Технологическая схема производства серной кислоты и ее описание. Контактный способ производства серной кислоты Производство серной кислоты кратко

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.

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...

1. Товарные и определяющие технологию свойства серной кислоты.

Серная кислота - один из основных многотоннажных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии, в концентрированном виде не корродирует черные металлы. В то же время, серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.

В технике под серной кислотой понимают системы, состоящие из оксида серы (VI) и воды различного состава: п SО 3 · т Н 2 О.

При п = т = 1 это моногидрат серной кислоты (100 % -ная серная кислота), при т > п – водные растворы моногидрата, при т < п – растворы оксида серы (VI) в моногидрате (олеум).

Моногидрат серной кислоты – бесцветная маслянистая жидкость с температурой кристаллизации 10,37 о С, температурой кипения 296,2 о С и плотностью 1,85 т/м 3 . С водой и оксидом серы (VI) он смешивается во всех отношениях, образуя гидраты состава Н 2 SО 4 · Н 2 О, Н 2 SО 4 · 2Н 2 О, Н 2 SО 4 · 4Н 2 О и соединения с оксидом серы Н 2 SО 4 · SО 3 и Н 2 SО 4 ·2SО 3 .

Эти гидраты и соединения с оксидом серы имеют различные температуры кристаллизации и образуют ряд эвтектик. Некоторые из этих эвтектик имеют температуру кристаллизации ниже нуля или близкие к нулю. Эти особенности растворов серной кислоты учитываются при выборе ее товарных сортов, которые по условиям производства и хранения должны иметь низкую температуру кристаллизации.

Температура кипения серной кислоты также зависит от ее концентрации, то есть состава системы «оксид серы (VI) – вода». С повышением концентрации водной серной кислоты температура ее кипения возрастает и достигает максимума 336,5 о С при концентрации 98,3 %, что отвечает азеотропному составу, а затем снижается. Температура кипения олеума с увеличением содержания свободного оксида серы (VI) снижается от 296,2 о С (температура кипения моногидрата) до 44,7 о С, отвечающей температуре кипения 100 %-ного оксида серы (VI).

При нагревании паров серной кислоты выше 400 о С она подвергается термической диссоциации по схеме:

400 о С 700 о С

2 Н 2 SО 4 <=> 2Н 2 О + 2SО 3 <=> 2Н 2 О + 2SО 2 + О 2 .

Среди минеральных кислот серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Мировое производство ее за последние 25 лет выросло более чем в три раза и составляет в настоящее время более 160 млн. т в год.

Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений (от 30 до 60 %), а также в производстве красителей (от 2 до 16 %), химических волокон (от 5 до 15 %) и металлургии (от 2 до 3 %). Она применяется для различных технологических целей в текстильной, пищевой и других отраслях промышленности. На рис. 1 представлено применение серной кислоты и олеума в народном хозяйстве.

Рис. 1. Применение серной кислоты.

2. Сырьевые источники получения серной кислоты.

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

Природные залежи самородной серы невелики, хотя кларк ее равен 0,1 %. Чаще всего сера находится в природе в форме сульфидов металлов и сульфатов метало, а также входит в состав нефти, каменного угля, природного и попутного газов. Значительные количества серы содержатся в виде оксида серы в топочных газах и газах цветной металлургии и в виде сероводорода, выделяющегося при очистке горючих газов.

Таким образом, сырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны, хотя до сих пор в качестве сырья используют преимущественно 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).

При этом доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

В общей схеме сернокислотного производства существенное значение имеют две первые 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.

3. Краткое описание современных промышленных способов получения серной кислоты. Пути совершенствования и перспективы развития производства.

Производство серной кислоты из серусодержащего сырья включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Это может быть представлено в виде следующей схемы:

где I – стадия получения печного газа (оксида серы (IV)),

II – стадия каталитического окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI) и абсорбции его (переработка в серную кислоту).

В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа и другие механические и физико-химические операции. В общем случае производство серной кислоты может быть выражено в следующем виде:

Сырье подготовка сырья сжигание (обжиг) сырья

очистка печного газа контактирование абсорбция

контактированного газа СЕРНАЯ КИСЛОТА

Конкретная технологическая схема производства зависит от вида сырья, особенностей каталитического окисления оксида серы (IV), наличия или отсутствия стадии абсорбции оксида серы (VI).

В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SО 2 в SО 3 , различают два основных метода получения серной кислоты.

В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SО 2 в SО 3 проводят на твердых катализаторах.

Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса – абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SО 3 + Н 2 О Н 2 SО 4

При проведении 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:

SО 3 + N 2 О 3 + Н 2 О Н 2 SО 4 + 2NО

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

Рассмотрим процесс получения серной кислоты контактным методом из двух видов сырья: серного (железного) колчедана и серы.

1) Химическая схема получения серной кислоты из колчедана включает три последовательные стадии:

Окисление дисульфида железа пиритного концентрата кислородом воздуха:

Каталитическое окисление оксида серы (IV) избытком кислорода печного газа:

2SО 2 + О 2 2SО 3

Абсорбция оксида серы (VI) с образованием серной кислоты:

SО 3 + Н 2 О Н 2 SО 4

По технологическому оформлению производство серной кислоты из железного колчедана является наиболее сложным и состоит из нескольких последовательно проводимых стадий.

Принципиальная (структурная) схема этого производства представлена на рис. 2:

Рис. 2 Структурная схема производства серной кислоты из флотационного колчедана методом одинарного контактирования.

I – получение обжигового газа: 1 – обжиг колчедана; 2 – охлаждение газа в котле-утилизаторе; 3 – общая очистка газа, 4 – специальная очистка газа; II – контактирование: 5 – подогрев газа в теплообменнике; 6 – контактирование; III – абсорбция: 7 – абсорбция оксида серы (IV) и образование серной кислоты.

Обжиг колчедана в токе воздуха представляет собой необратимый некаталитический гетерогенный процесс, протекающий с выделением тепла через стадии термической диссоциации дисульфида железа:

FеS 2 = 2FеS + S 2

и окисления продуктов диссоциации:

S 2 + 2О 2 = 2SО 2

4FеS + 7О 2 = 2Fе 2 S 3 + 4SО 2

что описывается общим уравнением

4FеS 2 + 11О 2 = 2Fе 2 S 3 + 8SО 2 ,

где ΔН = 3400 кДж.

Увеличение движущей силы процесса обжига достигается флотацией колчедана, повышающей содержание дисульфида железа в сырье, обогащением воздуха кислородом и применением избытка воздуха при обжиге до 30 % сверх стехиометрического количества. На практике обжиг ведут при температуре не выше 1000 о С, так как за этим пределом начинается спекание частиц обжигаемого сырья, что приводит к уменьшению поверхности их и затрудняет омывание частиц потоком воздуха.

В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС). Печи кипящего слоя отличаются высокой интенсивностью (до 10 000 кг/м 2 ·сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа (содержание серы в огарке не превышает 0,005 мас. долей) 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 в других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

2) Технологический процесс производства серной кислоты из элементарной серы контактным способом отличается от процесса производства из колчедана рядом особенностей. К ним относятся:

– особая конструкция печей для получения печного газа;

– повышенное содержание оксида серы (IV) в печном газе;

– отсутствие стадии предварительной очистки печного газа.

Последующие операции контактирования оксида серы (IV) по физико-химическим основам и аппаратурному оформлению не отличаются от таковых для процесса на основе колчедана и оформляются обычно по схеме ДКДА. Термостатирование газа в контактном аппарате в этом методе осуществляется обычно путем ввода холодного воздуха между слоями катализатора.

Принципиальная схема производства серной кислоты из серы представлена на рис. 3:

Рис. 3. Структурная схема производства серной кислоты из серы.

1 – осушка воздуха; 2 – сжигание серы; 3 – охлаждение газа, 4 –контактирование; 5 –абсорбция оксида серы (IV) и образование серной кислоты.

Существует также способ производства серной кислоты из сероводорода, получивший название «мокрого» катализа, состоит в том, что смесь оксида серы (IV) и паров воды, полученная сжиганием сероводорода в токе воздуха, подается без разделения на контактирование, где оксид серы (IV) окисляется на твердом ванадиевом катализаторе до оксида серы (VI). Затем газовая смесь охлаждается в конденсаторе, где пары образующейся серной кислоты превращаются в жидкий продукт.

Таким образом, в отличие от методов производства серной кислоты из колчедана и серы, в процессе мокрого катализа отсутствует специальная стадия абсорбции оксида серы (VI) и весь процесс включает только три последовательные стадии:

1. Сжигание сероводорода:

Н 2 S + 1,5О 2 = SО 2 + Н 2 О – ΔН 1 , где ΔН 1 = 519 кДж

с образованием смеси оксида серы (IV) и паров воды эквимолекулярного состава (1: 1).

2. Окисление оксида серы (IV) до оксида серы (VI):

SО 2 + 0,5О 2 <=> SО 3 – ΔН 2 , где ΔН 2 = 96 кДж,

с сохранением эквимолекулярности состава смеси оксида серы (IV) и паров воды (1: 1).

