способ абсорбции серного ангидрида

Формула изобретения

1. Способ абсорбции серного ангидрида из газовой смеси, содержащей SO₃ в количестве 7-20 об.% и имеющей температуру 150-260^oС, путем контактирования в две стадии с серной кислотой, имеющей концентрацию 98-101% Н₂SO₄ и температуру 120-240^oС, причем на первой стадии процесс ведут без отвода тепла, отличающийся тем, что на первой стадии процесс ведут прямоточно с поглощением 25-90% SO₃, на вторую стадию подают газожидкостную смесь после первой стадии, на второй стадии процесс ведут при прямоточном контактировании внутри рабочих труб при одновременном отводе тепла через стенки труб хладоагентом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что хладоагентом на второй стадии является кипящая вода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области крупномасштабного производства серной кислоты, в котором абсорбция SO₃ из газовой смеси является продуктообразующей стадией. Задача изобретения состоит в разработке экономичного способа абсорбции SO₃, при котором возможно использование теплоты технологических процессов для получения водяного пара низкого и среднего давления.

Наиболее близким аналогом является способ абсорбции серного ангидрида из газовой смеси, имеющей температуру 150-260^oС, путем контактирования в две ступени с серной кислотой, имеющей концентрацию 98-101% Н₂SO₄ и температуру 80-220^oС. Как в первой, так и во второй ступени кислота и газ взаимодействуют противоточно в секциях насадки; кислота, вытекающая из второй секции, поступает на орошение первой секции. Кислота, вытекающая из первой секции, имеет самую высокую температуру (~220^oС). Ее пропускают через кипятильник (котел), где генерируют водяной пар с давлением до 11,0 ат (US 4996038 [1]). Охлажденную кислоту после разбавления водой возвращают на орошение первой ступени абсорбции. Этот способ разработан фирмой Монсанто (США). В этом способе газ и кислота в обеих ступенях взаимодействуют противоточно, абсорбция SO₃ осуществляется без отвода тепла (адиабатически), теплота выводится из цикла кислоты в отдельном аппарате (котле). При проведении процесса теплота не отводится, что приводит к высокому разогреву кислоты и снижению абсорбции SO₃.

Задача изобретения состоит в разработке более эффективного способа абсорбции SO₃ с использованием теплоты реакционной смеси для получения пара. Основной прием повышения эффективности - совмещение процесса абсорбции SO₃ внутри рабочих труб с отводом тепла через стенки этих рабочих труб. Это позволяет уменьшить число аппаратов установки и в благоприятном направлении изменить температурный режим процесса.

Поставленная задача достигается способом абсорбции серного ангидрида из газовой смеси, содержащей SO₃ в количестве 7-20% об. и имеющей температуру 150-260^oС, путем контактирования в две стадии с серной кислотой, имеющей концентрацию 98-101% Н₂SO₄ и температуру 120-240^oС, при прямоточном (или перекрестном) взаимодействии газа и кислоты без отвода тепла, в первой ступени поглощают 25-90% исходного SO₃ при повышении концентрации кислоты на 0,3-1,83% Н₂SO₄ и повышении ее температуры на 11-46^oС; газожидкостную смесь из первой стадии направляют во вторую стадию, где поглощают остальную часть SO₃, и процесс ведут при прямоточном контактировании внутри рабочих труб при одновременно отводе тепла через стенки труб хладоагентом с понижением общей температуры газожидкостной смеси на 0-65^oС. В качестве хладоагента используют кипящую воду.

Способ осуществляют в установке, изображенной на фиг.1. Она включает абсорбер 1, содержащий кипятильник 2, брызгоуловитель 3, сборник 4, насос 5, барабан котла 6. Главным элементом установки является комбинированный аппарат - сернокислотный абсорбер-котел. Он представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд, в средней части которого расположена трубчатая секция. Горизонтальные рабочие трубы укреплены в вертикальных решетках. По обе стороны трубчатой секции расположены полые камеры: входная и выходная. Входная камера имеет штуцер входа газа и ороситель, состоящий из множества форсунок, факелы которых направлены на торец трубчатой секции со стороны входа газа. Выходная камера содержит штуцер выхода газа (верхний) и штуцер выхода кислоты (нижний).

