Производство серной кислоты в промышленности – Глава 4 Производство серной кислоты.

Глава 4 Производство серной кислоты.

Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это тем, что она самая дешевая из всех кислот, а также ее свойствами. Серна кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот.

Области применения серной кислоты чрезвычайно обширны. Она применяется при получении минеральных удобрений, кислот, солей, взрывчатых веществ, в металлургической, текстильной, пищевой промышленности и т.д.

Химическая промышленность выпускает три вида товарной кислоты:

- башенная кислота - 75%

-контактная кислота - 92,5%

Сырьем в производстве серной кислоты могут быть элементарная сера и различные серусодержащие соединения, из которых могут быть получена сера или непосредственно оксид серы (IV).

Природные залежи самородной серы невелики. Чаще всего сера находится в природе в форме сульфидов или сульфатов металлов, а также входит в состав нефти, каменного угля. Природного и попутного газов.

Таким образом, сырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны, хотя до сих пор в качестве сырья используют элементарную серу и железный колчедан. Ограниченное использование таких видов сырья, как топочные газы тепловых электростанций и газы медеплавильного производства, объясняется низкой концентрацией в них оксида серы (IV). Причем доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

Основные этапы получения серной кислоты.

Получение серной кислоты из самородной серы состоит из трех стадий: 1- получение диоксида серы обжигом элементарной серы, 2- окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI), 3- абсорбция триоксида серы.

1.Получение обжигового газа из серы.

S +O2 = SO2 (4.1.)

При сжигании серы протекает необратимая экзотермическая реакция с выделением очень большого количества теплоты: ΔН=-362,4 кДж/моль.

Сначала серу расплавляют, потом сжигают. Процесс гомогенный, т.к. теплоты реакции горения серы достаточно для ее испарения.

Процесс сжигания можно проводить в печах двух типов: форсуночные и циклонные.

Концентрация диоксида серы зависит от соотношения серы и воздуха. Воздух берут в избытке для снижения температуры в печи.

Процесс проводят при температуре 13000С и получают обжиговый газ, содержащий 13-14% SO2.

Из печи обжиговый газ поступает в котел-утилизатор и далее в последующие аппараты.

2. Контактное окисление оксида серы (IV).

SO2 + 0,5O2 = SO3 + Q (4.2.)

Реакция окисления сернистого газа в серный простая, обратимая, экзотермическая.

С термодинамической точки зрения для смещения равновесия в сторону образования продукта необходимо: снижать температуру, увеличивать давление, использовать избыток одного из компонентов, а также выводить продукт из зоны реакции.

С кинетической точке зрения для увеличения скорости процесса необходимо повышать температуру. Однако, даже при высоких температурах реакция в газовой фазе не идет из-за высокой энергии активации. Для ее снижения процесс окисления сернистого газа в серный проводят на поверхности твердого катализатора.

Выбор оптимальных условий проведения процесса.

  1. Катализатор.

Процесс окисления диоксида серы с заметной скоростью для различных катализаторов начинается при определенной температуре – температуре зажигания. Реакция ускоряется в присутствии платины (Е=70 кДж/моль) при температуре 2500С, оксида железа (III) ( Е=150 кДж/моль) при температуре 5500С, оксида ванадия (V) при температуре не ниже 4000С ( Е= 90 кДж/моль).

Платиновый катализатор обладает наибольшей активностью, однако дорог и быстро отравляется ядами (мышьяком, селеном, хлором). Оксид железа (III) – малоактивный катализатор.

Ванадиевая контактная масса, например, марки БАВ имеет примерный состав: V2O5* 0,5Al2O3*2K2O*3BaO*2KCl*12SiO2/

Активными компонентами ванадиевых катализаторов являются сульфо- и пиросульфованадаты калия, которые в условиях проведения реакции находятся в расплавленном состоянии на поверхности кремнеземистого носителя. Формы контактной массы – гранулы, кольца. Рабочий интервал температур 400-6500С. При температурах выше 6500С активность катализатора уменьшается из-за разрушения активного комплекса V2O5K2S2O7 до кристаллического пентаоксида ванадия, который катализатором не является. При температурах ниже 4000С возможно образование каталитически неактивного соединения – сульфата ванадила VOSO4.

Гетерогенно-каталитический процесс окисления диоксида серы в триоксид состоит из следующих стадий:

1). Перенос газообразных веществ из объема к поверхности катализатора ( внешняя диффузия).

2). Диффузия реагирующих веществ внутри пор катализатора (внутренняя диффузия).

3). Абсорбция SO2 и O2 на катализаторе.

4). Химическое взаимодействие исходных веществ с участием катализатора.

5). Десорбция SO3.

6). Диффузия SO3 внутри зерна катализатора к его поверхности (внутренняя диффузия).

7). Отвод продукта реакции в газовую фазу (внешняя диффузия).

Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии. В выбранных условиях общая скорость окисления серы (IV) определяется скоростью химической реакции, т.е. протекает в кинетической области.

  1. Температура.

Температура выбирается в пределах работы катализатора. Для получения высокого выхода оксида серы (VI) необходима минимальная температура- 4000С, так как реакция обратимая и экзотермическая. Однако скорость процесса при этой температуре мала даже в присутствии катализатора.

Выбор температурного режима, обеспечивающего высокую скорость обратимой экзотермической реакции, довольно сложен, так как изменение температуры различно сказывается на равновесном выходе продукта и на средней скорости процесса.

Если вести процесс при постоянной температуре 600

0С, то реакция идет быстро, но, в соответствии с состоянием равновесия, выход целевого продукта уменьшается.

Если вести процесс при постоянной температуре 4000С, получим высокий выход, однако скорость процесса будет чрезвычайно мала.

Для обеспечения высокой интенсивности процесса необходимо проводить окисление оксида серы (IV) при меняющемся температурном режиме.

Рис.4.2. Зависимость практического выхода SO3 от температуры при различном времени контактирования.

На рис.4.2 приведен график зависимости равновесного и практических выходов от температуры. С увеличением времени контактирования максимумы на кривых смещаются в сторону более низких температур. Кривую, соединяющую эти максимумы, называют линией оптимальных температур (ЛОТ). При проведении процесса по линии оптимальных температур окисление оксида серы (IV) протекает с максимально возможными скоростями в каждый момент. Понижение температуры к концу процесса с 600 до 400

0С позволяет получить высокий выход продукта.

  1. Давление.

Процесс идет с уменьшением объема, поэтому для смещения равновесия вправо необходимо давление увеличивать. В зависимости от выбранной температуры эффективность воздействия давления различна. При низких температурах, когда равновесные степени контактирования оксида серы (IV) высокие, давление незначительно сказывается на смещении равновесия. При высоких температурах, когда окисление происходит далеко не полностью, давление может стать одним из решающих факторов, обеспечивающих высокую степень контактирования. Повышенное давление имеет значение для агрегатов большой единичной мощности.

В обычных условиях процесс проводят при давлении 0,1 МПа, так как смещения равновесия добиваются другими путями. Степень превращения SO2 составляет в среднем 99,5-99,8%.

  1. Соотношение исходных компонентов.

При стехиометрическом соотношении превращение протекает недостаточно полно. Для смещения равновесия в сторону продукта реакции необходимо брать в избытке один из компонентов. Наиболее оптимальным является следующий состав газовой смеси: 11%O

2, 7%SO2, 82%N2, т.е. кислород подают в избытке. Если взять избыток диоксида серы, то произойдет перегрев катализатора, что может вывести его из строя.

Таким образом, процесс окисления оксида серы(IV) в оксид серы (VI) является: простым, обратимым, экзотермическим, гетерогенно-каталитическим. Для получения максимальных выхода и скорости процесса его проводят по линии оптимальных температур (ЛОТ).

Конструкция контактного аппарата должна обеспечить возможность проведения каталитического окисления диоксида серы в условиях оптимального технологического режима. В контактном аппарате расположены пять слоев катализатора. Сначала газ проходит первые три слоя, причем, для реализации линии оптимальных температур он выводится после прохождения каждого слоя в выносные теплообменники для охлаждения.

Рис. 4.3. Изменение температуры и выхода при четырехступенчатом контактировании в аппарате со стационарными слоями катализатора:

1, 3, 5, 7 –слои катализатора, 2, 4, 6, 8 – промежуточные теплообменники.

После третьего слоя газ попадает в моногидратный абсорбер и затем подается на 4 и 5 слои катализатора. Т.е. процесс окисления диоксида серы проводят по методу двойного контактирования, (рис.4.4.)

Вывод продукта из зоны реакции смещает равновесие в сторону образования целевого продукта.

3. Абсорбция триоксида серы.

Последней стадией процесса производства серной кислоты контактным способом является абсорбция триоксида серы из газовой смеси и превращение его в серную кислоту.

Абсорбция SO3 является гетерогенным процессом и скорость его равна: r = k.F.( - ), где - давление газа, - парциальное давление, давление паров SO

3 над растворителем.

