МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии

Индивидуальная работа на тему:

«Производство серной кислоты контактным способом».

Выполнил студент I курса ФБД: Клименок М. А.

Проверил преподаватель: Тарасевич В. А.

Минск 2002г.

· Реферат

· Описание контактного способа производства серной кислоты

· Принципиальная технологическая схема производства серной кислоты контактным способом

· Динамика трудозатрат при развитии технологического процесса

· Расчёт уровня технологии, тех вооруженности и производительности живого труда

· Заключение

· Литература и источники

Данная работа состоит из 12 страниц.

Ключевые слова: Серная кислота, Контактный способ, Реакция, Технология производства, Динамика трудозатрат, Технологический процесс.

В данной работе изучена и описана технология производства серной кислоты контактным способом. Приведены иллюстрации, схемы, графики, и таблицы, отражающие суть технологического процесса. Выделены важнейшие тенденции развития производства серной кислоты контактным способом

Проведён анализ динамики трудозатрат живого и прошлого труда а также динамика трудозатрат при развитии технологического процесса. Рассчитан уровень технологии, тех вооруженности и производительности живого труда. Сделаны соответствующие выводы и заключения.

Описание контактного способа производства серной кислоты

Контактным способом производится большое количество сортов серной кислоты, в том числе олеум, содержащий 20% свободной SO3, купоросное масло (92,5% Н 2 SO 4 и 7,5% Н 2 О), аккумуляторная кислота, примерно такой же концентрации, как и купоросное масло, но более чистая.

Контактный способ производства серной кислоты включает три стадии: очистку газа от вредных для катализатора примесей; контактное окисление сернистого ангидрида в серный; абсорбцию серного ангидрида серной кислотой. Главной стадией является контактное окисление SO 2 в SO 3 ; по названию этой операции именуется и весь способ.

Контактное окисление сернистого ангидрида является типичным примером гетерогенного окислительного экзотермического катализа. Это один из наиболее изученных каталитических синтезов.

Равновесие обратимой реакции
2SO 2 + O 2 >< 2 SO 3 + 2 x 96,7 кдж (500 оС) (а)
в соответствии с принципом Ле-Шателье сдвигается в сторону образования SO 3 при понижении температуры и повышении давления; соответственно увеличивается равновесная степень превращения SO 2 в SO 3

Следует отметить, что повышение давления естественно увеличивает и скорость реакции (а). Однако повышенное давление в этом процессе применять нерационально, так как кроме реагирующих газов пришлось бы сжимать балластный азот, составляющий обычно 80 % от всей смеси и поэтому в производственном цикле активно используют катализаторы.

Наиболее активным катализатором является платина, однако она вышла из употребления вследствие дороговизны и легкой отравляемости примесями обжигового газа, особенно мышьяком. Окись железа дешевая, но при обычном составе газа - 7% SO2 и 11% О2 она проявляет каталитическую активность только при температурах выше 625 оС, т.е. когда хр 70%, и поэтому применялась лишь для начального окисления SO2 до достижения хр 50-60%. Ванадиевый катализатор менее активен, чем платиновый, но дешевле и отравляется соединениями мышьяка в несколько тысяч раз меньше, чем платина; он оказался наиболее рациональным и только он применяется в производстве серной кислоты. Ванадиевая контактная масса содержит в среднем 7% V2O5; активаторами являются окислы щелочных металлов, обычно применяют активатор К2О; носителем служат пористые алюмосиликаты. В настоящий момент катализатор применятся в виде соединения SiO2, K и/или Cs, V в различных пропорциях. Такое соединение оказалось наиболее устойчивым к кислоте и наиболее стабильным. Во всем мире его более корректное названия «ванадий - содержащий». Такой катализатор разработан специально для работы с невысокими температурами, что приводит в меньшим выбросам в атмосферу. Кроме того - такой катализ дешевле нежели калий/ванадиевый. Обычные ванадиевые контактные массы представляют собой пористые гранулы, таблетки или кольца (Рис. 1).

