5. Przebieg procesu

1. Opis procesu technologicznego otrzymywania kwasu siarkowego metodą podwójnej konwersji

Ze zbiornika V-1 podaje się pompą P-2 do pieca siarkowego R-3 płynną siarkę o czystości 99.996% oraz osuszone powietrze za pomocą dwmuchawy We-4. Zawartość wilgoci w powietrzu kierowanym do pieca nie może przekraczać 0,1 g wody/m³. W wyniku utlenienia siarki w piecu R-3 otrzymuje się nie tylko dwutlenek siarki, ale też i ciepło wykorzystywane do produkcji pary wodnej. Otrzymany w piecu SO₂ kieruje się do aparatu kontaktowego K-5 w celu utlenienia do SO₃ dwutlenku siarki. Proces utlenienia prowadzi się wobec katalizatora w dwóch etapach. Pierwszy etap utleniania-konwersji przeprowadza się na I, II i III półce aparatu kontaktowego, a drugi — na półce IV. Z wymiennika ciepła W-6, po schłodzeniu do temp. 420° C, gazy przechodzą na III półkę aparatu kontaktowego, gdzie przebiega dalsza konwersja i następuje ogrzanie do temp. 470-490° C. Stopień konwersji SO₂ do S0₃ po przejściu przez trzy półki aparatu kontaktowego wynosi 92-94%. Przed rozpoczęciem procesu absorpcji w wymiennikach ciepła W-7,8 prze­prowadza się chłodzenie gazów do temp. 180-200° C. Absorpcja zachodzi pierwszej wieży absorpcyjnej WA I. W obiegu cyrkulacyjnym WA I otrzymuje się kwas siarkowy o stężeniu 98,9%, którego temperatura na wyjściu z wieży absorpcyjnej wynosi 90° C. W celu utrzymywania stałych stężeń H₂O w H₂SO₄ i S0₃ w H₂SO₄ w strumieniach znajdujących się w obiegu, do wieży WA I wprowadza się stężony kwas siarkowy z, a do wieży WA II wodę technologiczną. Gaz z WA I po przejściu przez dwustopniowy demister kieruje się do II etapu kontaktowania. Zadaniem demistera jest oczyszczenie gazu z kropel i mgły kwasu siarkowego. Odgazy kieruje się na IV półkę aparatu kontaktowego K-5. Temperatura tych gazów, wchodzących na IV półkę, powinna wynosić 420-425° C. Gazy przechodząc przez katalizator ulegają dalszej przemianie i podgrzewają się do temp. 420° C. Łączny stopień utlenienia po I i II etapie konwersji wynosi 99,7%. Gazy po wyjściu z IV półki aparatu kontaktowego kieruje się dalej do II wieży absorpcyjnej WA II. W wieży tej zachodzi absorpcja S0₃ w kwasie siarkowym o stężeniu 98,3%. Temperatura powietrze kwasu odprowadzanego z wieży winna wynosić 85-90° C. Stałe stężęnie kwasu siarkowego znajdującego się w obiegu utrzymywane jest automatycznie dodawania odpowiedniej ilości wody technologicznej. Resztki gazu z wieży absorpcyjnej WA II kieruje się do atmosfery. Są to gazy odlotowe. Stopień absorpcji SO₃ po przejściu wieży WA II wynosi 98%.

Budowa instalacji do produkcji kwasu siarkowego metodą podwójnej konwersji jest o 20-25% droższa niż instalacji jednostopniowej. Wymagane są dwie wieże absorpcyjne WA I i WA II, a nie jedna, dwa obiegi, a tym samym dodatkowe pompy, chłodnice itp. Potrzebne są też większe powierzchnie wymienników ciepła. Zużycie energii elektrycznej jest również większe, a wszystko za cenę lepszego wykorzystania siarki i znacznego zmniejszenia ilości SO₂ odprowadzanego do atmosfery. Kwas siarkowy stężony kierowany jest do zbiornika V-9.

2. Schemat ideowy

3. Schemat technologiczny.

Schemat technologiczny otrzymywania kwasu siarkowego z siarki metodą ciągłą przedstawia załącznik nr 1.