Для увеличения движущей силы процесса необходимо, чтобы парциальное давление паров SO3 было минимальным. Однако в качестве абсорбента нельзя использовать растворы, над поверхностью которых велико равновесное парциальное давление паров воды. В этом случае еще не растворенные молекулы SO3 будут реагировать с молекулами воды в газовой фазе с образованием паров серной кислоты и быстро конденсироваться в объеме с образованием мельчайших капель серной кислоты, диспергироваться в инертной газовой среде – азоте, т.е. с образованием сернокислотного тумана.

Оптимальным абсорбентом является 98,3% серная кислота – моногидрат, соответствующий азеотропному составу. Над поверхностью такой кислоты практически нет ни паров воды, ни паров SO3.

Протекающий при этом процесс можно условно описать уравнением:

SO3 + mH2SO4 + H2O = (m + 1) H2SO4 + Q (4.3.)

Использование в качестве поглотителя менее концентрированной кислоты может привести к образованию сернокислотного тумана, а над 100%-ной серной кислотой в паровой фазе довольно велико равновесное парциальное давление SO

3, поэтому он будет абсорбироваться не полностью.

При высоких температурах над 98,3%-ной серной кислотой может быть значительным парциальное давление самой кислоты, что также будет снижать степень абсорбции SO3. Ниже 1000С равновесное давление паров серной кислоты очень мало и поэтому может быть достигнута практически 100%-ная степень абсорбции.

Таким образом, для обеспечения высокой степени поглощения следует поддерживать в абсорбере концентрацию серной кислоты, близкую к 98,3%, а температуру ниже 1000С.

Технологическая схема производства серной кислоты из серы по методу двойного контактирования (ДК) изображена на рис.12.4.

Рис.4.4. Схема производства серной кислоты из серы по методу ДК.

1 –серная печь, 2 –котел-утилизатор, 3 –экономайзер, 4 –пусковая топка, 5, 6 –теплообменники пусковой топки, 7 –контактный аппарат, 8 –теплообменники, 9 –сушильная башня, 10, 11 – первый и второй моногидратные абсорберы, 12 –сборники кислоты, 13 –выхлопная труба.

Серу подают в печь 1, пропуская через плавитель, где она плавится. Также в печь 1 подают воздух, осушаемый в сушильной башне 9, орошаемой 93% серной кислотой. Воздух предварительно нагревается в теплообменниках-8.2, 8.3. Из печи 1 газ (SO2) поступает в котел-утилизатор 2, где охлаждается до 4400С и направляется в контактный аппарат 7. Воздух нагревается в топке 4, в теплообменниках 5 и 6 и направляется в контактный аппарат. В контактном аппарате размещены пять слоев катализатора.

Для реализации линии оптимальных температур газ после каждого слоя катализатора необходимо охладить. С этой целью предусмотрена система теплообменников 8.

Таким образом, газовая смесь (SO2 и воздух) после первого слоя катализатора направляется в теплообменник 8.1, затем на второй слой катализатора. После второго слоя газ охлаждается в теплообменнике 8.4 и поступает на третий слой катализатора. После третьего слоя газ, пройдя теплообменники 8.5, 8.2, 8.3, направляется в первый моногидратный абсорбер 10, который орошается 98,3% серной кислотой. После первого моногидратного абсорбера газ поступает на четвертый слой катализатора в контактном аппарате, предварительно пройдя теплообменники 8.3, 8.2 и 8.5. После четвертого слоя вводят дополнительно воздух для охлаждения и интенсификации процесса. После четвертого слоя газ поступает на пятый слой, выходит из контактного аппарата и направляется для подогрева воды в экономайзер 3 и уже оттуда попадает во второй моногидратный абсорбер 11, где происходит окончательное поглощение триоксида серы. Выхлопные газы отводятся из второго моногидратного абсорбера через выхлопную трубу 13. Товарная серная кислота – 92,5% постоянно выводится из сушильной башни 9.

Важнейшими тенденциями развития производства серной кислоты являются: повышение концентрации SO3 в технологических газах, циклическая система производства, разработка низко-температурных катализаторов, использование теплоты реакций на всех стадиях для выработки водяного пара.

studfiles.net

Производство серной кислоты

.

Серную кислоту производят в больших количествах на сернокислотных заводах.

I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты:

II. Подготовка сырья.

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS2 .

1) Измельчение пирита.

Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

2) Очистка пирита.

После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

III. Химизм производства.

Производство серной кислоты из пирита состоит из трёх стадий.

ПЕРВАЯ СТАДИЯ - обжиг пирита в печи для обжига в "кипящем слое".

Уравнение реакции первой стадии

t = 800°C

4FeS2 + 11O2

2Fe2 O3 + 8SO2 + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe2 O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2 , O2 , пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2 .

ВТОРАЯ СТАДИЯ - окисление SO2 в SO3 кислородом.

Протекает в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии: 2SO2 + O2

2SO3 + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3 ).

а) температура:

Прямая реакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3 является температура 400-500°С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия V2 O5 .

б) давление:

Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO2 и 1V O2 ), а справа - 2V SO3 . Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.

Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.

Температура 400-500°С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3 . Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3 .

Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO3 серной кислотой.

Протекает в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO3 + H2 O

H2 SO4 . Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2 SO4 ·nSO3 .

Уравнение реакции этого процесса nSO3 + H2 SO4

H2 SO4 ·nSO3

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Охрана окружающей среды,

связанная с производством серной кислоты.

Основным сырьем для производства серной кислоты, является сера. Она относится к числу наиболее распространенных числу химических элементов на нашей планете.

Производство серной кислоты происходит в три стадии на первой стадии получают SO2 , путем обжига FeS2 , затем SO3 , после чего на третьей стадии получают серную кислоту.

mirznanii.com

Серная кислота – „едкая кровь” промышленности

Опубликовано: 28-03-2018

Промышленность уже давно потребляет огромные количества серной кислоты. Учитывая разнообразие областей применения, это вещество производят в массовом масштабе. Несмотря на все более жесткие экологические и правовые ограничения, производство серной кислоты не снижается. Постоянный спрос на это химическое соединение свидетельствует о том, насколько оно необходимо для мировой экономики. H2SO4 – это „едкая кровь” промышленности, пульсирующая в бесчисленных производственных установках по всему миру. С серной кислотой работают профессионалы, оперирующие в различных отраслях промышленности. Для многих исследований и экспериментов используют ее ученые, а с ее помощью знания получают в химических лабораториях студенты и ученики. Сегодня сложно себе представить функционирование современной экономики без серной кислоты. Свойства серной кислоты делают ее незаменимым сырьем и реактантом, которое трудно вытеснить даже самыми инновационными химическими соединениями, выпускаемыми на рынок производителями химических веществ.

Характеристика и свойства H2SO4

Серная кислота – это одна из наиболее сильно действующих минеральных кислот. Она представляет собой маслянистую, тяжелую и бесцветную жидкость с необыкновенно сильными гигроскопическими свойствами. В своей концентрированной форме обладает также сильными окислительными свойствами. Серная кислота очень хорошо растворяется в воде во всех соотношениях, выделяя большое количество тепла. Именно поэтому необходимо помнить о том, чтобы наливать кислоту в воду, а не наоборот. Возможно изготовление серной кислоты даже с концентрацией 99%, однако, потери оксида серы при температуре близкой к температуре кипения приводят к образованию азеотропа с водой концентрацией 98,3%. Из-за этого серную кислоту обычно хранят в виде 98%-ного раствора. Конечно, H2SO4 может иметь разные концентрации. Наиболее широко применяемыми водными растворами серной кислоты являются:

— 10% — т.н. сильно разведенная серная кислота, используемая, обычно, в качестве обезвоживающего средства, регулятора pH, лабораторного реактива,

— 29-32% — применяют в популярных свинцово-кислотных аккумуляторах,

— 62-70% — используют в качестве удобрения,

— 77-80% — применяют в процессе получения H2SO4 „камерным” методом и используют для производства глауберовой соли, т.е. сульфата натрия (Na2SO4),

— 98% — уже упомянутая ранее серная кислота.

Получение серной кислоты

В промышленности серную кислоту получают контактным способом путем окисления диоксида серы, который образуется, в основном, в результате процессов сжигания серы или сульфидов металлов (напр. пирита). Процесс производства серной кислоты при использовании серы можно разделить на три этапа. Первый из них заключается в производстве диоксида серы. Затем диоксид серы окисляют для получения триоксида серы. Последний этап заключается в превращении оксида серы (VI) в серную кислоту.

Сжигание серы проводят при избытке воздуха с целью полного завершения реакции под давлением на уровне около 0,5 МПа. Весь этот процесс осуществляется при температуре около 150oC в баках, выложенных толстым слоем огне- и кислотостойкого кирпича. Расплавленную серу фильтруют с целью удаления примесей (в основном это железо и органические соединения). Часто в процессе применяют также известь, чтобы уменьшить кислотность расплавленной серы, тем самым ограничивая ее коррозийные свойства. Расплавленную серу подают в горелки, где она сгорает. Смесь диоксида серы и воздуха, выходящую из горелки, затем пропускают через фильтр, который удаляет любые загрязнения.