При условиях катализа окись калия превращается в K2S2O7, а контактная масса в общем представляет собой пористый носитель, поверхность и поры которого смочены пленкой раствора пятиокиси ванадия в жидком пиросульфате калия.
Ванадиевая контактная масса эксплуатируется при температурах от 400 до 600 оС. При увеличении температуры выше 600 оС начинается необратимое снижение активности катализатора вследствие спекания компонентов с образованием неактивных соединений, не растворимых в пиросульфате калия. При понижении температуры активность катализатора резко снижается вследствие превращения пятивалентного ванадия в четырехвалентный с образованием малоактивного ванадила VOSO4.

Процесс катализа слагается из стадий: 1) диффузии реагирующих компонентов из ядер газового потока к гранулам, а затем в порах контактной массы; 2) сорбции кислорода катализатором (передача электронов от катализатора к атомам кислорода); 3) сорбции молекул SO2 с образованием комплекса SO2 * О * катализатор; 4) перегруппировки электронов с образованием комплекса SO2 * катализатор; 5) десорбции SO3 из пор контактной массы и от поверхности зерен.

При крупных гранулах контактной массы суммарная скорость процесса определяется диффузией реагентов (1-я и 6-я стадии). Обычно стремятся получить гранулы не более 5 мм в поперечнике; при этом процесс идет на первых стадиях окисления в диффузионной, а на последних (при х 80%) в кинетической области.

Вследствие разрушения и слеживания гранул, загрязнения слоя, отравления катализатора соединениями мышьяка и температурной порчи его при случайных нарушениях режима ванадиевая контактная масса заменяется в среднем через 4 года. Если же нарушена очистка газа, получаемая обжигом колчедана, то работа контактного аппарата нарушается вследствие отравления первого слоя контактной массы через несколько суток. Для сохранения активности катализатора применяется тонкая очистка газа мокрым способом.

Принципиальная технологическая схема производства серной кислоты контактным способом

Лучшим сырьем для производства сернистого газа служит сера, которая выплавляется из природных пород, содержащих серу, а также получается как побочный продукт при производстве меди, при очистке газов и т.п. Сера плавится при температуре 113 градусов С, легко воспламеняется и сгорает в простых по устройству печах (Рис. 2). Получается газ высокой концентрации, с маленьким содержанием вредных примесей.

Сжигание серы происходит по реакции S + O 2 > SO 2 + 296 кДж Фактически сера перед горением плавится и испаряется (т. кип. ~444 о С) и сгорает в газовой фазе. Таким образом, сам процесс горения гомогенный.

Компрессор и камера сгорания

Недогоревшая сера
Воздух для горения и догорания серы
Жидкая сера
Сжатый воздух
Продукт – обжиговый газ

технологическая схема производства серной кислоты

1 - 1-я промывная башня; 2 - 2-я промывная башня с насадкой; 3 - мокрый электрофильтр; 4 - сушильная башня с насадкой; 5 - турбокомпресор; 6 - трубчатый теплообменник; 7 - контактный аппарат; 8 - трубчатый холодильник газа; 9 и 10 - абсорбционные башни с насадкой; 11 - центробежные насосы; 12 - сборники кислоты; 13 - холодильники кислоты

Обжиговый газ после грубой очистки от пыли в огарковых электрофильтрах при температуре около 300 оС поступает в полую промывную башню (Рис. 3: 1,2), где разбрызгивается холодная серная кислота (75%-ная H 2 SO 4). При охлаждении газа имеющиеся в нем серный ангидрид и пары воды конденсируются в виде мельчайших капелек. В этих капельках растворяется окись мышьяка. Образуется мышьяковокислотный туман, который частично улавливается в первой башне и во второй башне с керамиковой насадкой. Одновременно улавливаются остатки пыли, селен и другие примеси. Образуется грязная серная кислота (до 8% от общей выработки), которую выдают как нестандартную продукцию. Окончательная очистка газа от трудноуловимого мышьяковокислотного тумана производится в мокрых фильтрах (Рис. 3: 3), которые устанавливают последовательно (два или три). Принцип действия мокрых фильтров таков же, как и сухих. Капельки туммана осаждаются на трубчатых осадительных электродах, изготовленных из свинца или пластмассы «АТМ», и стекают вниз. Очистка газа завершается осушкой его от паров воды купоросным маслом в башне с насадкой (Рис. 3: 4). Обычно устанавливаются две сушильные башни. Башни, газоходы и сборники кислоты в отделении очистки обычно устанавливают стальные, футерованные кислотоупорным кирпичом или диабазовой плиткой. Сухой сернистый газ и серный ангидрид не агрессивны, поэтому всю последующую аппаратуру вплоть до моногидратного абсорбера можно монтировать из обычной углеродистой стали без защиты от коррозии.

