Производство серной кислоты
При разработке комплексной энергосберегающей схемы производства серной кислоты была использована комбинация принципов достижения максимального экономического эффекта и максимального термодинамического совершенства [1].
В качестве исходного материала была взята энерготехнологическая схема производства серной кислоты мощностью 450 кт в год контактным методом из комовой серы. Линиями такой производительности, спроектированными польской фирмой BIPROKWAS, оснащены многие сернокислотные заводы России и государств СНГ, в частности, Воскресенское ПО «Минудобрения» [1, 25].Первоначально для данной энерготехнологической схемы был выполнен детальный расчет теплового и энергетического балансов, определены потери теплоты и эксергии в каждом технологическом аппарате, определен ряд аппаратов и стадий процесса, обладающих наибольшим термодинамическим несовершенством.
Анализ теплового баланса дал перечень следующих технологических аппаратов, обладающих наибольшими тепловыми потерями, МВт: Печь (потери через изоляцию) 0,677 Котел-утилизатор (потери через изоляцию) 1,277 Экономайзер (потери через изоляцию) 1,428 Моногидратный абсорбер 1 (потери через изоляцию) 2,428 Моногидратный абсорбер 2:
потери через изоляцию 1,120
потери с отработанным газом в атмосферу 3,415 Холодильник сушильной башни (потери в атмосферу) 3,946 Холодильник моногидратного абсорбера 1
(потери в атмосферу) 34,291 Холодильник моногидратного абсорбера 2
(потери в атмосферу) 8,392 Химические фильтры 1,209 Охладитель продувочной воды котла-утилизатора 0, 895
В сумме 59,078
Анализ эксергетического баланса дал следующие технологические аппараты, обладающие наибольшими потерями, МВт: Печь:
потери через изоляцию 0,541
технологические 15,374 Котел-утилизатор:
потери через изоляцию 1,502
технологические 9,014 Экономайзер:
потери через изоляцию 0,671
технологические 1,543 Первый слой контактного аппарата 1,115 Теплообменник ТЗ 0,917 Теплообменник Т1 1,405 Теплообменник Т4 - Т5 2,569 Моногидратный абсорбер 1:
потери через изоляцию 0,934
технологические 9,045 Холодильник моногидратного абсорбера 17,314 Моногидратный абсорбер 2:
потери через изоляцию 2,151
технологические 1,615 Холодильник моногидратного абсорбера 21,616 Редукционно-охладительное устройство (РОУ)
собственных нужд 1,133 РОУ сторонних потребителей 3,497 Смесительный подогреватель воды 0,906 Подогреватель химочищенной воды 0,673
В сумме 63,535
Характеристика неиспользуемых ВЭР производства представлена в табл.
4.4 и на рис. 4.25, графическая иллюстрация величин потерь в аппаратах технологической схемы - на рис. 4.26.Таблица 4.4
Неиспользуемые тепловые ВЭР производства серной кислоты
Узел - источник ВЭР | Среда - носитель ВЭР | Температура, °С | Тепловая мощность источника ВЭР, МВт | Эксергетиче- ская мощность источника ВЭР, МВт | |
началь ная | конеч ная | ||||
Отстойник серы | Серный шлам | 130 | 0 | 0,018 | 0,004 |
Печной фильтр | Серный шлам | 145 | 0 | 0,016 | 0,005 |
Холодильник сушильной башни | Циркулирующая кислота | 50 | 45 | 3,946 | 0,376 |
Холодильник моногидратного абсорбера 1 | Циркулирующая кислота | 90 | 65 | 34,291 | 7,314 |
Холодильник моногидратного абсорбера 2 | Циркулирующая кислота | 78 | 65 | 8,392 | 1,615 |
Моногидратный абсорбер 2 | Отработанный газ | 70 | 0 | 3,415 | 0,387 |
Химические фильтры воды | Продувочная вода | 35 | 0 | 1,209 | 0,074 |
Охладитель продувочной воды котла-утилизатора | Продувочная вода | 183 | 0 | 0,895 | 0,228 |
Всего: |
|
|
| 52,182 | 10,003 |
Рис.
4.25. График распределения неиспользуемых тепловых ВЭР сернокислотного производства в зависимости от температурного уровня
Следует также отметить большие мощности бесполезно циркулирующей тепловой энергии в моногидратных абсорберах и сушильной башне, а также вытекающую отсюда громоздкость и металлоемкость этих стадий. Целесообразно рассматривать вопрос об упрощении этих стадий, в частности, о совмещении ряда операций, аппаратов. Эксергетический баланс указывает на существенные потери потенциала в печи, котле-утилизаторе, первом контактном слое, абсорберах, РОУ, ряде теплообменников.
