а также 20.54 моль/с O2 подают с потоком W3. Недостающие 12.36 моль/с O2 подают потоком V3.From the output of the second layer, the flux Z 2 = 95.02 mol / s is divided in the ratio X 2 : Y 2 = 6.6: 9.76. Sulfur trioxide is supplied to the inlet of the third layer by a stream of X 2 in an amount of 6.6 mol / s. With a flow of X 2 , 11.45 mol / s SO 2 and 20.34 mol / s O 2 are supplied. The missing 28.71 mol / s SO 2 as well as 20.54 mol / s O 2 are supplied with a W 3 stream. The missing 12.36 mol / s O 2 served as a stream of V 3 .
С выхода третьего слоя поток Z3=95.02 моль/с делится в соотношении X3: Y3= 6.8: 9.75. Триоксид серы на вход второго слоя подают потоком X3 в количестве 6.8 моль/с. С потоком X3 поступает 12.42 моль/с SO2 и 19.83 моль/с O2. Недостающие 29.52 моль/с SO2, а также 21.11 моль/с O2 подают с потоком W4. Недостающие 10.32 моль/с O2 подают потоком V4.From the output of the third layer, the flow Z 3 = 95.02 mol / s is divided in the ratio X 3 : Y 3 = 6.8: 9.75. Sulfur trioxide is supplied to the inlet of the second layer by a stream of X 3 in an amount of 6.8 mol / s. With a flow of X 3 , 12.42 mol / s SO 2 and 19.83 mol / s O 2 are supplied. The missing 29.52 mol / s SO 2 as well as 21.11 mol / s O 2 are supplied with a flow of W 4 . The missing 10.32 mol / s O 2 served as a stream of V 4 .
Потоки Yi, образующиеся после разделения потока Zi, покидающего i-й слой, охлаждаются в теплообменнике (Т) и поступают в блок выделения SO3 (БВ). На стадию выделения SO3 поступают следующие газовые потоки:
После первого слоя - 15.84 моль/с SO2, 31.8 моль/с O2, 9.7 моль/с SO3.Streams Y i formed after separation of the stream Z i leaving the i-th layer are cooled in a heat exchanger (T) and enter the SO 3 (BV) separation unit. The following gas streams enter the SO 3 separation step:
After the first layer, 15.84 mol / s SO 2 , 31.8 mol / s O 2 , 9.7 mol / s SO 3 .
После второго слоя - 16.97 моль/с SO2, 29.59 моль/с O2 и 9.76 моль/с SO3.After the second layer, 16.97 mol / s SO 2 , 29.59 mol / s O 2 and 9.76 mol / s SO 3 .
После третьего слоя - 17.79 моль/с SO2, 28.43 моль/с O2 и 9.75 моль/с SO3.After the third layer, 17.79 mol / s SO 2 , 28.43 mol / s O 2 and 9.75 mol / s SO 3 .
После четвертого слоя - 19.95 моль/с SO2, 28.91 моль/с O2 и 10.52 моль/с SO3.After the fourth layer, 19.95 mol / s SO 2 , 28.91 mol / s O 2 and 10.52 mol / s SO 3 .
Всего на стадию выделения SO3 поступает газовый поток составом:
SO3 = 39.73 моль/с, SO2 = 70.55 моль/с, O2 = 118.73 моль/с.Total separation step SO 3 gas stream enters composition:
SO 3 = 39.73 mol / s, SO 2 = 70.55 mol / s, O 2 = 118.73 mol / s.
