Технологический режим башенных систем

Основной процесс окисления диоксида серы в производстве серной кислоты нитрозным методом осложнен многими одно­временно протекающими химическими процессами. Эти процес­сы тесно связаны между собой, поэтому каждый из них нельзя рассматривать отдельно от других. На ход этих процес­сов весьма существенное влияние оказывают число башен, ко­личество кислоты, орошающей эти башни, интенсивность процессов тепло- и массопередачи в газах и жидкости и др. Определение наиболее выгодного соотношения химических и физи­ческих факторов протекающих процессов позволяет установить оптимальный технологический режим.

Непременными условиями нормальной работы башенной системы являются постоянство температуры и объема поступающего обжигового газа, а также постоянство концентрации в нем SO₂ и достаточно высокая температура газа. От этого в зна­чительной степени зависят качественные и количественные по­казатели работы башенных систем. Для обеспечения высокой производительности системы весьма важна герметичность аппаратуры и коммуникаций. Подсос в продукционной зоне вреден потому, что проникающий воздух понижает скорость процесса окисления диоксида серы, а также ухудшает условия процесса денитрации серной кислоты. С увеличением объема газа в peзультате подсоса воздуха повышается гидравлическое сопро­тивление системы и возрастают потери оксидов азота вследст­вие увеличения объема отходящих газов.

Число башен. Процесс переработки S02 башенным способом состоит собственно из двух стадий:

1) окисления SO₂ в растворе и получения серной кислоты;

2) сорбции оксидов азота из отходящих газов.

Практически каждая из этих стадий включает ряд процес­сов и осуществляется в нескольких башнях. Строгого разграни­чения процессов по башням провести нельзя, так как в каж­дой башне одновременно с основными процессами протекают и побочные. Например, в первой башне (см. рис. 9-1) наряду с денитрацией серной кислоты происходит окисление части диок­сида серы. Во второй башне одновременно протекают окисле­ние SO₂ и оксидов азота и абсорбция их орошающей кислотой, особенно в верхней части башни. В абсорбционных башнях по­глощение оксидов азота сопровождается их окислением.

Башенный процесс можно проводить не только в пяти, но и в большем или меньшем числе башен. Существуют, например, башенные системы из шести, семи и даже восьми башен. Теоре­тически возможна башенная система, в которой весь нитрозный процесс переработки диоксида серы будет протекать в одной башне (такие предложения имеются). С увеличением числа ба­шен технологический режим системы становится более устой­чивым, так как при этом легко устраняются отдельные его на­рушения. Чем меньше башен в системе, тем труднее поддержи­вать ее постоянный технологический режим.

По мере изучения нитрозного процесса число башен в систе­ме постепенно сокращают, однако с повышением интенсивности нитрозного процесса это уменьшение не всегда оправдано. Ин­тенсивность башенной системы (в кг/м³) характеризуется коли­чеством серной кислоты (в пересчете на 100% H₂SO₄), получае­мой в сутки на единицу суммарного объема всех башен. На отечественных заводах она составляет 100—150 кг/м³. В семи-башенной системе (рис. 9-8) процесс состоит в следующем.

Горячий обжиговый газ поступает параллельно в две одина­ковые башни — денитратор 1 и концентратор 2, являющийся первой продукционной башней. По выходе из этих башен газ объединяется в один общий поток, который проходит во вторую продукционную башню 3. Далее газ поступает в окислитель­ный объем — башню 4 и три абсорбционные башни 5—7. Из по­следней абсорбционной башни 7 газ направляется в электро­фильтр 8 для выделения брызг и тумана серной кислоты. Отхо­дящие газы затем через трубу удаляются в атмосферу. Для перемещения газа через башенную систему служит вентиля­тор 9, устанавливаемый между первой абсорбционной башней 5 и вторым абсорбером 6. Таким образом, башни 1—5 работают при разрежении, башни 6, 7 и электрофильтр 8 — под давле­нием.

