Производство серной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра «Химическая технология и биотехнология»

Курсовой проект

по дисциплине «Общая химическая и биотехнология»

тема: «Производство серной кислоты»

вариант 3-1-2

Выполнил:

студент группы ХТ-142

Ахметов Н.Е.

Проверил:

к.х.н., доц. Подгорный С.О.

Омск, 2016



Задание

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра «Химическая технология и биотехнология»

Дисциплина «Общая химическая и биотехнология»

Студент Ахметов Н.Е.

Тема проекта «Производство серной кислоты»

Вариант 3-1-2

Исходные данные для проектирования:

Из руды флотацией получают флотационный колчедан. Его обжигают в печах кипящего слоя (ПКС). Полученный печной газ разбавляют воздухом до заданного содержания оксида серы (IV). Приготовленный таким образом скорректированный по составу газ направляют на контактирование в реактор с неподвижным слоем катализатора по схеме двойного контактирования ДК-ДА и после последующей абсорбции полученного оксида серы (VI) получают серную кислоту.

Требуется:

- составить материально-потоковый граф движущихся в производстве продуктов.

Рассчитать:

- материальный баланс печи обжига колчедана и свести его в таблицу. В таблице указать массовые количества реагентов и их массовые доли в %. При расчете баланса принять выход оксида серы (IV), который указан в задании для всего процесса.

- массу полученной серной кислоты;

- степень обогащения при флотации руды;

- число необходимых печей ПКС для обжига колчедана;

- расход воздуха на 1 т колчедана при получении печного газа и состав печного газа, считая обжиг полным;

- число контактных аппаратов окисления оксида серы (IV);

- объем воздуха, добавляемый к печному газу при его корректировке, и состав скорректированного газа;

- состав газа, выходящего из контактного аппарата.

В табл. 1 приведены дополнительные данные для расчета.

Таблица 1

Показатели	Размерность	Вариант 2
Масса руды	т/г	2,2·105
Доля серы в руде	% масс.	39
Доля серы в колчедане	% масс.	49
Выход колчедана из руды	% масс.	61
Степень извлечения колчедана	% масс.	89
Интенсивность печи ПКС по колчедану	кг/м3·ч	41
Размеры печи ПКС: а) высота; б) диаметр	М	8,5 3,75
Степень контакта: а) на первой ступени; б) на второй ступени	% масс.	93 97
Концентрация серной кислоты	% масс.	93
Степень абсорбции оксида серы (VI)	% масс.	99,7
Выход SO2	% масс.	94
Коэффициент избытка воздуха		1,5
Доля SO2 в газе	% объемн.	8
Размеры контактора: а) диаметр б) высоты катализаторных слоев: - первого; - второго; - третьего; - четвертого	М	3,3 0,35 0,47 0.45 0,55
Интенсивность катализатора по SO3	кг/м3·ч	382



Содержание

сернокислотный колчедан самородный потоковый

Введение

1. Аналитическая часть

1.1 Основная стадия сернокислотного производства

1.2 Физические свойства серной кислоты

1.3 Сырьевая база

1.4 Получение серной кислоты из самородной серы

1.5 Получение серной кислоты из серного колчедана

1.6 Совершенствование производства серной кислоты

2. Технологическая часть

2.1 Материально-потоковый граф

2.2 Технологические расчеты

Заключение

Список использованных источников



Введение

Производство серной кислоты - один из самых многотоннажных среди неорганических производств и занимает одно из ведущих мест в химической технологии. В 2007 г. в мире выпускалocь свыше 175 млн. т серной кислоты. Объем ее выпуска превышает производство соляной, азотной, уксусной и других кислот вместе взятых. Серная кислота находит применение в производстве минеральных удобрений (около 50 %), взрывчатых веществ, минеральных солей и кислот, для очистки нефтепродуктов и их синтезе (например, алкилирование изобутана), при обработке металлов, производстве продуктов органического синтеза, лекарственных препаратов и т.д. Многообразие областей применения серной кислоты представлено на диаграмме (рис.1).

Рис. 1. Области применения серной кислоты

Больше всeго серной кислоты производится в США-30 млн.т. Другими крупными ее производителями являются Германия и Япония [1,с.143].