4. Bilans masowy

1. Bilans spalania siarki do dwutlenku siarki.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
1.1	siarka	kg	337,3
1.2	powietrze	kg	6360
1.2.1	tlen	kg	1335,6
1.2.2	azot	kg	5024,4
1.3	MIESZANINA REAKCYJNA	kg		6697,3
1.3.1	SO2	kg		667,8
1.3.2	nieprzereagowany tlen	kg		1001,7
1.3.3	azot	kg		5024,4
1.3.4	nieprzereagowana siarka	kg		3,4
	Suma	kg	6697,3	6697,3

2. Bilans utleniania dwutlenku siarki do trójtlenku siarki.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
2.1	MIESZANINA REAKCYJNA	kg	6697,3
2.1.1	SO2	kg	667,8
2.1.2	nieprzereagowany tlen	kg	1001,7
2.1.3	azot	kg	5024,4
2.1.4	nieprzereagowana siarka	kg	3,4
2.2	MIESZANINA POREAKCYJNA	kg		6697,3
2.2.1	SO2 nieprzereagowany	kg		2
2.2.2	nieprzereagowany tlen	kg		835,2
2.2.3	azot	kg		5024,4
2.2.4	nieprzereagowana siarka	kg		3,4
2.2.5	SO3	kg		832,3
	Suma	kg	6697,3	6697,3

3. Bilans absorpcji trójtlenku siarki do kwasu siarkowego.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
3.1	MIESZANINA POREAKCYJNA	kg	6697,3
3.1.1	SO2 nieprzereagowany	kg	2
3.1.2	nieprzereagowany tlen	kg	835,2
3.1.3	azot	kg	5024,4
3.1.4	nieprzereagowana siarka	kg	3,4
3.1.5	SO3	kg	832,3
3.2	woda	kg	200
3.3	kwas siarkowy 98,9%	kg		1000
3.3.1	kwas siarkowy	kg		989
3.3.2	woda	kg		11
3.4	odgazy	kg		5897,3
3.4.1	nieprzereagowany tlen	kg		835,2
3.4.2	azot	kg		5024,4
3.4.3	nieprzereagowana siarka	kg		3,4
3.4.4	SO3 nieprzereagowany	kg		25
3.4.5	woda	kg		7,3
3.4.6	SO2 nieprzereagowany	kg		2
	Suma	kg	6897,3	6897,3

4. Bilans chłodzenia.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
4.1	kwas siarkowy 98,9%	kg	1000
4.1.1	kwas siarkowy	kg	989
4.1.2	woda	kg	11
4.2	kwas siarkowy 98,9%	kg		1000
4.2.1	kwas siarkowy	kg		989
4.2.2	woda	kg		11
	Suma	kg	1000	1000

Wykres Sankey'a bilansu materiałowego w załączniku.

5. Bilans cieplny

1. Bilans spalania siarki do SO₂.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
1.1	siarka	kJ	12959
1.2	powietrze	kJ	206952
1.2.1	tlen	kJ	44315
1.2.2	azot	kJ	162637
1.3	MIESZANINA REAKCYJNA	kJ		3287622
1.3.1	SO2	kJ		346388
1.3.2	nieprzereagowany tlen	kJ		498967
1.3.3	azot	kJ		2439447
1.3.4	nieprzereagowana siarka	kJ		2820
1.4	straty ciepła	kJ		100000
1.5	ciepło reakcji	kJ	3120025
1.6	ciepło odebrane przez wodę chłodniczą	kJ		47686
	Suma	kJ	3339936	3339936

2. Bilans utleniania SO₂ do SO₃.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
2.1	MIESZANINA REAKCYJNA	kJ	3287622
2.1.1	SO2	kJ	346388
2.1.2	nieprzereagowany tlen	kJ	498967
2.1.3	azot	kJ	2439447
2.1.4	nieprzereagowana siarka	kJ	2820
2.2	MIESZANINA POREAKCYJNA	kJ		3714624
2.2.1	SO2 nieprzereagowany	kJ		1164
2.2.2	nieprzereagowany tlen	kJ		467520
2.2.3	azot	kJ		2744025
2.2.4	nieprzereagowana siarka	kJ		3159
2.2.5	SO3	kJ		498756
2.3	ciepło reakcji	kJ	1966309
2.4	ciepło odebrane przez wodę chłodniczą	kJ		1439307
2.5	STRATY CIEPŁA	kJ		100000
	Suma	kJ	5253931	5253931

3. Bilans absorpcji SO₃ w wodzie.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
3.1	MIESZANINA POREAKCYJNA	kJ	3714624
3.1.1	SO2 nieprzereagowany	kJ	1164
3.1.2	nieprzereagowany tlen	kJ	467520
3.1.3	azot	kj	2744025
3.1.4	nieprzereagowana siarka	kJ	3159
3.1.5	SO3	kJ	498756
3.2	woda	kJ	16744
3.3	kwas siarkowy 98,9%	kJ		228547
3.3.1	kwas siarkowy	kJ		224394
3.3.2	woda	kJ		4153
3.4	odgazy	kJ		580520
3.4.1	nieprzereagowany tlen	kJ		83587
3.4.2	azot	kJ		490633
3.4.3	nieprzereagowana siarka	kJ		592
3.4.4	SO3 nieprzereagowany	kJ		2734
3.4.5	woda	kJ		2756
3.4.6	SO2 nieprzereagowany	kJ		218
3.5	ciepło reakcji	kJ	975510
3.6	STRATY CIEPŁA	kJ		150000
3.7	ciepło odebrane przez wodę chłodniczą	kJ		3747811
	Suma	kJ	4706878	4706878

