Серная кислота, H2SO4 - химический реагент, прозванный «едкой кровью» промышленности, повсеместно используется в промышленном химическом синтезе и различных технологических процессах.
Серная кислота в промышленности
Инженеры, ученые, студенты и исследователи — все знакомы с его применением.
Эта кислота H2SO4 настолько неотъемлема от современной экономики, что трудно представить себе функционирование экономики без нее.
Уникальные свойства серной кислоты (H2SO4) делают ее незаменимой даже для самых современных соединений, разработанных поставщиками химических продуктов.
Таким образом, серная кислота стала неотъемлемым компонентом современного мира.
Последовательные этапы химического производства серной кислоты включают стадии
- получения сернистого ангидрида,
- его окисления до серного ангидрида и
- выделения серного ангидрида из газов за счет абсорбции серной кислотой,
для каждой из которых используется специальное оборудование.
Известны реакторы, в которых осуществляется процесс
- окисления серы до сернистого ангидрида (серные печи),
- окисления сернистого ангидрида до серного ангидрида (контактные аппараты) и
- реакторы для синтеза серной кислоты (абсорберы серного ангидрида).
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является реактор для окисления сернистого ангидрида в кипящем слое, представляющий собой вертикальный цилиндрический корпус с решеткой для зернистого катализатора, с вводом для исходных реагентов и выводом для продуктов реакции и с трубчатым теплообменником.
Под решетку подается газовая смесь сернистого газа с воздухом в таком количестве, что частицы катализатора взвешиваются, витают и интенсивно перемешиваются.
Получение серной кислоты с использованием на каждой стадии специального аппарата приводит к большим капитальным затратам, большому расходу металла и не позволяет полно использовать вторичные тепловые ресурсы.
Целью изобретения является более полное использование выделяющегося в процессе тепла и уменьшение материалоемкосты и снижение энергетических расходов за счет совмещения всех стадий процесса в одном реакторе.
Конструкция лабораторного реактора для синтеза серной кислоты
В реакторе для получения серной кислоты, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого размещена решетка с катализатором и теплообменником, вводы для воды или водяного пара и серы и выводы для продуктов реакции, корпус снабжен установленным коаксиально с образованием кольцевого зазора цилиндром, в котором размещена решетка с катализатором и теплообменником, и дополнительными охладителями, закрепленными в кольцевом зазоре.
Кроме того, реактор снабжен дополнительным вводом для воды или водяного пара, размещенного в верхней части корпуса.
Ввод для серы выполнен в виде трубы или пучка труб, нижние концы которых расположены во внутреннем цилиндре.
Для уменьшения истираемости катализатора он может быть нанесен на охлаждающие элементы теплообменника, расположенные во внутреннем, цилиндре реактора.
Реактор имеет вертикальный цилиндрический корпус 1, внутри которого установлен коаксиально внутренний цилиндр 2, и решетку 3 для зернистого катализатора 4.
В кольцевом пространстве 5 размещены охлаждающие элементы 6 теплообменника, на поверхности которых конденсируется серная кислота.
Аналогичные охлаждающие элементы теплообменника 7 размещены также в катализаторе 4.
Реактор содержит также фильтр 8 для выделения брызг кислоты, вентилятор 9, вводы 10 и 11 для исходных реагентов и выводы для продуктов реакции.
Как работает реактор для получения серной кислоты
В нижнюю часть реактора под решетку 3 направляют газовую смесь, содержащую пары серы и кислород.
Пройдя решетку, газ поступает в слой катализатора 4 с такой скоростью, что создается взвешенный слой, на зернах которого происходит окисление паров серы до серного ангидрида.
Сверху в аппарат через ввод 10 подается вода или водяные пары.
По выходе из слоя катализатора газовую смесь направляют в кольцевое пространство 5.
Встречая более холодную поверхность охлаждающих элементов 6, газовая смесь охлаждается, в результате чего серный ангидрид и пары воды соединяются, образуя серную кислоту, которая конденсируется, и ее выводят из реактора как готовый продукт.
Оставшиеся после конденсации газы выводят из кольцевого пространства 5 и направляют в фильтр 8 для выделения брызг кислоты, а затем вентилятором 9. вновь направляют в реактор.
В случае использования твердой или жидкой серы (фиг. 2) она вводится через ввод 10 сверху в кипящий слой катализатора, а пары воды подаются снизу под катализаторную решетку 3.
При таком вводе реагентов достигается более быстрое испарение серы, интенсивное перемешивание ее паров с остальными компонентами газовой смеси.
Сера может поступать в реактор в твердом, жидком или парообразном состоянии.
Согласно варианту выполнения реактора на (фиг. 3) твердая сера подается сверху через трубу (ввод) 10 на инертный зернистый материал 12, испаряется и окисляется до серного ангидрида на катализаторе 4, нанесенном на охлаждающие элементы теплообменника 7.
Такой способ использования катализатора должен обеспечить высокий коэффициент теплопередачи контактной массы.
Кроме того, такое конструктивное решение обеспечивает уменьшение истирания катализатора и снижение гидравлического сопротивления реактора.
Отсутствие коммуникаций между отдельными аппаратами приводит к снижению металлоемкости и гидравлического сопротивления в системе.
Кроме того, на основании тепловых эффектов получения серной кислоты при 298 К можно рассчитать коэффициент использования тепла процесса получения серной кислоты.
Таким образом, общий тепловой эффект образования серной кислоты составляет 633,607 кДж/моль.
В существующих схемах производства серной кислоты утилизируется лишь тепло процессов сжигания серы (1) и окисления сернистого газа (2), т.е. теоретически 458,423 кДж/моль.
С учетом потерь тепла газа в абсорберах использование вторичных тепловых ресурсов в современных схемах составляет 55%.
В предлагаемом реакторе реакции (3) и (4) проводят в температурном интервале 400 - 200°C, что позволяет утилизировать тепло этих реакций.
Утилизация тепла всех стадий процесса получения серной кислоты позволит повысить коэффициент его использования до 94%, что обеспечивает получение дополнительно около 0,6 т энергетического пара на 1 т продукционнюй кислоты.
РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ По изобретению реактора для получения серной кислоты (Авторское свидетельство SU 1 005 885 A1 от 23.03.1983 г. Авторы: Амелин А. Г., Хрипунов Н.Ф., Мухин И.П., Семенов Г.М. и Дроздовский В.Я. )