1. Аналитическая часть

1.1 Основная стадия сернокислотного производства

Основная стадия сернокислотного производства - получение сернистого газа из серосодержащего сырья. В качестве сырья могут быть использованы элементарная сера, серный колчедан (пирит), сероводород Н2S и т.д. После очистки диоксид серы окисляют до трехоксида в присутствии катализатора.

В нитрозном методе катализатором служили оксиды азота. Диоксид серы окисляют в основном в жидкой фазе в башнях (колоннах) с насадкой. Поэтому этот метод называют иначе башенным. Основной недостаток этого метода - загрязнение атмосферы такими вредными газами, как NO2, SO2 и SO3 . Кроме того, получаемая серная кислота имеет низкую концентрацию и загрязнена побочными продуктами. В контактном же способе применяют твердые катализаторы и получают более концентрированную кислоту и без примесей побочных продуктов [1,c.145].

1.2 Физические свойства серной кислоты

Безводная 100%-ная серная кислота (моногидрат) представляет собой тяжелую, маслянистую и бесцветную жидкость, которая смешивается с водой во всех соотношениях с выделением большого количества тепла. Плотность H2SO4 при 20 °С равна 1,83 г/см3, температура кипения 286 °С, температура замерзания 10,5 °С. Серную кислоту, в которой растворено избыточное количество серного ангидрида SО3, называют олеумомH2SO4 ?nSO3.

Разделение H2SO4 по сортам во многом связано с ее концентрацией и в значительной мере определяется температурой замерзания растворов ее с водой. 

Рис. 2. Диаграмма кристаллизации системы Н2О - SO3

Из диаграммы 2 следует, что при концентрациях от 0 до 64,5 % SO3 образуется 6 химических соединений-гидратов SO3, растворимых друг в друге в жидком состоянии, а при кристаллизации образуют эвтектические смеси. В области концентраций от 64,5 % до 100 % SO3 при замерзании образуются твердые растворы. Для того чтобы кислота не замерзала в зимнее время, все ее товарные сорта имеют концентрации, близкие к эвтектическим составам.

Далее приведена еще одна диаграмма - кипения системы Н2О - SО3 при атмосферном давлении (3).

Кислота, содержащая 98,3 % Н2SO4, является азеотропом и кипит при температуре 336,6оС. Диаграмму, изображенную на рисунке 9.3, применяют при концентрировании кислоты выпариванием воды. Из диаграммы следует, что при нагревании кислоты, содержащей менее 90 % Н2SО4, в пар переходит почти исключительно вода. При концентрации выше 93 % Н2SО4 состав паров быстро приближается к составу жидкой фазы. Поэтому практически серную кислоту концентрируют упариванием только до купоросного масла, т.е. до 92 % Н2SО4. При повышении температуры пары Н2SО4диссоциируют на SО3 и Н2О, а затем SО3 распадается на SО2и О2. При 700оСв парах преобладает SО2 , а выше 900оС SО3диссоциирует полностью [1,с.144-145].

Рис. 3. Диаграмма кипения системы Н2О-SО3 при атмосферном давлении

1.3 Сырьевая база

Исходным веществом для производства серной кислоты служит сернистый ангидрид SO2 , который получают обжигом различного серосодержащего сырья ; cера, которую выделяют из самородных руд ; из побочных продуктов ряда производств (газовая сера). Переработка сернистого ангидрида в серную кислоту заключается в его окислении и присоединении воды:

2SO2 + O2 = 2SO3;

SO3 + H2O = H2SO4.



Скорость взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом в обычных условиях очень мала. Поэтому в промышленности эту реакцию проводят либо в присутствии катализатора - контактный метод производства серной кислоты, - или же в качестве окислителя (передатчика кислорода) применяют нитрозу - нитрозный метод производства серной кислоты.

Основным сырьем для получения сернистого ангидрида и, следовательно, серной кислоты являются флотационный колчедан, содержащий пирит FeS2, элементарная сера (S) и отходящие газы цветной металлургии,

Содержащие SO2. Из флотационного колчедана получают 45 % серной кислоты, из серы - 25 %, из отходящих газов - 25 % и из разного сырья - 5 %.

На практике для окисления сернистого ангидрида используют контактный метод, по этому методу получают 85 % всей серной кислоты [2,c 79].

Cырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны , хотя до сих пор в качестве сырья используют 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). Причем доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

1.4 Получение серной кислоты из самородной серы

Получение серной кислоты из самородной серы состоит из трех стадий: 1- получение диоксида серы обжигом элементарной серы, 2- окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI), 3- абсорбция триоксида серы.