Особо следует остановиться на потоках тепловой энергии, отводимой от холодильников циркулирующих кислот в атмосферу. В холодильниках циркулирующих кислот происходит охлаждение последних от 50 до 45 °С в сушильной башне, от 90 до 65 °С в первом моногидратном абсорбере и от 78 до 65°С во втором моногидратном абсорбере. Удельный сброс тепла при этом на 1 т выпускаемой кислоты составляет 2,96 ГДж (0,71 Гкал).
Существующие холодильники циркулирующих кислот имеют большую металлоемкость, требуют специальных дорогостоящих нержавеющих сталей. Кроме этого, для охлаждения кислоты требуется значитель-
о
ное количество оборотной воды (60-80 м /т выпускаемой кислоты). Высокие температуры оборотной воды (особенно в теплое время года) отрицательно сказываются на процессе охлаждения и соответственно процессе абсорбции.
Рис. 4.26. Диаграмма потерь энергии в аппаратах
технологической схемы сернокислотного производства
Эксергетический баланс добавил несколько элементов технологической схемы, обладающих довольно высокими абсолютными потерями энергии (моногидратный абсорбер 1, РОУ, печь, котел-утилизатор). Для окончательной оценки целесообразности усовершенствования режима отдельных элементов схемы был применен коэффициент использования эк- сергии.
Результаты расчета такого коэффициента представлены в табл. 4.5 и на рис. 4.27. Коэффициент рассчитывался по следующему выражению:
где Евых и Евх - потоки эксергии на выходе и входе аппарата.
Коэффициент использования эксергии в аппаратах схемы
Таблица 4.5
Аппараты и их индексация | Коэффициент использования эксергии |
Плавилка серы (П1) | 0,9660 |
Отстойник (Б1) | 0,9940 |
Печной фильтр (Ф1) | 0,9238 |
Печь (П2) | 0,8662 |
Котел-утилизатор (КУ) | 0,8036 |
Экономайзер (Э) | 0,8486 |
Сушильная башня (СБ) | 0,9995 |
Сборник сушильной башни (С1) | 0,9999 |
Холодильник сушильной башни (Х1) | 0,9663 |
Моногидратный абсорбер 1 (МА-1) | 0,9945 |
Сборник абсорбера 1 (С2) | 0,9999 |
Холодильник абсорбера 1 (Х2) | 0,8152 |
Моногидратный абсорбер 2 (МА-2) | 0,9979 |
Сборник абсорбера 2 (СЗ) | 0,9999 |
Холодильник абсорбера 2 (ХЗ) | 0,8911 |
РОУ собственных нужд (Р1) | 0,7732 |
РОУ сторонних потребителей (Р2) | 0,8263 |
Смесительный подогреватель воды (СМ) | 0,2464 |
Химические фильтры (Ф2) | 0,9976 |
Охладитель продувочной воды котла-утилизатора (Х4) | 0,8127 |
Подогреватель химочищенной воды (ПД) | 0,6360 |
Охладитель выпара деаэратора (0) | 0,9962 |
Деаэратор (Д) | 0,9561 |
Первый слой контактного аппарата (КА1) | 0,9811 |
Второй слой контактного аппарата (КА2) | 0,9980 |
Третий слой контактного аппарата (КАЗ) | 0,9997 |
Четвертый слой контактного аппарата (КА4) | 0,9832 |
Пятый слой контактного аппарата (КА5) | 0,9958 |
Теплообменник (ТЗ) | 0,9549 |
Теплообменник (Т2) | 0,9673 |
Теплообменник(Т1) | 0,9107 |
Подогреватель воздуха (Т4-Т5) | 0,7420 |
Сопоставление полных теплового и эксергетического балансов, выделение элементов схемы с наибольшими сбросами тепловой энергии в атмосферу, отбор аппаратов с наименьшим коэффициентом использования эксергии позволил составить схему декомпозиции процесса оптимизации энерготехнологической схемы данного производства. Она представлена на рис.
4.28. Оптимизация схемы и блоков строилась на принципе достижения максимального экономического эффекта.
