Производство серной кислоты

Вода, необходимая для образования  и разбавления серной кислоты, вводится в башни К1 и К3.

Образование серной кислоты, окисление  окиси азота и абсорбция окислов  азота протекают с выделением большого количества тепла. Кроме того, тепло вводится в систему с  обжиговым газом. Для поддержания  необходимого температурного режима нитроза после башен К1, К2, К3 охлаждается в холодильниках.

К1 – башня – денитратор; К2 - башня – денитратор – концентратор; К3 – продукционная башня; К4 – окислительная башня; К5 – абсорбционная башня; В – хвостовой вентилятор; ЭФ – электрофильтр; Е1 – бак для конденсата; Х – выхлопная труба; Н – насос; Е2 – сборник.

Рисунок 2 - Схема производства серной кислоты нитрозным методом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Схема абсорбционной башни

Х1 – выход нитрозы; Х2 – корпус; Х3 – футеровка; РТ – приводная разбрызгивающая турбина; Х5 – крышка; Х6 – насадка; Р – колосниковая решетка; Х7 – стойки.

Рисунок 3 - Абсорбционная башня

При определении общего объема всех башен исходят из интенсивности  системы, которую принимают равной не менее 200 кг/м³ в сутки (в пересчете на моногидрат).

На отечественных заводах устанавливают  от 5 до 7 башен высотой 14—16 м. Диаметр денитрационной башни 3—4 м, первой продукционной и последней абсорбционной 4,5—6 м, остальные башни имеют диаметр 6—8,5 м.

Абсорбционная башня (рисунок 3) имеет стальной корпус Х2, футерованный кислотоупорными плитами Х3, которые защищают корпус от разрушения и в то же время являются термоизоляцией. В качестве футеровочных материалов применяются андезитовые или диабазовые плиты, сложенные на кислотостойком растворе.

Для увеличения поверхности соприкосновения  нитрозы с газом башни заполняют насадкой Х6 из кислотоупорных керамических или фарфоровых колец размером 50×50 мм в верхней части и 120×120, 100×100, 80×80 мм в нижней части башни.

Обжиговый газ поступает в нижнюю часть башни и выходит через  отверстие в верхней крышке Х5 из армированного кислотоупорного бетона. Для разбрызгивания нитрозы по сечению башни применяются разнообразные устройства. В настоящее время наибольшее распространение получили центробежные разбрызгиватели, называемые приводными турбинами, которые устанавливают на верхней крышке башен.

 

4 Расчетная часть

Исходные данные

Абсорбция SO₂: SO₂ + N₂O₃ + H₂O = H₂SO₄ + 2NO. Абсорбционная колонна орошается 98,3% H₂SO₄.

Таблица 2 – Данные для расчета

Показатель	Значения
Степень абсорбции SO2, %	99,8
Содержание SO2 в газе, поступающем в аппарат, % (пообъему)	5
Содержание в газе, поступающем в аппарат, % (пообъему)	25
Содержание H2SO4 в целевом продукте, % по массе	72
Базис расчета, кг H2SO4	2000

4.1 Термодинамический расчет

Рассчитываем реакцию 3

Вычислим изменение энтальпии  для каждого вещества реакции  при температуре T=319 K

ΔH⁰_T =ΔH⁰₂₉₈+   C_pdT= ΔH⁰₂₉₈+a(T-298)+b×10^-3(T²-298²)/2-c×10⁵(1/T-1/298)

ΔH^SO2₃₁₉=-297000+21,6(319-298)+16,5×10^-3(319²-298²)/2+12,7×10⁵×(1/319-1/298)= - 296 кДж/моль

ΔH^N2O3₃₁₉=121000+28,9(319-298)+25,48×10^-3(319²-298²)/2+1,67×10⁵×(1/319-1/298)= 122 кДж/моль

ΔH^H2O₃₁₉ = -241810+30(319-298)+10,71×10^-3× (319²-298²)/2+0,33×10⁵×(1/319-1/298) = -241 кДж/моль

ΔH^H2SO4₃₁₉=-814000+33,7(319-298)+20,5×10^-3(319²-298²)/2+19,7×10⁵×(1/319-1/298)= - 813 кДж/моль

ΔH^NO₁₀₆₀=91260+29,58(319-298)+3,85×10^-3×(319²-298²)/2+0,59×10⁵×(1/319-1/298)= 919 кДж/моль