Получение обжигового газа из серы



S +O2 = SO2

При сжигании серы протекает необратимая экзотермическая реакция с выделением очень большого количества теплоты: ДН=-362,4 кДж/моль.

Сначала серу расплавляют, потом сжигают. Процесс гомогенный, т.к. теплоты реакции горения серы достаточно для ее испарения.

Процесс сжигания можно проводить в печах двух типов: форсуночные и циклонные. Концентрация диоксида серы зависит от соотношения серы и воздуха. Воздух берут в избытке для снижения температуры в печи. Процесс проводят при температуре 13000С и получают обжиговый газ, содержащий 13-14% SO2. Из печи обжиговый газ поступает в котел-утилизатор и далее в последующие аппараты.

Контактное окисление оксида серы (IV)

SO2 + 0,5O2 = SO3 + Q

Реакция окисления сернистого газа в серный простая, обратимая, экзотермическая. С термодинамической точки зрения для смещения равновесия в сторону образования продукта необходимо: снижать температуру, увеличивать давление, использовать избыток одного из компонентов, а также выводить продукт из зоны реакции. С кинетической точке зрения для увеличения скорости процесса необходимо повышать температуру. Однако, даже при высоких температурах реакция в газовой фазе не идет из-за высокой энергии активации. Для ее снижения процесс окисления сернистого газа в серный проводят на поверхности твердого катализатора.

Выбор оптимальных условий проведения процесса.

Процесс окисления диоксида серы с заметной скоростью для различных катализаторов начинается при определенной температуре - температуре зажигания. Реакция ускоряется в присутствии платины (Е=70 кДж/моль) при температуре 2500С, оксида железа (III) ( Е=150 кДж/моль) при температуре 5500С, оксида ванадия (V) при температуре не ниже 4000С ( Е= 90 кДж/моль).

Платиновый катализатор обладает наибольшей активностью, однако дорог и быстро отравляется ядами (мышьяком, селеном, хлором). Оксид железа (III) - малоактивный катализатор. Ванадиевая контактная масса, например, марки БАВ имеет примерный состав: V2O5* 0,5Al2O3*2K2O*3BaO*2KCl*12SiO2.

Активными компонентами ванадиевых катализаторов являются сульфо- и пиросульфованадаты калия, которые в условиях проведения реакции находятся в расплавленном состоянии на поверхности кремнеземистого носителя. Формы контактной массы - гранулы, кольца. Рабочий интервал температур 400-6500С. При температурах выше 6500С активность катализатора уменьшается из-за разрушения активного комплекса V2O5K2S2O7 до кристаллического пентаоксида ванадия, который катализатором не является. При температурах ниже 4000С возможно образование каталитически неактивного соединения - сульфата ванадила VOSO4.

Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии. В выбранных условиях общая скорость окисления серы (IV) определяется скоростью химической реакции, т.е. протекает в кинетической области.

Температура выбирается в пределах работы катализатора. Для получения высокого выхода оксида серы (VI) необходима минимальная температура- 4000С, так как реакция обратимая и экзотермическая. Однако скорость процесса при этой температуре мала даже в присутствии катализатора. Выбор температурного режима, обеспечивающего высокую скорость обратимой экзотермической реакции, довольно сложен, так как изменение температуры различно сказывается на равновесном выходе продукта и на средней скорости процесса. Если вести процесс при постоянной температуре 6000С, то реакция идет быстро, но, в соответствии с состоянием равновесия, выход целевого продукта уменьшается. Если вести процесс при постоянной температуре 4000С, получим высокий выход, однако скорость процесса будет чрезвычайно мала.

Для обеспечения высокой интенсивности процесса необходимо проводить окисление оксида серы (IV) при меняющемся температурном режиме.

Рис.4. Зависимость практического выхода SO3 от температуры при различном времени контактирования.

На рис.4 приведен график зависимости равновесного и практических выходов от температуры. С увеличением времени контактирования максимумы на кривых смещаются в сторону более низких температур. Кривую, соединяющую эти максимумы, называют линией оптимальных температур (ЛОТ). При проведении процесса по линии оптимальных температур окисление оксида серы (IV) протекает с максимально возможными скоростями в каждый момент. Понижение температуры к концу процесса с 600 до 4000С позволяет получить высокий выход продукта.