Рис. 4.28. Схема декомпозиции процесса оптимизации
энерготехнологической схемы производства серной кислоты 1 ~
контактным методом из природном серы
На рис. 4.28: 1 - блок 1: Совершенствование процессов сжигания серы и утилизации тепла сернистого ангидрида; 2 - блок 2: Совершенствование процессов окисления SO2 в SO3; 3 - блок 3: Совершенствование процесса осушки воздуха; 4 - блок 4: Охлаждение и утилизация тепла циркулирующих потоков серной кислоты; 5 - блок 5: Совершенствование схемы получения питательной воды котлов-утилизаторов; 6 - блок 6: Совершенствование схемы распределения пара; 7 - сера твердая; 8 - приготовление жидкой серы; 9 - сжигание жидкой серы: 10 - пар; 11 - утилизация тепла SO2; 12 - подготовка питательной воды; 13 - вода; 14 - окисление SO2 в SO3 I ступень; 15 - абсорбция I; 16 - окисление SO2 в SO3 II ступень; 17 - абсорбция II; 18 - сушка воздуха; 19- воздух; 20 - серная кислота на склад
Пояснения к блокам схемы декомпозиции (см. рис. 4.28)
Блок 1: Совершенствование процессов сжигания серы и утилизации тепла сернистого ангидрида. Несовершенство процессов в печи, котле- утилизаторе и экономайзере определяется потерями теплоты через изоляцию и потерей эксергетического потенциала. Потери через изоляцию сравнительно невелики, потери же эксергетического потенциала довольно существенны. Путь термодинамического усовершенствования данных стадии видится в совмещении процессов сжигания серы и утилизации тепла горения, ведении процессов при повышенных температурах, использовании различных конструкций и методов интенсификации процессов массо- и теплообмена (например, псевдоожижениый, пенно- барботажный слои).
Блок 2: Совершенствование процессов окисления SO2 в SO3. Несовершенство процесса связано с потерей эксергетического потенциала в межступенчатых теплообменниках контактного аппарата.
Путь термодинамического усовершенствования данной стадии видится в изменении схемы распределения теплоносителей.Блок 3: Совершенствование процесса осушки воздуха. Целесообразно рассмотреть совмещенный процесс осушки воздуха и охлаждения циркулирующих кислот.
Блок 4: Охлаждение и утилизация тепла циркулирующих потоков серной кислоты. Несовершенство процессов охлаждения циркулирующих потоков кислот определяется наиболее значительными в схеме потерями теплоты, а также потерей эксергетического потенциала.
Целесообразно рассмотреть схемы охлаждения и утилизации теплоты циркулирующих потоков кислот сушильной башни и абсорберов с передачей энергии различным потребителям (в системе химводоподготовки,
отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и т. д.). В качестве базового аппарата целесообразно использовать теплообменник с промежуточным теплоносителем.
Блок 5: Совершенствование схемы получения питательной воды котлов-утилизаторов. Несовершенство данной стадии связано с большими потерями эксергетического потенциала в подогревателях исходной и химподготовленной воды. Целесообразно рассмотреть термический метод подготовки питательной воды, а также использование в качестве греющего источника теплоты ВЭР, в частности, циркулирующих потоков серной кислоты.
Блок 6: Совершенствование схемы распределения пара. Несовершенство данной стадии связано с большими потерями эксергетического потенциала в РОУ и нерациональным использованием высокого потенциала пара в технологии. Целесообразно рассмотреть схему ступенчатого использования энергии пара.
Рассмотрение схемы декомпозиции показало, что процесс усовершенствования энерготехнологии сернокислотного производства, оставляя неизменным химизм процесса и все внутренние параметры, может затрагивать только характеристики входных и выходных показателей схемы. Этот вывод позволяет рассматривать оптимизацию схемы отдельно по каждому из шести блоков, стыкуя лишь отдельные пересекающиеся варианты.
Исходя из сопоставления теплоты и эксергии, можно заключить, что наибольший эффект при совершенствовании энерготехнологической схемы производства серной кислоты по данному методу даст использование и вовлечение в полезный цикл вторичных энергетических ресурсов, т. е. оптимизация по блоку 4. Экономически целесообразно ВЭР производства использовать для следующих целей: сбросную теплоту циркулирующей кислоты сушильной башни - для нагрева исходной воды водоподготовительной установки; сбросную теплоту циркулирующей кислоты моногидратного абсорбера 2 - для нагрева исходной и химочищенной вод водоподготовительной установки, горячего водоснабжения, термического обессоливания; сбросную теплоту циркулирующей кислоты моногидратного абсорбера 1 - для нагрева исходной и химочищенной вод водоподготовительной установки, горячего водоснабжения, термического обессоливания воды, отопления.