Большое количество аппаратуры создает значительное сопротивление потоку газа (до 2 м вод.ст.), поэтому для транспортировки газа устанавливается турбокомпрессор (Рис. 3: 5). Компрессор, просасывая газ из печей через всю аппаратуру, нагнетает его в контактный узел.

Контактный узел (Рис. 3: 6,7,8) состоит из контактного аппарата, кожухотрубного теплообменника и не показанного на схеме (Рис. 4). огневого пускового подогревателя газа. В теплообменнике пускового подогревателя газ нагревается перед поступлением в аппарат при пуске или при падении температуры в аппарате ниже нормы.
Обычно применяются полочные контактные аппараты. Такой аппарат имеет цилиндрический корпус диаметром от 3 до 10 и высотой 10-20 м. Внутри корпуса установлены четыре-пять решеток со слоем гранул контактной массы на каждой из них. Между слоями контактной массы установлены промежуточные трубчатые или коробчатые теплообменники. На схеме представлен четырехслойный контактный аппарат, хотя чаще применяются пятислойные аппараты, но принцип их дествия полностью аналогичен, разница лишь в еще одном слое ктализатора. Свежий газ подогревается за счет тепла прореагировавшего горячего газа сначала во внешнем теплообменнике, потом он частично или полностью проходит для подогрева последовательно три-четыре внутренних теплообменника, при 440-450 о С поступает в первый слой контактной массы. Эта температура регулируется открыванием задвижек. Главное назначение внутренних теплообменников - охлаждение частично окисленного и разогретого в слое катализатора газа, таким образом, чтобы режим ступенчато приближался к кривой оптимальных температур.

Полочные контактные аппараты - один из наиболее распространненых типов контактных аппаратов. Принцип их действия состоит в том, что подогрев и охлаждение газа между слоями катализатора, лежащими на полках, производится в самом контактном аппарате с использованием различных теплоносителей или способов охлаждения.В аппаратах такого типа высота каждого нижележащего слоя катализатора выше, чем расположенного над ним, т.е. увеличивается по ходу газа, а высота теплообменников уменьшается, так как по мере возрастания общей степени превращения скорость реакции снижается и соответственно уменьшается количество выделившегося тепла. В межтрубном пространстве теплообменников последовательно снизу вверх проходит свежий газ, охлаждая продукты реакции и нагреваясь до тепмпературы начала реакции

Производительность контактных аппаратов в пересчете на H 2 SO 4 в зависимости от их размеров составляет от 50 до 500 т в сутки H 2 SO 4 . Разработаны конструкции контактных аппаратов мощностью 1000 и 2000 т в сутки. В аппарат загружают 200-300 л контактной массы на 1 т суточной выработки. Трубчатые контактные аппараты применяются для окисления SO 2 реже, чем полочные. Для окисления сернистого газа повышенной концентрации рационально применять контактные аппараты с кипящими слоями катализатора.