3. Конденсация паров и образование серной кислоты:

SО 3 + Н 2 О <=> Н 2 SО 4 – ΔН 3 , где ΔН 3 = 92 кДж

таким образом, процесс мокрого катализа описывается суммарным уравнением:

Н 2 S + 2О 2 = Н 2 SО 4 – ΔН, где ΔН = 707 кДж.

Большие масштабы производства серной кислоты особенно остро ставят проблему его совершенствования. Здесь можно выделить следующие основные направления:

1. Расширение сырьевой базы за счет использования отходящих газов котельных теплоэлектроцентралей и различных производств.

2. Повышение единичной мощности установок. Увеличение мощности в два-три раза снижает себестоимость продукции на 25 – 30%.

3. Интенсификация процесса обжига сырья путем использования кислорода или воздуха, обогащенного кислородом. Это уменьшает объем газа, проходящего через аппаратуру, и повышает ее производительность.

4. Повышение давления в процессе, что способствует увеличению интенсивности работы основной аппаратуры.

5. Применение новых катализаторов с повышенной активностью и низкой температурой зажигания.

6. Повышение концентрации оксида серы (IV) в печном газе, подаваемом на контактирования.

7. Внедрение реакторов кипящего слоя на стадиях обжига сырья и контактирования.

8. Использование тепловых эффектов химических реакций на всех стадиях производства, в том числе, для выработки энергетического пара.

Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SО 2 в SО 3 . Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SО 2 .

Повышение степени превращения SО 2 может быть достигнуто разными путями. Наиболее распространенный из них – создание схем двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА).

4. Физико-химические свойства системы, положенной в основу химико-технологического процесса окисления сернистого ангидрида.

Реакция окисления оксида серы (IV) в оксид серы (IV), лежащая в основе процесса контактирования обжигового газа, представляет собой гетерогенно-каталитическую, обратимую, экзотермическую реакцию и описывается уравнением:

SО 2 + 0,5О 2 <=> SО 3 – ΔН.

Тепловой эффект реакции зависит от температуры и равен 96,05 кДж при 25 о С и около 93 кДж при температуре контактирования. Система «SО 2 – О 2 – SО 3 » характеризуется состоянием равновесия в ней и скоростью окисления оксида серы (IV), от которых зависит суммарный результат процесса.

Константа равновесия реакции окисления оксида серы (IV) равна:

(1)

где – равновесные парциальные давления оксида серы (VI), оксида серы (IV) и кислорода соответственно.

Степень превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI) или степень контактирования, достигаемая на катализаторе, зависит от активности катализатора, температуры, давления, состава контактируемого газа и времени контактирования и описывается уравнением:

(2)

где – те же величины, что и в формуле (1)

Из уравнений (1) и (2) следует, что равновесная степень превращения оксида серы (IV) связана с константой равновесия реакции окисления:

(3)

Зависимость Х р от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе представлена в табл. 1 и на рис. 4.

Таблица 1. Зависимость Х р от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе

Рис. 4. Зависимость равновесной степени превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI) от температуры (а), давления (б) и содержания оксида серы (IV) в газе (в).

Из уравнения (3) и табл. 4 следует, что с понижением температуры и повышением давления контактируемого газа равновесная степень превращения Х р возрастает, что согласуется с принципом Ле-Шателье. В то же время, при постоянных температуре и давлении равновесная степень превращения тем больше, чем меньше содержание оксида серы (IV) в газе, то есть чем меньше соотношение SО 2: О 2 . Это отношение зависит от вида обжигаемого сырья и избытка воздуха. На этой зависимости основана операция корректирования состава печного газа, то есть разбавление его воздухом для снижения содержания оксида серы (IV).

Степень окисления оксида серы (IV) возрастает с увеличением времени контактирования, приближаясь к равновесию по затухающей кривой (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость Х р от времени контактирования.

Следовательно, время контактирования должно быть таким, чтобы обеспечить достижение равновесия в системе. Из рис. 5 следует, что чем выше температура, тем скорее достигается равновесие (t 1 < t 2), но тем меньше степень превращения (Х 1 < Х 2 при Т 1 > Т 2). Таким образом, выход оксида серы (IV) зависит как от температуры, так и от времени контактирования. При этом, для каждого времени контактирования зависимость выхода от температуры выражается соответствующей кривой, имеющей максимум. Очевидно, что огибающая эти максимумы линия АА (рис. 6) представляет кривую оптимальных температур для различного времени контактирования, близкую к равновесной кривой.

