Контактный аппарат для окисления диоксиды серы в трехокись серы

Полезная модель контактного аппарата для окисления диоксида серы в трехокись серы при переработке концентрированных сернистых газов в нестационарных условиях с неизменным направлением движения нескольких тепловых фронтов - зон реакции в сегментах с катализатором, в которых с целью оптимизации температурного режима процесса окисления SO₂ в SO₃ установлены теплообменные элементы. Применение данного типа контактного аппарата на 1-ой стадии окисления SO₂ в SO₃ в контактном узле, работающего по схеме ДК/ДА, позволяет обеспечить существенное сокращение капитальных и эксплуатационных затрат за счет значительного уменьшения неэффективного рекуперативного теплообмена благодаря тому, что катализатор кроме своей основной функции - ускорителя химической реакции - выполняет роль регенератора тепла.

Полезная модель относится к сернокислотному производству, в котором осуществляется утилизация отходящих сернистых газов предприятий цветной металлургии и может быть использована при проведении процесса окисления SO₂ в SO₃ .

Известно, что на ряде предприятий цветной металлургии (Медногорском медно-серном комбинате, комбинате «Печенга-никель», Среднеуральском медеплавильном заводе) был внедрен в промышленное сернокислотное производство способ окисления SO₂ в SO₃ в нестационарных условиях, разработанный в институте катализа СО РАН (Боресков Г.К., Матрос Ю.Ш. Нестационарный способ производства серной кислоты из отходящих металлургических газов. Цветные металлы, 1984 г., 2, стр. 28-31].

Осуществление этого способа окисления SO₂ в SO₃ ведется в реакторе, в котором размещен горизонтально один слой катализатора, при этом подача реакционной смеси на него производится вертикально при периодическом изменении направления.

Наряду с определенными преимуществами данного способа по сравнению с классическим способом окисления SO₂ в SO₃ в неизменных условиях, недостатком известного способа конверсии SO₂ в SO₃ в нестационарном режиме, проводимом при периодическом изменении направления подачи исходного сернистого газа на слой катализатора, является выход непрореагировавшего газа в атмосферу в конце каждого полуцикла.

Действительно, в конце каждого полуцикла, при достижении вследствие своего перемещения по слою катализатора тепловым фронтом - зоной реакции нижней (или верхней) части слоя катализатора, объем контактного аппарата, находящийся над (или под) тепловым фронтом - зоной реакции, заполнен непрореагировавшим сернистым газом, который в следующем полуцикле, после изменения направления подачи газа в реактор, вытесняются из реактора в атмосферу, что, естественно, ведет к существенному снижению степени превращения SO₂ в SO₃ до Х_к=90-92%.

Наиболее близким по технической сущности является контактный аппарат по авт. св. 1729566, обеспечивающий проведение конверсии SO₂ в SO₃ одновременно в нескольких тепловых фронтах-зонах реакции, работающих в нестационарных условиях и движущихся в слое катализатора в неизменном направлении.

Известный контактный аппарат для окисления SO ₂ в SO₃ содержит корпус с крышкой и днищем, центральную колонну, подводящие исходный сернистый газ газоходы с клапанами на них, распределитель реакционной смеси, в крышке и днище которого имеются отверстия для входа и выхода газа. Катализатор размещен в сегментах, образованных попарно установленными сплошными и перфорированными перегородками, обеспечивающими ввод реакционной смеси в слой катализатора. Выход прореагировавшей газовой смеси из сегментов с катализатором в сборник прореагировавшего газа осуществляется путем установки дополнительных перфорированных и сплошных перегородок. Газоходы с клапанами на них, отводящие прореагировавший газ на абсорбцию, соединены с газоходами, подводящими исходный сернистый газ к контактному аппарату, переточными газоходами с установленными на них клапанами.

Недостатком известного контактного аппарата по авторскому свидетельству 1729566 является то обстоятельство, что данный аппарат может быть использован для проведения конверсии SO₂ в SO₃ при переработке низкоконцентрированных сернистых газов с содержанием SO₂ в интервале от 0,5 до 2,0% об., например, на второй стадии окисления SO₂ в контактном узле, работающем по схеме ДК/ДА.