Абсорбцию серного ангидрида по реакции SO 3 +H 2 O = H 2 SO 4 +9200 Дж обычно проводят в башнях с насадкой (Рис. 3: 9,10), так как барботажные или пенные абсорберы при большой интенсивности работы обладают повышенным гидравлическим сопротивлением. Если парциальное давление водяных паров над поглощающей кислотой значительно, то SO 3 соединяется с H 2 O в газовой фазе и образует мельчайшие капельки трудноуловимого сернокислотного тумана. Поэтому абсорбцию ведут концентрированными кислотами. Наилучшей по абсорбционной способности является кислота, содержащая 98,3% Н 2 SO 4 и обладающая ничтожно малой упругостью как водяного пара, так и SO 3 . Однако за один цикл в башне невозможно закрепление кислоты с 98,3% до стандартного олеума, содержащего 18,5-20% свободного серного ангидрида. Ввиду большого теплового эффекта абсорбции при адиабатическом процессе в башне кислота разогревается и абсорбция прекращается. Поэтому для получения олеума абсорбцию ведут в двух последовательно установленных башнях с насадкой: первая из них орошается олеумом, а вторая - 98,3%-ной серной кислотой. Для улучшения абсорбции охлаждают как газ, так и кислоту, поступающую в абсорбер, при этом увеличивается движущая сила процесса.

Во всех башнях контактного производства, включая и абсорберы, количество орошающей кислоты во много раз больше, чем нужно для поглощения компонентов газа (Н 2 О, SO 3) и определяется тепловым балансом. Для охлаждения циркулирующих кислот устанавливаются обычно оросительные холодильники, в трубах которых, орошаемых снаружи холодной водой, протекает охлаждаемая кислота.

Производство серной кислоты значительно упрощается при переработке газа, получаемого сжиганием предварительно расплавленной и профильтрованной природной серы, почти не содержащей мышьяка. В этом случае чистую серу сжигают в воздухе, который предварительно высушен серной кислотой в башне с насадкой. Получается газ 9% SO2 и 12% О2 при температуре 1000 оС, который сначала направляется под паровой котел, а затем без очистки в контактный аппарат. Интенсивность работы аппарата больше, чем на колчеданном газе, вследствие повышенной концентрации SO2 и О2. В аппарате нет теплообменников, так как температура газов снижается добавкой холодного воздуха между слоями. Абсорбция SO3 производится так же, как и в технологической схеме.

Важнейшие тенденции развития производства серной кислоты контактным способом:

1) интенсификация процессов проведением их во взвешенном слое, применением кислорода, производством и переработкой концентрированного газа, применением активных катализаторов;

2) упрощение способов очистки газа от пыли и контактных ядов (более короткая технологическая схема);

3) увеличение мощности аппаратуры;

4) комплексная автоматизация производства;

5) снижение расходных коэффициентов по сырью и использование в качестве сырья серосодержащих отходов различных производств;

6) обезвреживание отходящих газов.

Динамика трудозатрат при развитии технологического процесса

В общем виде весь вышеизложенный материал можно изобразить следующим образом:

Известно что данный технологический процесс и динамику трудозатрат харрактеризуют следующие формулы:

Тж = ---------------------- Тп = 0,004 * t 2 +0,3 Тс = Тж + Тп

Взаимосвязь между этими формулами выглядит так:

Тп = 0,004 * - 75 +0,3 и Тж = 21 * Тп-0,3 +1575

Основываясь на вышеизложенных формулах проведём расчёты и сведём их в общую таблицу (Таб. 1):

(Таб. 1): Динамика трудозатрат на производстве серной кислоты на 15 лет
t (Время, года)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Затраты живого труда	0,78	0,75	0,71	0,654	0,595	0,54	0,48	0,43	0,38	0,34	0,3	0,27	0,24	0,22	0,198
Затраты прошлого труда	0,3	0,32	0,34	0,364	0,4	0,44	0,496	0,56	0,62	0,7	0,78	0,88	0,98	1,08	1,2
Совокупные затраты	1,09	1,07	1,04	1,018	0,995	0,98	0,976	0,98	1,01	1,04	1,09	1,15	1,22	1,3	1,398

На основании таблицы построим графики зависимостей Тж, Тп, Тс от времени (Рис. 7) и зависимости Тж от Тп (Рис. 6) и Тп от Тж (Рис. 8).

Из данного графика видно, что данный технологический процесс является ограниченным в своём развитии.

Экономический предел накопления прошлого труда наступит через семь лет.

Из графиков 7 и 8 видно что вид технологического процесса является трудосберегающим.

Расчёт уровня технологии, тех вооруженности и производительности живого труда.