Сравним табл. 10 с табл. 4. В табл. 4 представлены результаты расчета переработки диоксида серы по последовательной схеме, как в способе [5]. Размеры слоев контактной массы в способе [5] такие же, как в примере (табл. 10). На вход первого слоя контактной массы подавали реакционный газ с расходом 100 моль/с и содержанием SO2 = 51 моль/с, O2 = 49 моль/с (табл. 4). Затем этот газ последовательно перерабатывали во всех слоях контактного аппарата, охлаждая между слоями контактной массы до 723 К. В первом слое контактной массы в табл. 4 удельная производительность контактной массы слоя и производительность слоя немногим ниже, чем в табл. 10. А общая производительность контактного аппарата и удельная производительность контактной массы аппарата в примере (табл. 10) выше, чем в способе [5] табл. 4, намного. Как видно из табл. 4, в контактном аппарате происходит снижение производительности и удельной производительности от слоя к слою. Начиная со второго слоя, увеличивается величина Δli и перестают выполняться условия (1)-(4). В способе [4] можно добиться выполнения условия (1)-(2) (см. табл. 3), что повысит производительность каждого слоя и всего контактного аппарата за счет увеличения по крайней мере в 2 раза количества контактной массы в аппарате, но условие (4)-(5) выполняться не будет. Поэтому при последовательно-параллельной схеме процесс переработки окисления диоксида серы протекает интенсивней по крайней мере в 2 раза и требует в 2 раза меньшего количества контактной массы, чем в способе [4], что обеспечивает уменьшение размеров технологического оборудования. Этот факт также является отличительным свойством последовательно-параллельной схемы.Compare the table. 10 s. 4. In the table. 4 presents the results of the calculation of the processing of sulfur dioxide according to a sequential scheme, as in the method [5]. The dimensions of the layers of contact mass in the method [5] are the same as in the example (table. 10). At the inlet of the first layer of contact mass, reaction gas was supplied with a flow rate of 100 mol / s and a content of SO 2 = 51 mol / s, O 2 = 49 mol / s (Table 4). Then this gas was sequentially processed in all layers of the contact apparatus, cooling between the layers of the contact mass to 723 K. In the first layer of the contact mass in table. 4 the specific productivity of the contact mass of the layer and the productivity of the layer is slightly lower than in table. 10. And the overall performance of the contact apparatus and the specific productivity of the contact mass of the apparatus in the example (Table 10) are higher than in the method [5] of the Table. 4, much. As can be seen from the table. 4, in the contact apparatus, a decrease in productivity and specific productivity from layer to layer occurs. Starting from the second layer, the value Δl i increases and conditions (1) - (4) cease to be satisfied. In the method [4], it is possible to achieve the fulfillment of condition (1) - (2) (see table. 3), which will increase the performance of each layer and the entire contact apparatus by increasing at least 2 times the amount of contact mass in the apparatus, but the condition (4) - (5) will not be executed. Therefore, in a serial-parallel scheme, the process of processing sulfur dioxide oxidation proceeds at least 2 times more intensively and requires 2 times less contact mass than in the method [4], which ensures a reduction in the size of technological equipment. This fact is also a distinctive property of a series-parallel circuit.
Сравним табл. 10 с табл. 2. В табл. 2 представлены результаты расчета переработки обычных сернистых смесей по последовательной схеме, как в способе [2]. Как видно из табл. 2, в контактном аппарате происходит снижение производительности по слоям контактной массы, в то время как удельная производительность снижается несильно. Однако производительность контактного аппарата в способе [2] в 4.7 раз меньше, чем в заявляемом способе, а удельная производительность контактной массы аппарата в 7.8 раз меньше, чем в заявляемом способе, что требует в 7.8 раз большего объема контактной массы. Compare the table. 10 s. 2. In the table. 2 presents the results of the calculation of the processing of conventional sulfur mixtures according to a sequential scheme, as in the method [2]. As can be seen from the table. 2, in the contact apparatus there is a decrease in productivity in the layers of the contact mass, while the specific productivity decreases slightly. However, the productivity of the contact apparatus in the method [2] is 4.7 times less than in the claimed method, and the specific productivity of the contact mass of the apparatus is 7.8 times less than in the claimed method, which requires 7.8 times more contact mass.
Результаты сравнения табл. 10 с табл. 2-4 подтверждают, что заявляемый способ имеет лучшие показатели эффективности работы, чем способы [5, 6] и чем способ [2]. The comparison results of the table. 10 s. 2-4 confirm that the inventive method has better performance indicators than the methods [5, 6] and the method [2].
