способ окисления диоксида серы

Формула изобретения

СПОСОБ ОКИСЛЕНИЯ ДИОКСИДА СЕРЫ на стационарных слоях ванадиевого катализатора при повышенной температуре, отличающийся тем, что процесс ведут на регулярно уложенном слое катализатора с порозностью 0,52 0,7 м³/м³ при поддержании в слое катализатора скорости движения газа 0,35 0,45 м/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам окисления газообразных продуктов на слое катализатора, состоящем из контактных элементов, и может быть использовано, например, в производстве серной кислоты при окислении диоксида серы.

Известен способ окисления диоксида серы кислородом воздуха в первом слое нерегулярной гранулированной контактной массы ванадиевого катализатора со свободным объемом (порозностью) 0,40-0,42 м³/м³ [1] Процесс осуществляют при скоростях газа в объеме катализатора 0,25-0,35 м/с. Вследствие хаотического движения газа происходит неполный контакт газа с рабочей поверхностью катализатора, уменьшается внешняя диффузия, а степень использования внутренней поверхности катализатора составляет всего 40-50% Неравномерность температур в 1-м слое в объеме катализатора по горизонтали достигает 60-100^оС. Гидравлическое сопротивление слоя достаточно высоко 120 мм в.ст. и достигает в процессе работы 350 мм в.ст. Поэтому происходят спекание поверхности катализатора и быстрое его засорение механическими примесями, что приводит к остановке процесса и замене всего катализатора через 1-1,5 года. Аэродинамическая неустойчивость процесса и быстрое падение активности катализатора вынуждают использовать коэффициент запаса по объему катализатора для первого слоя в пределах 2-4.

Все вышеперечисленное увеличивает энерго- и капзатраты в процессе, а также расход дорогостоящего катализатора.

Наиболее близким к предлагаемому является способ окисления диоксида серы на нерегулярной кольцеобразной ванадиевой контактной массе. Начальное гидравлическое сопротивление слоя несколько меньшее 60 мм в.ст. Использование внутренней поверхности не превышает 50% Скорость газа в объеме катализатора составляет 0,35 м/с, а разность температур по горизонтали достаточно велика и составляет 60-100^оС. Свободный объем (порозность) катализатора составляет 0,52 м³/м³, а необходимый коэффициент запаса составляет 2-4. В результате воздействия термо- диффузиофоретических и электростатических сил механические примеси осаждаются (захват и фильтрация) на поверхности 1-го слоя катализатора. В течение 1-1,5 лет образуется корка высотой 40-60 мм, что резко увеличивает гидравлическое сопротивление слоя до 350 мм в.ст. и приводит к остановке процесса и полной замене катализатора. Условия загрузки нового и выгрузки выработанного катализатора очень вредны и тяжелы для обслуживающего персонала и требуют много сил и времени. Кроме того, катализатор очень дорогостоящ, и затраты на его частую замену, а также энерго- и капзатраты на преодоление гидравлического сопротивления достаточно велики [2]

Как видно из вышесказанного, прототипу присущи те же недостатки, что и аналогу.

Цель изобретения повысить эффективность окисления диоксида серы на контактных элементах катализатора за счет увеличения степени использования поверхности катализатора, снижения гидравлического сопротивления слоя, уменьшения коэффициента запаса и увеличения срока службы катализатора.

Поставленная цель достигается в предложенном способе окисления газообразных продуктов, например, диоксида серы на слоях контактных элементов катализатора, в котором процесс окисления ведут на регулярном слое контактных элементов катализатора со свободным объемом (порозностью) 0,52 0,7 м³/м³ катализатора при поддержании неравномерности температур по горизонтали в пределах 10-25^оС и прямолинейном движении газа в объеме катализатора со скоростью 0,35-0,45 м/с.

Отличие способа состоит в заданной организации прямолинейного потока газа с использованием регулярного слоя катализатора при поддержании неравномерности температур по горизонтали в пределах 10-25^оС и указанной скорости движения газа в объеме катализатора с порозностью последнего 0,52-0,7 м³/м³.

Сущность способа заключается в следующем. Газовый поток, проходя прямолинейно и организованно через регулярный слой контактных элементов катализатора, не встречает высокого лобового сопротивления, что препятствует спеканию механических примесей и осаждению их на внутренней поверхности каталитических элементов с увеличением пылеемкости катализатора. Целесообразность выбранных интервалов процесса объясняется следующим.

Указанная порозность (свободный объем) катализатора обеспечивает значительное снижение гидравлического сопротивления при повышенных скоростях газа, увеличивается пылеемкость слоя, т.к. осаждение примесей из газа идет в объеме, а не на поверхности катализатора при входе газа в слой. При порозности менее 0,52 м³/м³ катализатора возрастает гидравлическое сопротивление самого катализатора, а осаждение пыли на входе в него останавливает процесс. При порозности выше 0,7 м³/м³ снижается время контакта активного компонента газа с катализатором, что требует повышенного расхода катализатора.

