Проект организации производства серной кислоты

Серной кислотой называют не только моногидрат, но и водные растворы его (Н₂SО₄ * nН₂О), а также растворы серного ангидрида в моногидрате (Н₂SО₄ * nSО₃), называемые олеумом. Олеум на воздухе «дымит» вследствие десорбции из него SО₃. Чистая серная кислота бесцветна, техническая окрашена примесями в черный цвет.

Н₂SО₄*(n-1)SО₃← Н₂SО₄→ Н₂SО₄*(m -1)Н₂О

         олеум        моногидрат    водная кислота

При m = n =1 это моногидрат, при m >n –  водные растворы, при m<n – растворы оксида серы в моногидрате. При смешении с водой образуются гидраты состава  Н₂SО₄* 2Н₂О; Н₂SО₄* 4Н₂О и соединения с оксидом серы Н₂SО₄* SО₃ и Н₂SО₄* 2SО₃.

 

1.1. Технические параметры согласно ГОСТ 2184-77

 

Настоящий стандарт распространяется на техническую  серную кислоту следующих видов: контактную (улучшенную и техническую); олеум (улучшенный и технический); башенную и регенерированную.

По  физико-химическим показателям серная кислота должна соответствовать  нормам, указанным в таблице 1.

 
  Таблица 4. ГОСТ 2184-77. Кислота серная техническая

Наименование  показателя	Норма
	Контактная			Олеум		Башенная	Регенерированная
	Улучшенная	Техническая		Улучшенный	Технический
		1-й  сорт	2-й  сорт
1. Исключен (Изм. № 3).
2.Массовая  доля моногидрата (H2SO4), %	92,5-94,0	Не менее 92,5		Не нормируется		Не менее 75	Не менее 91
3. Массовая  доля свободного серного ангидрида  (SO3), %, не менее	-	-	-	24	19	-	-
4. Массовая доля железа (Fe), %, не более	0,006	0,02	0,1	0,006	Не нормируется	0,05	0,2
5. Массовая  доля остатка после прокаливания, %, не более	0,02	0,05	Не нормируется	0,02	То же	0,3	0,4
6. Массовая  доля окислов азота (N2O3), %, не более	0,00005	Не нормируется		0,0002	Не нормируется	0,05	0,01
7. Массовая  доля нитро-соединений, %, не более	Не нормируется						0,2
8. Массовая  доля мышьяка (As), %, не более	0,00008	Не нормируется		0,00008	Не нормируется
9. Массовая  доля хлористых соединений (Cl), %, не более	0,0001	Не нормируется
10. Массовая  доля свинца (Pb), %, не более	0,001	Не нормируется		0,0001	Не нормируется
11. Прозрачность	Прозрачная без  разбавления	Не нормируется
12. Цвет, см3 раствора сравнения, не более	1	6	Не нормируется

 

 

1.2. Области применения серной кислоты

 

Серную кислоту используют буквально  во всех отраслях химической промышленности (рис.1). Она служит одним из главных химических продуктов, определяющих развитие химической промышленности — недаром называют ее «хлебом химии». В химической промышленности серную кислоту используют для производства удобрений — суперфосфата, сульфата аммония, аммофоса и др.

Области применения серной кислоты  и олеума весьма разнообразны. Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений (от 30 до 60 %), многие кислоты (фосфорная, уксусная, соляная) и соли производятся в значительной части при помощи серной кислоты. Серная кислота широко применяется в производстве цветных и редких металлов, 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. На рисунке представлены области применения серной кислоты.

Рис. 1. Применение серной кислоты

 

 

1.3. Описание технологического метода производства химической продукции

 

Сырьем в производстве серной кислоты  могут быть элементарная сера и различные серосодержащие 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).

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.

Производство серной кислоты из серосодержащего 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 SО₂ в SО₃, различают два основных метода получения серной кислоты: нитрозный и контактный.

В контактном методе получения  серной кислоты процесс окисления SО₂ в SО₃ проводят на твердых катализаторах. Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса - абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SО₃ + Н₂О

Н₂SО₄

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:

SО₂ + N₂О₃ + Н₂О

Н₂SО₄ + 2NО

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью. Рассмотрим метод поулчения серной кислоты из пирита (серного колчедана) Fe₂S.

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

- окисление дисульфида железа  пиритного концентрата кислородом  воздуха:

4FеS₂ + 11О₂ = 2Fе₂S₃ + 8SО₂,

- каталитическое окисление оксида  серы (IV) избытком кислорода печного газа:

2SО₂ + О₂

2SО₃

- абсорбция оксида серы (VI) с  образованием серной кислоты:

SО₃ + Н₂О

Н₂SО₄

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

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. Термостатирование газа в контактном аппарате в этом методе осуществляется обычно путем ввода холодного воздуха между слоями катализатора.

3) 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 последовательные стадии:

1. Получение сернистого  ангидрида (SO₂) путем сжигания сероводородсодержащего газа по следующей реакции:

2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2 H₂O - 519 кДж

2. Охлаждение дымовых газов и  утилизация тепла реакции горения  сероводорода в котле-утилизаторе  с получением водяного пара.

3. Окисление сернистого  ангидрида до серного ангидрида  (SO₃) на ванадиевом катализаторе в контактном аппарате (конвертере) R-104 по следующей реакции:

2SO₂ + O₂ = 2 SO₃ - 96 кДж

4. Получение серной кислоты (H₂SO₄) путем конденсации в конденсаторе WSA У-109 по реакции:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ - 92 кДж

5. Для получения улучшенной  серной кислоты (содержание оксидов азота N₂O₃ менее 0,5 ppm) предусмотрена схема подачи гидразин-гидрата в поток серной кислоты, поступающей на участок концентрирования серной кислоты.

Гидразинсульфат, полученный при добавлении гидразина к серной кислоте, взаимодействует  с нитрозилсернистой кислотой, обуславливающей содержание N₂О₃ в продуктовой кислоте:

4NOSO₃H + N₂H₄^·              H₂SO₄ 3N₂ + 5H₂SO₄

Избыток гидразина окисляется с  образованием элементарного азота:

N₂H₄^·H₂SO₄ + O₂          N₂ +2H₂O + H₂SO₄

В процессе производства серной кислоты  для окисления сернистого ангидрида в серный применяются ванадиевый катализатор. Он представляет собой пористое вещество, на которое нанесено активное комплексное соединение, содержащее пятиокись ванадия V₂O₅.

В данном случае применяется катализатор  марки VK-WSA фирмы "Хальдор Топсе".

Температура зажигания катализатора 400-430 ºС. При температуре выше 620 °С активность катализатора быстро снижается, т.к. при этом распадается активный комплекс, содержащий пятиокись ванадия (V₂O₅), а также разрушается структура носителя, что приводит к разрушению катализатора и образованию пыли.

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 SО2 в SО3. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SО2. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Расчетно-аналитическая часть

 

2.1. Выбор и расчет потребности в основном технологическом оборудовании для выполнения производственной программы

 
  
 Таблица 2. Основные технико-экономические характеристики технологического оборудования