Производство серной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Начну реферат со слов Д.И. Менделеева “Едва ли найдется другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике, как серная кислота. Где нет заводов для ее добывания - немыслимо выгодное производство из многих других веществ, имеющих важное технические значение”.

И действительно, по масштабам производства и разнообразию областей применения серная кислота занимает одно из ведущих мест среди продуктов химической промышленности. Трудно назвать какое либо современное производство, в котором не применялась бы серная кислота, ее соли или вещества, полученные с ее использованием.

Последние десятилетия во всех странах наблюдается непрерывное развитие промышленности, и, в первую очередь, химической. Поэтому возрастает, соответственно, и производство серной кислоты.

Немного истории

До XIX века из всех химических продуктов только серную кислоту производили фабричным методом, остальные получали в рамках ремесленного производства.

В 1879 г. известный немецкий ученый-химик Г. Лунге писал “Производство серной кислоты является тем фундаментом, на котором поставлена вся химическая промышленность нашей эпохи вообще…”

Серная кислота известна очень давно. Первое упоминание о серной кислоте принадлежит арабскому алхимику Джабир Ибн Хайяну, живущему в VIII--IX вв. В его трактате “Итог совершенства магистерии” описывается методика получения серной кислоты: “Перегони фунт кипрского купороса, полтора фунта селитры, четверть фунта квасцов и получишь воду. Эта вода очень хорошо растворяет металлы”.

В XVI веке серную кислоту получали сухой перегонкой железного купороса, и с тех пор концентрированную серную кислоту стали называть “купоросным маслом”.

Первый сернокислотный завод был построен в Англии в 1740 г. Серную кислоту там получали сжиганием смеси серы и селитры в металлических сосудах. Образующиеся при этом газы направляли в специальные стеклянные сосуды, где происходило поглощение их водой с образованием серной кислоты. Получали кислоту низкой концентрации: (до 50-60%).

В России серная кислота была впервые получена на заводе князя Голицына, а в 1897 г. был построен первый контактный сернокислый завод.

Товарные и определяющие технологию свойства серной кислоты.

В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:

получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;

уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами.

В данном реферате познакомимся с технологическими процессами производства серной кислоты. Рассмотрим вопросы, связанные с технологическим процессом, сырья, рынком сбыта.

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.

Среди минеральных кислот серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Мировое производство ее за последние 25 лет выросло более чем в три раза и составляет в настоящее время более 160 млн. т в год. серный кислота химический промышленность

Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений (от 30 до 60 %), 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 отраслях промышленности. На рис. 1 представлено применение серной кислоты и олеума в народном хозяйстве.

Сырьевые источники получения серной кислоты.

Для получения серной кислоты используют, в основном, пирит- отход производства при обогащении медных руд, содержащих смеси сернистых соединений меди и железа.Используют и серу, которая также образуется при обогащении руд цветных металлов, добываемых на рудниках.

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

При этом доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

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.

В основе производства лежат три химические реакции:

I. Обжиг пирита, в результате чего образуется сернистый газ

4FeS₂+ 11O₂ -->2Fe₂O₃+ 8SO₂+Q

или сжигание серы

S+O₂ -->SO₂+Q

II. Окисление диоксида серы до триоксида на катализаторе:

V₂O₅

2SO₂+О₂ 2SO₃+Q

III. Поглощение триоксида серы с целью получения серной кислоты:

SO₃+ H₂O -->H₂SO₄+Q

Как видно из уравнений реакций, значительно проще производство серной кислоты из серы, т.к. отсутствует побочный продукт- огарок, вследствие чего отпадает необходимость в очистке полученного газа от вредных веществ, не нужно транспортировать и складировать огарок.

Немного об особенностях технологического процесса нашего производства.(рис.2)

Рис.2 Схема производства серной кислоты.

Сернистый газ получают в результате обжига пирита. Экспериментальным путем было установленны закономерности изменения скорости реакции обжига пирита, что очень важно для максимального выхода сернистого газа.

Вместо воздуха пропускают чистый кислород, в результате увеличения концентрации кислорода скорость реакции увеличивается в 5 раз.

Подавая в печь тонко измельченный пирит сверху и продувая воздух снизу, добиваются того, что частицы пирита разрыхляются и остаются в подвижном состоянии. Такой слой мелких частиц называется “кипящим”, т.к. он напоминает кипящую жидкость через которую прорываются пары. В “кипящем слое” не слеживаются даже самые мелкие частицы пирита, т.к. процесс обжига происходит очень быстро при температуре в 800 градусов.

Хочется подчеркнуть, что работа печей полностью механизирована: в печь непрерывно ленточным транспортером подается измельченный пирит, а компрессорами вдувается воздух. Образующийся диоксид серы автоматически отводится для дальнейшей переработки. Заданный технологический режим (температура, подача воздуха и пирита) регулируется автоматически.

Побочный продукт, который образуется при обжиге пирита, Fe₂O₃- так называемый огарок, в производстве серной кислоты не используется, но и не выбрасываться. Он используется на металлургических завода, а там из него путем восстановления получают железо.

