Производство серной кислоты

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ

Федерального  государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет  «МИФИ» 
 
 

Кафедра экономики 
 
 
 
 
 
 
 

Производство  серной кислоты

Курсовая  работа по дисциплине

«Основы химической технологии» 
 
 
 

                                                Студент гр. В-318

                                                                      ___________ Соловьева Е.Ю. 
 

      Руководитель: профессор

                                                                                  ____________ Софронов В.Л.

                                                                                  «______»__________2011 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Северск – 2011

Содержание 

Введение

       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.

       Серная  кислота широко используется в производстве минеральных удобрений, различных  солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т.д. Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотнимающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления и для многих других целей. [2]

       Последние годы российский рынок серной кислоты  был крайне нестабилен. Крайне негативно  на рынке кислоты отразился и  мировой финансовый кризис. Продажи  серной кислоты за 2008-2009 гг упали на 11,5% – до 8,5 млн т. В 2010 г рынок быстро пошел вверх, к концу года продажи выросли до 9,3 млн т.

       В обозримой перспективе по прогнозам BusinesStat рост продаж серной кислоты продолжится.[7]

       На  долю России приходится практически 70% от всего объема серной кислоты, произведенной в СНГ. На втором месте находится Украина (11%), на третьем — Узбекистан (6,9%). Беларусь занимает 5,7% от общего объема производства H₂SO₄ в СНГ, Казахстан — 4,5% и Туркменистан — 2,2%.

       В России основной объем производства серной кислоты приходится на химическую промышленность (70%). Самыми крупными мощностями располагают ОАО «Аммофос» (2,5 млн тонн), «Балаковские минеральные удобрения» (БМУ, 1,4 млн тонн) и «Воскресенские минеральные удобрения» (ВМУ, 1,1 млн тонн).

       Наша  страна занимает четвертое место в мире по производству серной кислоты после США, Китая и Марокко.[8]

       Целью исследования является изучение темы «Производство серной кислоты» с  точки зрения новейших отечественных  и зарубежных исследований по сходной проблематике.

       В рамках достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

• изучить теоретические аспекты и выявить природу «Производство серной кислоты»;
• сказать об актуальности проблемы «Производство серной кислоты в современных условиях»;
• изложить возможности решения тематики «Производство серной кислоты»;
• обозначить тенденции развития «Производство серной кислоты».

Работа имеет  традиционную структуру и включает в себя введение, основную часть, состоящую  из 4 глав, заключение и библиографический  список. 

1 Аналитический обзор

       1.1 Физические и химические свойства  серной кислоты

       Безводная серная кислота (моногидрат) представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, которая смешивается с водой  во всех соотношениях с выделением большого количества теплоты. Плотность при равна 1,85 г/см³. Она кипит при и замерзает при - . Серной кислотой называют не только моногидрат, но и водные растворы его ( + ), а также растворы триоксида серы в моногидрате ( + называемые олеумом). Олеум на воздухе «дымит» вследствие десорбции из него . Чистая серная кислота бесцветна, техническая окрашена примесями в темный цвет.

       Для производства, транспортировки, применения серной кислоты большое значение имеет изменение температуры  плавления и температуры кипения  ее в зависимости от концентрации. При увеличении концентрации от 0% до 64,35% (своб.) последовательно образуется шесть гидратов, являющихся индивидуальными химическими соединениями, которые взаимно нерастворимы в твердом виде, а образуют эвтектические смеси. В области концентраций 64,35 до 100% при кристаллизации образуются твердые растворы. В зимнее время при низких температурах нельзя производить и применять кислоту концентрацией, близкой к чистой ; и так как из этих растворов могут выпадать кристаллы, которые забьют кислотопроводы между цехами, хранилища, насосы и неутепленную аппаратуру. Все товарные сорта серной кислоты имеют концентрации, близкие к эвтектическим смесям.