Claims (2)
Ti к - Ti н + Δ1i = Tрi - Tзi; (1)
Tзi ≤ Ti н < Ti к ≤ Tpi; (2)
τпрi=(1+Δ2i)•τ
0 ≤ Δ2i ≤ 0,5, (4)
при этом значения Wi, Vi, Xi и Yi определяют по материальному балансу слоя, по материальному балансу процесса деления потока Zi с выхода (i-1)-го слоя и по материальному балансу процесса смешения потоков Wi и Vi согласно следующим уравнениям:
Xi-1 = Zi-1•NSO3нi/NSO3кi-1; (5)
Yi-1 = Zi-1 - Xi-1; (6)
Wi = NSO2нi + NO2 W i - NSO2кi-1•Xi-1/Zi-1; (7)
Vi = NO2нi - NO2 W i - NO2кi-1•Xi-1/Zi-1, (8)
причем
Wi + Vi + Xi-1 = NSO2нi + NO2нi + NSO3нi; (9)
∑Wi = W; (10)
∑Vi = V; (11)
Wi = NSO2 W i + NO2 W i; (12)
Vi = NO2 V i, (13)
где Тi н, Ti к - температура реакционного газа на входе и выходе i-го слоя катализатора, К;
Тзi, Тpi - температура соответственно зажигания и начала термического разрушения контактной массы i-го слоя, К;
Δ1i - запас термоустойчивости контактной массы, К;
τпрi - время пребывания реакционного газа в i-м слое контактной массы, с;
Δ2i - безразмерный запас, учитывающий падение активности контактной массы слоя;
теоретическое время соприкосновения реакционного газа с поверхностью контактной массы i-го слоя, с;
теоретическое время соприкосновения с поверхностью контактной массы i-го слоя для объема реакционного газа без наличия триоксида серы на входе в слой и с таким же как и для τci, отношением количества молей диоксида серы к количеству молей кислорода, с;
Xi-1, Yi-1 - потоки, возникшие от деления потока Zi-1, моль/с;
Zi-1 - поток контактного газа, покидающий (i-1)-й слой, моль/с;
NSO2нi, NO2нi, NSO3нi - содержание SO2, O2, SO3 в потоке газа на входе в i-й слой, моль/с;
NSO2кi-1, NO2кi-1, NSO3кi-1 - содержание SO2, O2, SO3 в потоке Zi-1, моль/с;
Wi - распределяемый в i-й слой поток исходного концентрированного сернистого газа, моль/с;
NSO2 W i, NO2 W i - содержание диоксида серы и кислорода в потоке Wi, моль/с;
Vi - распределяемый в i-й слой поток кислорода, моль/с;
W, V - потоки исходного концентрированного сернистого газа и кислорода, поступающие на вход контактного аппарата, моль/с;
NO2 V i - содержание кислорода в потоке Vi, моль/с.1. A method of processing concentrated sulfur dioxide gas into sulfur trioxide according to a cyclic scheme, comprising the steps of oxidizing sulfur dioxide in a multilayer contact apparatus by distributing the initial sulfur dioxide gas between the layers of the contact mass, dividing the contact gas from the output of the layers into streams, separating sulfur trioxide from the contact gas, and blowing from recycling of the part of the exhaust gas, previously purified from sulfur oxides returned to processing, characterized in that the process of oxidation of sulfur dioxide into a multilayer contact ohm apparatus is performed by a series-parallel circuit by distributing the initial sulfur dioxide and oxygen flows W V over the layers contactor contact and dividing the gas flow from the output Z i of each i-th layer for i = 1, 2, ..., m, where m is the number of layers to flows X i and Y i supplied: stream X i to the input of the next (i + 1) th layer, from the output of the last layer stream X m is returned to the input of the first layer, stream Y i to the stage separation of sulfur trioxide, then recycled and the composition of the reaction gas comprising sulfur dioxide content of N SO2ni, sour N O2ni kind of sulfur trioxide N SO3ni, at the inlet of each i-th layer support, starting from the joint the following conditions:
T i k - T i n + Δ1 i = T pi - T zi ; (1)
T zi ≤ T i n <T i k ≤ T pi ; (2)
τ pri = (1 + Δ2 i ) • τ
0 ≤ Δ2 i ≤ 0.5, (4)
the values of W i , V i , X i and Y i are determined by the material balance of the layer, by the material balance of the process of dividing the stream Z i from the output of the (i-1) th layer, and by the material balance of the process of mixing the flows W i and V i according to the following equations:
X i-1 = Z i-1 • N SO3нi / N SO3кi-1 ; (5)
Y i-1 = Z i-1 - X i-1 ; (6)
W i = N SO2нi + N O2 W i - N SO2кi-1 • X i-1 / Z i-1 ; (7)
V i = N O2нi - N O2 W i - N O2кi-1 • X i-1 / Z i-1 , (8)
moreover
W i + V i + X i-1 = N SO2ni + N O2ni + N SO3ni ; (9)
∑W i = W; (10)