Рис. 6. Зависимость выхода оксида серы (IV) от температуры при различном времени контактирования.

От скорости окисления зависит количество оксида серы (IV), окисляющееся в единицу времени, и, следовательно, объем контактной массы, размеры реактора и другие характеристики процесса. Организация этой стадии производства должна обеспечить возможно более высокую скорость окисления при максимальной степени контактирования, достижимой в данных условиях.

Энергия активации реакции окисления оксида серы (IV) кислородом в оксид серы (VI) весьма велика. Поэтому, в отсутствие катализатора реакция окисления даже при высокой температуре практически не идет. Применение катализатора позволяет снизить энергию активации и увеличить скорость окисления.

В производстве серной кислоты в качестве катализатора применяют контактные массы на основе оксида ванадия (V) марок БАВ и СВД, названные так по начальным буквам элементов, входящих в их состав.

БАВ (барий, алюминий, ванадий) состава:

V 2 О 5 (7 %) + К 2 SО 4 + ВаSО 4 + Аl 2 (SО 4) 3 + SiО 2 (кремнезем)

СВД (сульфо–ванадато–диатомовый) состава

V 2 О 5 (7 %) + К 2 S 2 О 7 + диатомит + гипс

катализатор активатор носитель

Для описания скорости окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI) на ванадиевом катализаторе при неподвижном слое катализатора предложены различные кинетические уравнения. К ним относится, например, уравнение (4), связывающее скорость реакции со степенью превращения оксида серы (IV), константой скорости реакции, константой равновесия и давлением газа:

(4)

где Х – равновесная степень превращения оксида серы (IV),

k – константа скорости окисления,

а – начальная концентрация оксида серы (IV) в газе,

b – начальная концентрация кислорода в газе,

Р – общее давление в газе,

К р – константа равновесия реакции.

Из уравнений (4) и (5) следует, что скорость окисления зависит от константы скорости реакции, сильно возрастающей при повышении температуры. Однако при этом уменьшается константа равновесия К р и уменьшается значение члена в уравнении (4). Таким образом, скорость процесса окисления оксида серы (IV) зависит от двух величин, изменяющихся с ростом температур в противоположном направлении. Вследствие этого кривая зависимости скорости окисления от температуры должна проходить через максимум. Из уравнения (4) также следует, что скорость окисления оксида серы (IV) тем больше, чем меньше достигаемая в этом процессе степень превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Вследствие этого для каждой степени превращения зависимость скорости реакции от температуры будет выражаться индивидуальной кривой, имеющей максимум. На рис. 7 представлена серия подобных кривых, соответствующих различные степеням превращения для газа постоянного состава. Из него следует, что скорость реакции окисления достигает максимума при определенных значениях температур, которая тем выше, чем меньше эта степень превращения, и представляют, очевидно, оптимальные температуры.

Рис. 7. Зависимость скорости окисления оксида серы (IV) от температуры при различных степенях превращения Х 1 < Х 2 < Х 3 < Х 4

Линия АА, соединяющая точки оптимальных температур, называется линией оптимальной температурной последовательности (ЛОТ) и указывает, что для достижения наилучших результатов процесс контактирования следует начинать при высокой температуре, обеспечивающей большую скорость процесса (на практике около 600 о С), а затем для достижения высокой степени превращения снижать температуру, выдерживая температурный режим по ЛОТ. Линии ВВ и СС на рис. 7 очерчивают область допустимых температур в реальном технологическом процессе контактирования.

В таблице 2 представлен температурный режим работы 4-х слойного контактного аппарата с промежуточным теплообменом, установленный в соответствии с изложенным выше принципом:

Таблица 2. Температурный режим контактного узла

Таким образом, противоречие между кинетикой и термодинамикой процесса процесса окисления оксида серы (IV) достаточно успешно снимается конструкцией и температурным режимом работы контактного аппарата. Это достигается разбивкой процесса на стадии, каждая из которых отвечает оптимальным условиям процесса контактирования. Тем самым определяются и начальные параметры режима контактирования: температура 400 – 440 о С, давление 0,1 МПа, содержание оксида серы (IV) в газе 0,07 об. долей, содержание кислорода в газе 0,11 об. долей.

5. Аппаратурно–технологическая схема тонкой очистки сернистого газа и окисления сернистого ангидрида в четырехслойном контактном аппарате с фильтрующими слоями катализатора.