Способ осуществляется следующим образом. Горячий газ (150-260^oС), содержащий 7-20 об. % SO₃, поступает во входную камеру абсорбера 1 и направляется в рабочие трубы кипятильника 2. В эту же камеру через ороситель в виде факелов брызг поступает кислота концентрацией 98-99% Н₂SО₄ при температуре 120-220^oС. Капли кислоты пронизывают газ и поглощают SO₃ в количестве 25-90% от исходного содержания. При этом концентрация кислоты возрастает на 0,34-1,83% Н₂SО₄, а ее температура увеличивается на 11-46^oC.

После входной камеры газожидкостная смесь при температуре 150-237^oC поступает в рабочие трубы кипятильника 2. Здесь при прямоточном взаимодействии кислота поглощает остальную часть SO₃, ее концентрация повышается до 99-101% Н₂SО₄; вследствие отвода теплоты водой, кипящей в межтрубном пространстве, температура кислоты и газа при прохождении в трубах понижается на 0-65^oС. Поскольку в трубах одновременно происходит выделение теплоты вследствие абсорбции SO₃ и отвод теплоты через стенки труб, то результатом этих двух противоположных процессов может быть нулевое отклонение температуры смеси на выходе от температуры на входе в трубы.

После выхода из рабочих труб кислота и газ разделяются в выходной камере абсорбера. Газ с некоторым содержанием брызг кислоты направляется в брызгоуловитель 3, а кислота через нижний штуцер поступает в сборник 4. Часть этой кислоты выводится как продукция. В сборник поступает также кислота из брызгоуловителя и технологическая вода.

Из сборника 4 кислота заданной концентрации и температуры поступает в ороситель первой ступени абсорбции.

Кипятильник 2 связан с барабаном котла 6 циклом естественной циркуляции пароводяной смеси. В барабан подают деминерализованную воду и выводят продукционный пар.

Основной отличительный признак нового способа состоит в том, что в первой ступени абсорбции поглощают ограниченную долю исходного SO₃ (25-90%). Это позволяет уменьшить рабочий объем абсорбера и обеспечить более узкий интервал температур в рабочих трубах кипятильника, что благоприятно как с точки зрения надежности (меньшая вероятность коррозии), так и с точки зрения теплопередачи (большая средняя движущая сила) и массопередачи (более низкая пиковая температура).

На фиг.2 показан рабочий цикл установки для одного из примеров осуществления способа согласно изобретению. Он сопоставлен с рабочим циклом аналога [1] при сходных начальных и конечных условиях процесса. Координаты точек рабочего процесса в аналоге [1] приведены в таблице 1.

На той же фиг.2 представлен процесс по способу согласно изобретению.

Линия KL представляет процесс адиабатической абсорбции в первой ступени (в полой камере до входа в трубы). При этом повышается концентрация кислоты и повышается ее температура. Линия LM изображает процесс абсорбции SO₃ во второй ступени (в рабочих трубах) при одновременном охлаждении кислоты (и газа) через стенки труб кипящей водой. При этом концентрация кислоты возрастает, а ее температура понижается по кривой линии. Линия МК соответствует процессу разбавления кислоты в сборнике при смешении с водой. При этом концентрация кислоты понижается, а температура повышается.

В сопоставлении с аналогом процесс согласно изобретению характеризуется тем, что условия на входе в абсорбер совпадают (совмещение точек К и А), а условия на выходе из котла близки (точки М и С). Существенным является то, что в кипятильнике абсорбера-котла процесс протекает иначе, чем в аналоге (линия LM). Он характеризуется более низким уровнем максимальной температуры (180^oС вместо 200^oС) и большим удалением рабочей линии LM от линии равновесия 1, что означает увеличение движущей силы абсорбции при прочих равных условиях. При этом средняя движущая сила процесса теплопередачи в процессе по изобретению будет не меньше, а даже больше, чем в аналоге (см. фиг.3). Изменение температуры кислоты вдоль поверхности составляет 22^oС вместо 42^oС в аналоге. Это благоприятно с точки зрения прочности и коррозии.

Примеры осуществления способа представлены в виде таблицы 3. Примеры 1-3 и 5-7 относятся к установке, изображенной на фиг.1, а в примере 4 представлен процесс, осуществляемый по разомкнутой схеме (фиг.4). В этом случае горячая кислота выводится из цикла и уносит с собой часть тепла процесса. Поэтому количество рекуперированной тепловой энергии в этом примере меньше, чем в других.

В таблице 4 представлены материальные потоки по отдельным операциям процесса для тех же примеров, что и в таблице 3. Тепловые патоки приведены в таблице 5.