АБСОРБЕР ВЕНТУРИ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ТРИОКСИДА СЕРЫ СЕРНОЙ КИСЛОТОЙ Российский патент 2023 года по МПК C01B17/80 B01D53/14 B01D47/10 C01B17/76 

Изобретение относится к абсорберу на основе трубки Вентури, предназначенному для поглощения триоксида серы серной кислотой, где абсорбер Вентури включает сходящуюся секцию, секцию горловины и расходящуюся секцию, причем в верхней части абсорбера Вентури имеется трубопровод для ввода горячего технологического газа, содержащего триоксид серы; распылительное устройство для подачи серной кислоты параллельно потоку газообразного триоксида серы; трубопровод для извлечения жидких фракций и трубопровод для извлечения газообразных фракций; внутреннюю конструкцию в расходящейся секции.

Серная кислота представляет собой химическое соединение серы, имеющее химическую формулу H₂SO₄. Она представляет собой маслянистую, очень вязкую и гигроскопичную жидкость, бесцветную при комнатной температуре, и является одной из самых сильных кислот и чрезвычайно коррозионных веществ.

В большинстве случаев исходным веществом для получения серной кислоты является элементарная сера, которую получают в больших количествах в процессе обессеривания или рафинирования природного газа и сырой нефти, и ее производят, например, способом Клаусса. Полученную таким образом серу сжигают на воздухе в присутствии кислорода, получая диоксид серы (SO₂):

Затем, обычно в реакции с гетерогенным катализом в присутствии ванадиевого катализатора, из диоксида серы получают триоксид серы (SO₃):

Другим исходным веществом для получения серной кислоты являются отходящие газы, выделяющиеся при пирометаллургическом получении цветных металлов (например, меди, цинка, никеля, свинца, молибдена) из сульфидных руд.

Получаемый таким образом триоксид серы затем превращают в серную кислоту (H₂SO₄) абсорбцией концентрированной серной кислотой, что немедленно приводит к образованию дисерной кислоты (H₂S₂O₇). Реакция с содержащейся и/или добавляемой водой (Н₂О) приводит к образованию серной кислоты:

В зависимости от параметров способа и расположения азеотропа, в этом способе применяют не 100% серную кислоту, а кислоту, содержащую от 98 до 99,6% H₂SO₄. Остаток составляет вода.

Очевидно, что в настоящее время, по экономическим причинам, отдельные производства серной кислоты имеют большие размеры и в будущем станут еще крупнее, поскольку затраты на производство одной тонны кислоты на более крупном предприятии меньше, чем на менее крупном. В настоящее время производительность самых крупных предприятий достигает ~5000 метрических тонн в сутки моногидрата (моногидрат, Mh=100% H₂SO₄). Таким образом, имеется тенденция к укрупнению предприятий, несмотря на более высокие риски при эксплуатации/вероятность работы без простоев.

В частности, на очень крупных предприятиях одним из основных аспектов повышения экономической рентабельности предприятия является задача утилизации тепла.

Примеры способов извлечения тепла из абсорбционной секции имеются в документах WO 2006/087150 А2 и WO 2016/096867 А1, где описано размещение двухстадийных абсорбционных устройств для удаления SO₃ из контактного газа концентрированной серной кислотой и соответствующие устройства для охлаждения кислоты.

В способе абсорбции SO₃ серной кислотой часто по меньшей мере в одном этапе применяют абсорбер Вентури. Такие конструкции описаны в документах GB 1252363, US 3944401 и DE 2255029. С учетом больших потоков газов и жидкостей можно ожидать, что эффективность абсорбера Вентури будет пониженной из-за больших размеров горловины, поскольку это затрудняет равномерное распределение жидкости в газе, и, в конечном итоге, это распределение становится недостаточным для достижения определенной требуемой эффективности абсорбции газообразного SO₃.

На Фиг. 1 представлено стандартизованное/нормализованное снижение эффективности абсорбции в зависимости от применяемого стандартизованного размера абсорбера Вентури без учета неравномерного распределения потока жидкости или газа.

