Расчет химико-технологической системы производства серной кислоты при атмосферном давлении

Федеральное агентство по образованию

Российский  химико-технологический университет 

 им. Д.И.Менделеева

 

 

Кафедра общей химической технологии

 

 

Курсовая  работа:

 

«Расчет химико-технологической системы  производства серной кислоты при  атмосферном давлении»

 

 

 

Выполнили: студент гр. О-41

роверила: Игнатенкова В.В.

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2011г.

 

Введение

 

Основной целью химического  производства является получение химического (целевого) продукта заданного качества при минимальных затратах и возможно меньшим количестве отходов, то есть  производство должно отвечать экологическим требованиям и быть экономически оправданным.

Заводское получение серной кислоты  относится к числу старейших  крупномасштабных химических производств. Серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, Объясняется это ее свойствами и себестоимостью. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот, в широком диапазоне температур (от –40 до  336,5 ⁰С) находится в жидком состоянии.

Мировое производство серной кислоты  достигает примерно 150 млн. т. в год, причем оно непрерывно увеличивается. Крупнейшим потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений: суперфосфата, сульфата аммония и др. Многие кислоты (например, фосфорная, уксусная, соляная) и соли производятся при помощи серной кислоты.

Серная кислота широко применяется  в производстве химических волокон, цветных и редких металлов, в металлообрабатывающей, нефтяной промышленности, а также для получения ряда красителей, лаков и красок, лекарственных веществ,  некоторых пластических масс. При помощи серной кислоты производят спирты, некоторые эфиры, синтетические моющие средства(ПАВ), ядохимикаты для борьбы с вредителями сельского хозяйства и сорными травами, в пищевой промышленности для получения крахмала, патоки, глюкозы и др. продуктов, в процессах нитрования и при производстве большей части взрывчатых веществ. Транспорт использует свинцовые сернокислотные аккумуляторы. Серную кислоту используют для очистки нефтепродуктов и минеральных масел, осушки газов, при концентрировании кислот, в процессах нейтрализации, травления.

 

Исходное  сырье

 

Исходными реагентами для получения серной кислоты  могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы. Такими соединениями являются сульфиды железа, сульфиды цветных металлов (меди, цинка  и др.), сульфаты, сероводород и другие сернистые соединения. Природные залежи самородной серы сравнительно невелики. Общее содержание серы в земной коре составляет 0,1 %.

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 атмосферу с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается значительно больше SО₂, чем употребляется для производства серной кислоты, но его переработка не всегда осуществима.

Отходящие газы – наиболее дешевое  сырье, так же дешев колчедан, наиболее дорогостоящим сырьем является сера. Следовательно, для  производства серной кислоты из серы, должна быть разработана схема, в которой стоимость переработки серы будет существенно ниже, чем стоимость переработки колчедана  или отходящих газов.

 

Сера

 

Элементарную серу получают из самородных руд, а также из газов, содержащих диоксид серы или сероводород (газовая сера). Элементарная сера – один из лучших видов сырья для производства серной кислоты. При ее сжигании образуется газ с большим содержанием SO2 и кислорода, не остается огарка, удаление которого связано с большими затратами. Возрос объем производства серы из некоторых природных газов, содержащих большое количество сероводорода.

Свойства серы. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Сера отличается малой теплопроводностью, очень плохо проводит электрический ток, практически нерастворима в воде. Плавление серы сопровождается увеличением ее объема (примерно на 15 %). При 120⁰С  расплавленная сера представляет собой желтую легкоподвижную жидкость, вязкость которой изменяется с повышением температуры, достигая минимального значения при 155⁰С. При температуре выше 160⁰С сера темнеет и при 190⁰С превращается в темно-коричневую, вязкую массу. При дальнейшем повышении температуры вязкость массы вновь уменьшается и около 300⁰С расплав серы становится легкоподвижным. Свойства серы при нагревании меняются вследствие изменения аллотропной модификации серы.

 

Получение серы из самородных руд. Месторождения самородных серных руд встречаются в виде залежей осадочного или вулканического происхождения и в шляпах соляных куполов. В таких рудах содержится от 15 до 30 % серы.