Реакторы или контактные аппараты для каталитического окисления оксида серы (IV)по своей конструкции делятся на аппараты с неподвижным слоем катализатора (полочные или фильтрующие), в которых контактная масса расположена в 4-5 слоях, и аппараты кипящего слоя. Отвод тепла после прохождения газом каждого слоя катализатора осуществляется путем введения в аппарат холодного воздуха или газа, или с помощью строенных в аппарат или вынесенных отдельно теплообменников.

В настоящее время в производстве серной кислоты и олеума контактным методом наиболее распространенной является технологическая схема с использованием принципа двойного контактирования «ДКДА» (двойное контактирование – двойная абсорбция). Часть подобной схемы, за исключением печного отделения и отделения общей очистки газ, технологически однотипных для всех схем, представлена на рис. 9.

Производительность установки до 1500 т/сут по моногидрату. Расходные коэффициенты (на 1 т моногидрата): колчедан 0,82 т, вода 50 м 3 , электроэнергия 82 кВт·ч.

Рис. 9. Технологическая схема производства серной кислоты из колчедана двойным контактированием ДКДА.

1 – полая промывная башня, 2 – промывная башня с насадкой, 3 – увлажнительная башня, 4 – электрофильтры, 5 – сушильная башня, 6 – турбогазодувка, 7 – сборники 75 %-ной кислоты, 8 – сборник продукционной кислоты, 9 – теплообменники, 10 – контактный аппарат, 11 – олеумный абсорбер, 12 и 13 – моногидратные абсорберы. Потоки продуктов: I – печной газ при 300 о С, II – 75 %-ная серная кислота, III – охлажденная 98 %-ная кислота, IV – продукционная кислота на охлаждение, V – охлажденный олеум или моногидрат, VI – продукционный олеум на охлаждение, VII – выхлопные газы.

6. Материальный баланс 1 ступени контактного аппарата окисления сернистого газа.

Данные для расчета:

1. Общая производительность по серной кислоте в пересчете на моногидрат – 127 т/час;

2. полнота абсорбции серного ангидрида – 99,8 %;

3. состав исходного газа:

SО 2 – 6,82 % (об.), О 2 – 10,4 % (об.), СО 2 – 0,4 % (об.), N 2 – 82,38 % (об.);

температура 520 о С;

степень достижения равновесия – α = 0,650

1. Рассчитаем равновесную степень превращения SО 2 в SО 3 . Рассмотрим расчет равновесия по известным значениям К р для реакции окисления диоксида серы:

SО 2 + 0,5О 2 + СО 2 +N 2 <=> SО 3 + СО 2 +N 2

где а, b, т, п – количество (моль) компонентов исходной смеси SО 2 , О 2 , СО 2 и N 2 (а + b+ т + п = 1).

Количество каждого компонента (моль) при достижении равновесной степени превращения х А,е составит

SО 2 О 2 СО 2 N 2 SО 3

а – а · х А,е b – 0,5а · х А,е т п а · х А,е

Общее число равновесной смеси:

а – а · х А,е + b – 0,5а · х А,е + т + п + а · х А,е = 1 – 0,5а · х А,е

Константа равновесия

может быть рассчитано по уравнению (стр.433, ):

При температуре 520 о С (793 К) константа равновесия равна:

Состояние равновесия реакции можно характеризовать значениями равновесной степени превращения

Обозначив общее давление через р, выразим равновесные давления компонентов:

(6)

Подставляя исходные данные в уравнение (6), получим (р = 0,1 МПа):

Откуда методом итераций находим и, следовательно, в равновесной смеси содержится:

SО 3 – 6,38 % (об.), SО 2 – 0,688 % (об.), О 2 – 7,54 % (об.), СО 2 – 0,412 % (об.), N 2 – 84,98 % (об.);

2. Практическая степень превращения равна:

3. Суммарное уравнение окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI) и абсорбции оксида серы (VI) с образованием серной кислоты:

SО 2 + 0,5О 2 + Н 2 О Н 2 SО 4

64 г/моль 98 г/моль

Исходя из уравнения реакции для получения 127 кг/ч серной кислоты необходимо оксида серы (IV):

кг

С учетом рассчитанной степени превращения и заданной полноты абсорбции, практически необходимо оксида серы (IV):

кг

моль

4. Пересчитаем объемный состав газа в массовый.

моль

Количество компонентов исходной смеси равно:

моль

моль

моль

Количество компонентов полученного газа:

моль

кг

моль

кг

Общее количество моль газовой смеси равно

моль

моль

моль

моль

Результаты расчетов сведем в таблицу 3

Таблица 3. Материальный баланс процесса контактного аппарата окисления сернистого газа.

Литература.