Однако, чем большее количество SO₃ проходит через предварительный абсорбер Вентури в такой последующий абсорбер, тем большее количество холодной кислоты (обычно 98,5% H₂SO₄ при температуре ~80°С) необходимо направлять в указанный последующий абсорбер для поддержания в системе необходимого баланса. Это, в свою очередь, приводит к необходимости извлечения из системы предварительного абсорбера большего количества горячей кислоты (обычно 99,5% H₂SO₄ при температуре 200°С) для поддержания общего баланса SO₃, независимо от количеств SO₃ и Н₂О, подаваемых в систему. Необходимость загрузки больших количеств холодной кислоты приводит к потерям энергии, которая может быть использована для генерации водяного пара низкого давления.

Суммируя вышесказанное можно заключить, что недостатком более крупных предприятий по производству серной кислоты является более низкая удельная выработка водяного пара, т.е. более низкая рекуперация энергии и, следовательно, более высокие эксплуатационные расходы/более низкие доходы. Очевидно, что такое снижение эффективности будет серьезно снижать общую энергетическую эффективность системы рекуперации тепла на предприятии получения серной кислоты. Таким образом, крупные предприятия по меньшей мере частично теряют преимущество, получаемое за счет экономии капитальных вложений в результате эффекта масштаба.

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в повышении эффективности системы, в той ее части, которая относится к абсорбции SO₃ в абсорбере Вентури (предварительном абсорбере) и, таким образом, в снижении потерь энергии, предназначенной для генерации водяного пара низкого давления.

Эта задача решена посредством предоставления абсорбера Вентури по пункту 1.

Такой абсорбер Вентури для поглощения триоксида серы серной кислотой включает сходящуюся секцию (20), секцию (30) горловины и расходящуюся секцию (40). Рассмотрим Фиг. 2. Через трубопровод (21) вводят горячий технологический газ, содержащий триоксид серы. Кроме того, абсорбер Вентури содержит устройство (22) для подачи серной кислоты, предпочтительно для распыления параллельно потоку газообразного триоксида серы. Через трубопровод (52) извлекают жидкие фракции, в то время как газообразные фракции извлекают через трубопровод (51). Для повышения эффективности абсорбера Вентури внутри или ниже расходящейся секции установлено внутреннее устройство (60).

Это устройство по существу представляет собой ситчатую тарелку, совокупность трубок Вентури или самонесущий колпак выпуклой формы. Выпуклая форма позволяет вводить в это устройство локально разделенный поток в разных точках. Так, ввод потока сначала происходит в середину расходящейся секции, а не по ее краям. Учитывая типичный скоростной профиль в расходящейся секции, гидравлическое сопротивление скоростному потоку в положениях с высокими скоростями больше, чем в краевой области, где скорости потока ниже.

В результате предмет настоящего изобретения состоит в монтаже относительно недорогостоящего устройства Вентури на более крупных производствах кислоты, несмотря на снижение эффективности из-за больших размеров, и в компенсации указанных потерь установкой дополнительного интегрированного устройства. Указанное устройство позволяет не только компенсировать указанное снижение, но, как неожиданно было обнаружено, повышает эффективность предварительного абсорбера Вентури, снижая почти в 2 раза проскок непоглощенного SO₃ (пропускание) через этот предварительный абсорбер (очевидно, что газообразный SO₃ вытекает из него под действием давления пара). По этой причине достигаемая в настоящее время эффективность абсорбции будет заметно повышена вне зависимости от размеров предприятия.

Предпочтительно, эффективный коэффициент живого сечения устройства, устанавливаемого в расходящейся секции, составляет от 40 до 80%, предпочтительно от 50 до 70%. Коэффициентом живого сечения называется отношение, показывающее какая часть листа занята отверстиями, и его обычно выражают в процентах. Например, если коэффициент живого сечения перфорированного листа составляет 30%, то это означает, что 30% листа составляют отверстия, и 70% листа составляет материал. Указанное отношение позволяет достичь максимальной турбулентности и, таким образом, более высокой скорости абсорбции.