На следующем этапе диоксид серы превращают в триоксид серы в результате реакции с кислородом в присутствии катализатора. Широко используемым катализатором является пятиокись ванадия (V2O5), а в качестве его носителя используют сульфат калия. Функцию подложки для катализатора, как правило, исполняет диоксид кремния или глинокремнеземы, которые характеризуются очень высокой пористостью, обеспечивая тем самым большую площадь для протекания реакции. Скорость протекания процесса зависит также от температуры. На практике ее поддерживают на уровне около 500oC, чтобы обеспечить достаточную скорость реакции при максимально высокой конверсии.

Последний этап производства серной кислоты заключается в абсорбции SO3 в концентрированной H2SO4 или олеуме с целью предотвращения образования трудно поддающегося конденсации т.н. тумана серной кислоты. Серная кислота с концентрацией 98% циркулирует с такой скоростью, что вновь поглощаемый SO3 вызывает очень незначительное повышение ее концентрации. Весь процесс осуществляется при температуре около 70oC, тем самым максимизируя эффективность поглощения SO3. Кроме того, в бак с кислотой добавляют также воду, разбавляющую кислоту до соответствующей концентрации. Поток серной кислоты постоянно сливают и охлаждают с помощью пластинчатых теплообменников перед подачей в резервуары для хранения. Общее преобразование серы в серную кислоту составляет примерно 99%.

Применение серной кислоты

Серная кислота имеет огромное значение во многих отраслях промышленности. Наибольший расход H2SO4 наблюдается в производстве минеральных удобрений. Это, в основном, связано с производством суперфосфатов, а также фосфата и сульфата аммония. Серная кислота имеет также большое значение при производстве других кислот, например, соляной, азотной и фосфорной кислот. Ее используют также в производстве взрывчатых веществ в качестве одного из видов сырья для производства тротила (TNT). В свою очередь, в нефтехимической промышленности H2SO4 применяют, в основном, для осушения масел, керосина и парафина. Она выполняет также роль катализатора в реакции получения изооктана, являющегося одним из основных компонентов бензина. Серную кислоту используют также в горнодобывающей и металлургической промышленностях в процессах обогащения руд меди. H2SO4является также электролитом в популярных свинцово-кислотных аккумуляторах. Кроме того, серная кислота находит широкое применение в производстве моющих средств (напр. лаурилсульфата натрия), а также в косметической промышленности, где ее используют для производства сырья и полуфабрикатов (напр. нитрата серебра), а также перекиси водорода или же душистых веществ.

Такое широкое применение серной кислоты приводит к тому, что в случае ее отсутствия невозможным или просто невыгодным было бы проведение многих основных и весьма важных промышленных процессов.

Серная кислота в промышленности

Серная кислота – это незаменимое сырье во многих технологических процессах, а ее чрезвычайно разнообразный рынок стоит на пороге многих вызовов. Опасения, связанные с негативным воздействием на окружающую среду, могут сбалансировать или даже ослабить спрос на это популярное сырье. Однако, тот факт, что H2SO4, несмотря на присутствие в химической промышленности уже столько лет, не теряет свою популярность и по-прежнему является одним из самых необходимых химических веществ, используемых в промышленности в массовом масштабе.

www.products.pcc.eu

2. Технология производства серной кислоты

Под названием «серная кислота» в технике подразуме­ваются любые смеси триоксида серы с водой. Моногидрат, или безводная серная кислота H«S04, — тяжелая масля­нистая жидкость, смешивающаяся с водой в любых соот­ношениях; плотность 1,83 г/см3, температура кипения 296,2 еС, при дальнейшем нагревании разлагается на S03 и Я20, кристаллизуется при температуре +10,45 °С.

Промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, отличающихся концентрацией основного вещест­ва я содержанием примесей. Основные сорта серной кисло­ты; 65-процентная —- камерная, 75-процентная — башен­ная, 98-процентная — купоросное масло, олеум, 100-про-центвая — химически чистая, аккумуляторная и др.

Высокая активность серной кислоты и сравнительно небольшая стоимость определяют огромные масштабы производства и чрезвычайно разнообразное применение почти о всех отраслях народного хозяйства.

Наиболее крупным потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений — суперфосфата, сульфата аммония и др. В металлообрабатываю­щей промышленности серная кислота применяется для снятия ржавчины с поверхности черных металлов при под­готовке их к защитным или декоративным покрытиям лаками и цветными металлами. Большое количество серной кислоты расходуется на очистку нефтепродуктов. Произ­водство красителей, лаков, красок, лекарственных ве­ществ, некоторых пластических масс, многих ядохимика­тов, эфиров, спиртов было бы невозможно в современных масштабах без серной кислоты. Разбавленные растворы серной кислоты или ее солей применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности. В пищевой промышленности серная кислота используется для приготовления крахмала, патоки и других продуктов.

В процессах нитрирования для производства многих органических соединений, в том числе и большинства взрывчатых веществ, также применяется серная кислота.

Сырье. Исходным сырьем для производства серной кис­лоты служит любое сырье, содержащее серу: различные колчеданы, отходящие газы металлургических процессов, топочное газы, чистая сера и др.

Получение серной кислоты. Технологический процесс получения серной кислоты состоит из трех стадий.

Первой стадией производственного процесса является получение сернистого газа S02.

Сернистый газ выделяют из топочных газов или отхо­дящих газов металлургических процессов сжиганием серы. При сжигании чистой серы, не содержащей ядовитых для катализатора примесей (мышьяк), получается газ, кото­рый может быть использован непосредственно (без очист­ки) для производства.

При сжигании кусковой серы применяются враща­ющиеся барабанные печи и неподвижные отражательные печи. Сжигание жидкой серы в распыленном состоянии проводят в неподвижных цилиндрических печах с раз­брызгивающими форсунками.

При получении сернистого газа из колчедана его под­вергают подготовке (дробление, просеивание, обогащение) и обжигу. Для обжига применяют печи различного типа (механические полочные, обжиг в кипящем слое и др.)

При сжигании колчедана с отходящим печным газом уносится некоторая часть колчедана и огарка в виде мельчайшей пыли. Отложение пыли на поверхности катализатора в контактных аппаратах ведет к понижению активности катализатора, а следовательно, и к понижению производительности аппарата.

В зависимости от вида катализатора и характера процесса существует два способа получения серной кислоты: башенный (нитрозный) и контактный.

Башенный (нитрозный) способ. В производстве H2S04 по нитрозному способу обжиговый газ предварительно ос­вобождается только от механических примесей. Дополни­тельной очистки газа от химических примесей-ядов (мы­шьяка, селена и др.) не требуется. Очищенный от пыли таз поступает в систему при температуре 350 °С. Газ про­ходят последовательно через все башни системы, где про-исходит образование серной кислоты путем поглощения S03 водой. В качестве катализатора применяют раствор окси­дов азота в серной кислоте (нитроза).

Контактный метод. Контактный метод производства был предложен в 1881 г. и реализован в промышленности 1875 г. В настоящее время он является основным при производстве серной кислоты.

Быстрое развитие контактного метода производства объясняется возможностью получения чистой концентри­рованной кислоты и олеума — продуктов, имеющих боль­шое промышленное значение.

Производство серной кислоты контактным методом со­стоит из следующих основных стадий:

  1. Очистка газов от примесей, вредных для процесса контактного окисления SO2 в S03.

  2. Окисления S02 в SO3 на поверхности твердого ката­лизатора.

  3. Поглощение триоксид серы серной кислотой с полу­чением концентрированной H2S04 и олеума (H2S04 + S03).

Нитрозный способ дает кислоту, загрязненную приме­сями и разбавленную, что ограничивает ее использование. При необходимости концентрирования этой кислоты рез­ко возрастает расход топлива (для упаривания воды). Не­полный возврат окислов азота приводит к постоянным зат­ратам на дорогостоящую азотную кислоту, продукт более транспортабельный. Но расход колчедана, электроэнергии при данном способе несколько выше, чем при контактном, хотя башенные установки дешевле контактных, аппарату­ра контактного сернокислотного производства эксплуати­руется более длительный срок и требует меньших затрат на ремонт.

studfiles.net

Производство серной кислоты

Производство серной кислоты

Содержание

Введение

. Технологическая часть

.1 Серная кислота: физико-химические свойства и применение

.2 Способы получения серной кислоты

.3 Характеристика исходного сырья

. Технологическая схема производства серной кислоты контактным способом

.1 Производство серной кислоты из железного колчедана

.2 Печи для обжига колчедана

. Расчетная часть

.1 Материальный баланс

.2 Тепловой баланс

. Охрана окружающей среды, связанная с производством серной кислоты

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Серная кислота - важнейший продукт основой химической промышленности. Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это двумя причинами: ее дешевизной по сравнению со всеми другими кислотами, и ее свойствами. Серную кислоту применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не корродирует черные металлы, способна образовывать многочисленные устойчивые соли и является дешевым сырьем для различных производств. Крупнейшим потребителем серной кислоты в настоящее время является промышленность фосфорных и азотных минеральных удобрений, таких как сульфат аммония, аммофос, суперфосфат и др. Простой суперфосфат получают обработкой апатитов и фосфоритов серной кислотой. Применение минеральных удобрений способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур и содержания в них полезных веществ. Кроме того, серная кислота применяется для производства некоторых кислот (фосфорной, соляной, уксусной), сульфатов, искусственных волокон, лаков, красок, пластмасс, моющих средств, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, ядохимикатов, а также при производстве цветных и редких металлов, спиртов, эфиров. Она расходуется на очистку нефтепродуктов, в качестве электролита в кислотных аккумуляторах, в машиностроении - на подготовку поверхности металлов при нанесении гальванических покрытий. В металлообрабатывающей промышленности серная кислота и ее соли применяют для травления стальных изделий. Прежде, чем найти применение веществу, сначала подробно изучают его физические и химические свойства. После этого становятся ясны границы использования вещества.