Утилизация сернистых газов с повышенный содержанием SO₂ (4,0% об. и выше) при применении известного контактного аппарата ведет к существенному снижению конечной степени превращения (Х_к) SO ₂ в SO₃, вызванной инактивацией катализатора из-за возросшего количества тепла, выделяющегося при прохождении реакции окисления SO₂ в SO₃ в слое катализатора. Более того, в случае утилизации сернистых газов с концентрацией SO₂ от 7,0 до 8,0% об. возможно спекание катализатора.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности проведения процесса окисления SO₂ в SO₃ в нестационарных условиях при переработке концентрированных сернистых газов за счет оптимизации температурного режима в нескольких тепловых фронтах - зонах реакции, одновременно перемещающихся в неизменном направлении в сегментах с катализатором, путем подачи исходного сернистого газа, имеющего минимальную температуру (60-80°C), через каналы, образованные соответствующими перегородками, в теплообменные элементы, благодаря чему идет интенсивный теплообмен между газом, проходящим по теплообменным элементам, и тепловым фронтом - зоной реакции, движущейся в слое катализатора, размещенного между теплообменными элементами, что обеспечивает снижение температуры в этой зоне и исключает вероятность перегрева катализатора, вызывающего инактивацию его, и, тем самым, создает оптимальные условия для проведения процесса окисления SO₂ в SO₃ .

Поставленная цель достигается тем, что исходный сернистый газ из компрессорного отделения поступает в кольцевой канал распределителя газа и через несколько отверстий в его крышке направляется в каналы, образованные вертикальными сплошными перегородками, разделяющими сечение аппарата в плане радиально от центральной колонны до корпуса на несколько секторов, внутри которых размещены сегменты с катализатором, и установленными вертикально сплошными перегородками, в которых закреплены входные патрубки теплообменных элементов первых по ходу газа нескольких сегментов с катализатором, входит в них и, пройдя теплообменные элементы, выходит через каналы, образованные аналогичными перегородками, установленными по высоте от крышки распределителя газа до днища сборника газа, в кольцевой канал сборника газа через несколько отверстий в его днище. Из сборника газа сернистый газ через переточный газоход поступает в свободный кольцевой канал сборника газа и через отверстия в его крышке входит в несколько каналов, образованных вертикальными сплошными перегородками с закрепленными в них патрубками теплообменных элементов и перфорированными перегородками, установленными между теплообменными элементами, при этом данные перегородки выполнены по высоте аппарата от крышки распределителя газа до днища сборника газа. Между теплообменными элементами и перфорированными перегородками размещается катализатор. В слое катализатора исходный сернистый газ нагревается до температуры, достаточной для протекания реакции окисления SO₂ в SO₃, за счет теплопередачи от зерен катализатора к газу, в результате чего протекает процесс окисления SO₂ в SO₃ в одновременно движущихся в направлении фильтрации газового потока тепловых фронтах - зонах реакции в нескольких первых сегментах. При этом за счет интенсивного теплообмена на участке теплового фронта - зоны реакции, где идет реакция окисления SO₂ в SO₃, между исходным сернистым газом, идущим через теплообменные элементы с начальной температурой 60-80°C, и тепловыми фронтами - зонами реакции, становится возможным исключить вероятность перегрева катализатора и, следовательно, его инактивацию при переработке газа с повышенной концентрацией SO₂. Прореагировавший газ, выходя из нескольких первых сегментов с катализатором, поступает в сборник газа через каналы, образованные последними из вышеуказанных перегородок, и затем в байпасный газоход, из которого в свободный канал распределителя газа, из которого направляется в теплообменные элементы, а затем в слои катализатора вторых по ходу газа сегментов, после чего пройдя сборник газа, поступает на абсорбцию. В результате перемещения тепловых фронтов - зон реакции из нескольких первых по направлению фильтрации газа сегментов в несколько вторых сегментов и достижения на входе в слои катализатора вторых сегментов температуры 420-430°C, производится автоматическое переключение подачи исходного сернистого газа в свободный канал распределителя газа, из которого газ направляется в теплообменные элементы вторых сегментов, а затем в слои катализатора этих сегментов. В тепловых фронтах - зонах реакции, движущихся во вторых сегментах, идет реакция окисления SO₂ в SO₃ с отводом тепла из реакционной зоны за счет теплообмена с исходным газом, проходящим через теплообменные элементы, размещенные во вторых сегментах, после чего газ, пройдя сборник газа, байпасный газоход, распределитель газа входит в теплообменные элементы, затем в слои катализатора первых сегментов, выйдя из которых газ направляется на абсорбцию. После перемещения тепловых фронтов - зон реакции в несколько первых по направлению фильтрации реакционной смеси сегментов, что определяется по температуре на входе в слои катализатора этих сегментов 420-430°C, повторяется цикл работы реактора, описанный выше.

