Технологическая схема производства серной кислоты контактным способом

Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………………………….....

1.Технологическая  часть………………………………………………………………

     1.1 Серная кислота:  физико-химические свойства, применение………….........

     1.2 Способы получения серной кислоты ………………………………………...

     1.3 Характеристика исходного сырья……………………………………............

2. Технологическая  схема производства серной кислоты контактным способом…..

      2.1 Производство  серной кислоты из железного  колчедана……………………...

     2.2 Печи для обжига колчедана…………………………………………………..

3.Расчетная часть……………………………………………………………………. .

     3.1 Материальный  баланс.……………………………………………………......

      3.2 Тепловой баланс ……………………………………………………………......

4. Охрана окружающей среды, связанная с производством

серной кислоты……………………………………………………………………….....

5.Заключение ………………………………………………………………………........

6.Список использованной литературы ……………………………………..................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Химическое производство представляет собой сложную химико-технологическую

систему (ХТС), сложность которой  определяется как наличием большого

количества связей, элементов и  подсистем, так и разнообразием  решаемых задач.

Основной целью химического  производства является получение химического

(целевого) продукта заданного качества  при минимальных затратах и  возможно

меньшим количестве отходов. Для анализа  ХТС и возможности их оптимизации

необходима модель процесса, отражающая, в первую очередь, связи между

элементами и их взаимное влияние  друг на друга. Основой такой модели служит

баланс масс в системе.

Расчет материального баланса является основным этапом в проектной работе

инженеров химиков-технологов. На основе материальных балансов определяется

целый ряд важнейших техно-экономических  показателей и характеристик  основных

аппаратов. Из данных материальных балансов определяют: расход сырья и

вспомогательных материалов для обеспечения  заданной производительности;

тепловой баланс и, соответственно, расход энергии и теплообменную  аппаратуру;

экономический баланс производства, себестоимость продукции и, следовательно,

рентабельность производства. Материальный баланс позволяет оценить степень

совершенства производства (комплексность  использования сырья, номенклатуру и

количество отходов), а также  проанализировать причины потерь. При  расчете

баланса задаются величиной механических потерь, которая, как правило, не

должна превышать 5%. Эти потери определяются не столько несовершенством

технологии или дефектами оборудования, сколько культурой производства в

целом.

 

 

1.Технологическая часть

 

1. Серная кислота: физико-химические свойства, применение

 

Физические свойства

Серная кислота H₂SO₄— сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO3. Если молярное отношение SO₃: H₂O 1, — раствор SO₃ в серной кислоте (олеум). Реактивная серная кислота имеет обычно плотность 1,84 г/см³ и содержит около

95 % H₂SO₄. Затвердевает она лишь ниже -20 °С.  Температура плавления моногидрата равна 10,37 °С при теплоте плавления 10,5 кДж/моль. В обычных условиях он представляет собой очень вязкую жидкость с весьма высоким значением диэлектрической проницаемости (e = 100 при 25 °С). Стандартная энтальпия образования ДH=298 кДж/моль. Стандартная энергия Гиббса образования ДG=298 кДж/моль. Стандартная энтропия образования S=298 Дж/моль·K. Стандартная мольная теплоемкость C_p =298 Дж/моль·K. 

Химические свойства

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

H₂SO₄ = H⁺ + HSO₄^- - первая ступень

HSO₄ =H⁺ + SO₄^2- - вторая ступень

В концентрированных  растворах диссоциация серной кислоты  по второй ступени незначительна. Серная кислота - сильнейшее дегидратирующее (водоотнимающее) вещество. Она поглощает влагу из воздуха (гигроскопична), отнимает воду от кристаллогидратов:  

H₂SO₄ конц. +CuSO₄*5H₂O голубой = CuSO₄ белый + 5H₂O;

 углеводов:

(обугливает дерево и  бумагу):

H₂SO₄конц.+ C₁₂H₂₂O= 12C + 11H₂O ;

 спиртов:

 H₂SO₄ конц.+ C₂H₅OH = CH₂=CH₂ + H₂O 

 Серная кислота проявляет все свойства сильных кислот:

а) взаимодействует с основными  оксидами, например:  CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

б) с основаниями, например:  2NaOH + H₂SO₄= Na₂ SO₄ + 2H₂O

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

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + CO₂ + H₂O или более летучие (обладающие температурами кипения ниже, чем у серной кислоты):

  NaNO₃тв. + H₂SO₄ конц= NaH SO₄ + HNO₃- при нагревании .

 В окислительно-восстановительных реакциях разбавленная серная кислота проявляет свойства обычной кислоты (неокислитель) - при этом восстанавливаются ионы Н+, например:   Fe + H₂SO₄ разб= Fe SO₄ + H₂ . Разбавленная H₂SO₄ не взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода. Концентрированная серная кислота - кислота-окислитель, при этом восстанавливается сера (+6).  Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода:  Cu + 2 H₂SO₄конц= Cu SO₄ + SO₂ + 2H₂O   и металлы, стоящие левее водорода, при этом сера восстанавливается до степени окисления +4, 0 и -2:

  Zn + 2 H₂SO₄ = Zn SO₄+ SO₂ + 2H₂O (1.12) 3Zn + 4 H₂SO₄ = 3Zn SO₄ + S + 4H₂O

 4Zn + 5 H₂SO₄ = 4Zn SO₄ + H₂S + 4H₂O

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

2Fe + 6 H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O.  Концентрированная серная кислота окисляет неметаллы, например:

C + 2 H₂SO₄ = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O (1.16) S +2 H₂SO₄ = 3SO₂ + 2H₂O Концентрированная серная кислота окисляет также сложные вещества, например HI и HBr:  2HBr + H₂SO₄ = Br₂ + SO₂ + 2H₂O

8HI + H₂SO₄ = 4I₂ + H₂S + 4H₂O ; 

соли железа:  2Fe SO₄ + 2 H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O + SO₂.

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

 

1.2. Способы  получения серной кислоты

 

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

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

В зависимости  от того, как осуществляется процесс  окисления SO2 в SO3, различают два основных метода получения серной кислоты.  В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO2 в SO3 проводят на твердых катализаторах.  Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса – абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:   SO₃ + H₂O = H₂SO₄

  При проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.  Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и конечным продуктом является серная кислота:   SO₂ + N₂O₃ + H₂O= H₂SO₄ + 2NO

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

 

2. Характеристика исходного сырья

 

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

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

 

2. Технологическая  схема производства серной кислоты  контактным способом

 

2.1. Производство  серной кислоты из железного  колчедана

 

Производство серной  кислоты включает в себя следующую последовательность стадий:

Обжиг серного колчедана или  серы.

Окисление диоксида серы.

Абсорбция триоксида серы.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Технологическая схема производства серной кислоты из колчедана :

1- печь; 2- система гидроудаления огарка; 3- котел-утилизатор; 4- циклон с пересыпным устройством; 5- сухой электрофильтр; 6-  полая промывная башня; 

7- насадочная промывная башня; 8,9- мокрые электрофильтры; 10- сушильная башня; 11- фильтр-брызгоуловитель; 12- турбогазодувка; 13- теплообменники контактного узла; 14- контактный аппарат; 15- пусковой подогреватель; 

16- теплообменник; 17- второй моногидратный абсорбер; 18- сборник кислоты; 

19 - холодильник; 20- первый моногидратный абсорбер; 21- олеумный абсорбер; 

22-  холодильник воздушного охлаждения кислоты.

 

 

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

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