Производство серной кислоты

Содержание

 с.

Введение……………………………………………………………………...2

1 Литературный обзор……………………………………………………….3

1.1 Методы получения……………………………………………………3

1.2 Применение……………………………………………………………5

1.3 Сырье…………………………………………………………………..6

1.4 Целевой продукт………………………………………………………7

2 Физико-химические основы процесса……………………………………9

2.1 Механизм процесса…………………………………………………...9

2.2 Окислы азота и их свойства………………………………………….9

2.3 Свойства нитрозы……………………………………………………10

2.4 Химизм процесса…………………………………………………….11

2.5 Факторы, влияющие на эффективность процесса…………............12

3 Технологическая часть…………………………………………………...14

3.1 Схема производства…………………………………………………14

3.2 Схема абсорбционной башни……………………………………….17

4 Расчетная часть…………………………………………………………...19

4.1 Термодинамический расчет…………………………………………19

4.2 Материальный баланс……………………………………………….21

4.3 Тепловой баланс……………………………………………………..22

Заключение…………………………………………………………………24

Список используемых источников………………………………………..25

 

 

 

Введение

 

Серная кислота – наиболее сильная и самая дешевая кислота. Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота  по объему производства и потребления  занимает первое место. Серная кислота  не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых  сильных кислот, в широком диапазоне  температур (от –40…-20 до 260 – 336,5⁰С) находится в жидком состоянии. Она широко используется в производстве минеральных удобрений, различных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т.д. Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотталкивающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления и т.д.

Одновременно с увеличением  объема производства серной кислоты  расширяется ассортимент продукции  сернокислотных заводов, организуется выпуск особо чистой кислоты, 100% , высококачественного олеума и кислоты, а также увеличивается производство новых продуктов на основе . Кроме олеума, концентрированной серной кислоты и аккумуляторной кислоты, отечественные заводы выпускают также более чистую контактную кислоту улучшенного качества (для производства искусственного волокна, титановых белил и др.), чистый олеум, химически чистую и реактивную серную кислоту.

За последние годы в  процессе производства серной кислоты  внесены существенные улучшения. Широко применяется обжиг колчедана  в кипящем слое и сжигание серы в циклонной печи, значительно  увеличивается использование тепла, выделяющегося при обжиге сырья, и на других стадиях производства серной кислоты. Непрерывно повышается производительность башенных сернокислотных систем в результате поддержания  оптимального технологического режима, разработанного на основе исследований; интенсивность башенных систем достигает 250 кг/м3 в сутки. Освоен контактно-башенный процесс производства серной кислоты, при котором расход составляет 6 – 7 кг на 1 тонну .Внедряется процесс конденсации , заменяющий абсорбцию серного ангидрида.

 

Рисунок 1- Схема производства серной кислоты.

 

1 Литературный обзор

1.1 Методы получения

Получение серной кислоты  включает несколько этапов. Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего  сырья (необходимость в этой стадии отпадает при использовании в  качестве сырья отходящих газов, так как в этом случае обжиг  сульфидов является одной из стадий других технологических процессов). Следующий этап – превращение  оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Этот окислительный процесс характеризуется  очень высоким значением энергии  активации, для понижения которой  необходимо, как правило, применение катализаторов.

В зависимости от того, как  осуществляется процесс окисления SO₂ в SO₃, различают два основных метода получения серной кислоты: контактный и нитрозный.

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                                                                                                                                      (1)

                                                                 

В нитрозном  способе катализатором  служат окислы азота. Окисление происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой. Поэтому нитрозный способ по аппаратурному признаку называют башенным. Сущность нитрозного метода состоит в том, что обжиговый газ обрабатывается серной кислотой, в которой растворены окислы азота. Сернистый ангидрид обжигового газа поглощается нитрозой, и затем окисляется окислами азота по реакции: + + = + 2NO. Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется, а затем частично окисляется кислородом до . Смесь NO и вновь поглощается .

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                                                              (2)

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

 

1.2 Применение

 

Серная кислота находит  самое широкое применение. Самый крупный потребитель серной кислоты - производство минеральных удобрений. На 1 т Р₂О₅ фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH₄)₂SO₄ - 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Серная кислота также используется для получения соляной, азотной, фосфорной, плавиковой и многих органических кислот методом обмена, органических сульфосоединений, для очистки различных газов, входит в состав нитрующих смесей, используется в производстве красителей, для зарядки аккумуляторов, в металлургии серную кислоту применяют для

 обнаружения микротрещин  в готовой продукции, на металлообрабатывающих  заводах серную кислоту используют  в цехах гальванопокрытий. Как  известно, перед нанесением на  металлические изделия электрическим  методом никеля, хрома, меди их  нужно тщательно очистить, протереть,  обезжирить и, наконец, выдержать  непродолжительное время в ванне  с раствором серной кислоты.  При этом она растворяет тончайший  слой металла и с ним удаляются  следы загрязнений. В то же  время поверхность металла становится  более шершавой: на ней появляются  микроскопические углубления и  выступы. Электролитические покрытия  к такой поверхности лучше  пристают и более прочно сцеплены  с металлом. Также серная кислота необходима для переработки различных руд и ископаемых. При переработке руд редких металлов большое значение имеет кислотный способ их расщепления. Обычно для этой цели используют наиболее дешевую нелетучую серную кислоту. Измельченную руду смешивают в определенной пропорции с серной кислотой и нагревают. Полученный раствор и осадок дальше перерабатывают химическим путем, исходя из химических свойств того элемента, который нужно выделить из раствора. На химическую переработку руд редких элементов расходуют тысячи тонн серной кислоты.