4. Bilans chłodzenia.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
4.1	kwas siarkowy 98,9%	kJ	228547
4.1.1	kwas siarkowy	kJ	224394
4.1.2	woda	kJ	4153
4.2	kwas siarkowy 98,9%	kJ		75586
4.2.1	kwas siarkowy	kJ		74205
4.2.2	woda	kJ		1381
4.3	STRATA CIEPŁA	kJ		50000
4.4	ciepło odebrane przez wodę chłodniczą	kJ		102961
	Suma	kJ	228547	228547

Wykres Sankey'a bilansu cieplnego w załączniku.

5. Kontrola produkcji.

KONTROLA ANALITYCZNA.

Lp.	Faza produkcji	Punkt poboru	Oznaczenie	Metoda
1.	absorpcja	V-9	gęstość kwasu siarkowego, stężenia	aerometr

8. APARATURA.

NR. TECH. APARATU	CHARAKTERYSTYKA APARATU	NAZWA APARATU
V-1	Vcałkowita= 90 m^3 wykonany ze stali węglowej z uwagi na małą korozyjność czynnika magazynowego zaopatrzony w płaszcz grzejny	zbiornik poziomy siarki
P-2	Q=0,5 m^3/h, H= 15 m, N=3 kW wykonanie zwykłe z uszczelnieniem mechanicznym z uwagi na duże zagrożenie dla zdrowia czynnika tłoczonego. Silnik w wykonaniu przeciwwybuchowym Ex.	pompa wirowa płynnej siarki
We-4	Q=6000 m^3/h, spręż=10000 Pa, N=15 kW Jest to wentylator promieniowy w wykonaniu materiałowym standardowym. Z napędem bezpośrednim.	wentylator wysokociśnieniowy powietrza
R-3	Rekator spalania płynnej siarki składa się z dwóch części pierwszej w której występuje palnik i drugi w którym stabilizuje i reguluje się temperaturę gazów opuszczaljących pierszą część aparatu. Druga część jest to wymiennik ciepła płaszczoworurkowy w którym czynnikiem chłodzącym jest woda.	piec spalania siarki płynnej
W-6,7,8	F=125 m^2, L=4000 mm schładzacze mieszaniny reakcyjnej	wymiennik ciepła płaszczowo-rurkowy
V-9	Vcałkowita= 350 m^3 stalowy z uwagi na brak korozji kwasu 98,9%.	zbiornik produktu kwasu siarkowego 98,9%
WA I i WA II	wysokość kolumny 17,5 m i średnicy 1,5 m wypełnione wewnątrz pierścieniami Raschiga w celu zwiększenia powierzchni kontaktu ciecz-gaz	wieże absorpcyjne
K-5	reaktor składający się z czterech półek w których w obecności zawieszonego katalizatora platynowego zachodzi stopniowe utlenianie SO2 do SO3. Gaz po przejściu danej półki jest stabilizowany oddzielnie wymiennikiem ciepła.	aparat kontaktowego utlenienia dwutlenku siarki do trójtlenku siarki
V-9	V=130 m^3 z płaszczem grzejnym	zbiornik poziomy bezwodnika maleinowego

Zakładam, że instalacja produkcji kwasu siarkowego z siarki wytwarza się w sposób ciągły przez okres 330 dni. Jeden miesiąc w roku przeznaczone są na remont instalacji oraz nieuniknione przerwy w produkcji wynikłe podczas awarii.

W związku z tym dzienna wydajność wynosi

Wydajność godzinowa wynosi

Do obliczeń pojemności roboczej aparatów (reaktorów) przyjmuję gęstość masy reakcyjnej równą 1300 kg/m³. I do pojemności roboczej dodaję 20%.

Z uwagi na środowisko reakcji wszystkie aparaty i rurociągi technologiczne i pomocnicze wykonane są ze stali wysokogatunkowej kwasoodpornej wg normy niemieckiej stali DIN 316L.

1

9

siarka

woda ciepła

spalanie siarki do SO₂ T=420⁰C,

woda zimna

woda ciepła

kwas siarkowy 98,9%

chłodzenie kwasu siarkowego T=30⁰C

powietrze osuszone

woda ciepła

absorpcja SO₃ w wodzie T=90⁰C

woda zimna

woda ciepła

odgazy

utlenianie SO₂ do SO₃ T=470⁰C

woda zimna

odgazy

woda zimna

---