Практическая работа №1

Тема: Расчет материального и теплового балансов производства серы

Цель: Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы производства серы

Теоретические основы

     При температуре 523К сероводород воспламеняется и горит с образованием диоксида серы и воды, а при недостатке кислорода – серы и воды:

           2H₂S + О₂ = 2S + 2H₂О              (1)

Эта реакция используется для промышленного получения серы.

Задание 

     Составить материальный и тепловой балансы производства серы. Исходный газ содержит 90% Н₂S, 5% Н₂О и 5% (об.) N₂. На 1м³ сероводородного газа в печь подается 10м³ воздуха (в пересчете на сухой); содержание влаги в воздухе 1% (об.) Температура поступающего воздуха и сероводородного газа 20⁰С.

Варианты заданий

Порядок выполнения работы

     Расчет материального баланса.

     Количество получаемой серы, кг/ч

        П × 1000

GS = ────────,

     N × 24

где П – производительность установки

       N – рабочие дни.

     Количество 100% сероводородного газа, которое необходимо сжечь в печи, м³/ч:

          G_s× 22,4

VН₂S = ──────,

           M_s

где G_s - производительность установки, кг/час;

        M_s – молекулярная масса серы.

     С учетом производственных потерь (5%), необходимо подать в печь, м³/ч:

                                                                             VН₂S

V100%-ного Н₂S = ─────

                        0,95

                                                 VН₂S

или V90%-ного сероводородного газа =  ─────

                                                   0,9 × 0.95

     Количество 100%-ного H₂S, которое необходимо подать в печь в кг/час:

G 100%-ного Н₂S = rH₂S × V100%-ного Н₂S,

где плотность сероводорода rH₂S = 1,539 кг/м³

     Количество водяного пара и азота, поступающего в печь с сероводородным газом, м³/ч:

V1Н₂О = V1N₂ = V 90%-ного сероводородного газа × 0,05

     Количество водяного пара, поступающего в печь с сероводородным газом, кг/ч:

G1Н₂О = rH₂О × V1Н₂О,

где плотность водяного пара rH₂О = 0,8043 кг/м³

     Количество азота, поступающего в печь с сероводородным газом, кг/ч:

G1N₂ = rN₂ × V1N₂,

где плотность азота rN₂ = 1,251кг/м³

     Количество сухого воздуха, подаваемого в печь, м³/ч:

Vсухого воздуха = V90%-ного сероводородного газа × 10

     С воздухом войдет в печь водяных паров, м³/ч:

            V 90%-ного сероводородного газа  × 0,01

V2Н₂О = ─────────────────────

0,99

     Количество водяных паров, поступающих в печь с воздухом, кг/ч:

G2Н₂О = rH₂О × V2Н₂О,       

где плотность водяного пара rH₂О = 0,8043 кг/м³

     Кроме того, с воздухом поступит 21% кислорода и 79% азота.

     Количество кислорода, поступившего с воздухом, м³/ч:

V1О₂ = Vсухого воздуха × 0,21

     Количество кислорода, поступившего с воздухом, кг/ч:

G1О₂ = rО₂ × V1О₂,

где плотность кислорода rО₂ = 1,43 кг/м³

     Количество азота, поступившего с воздухом, м³/ч:

V2N₂ = Vсухого воздуха × 0,79

     Количество азота, поступившего с воздухом, кг/ч:

G2N₂ = rN₂ × V2N₂,

где плотность азота rN₂ = 1,251 кг/м³

     Всего в печь поступает:

G прихода = G 100%-ного Н₂S + G1Н₂О + G1N₂ + G1О₂  + G2N₂ + G2Н₂О

     На сжигание сероводорода согласно реакции (1) израсходуется кислорода, м³/ч:

VО₂  = V 90%-ного сероводородного газа  × 0,9 × 0,5

     Количество кислорода, которое израсходуется на сжигание сероводорода, кг/ч:

GО₂ = rО₂ × VО₂,

где плотность кислорода rО₂ = 1,43 кг/м³

     Количество и состав обжигового газа:

     В состав газа входит до 1% SO₂, кг/ч:

G SО₂ = G S × 0,01

     Количество кислорода, кг/ч:

G2О₂  = G1О₂  - GО₂

     Количество водяного пара, м³/ч:

V3Н₂О = V1Н₂О + V 100%-ного Н₂S  + V2Н₂О

     Количество водяного пара, кг/ч:

G3Н₂О = rH₂О × V3Н₂О,

где плотность водяного пара rH₂О = 0,8043 кг/м³

     Количество азота, кг/ч:

G3N₂ = G2N₂ + G1N₂

     Выход продуктов:

G расхода = G S + G SО₂ + G2О₂ + G3Н₂О + G3N₂

     Потери:

G потерь = G прихода - G расхода

     Составляем материальный баланс производства серы

Таблица 1.1 – Материальный баланс производства серы

     Расчет теплового баланса.

Приход теплоты

     Количество теплоты за счет поступающего сероводородного газа (условно считаем, что газ содержит только сероводород), кДж/ч:

Q₁ = V90%-ного сероводородного газа × 1,47 × t,

где 1,47 – теплоемкость сероводорода, отнесенная к 1м³ газа при нормальных условиях, кДж/(м³ × ⁰С);

       t – температура, поступающего сероводородного газа.

     Количество теплоты, вносимой воздухом, кДж/ч:

Q₂ = (V90%-ного сероводородного газа + V2Н₂О) × 1,34 × t,

где 1,34 – теплоемкость воздуха (ввиду малого содержания влаги в воздухе различием теплоемкости водяного пара и сухого воздуха пренебрегаем), кДж/(м3×⁰С);

     t – температура, поступающего воздуха.

     Количество тепла, выделяющееся при сжигании сероводорода, кДж/ч:

      V100%-ного Н₂S × 519,3 × 1000

Q₃ = ─────────────────,

22,4

где 519.3 кДж – теплота сгорания 1 моль Н₂S.

     Общее количество поступившей теплоты:

Q_{прихода} = Q₁ + Q₂ + Q₃

Расход теплоты.

     За счет теплопотерь из печи в окружающее пространство, принимаем равными 20% от прихода теплоты, уходит, кДж/ч:

Q_{теплопотерь} = Q_{прихода}× 0,2

     Теплота, уносимая обжиговым газом, равна разности между приходом теплоты и теплопотерями:

Q_{с печным газом} = Q_{прихода} - Q_{теплопотерь}

     Составляем тепловой баланс сжигания сероводорода.

Таблица 2.1 – Тепловой баланс сжигания сероводорода

Контрольные вопросы:

1. Каким способом получают серу из сероводорода?

2. Расскажите технологическую схему получения серы методом Клауса.

3. Назовите недостаток метода Клауса.

4. Где применяется сера?