1. Кутепов А. М. Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология. М. Высш. школа. 1990.

2. Соколов Р. С. Химическая технология. – М: Гуманит. изд. Центр БЛАДОС, 2000.

3. Расчеты химико-технологических процессов // Под общ. ред. И. П. Мухленова. - Л.: Химия, 1976

4. Бесков В. С., Сафронов В. С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. - М.: Химия, 1999.

5. Общая химическая технология и основы промышленной экологии.// под ред. В. И. Ксензенко. - М.: «КолосС», 2003.

“Едва ли найдется другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике, как серная кислота.

Где нет заводов для ее добывания - немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющих важное технические значение”

Д.И. Менделеев

Серная кислота применяется в разнообразных производствах химической промышленности:

• минеральных удобрений, пластмасс, красителей, искусственных волокон, минеральных кислот, моющих средств;
• в нефтяной и нефтехимической промышленности:

для очистки нефти, получения парафинов;

• в цветной металлургии:

для получения цветных металлов - цинка, меди, никеля и др.

• в черной металлургии:

для травления металлов;

• в целлюлозно-бумажной, пищевой и легкой промышленности (для получения крахмала, патоки, отбеливания тканей) и т.д.

Производство серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.

Контактный способ производства серной кислоты

Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах.

В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:

Получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;

- уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами

I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты.

Основное сырьё

сера - S

серный колчедан (пирит) - FeS 2

сульфиды цветных металлов - Cu 2 S , ZnS , PbS

сероводород – H 2 S

Вспомогательный материал

Катализатор - оксид ванадия – V 2 O 5

II. Подготовка сырья.

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS 2 .

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 . Основные химические процессы:

4 FeS 2 + 11 O 2 t = 800° C → 2 Fe 2 O 3 + 8 SO 2 + Q или сжигание серы S + O 2 t ° C → SO 2

2SO 2 + O 2 400-500° С ,V2O5 , p ↔ 2SO 3 + Q

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 + Q

IV . Технологические принципы:

Принцип непрерывности;

Принцип комплексного использования сырья, использование отходов другого производства;

Принцип безотходного производства;

Принцип теплообмена;

Принцип противотока (“кипящий слой”);

Принцип автоматизации и механизации производственных процессов.

V . Технологические процессы:

Принцип непрерывности: обжиг пирита в печи →поступление оксида серы (IV ) и кислорода в очистительную систему →в контактный аппарат →подача оксида серы (VI ) в поглотительную башню.

VI . Охрана окружающей среды:

1) герметичность трубопроводов и аппаратуры

2) газоочистительные фильтры

VII . Химизм производства :

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

Для получения серной кислоты используют, в основном,флотационный колчедан - отход производства при обогащении медных руд, содержащих смеси сернистых соединений меди и железа. Процесс обогащения этих руд происходит на Норильской и Талнахской обогатительных фабриках, которые и являются основными поставщиками сырья. Это сырье является более выгодным, т.к. серный колчедан добывают, в основном, на Урале, и, естественно, доставка его может быть очень дорогостоящей. Возможно использование серы , которая также образуется при обогащении руд цветных металлов, добываемых на рудниках. Поставщиками серы являются также ТОФ и НОФ. (обогатительные фабрики).

Уравнение реакции первой стадии

4FeS 2 + 11O 2 t = 800°C → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 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. В “кипящем слое” не слеживаются даже самые мелкие частицы пирита. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро. Если раньше для обжига пирита требовалось 5-6 часов, то теперь - всего несколько секунд. Притом, в “кипящем слое” можно поддерживать температуру 800°С.

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 Fe 2 O 3 (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: SO 2 , O 2 , 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). Для удаления мелких частиц смесь направляем в электрофильтры, где идет очищение под действием тока высокого напряжения ~ 60000 В (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. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.

На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO 2 и кислорода О 2 .

ВТОРАЯ СТАДИЯ – каталитическое окисление SO 2 в SO 3 кислородом в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии:

2 SO 2 + O 2 400-500°С, V 2 O 5 ,p ↔ 2 SO 3 + 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 SO 3).

Из уравнения следует, что реакция обратимая, а, значит, на этой стадии необходимо поддерживать такие условия, чтобы равновесие смещалось в сторону выхода SO 3 , иначе нарушится весь процесс. Т.к. реакция идет с уменьшением объема (3 V ↔2 V ), то необходимо повышенное давление. Повышают давление до 7-12 атмосфер. Реакция экзотермическая, поэтому, учитывая принцип Ле-Шателье, при высокой температуре этот процесс вести нельзя, т.к. равновесие сдвинется влево. Начинается реакция при температуре = 420 градусов, но благодаря многослойности катализатора (5 слоев), мы можем ее повышать до 550 градусов, что значительно ускоряет процесс. Катализатор используют ванадиевый (V 2 O 5). Он дешевый, долго служит (5-6 лет), т.к. наиболее устойчив к действию ядовитых примесей. Кроме того, он способствует сдвигу равновесия вправо.

