Химическая технология неорганических веществ

Расчет материального баланса проводим с учетом стехиометрии химических реакций и данных по содержанию серы в огарке и SO2 в сухом обжиговом газе.

Расчет:

1.Определяем количество FeS2, которое приходит с колчеданом:

GFeS2вх =1000·М FeS2/(4МS) = 1000·120/(4·32) = 843,75 кг.

2.Определяем количество инертов, которое приходит с колче-

даном:

4. Определяем количество серы, которое образуется по реак-

ции (1):

∆GS1 = GFeS2вх · МS/ МFeS2 = 843,75 · 32/120 = 225 кг.

5. Определяем количество FeS, которое остается в огарке, обозначив удельный выход огарка величиной а кг/кг:

GFeSог = а1000 · СSог· М FeS/100 · МS = а1000 · 1,5 · 88/100 · 32 = 41,25а.

6. Определяем количество FeS, которое расходуется по реак-

ции (2):

∆GFeS2 = ∆GFeS1 – GFeSог = 618,75 – 41,25а.

7. Определяем количество Fe2О3, которое образуется по реак-

ции (2):

∆GFe2О32 = ∆GFeS2 ·2МFe2О3/(4МFeS) = (618,75 – 41,25а) ×

×2 · 160/(4 · 88) = 562,5 – 37,5а.

8.Определяем выход огарка.

Составим баланс обжига по твердой фазе

251

1000а = Gинвх + GFeSог + ∆GFe2О32.

Подставив найденные выше величины, получим уравнение

1000а = 156,25 + 41,25а + 562,5 – 37,5а.

Из уравнения находим а = 0,7215. Тогда выход огарка будет

Gогвых = а1000 = 0,7215 · 1000 = 721,5 кг.

9. Определяем количество SO2, которое образуется в результате протекания реакций (1) и (3):

∆GSО23 = GFeS2вх · МSО2/ МFeS2 = 843,75 · 64/120 = 450 кг (153,98 м3).

10. Определяем количество SO2, которое образуется в результате протекания реакции (2):

∆GSО22 = ∆GFeS2 · МSО2/МFeS = (618,75 – 41,25а) · М64/88 =

=428,36 кг (146,58 м3).

11.Всего образуется SO2:

GSO2вых = ∆GSО23 + ∆GSО22 = 450 + 428,36 = 878,36 кг (300,56 м3).

12. Определяем количество O2 , которое расходуется в результате протекания реакции (3):

∆GО23 = ∆GS1 · МО2/МS = 225 · 32/32 = 225 кг (157,5 м3).

13. Определяем количество O2, которое расходуется в результате протекания реакции (2):

∆GО22 = ∆GFeS2 · 7МО2/(4МFeS) = (618,75 – 41,25а) · 7 · 32/(4 · 88 ) =

=374, 81 кг (262,37 м3).

14.Определяем общее количество O2, которое расходуется при

обжиге:

∆GО2 = ∆GО23 + ∆GО22 = 225 + 374,81 = 599, 81 кг (419,867 м3). 15. Определяем выход сухого обжигового газа:

Vc.гвых = VSO2вых · 100/СSO2 = 300,56 · 100/14 = 2146,86 м3. 252

16. Определяем расход сухого воздуха.

Составим уравнения баланса обжига по азоту и кислороду. Обозначим расход сухого воздуха буквой у, а концентрацию кислорода в обжиговом газе буквой х.

Баланс по азоту

0,79у = Vc.гвых · (100 – СSO2 – х)/100.

Баланс по кислороду

0,21у = ∆VО2 + Vc.гвых · х/100.

Решая систему двух линейных алгебраических уравнений, найдем

х = 2,52 и у = 2266,167.

Следовательно, расход сухого воздуха на обжиг составляет Vc.висх = 2266,167 м3 и концентрация кислорода в обжиговом газе

СO2 = 2,52 мол. %.

15. Определим массовые количества воздуха и обжигового газа.

Gc.висх = Vc.висх · Мc.в /vс.в = 2266,167 · 28,84/22,4 = 2917,29 кг. Gс.гисх = Vc.гвых · СSO2 · МSО2/(vSO2 · 100) + Vc.гвых · СO2 · МО2/(vO2 · 100) +

+Vc.гвых · СN2 · МN2/(vN2 ·100) = 2146,86 · 14 · 64/(21,9 · 100) +

+2146,86 · 2,52 · 32/(22,4 · 100) + 2146,86 · 83,48 · 28/(22,4 · 100) =

=878,35 + 77,29 + 2240,25 = 3195,89 кг.

Составим таблицу материального баланса обжига по сухим реагентам (табл. 23).

Невязка баланса 0,1 кг или 0,0025 %.

Для учета в балансе обжига воды необходимо определить приход воды с колчеданом и воздухом. Затем нужно найти количество воды в обжиговом газе.

