способ окисления диоксида серы

Формула изобретения

Способ окисления диоксида серы, включающий пропускание реакционного газа, содержащего, по меньшей мере, диоксид серы и кислород, последовательно через первый слой инертного материала в каталитическом отношении гранулированного материала, хотя бы два слоя гранулированного ванадиевого катализатора, второй слой инертного материала, промежуточное охлаждение реакционного газа между слоями катализатора, периодическое изменение направления пропускания реакционного газа на противоположное, отличающийся тем, что при снижении температуры реакционного газа до 100-500^oС, измеряя последнюю внутри первого по ходу реакционного газа слоя катализатора, производят периодическое изменение направления движения реакционного газа только в слоях инертного материала, сохраняя направление движения реакционного газа в слоях катализатора неизменным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии, а именно к способам окисления диоксида серы, и может применяться для окисления диоксида серы в триоксид в производстве серной кислоты, как из элементарной серы и серосодержащих минералов (пирита), так и при очистке серосодержащих промышленных газовых выбросов.

Известен способ окисления диоксида серы, включающий последовательное пропускание исходного реакционного газа, содержащего, по меньшей мере, диоксид серы и кислород, через один и более неподвижных слоев гранулированного ванадиевого катализатора, с промежуточным охлаждением реакционного газа между слоями катализатора (Справочник сернокислотчика. М.: Химия, 1971, 744 с. ). В известном способе исходный реакционный газ, имеющий, как правило, низкую исходную температуру, нагревают до температуры начала реакции окисления диоксида серы 370-420^oС, пропуская этот газ перед подачей в первый слой катализатора через теплообменник, нагреваемый горячим газом, выходящим из последнего слоя катализатора. Указанный способ обеспечивает достижение степени контактирования диоксида серы на уровне до 96-98%.

Недостатком указанного способа является необходимость применения громоздких и дорогостоящих теплообменников для нагрева исходного реакционного газа до температуры начала каталитической реакции, а также его охлаждения на выходе из реактора.

Известен также способ, включающий последовательное пропускание реакционного газа через слой катализатора без предварительного нагрева реакционного газа с периодическим изменением направления движения реакционного газа через слои катализатора на противоположное (Авторское свидетельство СССР 994400, МПК С 01 В 17/76, приоритет от 7.10.1975, БИ 5, 1983). В известном способе часть катализатора используют в роли регенеративного теплообменника: во входной части первого по ходу реакционного газа слоя катализатора нагревают реакционный газ до температуры начала реакции за счет тепла, аккумулированного катализатором в этой части слоя; выходящий из последнего слоя нагретый реакционный газ охлаждают за счет отдачи тепла реакционного газа катализатору в выходной части этого слоя. После того как температура катализатора во входной части первого слоя снижается до уровня, не обеспечивающего достаточный нагрев реакционного газа, изменяют направление движения реакционного газа в слоях катализатора на противоположное. Процедуру изменения направления движения реакционного газа повторяют периодически, что обеспечивает непрерывную работу слоев катализатора. Указанный способ позволяет отказаться от использования теплообменников для подогрева и охлаждения реакционного газа и, таким образом, существенно снизить стоимость и металлоемкость контактного узла. Указанный способ обеспечивает достижение степени контактирования диоксида серы на уровне до 95-97% при переработке реакционного газа с исходным содержанием SO₂ не более 2,5%.

Недостатками известного способа являются: повышенный удельный расход катализатора, так как часть катализатора функционирует в качестве теплоаккумулирующего материала при температурах ниже температуры начала реакции и не участвует в проведении каталитической реакции, а также существенное снижение степени контактирования диоксида серы при повышении исходной концентрации SO₂ выше 2,5% (до 92% и ниже) за счет роста температуры катализатора и соответствующего ухудшения условий химического равновесия реакции окисления диоксида серы.

Известен также способ в котором задача уменьшения удельного расхода катализатора и повышения эффективности его использования решается путем замены катализатора в зонах регенеративного теплообмена на более дешевый гранулированный материал, инертный в каталитическом отношении, а повышение степени контактирования диоксида серы обеспечивают за счет осуществления реакции в нескольких слоях катализатора с промежуточным охлаждением реакционного газа между ними (Матрос Ю.Ш. и др. Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств. - Новосибирск: Наука, 1991, 224 с.). В известном способе реакционный газ пропускают последовательно через первый слой инертного в каталитическом отношении гранулированного материала, более чем один слой гранулированного ванадиевого катализатора, второй слой инертного материала, при этом производят промежуточное охлаждение реакционного газа между слоями катализатора и периодическое изменение направления пропускания реакционного газа на противоположное через фиксированные промежутки времени. Указанный способ обеспечивает достижение степени контактирования диоксида серы на уровне до 95-97% при переработке реакционного газа с исходным содержанием SO₂ до 2,5-4%.

Недостатком известного способа является недостаточно высокая степень контактирования диоксида серы при переработке газов с исходной концентрацией SO₂ более 2,5-4% (например, не более 90-92% при исходной концентрации диоксида серы 7%). Причиной этого явления является рост температуры катализатора и ухудшение условий химического равновесия реакции образования триоксида серы. Частично эта проблема может быть решена промежуточным охлаждением реакционного газа между слоями катализатора, однако, в условиях периодического реверса потока газов, максимальная температура достигается в первом и последнем по ходу реакционного газа слоях катализатора. При этом высокая температура в последнем слое катализатора определяет невысокую равновесную степень контактирования диоксида серы.