Уровень технологии рассчитывается по формуле:

Утех = 1/Тж * 1/ ТП

Производительность живого труда:

L = У тех * В

Техническая вооружённость рассчитывается:

В = Тп / Тж

Относительный уровень технологии:

Уотнос = Утех/ L

Проведём расчёты используя приведёные выше формулы и данные занесём в таблицу (Таб. 2):

T Время (года)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Затраты живого труда	0,78	0,75	0,71	0,654	0,595	0,54	0,48	0,43	0,38	0,34	0,3	0,27	0,24
Затраты прошлого труда	0,3	0,32	0,34	0,364	0,4	0,44	0,496	0,56	0,62	0,7	0,78	0,88	0,98
Совокупные затраты	1,09	1,07	1,04	1,018	0,995	0,98	0,976	0,98	1,01	1,04	1,09	1,15	1,22
Уровень технологии	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2	4,2
Тех. вооруженность	0,39	0,42	0,47	0,556	0,672	0,83	1,033	1,3	1,64	2,058	2,58	3,22	4
Производительность Тж	1,28	1,33	1,41	1,529	1,68	1,86	2,083	2,34	2,62	2,94	3,29	3,68	4,1
Относ уровень технологии	3,29	3,16	2,98	2,747	2,5	2,25	2,016	1,8	1,6	1,429	1,28	1,14	1,02

Из данной таблицы видно что рационалистическое развитие целесообразно только в течении семи лет поскольку в этот период времени относительный уровень технологии больше производительности живого труда.

Заключение

В данной работе изучена и описана технология производства серной кислоты контактным способом, проведён анализ динамики трудозатрат живого и прошлого труда а также динамика трудозатрат при развитии технологического процесса. На основании проделанной работы получены следующие выводы: Развитие тех процесса ограничено, экономический предел накопления прошлого труда равен семи годам, данный технологический процесс является трудосберегающим и рационалистическое развитие целесообразно в течении семи лет.

Литература и источники:

1. ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ /Бараненко Д. http://service.sch239.spb.ru:8101/infoteka/root/chemistry/room1/baran/chem.htm

2. Технология важнейших отраслей промышленности: Учеб. Для эк. Спец. Вузов / А.М. Гинберг, Б.А. Хохлов. – М.: Высшая школа, 1985.

Стадии – подготовка сырья и его сжигание или обжиг. Их содержание и аппаратурное оформление существенно зависят от природы сырья, которая в значительной степени, определяет сложность технологического производства серной кислоты. 1. Железный колчедан. Природный железный колчедан представляет сложную породу, состоящую из сульфида железа РеБ2, сульфидов других металлов (меди, цинка, свинца и др.), ...

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...

Для автоматического регулирования необходимо максимально знать требования, предъявляемые различным химико-технологическим процессом. 1.Основная часть 1.1 Технологический процесс получение серного ангидрида при получении серной кислоты. Производство серной кислоты контактным способом состоит из следующих действий: 1. Разгрузка, складирование и подготовка сырья...

Образуется азотная кислота: NO(HSO4) + H2O®H2SO4 + HNO2 Она - то и окисляет SO2 по уравнению: SO2 + 2HNO2®H2SO4 + 2NO В нижней части башен 1 и 2 накапливается 75% - ная серная кислота, естественно, в большем количестве, чем её было затрачено на приготовление нитрозы (ведь добавляется «новорождённая» серная кислота). Окись азота NO возвращается снова на окисление. Поскольку некоторое количество...

Контактной серной кис­лоты отражает технологическая схема, в которой исход­ным сырьем служит колчедан (классическая схема) (рис. 34). Эта схема включает четыре основные стадии: 1) получение сернистого ангидрида, 2) очистка газа, со­держащего сернистый ангидрид, от примесей, 3) окисле­ние (на катализаторе) сернистого ангидрида до серного, 4) абсорбция серного ангидрида.