На фиг. 1 представлен контактный аппарат, общий вид; на фиг. 2 - разрезы А-А и Б-Б на фиг. 1, на фиг. 3 - разрезы В-В и Г-Г на фиг. 1, на фиг. 4 - разрезы Д-Д и Е-Е на фиг. 1.

Контактный аппарат содержит корпус 1 с крышкой и днищем, центральную колонну 2, подводящие исходный сернистый газ газоходы 3 с клапанами на них, распределитель газа 4, состоящий из двух горизонтально расположенных пластин, полностью перекрывающих сечение аппарата, и размещенных между ними концентрически установленных перегородок, образующих кольцевые каналы. В крышке и днище распределителя газа против каналов имеются отверстия для входа и выхода газа. В контактном аппарате установлены вертикальные сплошные перегородки 5, разделяющие сечение аппарата в плане радиально от центральной колонны 2 до корпуса 1 и по высоте от крышки распределителя газа 4 до днища сборника газа 14, между перегородками 5 размещаются сегменты, образованные попарно установленными перегородками 6 и 7, боковыми стенками 8, днищем 9 и крышкой 10, при этом вертикальные перегородки 6 и 7 выполняются по высоте аппарата от крышки распределителя газа 4 до днища сборника газа 14, а боковые стенки 8 располагаются вертикально от днища 9 до крышки 10. Перегородки 6 выполнены сплошными, в которых закреплены входные и выходные патрубки теплообменных элементов 11, а перегородки 7 имеют перфорацию и установлены между теплообменными элементами 11. Между теплообменными элементами 11 и перфорированными перегородками 7 размещается катализатор 12. Ввод исходного сернистого газа в теплообменные элементы и вывод газа из теплообменных элементов осуществляется из каналов между перегородками 5 и 6. Ввод и вывод прореагировавшего газа из катализатора ведется из каналов, образованных сплошными перегородками 6 и перфорированными перегородками 7. Сборник газа 14 соединяется с крышкой 10 переточными каналами 13 и состоит из двух горизонтальных пластин, полностью перекрывающих сечение аппарата, и размещенных между ними концентрически установленных перегородок, образующих кольцевые каналы. В крышке и днище сборника газа против каналов имеются отверстия для входа и выхода газа. Газоходы 15 с установленными на них клапанами, отводящие прореагировавшую газовую смесь на абсорбцию, соединены с газоходами 3, подводящими исходный сернистый газ к аппарату, переточными газоходами 16, на которых также установлены клапаны.

Контактный аппарат работает следующим образом. Исходный сернистый газ из компрессорного отделения подается по одному газоходу 3, на котором в данный цикл работы аппарата открыт клапан, в кольцевой канал распределителя газа 4, откуда через несколько отверстий в крышке распределителя газа поступает в соответствующие каналы, образованные перегородками 5 и 6, из которых газ направляется во входные патрубки теплообменных элементов 11 нескольких первых сегментов. Пройдя теплообменные элементы, газ выходит в каналы, образованные перегородками 5 и 6, из которых направляется в кольцевой канал сборника газа 14. Из сборника газа исходный сернистый газ поступает в газоход 15, на котором в данный цикл работы реактора клапан закрыт, а затем через байпасный газоход 16, на котором в этот цикл работы аппарата клапан открыт, входит в свободный от исходного газа кольцевой канал распределителя газа 4, откуда через несколько отверстий в крышке распределителя газа входит в каналы, образованные сплошными перегородками 6 и перфорированными перегородками 7, и поступает в катализатор, размещенный между теплообменными элементами первых сегментов, через которые исходный газ перед этим прошел.