Перед авторами ставилась задача разработать способ окисления диоксида серы, обеспечивающий высокую степень контактирования диоксида серы при переработке реакционного газа с повышенным исходным содержанием SO₂ (более 2,5-4%) при минимальном использовании теплообменников для нагрева исходного реакционного газа до температуры начала реакции, с пониженным расходом катализатора.

Поставленная задача решается тем, что в способе окисления диоксида серы, включающем пропускание реакционного газа, содержащего, по меньшей мере, диоксид серы и кислород, последовательно через первый слой инертного в каталитическом отношении гранулированного материала, хотя бы два слоя гранулированного ванадиевого катализатора, второй слой инертного материала, промежуточное охлаждение реакционного газа между слоями катализатора, периодическое изменение направления пропускания реакционного газа на противоположное, при снижении температуры реакционного газа до 100-500^oС, измеряя последнюю внутри первого по ходу реакционного газа слоя катализатора, производят периодическое изменение направления движения реакционного газа только в слоях инертного материала, сохраняя направление движения реакционного газа в слоях катализатора неизменным.

Технический эффект предлагаемого способа заключается в возможности эффективной переработки реакционных газов с повышенным исходным содержанием диоксида серы с достижением степени контактирования диоксида серы до 96-98% с одновременным существенным снижением металлоемкости контактного узла окисления диоксида серы за счет отказа от использования теплообменников для нагрева исходного реакционного газа до температуры начала реакции, либо с их минимальным использованием.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен один из вариантов технологической схемы для осуществления заявляемого способа. Схема включает: 1 - исходный реакционный газ, 2 - выходящий реакционный газ, 3, 4 - слои инертного материала, 5-7 - слои катализатора, 8-11 - переключающие устройства, 12, 13 - промежуточные теплообменники.

Реакционный газ пропускают последовательно через первый слой инертного в каталитическом отношении гранулированного материала, хотя бы два слоя гранулированного ванадиевого катализатора, второй слой инертного материала, при этом производят промежуточное охлаждение реакционного газа между слоями катализатора и периодическое изменение направления пропускания реакционного газа на противоположное. Для того чтобы повысить степень контактирования диоксида серы при переработке реакционного газа с повышенным исходным содержанием диоксида серы (более 2,5-4%) периодическое изменение направления движения реакционного газа на противоположное осуществляют только в слоях инертного материала, сохраняя направление движения реакционного газа в слоях катализатора постоянным. При этом изменение направления движения реакционного газа в слоях катализатора производят в момент, когда температура реакционного газа в первом по ходу газа слое катализатора становится ниже фиксированной минимально допустимой величины. Для этого указанную температуру непрерывно измеряют внутри этого слоя катализатора в точке, отстоящей от места ввода реакционного газа в этот слой катализатора на расстоянии, равном от 0 до 75% высоты этого слоя, причем указанную минимально допустимую температуру реакционного газа устанавливают в диапазоне от 100 до 500^oС.

В таком режиме в слоях катализатора создается оптимальное распределение температур, обеспечивающее благоприятные равновесные условия для достижения высокой степени контактирования. В то же время, применение процедуры периодического изменения направления движения реакционного газа на противоположное в слоях инертного материала обеспечивает отказ от использования громоздких и дорогостоящих теплообменников для подогрева исходного реакционного газа до температуры начала реакции, а также охлаждения реакционного газа после его прохождения через слои катализатора.

Пример

Переработке подвергается реакционный газ, cодержащий, об.%: SO₂- 7, O₂ - 14, азот с исходной температурой 100^oС - остальное. Способ реализуют в двух слоях инертного материала и трех слоях катализатора фиг.1. Исходный реакционный газ 1 подают в один из слоев инертного материала, затем пропускают последовательно через слои катализатора 5, 6 и 7, а затем выводят (2) через второй слой инертного материала. Между слоями катализатора реакционный газ охлаждают до 400-450^oС в промежуточных теплообменниках 12 и 13. Чередование прохождения исходного реакционного газа через слои инертного материала 3 и 4, а также изменение направления движения реакционного газа в этих слоях осуществляют с помощью переключающих устройств 8 и 9 по мере снижения температуры реакционного газа в первом по ходу реакционного газа слое катализатора ниже 370^oС, причем измерение указанной температуры производится в точке, отстоящей от верхней поверхности этого слоя катализатора на расстоянии, равном 15% его высоты. Поддержание постоянного направления движения реакционного газа через слои катализатора осуществляют с помощью переключающих устройств 10 и 11. Направление движения реакционного газа в различных фазах цикла между изменениями направления его движения показано сплошными и пунктирными стрелками соответственно.

Достигается степень контактирования 97,5-98%. В аналогичных условиях по способу прототипа достигается максимальная степень контактирования не выше 92%. По сравнению со способом, не использующим изменение направления движения газов, в результате отказа от использования теплообменников для нагрева исходного реакционного газа до температуры начала реакции, либо их минимального использования, общая металлоемкость контактного узла в предлагаемом способе снижается в 2-4 раза, а гидравлическое сопротивление - в 1,5-2 раза.