Установка дополнительной башни в начале системы позво­ляет получить в одной из них (башне 1) продукционную серную кислоту с минимальным содержанием оксидов азота (0, 03%), а во второй продукционной башне 2 — менее денитрированную серную кислоту (до 0, 5% оксидов азота), подаваемую на оро­шение последней абсорбционной башни 7. Присутствие 0, 5% оксидов азота в кислоте, орошающей эту башню, не влияет су­щественно на абсорбцию в ней оксидов азота, а количество кислоты достаточно велико для создания требуемой плотности башни. Кроме того, концентрация кислоты во второй продук­ционной башне выше, чем в первой, а, как известно, с повыше­нием концентрации H₂SO₄ улучшается абсорбция оксидов азо­та в последней башне системы.

Рис. 9-8. Схема современной семибашенной системы установки окисления:

1 — денитрационная башня (денитратор); 2 — первая продукционная башня (концентра­тор);

3 — вторая продукционная башня; 4 — полая окислительная башня (окислительный объем);

5—7 — абсорбционные башни (абсорберы); 8 — электрофильтр; 9 — хвостовой вен­тилятор.

По описанной схеме окисление SO₂ во второй продукционной башне 3 происходит с высокой скоростью, так как эта башня орошается концентрированной нитрозой. Установка дополни­тельной абсорбционной башни 7 в конце системы обусловлена необходимостью глубокой очистки отходящих газов от оксидов азота в соответствии с санитарными требованиями, поэтому та­кую башню часто называют санитарной.

Схема орошения. Общая схема орошения, т. е. передача кислоты от башни к башне, зависит от технологического режи­ма системы и числа башен.

В башенной системе, показанной на рис. 9-8, концентриро­ванная и денитрированная серная кислота из башни (концент­ратора) 2 подается на орошение последней абсорбционной башни 7, благодаря чему достигается высокая степень погло­щения оксидов азота. Кислота с максимальным содержанием оксидов азота (из башни 5) орошает продукционные башни 2, 3 к башню-денитратор, что способствует высокой скорости окис­ления диоксида серы.

Если количество кислоты, вытекающей, из продукционной: башни 2, недостаточно для полного смачивания насадки по­следней абсорбционной башни, то часть кислоты, вытекающей из абсорбера 7, возвращается на ее орошение, т.е. последняя абсорбционная башня частично орошается «на себя».

Плотность орошения. Для экономии электроэнергии плот­ность орошения должна быть минимальной, но достаточной для полного смачивания насадки. Минимально необходимую плот­ность орошения можно подсчитать исходя из поверхности на­садки и толщины пленки кислоты, смачивающей эту поверх­ность., По лабораторным данным, минимальная плотность оро­шения составляет 3—4 м³/(м² • ч). В производственных условиях плотность орошения обычно значительно выше— 10—20 м³/(м² • ч), так как применяемые разбрызгиватели кислоты пока не обеспечивают равномерного ее распределения по всему сечению башни, с увеличением же плотности орошения неравномерность распределения кислоты уменьшается. Кроме того, повышенная плотность орошения в продукционной зоне вызывается необхо­димостью подачи в нее достаточного количества оксидов азота и снижением температуры газа до оптимального значения.

Для характеристики работы башни пользуются также тер­мином «кратность орошения». Под ним понимают отношение общего количества кислоты, орошающей все башни, к количес­тву готовой продукции. Кратность орошения определяют по данным материального баланса и обычно составляет 30—50. Чем интенсивнее работает система, тем меньше кратность оро­шения при одинаковой плотности орошения. В малоинтенсивных системах для создания достаточной плотности орошения приходилось повышать ее кратность путем частичного ороше­ния башен «на себя».

Концентрация орошающей кислоты. Из рис. 9-1 видно, что кислота, орошающая башни, циркулирует в едином общем цик­ле: из абсорбционных башен кислота направляется на ороше­ние продукционных башен, затем часть кислоты поступает на орошение последней абсорбционной башни, остальное перекачи­вается на склад готовой продукции. Поэтому выбор концентра­ции башенной кислоты определяется не только технологически­ми факторами, но и требованиями, которые предъявляются по­требителями кислоты, условиями ее перевозки и др.

Согласно ГОСТ, концентрация башенной кислоты должна быть не менее 75% H₂SO₄. Температура кристаллизации такой кислоты —51 °С, - поэтому при перевозке и хранении ее в зим­нее время практически исключается возможность замерзания кислоты:

Башенные сернокислотные заводы могут выпускать более концентрированную кислоту, удовлетворяющую по качеству широкий круг потребителей. Однако с повышением концентра­ции H₂SO₄ в первой башне (денитраторе) ухудшается степень денитрации кислоты, а в продукционных башнях уменьшается* скорость окисления SO₂ и т.д.