В другом или дополнительном воплощении абсорбер Вентури имеет угол α между секцией горловины и расходящейся секцией, составляющий от 5 до 20°, предпочтительно от 7 до 15°. Дополнительно или альтернативно угол β между секцией горловины и сходящейся секцией составляет от 30 до 60°, предпочтительно от 40 до 50°. В типичных условиях функционирования эти величины обеспечивают очень подходящие коэффициенты массоотдачи от газовой фазы и, следовательно, оптимальные скорости абсорбции.

Кроме того, особенно предпочтительно, если абсорбер Вентури согласно изобретению имеет расстояние L_d,ideal от обращенного к низу выпускного отверстия секции горловины и максимумом выпуклости устройства, которое определяется формулой:

где используемые параметры означают следующее:

D_t: диаметр секции горловины;

L_d: длина от нижнего конца горловины до верхней границы устройства;

α: угол α между секцией горловины и расходящейся секцией;

v_t: скорость газового потока у нижнего конца секции горловины;

os: коэффициент живого сечения устройства.

Предпочтительное расстояние L_d находится в диапазоне от 0,8 L_d,ideal до 1,2 L_d,ideal, особенно предпочтительное - в диапазоне от 0,9 L_d,ideal до 1,1 L_d,ideal.

Преимуществом размещения устройства в расходящейся секции в определенном положении является то, что при типичных параметрах функционирования скоростной профиль полностью сформирован и дополнительные завихрения, вызываемые конструкцией устройства, достигают максимального эффекта. Это позволяет достичь оптимальной эффективности конструкции.

В результате диаметр D_d,ideal установленного устройства может быть определен следующим образом:

Предпочтительное расстояние D_d находится в диапазоне от 0,8 D_d,ideal до 1,2 D_d,ideal, особенно предпочтительно - в диапазоне от 0,9 D_d,ideal до 1,1 D_d,ideal.

В качестве материала для изготовления устанавливаемого устройства наиболее предпочтительным является керамический материал, поскольку он обладает высоким сопротивлением к агрессивным условиям (концентрированная кислота, высокие температуры).

Изобретение дополнительно относится к абсорбционной установке, включающей по меньшей мере два последовательных этапа абсорбции, предпочтительно на предприятии, производящем серную кислоту. Такая абсорбционная установка определена в пункте 6 формулы изобретения. Существенным признаком является то, что первый абсорбционный этап - это описанный выше абсорбер Вентури, признаки которого указаны в любом из пунктов 1-5. Включение абсорбера Вентури в эту систему позволяет достигать очень высоких скоростей абсорбции триоксида серы, в частности, на предприятиях с большими объемами производства.

В этом контексте предпочтительно, чтобы вторым этапом ниже по потоку относительно абсорбера Вентури был размещен слой насадочного материала. Наиболее предпочтительно газ проходит через слой снизу вверх, то есть противотоком серной кислоте, которую вводят во второй этап через верхнюю часть установки. В результате абсорбция становится полной.

Изобретение также включает способ абсорбции триоксида серы, признаки которого указаны в пункте 8. В этом способе применяют абсорбер Вентури по любому из пунктов 1-6.

Для наибольшего влияния улучшенной геометрии на скоростной профиль, отношение скорости газа в горловине абсорбера Вентури (измеряемой на ее конце) к скорости газа в расходящейся секции на расстоянии L_D составляет от 1,0 до 3,0, предпочтительно от 1,5 до 2,5, более предпочтительно от 1,7 до 2,3. При этом образуется скоростной профиль, имеющий дополнительные завихрения, и после прохождения установленного устройства не образуются большие капли или по меньшей мере не образуются слишком большие капли.

Дополнительные признаки, преимущества и возможные применения изобретения могут быть определены из приведенного ниже описания примеров воплощения и графических материалов. Все признаки, описанные и/или графически проиллюстрированные в настоящей работе, образуют предмет изобретения, как таковые или в любой требуемой комбинации, независимо от того, как они скомбинированы в пунктах формулы изобретения или в ссылках на предыдущие пункты формулы изобретения.