К аппаратам первой стадии процесса относится обжи­говая печь 2, в которой получают сернистый газ, и сухой электрофильтр 5, в котором обжиговый газ очищается от пыли. На вторую стадию процесса - очистку обжиго­вого газа от примесей, ядовитых по отношению к катали­затору, газ поступает при 300-400° С. Газ очищают, промывая его более холодной, чем сам газ, серной кис­лотой. Для этого последовательно газ пропускают через такие аппараты: промывные башни 6 и 7, первый мокрый электрофильтр 8, увлажнительную башню 9 и второй мокрый электрофильтр 8. В этих аппаратах газ очищает­ся от мышьяковистого, серного и селенистого ангидридов, а также от остатков пыли. Далее газ освобождается от влаги в сушильной башне 10 и брызг серной кислоты в

Брызгоуловнтеле 11. Обе промывные 6 п 7, увлажнитель­ная 9 и сушильная 10 башни орошаются циркулирующей серной кислотой. В цикле орошения есть сборники 20, из которых серная кислота насосами подается па орошение башен. При этом кислота предварительно охлаждается в холодильниках 18, где из промывных башен отводится в основном физическое тепло обжигового газа, а пз су­шильной- тепло разбавления сушильной серной кисло­ты водой.

Нагнетатель 12 в этой схеме помещен примерно в се­редине системы; все аппараты, расположенные перед ним, находятся под разрежением, после него - пел давлени­ем. Таким образом, под давлением работают аппараты, обеспечивающие окисление сернистого ангидрида до сер­ного и абсорбцию серного ангидрнда.

При окислении сернистого ангидрнда до ссрниго вы­деляется большое количество тепла, которое используют для нагревания очищенного обжигового газа, поступаю­щего в контактный аппарат 14. Горячий серный ангидрид через стенки труб, по которым он проходит в теплооб­меннике 13, передает тепло более холодному сернистому ангидриду, проходящему в межтрубном пространстве теплообменника 13 и поступающему в контактный аппа­рат 14. Дальнейшее охлаждение серного ангидрнда перед абсорбцией в олеумном 16 и моногидратпом 17 абсорберах происходит в ангидридном холодильнике (экономайзере) 15.

При поглощении серного ангидрида в абсорбционном отделении выделяется большое количество гепла, кото­рое передается циркулирующей кислоте, орошающей олеумный 16 и моногидратный 17 абсорберы, и отводит­ся в холодильниках 19 и 18.

Концентрация олеума и моногидрата повышается вследствие поглощения все новых и новых порции серно­го ангидрида. Сушильная же кислота все время разбав­ляется из-за поглощения паров воды пз обжгиового газа Поэтому для поддержания стабильных концентраций этих кислот существуют циклы разбавления олсумсі моно­гидратом, моногидрата - сушильной кислотой и цикл повышения концентрации сушильной кислоты моногидра­том. Так как воды, поступающей в моногидратный абсор­бер с сушильной кислотой, практически всегда недоста­точно, чтобы получить нужную концентрацию КИСЛО!.", в сборник моногидратного абсорбера добавляют воду.

В первой промывной башне 6 концентрация кислоты возрастает вследствие поглощения из газа небольшого количества серного ангидрида, образующегося при об­жиге колчедана в печах. Для поддержания стабильной концентрации промывной кислоты в первой промывной башне в ее сборник передается кислота из второй про­мывной башни. Для поддержания необходимой концен­трации кислоты во второй промывной башне в нее пере­дается кислота из увлажнительной башни. Если при этом для получения стандартной концентрации кислоты в первой промывной башне не хватает воды, то ее вводят в сборник либо увлажнительной, либо второй промыв­ной башни.

На контактных сернокислотных заводах обычно по­лучают три вида продукции: олеум, техническую серную кислоту и разбавленную серную кислоту из первой промывной башни (после выделения из кислоты се­лена).

На некоторых заводах промывную кислоту после очистки от примесей используют для разбавления моно­гидрата или для приготовления концентрированной сер­ной кислоты путем разбавления олеума. Иногда олеум просто разбавляют водой.

По схеме, "приведенной на рис. 34, перерабатывается газ, содержащий 4-7,5% S02. При более низкой кон­центрации S02 тепла, выделяющегося в контактном от­делении, не хватает для подогрева газа, поступающего на контактирование (т. е. не обеспечивается автотермич - ность процесса). При более высокой концентрации S02 понижается степень контактирования.