1. Технологическая часть

.1 Серная кислота: физико-химические свойства, применение

Физические свойства

Серная кислота h3SO4- сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота - тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO3. Если молярное отношение SO3: h3O 1, - раствор SO3 в серной кислоте (олеум). Реактивная серная кислота имеет обычно плотность 1,84 г/см3 и содержит около

% h3SO4. Затвердевает она лишь ниже -20 °С. Температура плавления моногидрата равна 10,37 °С при теплоте плавления 10,5 кДж/моль. В обычных условиях он представляет собой очень вязкую жидкость с весьма высоким значением диэлектрической проницаемости (e = 100 при 25 °С). Стандартная энтальпия образования ДH=298 кДж/моль. Стандартная энергия Гиббса образования ДG=298 кДж/моль. Стандартная энтропия образования S=298 Дж/моль·K. Стандартная мольная теплоемкость Cp =298 Дж/моль·K.

Химические свойства

Серная кислота - сильная двухосновная кислота, диссоциация ее протекает по двум ступеням:

SO4 = H+ + HSO4- - первая ступень=H+ + SO42- - вторая ступень

В концентрированных растворах диссоциация серной кислоты по второй ступени незначительна.

Серная кислота - сильнейшее дегидратирующее (водоотнимающее) вещество. Она поглощает влагу из воздуха (гигроскопична), отнимает воду от кристаллогидратов:

SO4 конц. +CuSO4*5h3O голубой = CuSO4 белый + 5h3O;

углеводов:

(обугливает дерево и бумагу):

h3SO4конц.+ C12h32O= 12C + 11h3O ;

спиртов:

SO4 конц.+ C2H5OH = Ch3=Ch3 + h3O

Серная кислота проявляет все свойства сильных кислот:

а) взаимодействует с основными оксидами, например:

+ h3SO4 = CuSO4 + h3O

б) с основаниями, например:

NaOH + h3SO4= Na2 SO4 + 2h3O

в) вытесняет другие кислоты из их солей, например те, которые слабее нее:

+ h3SO4 = CaSO4 + CO2 + h3O

или более летучие (обладающие температурами кипения ниже, чем у серной кислоты):тв. + h3SO4 конц= NaH SO4 + HNO3- при нагревании.

В окислительно-восстановительных реакциях разбавленная серная кислота проявляет свойства обычной кислоты (неокислитель) - при этом восстанавливаются ионы Н+, например: Fe + h3SO4 разб= Fe SO4 + h3. Разбавленная h3SO4 не взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода. Концентрированная серная кислота - кислота-окислитель, при этом восстанавливается сера (+6). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода: Cu + 2 h3SO4конц= Cu SO4 + SO2 + 2h3O и металлы, стоящие левее водорода, при этом сера восстанавливается до степени окисления +4, 0 и -2:

Zn + 2 h3SO4 = Zn SO4+ SO2 + 2h3O (1.12) 3Zn + 4 h3SO4 = 3Zn SO4 + S + 4h3O

Zn + 5 h3SO4 = 4Zn SO4 + h3S + 4h3O

Железо, алюминий, хром концентрированной серной кислотой пассивируются (не реагируют), однако при сильном нагревании реакция начинается, например:

2Fe + 6 h3SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6h3O.

Концентрированная серная кислота окисляет неметаллы, например:

C + 2 h3SO4 = CO2 + 2SO2 + 2h3O (1.16) S +2 h3SO4 = 3SO2 + 2h3O

Концентрированная серная кислота окисляет также сложные вещества, например HI и HBr:

2HBr + h3SO4 = Br2 + SO2 + 2h3O

8HI + h3SO4 = 4I2 + h3S + 4h3O ;

соли железа:

Fe SO4 + 2 h3SO4 = Fe2(SO4)3 + 2h3O + SO2.

Серную кислоту выпускают нескольких сортов. Они отличаются концентрацией и количеством примесей. Для производства медицинских препаратов, особо чистых реактивов, для заливки аккумуляторов требуется чистая кислота. При травлении металлов, в производстве суперфосфата можно воспользоваться кислотой, имеющей некоторые загрязнения. Экономически это выгодно. Такая кислота более дешевая.
Сернокислотная промышленность выпускает так называемый олеум, используемый при производстве некоторых органических препаратов, взрывчатых веществ. Олеум представляет собой раствор серного ангидрида в серной кислоте. Сорта олеума различаются по концентрации серного ангидрида в серной кислоте. Для некоторых особых целей выпускают олеум, содержащий серного ангидрида до 60%. Так, кислота серная техническая и олеум технический(ГОСТ 2184-77) применяются в производстве различных солей, кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, в качестве водоотнимающего и осушающего средства, в процессах нейтрализации, травления и многих других. Эти продукты не горючи и относятся к веществам 2-го класса токсичности.

Рис. 1

Серная кислота находит самое широкое применение. Самый крупный потребитель серной кислоты - производство минеральных удобрений. На 1 т Р2О5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (Nh5)2SO4 - 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Серная кислота также используется для получения соляной, азотной, фосфорной, плавиковой и многих органических кислот методом обмена, органических сульфосоединений, для очистки различных газов, входит в состав нитрующих смесей, используется в производстве красителей, для зарядки аккумуляторов, в металлургии серную кислоту применяют для обнаружения микротрещин в готовой продукции, на металлообрабатывающих заводах серную кислоту используют в цехах гальванопокрытий. Как известно, перед нанесением на металлические изделия электрическим методом никеля, хрома, меди их нужно тщательно очистить, протереть, обезжирить и, наконец, выдержать непродолжительное время в ванне с раствором серной кислоты. При этом она растворяет тончайший слой металла и с ним удаляются следы загрязнений. В то же время поверхность металла становится более шершавой: на ней появляются микроскопические углубления и выступы. Электролитические покрытия к такой поверхности лучше пристают и более прочно сцеплены с металлом. Также серная кислота необходима для переработки различных руд и ископаемых. При переработке руд редких металлов большое значение имеет кислотный способ их расщепления. Обычно для этой цели используют наиболее дешевую нелетучую серную кислоту. Измельченную руду смешивают в определенной пропорции с серной кислотой и нагревают. Полученный раствор и осадок дальше перерабатывают химическим путем, исходя из химических свойств того элемента, который нужно выделить из раствора. На химическую переработку руд редких элементов расходуют тысячи тонн серной кислоты. Большое количество серной кислоты требуется нефтеперерабатывающей промышленности для очистки нефти и ее различных фракций. В органическом синтезе концентрированная серная кислота - необходимый компонент при получении многих красителей и лекарственных веществ. Широко применяются соли серной кислоты. Сульфат натрия (глауберова соль Nа2SO4 * 10Н2О) применяется для производства соды и в стекольной промышленности. Сульфат кальция распространен в природе в виде двуводного кристаллогидрата гипса (СаSO4 * 2Н2О) и безводной соли ангидрита (Са SO4). Ангидритовые вяжущие материалы получают путем обжига гипсового камня при повышенных температурах (600-700 оС) с различными добавками. При этом получают отделочный гипсовый цемент и кальцинированный гипс (экстрих-гипс). Эти материалы затвердевают значительно медленнее, чем полуводный гипс, и применяются для изготовления строительных растворов и бетонов малой прочности, а также искусственного мрамора, бесшовных настилов полов и др. Сульфат магния, или горькая соль (МgSO4*7Н2О) применяется в медицине как слабительное. Сульфат железа (II), или железный купорос (FеSO4*7Н2О) применяется для приготовления желтой кровяной соли (К4[Fе(СN)6]), чернил, для очистки воды и консервирования дерева. Сульфат меди, или медный купорос (СuSO4*5Н2О) применяется для борьбы с различными грибками - вредителями сельского хозяйства, для производства медных покрытий и получения различных соединений меди. Из растворов, содержащих сульфат трехвалентного металла (Fе3+, Аl3+, Сг3+) и сульфат одновалентного металла (К+, NН4+, Rb+), выкристаллизовываются двойные соли типа К2 SO4Al2(SO4)32*4h3O или КАl(SO4)3*12Н2О. Вместо калия и алюминия могут стоять в любом сочетании перечисленные элементы. Эти соединения называются квасцами. Квасцы существуют только в твердом виде. В растворе они ведут себя как две самостоятельные соли, т. е. как смесь сульфатов одно- и трехвалентных металлов. Разбавленные растворы серной кислоты и ее солей применяют в текстильной, а также в других отраслях легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется для получения крахмала, патоки и ряда других продуктов. В электротехнике она используется в качестве электролита в аккумуляторах. Серную кислоту используют для осушки газов и при концентрации кислот. Наконец, серную кислоту применяют как компонент реакционной среды в процессах нитрования, в частности, при получении взрывчатых веществ.