В графических материалах схематично представлены:

На Фиг. 1 представлена корреляция между эффективностью абсорбера Вентури и диаметром горловины;

На Фиг. 2 представлена конструкция абсорбера Вентури согласно изобретению; и

На Фиг. 3 представлена абсорбционная система согласно изобретению на предприятии, производящем серную кислоту.

Как было обсуждено выше, на Фиг. 1 представлена нисходящая зависимость относительной эффективности абсорбера Вентури от нормализованного диаметра горловины. Она ясно показывает, что эффективность снижается с увеличением размера абсорбера Вентури.

На Фиг. 2 представлен абсорбер 10 Вентури согласно изобретению. В него направляют триоксид серы, который предпочтительно направляют сверху по трубопроводу 21 в сходящуюся секцию 20 абсорбера 10 Вентури. В сходящейся секции также установлено устройство 22 для подачи серной кислоты, предпочтительно посредством распыления, в которое кислоту подают по трубопроводу 23. Кроме того, согласно изобретению, так называемая сходящаяся секция 20 не является полностью сходящейся; сходящейся является только ее нижняя часть, ведущая к секции 20 горловины.

Секция 30 горловины характеризуется (по существу) вертикальными, направленными вниз стенками и имеет ширину D_t.

Расходящаяся секция 40 имеет полную длину L_b и образует угол α с секцией 30 горловины. На максимуме ее ширины она имеет размер D_b, который также равен ширине сборника 50. Из этого сборника газообразные фракции извлекают по трубопроводу 51, а жидкие фракции удаляют по трубопроводу 52.

Основной идеей изобретения является установка внутри или ниже расходящейся секции дополнительного внутреннего устройства 60, которое имеет выпуклую форму, в соответствии с которой краевая область указанного устройства 60 находится на меньшем расстоянии от сборника, чем его средняя часть. Это устройство может быть сконструировано в виде ситчатой тарелки, совокупности трубок Вентури, самонесущего колпака или подобной конструкции. Оно может быть изготовлено из подходящего керамического материала или сплава, коррозионностойкого к воздействию горячей концентрированной серной кислоты.

На Фиг. 3 представлена система абсорбера для получения серной кислоты, которая включает первый этап 10 абсорбции согласно настоящему изобретению, в частности, включающий устройство 60. Из этой системы газообразные фракции направляют по трубопроводу 51 во второй этап 70 абсорбции.

Во втором этапе абсорбции предпочтительно применяют слой 74 насадочного материала, через который протекает серная кислота, которую вводят по трубопроводу 72 и через устройство 73. Жидкие фракции, которые направляют в систему через устройства 22 и 73 для подачи кислоты, также могут быть извлечены объединенными или по отдельности, предпочтительно объединенными из участка, расположенного на нижнем конце второго этапа 70 абсорбции, объединенными через трубопровод 71 или объединенными через трубопровод 52, в то время как газообразные фракции извлекают с помощью трубопровода 75.

Первый этап 10 абсорбции выполняют при повышенных температурах подаваемой кислоты, которые обычно составляют от 180 до 230°С. Выделяемое тепло обычно применяют для генерации насыщенного водяного пара, давление которого обычно составляет от 4 до 12 бар (от 4⋅10⁵ Па до 1,2⋅10⁶ Па). Второй этап абсорбции для удаления остаточного SO₃ (что связано с давлением пара и проскоком в результате ограниченной эффективности абсорбции в устройстве предварительной абсорбции) выполняют при более низких температурах подаваемой кислоты, составляющих приблизительно 80°С.