В настоящее время ведутся работы по усовершенство­ванию схемы производства контактной серной кислоты путем нового оформления отдельных стадий этого про­цесса и применения более мощных аппаратов, обеспечи­вающих высокую производительность систем.

На многих заводах на сушильных башнях и моногид - ратных абсорберах применяются распределители кисло­ты, после которых в газе содержится минимальное коли­чество брызг. Кроме того, непосредственно в башнях или после них предусмотрены устройства для отделения ка­пель тумана н брызг. На ряде заводов из технологиче­ской схемы исключена увлажнительная башня; ее отсут­ствие компенсируется увеличением мощности мокрых электрофильтров или некоторым изменением режима ра­боты промывных башен для более интенсивного увлаж­нения газа во второй промывной башне, что дает воз­можность сократить затраты электроэнергии на мокрую очистку.

В сернокислотной промышленности начинают широко применять интенсивные и более совершенные аппараты, заменяющие насадочные башни, оросительные холодиль­ники, центробежные насосы и пр. Например, для выде­ления S02 из отходящих газов в производстве серной кислоты контактным способом применяют интенсивные аппараты распыляющего типа (APT), в которых жид­кость распыляется потоком газа.

В результате применения кислородного дуіья при об­жиге сырья в цветной металлургии повышается концен­трация S02 в отходящих газах, что создает возможность интенсификации сернокислотных систем, работающих на этих газах. Использование кислотостойких материалов при изготовлении аппаратуры для производства серной кислоты контактным способом позволяет значительно улучшить качество продукции и увеличить выпуск реак­тивной серной кислоты.

Технологический процесс производства серной кислоты из элементарной серы контактным способом отличается от процесса производства из колчедана рядом особенностей :

особая конструкция печей для получения печного газа;

повышенное содержание оксида серы (IV) в печном газе;

отсутствие стадии предварительной очистки печного газа. Производство серной кислоты из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (рис. 1) состоит из нескольких стадий:

Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню, где он осушается 93-98%-ной серной кислотой до содержания влаги 0,01% по объему; Осушенный воздух поступает в серную печь после предварительного подогрева в одном из теплообменников контактного узла.

Сжигание (горение) серы представляет собой гомогенную экзотермическую реакцию, которой предшествуют переход твердой серы в жидкое состояние и ее последующее испарение:

S TB → S Ж → S ПАР

Таким образом, процесс горения протекает в газовой фазе в потоке предварительно высушенного воздуха и описывается уравнением:

S + О 2 → SO 2 + 297,028 кДж;

Для сжигания серы используют печи форсуночного и циклонного типов. В форсуночных печах расплавленная сера распыляется в камере сгорания сжатым воздухом через форсунки, которые не могут обеспечить достаточно полного перемешивания паров серы с воздухом и необходимой скорости горения. В циклонных печах, работающих по принципу центробежных пылеуловителей (циклонов), достигается значительно лучшее смешивание компонентов и обеспечивается более высокая интенсивность горения серы, чем в форсуночных печах.

Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO 3 , при 200°С поступает на первую стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый олеумом и 98%-ной серной кислотой:

SO 3 + Н 2 О→Н 2 SO 4 +130,56 кДж;

Далее газ проходит очистку от брызг серной кислоты, нагревается до 420°С и поступает на вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй ступени, орошаемый 98%-ной серной кислотой, и затем после очистки от брызг выбрасывается в атмосферу.

Печной газ при сжигании серы отличается более высоким содержанием оксида серы (IV) и не содержит большого количества пыли. При сжигании самородной серы в нем также полностью отсутствуют соединения мышьяка и селена, являющиеся каталитическими ядами.

Эта схема отличается простотой и получила название «короткой схемы» (рис. 2).

Рис. 1. Схема производства серной кислоты из серы по методу ДК-ДА :

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

Рис.2. Производство серной кислоты из серы (короткая схема) :

1 - плавильная камера для серы; 2 - фильтр жидкой серы; 3 - печь для сжигания серы; 4 - котел-утилизатор; 5 - контактный аппарат; 6 - система абсорбции оксида-серы (VI); 7- холодильники серной кислоты

Существующие установки по производству серной кислоты из серы, снабженные печами циклонного типа, имеют производительность 100 т серы и более в сутки. Разрабатываются новые конструкции производительностью до 500 т/сут.

