Курсовая работа / Расчет производства серной кислоты - Вяткин - Никишина - 2005
«Расчет ХТС производства серной кислоты из элементарной серы одинарным контактированием».
Выполнили: Никишина Ирина Гончарова Лариса Группа И-44
Проверил: доц. Вяткин Ю.Л.
2.1. Химическая система ХТС.
2.2. Функциональная система ХТС.
2.3. Структурная система ХТС.
2.4. Расчетная система ХТС.
3 . Описание технологической схемы ХТС с учетом рассчитанного материального баланса………………………………………………. 7
3.1. Технологическая схема ХТС.
3.2. Расчетная схема ХТС.
4 . Математическое описание расчетных элементов……………. …10
5 . Математическое описание процесса в слое катализатора………11
6 . Метод решения математического описания ХТС……………. …12
7 . Оценка количеств исходных веществ для обеспечения заданной производительности Н 2 SO 4 …………………………………………..13
8. Таблица с материальным балансом ХТС…………………………..13
9. Расчет контактного аппарата в схеме……………………………. 15
9.1 Расчет равновесной степени превращения диоксида серы.
9.2 Расчет значений для линии оптимальных температур.
9.3 Оптимизация многослойного реактора с вводом холодного газа после первого слоя.
9.4 Оптимальный режим действующего реактора с вводом холодного газа после первого слоя.
9.5Расчет объема катализатора на каждом слое.
10. Рекомендации по экологии………………………………………..…18
12. Список использованной литературы……………………………….20
Рассчитать материальный баланс ХТС производства серной кислоты при следующих условиях:
Мощность по серной кислоте, 100% Н 2 SO 4 т/сут
Содержание негорючих примесей в сере, %мас.
Степень окисления SO 2 в SO 3
Коэффициент избытка воздуха от стехиометрии
Степень превращения серы в печи, %
Степень абсорбции SO 3 в абсорбере, %
Доля отбираемого потока товарной кислоты
Содержание Н 2 SO 4 в товарной кислоте, % масс.
Концентрация SO 2 перед контактным аппаратом, % об.
Концентрация O 2 перед контактным аппаратом, % об.
Число слоев катализатора в контактном аппарате
Степень превращения серы при сжигании, %
Нарисовать технологическую схему производства серной кислоты из серы («короткая схема»), дать ее функциональную, структурную, операторную и расчетную формы. Описать функционирование схемы и ее технологические параметры с учетом рассчитанного материального баланса.
- количество серы, воздуха и воды для обеспечения заданной производительности с точностью 1%;
- расходные коэффициенты по сере, воздуху, воде на 1 тонну продуктов (100%);
- количество оксидов серы, выбрасываемых в атмосферу на 1 тонну продуктов;
- кратность циркуляции жидкости в абсорбере;
- количество твердых отходов на 1 тонну продуктов.
После расчета материального баланса ХТС провести расчет контактного аппарата (КА) окисления SO 2 в SO 3 на условия Р=1,2ата, определить необходимое количество катализатора и его оптимальное распределение по слоям v k v ki ? если между слоями тепло снимается: вводом холодного газа 1-ого слоя и теплообменниками между остальными слоями катализатора. Температура
холодного газа T х.г. =200 0 С.
Построить (Т-X) eq диаграмму (eq-равновесие), ЛОТ и профили температуры по слоям катализатора в КА (реакторе) на одном графике. Температура газовой смеси на входе в КА Т н =420 0 С.
Дать рекомендации по уменьшению выбросов SO 2 и SO 3 в окружающую среду.
2.1. Химическая система ХТС - это совокупность химических уравнений, которыми описывается ХТС, например в нашем случае:
SO 2 +0,5О 2 =SO 3
SO 3 +H 2 O= H 2 SO 4
2.2. Функциональная система ХТС - это совокупность последовательных технологических операций по превращению сырья в продукт в рамках данной ХТС, представленная в виде схемы
2.3. Структурная система ХТС - упрощенная схема с указанием связей между аппаратами.