На основании оптимизационных расчетов была составлена новая комплексная ресурсо- и энергосберегающая схема производства серной кислоты (рис. 4.29), позволяющая существенно уменьшить тепловые выбросы и жидкие стоки.
Рис. 4.29. Комплексная схема утилизации тепла неиспользуемых ВЭР
производства серной кислоты:
АМВ - аппараты мгновенного вскипания; X - холодильник серной кислоты; ПД - пиковый подогреватель; ТПТ - теплообменник с промежуточным теплоносителем; ТП - тепловой потребитель; Б - бойлер; 1 - градирня; 2 - продувка; 3 - дистиллят; 4 - подпитка; 5 - сера; 6 - котельно-печное отделение; 7 - контактное отделение; 8 - сушильно-абсорбционное отделение; 9 - серная кислота; 10 - пар; 11 - сетевая вода; 12 - циркулирующая серная кислота; 13 - оборотная вода; 14 - горячее водоснабжение; 15 - подпиточная вода
Технико-экономические характеристики комплексной
энергосберегающей схемы сернокислотного производства
Количество утилизируемого тепла, тыс. ГДж/год (ГДж/т кислоты), в том числе:
через систему термообессоливания через систему отопления через систему горячего водоснабжения Сокращение расхода оборотной воды, млн м /год (м /т кислоты)
Сокращение стоков производства, тыс. м /год (м /т кислоты)
Дополнительные капитальные вложения
в утилизационные схемы (в ценах 1984 г.), млн. руб. Новая себестоимость серной кислоты, руб./т (исходная - 39,1 руб./т)
Ожидаемый годовой экономический эффект (в ценах 1984 г.), млн. руб./год Экономия условного топлива, тыс. т/год
Основные изменения в схеме заключаются в следующем: вместо части существующих холодильников в цикле сушильной башни установлен каскад ТПТ (см. подразд. 4.4.5), в котором происходит передача тепла серной кислоты в систему горячего водоснабжения; вместо ионообменной водоподготовки установлен каскад AMB (см. подразд. 4.4.2), выполняющий роль установки термического обессоливания питательной воды для котлов-утилизаторов. В качестве источника энергии использовано тепло циркулирующих потоков серной кислоты из цикла первого моногидратного абсорбера; вместо части существующих холодильников в цикле второго моногидратного абсорбера установлен каскад ТПТ, в котором происходит передача тепла серной кислоты в систему отопления.
Полученные результаты были использованы при разработке планов технического перевооружения сернокислотных производств Воскресенского ПО «Минудобрения» и Череповецкого ПО «Аммофос».
Еще по теме Производство серной кислоты:
- 2.2. Закономерности размещения общественного производства.
- § 3.2.4. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ И ВОПРОСОВ ХИМИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
- Введение. история развития производства этанола в россии
- 2.2.3 Теория гидролиза растительного сырья концентрированными кислотами[10]
- АММОНИЯ СУЛЬФАТ ИЗ СТОКОВ ПРОИЗВОДСТВА АКРИЛОНИТРИЛА
- ХРОМОВАЯ КИСЛОТА из сточных вод, содержащих хромовую кислоту
- ХРОМ ИЗ СТОКОВ КОЖЕВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
- УДОБРЕНИЯ ИЗ ОТРАБОТАННОЙ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
- КРЕМНЕФТОРИСТОВОДОРОДНАЯ КИСЛОТА ИЗ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ФОСФОРНОЙ кислоты
- ГАЛЛИЙ ИЗ КОЛОШНИКОВОЙ ПЫЛИ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФОСФОРА
- ЗОЛОТО ИЗ ОТРАБОТАННЫХ РАСТВОРОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
- РТУТЬ ИЗ РАССОЛА УСТАНОВОК ПО ПРОИЗВОДСТВУ ХЛОРА И ЩЕЛОЧИ
- МОЛИБДЕН ИЗ ОТХОДОВ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ВОЛЬФРАМОВЫХ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
- СКАНДИЙ ИЗ ШЛАМОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА УРАНА
- СЕРНИСТЫЙ ГАЗ ИЗ ОТРАБОТАННОЙ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
- СЕРНАЯ КИСЛОТА ИЗ ОТХОДОВ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ДИОКСИДА ТИТАНА
- цинк из ПЕЧНОЙ пыли СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО производства
- 11.3. Производство серной кислоты
- Производство серной кислоты
- Технология лимонной кислоты