Процесс идет с уменьшением объема, поэтому для смещения равновесия вправо необходимо давление увеличивать. В зависимости от выбранной температуры эффективность воздействия давления различна. При низких температурах, когда равновесные степени контактирования оксида серы (IV) высокие, давление незначительно сказывается на смещении равновесия. При высоких температурах, когда окисление происходит далеко не полностью, давление может стать одним из решающих факторов, обеспечивающих высокую степень контактирования. Повышенное давление имеет значение для агрегатов большой единичной мощности. В обычных условиях процесс проводят при давлении 0,1 МПа, так как смещения равновесия добиваются другими путями. Степень превращения SO2 составляет в среднем 99,5-99,8%.

При стехиометрическом соотношении превращение протекает недостаточно полно. Для смещения равновесия в сторону продукта реакции необходимо брать в избытке один из компонентов. Наиболее оптимальным является следующий состав газовой смеси: 11%O2, 7%SO2, 82%N2, т.е. кислород подают в избытке. Если взять избыток диоксида серы, то произойдет перегрев катализатора, что может вывести его из строя.

Таким образом, процесс окисления оксида серы(IV) в оксид серы (VI) является: простым, обратимым, экзотермическим, гетерогенно-каталитическим. Для получения максимальных выхода и скорости процесса его проводят по линии оптимальных температур (ЛОТ).

Конструкция контактного аппарата должна обеспечить возможность проведения каталитического окисления диоксида серы в условиях оптимального технологического режима. В контактном аппарате расположены пять слоев катализатора. Сначала газ проходит первые три слоя, причем, для реализации линии оптимальных температур он выводится после прохождения каждого слоя в выносные теплообменники для охлаждения.



Рис.5. Изменение температуры и выхода при четырехступенчатом контактировании в аппарате со стационарными слоями катализатора: 1, 3, 5, 7 -слои катализатора, 2, 4, 6, 8 - промежуточные теплообменники.

После третьего слоя газ попадает в моногидратный абсорбер и затем подается на 4 и 5 слои катализатора. Т.е. процесс окисления диоксида серы проводят по методу двойного контактирования (рис.6.).

Вывод продукта из зоны реакции смещает равновесие в сторону образования целевого продукта.

Абсорбция триоксида серы.

Последней стадией процесса производства серной кислоты контактным способом является абсорбция триоксида серы из газовой смеси и превращение его в серную кислоту.

Для увеличения движущей силы процесса необходимо, чтобы парциальное давление паров SO3 было минимальным. Однако в качестве абсорбента нельзя использовать растворы, над поверхностью которых велико равновесное парциальное давление паров воды. В этом случае еще не растворенные молекулы SO3 будут реагировать с молекулами воды в газовой фазе с образованием паров серной кислоты и быстро конденсироваться в объеме с образованием мельчайших капель серной кислоты, диспергироваться в инертной газовой среде - азоте, т.е. с образованием сернокислотного тумана.

Оптимальным абсорбентом является 98,3% серная кислота - моногидрат, соответствующий азеотропному составу. Над поверхностью такой кислоты практически нет ни паров воды, ни паров SO3.

Протекающий при этом процесс можно условно описать уравнением:

SO3 + mH2SO4 + H2O = (m + 1) H2SO4 + Q

Использование в качестве поглотителя менее концентрированной кислоты может привести к образованию сернокислотного тумана, а над 100%-ной серной кислотой в паровой фазе довольно велико равновесное парциальное давление SO3, поэтому он будет абсорбироваться не полностью.

При высоких температурах над 98,3%-ной серной кислотой может быть значительным парциальное давление самой кислоты, что также будет снижать степень абсорбции SO3. Ниже 1000С равновесное давление паров серной кислоты очень мало и поэтому может быть достигнута практически 100%-ная степень абсорбции. Для обеспечения высокой степени поглощения следует поддерживать в абсорбере концентрацию серной кислоты, близкую к 98,3%, а температуру ниже 1000С.

Технологическая схема производства серной кислоты из серы по методу двойного контактирования (ДК) изображена на рис.6.



Рис.6. Схема производства серной кислоты из серы по методу ДК.

1 -серная печь, 2 -котел-утилизатор, 3 -экономайзер, 4 -пусковая топка, 5, 6 -теплообменники пусковой топки, 7 -контактный аппарат, 8 -теплообменники, 9 -сушильная башня, 10, 11 - первый и второй моногидратные абсорберы, 12 -сборники кислоты, 13 -выхлопная труба.