1 – плавилка серы;
2 – печь сжигания серы;
4 – контактный аппарат;
6 – моногидратный абсорбер.
2.4. Расчетная система ХТС .
Составим таблицу материального баланса для нашей ХТС.
Для начала по заданной производительности серной кислоты рассчитываем количество триоксида серы:
SO 3 +H 2 O= H 2 SO 4
N теор (SO 3 )=N(H 2 SO 4 )=8333,33*/98=85,034кмоль/ч;
По условию степень абсорбции SO 3 в абсорбере 99,9%, тогда можно составить пропорцию:
тогда X=N практ (SO 3 )=85,119 кмоль Далее находим количество диоксида серы:
SO 2 +0,5О 2 =SO 3
N теор (SO 2 )=N(SO 3 )=85,119 кмоль/ч;
По условию степень окисления SO 2 в SO 3 составляет 0,985, тогда составляем пропорцию
тогда У= N практ (SO 2 )=86,415 кмоль;
Теперь можно найти количество серы, необходимой для осуществления заданной производительности:
N теор (S 2 )= 1 2 N(SO 2 )=86,415/2=43,2075 кмоль;
Тогда масса серы составит:
G(S 2 ) теор = N теор (S 2 )*М(S 2 )=43,2075*64=2765,28 кг.
По условию сказано, что содержание негорючих примесей в сере 0,5%мас., тогда составляем пропорцию для нахождения технической массы серы
тогда Z=G практ (S 2 )=2779,176 кг.
Следующим этапом находим необходимое количество кислорода (воздуха) для процесса:
Кислород нужен в двух процессах:
1) S 2 +2O 2 =2SO 2
2) SO 2 +0,5О 2 =SO 3
1) N(O 2 )=N(SO 2 )=86,415 кмоль;
2) N(O 2 )= 1 2 N(SO 3 )=42,5595 кмоль;
тогда N (О 2 )=128,975 кмоль; V(O 2 )= N(O 2 )*V m =128,975*22,4=2889,029 м 3 ;
Зная объемный процент кислорода в воздухе можно посчитать объем воздуха 21% - 2889,029
тогда X=V(возд) теор =13757,28 м 3 ; N(возд) теор =13757,28/22,4=614,164 кмоль;
По условию коэффициент избытка воздуха по стехиометрии составляет 1,5, тогда:
N(возд) практ =614,164*1,5=921,246 кмоль;
G(возд) практ =921,246*29=26716,148 кг;
V(возд) практ =921,246*22.4=20635,9 м 3 ;
Рассчитаем количество воды, необходимое на проведение данного процесса: Для осуществления реакции SO 3 +H 2 O=H 2 SO 4 , количество необходимой воды
N теор (Н 2 O)=N(H 2 SO 4 )=85,034 кмоль, тогда G(Н 2 O)=85,034*18=15986,392 кг.
Но вода в процессе необходима также и для разбавления 100% кислоты до товарного продукта (кислота 99,5%масс.). По эмпирическому правилу креста можно рассчитать количество воды, необходимое для разбавления кислоты:
делим на 99,5, тогда
тогда X=G(Н 2 О)=41,875 кг.
Тогда общее количество воды, необходимое для процесса: G(Н 2 О) практ =16028,267 кг;
Теперь необходимо рассчитать массу товарной кислоты на выходе:
По условию мы получаем 200т/сут (8333,33кг/ч) 100%-ой кислоты, тогда исходя из пропорции:
тогда У=G(H 2 SO 4 ) практ =8352,21кг
Рассчитываем количество несгоревших примесей, по условию содержание негорючих примесей в сере 0,5%, тогда масса их составит:
G(прим) практ =2779,176*0,005=13,896кг
Расчет выходящих газов, которые не приняли участие в реакции: а) по условию 0,15% SO 2 не вступило в реакцию, тогда N(SO 2 ) вых =85,119*0,015=1,2768 кмоль; V(SO 2 ) вых =1,2768*22.4=28,6 м 3 ;
G(SO 2 ) вых =1,2768*64=81,7152 кг.
