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 Cp =298 Дж/моль·K. 

Химические свойства

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

H2SO4 = H+ + HSO4- - первая ступень

HSO4 =H+ + SO42- - 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 + H2

 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 .

 

    1. 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 % SOи 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.

Первая полая  промывная башня 6 работает в испарительном режиме: циркулирующая кислота охлаждает газ, при этом теплота затрачивается на испарение воды из кислоты, поступающей на орошение. Концентрацию орошающей кислоты в первой башне, равную 40... 50%-ной H2SO4, поддерживают постоянной путем разбавления 10... 15%-ной кислотой из второй промывной башни 7. Кислота из второй башни поступает в сборник 18 и после охлаждения возвращается на орошение.

После второй промывной  башни газ проходит последовательно  две пары мокрых электрофильтров 8 и 9, затем насадочную сушильную башню 10, орошаемую 93...94%-ной серной кислотой при температуре 28...30°С. Кислота циркулирует между сушильной башней 10 и сборником 18, часть кислоты отводится как готовая продукция на склад. Для поддержания постоянной концентрации H2SOв сборник кислоты 18 вводят 98... 99%-ную кислоту из моногидратных абсорберов 17 и 20. Для поддержания постоянной температуры на стадии осушки циркулирующую кислоту охлаждают в холодильнике воздушного охлаждения 22. Перед сушильной башней обжиговый газ разбавляют воздухом для снижения в нем концентрации SOдо 9 % и увеличения избытка кислорода в соответствии с оптимальными условиями окисления диоксида серы.

После сушильной  башни обжиговый газ проходит через фильтр-брызгоуловитель 11 и поступает в турбогазодувку 12. В теплообменниках 13 газ нагревается за счет теплоты продуктов реакции до температуры зажигания катализатора (420...440°С) и поступает на первый слой контактного аппарата, где происходит окисление 74 % SOс одновременным повышением температуры до 600°С. После охлаждения до 465°С газ поступает на второй слой контактного аппарата, где степень превращения достигает 86%, а температура газа возрастает до 514ºС. После охлаждения до температуры 450ºС газ поступает на третий слой контактного аппарата, где степень превращения SO увеличивается до 94...94,5 %, а температура повышается до 470°С.

Затем реакционный газ охлаждают в теплообменниках 13 до 100°С и направляют на абсорбцию первой ступени: сначала в олеумный абсорбер 21, затем в моногидратный абсорбер 20. После моногидратного абсорбера и фильтра-брызгоуловителя газ вновь нагревают до температуры 430°С и подают на четвертый слой катализатора. Концентрация SOв газе составляет теперь 0,75...0,85 %. В четвертом слое происходит окисление остаточного SOс конверсией ≈ 80 %, сопровождающееся повышением температуры до 449°С. Реакционную смесь вновь охлаждают до температуры 409°С и направляют на последний (пятый) слой контактного аппарата. Общая степень превращения после пяти стадий контактирования составляет 99,9%.

Газовую смесь после охлаждения направляют в моногидратный абсорбер второй ступени абсорбции 17. Непоглощенный газ, состоящий в основном из воздуха, пропускают через фильтр 11 для выделения брызг и тумана и выбрасывают в атмосферу через выхлопную трубу.

Производительность установки  составляет до 1500 т/сут по моногидрату.

Расход на 1 т моногидрата: колчедана 0,82 т, воды 50 м3, электроэнергии 82 кВт -ч.

 

2.2.  Печи для обжига колчедана

 

Для обжига колчедана  существуют печи различных конструкций: механические полочные (многоподовые), вращающиеся цилиндрические, печи пылевидного обжига, печи для обжига в кипящем слое.

В механических полочных печах обжиг колчедана ведут  на нескольких полках (сводах, подах), расположенных этажами друг над другом. Перемешивание и перемещение колчедана с пода на под производится механически.

Вращающиеся цилиндрические печи представляют собой вращающийся  барабан, установленный наклонно. Колчедан подают с верхнего конца, огарок выгружают  через нижний конец печи.

Печи пылевидного обжига получили свое название в связи с тем, что колчедан в них сжигается в виде тонко измельченной взвеси (пыли), подаваемой через форсунки в шахту печи, представляющую собой вертикальный полый цилиндр.