∑V i = V; (eleven)
W i = N SO2 W i + N O2 W i ; (12)
V i = N O2 V i , (13)
where T i n , T i k - temperature of the reaction gas at the inlet and outlet of the i-th catalyst layer, K;
T zi , T pi - ignition temperature and the beginning of thermal destruction of the contact mass of the i-th layer, K;
Δ1 i - stock thermal stability of the contact mass, K;
τ pri is the residence time of the reaction gas in the i-th layer of the contact mass, s;
Δ2 i is the dimensionless margin taking into account the decrease in the activity of the contact mass of the layer;
theoretical time of contact of the reaction gas with the surface of the contact mass of the i-th layer, s;
theoretical time of contact with the surface of the contact mass i-th layer for the volume of the reaction gas, without the presence of sulfur trioxide in the inlet layer and with the same as for τ ci, a molar ratio of sulfur dioxide to the number of moles of oxygen with;
X i-1 , Y i-1 - flows arising from the division of the flow Z i-1 , mol / s;
Z i-1 — contact gas flow leaving the (i-1) th layer, mol / s;
N SO2нi , N O2нi , N SO3нi — SO 2 , O 2 , SO 3 content in the gas stream at the entrance to the i-th layer, mol / s;
N SO2кi-1 , N O2кi-1 , N SO3кi-1 - content of SO 2 , O 2 , SO 3 in the stream Z i-1 , mol / s;
W i - distributed in the i-th layer stream of the source of concentrated sulfur dioxide gas, mol / s;
N SO2 W i , N O2 W i - the content of sulfur dioxide and oxygen in the stream W i , mol / s;
V i - oxygen flow distributed in the i-th layer, mol / s;
W, V — streams of the initial concentrated sulfur dioxide and oxygen supplied to the input of the contact apparatus, mol / s;
N O2 V i is the oxygen content in the stream V i , mol / s.
Vi = NO2 V i + NN2 V i, (14)
где NN2 V i - содержание азота в потоке Vi, моль/с.2. The method according to p. 1, characterized in that at the stage of oxidation of sulfur dioxide using technical or technological oxygen or oxygen-air mixture:
V i = N O2 V i + N N2 V i , (14)
where N N2 V i is the nitrogen content in the stream V i , mol / s.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99126282A RU2174945C2 (en) | 1999-12-15 | 1999-12-15 | Method of processing concentrated sulfur dioxide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99126282A RU2174945C2 (en) | 1999-12-15 | 1999-12-15 | Method of processing concentrated sulfur dioxide |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2174945C2 true RU2174945C2 (en) | 2001-10-20 |
| RU99126282A RU99126282A (en) | 2001-11-10 |
Family
ID=20228109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99126282A RU2174945C2 (en) | 1999-12-15 | 1999-12-15 | Method of processing concentrated sulfur dioxide |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2174945C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004037719A1 (en) * | 2002-10-24 | 2004-05-06 | Outokumpu Oyj | Process and plant for the manufacture of sulphuric acid from gases rich in sulphur dioxide |
| WO2005105666A3 (en) * | 2004-05-05 | 2006-12-28 | Outokumpu Technology Oyj | Process and plant for producing sulfuric acid from gases rich in sulfur dioxide |
| WO2008151759A3 (en) * | 2007-06-13 | 2009-02-12 | Outotec Oyj | Process and apparatus for mixing gases |
| US7820134B2 (en) | 2004-03-12 | 2010-10-26 | Outotec Oyj | Process and plant for producing sulfuric acid |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3647360A (en) * | 1970-04-13 | 1972-03-07 | Ovitron Corp | Process for the production of sulfur trioxide by the cold gas process |
| US4046866A (en) * | 1975-04-24 | 1977-09-06 | Stauffer Chemical Company | Production of liquid sulfur trioxide |
| GB1553307A (en) * | 1975-07-03 | 1979-09-26 | Bayer Ag | Process for producing sulphuric acid |
| EP0101110A1 (en) * | 1982-08-12 | 1984-02-22 | Metallgesellschaft Ag | Process for preparing sulfuric acid |
| WO1986003187A1 (en) * | 1983-06-03 | 1986-06-05 | Kemira Oy | A process and apparatus for catalytic oxidation of sulfur dioxide |
| RU2027665C1 (en) * | 1993-01-12 | 1995-01-27 | Анатолий Иванович Кобяков | Method of sulfur acid producing |