В слое катализатора исходный сернистый газ нагревается до температуры, достаточной для протекания реакции окисления SO₂ в SO₃, за счет теплопередачи от зерен катализатора к газу, в результате чего протекает процесс окисления SO₂ в SO₃ в одновременно движущихся в направлении фильтрации газового потока тепловых фронтах - зонах реакции в нескольких первых сегментах. При этом за счет интенсивного теплообмена на участке теплового фронта - зоны реакции, где идет реакция окисления диоксида серы в триоксид серы, между исходным сернистым газом, идущим через теплообменные элементы 11 с начальной температурой 60-80°C и тепловыми фронтами - зонами реакции, становится возможным исключить вероятность перегрева катализатора и, следовательно, его инактивацию при переработке газа с повышенной концентрацией SO₂. Это обстоятельство также оказывает положительное влияние на повышение значения конечной степени превращения SO ₂ в SO₃ (Х_к). Прореагировавший газ с достаточно высокой температурой (250-300°C), выходя из нескольких первых сегментов с катализатором, поступает в сборник газа 14 и затем через газоход 15, на котором клапан закрыт в данный цикл работы аппарата, и байпасный газоход 16 входит в свободный канал распределителя газа 4, из которого направляется в слои катализатора вторых по ходу газа сегментов, осуществляя предварительный разогрев катализатора. Пройдя слои катализатора нескольких вторых по направлению движения газа сегментов, прореагировавший газ направляется через сборник газа 14 на абсорбцию по газоходу 15, на котором в данный цикл работы реактора открыт клапан. В результате перемещения тепловых фронтов - зон реакции из нескольких первых по направлению фильтрации газа сегментов в несколько вторых сегментов и достижения на входе в слои катализатора вторых сегментов температуры 420-440°C, производится автоматическое переключение подачи исходного сернистого газа в свободный от исходного сернистого газа канал распределителя газа 4, из которого газ направляется в теплообменные элементы нескольких вторых сегментов, затем поступает в свободный канал сборника газа 14 и по газоходу 15 и байпасному газоходу 16, на котором в этот цикл работы аппарата открыт клапан, входит в соответствующий канал распределителя 4 и далее направляется в катализатор вторых сегментов. В тепловых фронтах - зонах реакции, движущихся во вторых сегментах, идет реакция окисления SO ₂ в SO₃ с отводом тепла из реакционной зоны за счет теплообмена с исходным газом, проходящим через теплообменные элементы, встроенные во вторые сегменты, после чего газ, пройдя сборник газа 14, газоход 15 и байпасный газоход 16 с открытым клапаном в этот цикл работы реактора, распределитель газа 4 входит в катализатор первых сегментов, выйдя из которых газ направляется по газоходу 15 с открытым клапаном в этот цикл работы реактора на абсорбцию. После перемещения тепловых фронтов - зон реакции в несколько первых по направлению фильтрации реакционной смеси сегментов, что определяется по температуре газа на входе в слои катализатора этих сегментов 420-440°C, повторяется цикл работы реактора, описанный выше.

Контактный аппарат для окисления диоксида серы в трехокись серы при переработке концентрированных сернистых газов в нестационарных условиях с неизменным направлением движения тепловых фронтов - зон реакции в слое катализатора, содержащий корпус с крышкой и днищем, центральную колонну, подводящие исходный сернистый газ газоходы с клапанами на них и газоходы с клапанами на них, отводящие прореагировавший газ на абсорбцию, соединенные с подводящими исходный сернистый газ к аппарату переточными газоходами с установленными на них клапанами, распределитель и сборник реакционной смеси, в крышках и днищах которых имеются отверстия для входа и выхода газа, отличающийся тем, что в контактном аппарате установлены вертикальные сплошные перегородки, разделяющие сечение аппарата в плане радиально от центральной колонны до корпуса и по высоте от крышки распределителя газа до днища сборника газа, между которыми размещены сегменты, образованные боковыми стенками, крышкой, днищем, попарно установленными сплошными перегородками с закрепленными в них патрубками теплообменных элементов и перфорированными перегородками, расположенными между теплообменными элементами, перекрывающими сечение аппарата по высоте от крышки распределителя газа до днища сборника газа, при этом объем между теплообменными элементами и перфорированными перегородками заполнен катализатором.