Список условных обозначений

10 - абсорбер Вентури, первый этап абсорбции

20 - сходящаяся секция

21 - трубопровод

22 - устройство для подачи серной кислоты

23 - трубопровод

30 - секция горловины

40 - расходящаяся секция

50 - сборник

51 - трубопровод

52 - трубопровод

60 - внутреннее устройство

70 - второй этап абсорбции

71, 72 - трубопровод

73 - устройство для подачи серной кислоты

74 - слой насадочного материала

75 - трубопровод

α - угол между секцией горловины и расходящейся секцией

D_t - диаметр секции горловины

D_a - диаметр внутреннего устройства

D_b - диаметр сборника

L_d - длина от нижнего конца горловины до верхней точки выпуклости устройства

L_b - длина расходящейся секции

Группа изобретений относится к абсорберу Вентури, предназначенному для поглощения триоксида серы серной кислотой. Абсорбер Вентури включает сходящуюся секцию, секцию горловины и расходящуюся секцию. Также включает установленный в верхней части первый трубопровод, через который вводят горячий технологический газ, содержащий триоксид серы. Дополнительно абсорбер Вентури включает устройство для подачи серной кислоты распылением серной кислоты параллельно потоку газообразного триоксида серы, трубопровод для извлечения жидких фракций и трубопровод для извлечения газообразных фракций. Внутри или ниже расходящейся секции установлено внутреннее устройство, которое представляет собой ситчатую тарелку, совокупность трубок Вентури или самонесущий колпак выпуклой формы. Также изобретение относится к установке для получения серной кислоты и способу получения серной кислоты. Группа изобретений обеспечивает повышение эффективности системы в той ее части, которая относится к абсорбции SO₃ в абсорбере Вентури, и таким образом приводит к снижению потерь энергии, предназначенной для генерации водяного пара низкого давления. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Абсорбер Вентури для поглощения триоксида серы серной кислотой, где абсорбер Вентури включает: сходящуюся секцию (20), секцию (30) горловины и расходящуюся секцию (40); установленный в верхней части абсорбера трубопровод (21), выполненный для ввода горячего технологического газа, содержащего триоксид серы; распылительное устройство (22) для подачи серной кислоты параллельно потоку газообразного триоксида серы; трубопровод (52) для извлечения жидких фракций и трубопровод (51) для извлечения газообразных фракций; внутреннее устройство (60), расположенное внутри или ниже расходящейся секции (40); при этом абсорбер Вентури отличается тем, что внутреннее устройство (60) представляет собой ситчатую тарелку, совокупность трубок Вентури или самонесущий колпак выпуклой формы и

эффективный коэффициент живого сечения внутреннего устройства (60), показывающий отношение, представляющее, какая часть листа занята отверстиями, и составляющее от 40 до 80%, т.е. в относительных долях от 0,40 до 0,80.

2. Абсорбер Вентури по п. 1, отличающийся тем, что угол α между секцией (30) горловины и расходящейся секцией (40) составляет от 5 до 20° и/или угол β между секцией (30) горловины и сходящейся секцией (20) составляет от 15 до 45°.

3. Абсорбер Вентури по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что расстояние L_d от секции (30) горловины до внутреннего устройства (60) устанавливают в диапазоне от 0,8L_d,ideal до 1,2 L_d,ideal, где L_d,ideal определяют по уравнению:

,

где D_t - диаметр секции (30) горловины;

L_d - длина от горловины (30) до устройства (60);

α - угол α между секцией (30) горловины и расходящейся секцией (40);

v_t - скорость газового потока у секции (30) горловины;

os - коэффициент живого сечения внутреннего устройства (60).

4. Абсорбер Вентури по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что устройство (60) изготовлено из керамического материала.

5. Абсорбционная установка для получения серной кислоты, в которой поглощение газообразного триоксида серы производят посредством по меньшей мере двух этапов (10, 70) абсорбции, отличающаяся тем, что первый этап (10) абсорбции выполняют посредством применения абсорбера Вентури по любому из пп. 1-4.

6. Установка для получения серной кислоты по п. 5, отличающаяся тем, что второй этап (70) выполняют посредством применения слоя насадочного материала.

7. Способ получения серной кислоты, отличающийся тем, что поглощение газообразного триоксида серы производят в абсорбере Вентури по любому из пп. 1-4.

8. Способ получения серной кислоты по п. 7, отличающийся тем, что отношение скорости газа в горловине абсорбера Вентури к скорости внутреннего устройства (60) составляет от 0,5 до 1,5.