1.2 Способы получения серной кислоты

Еще в XIII в. серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO4, поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса.

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце XIX и начале XX в.

В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO2 в SO3, различают два основных метода получения серной кислоты. В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO2 в SO3 проводят на твердых катализаторах. Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса - абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции: SO3 + h3O = h3SO4

При проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота. Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и конечным продуктом является серная кислота: SO2 + N2O3 + h3O= h3SO4 + 2NO

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью.

1.3 Характеристика исходного сырья

Сырьевая база производства серной кислоты - серосодержащие соединения, из которых можно получить диоксид серы. В промышленности около 80% серной кислоты получают из природной серы и железного (серного) колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии. Некоторые производства используют в качестве сырья сероводород, образующийся при очистке серы в нефтепереработке.

Исходными реагентами для получения серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы. Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты получают из серы, треть - из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы. В то же время отходящие газы - наиболее дешевое сырье, низки оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является сера. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.

2. Технологическая схема производства серной кислоты контактным способом

серный кислота железный колчедан

2.1 Производство серной кислоты из железного колчедана

Производство серной кислоты включает в себя следующую последовательность стадий:

Обжиг серного колчедана или серы.

Окисление диоксида серы.

Абсорбция триоксида серы.

Исходные вещества - минеральное сырье - содержит примеси, поэтому выходящие со стадии обжига газы подвергаются очистке. Первая стадия - обжиг, специфичен для каждого вида сырья, и далее она будет рассматриваться для колчедана и серы как наиболее распространенных исходных веществ. Стадии окисления и абсорбции в основном одинаковы в разных способах получения серной кислоты. Поэтому эти стадии будут рассмотрены как типовые процессы.

Рис. 2 - Технологическая схема производства серной кислоты из колчедана: 1- печь; 2- система гидроудаления огарка; 3- котел-утилизатор; 4- циклон с пересыпным устройством; 5- сухой электрофильтр; 6- полая промывная башня; 7- насадочная промывная башня; 8,9- мокрые электрофильтры; 10- сушильная башня; 11- фильтр-брызгоуловитель; 12- турбогазодувка; 13- теплообменники контактного узла; 14- контактный аппарат; 15- пусковой подогреватель; 16- теплообменник; 17- второй моногидратный абсорбер; 18- сборник кислоты; 19 - холодильник; 20- первый моногидратный абсорбер; 21- олеумный абсорбер; 22- холодильник воздушного охлаждения кислоты

Технологическая схема производства серной кислоты из железного колчедана с использованием принципа двойного контактирования показана на рис.1. Колчедан через дозатор подают в печь 1 кипящего слоя. Полученный запыленный обжиговый газ, содержащий 13 % SO2 и имеющий на выходе из печи температуру около 700°С, подают сначала в котел-утилизатор 3, а затем на стадию сухой очистки от огарковой пыли (в циклоны 4 и в сухой электрофильтр 5). В котле-утилизаторе 3 происходит охлаждение газа с одновременным получением энергетического водяного пара (давление 4 МПа и температура 450 °С), который может быть использован как в самой установке для компенсации затрат энергии на работу компрессоров и насосов, так и в других цехах завода.

В очистном отделении, состоящем из двух промывных башен 6 и 7, двух пар мокрых электрофильтров 8 и 9 и сушильной башни 10, происходит очистка газа от соединений мышьяка, селена, фтора и его осушка.

Первая полая промывная башня 6 работает в испарительном режиме: циркулирующая кислота охлаждает газ, при этом теплота затрачивается на испарение воды из кислоты, поступающей на орошение. Концентрацию орошающей кислоты в первой башне, равную 40... 50%-ной h3SO4, поддерживают постоянной путем разбавления 10... 15%-ной кислотой из второй промывной башни 7. Кислота из второй башни поступает в сборник 18 и после охлаждения возвращается на орошение.

После второй промывной башни газ проходит последовательно две пары мокрых электрофильтров 8 и 9, затем насадочную сушильную башню 10, орошаемую 93...94%-ной серной кислотой при температуре 28...30°С. Кислота циркулирует между сушильной башней 10 и сборником 18, часть кислоты отводится как готовая продукция на склад. Для поддержания постоянной концентрации h3SO4 в сборник кислоты 18 вводят 98... 99%-ную кислоту из моногидратных абсорберов 17 и 20. Для поддержания постоянной температуры на стадии осушки циркулирующую кислоту охлаждают в холодильнике воздушного охлаждения 22. Перед сушильной башней обжиговый газ разбавляют воздухом для снижения в нем концентрации SO2 до 9 % и увеличения избытка кислорода в соответствии с оптимальными условиями окисления диоксида серы.

После сушильной башни обжиговый газ проходит через фильтр-брызгоуловитель 11 и поступает в турбогазодувку 12. В теплообменниках 13 газ нагревается за счет теплоты продуктов реакции до температуры зажигания катализатора (420...440°С) и поступает на первый слой контактного аппарата, где происходит окисление 74 % SO2 с одновременным повышением температуры до 600°С. После охлаждения до 465°С газ поступает на второй слой контактного аппарата, где степень превращения достигает 86%, а температура газа возрастает до 514ºС. После охлаждения до температуры 450ºС газ поступает на третий слой контактного аппарата, где степень превращения SO2 увеличивается до 94...94,5 %, а температура повышается до 470°С.

Затем реакционный газ охлаждают в теплообменниках 13 до 100°С и направляют на абсорбцию первой ступени: сначала в олеумный абсорбер 21, затем в моногидратный абсорбер 20. После моногидратного абсорбера и фильтра-брызгоуловителя газ вновь нагревают до температуры 430°С и подают на четвертый слой катализатора. Концентрация SO2 в газе составляет теперь 0,75...0,85 %. В четвертом слое происходит окисление остаточного SO2 с конверсией ? 80 %, сопровождающееся повышением температуры до 449°С. Реакционную смесь вновь охлаждают до температуры 409°С и направляют на последний (пятый) слой контактного аппарата. Общая степень превращения после пяти стадий контактирования составляет 99,9%.

Газовую смесь после охлаждения направляют в моногидратный абсорбер второй ступени абсорбции 17. Непоглощенный газ, состоящий в основном из воздуха, пропускают через фильтр 11 для выделения брызг и тумана и выбрасывают в атмосферу через выхлопную трубу.

Производительность установки составляет до 1500 т/сут по моногидрату.

Расход на 1 т моногидрата: колчедана 0,82 т, воды 50 м3, электроэнергии 82 кВт -ч.

2.2 Выбор и обоснование конструкции главного аппарата

Для обжига колчедана существуют печи различных конструкций: механические полочные (многоподовые), вращающиеся цилиндрические, печи пылевидного обжига, печи для обжига в кипящем слое.

В механических полочных печах обжиг колчедана ведут на нескольких полках (сводах, подах), расположенных этажами друг над другом. Перемешивание и перемещение колчедана с пода на под производится механически.

Вращающиеся цилиндрические печи представляют собой вращающийся барабан, установленный наклонно. Колчедан подают с верхнего конца, огарок выгружают через нижний конец печи.

Печи пылевидного обжига получили свое название в связи с тем, что колчедан в них сжигается в виде тонко измельченной взвеси (пыли), подаваемой через форсунки в шахту печи, представляющую собой вертикальный полый цилиндр.

Печи для обжига колчедана в кипящем, или, как принято говорить, во взвешенном слое, характеризуются тем, что колчедан в печи находится во взвешенном состоянии, напоминающем кипение. Это достигается продуванием через слой с большой скоростью воздуха.

Производительность печей выражают в количестве условного колчедана, содержащего 45% серы, сжигаемого в печи в 1 сутки. Для определения производительности печей введено понятие интенсивность.

Интенсивность работы печи характеризуется количеством колчедана, сжигаемого в сутки на 1 м2 поверхности рабочих подов печи, в 1 м3 объема печи или на 1 м2 сечения шахты печи, т. е. для каждого типа печи принято свое выражение (размерность) интенсивности (напряженности) работы печи.

В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС).

Кипящий слой называют также взвешенным, псевдоожиженным слоем. Внешне такой слои находится как бы в состоянии кипения. Это достигается тем, что через слой измельченного сырья (например, колчедана), находящегося на решетке с отверстиями, подают воздух с такой скоростью, что колчедан не проваливается через решетку и не лежит на ней, а находится в состоянии беспорядочного движения. Это наглядно показано на рис.3. При кипении объем слоя увеличивается: первоначальная высота его (в покое) Н0 меньше, чем высота Н, соответствующая состоянию кипения.

Рис. 3 - Схема идеального кипящего слоя: а - неподвижный слой, б - кипящий слой; 1 - аппарат постоянного поперечного сечения, 2 - распределительная решетка, 3 - твердые частицы

В настоящее время новые сернокислотные системы оборудуются преимущественно печами КС. Механические печи на действующих заводах постепенно заменяются печами этого типа.