Серу подают в печь 1, пропуская через плавитель, где она плавится. Также в печь 1 подают воздух, осушаемый в сушильной башне 9, орошаемой 93% серной кислотой. Воздух предварительно нагревается в теплообменниках-8.2, 8.3. Из печи 1 газ (SO2) поступает в котел-утилизатор 2, где охлаждается до 4400С и направляется в контактный аппарат 7. Воздух нагревается в топке 4, в теплообменниках 5 и 6 и направляется в контактный аппарат. В контактном аппарате размещены пять слоев катализатора. Для реализации линии оптимальных температур газ после каждого слоя катализатора необходимо охладить. С этой целью предусмотрена система теплообменников 8.

Таким образом, газовая смесь (SO2 и воздух) после первого слоя катализатора направляется в теплообменник 8.1, затем на второй слой катализатора. После второго слоя газ охлаждается в теплообменнике 8.4 и поступает на третий слой катализатора. После третьего слоя газ, пройдя теплообменники 8.5, 8.2, 8.3, направляется в первый моногидратный абсорбер 10, который орошается 98,3% серной кислотой. После первого моногидратного абсорбера газ поступает на четвертый слой катализатора в контактном аппарате, предварительно пройдя теплообменники 8.3, 8.2 и 8.5. После четвертого слоя вводят дополнительно воздух для охлаждения и интенсификации процесса. После четвертого слоя газ поступает на пятый слой, выходит из контактного аппарата и направляется для подогрева воды в экономайзер 3 и уже оттуда попадает во второй моногидратный абсорбер 11, где происходит окончательное поглощение триоксида серы. Выхлопные газы отводятся из второго моногидратного абсорбера через выхлопную трубу 13. Товарная серная кислота - 92,5% постоянно выводится из сушильной башни 9. .[3,c.38-48]

1.5 Получение серной кислоты из серного колчедана

Технологическая схема производства серной кислоты из серного колчедана включает три стадии: а) обжиг серного колчедана с получением SO2; б) контактированиеSO2с кислородом; в) абсорбция SO3.

Обжиг серного колчедана. Это гетерогенный высокотемпературный (до 1000 оС) необратимый каталитический процесс, включающий ряд стадий. Основная реакция протекает по схеме:

4FeS2 +11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + 3420 кДж/ моль.

При недостатке кислорода протекает иная реакция:

3FeS2 + 8O2 = Fe3O4 + 6SO2 + 2440 кДж/ моль.

При окислении сульфида железа на поверхности зерна минерала получается слой оксидов, толщина которого растет по мере выгорания серы из минерала. Общая скорость процесса при этом определяется скоростью диффузии газов в порах этого слоя оксидов. Следовательно, процесс обжига колчедана протекает внутри диффузионной области [1,c.146-147].

Контактирование SO2 с кислородом.

SO2 + 1/2O2 = SO3

Реакция является обратимой, экзотермической, протекает на катализаторе с уменьшением объёма. Катализаторы окисления SO2готовят на основе оксида ванадия (V2O5) с добавкой щелочных металлов, нанесённых на оксид кремния. Компоненты реакционной смеси взаимодействуют с катализатором и образуют соединения, которые, собственно, и катализируют реакцию. Состав и свойства, в том числе каталитические, образующихся соединений меняются с температурой.

Абсорбция SO3. Абсорбция триоксида серы - последняя стадия процесса, в которой образуется серная кислота. Взаимодействие SO3 c H2O

SO3 + H2O = H2SO4

Протекает достаточно интенсивно как в жидкой, так и в газообразной фазах. Кроме того, серная кислота может растворять в себе триоксид серы, образуя олеум. Этот продукт удобен для транспортировки, поскольку он не вызывает коррозии даже обычных сталей.[5,c.428-432]

По технологическому оформлению производство серной кислоты из железного колчедана является очень сложным и включает ряд блоков, где последовательно проводят необходимые стадии процесса.



Рисунок 4. Структурная схема производства серной кислоты из колчедана.

Римскими цифрами на схеме обозначено: I - блок получения обжигового газа; II - блок контактирования; III - блок абсорбции.