Расход на 1 т моногидрата: серы 0,34 т, воды 70 м 3 , электроэнергии 85 кВт-ч.

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

4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 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 Fe2O3 (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 V2O5.

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 + H2O H2SO4. 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: H2SO4·nSO3.

Уравнение реакции этого процесса nSO3 + H2SO4 H2SO4·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.

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+H2O+2NaF

HF+NaOH->NaF+H2O;

Образующийся фторид натрия обрабатывают для регенерации гидроксида натрия.

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 .

Получение серной кислоты из сероводорода

Серную кислоту получают из сероводорода методом мокрого катализа. В зависимости от состава горючих газов и способа их очистки сероводородный газ бывает концентрированным (до 90 %) и слабым (6-10 %). Это определяет схему переработки его на серную кислоту.

На рисунке 1.1 показана схема производства серной кислоты из концентрированного сероводородного газа. Сероводород в смеси с воздухом, очищенным в фильтре 1, поступает в печь 3 для сжигания. В котле-утилизаторе 4 температура газа, выходящего из печи, снижается с 1000 до 450 °С, после чего газ поступает в контактный аппарат 5. Температуру газа, выходящего из слоев контактной массы, снижают путем вдувания неосушенного холодного воздуха. Из контактного аппарата газ, содержащий SО 3 , поступает в башню-конденсатор 7, представляющую собой скруббер с насадкой, орошаемый кислотой. Температура орошающей кислоты на входе в башню 50-60°С, на выходе 80-90°С. При таком режиме в нижней части башни происходит быстрое охлаждение газа, содержащего пары Н 2 Ои SО 3 , возникает высокое пересыщение и образуется туман серной кислоты (в туман переходит до 30-35 % всей выпускаемой продукции), который улавливается затем в электрофильтре 8. Для лучшего осаждения капель тумана в электрофильтрах (или фильтрах другого типа) желательно, чтобы эти капли были крупными. Это достигается повышением температуры орошающей кислоты, что приводит к повышению температуры вытекающей из башни кислоты (повышению температуры поверхности конденсации) и способствует укрупнению капель тумана. Схема производства серной кислоты из слабого сероводородного газа отличается от схемы, приведенной на рисунке 1.1 тем, что подаваемый в печь воздух предварительно нагревается в теплообменниках газом, выходящим из слоев катализатора, а процесс конденсации проводится в барботажном конденсаторе типа концентратора "Хемико" .

Газ проходит через слой кислоты последовательно в трех камерах барботажного аппарата, температуру кислоты в них регулируют путем подачи воды, при испарении которой поглощается тепло. Благодаря высокой температуре кислоты в первой камере (230-240°С) в ней происходит конденсация паров H 2 SO 4 без образования тумана.

1-фильтр, 2-вентилятор, 3-печь, 4-паровой котел-утилизатор, 5-контактный аппарат, 6-холодильник, 7-башня-конденсатор, 8-электрофильтр, 9-циркуляционный сборник, 10-насос.

Рисунок 1.1 Схема производства серной кислоты из сероводородного газа высокой концентрации:

В двух последующих камерах (температура кислоты в них соответственно около 160 и 100 °С) происходит образование тумана. Однако вследствие достаточно высокой температуры кислоты и большого количества паров воды в газе, соответствующего давлению насыщенного пара воды над кислотой в камерах, туман образуется в виде крупных капель, которые легко осаждаются в электрофильтре.

Продукционная кислота вытекает из первой (по ходу газа) камеры, охлаждается в холодильнике и подается на склад. Поверхность холодильников в таком абсорбционном отделении в 15 раз меньше, чем в абсорбционном отделении с башней-конденсатором, благодаря тому, что основное количество тепла отводится испарением воды. Концентрация кислоты в первой камере (продукционная кислота) около 93,5 %, во второй и третьей камерах соответственно 85 и 30 %. .