| RU2036132C1 (en) * | 1991-06-21 | 1995-05-27 | Государственный научно-исследовательский институт цветных металлов | Process for manufacture of sulfuric acid |
-
1999
- 1999-12-15 RU RU99126282A patent/RU2174945C2/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3647360A (en) * | 1970-04-13 | 1972-03-07 | Ovitron Corp | Process for the production of sulfur trioxide by the cold gas process |
| US4046866A (en) * | 1975-04-24 | 1977-09-06 | Stauffer Chemical Company | Production of liquid sulfur trioxide |
| GB1553307A (en) * | 1975-07-03 | 1979-09-26 | Bayer Ag | Process for producing sulphuric acid |
| EP0101110A1 (en) * | 1982-08-12 | 1984-02-22 | Metallgesellschaft Ag | Process for preparing sulfuric acid |
| WO1986003187A1 (en) * | 1983-06-03 | 1986-06-05 | Kemira Oy | A process and apparatus for catalytic oxidation of sulfur dioxide |
| RU2036132C1 (en) * | 1991-06-21 | 1995-05-27 | Государственный научно-исследовательский институт цветных металлов | Process for manufacture of sulfuric acid |
| RU2027665C1 (en) * | 1993-01-12 | 1995-01-27 | Анатолий Иванович Кобяков | Method of sulfur acid producing |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004037719A1 (en) * | 2002-10-24 | 2004-05-06 | Outokumpu Oyj | Process and plant for the manufacture of sulphuric acid from gases rich in sulphur dioxide |
| EA007989B1 (en) * | 2002-10-24 | 2007-02-27 | Оутокумпу Ойй | Process and plant for the manufacture of sulphuric acid from gases rich in sulphur dioxide |
| US7820134B2 (en) | 2004-03-12 | 2010-10-26 | Outotec Oyj | Process and plant for producing sulfuric acid |
| WO2005105666A3 (en) * | 2004-05-05 | 2006-12-28 | Outokumpu Technology Oyj | Process and plant for producing sulfuric acid from gases rich in sulfur dioxide |
| US7704476B2 (en) | 2004-05-05 | 2010-04-27 | Outotec Oyj | Process and plant for producing sulfuric acid from gases rich in sulfur dioxide |
| WO2008151759A3 (en) * | 2007-06-13 | 2009-02-12 | Outotec Oyj | Process and apparatus for mixing gases |
| AU2008261291B2 (en) * | 2007-06-13 | 2013-08-01 | Metso Metals Oy | Process and apparatus for mixing gases |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6165435A (en) | Method and production of nitric acid | |
| AU2007315318A1 (en) | Process and apparatus for the catalytic oxidation of SO2-Containing gases by means of oxygen | |
| US5053210A (en) | Method for the purification of flue gases | |
| RU2174945C2 (en) | Method of processing concentrated sulfur dioxide | |
| CA2216477A1 (en) | Nitric acid production | |
| US4183906A (en) | Oxygen-enrichment columnar absorption process for making nitric acid | |
| CA2205788A1 (en) | Direct oxygen injection in nitric acid production | |
| JPS5235793A (en) | Manufacturing process for sulfuric acid | |
| Pradhan et al. | Absorption of NOx gases in aqueous NaOH solutions: selectivity and optimization | |
| EP0799794A1 (en) | Oxygen injection in nitric acid production | |
| US5389354A (en) | Process for the production of oleum and sulfuric acid | |
| US3997655A (en) | Process for catalytically reacting gases having a high SO2 content | |
| CA2951459A1 (en) | Single contact, single absorption system for producing sulfuric acid with high conversion efficiency | |
| US3780166A (en) | Process of catalytically reacting so2 to form so3 and of producing sulfuric acid | |
| EP0082831A2 (en) | Vanadium pentoxide catalysts and use thereof | |
| NZ207731A (en) | Producing liquefied sulphur dioxide,and sulphuric acid plant | |
| US5082645A (en) | Waste acid recovery process | |
| US3658472A (en) | Manufacture of nitric acid | |
| CN215027472U (en) | By using a gas containing SO3Device for increasing conventional concentration sulfuric acid concentration by using dry flue gas | |
| SU1696383A1 (en) | Method of sulphur dioxide oxidation to sulphur trioxide | |
| RU2091302C1 (en) | Method of absorption of nitrogen oxides | |
| US3591342A (en) | Apparatus for the preparation of nitric acid | |
| RU2070865C1 (en) | Method of producing nitrogen oxides | |
| RU2042610C1 (en) | Method of synthesis of sulfuric acid by nitrosous method | |
| RU2151736C1 (en) | Nitric acid production process |