Орошение башен кислотой пониженной концентрации (ме­нее 75% H₂SO₄) нецелесообразно вследствие ухудшения усло­вий абсорбции оксидов азота и увеличения их потерь. Кроме того, кислота концентрацией ниже 75% H₂SO₄ вызывает уси­ленную коррозию стальной и чугунной аппаратуры.

На некоторых заводах для получения более концентрирован­ной кислоты в денитрационной башне денитратор орошают не­большим количеством кислоты; кислота нагревается горячим обжиговым газом и упаривается до концентрации 90—91% H₂SO₄. Однако это усложняет технологический процесс и пото­му практикуется лишь в особых случаях.

Температура и нитрозность орошающей кислоты. Чем выше температура и нитрозность кислоты, тем больше скорость аб­сорбции диоксида серы нитрозой. Поэтому в продукционных башнях целесообразно поддерживать возможно более высокие температуру и нитрозность орошающей кислоты. Но продук­ционные башни орошаются кислотой из абсорбционных башен (см. рис. 9-1), в которых с повышением температуры и нитроз-ности ухудшается поглощение оксидов азота. В связи с этим в башенном процессе следует подбирать оптимальные температу­ру и нитрозность орошающих кислот.

Температура кислоты, орошающей последнюю абсорбцион­ную башню, должна быть как можно ниже; она определяется температурой охлаждающей воды, подаваемой в оросительные холодильники. По нормам технологического режима темпера­тура кислоты, орошающей последнюю башню системы, не дол­жна превышать 40 °С. При этом создаются хорошие условия для абсорбции оксидов азота, а низкая температура кислоты, поступающей из последней абсорбционной башни, влияет на температурный режим продукционных башен незначительно.

Кислота, поступающая в первую абсорбционную башню, имеет температуру 45—55 °С. В результате выделения тепла при абсорбции оксидов азота и конденсации паров воды кисло­та нагревается на 15—20 °С и выходит из башни при температу­ре 60—75 °С, поступая далее на орошение денитратора и про­дукционных башен. Температура кислоты, вытекающей из де­нитрационной башни, зависит главным образом от концентра­ции в ней H₂SO₄ и от температуры обжигового газа, подавае­мого в денитратор. Чем выше эта температура, тем полнее денитруется серная кислота и тем больше получается кислоты, свободной от оксидов азота, что имеет существенное значение для работы последней абсорбционной башни.

Нитрозность кислоты, орошающей продукционные башни; должна обеспечивать практически полную переработку диокси­да серы в серную кислоту: содержание SO₂ в газе, выходящем из последней продукционной башни, не должно превышать 0, 1%. С повышением нитрозности орошающей кислоты интен­сивность переработки SO₂ в башнях возрастает, поэтому в сов­ременных башенных системах нитрозность кислоты, орошающей продукционные башни, достигает 15—16% (в пересчете на HNO₃).

На рис. 9-9 показаны кривые, построенные по практическим данным. Из рисунка видно, что основное количество SO₂ пере­рабатывается в башнях 1 и 2, а максимальное количество окси­дов азота содержится в газе, находящемся примерно в средней части продукционной башни 3. В нижней части этой башни про­текает главным образом процесс переработки SO₂, сопровожда­ющийся выделением оксида азота в газовую фазу, в верхней части башни — процесс их абсорбции, причем содержание окси­дов азота в газовой фазе начинает уменьшаться.

Кривые I и II па рис. 9-9 характеризует работу современных башенных систем и наглядно показывают пути их интенсифика­ции, поскольку процессы переработки SO₂ и абсорбции оксидов азота протекают в основном в начале (в «голове») системы.

В газе башенных систем многих зарубежных предприятий содержание; NO + NO₂ ниже, поэтому интенсивность нитрозного процесса в них значительно меньше (см. рис. 9-9, кривые I a и II а).