Задание. Рассчитать материальный баланс обжига с учетом воды и составить окончательную таблицу материального баланса обжига флотационного колчедана.

7.2. Технологические расчеты при проектировании контактного аппарата

Целью расчета контактного аппарата является нахождение количества катализатора, обеспечивающего заданную производительность этого каталитического реактора, а также определение необходимой для отвода выделяющегося в процессе окисления SO2 тепла поверхности теплообмена.

Для технологических расчетов должны быть заданы следующие исходные данные: количество слоев катализатора в аппарате, производительность по конечному продукту, состав исходного газа, тип и характеристики катализатора, способ охлаждения газа между слоями катализатора.

Порядок расчета контактного аппарата может быть принят следующий:

1.Определение распределения степени контактирования по слоям катализатора.

2.Расчет материального баланса каждого слоя.

3.Расчет времени контактирования газа с катализатором для каждого слоя и определение количества катализатора в слое и размеров аппарата.

4.Расчет поверхности теплообмена, необходимой для отвода тепла и поддержания заданного температурного режима.

254

Пример расчета контактного аппарата

Исходные данные:

Контактный аппарат включает 5 слоев катализатора и работает по схеме двойного контактирования. На первой ступени контактирования используются три слоя катализатора, на второй – два.

Производительность контактного аппарата в расчете на 100%-ную серную кислоту – 500 000 т/г. или 62,56 т/ч при эффективном годовом фонде рабочего времени 333 сут.

Конечная степень контактирования – 0,998.

В контактном аппарате используется катализатор СВД. Константа скорости окисления SO2 на катализаторе описывается

следующими выражениями:

при степени контактирования х < 0,6 и температуре Т < Т1, где Т1 = = 733 К;

при х > 0,6 и Т1 < Т < Т2, где Т2 = 813 К;

k = 2,79 · 10–5

при Т > Т2, где Т2 = 813 К.

255

Примем схему охлаждения между слоями катализатора такую: охлаждение газа между 1 и 2, 2 и 3 слоями осуществляется в наружных теплообменниках. В 3 слое заканчивается 1-я ступень контактирования, и газ выводится из контактного аппарата на охлаждение и абсорбцию. На 2-й ступени контактирования между 4 и 5 слоями охлаждение осуществляется путем подачи сухого холодного воздуха.

Расчет распределения степени контактирования по слоям катализатора

Определяем распределение степени контактирования по слоям катализатора. Для этого используем х–t-диаграмму (рис. 66), показывающую изменение температуры в процессе окисления SO2 в соответствии с достигаемой степенью контактирования.

На диаграмму наносятся равновесная линия, линия максимальных температур, прямые линии адиабатического разогрева газа в слое катализатора и горизонтальные линии, соответствующие охлаждению газа после слоя катализатора. Линия равновесия строится путем нахождения равновесной степени контактирования для известного исходного состава газа и при температурах в интервале 440–600 °С (рабочий диапазон).

Задание для самостоятельной работы

Рассчитать равновесную степень контактирования для газа, содержащего 9 мол. % SO2 и 12 мол. % О2, при температурах 440, 480, 520, 560, 600 °С и давлении 0,1 МПа.

Для построения линии максимальных температур принимается, что при постоянной степени контактирования максимальная температура в слое на 20° ниже равновесной температуры.

Линии адиабатического разогрева газа в слое катализатора строят в соответствии с уравнением адиабаты

где λ – максимальное адиабатическое увеличение температуры; а – содержание SO2 в исходном газе, мол. доли;

256

Qо – тепловой эффект реакции окисления SO2, кДж/м3; ρ – плотность газа, кг/м3; с – теплоемкость газа, кДж/кг·К.

Конечной точкой линии адиабатического разогрева газа в слое является точка пересечения адиабаты с линией максимальных температур.

Начальные значения степени контактирования для 1-го слоя катализатора соответствуют хн = 0 и tн равна температуре зажигания катализатора. Для катализатора СВД температура зажигания составляет 440 °С.

Построение линии охлаждения газа после слоя катализатора осуществляют исходя из условия, что скорость процесса окисления SO2 на выходе из предыдущего слоя равна скорости окисления на входе в последующий слой. Чтобы найти конечную температуру охлаждения, необходимо построить зависимость скорости процесса от температуры при степени контактирования, соответствующей условиям на выходе из соответствующего слоя катализатора.

Для расчета скорости процесса окисления SO2 используют уравнение Борескова – Иванова

Пример расчета и построения линии равновесия, линии максимальных температур, адиабаты для 1-го слоя представлен ниже. Для расчета использована программа MathCad.

257

258

259

1

X 0,8

X3 0,4

R

0,2

Рис. 66. х–t-диаграмма процесса окисления

SO2 в SO3

260