Существенными достоинствами метода обжига колчедана в печах КС являются:

а) возможность получения концентрированного сернистого газа (12 15% SO2) с низким содержанием серного ангидрида и мышьяка в обжиговом газе,

б) высокая интенсивность печей. Так, интенсивность печей КС [в кг/(м2сут)] в 80 раз выше интенсивности механических печей и в 4 раза - печей пылевидного обжига.

Печи с взвешенным (кипящим) слоем представляют собой цилиндрическую футерованную камеру с решеткой, на которую непрерывно поступает колчедан. Под решетку подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц во взвешенное состояние, но не достаточной для их уноса из печи. Частицы колчедана находятся в непрерывном движении, напоминающем кипение жидкости. Время пребывания частиц колчедана в печи составляет несколько секунд. Постоянный приток воздуха обеспечивает почти полное выгорание серы из колчедана. Взвешенный слой имеет высоту, определяемую расположением патрубка для вывода огарка. Частицы огарка свободно вылетают через патрубок благодаря высокой подвижности взвешенного слоя (рис.3).

Печи КС отличаются высокой интенсивностью (до 10000 кг/м2?сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа и контроль температуры, облегчают процесс утилизации теплоты реакции обжига. К недостаткам печей КС следует отнести повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку. В настоящее время печи КС полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

Рис. 4 - Печь для обжига колчедана в кипящем слое

3. Расчетная часть

.1 Материальный баланс

ВариантПроизводительность печи, т/ч (G h3SO4)Степень использования серы (?)Расход сухого колчедана, т (?)Содержание %Содержание в воздухе, %Относительная влажность воздуха, % (?)Серы в колчедане (Cs)Влаги в колчедане (Cвл)Серы в огарке (Cs(ог))SO2 в сухом обжиговом газе (C SO2)SO3 в сухом обжиговом газе(C SO3)O2 (n)N2(CN2)221,160,9100,793671,2130,1207951Расчет:

) Общее содержание серы в колчедане:

G= = = 7600 кг/ч.

) Количество сухого колчедана:

=== 21113,25 кг/ч.

) Количество влаги в колчедане:

== = 1589,17 кг/ч.

) Количество огарка:

== = 16468,335 кг/ч.

) Количество серы в огарке:

=197,62 кг/ч.

) Потери серы с огарком:

= 2,59%

7) Количество выгоревшей серы:

- G S(ог) =7600,77-197,62=7403,15 кг/ч.

) Общий объем SO2+SO3:

V== 5172,51м 3 /ч

) Образовалось SO2:

=== 5133,025 м3/ч

) Образовалось SO3:

=V-V=5172,51 - 5133,025=39,485 м3/ч.

) Концентрация кислорода в обжиговом газе:

С=n-[m-] C-[ m+0,5 ] C,

где n - содержание кислорода в воздухе, n=22%;- стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул диоксида серы, по уравнению 4FeS2+11O2=8SO2+2Fe2O3; m=11:8=1,375;

C=20-[1,375-]13-[1,375+0,50,1 = 2,95%.

12) Объем сухого обжигового газа:

VГ= = 39484,81 м3/ч.

) Объем кислорода в обжиговом газе:

=== 1166 м3/ч.

) Объем азота в обжиговом газе:

=V-(V+V+V) = 39484,81- (2133,025+39,485+1166) = 33146 м3/ч.

) Объем сухого воздуха, поступающего на обжиг колчедана:

В=== 41957 м3/ч.

) Количество паров в воздухе

Н2О=== 494,58м3/ч.

17) Общее количество паров воды в обжиговом газе:

VН 2О = = 2472,2 м3/ч.

Материальный баланс печи КС

ПриходКоличествоРасходКоличествоКгм3Кгм3Колчедан21113-огарок16468-влага колчедана1589-сухой воздух5412441957SO215039513SO37639O216671166N24143233146h3O14832472Всего7682641957Всего7616641956

3.2 Тепловой баланс

Исходные данные:

ВариантТеплоемкостьТеплопотери, %Теплота обжига колчедана , ккалТемпература,0СКкал/кг градКкал/м3градКолчеданавоздухаОгаркаобжигового газаколчеданаОгаркаВоздухаSO2SO3O2N220,140,370,310,3420,3420,340,3423112850002216550670

Расчет:

Приход теплоты:

) Теплота вносимая сухим колчеданом:

= 0,14·22·21113·1000/21113=3080 ккал

) Теплота поступающая с сухим воздухом:

= 53133·0,31·16·1000/21113= 9850 ккал

) Теплота поступающая с влагой колчедана:

= 1589·22·1·1000/21113=1655,8 ккал

) Теплота поступающая с влагой воздуха:

= 494,67·0,36·16·1000/21113=135 ккал

) Теплота обжига Q5по условию задачи 1285000 ккал

Общий приход теплоты:

+9850+135+1285000=1299720,8 ккал

Расход теплоты:

) Теплота, уносимая с огарком при 550 С:

= 16468·0,37·550·1000/21113=158728,7 ккал

2) Теплота, уносимая с обжиговым газом:

= (5133 · 0,342 + 39· 0,342 + 1166· 0,34 + 33146·0,342) ·670=428446,8 ккал

) Теплопотери печи по условию 31% от прихода теплоты:

= 1302353 · 31/100= 403729,43 ккал

) Расход теплоты:

= Q6+ Q7+ Q8= 158728,7+428446,8+403729,43= 990904,93 ккал

) Количество теплоты, которое нужно отвести из печи с воздухом:

=1299720,8-990904,93 = 308815,87 ккал

Тепловой баланс обжига 1 т влажного колчедана

ПриходРасходСтатья приходаКоличество,Статья расходаКоличество,КкалКкалС сухим колчеданом3080С огарком158729С сухим воздухом9850С обжиговым газом428447С влагой колчедана1655,8Теплопотери403729С влагой воздуха135С охлаждающим воздухом308816От обжига колчедана1285000Всего1299720Всего1299720

4. Охрана окружающей среды, связанная с производством серной кислоты

Научно-техническая революция и связанный с ней интенсивный рост химического производства, вызывает существенные негативные изменения в окружающей среде. Например отравление пресных вод, загрязнение земной атмосферы, истребление животных и птиц. В результате мир оказался в тисках экологического кризиса. Вредные выбросы сернокислых заводов следует оценивать не только по действию содержащегося в них оксида серы на расположенные вблизи предприятия зоны, но и учитывать другие факторы - увеличение количества случаев респираторных заболеваний человека и животных, гибель растительности и подавление ее роста, разрушение конструкций из известняка и мрамора, повышение коррозионного износа металлов. По вине кислых дождей повреждены памятники архитектуры (Тадж-Макал).

В зоне до 300 км от источника загрязнения (SO2) опасность представляет серная кислота, в зоне до 600 км. - сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост с/х культур. Закисление водоемов (весной при таянии снега, вызывает гибель икр и молоди рыб. Помимо экологического ущерба налицо экономический ущерб - громадные суммы каждый год теряются при раскисление почв.

Рассмотрим химические метода отчистки от наиболее распространенных газообразных загрязняющих воздух веществ. Известно более 60 методов. Наиболее перспективны методы, основанные на поглощение оксида серы известняком, раствором сульфита - гидросульфита аммония и щелочным раствором алюмината натрия. Интерес также представляют каталитические методы окисления оксида серы в присутствии оксида ванадия.

Особое значение имеет очистка газов от фторсодержащих примесей, которые даже в незначительной концентрации вредно влияют на растительность. Если в газах содержится фтороводород и фтор, то их пропускают через колоны с насадкой противотоком по отношению к 5-10% раствору гидроксида натрия. В течении одной минуты протекают следующие реакции:

F2+2NaOH-> O2+h3O+2NaF+NaOH->NaF+h3O;

Образующийся фторид натрия обрабатывают для регенерации гидроксида натрия:

NaF+CaO+h3O->CaF2+2NaOH

Заключение

В курсовой работе рассмотрены теоретические аспекты производства серной кислоты из серного колчедана, произведен расчет материального и теплового баланса. Описаны технологические схемы и процессы протекающие на каждой стадии.

Список использованной литературы

1. Основы химической технологии: Учеб. для студентов 0-75 хим.-технол. спец. вузов/И.П. Мухленова, А.Е. Горштейн.- М.: высш. шк., 1991.- 463с.

. Общая химическая технология: Методические указания к выполнению курсовой работы./ Е. И. Чебунина. - Улан-Удэ г.; 2006.-27с.

. Основы химической технологии: Учеб. для студентов 0-75 хим.-технол. спец. вузов/И.П. Мухленова, А.Е. Горштейн.- М.: высш. шк., 1991.- 463стр.

4. <http://www.xumuk.ru/>

. <http://alhimikov.net/elektronbuch/kislota.html>.


diplomba.ru

Тема №9: Производство серной кислоты.

  1. Дайте характеристику серной кислоты. Укажите облась применения.

Среди минеральных кисло, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимаетпервое место. Ее мировое производство составляет в настоящее время ~ 150 млн. т в год. Объясняется это тем, что серная кислота - одна из самых сильных и самая дешевая из всех кислот. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в широком диапазоне температур (от – 40 ÷ - 200 С) находится в жидком состоянии.