Большое количество серной кислоты требуется нефтеперерабатывающей  промышленности для очистки нефти  и ее различных фракций. В органическом синтезе концентрированная серная кислота — необходимый компонент при получении многих красителей и лекарственных веществ [3].

Широко применяются соли серной кислоты. Сульфат натрия (глауберова соль Nа₂SO₄ · 10Н₂О) применяется для производства соды и в стекольной промышленности. Сульфат кальция распространен в природе в виде двуводного кристаллогидрата гипса (СаSO₄ · 2Н₂О) и безводной соли ангидрита (СаSO₄).

Ангидритовые вяжущие  материалы получают путем обжига гипсового камня при повышенных температурах (600-700 ^оС) с различными добавками. При этом получают отделочный гипсовый цемент и кальцинированный гипс (экстрих-гипс).

Эти материалы затвердевают значительно медленнее, чем полуводный гипс, и применяются для изготовления строительных растворов и бетонов  малой прочности, а также искусственного мрамора, бесшовных настилов полов  и др.

Сульфат магния, или горькая  соль (МgSO₄7Н₂О) применяется в медицине как слабительное.

Сульфат железа (II), или железный купорос (FеSO₄7Н₂О) применяется для приготовления желтой кровяной соли (К₄[Fе(СN)₆]), чернил, для очистки воды и консервирования дерева.

Сульфат меди, или медный купорос (СuSО₄5Н₂О) применяется для борьбы с различными грибками - вредителями сельского хозяйства, для производства медных покрытий и получения различных соединений меди.

Из растворов, содержащих сульфат трехвалентного металла (Fе³⁺, Аl³⁺, Сг³⁺) и сульфат одновалентного металла (К⁺, NН₄⁺, Rb⁺), выкристаллизовываются двойные соли типа К₂SO₄Al₂(SO₄)₃24H₂O или КАl(SO₄)₃12Н₂О. Вместо калия и алюминия могут стоять в любом сочетании перечисленные элементы.

Эти соединения называются квасцами. Квасцы существуют только в  твердом виде. В растворе они ведут  себя как две самостоятельные  соли, т. е. как смесь сульфатов  одно- и трехвалентных металлов.

 

1.3 Сырье

 

Традиционно основными источниками  сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты в СССР получали из серы, треть – из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

В целях защиты окружающей среды во всем мире принимаются меры по использованию отходов промышленности, содержащих серу. В атмосферу с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается диоксида серы значительно больше, чем употребляется для производства серной кислоты. Из-за низкой концентрации SO2 в таких отходящих газах их переработка пока еще не всегда осуществима.

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.

 

1.4 Целевой продукт

Серная кислота может  существовать как самостоятельное  химическое соединение , а также в виде соединений с водой · 2, · , · 4 и с триоксидом серы , .

В технике серной кислотой называют и безводную H2SO4 и ее водные растворы (по сути дела, это смесь  , и соединений   · n) и растворы триоксида серы в безводной – олеум (смесь   и соединений  ).

Безводная серная кислота  – тяжелая маслянистая бесцветная жидкость, смешивающаяся с водой  и триоксидом серы в любом соотношении. Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава.

Безводная 100%-ная кислота  имеет сравнительно высокую температуру  кристаллизации 10,7 ⁰С. Чтобы уменьшить возможность замерзания товарного продукта при перевозке и хранении, концентрацию технической серной кислоты выбирают такой, чтобы она имела достаточно низкую температуру кристаллизации. Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты, представленные в таблице 1

 

 

 

Таблица 1 – Виды товарной серной кислоты

	Концентрация	Температура кристализации
Башенная кислота	72%	-29 ⁰ С
Контактная кислота	92,5%	-22 ⁰ С
Олеум	20%	+2⁰  С

 

Серная кислота и вода образуют азеотропную смесь состава 98,3% и 1,7% с максимальной температурой кипения (336,5 ºС). 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 .

Серная кислота весьма активна. Она растворяет оксиды металлов и большинство чистых металлов, вытесняет  при повышенной температуре все  другие кислоты из солей. Особенно жадно  серная кислота соединяется с  водой благодаря способности  давать гидраты. Она отнимает воду у  других кислот, от кристаллогидратов  солей и даже кислородных производных  углеводородов, которые содержат не воду как таковую, а водород и  кислород в сочетании Н:О=2. Дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу (), крахмал и сахар, разрушаются в концентрированной серной кислоте; вода связывается с кислотой и от ткани остается лишь мелкодисперсный углерод. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.