Многие самородные серные руды, содержащие 20 % серы и более, можно непосредственно  подвергать обжигу и получать SO2. Однако обычно серные руды не обжигают, а выплавляют из них серу в печах, в автоклавах или непосредственно в подземных залежах.

При добывании серы непосредственно  из подземных залежей по методу Фраша  серу расплавляют с помощью перегретой воды и выдавливают на поверхность  сжатым воздухом. Хотя получают сравнительно дешевую серу, но ее степень извлечения из месторождения составляет всего 30 – 60 %.

Также для извлечения серы из самородных руд применяют метод флотации с последующей выплавкой серы из концентрата в флотационных автоклавах.

Получение газовой серы. Газовую серу извлекают из отходящих газов цветной металлургии, газов нефтепереработки, попутных нефтяных и природных газов. В газовой сере, получаемой из газов цветной металлургии, содержится большое количество мышьяка и других вредных примесей, поэтому SO2, образующийся при сжигании газовой серы, следует тщательно очищать перед подачей его на катализатор в производстве контактной серной кислоты.

Большое количество газовой серы получают из сероводорода, удаляемого в процессах  очистки горючих и технологических  газов. Этот сероводород используется для производства серной кислоты методом мокрого катализа или перерабатывается в элементарную серу.

Процесс получения серы из сероводорода состоит в том, что ⅓ общего  количества Н2S сжигают в смеси с воздухом:

Н2S + 1,5 O2 = H2O +SO2

К образующемуся при сжигании SO2 добавляют остальное количество сероводорода и направляют газовую смесь в реактор, где на катализаторе происходит взаимодействие между SO2 и Н2S . Выделяющиеся пары серы конденсируются на холодной поверхности.

 

Характеристика целевого продукта

 

Серная кислота  может существовать как самостоятельное  химическое соединение, а также в  виде соединений с водой H₂SO₄*nH₂O и с триоксидом серы H₂SO₄*nSO₃.

В технике серной кислотой называют и безводную H₂SO₄ и ее водные растворы, и растворы триоксида серы в безводной H₂SO₄ – олеум.

Безводная серная кислота – тяжелая  маслянистая бесцветная жидкость (может  быть окрашена примесями в темный цвет), смешивающаяся с водой (с  выделением большого количества теплоты) и триоксидом серы в любом соотношении. Плотность H₂SO₄ при 0ºC равна 1,85 г/см³. Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава.

Безводная 100%-ная  серная кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации - 10,7ºC. Поэтому хранение и транспортировка такой кислоты довольно сложна. Серная кислота, содержащая всего 6.4% чистой воды, замерзает уже при -37.9^oC. Такую кислоту можно перевозить в любое время года. При дальнейшем увеличении содержания воды до 15% серная кислота начинает замерзать около +8^oC. Если же содержание воды увеличить до 25%, то кислота опять начинает замерзать при низкой температуре -41.0^o. Таким образом, башенная кислота, содержащая 75% чистой серной кислоты, не боится самых сильных морозов, и её можно перевозить даже в самые холодные районы страны. Также используются 92,5% контактная кислота и олеум – 20 % своб. SO₃.

 

Температура кипения серной кислоты при атмосферном   давлении.

 

Из диаграммы  следует, что серная кислота и  вода образуют азеотропную смесь состава 98,3% H₂SO₄ и 1,7% H₂O с максимальной температурой кипения (336,5˚С). Состав находящихся в равновесии жидкой и паровой фаз для кислоты азеотропной концентрации одинаков; у более разбавленных растворов кислоты в паровой фазе преобладают пары воды. В паровой фазе над олеумом высока равновесная концентрация SO₃. Эту диаграмму используют для определения режима абсорбции SO₃ и концентрирования разбавленной серной кислоты при выпаривании из нее воды.

Пары серной кислоты при повышении температуры диссоциируют:

H₂SO₄ ↔ H₂O + SO₃

и  нагревание выше 400˚С вызывает диссоциацию SO₃:

SO₃ ↔ 2 SO₂ + O₂

Выше 700˚С в парах преобладает SO₂, Степень диссоциации меняется при изменении давления.

Серная кислота  весьма активна. Она растворяет оксиды металлов и большинство чистых металлов, вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Серная кислота вступает в реакции обменного разложения, энергично соединяется с водой, обладает окислительными и другими важными свойствами. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и кислородных производных углеводородов. Целлюлоза, крахмал и сахар разрушаются в концентрированной серной кислоте. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.