Область применения серной кислоты чрезвычайно обширны. Существенная ее часть используется как полупродукт в различных отраслях химической промышленности, прежде всего, для получения минеральных удобрений, минеральные пигменты, минеральные кислоты HF, H3PO4 , H3BO4, а также солей, кислот, взрывчатых веществ. Серная кислота применяется также при производстве: органических красителей, спиртов, кислот, эфиров, химических волокон, текстильная промышленнсть; металлургической, текстильной, пищевой промышленности. Производство патоки, глюкозы; K 2Cr2 O7 иNa2Cr2O7 ; сульфатов Na, K, Fe, Cu, Zn, Al, сульфат аммония (NH4)2SO4; очистка нефтепродуктов и минеральных масел; травление металлов.

  1. Составьте химические функциональные схемы производства серной кислоты контактным способом из серы, серного колчедана и из отходов цветной металлургии.

  1. Как влияет выбор сырья для производства серной кислоты на технологическую схему процесса? Каковы основные различия в технологических схемах получения серной кислоты из серы и из колчедана?

Исходным реагентами для получения серной кислоты могут быть элементарная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы. Такими соединениями являются сульфиды железа, сульфиды цветных металлов (меди, цинка и др.), сероводород и ряд других сернистых соединений.

Традиционно основными источниками сырья является элементарная сера и железный (серный) колчедан. Значительное место (15%) в сырьевом балансе занимают отходные газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

  1. Дайте характеристику реакции сжигания серы в промышленных печах.

Сжигание серы проводят в промышленности следующим образом. Серу предварительно расплавляют (для этого можно использовать водяной пар). Так как температура плавления сыры сравнительно низка, то путем отстаивания и последующей фильтрации от серы легко отделить механические примеси, не перешедшие в жидкую фазу, и получить исходное сырье достаточной степени чистоты. Для сжигания расплавленной серы используют два типа речей – форсуночные и циклонные. В них необходимо предусмотреть распыленние жидкой серы для ее быстрого испарения и обеспечения надежного контакта с воздухом во всех частях аппарата.

  1. Каковы основные элементы конструкции печей для сжигания серы? Как в них обеспечивается необходимый технологический режим?

Циклонная печь для сжигания серы. Она состоит из двух горизонтальных цилиндров – форкамеры и двух камер дожигания. Печь имеет воздушный короб (рубашка) для снижения температуры наружной обшивки печи и предупреждения утечки диоксида серы. В форкамере через две группы сопел тангенциально подают воздух; через форсунку механического типа также тангенциально поступает расплавленная сера. Образующийся при сжигании жидкой серы обжигание газа всесте с парами серы поступает через пережимное кольцо из форкамеры в первую камеру досжигателя, в которой также расположены воздушные сопла и форсунки для подачи серы. Из первой камеры дожигания газ через пережимное кольцо поступает во вторую камеру дожигания, где сгорают остатки серы.

  1. Обоснуйте выбор технологического режима сжигания серы.

При адиабатическом сжигании серы температура обжига для реакционной смеси стехиометрического состава состоит ~ 15000С. В практических условиях возможности повышения температуры в печи ограничены тем, что выше 13000С бастро разрушается футеровка печи и газоходов. Обычно при сжигании серы получают обжиговый газ, содержащий 13 – 14 % SO2.

  1. Обоснуйте выбор температурного режима, состава обжигового газа, конструкции реакторов на стадии контактного окисления диоксида серы в производстве серной кислоты. Дайте характеристику используемых катализаторов.

Реакция (׀׀׀) окисления диоксида серы характеризуется очень высоким значением энеггии активации и поэтому практическое ее осуществление возможно лишь в присуствии катализатора.

В промышленности основным катализатором окисления SO2 является катализатор на основе оксида ванадия V2O5. Каталитическую активность в этой реакции проявляет и другие соединения, прежде всего – платина. Однако платиновые катализаторы чрезвычайно чувствительны даже к следам мышьяка, селена, хлора и других примесей и поэтому постепенно были вытеснены ванадиевым катализатором.

Каталитическую активность проявляется также оксид железа (׀׀׀) Fe2O3, однако лишь в области высоких температур. Каталитической активностью Fe2O3, входящие в состав огарка, можно объяснить наличие в обжигомом газе, выходящим из печей КС, небольших количеств триоксида серы.

Реакция окисления диоксида серы – обратимая экзотермическая. Тепловой эффект реакции составляет при 5000С 94,23 кДж/моль; в зависимости от температуры он описывается уравнением ∆Hr=-101420+9,26T Дж/моль.

  1. В чем состоят преимущества схемы двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА) перед схемами с одинарным контактированием? За счет чего достигается увеличение степени превращения диоксида серы при проведении процесса по схеме ДКДА?

  1. Почему оптимальным абсорбентом для поглощения триоксида серы является серная кислота концентрацией 98,3%?

Последней стадией процесса производства серной кислоты контактным способом является абсорбция триоксида серы из газовой смеси и превращение его в серную кислоту. При выборе абсорбента и условий проведения стадии абсорбции необходимо обеспечивать почти 100%-ное извлечение SO3 из газовой фазы. Для полного извлечения SO3 необходимо, чтобы равновесное парциональное давление SO3 над растворителем было ничтожно малым, так как при этом будет велика движущая сила процесса абсорбции. С другой стороны, в качестве абсорбента нельзя использовать такие растворы, над поверхностью которых велико равновестное парциальное давление паров воды. В этом случае еще не растворенные молекулы SO3, будут реагировать с молекулами воды в паровой фазе с образованием паров серной кислоты. Они быстро конденсируются в объеме с образованием мельчайших капель серной кислоты, диспергированных в инертной газовой среде – азоте, т. е. с образованием сернокислотного тумана:

Туман плохо улавливается в обычной абсорбционной аппаратуре и в основном уносится с отходящими газами в атмосферу, при этом загрезняется ОС и возростают потери серной кислоты.

Высказанные соображения позволяют решить вопрос о выборе абсорбента. Диаграмма фазового равновесия пар – жидкость для системы показывает, что оптимальным абсорбентом является 98,3%-ная серная кислота (техническая название – моногидрат), соответствующая азеотропному составу. Действительно, над этой кислотой практически нет ни паров воды, ни паров SO3. Протекающий при этом процесс можно условно описать уравнением реакции:

  1. Почему в схемах получения серной кислоты, где одним из продуктов является олеум, после олеумного абсорбера расположен моногидратный абсорбер?

Использование в качестве поглотителя серной кислоты с концентрацией ниже 98,3% может привести к образованию сернокислотного тумана, а над 100%-ной серной кислотой или олеумом в паровой фазе значительно равновесное парциальное давление SO3, поэтому он будет абсорбироваться не полностью. Однако если в качестве одного из продуктов процесса необходимо получить олеум, можно совместить абсорбцию олеумом (1–й абсорбер) и абсорбцию 98,3%-ной кислотой (2–й абсорбер).

Над 98,3%-ной кислотой, может быть значительное парциальное давление паров самой кислоты. Что также снижает степень абсорбции SO3. Но при температурах ниже 1000С равновесное давление паров H2SO4 очень мало и может быть достигнута практически 100% - ная степень абсорбции (степень абсорбции SO3 в моногидратном обсорбире при различных температурах: при 600С, 800С, 1000С,1200С).

  1. Дайте характеристику реакциям обжига колчедана. Обоснуйте выбор температурного режима обжига колчедана.

кДж/моль , или 7117 кДж/кг. Фактически она протекает через несколько последовательно - паралельных стадий. Сначала происходит медленная эндотермическая реакция термического разложения дисульфата железа, а затем начинаются сильно энзотермичаские реакции горения паров серы и окисления сульфата железа FeS.

Часть кислорода воздуха расходуется в реакции на окисление железа и поэтому максимально возможная концентрация диоксида серы в обжиговом газе в этом случае ниже, чем при сжигании серы. В воздухе на каждый моль кислорода приходится 79/21 молей азота и инертов.

Температура процесса должна быть достаточно большой для обеспечения высокой скорости реакции. При низких температурах (ниже 5000С) не сможет протекать эндотермическая реакция термического разложения дисульфита железа. С другой стороны, проведение процесса при очень высоких температурах может вызвать нежелательный физический процесс спекания частиц горящего материала, приводящий к увеличению их размеров. Следствием этого явится увеличение времени полного превращения твердых частиц и понижение производительности печи. Температура спекания колеблется в зависимости от состава (сорта) колчедана в пределах от 8000С до 9000С.

  1. В чем преимущества печей кипящего слоя (КС) при осуществлении процесса обжига колчедана перед другими типами печей? Как в этих печах регулируют температуру обжига?

В настоящее время в сернокислотной промышленности для обжига колчндана применяют в основном печи КС с псевдоожиженным слоем твердого материала. В псевдоожиженном слое обеспечиваются высокая скорость диффузионных и теплообменных процессов (подвод кислорода к поверхности колчедана, отвод диоксида серы в газовый поток, отвод теплоты от поверхности сырья к газовому потоку). Отсуствие тормозящего влияния массо - и теплообменных процессов позволяет проводить обжиг колчедана с высокой скоростью. Печи КС характеризуются максимальной интенсивностью в сравнении с другими конструкциями, применяемами для обжига колчедана. К недостаткам печей КС можно отнести высркую зыпыленность обжигового газа.