Получив диоксид серы, необходимо тщательно его очистить, так как примеси отравляют катализатор. Газовую смесь пропускают через циклон, состоящий из двух цилиндров, вставленных один в другой. Но в циклоне идет очистка от крупных частиц. Для удаления мелких частиц смесь направляем в электрофильтры, где идет очищение под действием тока высокого напряжения ~ 60000 В.

Примеси падают в специальный бункер.

От водяных паров очищают в сушильной башне, в которую газовая смесь поступает снизу, а сверху противотоком стекает H₂SO₄ концентрированная. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.

После тщательной очистки SO₂ и воздух поступают в контактный аппарат, где под влиянием катализатора происходит окисление:

V₂O₅

2SO₂+О₂ - 2SO₃+Q

Мы видим, что реакция обратимая, а, значит, на этой стадии необходимо поддерживать такие условия, чтобы равновесие смещалось в сторону выхода триоксида серы, иначе нарушится весь процесс. Т.к. реакция идет с уменьшением объема, то необходимо повышенное давление.Его повышают до 7-12 атмосфер. Реакция экзотермическая, поэтому, учитывая принцип Ле-Шателье, при высокой температуре этот процесс вести нельзя, т.к. равновесие сдвинется влево. Начинается реакция при температуре = 420 градусов, но благодаря многослойности катализатора (5 слоев), ее можно повышать до 550 градусов, что значительно ускоряет процесс. Катализатор,как видите используется ванадиевый (V₂O₅). Он дешевый, долго служит (5-6 лет), т.к. наиболее устойчив к действию ядовитых примесей. Кроме того, он способствует сдвигу равновесия вправо.

Далее смесь (SO₂ и O₂) нагревается в теплообменнике и движется по трубам, между которыми в противоположном направлении проходит холодная смесь, которую надо нагреть. В результате происходит теплообмен: исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.

Охлажденный в теплообменнике SO₃ направляется в поглотительную башню.

: Казалось бы, SO₃ надо поглощать водой. Однако воду здесь использовать не получилось: SO₃ до соприкосновения с водой реагирует с ее парами и образует капельки серной кислоты- сернокислотный туман, который водой не поглощается. Зато такой пар практически отсутствует над концентрированной серной кислотой. Поэтому вместо воды используют 98% серную кислоту.

Триоксид серы поглощается концентрированной кислотой, реагируя с содержащейся в ней водой:

nSO₃+H₂SO₄= nSO₃*H₂SO₄

Образуется безводная серная кислота. Если в ней растворить SO₃, то образуется “дымящая” серная кислота- ОЛЕУМ, необходимый для очистки нефти, в нефтехимических и других производствах.

Итак, теперь всем ясно, что процесс производства серной кислоты непрерывный:

· обжиг пирита в печи;

· поступление SO₂ и воздуха в очистительную систему и контактный аппарат;

· подача SO₃ в поглотительную башню.

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.

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:

SО₃ + N₂О₃ + Н₂О Н₂SО₄ + 2NО

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

В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС). Печи кипящего слоя отличаются высокой интенсивностью (до 10 000 кг/м²·сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа (содержание серы в огарке не превышает 0,005 мас. долей) 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 в других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

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 и оформляются обычно по схеме ДКДА. Термостатирование газа в контактном аппарате в этом методе осуществляется обычно путем ввода холодного воздуха между слоями катализатора.

Принципиальная схема производства серной кислоты из серы представлена на рис. 3:

Рис. 3. Структурная схема производства серной кислоты из серы.

1 - осушка воздуха; 2 - сжигание серы; 3 - охлаждение газа, 4 -контактирование; 5 -абсорбция оксида серы (IV) и образование серной кислоты.

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 только три последовательные стадии:

1. Сжигание сероводорода:

Н₂S + 1,5О₂ = SО₂ + Н₂О - ДН₁,где ДН₁ = 519 кДж

с образованием смеси оксида серы (IV) и паров воды эквимолекулярного состава (1 : 1).

2. Окисление оксида серы (IV) до оксида серы (VI):

SО₂+ 0,5О₂ <=> SО₃ - ДН₂, где ДН₂ = 96 кДж,

с сохранением эквимолекулярности состава смеси оксида серы (IV) и паров воды (1 : 1).

3. Конденсация паров и образование серной кислоты:

SО₃ + Н₂О <=> Н₂SО₄ - ДН₃,где ДН₃ = 92 кДж

таким образом, процесс мокрого катализа описывается суммарным уравнением:

Н₂S + 2О₂ = Н₂SО₄ - ДН, где ДН = 707 кДж.

Мировое производство серной кислоты ок. 160 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты -- производство минеральных удобрений. На 1 т P?O? фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH?)?SO? -- 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

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.

Литература

1. Кутепов А. М. Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология. М. Высш. школа. 1990.

2. Соколов Р. С. Химическая технология. - М: Гуманит. изд. Центр БЛАДОС, 2000.

3. Расчеты химико-технологических процессов // Под общ. ред. И. П. Мухленова. - Л.: Химия, 1976

4. Бесков В. С., Сафронов В. С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. - М.: Химия, 1999.

5. Общая химическая технология и основы промышленной экологии.// под ред. В. И. Ксензенко. - М.: «КолосС», 2003.

6. Интернет-сайты.

Размещено на Allbest.ru