Арабскими цифрами на схеме обозначены следующие операторы: 1 - обжиг колчедана; 2 - охлаждение обжигового газа в котле-утилизаторе; 3 - общая очистка газа; 4 - специальная очистка газа; 5 - подогрев контактируемого газа в теплообменнике; 6 - контактирование оксида серы (IV) с кислородом; 7 - абсорбция оксида серы (VI) [1,c.147-148].

1.6 Совершенствование производства серной кислоты

Одним из наиболее эффективных мероприятий, обеспечивающих значительное улучшение технико-экономических показателей производства серной кислоты, является повышение давления процесса. Реакция окисления SО3 протекает с уменьшением объема, поэтому при повышении давления равновесие будет сдвигаться вправо, т.е. в сторону образования SО3.

Следующее важное направление в усовершенствовании процесса производства серной кислоты состоит в замене воздуха, используемого для обжига сырья, кислородом или воздухом, обогащенным кислородом. Активным компонентом воздуха, в котором сжигается серосодержащее сырье, является кислород, но его в воздухе только 21 %, а азота, являющегося балластом, 79 %. Этот балласт приходится перекачивать через всю аппаратуру, в результате снижается производительность установок и увеличивается расход электроэнергии. Применение технического кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, позволяет резко увеличить интенсивность процесса (примерно в 4-5 раз) [2,c.86].



2. Технологическая часть

2.1 Материально-потоковый граф

Рис. 8. Материально-потоковый граф процесса получения серной кислоты из железного колчедана

2.2 Технологические расчеты

Для расчета материального баланса произведем следующие действия.

Запишем реакцию обжига пирита (FeS2)

4FeS2 + 11О2 = 2Fe2О3 + 8SО2

2. Найдем долю серы в пирите

М= 56 + 2.32 = 120; S = = 0,533

3. Далее найдем долю FeS2 в руде (обогащаемом сырье), составив пропорцию:

0,533 доли серы соответствует 100 % FeS2

0,39 доли серы соответствует щк.с. % FeS2,

откуда

щк.с. = = 73,17 %

Следовательно, по массе это составляет тк.с = 160974 т

4. Далее найдём массу FeS2, пошедшую во флотационный колчедан, зная степень его извлечения из руды:

m =160974 ·89/100=143266,86 т

5. Найдем массовую долю FeS2 во флотационном колчедане

щ = = 0,49 : 0,533 . 100 % = 91,93 %

6. Степень обогащения при флотации руды - это отношение массовой доли полезного компонента (FeS2) в концентрате (флотационном колчедане) к его массовой доле в обогащаемом сырье (руде): т.е. она равна

0, 9193 /0,7317 = 1,26.

7. Найдем массу пирита во флотационном колчедане

m =220000·0,61·0,89=119438 т

8. Найдем массу пирита, содержащуюся во флотационном колчедане, которая вступает в реакцию

т(FeS2)колч. = 119438 . 0, 9193 = 109799,35 т

Масса примесей во флотационном колчедане равна:

119438 - 109799,35 = 9638,65 т

9. По уравнению реакции, зная массу пирита, вступившего в реакцию, найдем массы остальных участников реакции. Сначала найдем стехиометрическое количество кислорода, составив пропорцию:

109799,35 т пирита вступает в реакцию с Y т кислорода

4 . 120 т пирита вступает в реакцию с 11 . 32 т кислорода, откуда

Y = = 80519,52 т

10. С учетом полуторного избытка общее количество кислорода, направленного в печь ПКС, составит

80519,52 . 1,5 = 120779,28 т

11. Избыточное количество кислорода составит

120779,28- 80519,52 = 40259,76 т

12. Учитывая, что в воздухе, кроме кислорода, есть азот, массовая доля которого составляет 77 %, найдем его количество, которое подается в печи ПКС вместе с кислородом.

т (азота) = = 404348,02 т

13. Общее количество воздуха, подаваемое в печи ПКС, составит

120779,28+ 404348,02 = 525127,3 т

14. Найдем количество полученного оксида серы (IV), составив следующую пропорцию

из 109799,35 т пирита можно теоретически получить Z т SO2

из 4 . 120 т пирита можно теоретически получить 8 . 64 т SO2,

откуда

Z = = 117119,31 т

15. С учетом того, что выход SO2 составляет 94 %, найдем практическое количество полученного оксида серы (IV).

117119,31. 0,94 = 110092,15 т

16. Теоретическую массу оксида железа (III) найдем как сумму масс исходных веществ за вычетом массы оксида серы (IV).