Подготовка оксидов азота к абсорбции. Расчеты и практи­ческий опыт показывают, что при одновременном окислении NO и абсорбции N₂O₃ серной кислотой оба процесса протекают значительно медленнее, чем в случае раздельного протекания обоих процессов. Это объясняется быстрым поглощением кисло­той части NO₂ вместе с эквивалентным количеством NO. В ре­зультате содержание NO в газе понижается, уменьшается и скорость окисления остального количества NO. Процесс абсорб­ции оксидов азота значительно ускоряется, если вначале про­вести окисление NO в H₂O₃, а затем поглощение оксидов азота.

В башенной системе оксиды азота окисляются в полой окис­лительной башне, снабженной обводным газопроводом (бай­пас), по которому часть газа может поступать, минуя эту баш­ню, непосредственно в абсорбционную башню. Таким путем ре­гулируют степень окисления оксидов азота, поступающих на аб­сорбцию.

В абсорбционных башнях продолжается окисление оксидов азота. Чтобы избежать окисления слишком большого количест­ва NO (переокисления), что может привести к снижению ско­рости поглощения оксидов азота в абсорбционных башнях, в окислительном объеме (башне) окисляют несколько меньше NO, чем это соответствует эквимолекулярному соотношению NO и NO₂. Тогда в результате дополнительного окисления NO в аб­сорбционных башнях достигается благоприятное для процесса поглощения эквимолекулярное соотношение оксидов азота. Степень окисления оксидов азота регулируется по составу отходя щих газов, в которых соотношение NO и NO₂ также должно быть эквимолекулярным

Рис. 9-10. Санитарная башня для очистки отходящих газов башенных систем:

1 — сборник кислоты; 2 — насадка; 3 — электрофильтр.

Для предварительного окисления NO иногда вместо полон башни устанавливают башню с насадкой, орошаемую 50— 60%-ной кислотой, нитрозность которой такова, что оксиды азо­та не поглощаются кислотой из газов. При этом создается са­мостоятельный цикл орошения, не связанный с циклом ороше­ния остальных башен. Преимущества насадочной окислитель­ной башни перед полой заключаются в том, что в насадочной башне перерабатываются остатки диоксида серы, а газовая смесь охлаждается, благодаря чему в последующей башне улуч­шается абсорбция оксидов азота. Однако окислительная башня с насадкой, орошаемой разбавленной кислотой, значительно дороже полой башни, так как кожух башни и холодильники не­обходимо выполнять из свинца или других кислотостойких ма­териалов. Эти недостатки насадочной башни не компенсируют­ся ее преимуществами.

Требуемая степень окисления NO в башенном процессе мо­жет быть достигнута и без выделения специально предназна­ченного для этой цели окислительного объема. Для этого в продукционных башнях следует создать такой режим и поддер­живать соответствующие температуры (и нитрозность кислоты), чтобы в последней продукционной башне не только заканчива­лось окисление SO₂, но и обеспечивалась необходимая степень окисления NO.

Отходящие газы нитрозного производства подвергаются спе­циальной очистке от оксидов азота, а также от брызг и тумана серной кислоты.

Содержание оксидов азота в газах после абсорбционной башни (см. рис. 9-9) достигает 0, 25% (4, 7 г/м³). Выводить в атмосферу такой газ недопустимо по санитарным условиям. Кроме того, при этом увеличиваются потери азотной кислоты, в связи с чем отходящие газы подвергают специальной очистке от оксидов азота.

Наиболее эффективный способ очистки отходящих газов — обработка таза концентрированной, серной кислотой. Для этого устанавливают санитарную абсорбционную башню (рис: 9-10), орошаемую «на себя» концентрированной кислотой, получае­мой со стороны или в денитрационной башне.

Сернокислотный туман образуется в денитрационной и кон­центрационной башнях при охлаждении обжигового газа. Раз­меры капель тумана очень малы, поэтому их суммарная по­верхность весьма велика. В дальнейшем на поверхности этих капель происходит окисление диоксида серы и образование сер­ной кислоты, вследствие чего по выходе газа из продукционных башен размеры капель и общее количество сернокислотного ту­мана в газе увеличиваются.

По данным специального обследования, содержание тумана серной кислоты после каждой башни при концентрации SO₂ в обжиговом газе 14 г/м³ (в пересчете на H₂SO₄) составляет: