Технология производства серной кислоты

    МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

    БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

    Кафедра

    производственных 

    технологий 
 

    КУРСОВАЯ  РАБОТА 

    На  тему: Технология производства  серной кислоты 
 
 

Студента 2 курса,

ФМ, гр. ЭУП-1                  ___________  Кузьмич Д.В. 
 

Руководитель                             ____________               Ковган И.П.

    МИНСК 2003

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

    Серная  кислота известна людям уже очень  давно. Первое упоминание о ней встречалось  уже в Х веке нашей эры.

    Вначале серную кислоту получали сухой перегонкой железного купороса, поэтому концентрированную серную кислоту долгое время называли купоросным маслом.

    На  первом заводе по получению серной кислоты, построенном в 1740 году в  Англии, серную кислоту получали нагреванием  смеси серы и селитры в металлических  сосудах, образующиеся при этом пары поглощались водой с получением серной кислоты.

    Контактный  способ получения возник несколько  позже в 1831 году, когда П. Филипс (Англия) предложил  окислять SO₂ непосредственно кислородом воздуха при пропускании газовой смеси через накаленный платиновый катализатор.

    В настоящее время контактный метод  используется гораздо шире других методов. Строятся мощные установки по производству кислоты, основанные именно на этом методе. Производительность  одной такой системы достигает 2000 тонн в сутки.

    Основной  целью написания курсовой работы является:

• Изучение процесса производства серной кислоты контактным способом
• Дать его технико-экономическую оценку. Выбран данный способ для рассматривания из-за его широкого распространения и использования практически повсеместно, а это говорит о целесообразности метода.
• Выявить уровень технологии  процесса, определить вариант развития технологического процесса.
• Рассмотреть пути развития данного процесса в ближайшем будущем.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА

1.1. Характеристика получаемой  продукции – серной  кислоты.

    Серная  кислота – один из основных видов  химической промышленности и применяется  в различных областях народного  хозяйства. Достоинства серной кислоты  в том, что она не дымит, не имеет цвета и запаха, при комнатной температуре находится в жидком состоянии и в концентрируемом виде не действует на черные металлы. Главным же ее преимуществом является то, что она – одна из сильнейших кислот и является к тому же самой дешевой кислотой.

    Серная  кислота находит  свое место в  различных отраслях народного хозяйства. Она используется в нефтяной, целлюлозно-бумажной фармацевтической, микробиологической и других отраслях промышленности. Особенно большое количество серной кислоты – около 40% всей вырабатываемой – используется в производстве минеральных удобрений. Такой диапазон потребления ставит это производство в особые условия постоянно наращиваемого выпуска, что характеризует таблица 1.1.

    Таблица 1.1. Производство серной кислоты (млн. т/год) 

    В химии серной кислотой называют соединение одной молекулы триоксида серы SO₃  (ангидрид серной кислоты) с одной молекулой воды и выражается формулой H₂SO₄.

    В технике под серной кислотой подразумевают  любые смеси триоксида серы с  водой. Если на один моль SO₃  приходится более одного моль H₂O , то смеси являются водными растворами серной кислоты; если менее одного моль H₂O, то это растворы серного ангидрида в серной кислоте, которые называются олеумами или дымящей серной кислотой.

    Состав  водных растворов H₂SO₄ или SO₃ (в процентах), состав олеума – содержанием общего или свободного ангидрида, а также количеством H₂SO₄, которые можно получить при добавлении к олеуму воды.

    Безводная серная кислота представляет собой (при 20^оС) бесцветную маслянистую жидкость плотностью 1830 кг/м³, кристаллизирующуюся при 10,37^оС. при 296,2^оС и 0,98Па безводная H₂SO₄  начинает кипеть. Она смешивается с водой в любых соотношениях со значительным выделением теплоты (образуются гидраты).

    Серная  кислота – одна из самых активных неорганических кислот. Она реагирует почти со всеми металлами и их оксидами, вступает в реакции обменного разложения, энергично соединяющегося с водой, обладает окислительными и другими важными химическими свойствами.

    Разнообразно  применение серной кислоты, основанное на ее свойствах, о чем уже упоминалось ранее. Также в ряде случаев H₂SO₄  используют  для высвобождения более слабых кислот из солей (например, фосфорной кислоты). Также учитывается способность связывать воду, H₂SO₄ применяют для осушки газов, концентрирования азотной кислоты. Разнообразное применение это типично неорганическое соединение нашло в органических производствах: вискозного волокна, пищевых продуктов и т.д.

    С расширением потребностей в серной кислоте быстро повышается спрос на улучшение ее сорта, возрастают требования  в отношении допустимого содержания примесей. Важно также, чтобы концентрация H₂SO₄ соответствовала низким температурам замерзания кислоты.

    В настоящее время, в связи с  дифференциацией требований к качеству H₂SO₄, кроме технической контактной кислоты (1-го и 2-го сорта), выпускают два сорта улучшенной кислоты (высший и первый сорт).  Олеум выпускается двух сортов: технический и улучшенный (высший и первый сорт). Кроме того для отдельных производств выпускаются специальные сорта кислоты и олеума: аккумуляторная реактивная кислота, кислота особой чистоты, 65%-ый олеум, а также 100% серный ангидрид. Выпускаются отдельные виды кислот со знаком качества.

    В настоящее время требования к  качеству серной кислоты и олеума определяются следующими ГОСТами: техническая кислота олеум – 2184-77; аккумуляторная кислота – 667-73; реактивная кислота – 4204-66; кислота особой чистоты – 14262-78.

1.2. Характеристика используемого сырья контактного производства

    Сырьем  для производства H₂SO₄ служит элементарная сера или содержащие серу вещества, из которых может быть выделена элементарная сера или получен диоксид серы (SO₂). Природные залежи самородной серы сравнительно невелики. Чаще всего она встречается в виде соединений с железом, свинцом, цинком и другими металлами. В некоторых минералах сера содержится в виде соединений с двумя металлами, например, медный колчедан является соединением серы с железом и медью. Сера встречается в природе также в виде сульфатов, например, в виде гипса, мирабелпта, глазберита и др. общее содержание серы в земной коре составляет 0,1%. Сера содержится также в нефти, каменном угле попутном и природном газах.

    Основным сырьем для производства серной кислоты контактным методом является серный колчедан. Главной составной частью серного колчедана является сульфид железа FeS₂ (53,44 % S и 46,56% Fe), который встречается в виде минерала пирита и реже  марказита. Кроме FeS₂ природный серный колчедан содержит примеси соединений меди, цинка, свинца, мышьяка, никеля, кобальта, селена, висмута, теллура, кадмия, карбонаты и сульфаты кальция и магния, небольшие количества золота и серебра. Руда, в состав которых наряду с пиритом входят значительные соединения цветных металлов, называются полиметаллическими.

    Серный  колчедан – минерал желтоватого  или желтовато-серого цвета, плотность  его около 5000 кг/м³. в зависимости от размера кусков и сорта колчедана его насыпная плотность составляет от 2200 до 2400 кг/м³.

    Для извлечения цветных металлов колчедан подвергают флотации. Процесс флотации основан на том, что некоторые  минералы, входящие в состав руд, хорошо смачиваются водой, другие плохо  или совсем не смачиваются. При добавлении к воде различных химических веществ (флотореагентов) смачиваемость меняется. Это свойство используется для разделения минералов.  Через водяную взвесь тонко измельченной руды, содержащую соответствующие флотореагенты, продувают воздух. При этом не смачиваемые водой частички руды прилипают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность, а частицы, смоченные водой, осаждаются на дно аппарата в виде флотационного колчедана с пониженным содержанием цветных металлов. Последовательно подбирая соответствующие флотореагенты, все представляющие интерес составные части руды. Из 100 тонн колчедан получают 80-85 тонн флотационного колчедана и 15-20 тонн концентрата.

    Содержание  серы в флотационном колчедане колеблется от 32 до 40%. После вторичной флотации этого колчедана и отделения пустой породы получают пиритный колчедан (концентрат), содержащий 45 – 50% серы. В настоящее время практически весь добываемый колчедан подвергается флотации.

    Флотационный  колчедан с высокой влажностью смерзается при транспортировке и хранении на складах заводов, что сильно затрудняет его выгрузку из вагонов и дальнейшую подачу в печь обжига. Кроме того, при обжиге смерзшихся комков колчедана во взвешенном состоянии нарушается процесс горения. Поэтому перед отправкой потребителям флотационный колчедан сушат в барабанных сушилках, обогреваемых  топочными газами.

    Согласно  ГОСТ, влажность отгружаемого флотационного  колчедана в осенне-зимний период не должна превышать 3,8%. Склады для  сухого колчедана делают закрытыми, чтобы исключить возможность его соприкосновения с атмосферной влагой.

1.3. Характеристика технологии производства серной кислоты контактным способом.

    Контактным  способом получают около  90% общего объема производства серной кислоты, так  как именно этот метод обеспечивает высокую концентрацию и чистоту продукта.

    Производство  серной кислоты контактным способом включает четыре стадии:

1. получение диоксида серы (SO₂),
2. очистку SO₂ от примесей,
3. получение триоксида серы (SO₃),
4. абсобацию триоксида серы.

    Первая  стадия связана с получением диоксида серы и колчедана, который обжигается в печах, где происходит необратимая реакция:

    4 FeS₂ + 11О₂ → 2Fe₂ О₃ +8SO₂ + Q

    измельченный  серный колчедан обжигают в печах  механических полочных, пылевидного  обжига и со взвешенным (кипящим) слоем  колчедана.

    Печные газы, получаемые при обжиге колчедана содержат много пыли, для улавливания которой применяют циклопы и электрофильтры (вторая стадия производства  серной кислоты). В циклопах пыль оседает под воздействием центробежных сил. Электрофильтры представляют собой конденсаторы высокого напряжения (60 000 – 70 000 В). запыленный газ проходит между пластинками электрофильтра, где пылинки заряжаются и оседают на противоположно заряженных пластинах. При встряхивании пластин осевшая пыль падает в бункер, из которого затем удаляется.

    В электрофильтрах газ  очищается  до остаточного содержания пыли примерно 0,2 г/м³. Контактный способ требует более тщательной очистки не только т пыли, но от газообразных примесей «отавляющих» катализатор, использующийся при окислении диоксида серы.

    Для очистки газа предусматривается  система промывных башен, электрофильтров  и сушильных башен.

    Третья  стадия производства серной кислоты является основным. Сухой очищенный газ поступает на контактное окисление SO₂ до SO₃, которое происходит по обратимой экзотермической реакции, протекающей с уменьшением объема газа:

    2SO₂ + O₂ ↔ 2SO3 + Q

    Равновесие  данной реакции сдвигается в сторону  образования SO₃ при снижении температуры и увеличении давления газовой среды.

    Скорость  процесса окисления SO₂ при отсутствии катализатора даже при высоких температурах мала.

    На  заводах по производству серной кислоты  в нашей стране в качестве катализатора используют  главным образом ванадиевые контактные массы с содержанием  V₂O₅ примерно 7%, а также включающие оксиды  щелочных металлов и высокопористые алюмосиликаты в качестве носителя.

    Для достижения максимальной скорости окисления SO₂ до SO₃ процесс следует начинать  при температуре около 600^ос и заканчивать при 400^оС. Конструкция современных полочных  контактных аппаратов обеспечивает эти условия.

    Контактное  отделение включает  трубчатый  теплообменник и контактный аппарат. Сухой и холодный очищенный газ подается в межтрубное пространство теплообменника для предварительного нагрева. Подогретый газ, проходя между трубками теплообменников, нагревается до  450^оС и поступает на верхний слой катализатора, где 70-75%  SO₂ окисляется SO₃. за счет  выделяющейся  в реакции теплоты температура газа  повышается до 590-600^оС. Затем  газ направляется  во внутренний теплообменник, где охлаждается до 450-490^оС. охлажденная смесь SO₂+SO₃ подается во второй слой катализатора, на котором продолжается  дальнейшее окисление SO₂ в SO₃. Обычно газ проходит 3-5 решетчатых полок с контактной массой и расположенными между ними теплообменниками, в результате чего  97-98% SO₂ превращается в SO₃. Окисленный газ, имеющий при выходе из контактного аппарата температуру 400-430^оС поступает в теплообменник, где охлаждается до 200^оС, а затем в холодильник, где его температура снижается до 60-80^оС. Автотермичность процесса окисления SO₂ до SO₃ позволяет эффективно использовать теплоту, выделяющуюся в ходе реакции.

    В четвертой стадии процесса производства серной кислоты охлажденный окисленный газ направляется в абсорбционное (поглотительное) отделение цеха. Абсорбцию триоксида водой осуществлять нецелесообразно, так как реакция

    SO₃ + H₂O → H₂SO₄ + Q будет протекать в газовой фазе (за счет выделяющейся теплоты вода будет превращаться в пар) с образованием  мельчайших капелек теплоты (тумана), который очень трудно улавливается. Поэтому SO₃ поглощается концентрированной серной кислотой в две стадии.

    Для технологии производства серной кислоты  контактным способом существует несколько  однотипных  технологий:  нитрозный (башенный) способ, способ получения H₂SO₄ из сероводорода (H₂S), способ получения H₂SO₄ контактным способом с сухой очисткой.

    На  данный момент контактный способ является наиболее приемлемым с точки зрения  технико-экономической характеристики. При этом способе обеспечивается высокая концентрация и чистота продукта при сравнительной простоте процесса. Возможно, в будущем будет преобладать некий другой способ получения кислоты, например, контактный с сухой очисткой (находится на стадии разработки и изучения всех положительных и, возможно, отрицательных, сторон внедрения в производство).  Пока же этот способ  получения контактным способом является удовлетворительным и наиболее  широко используемым, недаром 90% полученной серной кислоты получено именно этим способом. 
 
 
 

    Рис. 1.3. Блок-схема технологического процесса производства серной кислоты.

    1 – получение диоксида серы;

    2 – очистка SO₂;

    3 – окисление SO₂;

    4 – абсорбция триоксида серы

             - предмет труда и побочные  продукты на всех стадиях переработки.

            - стадии переработки продукции

                 -  технологические (предметные  связи)

2. ДИНАМИКА  ТРУДОЗАТРАТ ПРИ  РАЗВИТИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

    Исходя  из динамики трудозатрат, различают  два возможных варианта развития технологического процесса – ограниченное и неограниченное. Для того, чтобы узнать, какой  из них реализуется в технологии производства серной кислоты, построим график  изменения затрат живого (Т_ж), прошлого (Т_п) и совокупного труда, где Т_ж(t) и Т_п(t) – удельные затраты живого и прошлого труда  соответственно (руб.(затрат труда)/руб. продукции).

    Т_ж(t)=200/(9t+210)

    Т_п(t)=0,03t+0,7

    Т_с= Т_ж + Т_п = 200/(9t+210)+0,03t+0,7=(0,27t²+12,6t+347)/(9t+210)

    Таблица 2.1 Динамика трудозатрат

    Графическое изображение динамики трудозатрат (рис. 2.1.) показывает, что затраты живого труда (Т_ж) – уменьшаются, а затраты прошлого – увеличиваются, следовательно, это ограниченный вариант развития. В данном технологическом процессе экономится в большей степени живой труд, такой процесс имеет трудосберегающий характер.

     Из графика видно, что экономический предел накопления прошлого труда  находится в t~3,9

    Т_п(t)= Т_п(3,9)=0,817

    Определим экономический предел накопления прошлого труда аналитически:

    Т_с^’=( Т_ж + Т_п)^’= (Т_ж)’+( Т_п)^’= ((200/(9t+210))’+(0,03t+0,7)’= -1800+0,03*(9t+210)² ) /(9t+210)²

    Т_c^’→0, тогда -1800 + 0,03 * (9t + 210)²=0

    0,03*(9t+210)² = 1800

    (9t + 210)²=60 000

    9t+210~245

    t~3,9

    Т_п(t)= Т_п(3,9)=0,817

    Несложно  заметить, что экономический предел накопления прошлого труда в обоих  случаях (графическом и аналитическом) получился одинаковым, что говорит о его достоверности.

    Важно также установить, в какой степени  снижаются затраты живого труда по мере роста затрат труда прошлого, т.е. определить тип отдачи от дополнительных затрат прошлого труда. Для этого исследуем характер экономии живого труда в зависимости от величины прошлого труда, продифференцировав функцию Т_ж = f (Т_п):

    Т_п= 0,03t+0,7

    0,03t= Т_п – 0,7

    t = (Т_п – 0,7) 0,03

    Т_ж = 200/((9*( Т_п-0,7)/0,03)+210)= 200/300 Т_п=2/3 Т_п

    (Т_ж)’= (2/3 Т_п)’=(2/3 Т_п^-1)’= -2/3 Т_п^-2 = -2/(3 Т_п²)

    [(Т_ж)’]=[-2/(3 Т_п²)]=2/3 Т_п²

    зависимость Т_ж от Т_п обратно пропорциональная, т.е. при увеличении Т_п уменьшается Т_ж , а значит реализуется убывающий тип отдачи дополнительных затрат овеществленного труда, т.к. значение производной  показывает, как изменяется отношение ∆ Т_ж/∆ Т_п

    Т_ж^’= d Т_ж/d Т_п= ∆ Т_ж/∆ Т_п

    В данной ситуации живой труд, труд человека, заменяется действиями машины. Природные  возможности человека являются тормозом повышения производительности  производственных процессов, т.е.  только машинное производство не имеет ограничений в повышении производительности труда.

    Рационалистическое  развитие соответствует варианту ограниченного  развития технологического процесса с  позиции изменения трудозатрат  во времени. Поэтому принципиально  важно предвидеть наступление момента t*, соответствующего пределу рационалистического развития (указывалось выше).

    Отдача  рационалистического развития технологического процесса во времени падает, в результате чего наступает момент времени, когда дальнейшая замена живого труда прошлым  не только не приводит к снижению совокупных затрат труда, а наоборот, повышает их. При этом дальнейшее повышение механизации (замены живого труда прошлым

      Будет приводить к все большему  повышению затрат, что является  экономически невыгодным, именно  поэтому мы и находим экономический предел накопления прошлого труда.

3. УРОВЕНЬ  ТЕХНОЛОГИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА  ПРОИЗВОДСТВА  СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

    Данная  технология имеет ограниченный путь развития, который называется рационалистическим или эволюционным. Он связан с уменьшением  затрат живого труда за счет роста затрат прошлого и с экономической  точки зрения предпочтительнее, чем эвристический путь развития, однако первый путь принципиально ограничен. Математическая модель закона  рационалистического развития технологического процесса представляет собой  соотношение L=√YB (3.1), где L – производительность живого труда, B – технологическая вооруженность, Y – уровень технологии.

    Все параметры в соотношении 3.1 являются функциями затрат живого и прошлого труда:

L= 1/ Т_ж= 1/(200/(9t+210))=(9t+210)/200                                                  (3.2)

B=Т_п/Т_ж=(0,03t+0,7)/(200/(9t+210))=(0,03t+0,7)(9t+210)/200=0,27t²+12,6t+147/200                                                                                                                 (3.3)

Y=(1/ Т_ж)*(1/Т_п)= (1/200/(9t+210)) * (1/(0,03t+0,7))=(9t+210)/(6t+140)  (3.4)

Рассчитаем  параметры  технологического процесса для момента времени t=3 года.

L(3)=9*3+210)/200=1.185 (руб прод/руб затрат труда)

B(3)= (0,27*9+12,6*3+147)/200=0,936 (руб/челгод; руб затрат Т_п /руб затрат Т_ж)

Y(3)=(9*3+210)/(6*3+140)=1,5 (руб/челчас)

Уровень технологии является показателем «качества» технологического процесса и определяет его производительную способность. В то же время уровень технологии показывает, насколько эффективно используется живой и прошлый труд при решении проблемы повышения производительности технологического процесса. С целью упрощения определения границы рационалистического развития используют относительный уровень технологии,  который определяется по формуле:

Y*= Y/L=1/ Т_п

Вычислим  Y*(3)= 1/ Т_п=1/(0,03t+,7)=1/(0,03*3+0,7)=1,266

Из расчетов видно, что Y*>L, поэтому можно сказать, что данное рационалистическое развитие целесообразно. 

4. СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА  СЕРНОЙ КИСЛОТЫ  КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ  И ЕЕ АНАЛИЗ

    Как известно технологический процесс  – это первичное звено создания материальных ценностей, необходимых  для существования общества. Технологический  процесс является основой создания производственной системы, характеризует ее специфику, только развитие технологического процесса позволяет обеспечить неограниченный рост производительности труда.

    Элементарный  технологический процесс – наименьшая совокупность действий, направленных на производство продукции, которая еще не теряет признаков технологического процесса. Главный признак  технологического процесса – получаемая продукция. Технологический процесс состоит из операций.

    Технологическая операция – часть технологического процесса, характеризующаяся постоянством предметов труда, орудий труда и характером воздействий на предмет труда. Операция состоит из технологического перехода, характеризующегося постоянством режимов работы оборудования, и вспомогательного перехода, включающего действия исполнителей и орудий труда, необходимых для выполнения технологического перехода.

    Технологический переход состоит из рабочего и  вспомогательного ходов. Рабочий ход  – элементарная часть технологического перехода или операция, связанная с изменением формы, размеров, свойств, структуры, состояния или с изменением  пространственного положения предмета труда в соответствии с целью технологического процесса. Вспомогательный ход включает действия исполнителей и орудий труда, необходимое для выполнения  рабочего хода, но не изменяющие состояние предмета труда.