Смесь (SO 2 и O 2) нагревается в теплообменнике и движется по трубам, между которыми в противоположном направлении проходит холодная смесь, которую надо нагреть. В результате происходит теплообмен : исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO 3 серной кислотой в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO 3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO 3 + H 2 O →H 2 SO 4 . 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: H 2 SO 4 ·nSO 3 .

Уравнение реакции этого процесса:

NSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3

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

Контактным способом производится большое количество сортов серной кислоты, в том числе олеум, содержащий 20% свободной SO 3 , купоросное масло (92,5% H 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 из сернистого газа включает три стадии: 1) очистку газа от вредных для катализатора примесей; 2) контактное окисление диоксида серы в триоксид; 3) абсорбцию триоксида серы серной кислотой. Главной стадией является контактное окисление SO 2 в SO 3 ; по названию этой операции именуется и весь способ.

Контактное окисление диоксида серы является типич­ным примером гетерогенного окислительного экзотермического ка­тализа.

Равновесие обратимой реакции
2SO 2 + О 2 D 2SO 3 , ΔН= –2×96, 7 кДж (500°С) (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 . Повышение давления увеличивает и скорость реакции (а).

Открыты сотни веществ, ускоряющих реакцию окисления SO 2 , но были приме­нены в производстве лишь три катали­затора: 1) металлическая платина; 2) ок­сид железа; 3) пентаоксид ванадия.

Однако платина вышла из употребления вследствие дороговиз­ны и легкой отравляемости примесями обжигового газа, особен­но мышьяком. Оксид железа дешевый, не отравляется мышьяком, но при обычном составе газа (7% SO 2 и 11% О 2) он проявляет каталитическую активность только выше 625 °С, и поэтому применялся лишь для начального окисления SO 2 . 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 в РФ. Ванадиевая контактная мас­са содержит в среднем 7% V 2 O 5 ; активаторами являются оксиды щелочных металлов, обычно применяют активатор К 2 О; носите­лем служат пористые алюмосиликаты или диоксид кремния. Обыч­ные ванадиевые контактные массы представляют собой пористые гранулы, таблетки или кольца. При катализе оксид калия превра­щается в K 2 S 2 O 7 , а контактная масса представляет со­бой пористый носитель, поверхность пор которого смочена плен­кой раствора пентаоксида ванадия в жидком пиросульфате калия.

Ванадиевая контактная масса эксплуатируется при 400-600°С. При увеличении температуры выше 600 °С начинается необрати­мое снижение активности катализатора вследствие изменения структуры зерна и состава активного компонента. При понижении температуры активность катализатора резко снижается вследствие превращения V +5 в V +4 с образованием малоактивного сульфа­та ванадила VOSO 4 .

Процесс катализа слагается из диффузионных и кинетических стадий. В крупных гранулах контактной массы сум­марная скорость процесса определяется диффузией реагентов в порах. Обычно применяют гранулы около 5 мм в поперечнике, при этом на первых стадиях окисления лимитирует скорость диф­фузии в порах, а на последних скорость самого катализа, точнее активированной сорбции кислорода.

Максимальный выход SO 3 для данного времени контакта получается при определенной оптимальной температуре. Следовало бы начинать процесс при максимально возмож­ной температуре 600°С, а затем непрерывно отводить теплоту реакции, с тем чтобы закончить катализ при минимально возмож­ной температуре 400 °С.

В трубчатых аппаратах теплота отводится непрерывно, но та­кие аппараты при испытаниях оказались неудобными в эксплуа­тации. Применяют полочные аппараты со ступенчатым отводом теплоты между полками.

На ряде заводов эксплуатируются четырех- или пятиполочные контактные аппараты с теплообменниками между полками производительностью от 50 до 500 т/сут в пересчете на H 2 SO 4 . Цилиндрический корпус аппарата диаметром до 12 м и высотой до 30 м по габаритам и металлоемкости много меньше системы реак­торов. Одна­ко для современных мощных сернокислотных систем производи­тельностью 1000-1500 т/сут H 2 SO 4 необходимо было бы устанав­ливать в теплообменниках несколько тысяч труб, что создало бы трудности для ремонта аппарата и понизило бы надежность рабо­ты всей химико-технологической системы. Поэтому в составе мощных сернокислотных систем устанавливают полочные аппара­ты без внутренних теплообменников. На рис. 4 представлена схема производства серной кислоты по способу двойного контактирования (ДК) из природной или газовой серы, не содержащей контактных ядов (соединений мышь­яка, селена и др.).