       Смесь, соответствующая 98,3% , является азеотропной и имеет единую температуру конденсации паров и кипения жидкости . При небольшом изменении состава в обе стороны от азеотропной точки температура начала конденсации пара, называемая точкой росы, сильно отличается от температуры начала кипения жидкого раствора. Соответственно отличаются составы жидкой фазы и полученных из нее паров (или наоборот).

       Пары  серной кислоты при повышении температуры диссоциируют: и выше уже содержат больше молекул , чем . Дальнейшее нагревание вызывает диссоциацию Выше в парах преобладает , а выше диссоциирует почти полностью. Степень диссоциации меняется при изменении давления. Такого рода термическая диссоциация характерна для сложных химических соединений. [3]

       Серная  кислота весьма активна. Она растворяет оксиды металлов и большинство чистых металлов, вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты  из солей. Особенно жадно серная кислота  соединяется с водой благодаря способности давать гидраты. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и даже кислородных производных углеводородов, которые содержат не воду как таковую, а водород и кислород в сочетании Дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу , крахмал и сахар, разрушаются в концентрированной серной кислоте; вода связывается с кислотой и от ткани остается лишь мелкодисперсный углерод. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.[4]

       1.2 Сырьевые источники

       Процесс получения серной кислоты протекает  по двум реакциям:

           (I)

         (II)

       Реакция (I) описывает окисление сернистого ангидрида, в результате чего получается серный ангидрид. Вторая реакция (II) показывает взаимодействие серного ангидрида и воды с получением серной кислоты. Из уравнений (I) и (II) следует, что для получения серной кислоты необходимы кислород, получаемый из воздуха, вода и сернистый ангидрид.

       Следовательно, первым сырьевым материалом для производства серной кислоты является воздух, вторым – вода, третьим – сернистый  ангидрид. Откуда же берут сернистый ангидрид? Сырьем для получения сернистого ангидрида, а следовательно, и серной кислоты служит сера или материалы, в состав которых входит сера.

       Сера  – твердое желтое вещество, имеющее  температуру плавления  и кипящее при . Сера встречается в природе в так называемых серных рудах, в которых она смещена с другими веществами. При нагревании серной руды сера, расплавляясь, вытекает из нее. На этом принципе основан один из методов извлечения ее из серных руд.

       Развитие  процессов получения серы из отходящих  газов увеличивает значение серы для сернокислотной промышленности.

       Серный  колчедан – желтовато – серый  с блестящими вкраплениями камень. В состав колчедана входит минерал  пирит  . Содержание серы в колчедане колеблется от 35 до 50%, а железа – от 30 до 43%. Остальное составляют примеси – соединения меди, цинка, свинца, мышьяка, селена и др. Добытый на рудниках колчедан в виде кусков различной величины доставляют на химические заводы. Такой колчедан называют рядовым.

       Помимо  этого, серный колчедан может быть получен  из медных руд, идущих на производство меди и имеющих в своем составе  .При переработке медной руды на специальных предприятиях – обогатительных фабриках – получают продукт, в котором содержится много меди (медный концентрат), и отход (флотационные хвосты), богатый серным колчеданом. Медный концентрат поступает на медеплавильные заводы, а отход производства – флотационные хвосты, являющиеся важнейшим сырьем для производства серной кислоты, - на химические заводы. Таким образом, медные руды используются комплексно.

       Газы  металлургических печей, в которых  перерабатывают руды меди, цинка и  других цветных металлов, содержат сернистый ангидрид. Выходя из печей, они загрязняют атмосферный воздух, губят растительность и вредно отражаются на здоровье людей.

       Из  этих газов получают серу по реакциям:

       Использование отходящих газов цветной металлургии  имеет большое народнохозяйственное значение, так как позволяет одновременно решать две задачи – получение серной кислоты  без затрат колчедана или серы и обезвреживание атмосферы.

       Сероводород извлекают из газов, получаемых при  химической переработке углей нефти. Его окисляют кислородом воздуха до сернистого ангидрида:

       или до элементарной серы:

       Полученный  при этом или серу используют для производства серной кислоты.[2]

       1.3 Методы получения

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

       Ныне  серная кислота производится двумя  способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в  промышленности в конце XIX и начале XX в. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный).

       Первой  стадией сернокислотного производства по любому методу является получение сернистого газа при сжигании сернистого сырья. После очистки сернистого газа (особенно в контактном методе) его окисляют до серного ангидрида, который соединяется с водой с получением серной кислоты. Окисление в в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

       В контактном методе производства серной кислоты окисление сернистого ангидрида  в серный осуществляется на твердых контактных массах. Благодаря усовершенствованию контактного способа производства себестоимость более чистой и высококонцентрированной контактной серной кислоты лишь незначительно выше, чем башенной. В настоящее время около 80% всей кислоты производится контактным способом. 
 
 

       Рисунок 1.1 - Схема производства серной кислоты контактным способом: 1, 2—промывные башни (полая и с насадкой); 3 — электрофильтр; 4 — башня с насадкой; 5 - турбокомпрессор; 6 - теплообменник; 7 — контактный аппарат; 8 - холодильный; 9 — башня для абсорбера; 10 - башня для орошения; 11 — кислотный холодильник; 12 — сборник; 13 -центробежный насос

       В нитрозном способе катализатором  служат окислы азота. Окисление  происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой. Поэтому нитрозный способ по аппаратурному признаку называют башенным.

       Сущность  башенного способа заключается  в том, что полученный при сжигании сернистого сырья сернистый газ, содержащий примерно 9% и 9 – 10% , очищается от пылевидных примесей (частиц колчеданного огарка) и поступает в башенную систему, состоящую из нескольких (четырех – семи) башен с насадкой. Температура газа на входе в первую башню около . В башнях протекает ряд абсорбционно – десорбционных процессов, осложненных химическими превращениями. В первых двух – трех башнях насадка орошается нитрозой, в которой растворенные окислы азота химически связаны в виде нитрозилсерной кислоты .

       При высокой температуре нитрозилсерная кислота гидролизуется по уравнению:

             (а)

       Сернистый ангидрид абсорбируется водой и  образует сернистую кислоту:

                                 (б)

       последняя реагирует с окислами азота в  жидкой фазе:

                  (в)

       Частично  может окисляться в газовой фазе:

                           (г)

        , абсорбируясь водой, также  дает серную кислоту:

                                       (д)

       Окись азота десорбируется в газовую  фазу и окисляется до двуокиси азота  кислородом воздуха:

                                           (е)

       Окислы  азота  поглощается серной кислотой в последующих трех – четырех башнях по реакции, обратной уравнению (а). Для этого в башни подают охлажденную серную кислоту с малым содержанием нитрозы, вытекающую из первых башен. При абсорбции окислов получается нитрозилсерная кислота, участвующая в процессе. Таким образом, окислы азота совершают кругооборот и теоретически не должны расходоваться. На практике же из – за неполноты абсорбции имеются потери окислов азота. Расход окислов азота в пересчете на составляет 10 – 20 кг на тонну моногидрата .

       Нитрозным способом получают загрязненную примесями  и разбавленную 75 – 77% - ную серную кислоту, которая используется в  основном для производства минеральных удобрений.[5]

       Рисунок 1.2 – Схема производства серной кислоты  нитрозным методом 

       1 - денитрационная башня; 2, 3 - первая  и вторая продукционные башни; 4 - окислительная башня; 5, 6, 7 - абсорбционные  башни; 8 - электрофильтры. 

2 Технологическая  схема получения  серной кислоты  контактным методом  и ее описание 

       Производство  серной кислоты контактным способом состоит из следующих стадий:

1. очистка газа от примесей, вредных для процесса контактного окисления в ;
2. окисление в на поверхности твердого катализатора;
3. поглощение трехокиси серы серной кислотой с получением концентрированной серной кислоты и олеума.

       Отличия между отдельными технологическими схемами заключается в способах очистки газов от вредных примесей (мышьяк, селен и др.), в применяемых катализаторах и их носителях, а также в конструктивных особенностях отдельных аппаратов и в технологическом режиме.