тТ (Fe2O3) = 109799,35 + 80519,52 - 117119,31 = 73199,56 т

17. Практический выход Fe2O3 равен также 94 % от теоретически возможного.

тпр = 73199,56. 0,94 = 68807,59 т

18. Масса неустановленных веществ находят как сумму разностей теоретических и практических масс оксида серы (IV) и Fe2O3.

Тн.в =.(117119,31 - 110092,15) + (73199,56- 68807,59) = 11419,13 т

19. Сумма масс примесей и неустановленных веществ равна:

9638,65+ 11419,13= 21057,78 т

20. Теперь, когда известны массы всех участников процесса, составим таблицу материального баланса (табл. 2).

Таблица 2

Приход	Расход
Вещество	Масса, т	% масс.	Вещество	Масса, т	% масс.
FeS2	109799,35	17,03	Fe2O3	68807,59	10,68
Примеси	9638,65	1,50	SO2	110092,15	17,08
Воздух, в т.ч.	525127,3	81,47	Примеси и неустановленные вещества	21057,78	3,27
О2	120779,28	18,74	О2	40259,76	6,25
N2	404348,02	62,73	N2	404348,02	62,73
Всего	644565,3	100	Всего	644565,3	100

Дисбаланс составляет 0 %, расчет выполнен верно

21. Найдем объем печи ПКС.

Vпечи = (d2/4 ). H = (3,14. 3,752/4) . 8,5= 93,83 м3

22. Рассчитаем часовую производительность одной печи по колчедану.

Пчас = И.Vпечи = 41.93,83 /1000 = 3,85 т/ч

23. Определим годовую производительность одной печи.

Пгод = 3,85 . 8760 = 33726 т/г

24. Найдем годовое количество флотационного колчедана, направляемое на обжиг в печи.

220 000 . 0,6 . 0,9 = 118800 т

25. Тогда необходимое число печей ПКС составит

N = = 3,52 печи

Округлив в сторону увеличения, получим окончательное количество печей 4.

26. Рассчитаем удельный расход воздуха на 1 т колчедана

G = = 4,42 т/т

27. Рассчитаем объем катализатора в контактном аппарате

Vконт = (d2/4 ). h = (3,14. 3,32 / 4 ). (0,35+0,47+0.45+0,55) = 15,56 м3

28. Найдем часовую производительность контактора по SO3

Пчас = И.Vконт= 382.15,56/1000 = 5,94 т/ч

29. Тогда годовая производительность контактора составит

5,94. 8760 = 52068,74 т/г

30. Поскольку годовое производство SO2= 110092,15 (т), то число контакторов составит

Nконт = = 2,11

Число контакторов принимаем равным3.

31. Для расчета необходимого количества воздуха для корректировки состава печного газа сначала определимся имеющимся после обжига составом печного газа, который сведем в таблицу 3:

Массовый состав печного газа

Таблица 3

Компонент	Количество, т	% масс.
SO2	110092,15	19,85
O2	40259,76	7,26
N2	404348,02	72,89
Всего	554699,93	100,00

32. В соответствии с законом Авогадро найдем объемы, которые занимают компоненты печного газа.

64 кгSO2 занимает 22,4 м3

110092,15кг SO2 занимает Х м3,

откуда

Х = = 38532252,5 м3

Аналогично найдем объемы, которые занимают кислород и азот

Vазота = 323478416 м3

Vкисл= 28181832 м3

33. Составим таблицу 4, в которую занесем объемы, которые занимают компоненты печного газа, и их долевой состав.

Таблица 4 - Объемный состав печного газа, выходящего из печи

Компонент	Количество, м3	% объемн.
SO2	38532252,5	9,88
О2	28181832	7,22
N2	323478416	82,90
Всего	390192500,5	100

34. Найдем, необходимый объем печного газа, в котором доля SO2 составит по условию 8 % объемн. Для этого составим пропорцию

8 % соответствует объему печного газа 38532252,5 м3

100 % соответствует объему печного газа V/печ м3,

откуда V/печ= 481653156,25 м3

Следовательно, в печной газ следует добавить для корректировки его состава:

481653156,25 - 390192500,5=91460655,75 м3воздуха

35. Считая, что в воздухе содержится, % объемн.: азота 79, кислорода 21, найдем дополнительные количества вводимых в печной газ этих компонентов. Для этого составим пропорцию и найдем дополнительное количество азота

91460655,75м3 соответствуют 100 %

V/азота соответствует 79 %,

откуда V/азота = 72253918,04 м3

Тогда дополнительное количество кислорода составит

V/кисл = 91460655,75- 72253918,04 = 19206737,71 м3

36. В скорректированном по составу печном газе общее количество азота составит

323478416+ 72253918,04 = 395732334,04 м3

37. В скорректированном по составу печном газе общее количество кислорода составит

28181832+ 19206737,71= 47388569,71 м3

38. Составим таблицу 5 скорректированного состава печного газа.