Расплавленная и отфильтрованная от минеральных примесей сера сжигается в потоке предварительно высушенного воздуха. Полученный сернистый газ с массовой долей около 10% SO 2 с температурой свыше 1000 °С охлаждается в паровом котле до 420 °С и поступает в пятислойный контактный аппарат. В трех верхних слоях катализатора происходит окисление диоксида серы примерно на 60% в каждом и адиабатическое повышение темпе­ратуры. Охлаждением газа в теплообменниках между полками достигается сту­пенчатое приближение к оптимальной кривой. На выходе из тре­тьего слоя достигается степень превращения SO 2 в SO 3 на 93- 95%, при этом адиабата приближается к равновесной кривой и скорость реакции сильно уменьшается. Поэтому в способе двойно­го контактирования (ДК) газ после третьего слоя поступает на абсорбцию, триоксид серы поглощается практически полностью; равновесие не лимитирует процесс; соотношение О 2: SO 2 дости­гает 10: 1 и в четвертом слое содержащийся в газе диоксид серы (около 0,5%) окисляется на 90-95%.

По схеме, представленной на рис. 4, газ после четверто­го слоя охлаждается добавкой холодного воздуха, проходит еще пятый слой, после которого общая степень превращения составля­ет 99,5% или выше. Однако и такая степень превращения не пол­ностью удовлетворяет современным требованиям по охране приро­ды.

Абсорбция триоксида серы проводится в башнях с насадкой, орошаемых раствором кислоты, которая содержит 98,3-98,6% H 2 SO 4 . Такая кислота в технике называется моногидратом. Она, являясь азеотропной смесью, обладает наи­лучшей поглотительной способностью. Степень абсорбции свыше 99%. При небольшом разбавлении кислоты над нею появляются водяные пары, образующие с SO 3 мельчайшие капельки сернокис­лотного тумана, которые плохо улавливаются в башнях с насадкой. Степень абсорбции резко снижается. Для улучшения абсорб­ции кислоту, поступающую в абсорберы, охлаждают в трубчатых холодильниках воздухом или водой до 60-70°С. В абсорберах и сушильной башне количество циркулирующей орошающей кисло­ты во много раз больше, чем необходимо для поглощения SO 3 , и определяется тепловым балансом. Схема циркуляции кислоты показана на рис. 5.

Небольшая доля кислоты передается на сушильную башню и с нее отбирается готовая продукция - купо­росное масло.

Теплота реакции используется для подогрева воздуха, поступа­ющего в печь сжигания серы, и для нагревания газа, направляе­мого в аппарат после первой стадии абсорбции.

Расходные коэффициенты на 1 т моногидрата H 2 SO 4 составля­ют примерно: серы - 0,34 т, электроэнергии - 85 кВт×ч, воды - 70 м 3 . Коэффициент использования серы - 0,95.

Технологическая система производства сильно усложняется при переработке газа от обжига колчедана, сульфидов цветных металлов и газовой серы, полученной из колчедана. Эти газы со­держат остатки пыли после сухой очистки в печном отделении, контактные яды в виде оксидов мышьяка, селена, аэрозолей цветных металлов, а также водяные пары.

В схему производства входит промывное определение, включающее башни с насадкой и мокрые электро­фильтры.

При охлаждении газа имеющийся в нем триоксид серы и пары воды конден­сируются в виде мельчайших капелек. В этих капельках растворяется оксид мышьяка. Образуется мышьяковокислотный туман, который частично улавлива­ется в промывных башнях. Одновременно улавливаются остатки пыли (первая башня), селен и другие примеси. Образуется гряз­ная серная кислота (до 5% от общей выработки), которую вы­дают как нестандартную продукцию. Окончательная очистка газа от трудноуловимого мышьяковокислотного тумана производится в двух последовательно установленных мокрых электрофильтрах. Капельки тумана заряжаются отрицательно и осаждаются на трубчатых осадительных электродах, изготовленных из свинца или углеродсодержащей пластмассы. Очистка газа завершается осушкой его от паров воды концентрированной серной кислотой в башне с насадкой.

Сухой чистый газ после сушильной башни транспортируется через всю аппаратуру турбокомпрессором.