б) по условию 0,1% SO 3 не вступил в реакцию, тогда
N (SO 3 ) вых =85,119*0,001=0,08512 кмоль;
V (SO 3 ) вых =00,08512*22,4=1,90669 м 3 ;
G (SO 3 ) вых =0,08512*80=6,08096кг .
в) N 2 в реакцию не вступает, значит, он тоже будет в отходящих газах V (N 2 ) вых =420635,9*0,79=16302,361 м 3 ;
N (N 2 ) вых =16302,361/22,4=727,784 кмоль; G (N 2 ) вых =727,784*28=20377,95 кг;
г) V(O 2 ) прореаг =420635,9*0,21=4333,539 м 3 ; N(O 2 ) прореаг =4333,539/22,4=193,46 кмоль;
N (O 2 ) вых =193463-85,415-42,5595=65,4885 кмоль;
V(O 2 ) вых =65,4885*22,4=1466,94 м 3 ; G (O 2 ) вых =65,4885*32=42095,632 кг;
Таблица ма териального бала нса
3. Описание технологической схемы ХТС с учетом рассчитанного материального баланса.
3.1. Технологическая схема ХТС.
Приведем короткую схему получения серной кислоты методом простого (одинарного) контактирования.
рис.1 Технологическая схема производства серной кислоты из элементарной серы.
- плавилка серы с ее очисткой
от негорючих примесей;
- печь сжигания серы;
«Кроткой» называется технологическая схема получения Н 2 SO 4 из элементарной серы. Она значительно проще, так как элементарная сера не содержит вредных для контактной массы (катализатора) примесей и отпадает необходимость системы очистки.
Расплавленная сера, очищенная в 1 от негорючих примесей, и очищенный воздух подаются в печь сжигания серы 2, где при сгорании серы образуется
Температура сернистого газа на выходе из печи составляет 1100-1200 0 С. В парогенераторе 3 снимается тепло, и температура потока понижается до 420-440 0 С, после чего газовая смесь подается в контактный аппарат 4 для окисления SO 2 в SO 3 :
SO 2 +0,5О 2 =SO 3.
Это гетерогенно-каталитическая реакция, для проведения которой используется катализатор на основе пятиоксида ванадия. Полученный триоксид серы после охлаждения в теплообменнике 5 поступает в абсорбер 7, где образуется серная кислота.
SO 3 +H 2 O= H 2 SO 4 .
Циркуляция жидкости через абсорбер с помощью насосов 9 позволяет проводить абсорбцию при оптимальных концентрациях поглотителя и мало меняющемся составе жидкости в абсорбере. В рецикл добавляется необходимое количество воды. Тепло абсорбции снимается в теплообменнике 8.
3.2. Расчетная схема ХТС.
Некоторые элементы не изменяют состав потоков и их величину, например, теплообменники, насосы, котлы-утилизаторы. Поэтому для расчета материального баланса ХТС такие элементы, как парогенератор (3), теплообменник (5,7) и насос (8), входящие в нашу систему, приведенную на рис.1, можно исключить. Сокращенный вариант ХТС, предназначенный для расчета материального баланса , представлен на рис.2.
рис.2 Упрощенная технологическая схема ХТС
Использование расчетных элементов позволяет существенно упростить составление и, соответственно, расчет материального баланса сложной ХТС.
Схему ХТС, показанную на рис.2, можно составить из отдельных расчетных элементов, воспроизводящих работу технологических аппаратов, тогда мы получим расчетную схему ХТС. Обратим внимание, что переход к расчетной схеме не всегда связан с простой заменой технологических аппаратов на указанные элементы.
рис.3 Расчетная схема ХТС (пунктиром выделены технологические аппараты)
Также расчетная схема ХТС рис.5 может быть представлена в виде таблицы. Для этого пронумеруем все расчетные элементы на рис.5. Для каждого расчетного элемента укажем номера элементов, из которых потоки входят в данный расчетный элемент, и номера элементов, в которые направляются потоки, выходящие из данного расчетного элемента. В каждой строчке таблицы укажем номер и наименование элемента и его связи.