       На  рис 1.3 изображена принципиальная схема контактного цеха, работающего на колчедане. Обжиговый газ ( ) через огарковый электрофильтр 1 поступает в промывную башню 2, где охлаждается примерно до орошающей башню 60-70% - ной серной кислотой. Кислота, вытекающая из башни, охлаждается в водяном оросительном холодильнике 8 и снова перекачивается на орошение башни 2. Из первой промывной башни газ поступает во вторую промывную башню 3, орошаемую 30% - ной серной кислотой, где дополнительно охлаждается примерно до . Вытекающая из башни 3 кислота, пройдя холодильник 8, вновь подается на орошение этой башни.

       В промывных башнях газ освобождается  от остатков пыли; здесь из трехокиси  серы, всегда присутствующей в обжиговом газе, образуются также пары серной кислоты. При конденсации паров в объеме кислота переходит в туманообразное состояние. Трехокись мышьяка при охлаждении газа переходит непосредственно в твердое состояние. Туманообразная серная кислота и трехокись мышьяка только частично улавливаются в промывных башнях.

       Для окончательной очистки газа от тумнообразной  серной кислоты, соединений мышьяка  и селена газ последовательно  пропускают через мокрые электрофильтры 4 и 6. Перед вторым электрофильтром 6 газ увлажняется в башне 5, орошаемой 5% - ной серной кислотой. Благодаря увлажнению мелкие частицы тумана, не уловленные в электрофильтре 4, укрупняются и полностью оседают в электрофильтре 6.

       Кислота, вытекающая из увлажнительной башни, охлаждается  в холодильнике 8 и снова подается на орошение башни. Из электрофильтра 6 очищенный газ при температуре около направляется на осушку от влаги в башню 7, орошаемую концентрированной серной кислотой (93-95% - ной). После осушки газ должен содержать не более 0,15 г/см³ водяного пара. Кислота из башни 7, пройдя в холодильник 8, снова направляется на орошение башни. Часть кислоты отводится на склад.

       Очищенный сухой газ турбокомпрессором 10 через  фильтр 11 подается в теплообменник 13, где подогревается горючими газами, выходящими из контактного аппарата 14. Подогретый газ из теплообменника 13 поступает в контактный аппарат, где двуокись серы окисляется до трехокиси серы на 97-98,5% и более.

       В период пуска системы газ предварительно нагревается в подогревателе 12 топочными газами, поступающими из расположенной рядом топки.

       Горючий газ, выходящий из контактного аппарата, в теплообменнике 13 отдает тепло  свежему газу, подаваемому турбокомпрессором, далее поступает в водяной  трубчатый холодильник 15, где охлаждается до , а затем направляется на абсорбцию.

       Абсорбция происходит в двух последовательно расположенных башнях 16 и 17. Первая по ходу газа башня 16 орошается олеумом, содержащим 18,5 - 20% (своб.). Вторая башня 17 орошается серной кислотой (98,3% ). Серная кислота и олеум, вытекающие из башен 16 и 17, охлаждаются в водяных оросительных холодильниках 8 и вновь подаются на орошение башен. Часть олеума отводится на склад. В башнях 16 и 17 улавливается до 99,9% .

       Отработанные  газы, содержащие остатки двуокиси серы, перед удалением в атмосферу  целесообразно пропускать через  специальную башню 18, снабженную насадкой и орошаемую аммиачной водой.

       В этой башне образуются растворы солей  аммония: сульфита аммония  , биосульфита аммония и сульфата аммония

       Полученные  в башне 18 растворы солей аммония могут быть использованы для получения 100% - ной двуокиси серы (путем отгонки из раствора паром) или переданы на переработку в другие химические производства.[6] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3 Технологические  расчеты оборудования

       3.1 Печь обжига колчедана

       3.1.1 Исходные данные для расчетов

       Пирит содержит 1% Al₂O₃. Избыток воздуха составляет – 20 % от стехиометрии. Степень реагирования пирита – 98 %.