Таблица 5 - Скорректированный состав печного газа

Компонент	Количество, м3	% объемн.
SO2	38532252,5	8,00
О2	47388569,71	9,84
N2	395732334,04	82,16
Всего	481653156,25	100,00

39. Для нахождения состава газа, выходящего из контактора, запишем уравнение реакции контактирования

SO2 + 0,5О2 = SO3

40.Определим количество SO2, вступившего в реакцию с учетом степеней кoнтактирования:

,



Где и - степень контакта на 1-ой и 2-ой ступени соответственно.

Тогда количество непрореагировавшего SO2 составит

Для окисленияА т SO2 потребуется С т кислорода

41.Количество полученного SO3 составит D т

42.Масса N2, подаваемого в контактор Е т

Е т = (395732334,04 *28)/(22,4*1000) = 494665,42 т

Масса О2, подаваемого в контактор F т

F т = (47388569,71*32)/(22,4*1000) = 67697,96 т

Тогда количество непрореагировавшего O2 составит G т

G т = т

43. На основании расчетных данных составим таблицу материального баланса контактирования:

Таблица 6 - Материальный баланс контактирования

Приход			Расход
Вещество	Масса, т	% масс.	Вещество	Масса, т	% масс.
SO2		16,37	SO3	0	20,42
O2	67697,96	10,07	SO2		0,03
N2	494665,42	73,56	O2		5,99
			N2	494665,42	73,56
Всего	672455,53	100,00	Всего	672455,53	100,00

44. Составим таблицу состава газа, выходящего из контактора



Таблица 7

Состав газа выходящего из контактора
Вещество	Масса, т	% масс.	Объем, м3	% об.
SO3	0	20,42	38451336,00	8,32
SO2		0,03	80916,50	0,02
O2		5,99	28162904,00	6,09
N2	494665,42	73,56	395732336,00	85,57
Всего	672455,53	100,00	462427492,50	100,00

45. Перейдем к расчету количества полученной серной кислоты. Процесс синтеза серной кислоты описывается реакцией:

SO3 + H2O = H2SO4

Учитывая, что степень абсорбции SO3 составляет 99,7% масс., найдем количество SO3, превратившегося в серную кислоту

m(SO3)= 0*0,997 = 136914,22 т

46. По уравнению реакции рассчитаем массу 100-процентной серной кислоты. Для этого составим пропорцию

из 136914,22 т SO3 можно получить Х т H2SO4

из 80 т можно получить 98 т H2SO4,

откуда X = (136914,22 * 98) / 80 = 167719,92 т

47. Найдем массу 93-процентной серной кислоты, составив пропорцию

167719,92 составляет 93 %

Y т составляет 100 %,

Откуда



Заключение

Ответы :

Масса 93%-й серной кислоты -

Степень обогащения при флотации руды - 1,26

Число печей обжига колчедана - 4

Удельный расход воздуха на 1 т колчедана - 4,42 т/т

Число контакторов - 3



Список использованных источников

1. Общая химическая технология: учеб.пособие / Г.М. Давидан, А.Г. Нелин, Л.Н. Олейник, Е.Д. Скутин. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 264 с.;

2. Основные химические производства Учебное пособие. Чабан Н.Г. -М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008.- 79 с.

3. Общая химическая технология : учебное пособие : в 2 ч / К.В. Брянкин, Н.П. Утробин, В.С. Орехов, Т.П. Дьячкова. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - Ч. 2. - 172 с.;

4. Производство серной кислоты: Учебник для проф.-техн. учеб.заведений / Амелин А.Г., Яшке Е.В. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1980. - 245 с.;

5. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: Учебник для вузов / В.С. Бесков, В.С. Сафронов - М.: Химия. 1999. 472с.;

Размещено на Allbest.ru