 

 

 

Теоретическая часть

Химическая  схема производства:

S + O₂ => SO₂ + Q_р

SO₂+ 1/2 O₂ <=> SOз + Q_р

     SOз + H₂O <=>H₂SO₄ + Q_р

Технологическая схема (рис. 1). Расплавленная сера подается с потоком воздуха в печь 1 , где сжигается до диоксида серы. Сернистый газ охлаждается в котле-утилизаторе 2 и направляется в пятислойный контактный аппарат 3, где на катализаторе осуществляется окисление SO₂ в SO₃. Контактный аппарат - пятислойный. Нагретый за счёт химической реакции газ после прохождения каждого из трёх первых слоев охлаждается в теплообменниках 8. Три первых слоя катализатора составляют первую ступень контактирования - в них происходит доокисление оставшегося SO₂. После четвертого слоя катализатора газовая смесь охлаждается путем поддува холодного воздуха, нагнетаемого газодувкой 10. Осушка атмосферного воздуха производится в сушильной башне 5, орошаемой концентрированной H₂SO₄ . Воздух после сушильной башни поступает в контактный аппарат с температурой 30 ºС. После пятого слоя газ охлаждается в экономайзере 4 и поступает в моногидратный абсорбер 7. Схема кислотообмена в сушильно-абсорбционном отделении может быть осуществлена по вариантам А и Б (рис. 2). Продукционная серная кислота отбирается из сушильной башни 5 и поступает в сборник 9.

 

Рис. 1. ХТС производства серной кислоты  при атмосферном давлении: 1 - печь для сжигания серы; 2 - котел-утилизатор; 3 - контактный аппарат; 4 - экономайзер; 5 - сушильная башня; 6 - первый абсорбер; 7 - второй абсорбер; 8 - теплообменники; 9 - сборники; 10- газодувка

 

 

А)

Рис. 2. Схемы кислотообмена А: 5 - сушильная башня; 6 - первый абсорбер; 7 - второй абсорбер; 9 - сборники

 

 

 

 

Получение H₂SO₄ из серы

 

Процесс производства серной кислоты из элементарной серы состоит из следующих основных этапов:

1. подготовка  сырья: очистка и плавление  серы; очистка, сушка и дозировка  воздуха;

2. сжигание серы:

S + O₂ = SO₂ (1).

Процесс ведут  с избытком воздуха. Выделяется очень  большое количество теплоты ΔН = -362,4 кДж/моль

3. контактное  окисление SO₂  в SO₃:

SO₂+ 0,5O₂ = SO₃ (2).

на ванадиевом катализаторе при температуре 420-550˚C, тепловой эффект реакции при 500˚C составляет 94,23 кДж/моль;

4. абсорбция SO₃:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (3).

Абсорбционная колонна орошается 98,6% H₂SO₄. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~ 93%

Получение обжигового газа из серы

 

Расплавленная жидкая сера, подаваемая на сжигание, испаряется (кипит) при температуре 444,6˚C; теплота  испарения составляет 288 кДж/кг. Теплоты реакции горения серы вполне достаточно для испарения исходного сырья, поэтому взаимодействие серы и кислорода происходит в газовой фазе (гомогенная реакция).

В промышленности серу предварительно расплавляют (для  этого можно использовать водяной пар, полученный при утилизации теплоты основной реакции горения серы). Так как температура плавления серы сравнительно низка, то путем отстаивания и последующей фильтрации от серы легко отделить механические примеси, не перешедшие в жидкую фазу, и получить исходное сырье достаточной степени чистоты. Для сжигания расплавленной серы используют два типа печей – форсуночные и циклонные. В них необходимо предусмотреть распыление жидкой серы для ее быстрого испарения и обеспечения надежного контакта с воздухом во всех частях аппарата.

Концентрация  диоксида серы в обжиговом газе зависит  от соотношения серы и воздуха, подаваемых на сжигание. Если воздух берут в  стехиометрическом количестве, то при  полном сгорании серы  концентрация будет равна объемной доле  кислорода  в   воздухе C(SO₂)_max =21%. Однако воздух берут в избытке, иначе в печи будет слишком высокая температура.