Проведение процесса в адиабатическом режиме привела бы к созданию более высоких температур. Поэтому часть теплоты обжига приходится отводить внутри печи. Удобнее всего это сделать в печах КС, так как в псевдоожиженном слое твердого материала достаточно велик коэффициент теплоотдачи от колчедана к поверхности охлаждающих элементов [~1000 кДж/(м2·ч·К)] и в «кипящий» слой можно ввести змеевики охлаждения.

  1. Какие задачи решаются на стадиях сухой и мокрой очистки обжигового газа? Каковы физико-химические основы стадии очистки? Оборудование для очистки.

Подготовка обжигового газа к контактному окислению заключается в удалении из него примесей, присутствие которых может вызвать затруднения при проведении последующих стадий, а также нагрев (или охлаждение) до температуры, при которой начинается контактное окисление.

Обжиговый газ, полученный сжиганием колчедана в печах КС, содержит большое количество огарковой пыли, соединения мышьяка, селена и фтора. Очистка обжигового газа начинается в печном отделении, где в циклонах и сухих электрофильтрах осаждают огарковую пыль. Содержание пыли в газе после сухой очистки не должнопревышать 50 мг/м3. Последующая очистка осуществляется на стадии мокрой очистки в промывном отделении. При этом из обжигового газа удаляют остатка пыли, каталитические яды (соединения мышьяка и фтора), а также соединения селена.

Наличие в газе пыли, даже в небольших количествах оставшейся после сухой очистки, может привести к повышению гидравлического сопротивления аппаратов и отравлению катализатора соединениями As, адсорбированными на огарковой пыли. Отравление катализатора произойдет и в том случае, если в газовой фазе останутся оксиды мышьяка As2O3 или соединения фтора (HF и SiF4). Диоксид селена SeO2 не являются ядом для катализатора контактного окисления, однако он представляет собой ценное исходное сырье для промышленности полупроводников.

Мокрая очистка обжигового газа заключается в промывке его разбавленной серной кислотой. При этом происходит ряд физических процессов: конденсация, абсорбция и т. п.

  1. Какие можно предложить методы снижения содержания  в отходящих газах установок получения серной кислоты?

  1. Каковы технико-экономические характеристики производства серной кислоты?

  1. В чем состоит отличие технологической схемы производства серной кислоты на Бийском олеумном заводе от классических схем?

  1. Охрана окружающей среды при производстве серной кислоты.

Увеличение единичной мощности агрегатов по производству серной кислоты и удобрений может привести к загрязнению ОС даже при сравнительно невысоких концентрациях вредных выбросов. Поэтому основной тенденцией в развитии технологических процессов является создание замкнутых малоотходных или безотходных схем, сокращение до минимума сброса вредных веществ в атмосферу и в сточные воды.

Для очистки от триоксида серы, а особенно от серной кислоты в форме аэрозоля (тумана) отходящие газы пропускают через брызгоуловители и специальные фильтры. При необходимости на выхлопе сернокислотной системы предусматривают электрофильтры. Сточные воды сернокислотного производства должны быть подвергнуты тщательной очистке от соединений мышьяка.

21

studfiles.net

Производство серной кислоты из серы

Московская Государственная Академия

Тонкой Химической Технологии

Имени М.В. Ломоносова

Курсовая Работа

По дисциплине: Основы Химической Технологии

На тему:

Производство серной кислоты из серы.

Преподаватель: Игумнов Михаил Степанович

Студент : Троян Наталья Сергеевна

Группа М-32

Москва.1999

Содержание

Введение........................................................................................ 3

Исходное сырье......................................................................... 7

Характеристика целевого продукта.................................. 8

Химическая схема процесса.............................................. 10

1.Сжигание серы. ......................................................................... 10

2. Контактное окисление SO2 в SO3 ............................................ 11

3.Абсорбция триоксида серы. ..................................................... 12

Задание для расчета.............................................................. 14

Выполнение расчета.............................................................. 15

1.Составляем блок-схему производства. .................................. 15

2. Составление уравнений по каждому узлу. ............................. 16

3.Материальный баланс. ............................................................. 19

Список литературы................................................................. 20

Серная кислота – наиболее сильная и самая дешевая кислота. Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот, в широком диапазоне температур (от –40…-20 до 260 – 336,5*С) находится в жидком состоянии. Она широко используется в производстве минеральных удобрений, различных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т.д. Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотталкивающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления и т.д. Наиболее важные области применения серной кислоты отражены на схеме.

Еще в XIII веке серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO4 , поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса.

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце ХIХ и начале ХХ века. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение диоксида серы при сжигании сернистого сырья. После очистки диоксида серы (особенно в контактном методе) ее окисляют до триоксида серы, который соединяют с водой с получением серной кислоты. Окисление SO2 в SO3 в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

В настоящее время контактным методом получают концентрированную серную кислоту, олеум и 100% серный ангидрид.

Одновременно с увеличением объема производства серной кислоты расширяется ассортимент продукции сернокислотных заводов, организуется выпуск особо чистой кислоты, 100% SO2 , высококачественного олеума и кислоты, а также увеличивается производство новых продуктов на основе SO2 . Кроме олеума, концентрированной серной кислоты и аккумуляторной кислоты, отечественные заводы выпускают также более чистую контактную кислоту улучшенного качества (для производства искусственного волокна, титановых белил и др.), чистый олеум, химически чистую и реактивную серную кислоту.

За последние годы в процессе производства серной кислоты внесены существенные улучшения. Широко применяется обжиг колчедана в кипящем слое и сжигание серы в циклонной печи, значительно увеличивается использование тепла, выделяющегося приобжиге сырья, и на других стадиях производства серной кислоты. Непрерывно повышается производительность башенных сернокислотных систем в результате поддержания оптимального технологического режима, разработанного на основе исследований; интенсивность башенных систем достигает 250 кг/м3 в сутки. Освоен контактно-башенный процесс производства серной кислоты, при котором расход HNO3 составляет 6 – 7 кг на 1 тонну H2 SO4 .

В контактном методе производства серной кислоты окисление диоксида серы в триоксид осуществляется на твердых контактных массах. Благодаря усовершенствованию контактного способа производства, себестоимость более чистой и высококонцентрированной контактной серной кислоты лишь незначительно выше, чем башенной. В настоящее время свыше 90% всей кислоты производится контактным способом.

В качестве катализаторов контактного процесса теперь применяется термически стойкая ванадиевая контактная масса (в виде гранул и колец) с пониженной температурой зажигания. Проведены работы по освоению процесса окисления SO2 в кипящем слое катализатора. Важным усовершенствованием является двойное контактирование, при котором обеспечивается высокая степень окисления SO2 на катализаторе (до 99,8%) и потому исключается необходимость в дополнительной санитарной очистке отходящих газов.

Внедряется процесс конденсации H2 SO4 , заменяющий абсорбцию серного ангидрида.

Также для производства серной кислоты используют ангидрид или безводный сульфат кальция CaSO4 , гипс или двуводную соль CaSO4 *2H2 O и фосфогипс, представляющий собой отход производства концентрированных фосфорных удобрений (смесь гипса, соединений фтора, окислов фосфора, SO2 и других примесей).

В нитрозном способе катализатором служат оксиды азота. Окисление SO2 происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой. Поэтому нитрозный способ по аппаратурному признаку называют башенным . Сущность нитрозного метода состоит в том, что обжиговый газ обрабатывается серной кислотой, в которой растворены окислы азота. Сернистый ангидрид обжигового газа поглощается нитрозой, и затем окисляется окислами азота по реакции: SO2 + N2 O3 + H2 O = H2 SO4 + 2NO. Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется, а затем частично окисляется кислородом до NO2 . Смесь NO и NO2 вновь поглощается H2 SO4 .

Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты:

Башенная кислота: С=75%, tкрист = -29,5*С

Контактная кислота: С=92,5%, tкрист = -22,0*С

Олеум: С=20% своб. SO3 , tкрист = +2*С

Схема применения серной кислоты

Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты в СССР получали из серы, треть – из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

В целях защиты окружающей среды во всем мире принимаются меры по использованию отходов промышленности, содержащих серу. В атмосферу с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается диоксида серы значительно больше, чем употребляется для производства серной кислоты. Из-за низкой концентрации SO2 в таких отходящих газах их переработка пока еще не всегда осуществима.

В то же время отходящие газы – наиболее дешевое сырье, низки оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является сера. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.

Серная кислота может существовать как самостоятельное химическое соединение H2 SO4 , а также в виде соединений с водой H2 SO4 *2H2 O, H2 SO4 *H2 O, H2 SO4 *4H2 O и с триоксидом серы H2 SO4 *SO3 , H2 SO4 *2SO3 .

В технике серной кислотой называют и безводную H2 SO4 и ее водные растворы (по сути дела, это смесь H2 O, SO2 и соединений H2 SO4 *nH2 O) и растворы триоксида серы в безводной H2 SO4 – олеум (смесь H2 SO4 и соединенийH2 SO4 *nSO3 ).

Безводная серная кислота – тяжелая масляни

mirznanii.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *