Проведение полного комплекса опытных испытаний на пилотных установках и оптимизация конструкционных узлов и элементов

 

- Вариант 3. Проведение дополнительной конверсии SO2 в контактном аппарате непосредственно после конвертора (Рисунок 8):

 

Рисунок 8. Вариант 3. Схема  дополнительной конверсии SO2 в контактном аппарате непосредственно после конвертора.

 

После определения окончательной схемы установки, провести испытания в реальных газовых смесях сернокислотного производства. Данное испытания послужат промежуточным шагом на пути к промышленной установке (Рисунок 9).

Рисунок 9. Схема привязки пилотной установки к технологической схеме сернокислотного завода.

 

 

5. Разработка опытных образцов носителей катализаторов новых марок

Первый этап включает разработку катализатора, который пригоден для использования в псевдоожиженном слое. На данном этапе основой является выбор подходящего носителя катализатора. Было предложено несколько предложений от различных производителей соответствующих материалов. Они рассматриваются с точки зрения их флюидизации, их стойкости к истиранию, а также их текстурных свойств. Тест жидкости и испытание на абразивную стойкость используется для оценки пригодности материала для использования в псевдоожиженном слое. На основе текстурных свойств оценивается пригодность в качестве носителя катализатора конверсии с инженерной точки зрения.   Впоследствии начальные результаты первых двух шаблонов суммируются.

В качестве носителя были испытаны 2 образца на основе SiO2 с различным гранулометрическим составом. Внешний вид образцов и распределения частиц по размерам приведены на рис.10, 11 и табл.  11, 12.

 

Рисунок 10. Образец носителя 1 на основе SiO2.

 

Таблица 11. Результаты распределения частиц по размерам образца 1.

Количество, %	Размер гранул, мкм
Диаметр 10%	30
Диаметр 50%	81
Диаметр 90%	138

 

 

 

В дальнейшем проведены испытания по определению зависимости степени расширения/псевдоожижения от скорости подачи газового потока (рис.12 и 13).

 

Рисунок 12. Результаты определения степени расширения/псевдоожижения от скорости подачи газового потока для образца 1.

 

Как видно из результатов испытаний, образец 1 полностью приходит в состояние псевдоожиженния даже при низких скоростях потока.

Рисунок 11. Образец носителя 2 на основе SiO2.

 

Таблица 12. Результаты распределения частиц по размерам образца 2.

Количество, %	Размер гранул, мкм
Диаметр 10%	20
Диаметр 50%	67
Диаметр 90%	114

 

 

 

Рисунок 13. Результаты определения степени расширения/псевдоожижения от скорости подачи газового потока для образца 2.

 

Как видно из результатов испытаний, образец 2 приходит в состояние полного псевдоожиженния при скорости потока от 0,8 до 1,6 см / с.

Испытания были проведены в Германии (фирма САС) на установке по определению степени расширения/псевдоожижения (рис.14).

 

Рисунок 14. Внешний вид установки по определению степени расширения/псевдоожижения.

 

Таким образом, представленные образцы носителей на основе SiO2пригодны для дальнейших исследований при разработке катализаторов конверсии SO2 в SO3.

 

 

 

 

 

 

6. Выбор конструкционного материала для аппаратуры производства серной кислоты

Производство серной кислоты характеризуется высокой потенциальной опасностью и достаточно высокой вероятностью возникновения аварийных ситуаций как в условиях эксплуатации производства, так и при ремонте оборудования. Одной из основных причин, обуславливающих высокую потенциальную опасность сернокислотного производства, является обращение в технологическом процессе большого количества токсичных веществ (H2S, SO2, S03, вода, NH3, H2SO4, NaOH, КОН, NH4OH), их высокая коррозионная активность, а также недостаточная химическая стойкость материалов, из которых изготовлены конструкции и оборудование. При конструировании элементов оборудования производства серной кислоты до настоящего времени используются конструкционные стали различных марок, в большинстве случаев Ст 3, а в качестве защитно-изоляционных материалов достаточно часто применяют свинец, кислотоупорный кирпич и винилпласт.

В условиях одновременного воздействия высокоагрессивных сред и высоких температур надёжность применяемых материалов и традиционных методов защиты от коррозии невелика. Так, например, нормативный срок службы для некоторых важных элементов оборудования сернокислотных производств, в частности, газоходов, по которым транспортируется контактный газ, установлен не более 5 лет, а ресурс материалов лежит в пределах 2-4 лет.

Правильный выбор материалов для изготовления аппаратуры сернокислотного цеха в значительной степени определяет стоимость производства серной кислоты.

В производстве серной кислоты на различных стадиях процесса применяется кислота с концентрацией H2SO4 от 0 до 104,5%, а коррозионные свойства серной кислоты зависят от ее концентрации, примесей, скорости движения кислоты, ее температуры и т. д.

Для изготовления аппаратуры сернокислотных цехов применяют металлы и их сплавы, неорганические и органические материалы.

Металлы и их сплавы. Коррозионная стойкость металлов определяется по десятибалльной шкале (ГОСТ 5272—50) в зависимости от скорости коррозии (табл.9):

 

Таблица 9. Коррозионная стойкость металлов

	Класс стойкости и его характеристика
Бал	I. Совершенно стойкие	II. Весьма стойкие
Скорость коррозии, мм/год	0,001-0,005	0,005-0,01 3

 

 

 

Для изготовления аппаратуры сернокислотных цехов применяют сталь, чугун, свинец, а также сплавы: ферро - силид, нержавеющие стали с добавками хрома, никеля, молибдена, титана.

Из стали изготовляют олеумные абсорберы, сборники и холодильники. К башенной кислоте сталь достаточно устойчива из-за образующейся на ее поверхности защитной пленки, создаваемой при воздействии на сталь серной кислоты, содержащей окислы азота. Поэтому в производстве серной кислоты башенным способом сталь широко применяют для изготовления продукционных и абсорбционных башен, холодильников, газоходов и пр. В других кислотах сталь значительно менее устойчива.

Чугун более устойчив в среде серной кислоты, чем сталь, его применение требует меньших капитальных вложений. Благодаря этому его широко применяют для изготовления холодильников, кранов, задвижек, вентилей, отдельных деталей аппаратов. При длительном пребывании в среде олеума чугун растрескивается, поэтому как материал для аппаратуры при получении олеума его не используют.

Свинец применяют при производстве кислот низкой концентрации.

В настоящее время в производстве серной кислоты широко используются нержавеющие стали, содержащие хром, никель, молибден и титан.

В табл. 10 приведены сведения о коррозионной стойкости некоторых металлов и сплавов. Буквами обычно обозначают компоненты, цифрами — их содержание в процентах. Например, сплав ЭИ 432  содержит хром, 17% никеля, 13% молибдена и 3% титана.

Ферросилид (сплав железа, кремния, марганца, содержащий до 1,3% углерода) устойчив в серной кислоте различных концентраций, но в олеуме он ведет себя как серый чугун, особенно при повышенных температурах.

Для изготовления сварных конструкций ответственной аппаратуры употребляют сталь ЭИ 943, стали ЭИ 448.

Таблица 10. Коррозионная стойкость некоторых сплавов в серной кислоте Сплавы Концентрация кислоты, % Температура, °С Скорость коррозии, мм/год Серый чугун СЧ 15-32 93,5 60 2,6 98,8 60 1,9 Серый чугун СЧ 24-44 5,0 20 1,05 40,0 20 0,36 Кремнистый чугун С-15- 5,0 20 0,04 95,0 20 0,002 Хромистый чугун Х-34 5,0 20 6,7 20,0 20 55,0 95,0 50 <0,01 95,0 100 6,8 Сталь  СтЗ 50,0 90 2,04 98,0 80 5,5 98,0 150 24,0 Сталь 10 100,0 20 0,01 Нержавеющая сталь X181I9T 5,0 20 0,005 Х17Н13М2Т (ЭИ 448) 5—10 50 <1,0 96,0 30 <0,01 98,0 100 0,23 Х17ІПЗМЗТ (ЭИ 432) 10,0—20,0 50 <0,3 96,0 70 <3,0 ОХ23Н28МЗДЗТ (ЭИ 9-13) 10,0 95 0,02 93,0 95 0,4 98,0 80 0,05 Хастеллой В (Н70М27) . 10,0 Кипение 0,06

 

НЭИ 432 и 10Х17Н13М2Т применяют для изготовления труб оросительных холодильников, коммуникаций, деталей насосов, турбонагнетателей, сушильных башен и моногидратных абсорберов.

В среде промывной серной кислоты, содержащей растворенный сернистый ангидрид, а также при повышенной температуре наиболее стоек сплав «Хастеллой» (содержит хром, молидбен, марганец, никель, иногда - вольфрам и кремний).

Для изготовления аппаратов печного отделения и контактного узла применяют жаростойкую сталь 12Х18Н10Т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

          1. С целью разработки инновационной технологии мобильных высокоэффективных сернокислотных установок рассмотрены особенности реакторов процесса конверсии SO2 в SO3 и технологические схемы производства серной кислоты.

2. Проведена предварительная технико-экономическая оценка способа получения серной кислоты конверсией SO2 в SО3 в псевдоожиженом (кипящем) слое катализатора.

3. Произведены расчеты материального и теплового балансов процесса конверсии SO2 в SO3 для определения параметров дополнительного контактного узла установки, которые составили:

- диаметр Ø= 200 мм,

- высота Н= 650 мм,

- площадь контактирования F= 31 400 мм2,

- объем катализатора Vk= 10 литров.

4. Оптимизированы и изготовлены основные узлы и элементы конвертора и патронного фильтра:

- усовершенствованы элементы каналов подачи  газовой смеси - форсунок конвертора;

- модернизирована система газоходов установки;

- оптимизирована конструкция патронных фильтров – оптимальный размер ячеек фильтрующего материала должен составлять не более 200 мкм.

5. Произведен выбор конструкционного материала всего оборудования опытно-промышленной установки.

6. Разработаны схемы проведения испытаний опытно-промышленной установки с применением новых катализаторов, узлов и элементов.

7. Проведен первый этап испытаний двух образцов носителя разрабатываемого катализатора, при этом:

- образец 1 полностью приходит в состояние псевдоожиженния даже при низких скоростях потока;

- образец 2 приходит в состояние полного псевдоожиженния   при скорости потока от 0,8 до 1,6 см / с.

Полученные результаты испытаний позволяют использовать данные образцы в  качестве катализаторов при изготовлении конвертора опытно-промышленной установки.

8. Разработана технологическая схема привязки пилотной установки для испытания в реальных газовых смесях сернокислотного производства.

 

Список использованных источников

1. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. В 2-х т. Т. 1: Теоретические основы химической технологии/Под ред. И. П. Мухленова. – с. 77 – 79.

2. Амелин А.Г., Яшке Е.В. Производство серно кислоты. Изд-во «Высшая школа», г. Москва, с.132-144, с.214-220.

3. Компания «САС». Пилотная установка серной кислоты. Окончательный отчет.

4.  Основные процессы и аппараты химической технологии/ под ред. Ю.И. Дытнерского, М., 1991 г.

5. Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / Н.Л. Глинка; под ред.

А.И. Ермакова. – 28-е изд., перераб. и доп. – М.: Интеграл-Пресс, 2000. – 728 с.

Предметный указатель: с. 706–727.

6. Спицын В.И. Неорганическая химия: учебник для вузов / В.И. Спицын, Л.И. Мартыненко. – М.: Изд-во МГУ, 1991.

7. «Справочник химика» т. 3, Л.-М.: Химия, 1965 стр. 118, 522–523.

8. Справочник сернокислотчика / под ред. К.М. Малина. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.: Химия, 1971. – 744 с.: ил.

9. Менковский М.А. Технология серы / М.А. Менковский, В.Т. Яворский. – М.: Химия, 1985.

10. Павлов Н.Н. Неорганическая химия: учебник для вузов / Н.Н. Павлов. – М.: Высшая школа, 1986.

11. Сайт Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН: Catalysis.ru.

12. Васильев Б. Т., Отвагина М. И. Технология серной кислоты. – с. 157 – 163.

.