Приведенная неравномерность температур по горизонтали в 1-ом слое катализатора исключает зоны перегрева в объеме катализатора, сохраняя его активность и степень конверсии в целом. При неравномерности температур менее 10^оС затруднительно технологическое выполнение процесса, а при неравномерности температур выше 25^оС появляются зоны застоя, снижается конверсия и происходит порча катализатора.

Поток газообразной смеси в предлагаемом способе организуется на регулярном слое катализатора таким образом, что прямолинейное равномерное движение газовой смеси в каналах контактных элементов поддерживается в пределах 0,35-0,45 м/с. При скорости менее 0,35 м/с возрастает рабочий объем аппарата, а следовательно, и капитальные вложения. При скорости более 0,45 м/с возрастает гидравлическое сопротивление, а следовательно, и энергозатраты, уменьшается время контакта активного компонента газа с катализатором.

Ниже приводятся примеры конкретного осуществления способа в одинаковых технологических условиях: температура газа на входе 420^оС, на выходе 610^оС, состав газа, об. SO₂ 8,3 на входе, 3,5 на выходе, О₂ 12,4 на входе, 8,0 на выходе; степень конверсии 97,5 об. количество газа 65000 м³/ч; давление в аппарате перед слоем мм 2000 в.ст.

П р и м е р 1. В контактный аппарат подают 65000 м³/ч технологической газовой смеси, содержащей 8,3 об. SO₂, 12,4 об. О₂, при температуре 420^оС. Процесс ведут на регулярном слое катализатора с порозностью 0,52 м³/м³. Скорость смеси в каналах катализаторной массы 0,35 м/с, неравномерность температур по горизонтали в первом слое 10^оС. Гидравлическое сопротивление слоя катализатора 10 мм в.ст. Степень конверсии 97,5%

П р и м е р 2. В контактный аппарат подают 65000 м³/ч технологической газовой смеси, содержащей 8,3 об. SO₂, 12,4 об. О₂ при температуре 420^оС. Степень конверсии 97,5% Процесс ведут на регулярном слое катализатора с порозностью 0,7 м³/м³. Скорость смеси газов в каналах катализаторной массы 0,45 м/с. Гидравлическое сопротивление 15 мм в.ст.

Ниже приводится таблица сравнения показателей процесса для аналога, прототипа и предлагаемого способа.

Анализа сопоставления способов окисления газообразных продуктов с использованием регулярного и нерегулярного слоя катализаторов показывает следующее.

Прямоугольное непрерывное и равномерное движение газообразных продуктов через регулярный слой катализатора (например, блочный, прямоугольный с наклонными, зигзагообразными каналами) позволяет увеличить свободный объем (порозность) катализатора с 0,41-0,52 м³/м³ (для нерегулярных катализаторов) до 0,52-0,7 м³/м³ и соответственно увеличить скорость газа с 0,28-0,35 до 0,45 м/с, что приводит к увеличению эффективности тепло- и массообмена и скорости процесса окисления в целом.

В регулярном слое катализатора газовая смесь контактирует со 100% рабочей поверхности катализатора. Отсутствуют застойные параллельные и неактивные зоны соприкосновения с рабочей поверхностью катализатора, что приводит к увеличению внешней и внутренней диффузии активного компонента газовой смеси.

За счет организации потока газовой смеси значительно снижается неравномерность температур по горизонтали слоя с 30-60^оС в нерегулярном слое катализатора до 10-20^оС на регулярном слое, что исключает опасные зоны нарушения режима или перегрева и порчи катализатора.

Газовая смесь не встречает лобового сопротивления в слое катализатора, поэтому отсутствует хаотическое движение газа, застойные зоны и т.п. вследствие чего гидравлическое сопротивление слоя в 6-10 раз меньше. Поэтому при необходимости можно загрузить больше катализатора или увеличить скорость газа.

Предлагаемый способ позволяет перерабатывать газообразные продукты, содержащие механические примеси (например, окисление диоксида серы в первом слое катализатора по короткой схеме без предварительной промывки газа). Гидравлическое сопротивление растет медленнее, а катализатор продолжает работать в 3-4 раза дольше. Отпадает необходимость частой перегрузки катализатора и на 3-5% экономится электроэнергия.

Процесс окисления газовой смеси в регулярном слое катализатора сопровождается аэродинамической устойчивостью, равномерностью температур, уменьшением падения активности катализатора, что ведет к уменьшению коэффициента запаса.