Печи для обжига колчедана  в кипящем, или, как принято говорить, во взвешенном слое, характеризуются тем, что колчедан в печи находится во взвешенном состоянии, напоминающем кипение. Это достигается продуванием через слой с большой скоростью воздуха.

Производительность печей  выражают в количестве условного колчедана, содержащего 45% серы, сжигаемого в печи в 1 сутки. Для определения производительности печей введено понятие интенсивность.

Интенсивность работы печи характеризуется количеством колчедана, сжигаемого в сутки на 1 мповерхности рабочих подов печи, в 1 мобъема печи или на 1 мсечения шахты печи, т. е. для каждого типа печи принято свое выражение (размерность) интенсивности (напряженности) работы печи.

В качестве реакторов  для обжига колчедана могут применяться  печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС).

Кипящий слой называют также  взвешенным, псевдоожиженным слоем. Внешне такой слои находится как  бы в состоянии кипения. Это достигается тем, что через слой измельченного сырья (например, колчедана), находящегося на решетке с отверстиями, подают воздух с такой скоростью, что колчедан не проваливается через решетку и не лежит на ней, а находится в состоянии беспорядочного движения. Это наглядно показано на рис.2. При кипении объем слоя увеличивается: первоначальная высота его (в покое) Нменьше, чем высота Н, соответствующая состоянию кипения.

Рис. 2. Схема идеального кипящего слоя:

а - неподвижный слой, б - кипящий слой; 1 - аппарат постоянного  поперечного сечения, 2 - распределительная  решетка, 3 - твердые частицы

В настоящее время  новые сернокислотные системы оборудуются  преимущественно печами КС. Механические печи на действующих заводах постепенно заменяются печами этого типа.

Существенными достоинствами  метода обжига колчедана в печах КС являются:

а) возможность получения концентрированного сернистого газа (12 15% SO2) с низким содержанием серного ангидрида и мышьяка в обжиговом газе,

б) высокая интенсивность  печей. Так, интенсивность печей  КС [в кг/(м2сут)] в 80 раз выше интенсивности механических печей и в 4 раза — печей пылевидного обжига.

Печи с взвешенным (кипящим) слоем представляют собой  цилиндрическую футерованную камеру с  решеткой, на которую непрерывно поступает  колчедан. Под решетку подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц во взвешенное состояние, но не достаточной для их уноса из печи. Частицы колчедана находятся в непрерывном движении, напоминающем кипение жидкости. Время пребывания частиц колчедана в печи составляет несколько секунд. Постоянный приток воздуха обеспечивает почти полное выгорание серы из колчедана. Взвешенный слой имеет высоту, определяемую расположением патрубка для вывода огарка. Частицы огарка свободно вылетают через патрубок благодаря высокой подвижности взвешенного слоя (рис.3).

Печи КС отличаются высокой интенсивностью (до 10000 кг/м2∙сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа 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 других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

 Рис.3 – Печь для обжига колчедана в кипящем слое.

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчетная часть

 

3.1. Материальный баланс

 

Исходные данные:

Вариант

Производительность печи, т/ч

(G H2SO4)

Степень использования  серы (β)

Расход сухого колчедана, т

(β)

Содержание,%

Содержание в воздухе,%

Относительная влажность  воздуха,% (φ)

Серы в

колчедане

(Cs)

Влаги

в колчедане

(Cвл)

Серы в  огарке

(Cs(ог))

SO2 в сухом  обжиговом газе (C SO2)

SO3 в сухом обжиговом газе(C SO3)

O2 (n)

N2(CN2)

6

18,38

0,815

0,84

40

6

1,2

13,8

0,1

20

79

51


 

 

Расчет:

1) Общее содержание  серы в колчедане:

G =   =   = 7372 кг/ч.

2) Количество  сухого колчедана:

G = = = 18430 кг/ч.

3) Количество  влаги в колчедане:

= = = 1176 кг/ч.

4) Количество  огарка: G = = = 13927 кг/ч.

5) Количество  серы в огарке:

=167 кг/ч.

6) Потери серы  с огарком:

= 2,265%

7) Количество  выгоревшей серы: 

   GS - G S(ог) =7372-167=7205 кг/ч.

8) Общий объем SO2+SO3:

V = = 5034 м 3

9) Образовалось SO2:

VSO2= = = 4998 м3

10) Образовалось SO3:

VSO3=V -V =5034 – 4998= 36 м3/ч.                                

11) Концентрация  кислорода в обжиговом газе:

С =n-[m- ] C -[ m+0,5 ] C ,

где   n - содержание кислорода в воздухе, n=20%;

        m - стехиометрическое отношение числа молекул кислорода к числу молекул диоксида серы, по уравнению 4FeS2+11O2=8SO2+2Fe2O3; m=11:8=1,375;

 

C =20-[1,375- ]13,8-[1,375+0,5 0,1 = 1,91 %.

 

12) Объем сухого  обжигового газа:

VГ= = 36217 м3/ч. 

13) Объем кислорода  в обжиговом газе:

V = = = 692 м3/ч.    

14) Объем азота  в обжиговом газе:

V =V -(V +V +V ) = 36217- (4998+36+692) = 30491 м3/ч.

15) Объем сухого  воздуха, поступающего на обжиг  колчедана:

VВ= = = 38596 м3/ч. 

16) Количество паров в воздухе

VН2О= = = 455 м3/ч. 

17) Общее количество паров воды в обжиговом газе:

VН 2О = = 1918 м3/ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материальный  баланс печи КС

 

Приход

Количество

Расход

Количество

 

Кг

м3

 

Кг

м3

Колчедан

18430

-

огарок

13927

-

влага колчедана

1176

-

     

сухой воздух

49789

38596

SO2

14594

4998

     

SO3

69

36

     

O2

989

692

     

N2

38114

30491

     

H2O

1147

1918

Влага в воздухе

 

455

     

Всего

69395

39051

 Всего

68840

38135




 

3.2. Теплового баланс

 

Исходные данные:                                        

Вариант

Теплоемкость

Теплопотери, %

Теплота обжига колчедана , ккал

Температура,0С

Ккал/кг град

Ккал/м3град

Колчедана

воздуха

Огарка

обжигового газа

колчедана

Огарка

Воздуха

SO2

SO3

O2

N2

6

0,173

0,36

0,31

0,342

0,342

0,34

0,341

35

1285000

26

20

550

700


 

Расчет:

Приход теплоты:

1) Теплота вносимая сухим колчеданом:

Q1 = 0,173·26·18430·1000/18430=4498 ккал

2) Теплота поступающая с сухим  воздухом:

Q2 = 38596·0,31·20·1000/18430= 12984 ккал

3) Теплота поступающая с влагой  колчедана:

Q3 = 1176·26·1·1000/18430=1659 ккал

4) Теплота поступающая с влагой  воздуха:

Q4= 455·0,36·20·1000/18430=178 ккал

5) Теплота обжига Q5по условию задачи 1285000 ккал

 

Общий приход теплоты:

4498+12984+1659+178+1285000=1304319 ккал

 

Расход теплоты:

1) Теплота, уносимая с огарком при 550 С:

Q6= 13927·0,36·550·1000/18430=149623 ккал

2) Теплота, уносимая с обжиговым  газом:

Q7= (4998 · 0,342   + 36· 0,342 + 692· 0,34 + 30491·0,341) ·700= 469186 ккал

3) Теплопотери печи  по условию 31% от прихода теплоты:

Q8= 1304319 · 35/100= 456512 ккал

4) Расход теплоты: 

Q9= Q6+ Q7+ Q8= 149623+469186+456512= 1075321 ккал

5) Количество теплоты, которое  нужно отвести из печи с  воздухом:

Q10=1304319-1075321 = 228998 ккал

 

Тепловой баланс обжига 1 т влажного колчедана

Приход

Расход

Статья прихода

Количество,

Статья расхода

Количество,

Ккал

Ккал

С сухим колчеданом

4498

С огарком

149623

С сухим воздухом

12984

С обжиговым газом

469186

С влагой колчедана

1659

Теплопотери

456512

С влагой воздуха

178

С охлаждающим воздухом

228998

От обжига колчедана

1285000

   
       

Всего

1304319

Всего

1304319