ΔH^реакц₁₀₆₀= ΔH⁰₁= ΔH⁰(H₂SO₄) + 2ΔH⁰(NO) - ΔH⁰(SO₂) - ΔH⁰(N₂O₃) - ΔH⁰(H₂O) = - 813 + 2· 919 + 296 – 122 + 241 = - 1440 кДж/моль

Вычислим изменение энтропии реакции при T=319 K

ΔS^{0 реакц}_T = ΔS₂₉₈+(Cp/T)dT=ΔS₂₉₈+a(lnT-ln298)+b(T-298)×10^-3-c×10⁵×0,5×(1/T²-1/298²)

ΔS^0SO2₃₁₉= 248+21,6(ln319-ln298)+25,48×10^-3(319-298)/2+12,7×10⁵×(1/319²-1/298²) = 253 Дж/моль×К

ΔS^0N2O3₃₁₉= 304+28,9(ln319-ln298)+16,5×10^-3(319-298)/2+1,67×10⁵×(1/319²-1/298²) = 308 Дж/моль×К

ΔS^0H2O₃₁₉ = 188,72+30(ln319-ln298)+10,71×(319-298)×10^-3-0,33×10⁵×0,5×(1/319²-1/298²)=191 Дж/моль×К

ΔS^0H2SO4₃₁₉= 157+33,7(ln319-ln298)+20,5×10^-3(319-298)/2+19,7×10⁵×(1/319²-1/298²) = 162 Дж/моль×К

ΔS^0NO_T=210,64+29,58(ln319-ln298)+3,88×(319-298)×10^-3-0,59×10⁵×0,5×(1/319²-1/298²)=213 Дж/моль×К

ΔS^реакц₃₁₉= ΔS⁰₁= ΔS⁰(H₂SO₄) + 2ΔS⁰(NO) - ΔS⁰(SO₂) - ΔS⁰(N₂O₃) - ΔS⁰(H₂O) =162 +2· 213 - 253 – 308 - 191= - 164 Дж/моль×К

 

Вычислим значений энергии Гиббса для каждого вещества реакции при T=319 K

ΔG_T^вва= ΔH^вва_T-T× ΔS^{0 вва}_T

ΔG_T^SO2 = -296000 -319×253 = - 377 кДж/моль

ΔG_T^N2O3 = 122000 -319×308 = 24 кДж/моль

ΔG_T^H2O= -241000 -319×191 = - 302 кДж/моль

ΔG_T^H2SO4 = -813000 -319×162 = - 865 кДж/моль

ΔG_T^NO= 919 -319×213 = - 67 кДж/моль

Определим изменения энергии Гиббса для реакции при T=319 K

ΔG₃₁₉= -1440000 + 319×164 = -1388 кДж/моль

Определим константы равновесия реакции

ΔG₃₁₉ = - RTlnK

lnK= - ΔG₃₁₉/RT= 1388/8,31×319 = 0,523

K=℮^0,523= 16,8

K > ; ΔG < 0 – реакция идет в прямом направлении, слева направо

4. 2 Материальный  баланс

Рассчитываем количество SO₂

ν(Н₂SO₄) = G/M(SO₂)×0,998 = 2000/98·0,998 = 20,44 кмоль

m = ν·M(SO₂) = 20,44·64 = 1308 кг

Рассчитываем количество N₂O₃

m = ν· (100 – x)/x = 20,44·(100 – 25 )/25 = 61 кг

ν(N₂O₃) = 61/76 = 800 моль

Рассчитываем количество Н₂O

m = ν·M(Н₂O) = 20,44·18 = 368 кг

ν(Н₂O) = 368/18 = 20 кмоль

Рассчитываем количество Н₂SO₄

d = ν·0,72 = 20,44·0,72 = 15 кмоль

m = d·M(Н₂SO₄) = 15 · 98 = 1440 кг

Рассчитываем количество NO

f = ν·2/4 = 20,44·0,5 = 10,2 кмоль

m = f· M(NO) = 10,2·30 = 306 кг

Таблица 3 – Материальный баланс

Приход					Расход
№	Реагенты	кмоль	Кг/м3	%	№	Продукты	кмоль	кг	%
1	SO2	20,44	1308	75	1	H2SO4	15	1440	83
2	N2O3	0,8	61	3,5	2	NO	10,2	306	17
3	H2O	15	368	21,5
ИТОГО			1737	100	ИТОГО			1736	100

 

4.3 Тепловой баланс

Средняя массовая теплоемкость  при Т = 298 К

SO₂   С = 0,87  кДж/кг×град

N₂O₃ С = 1,23  кДж/кг×град

Н₂ О  С = 1,9  кДж/кг×град

H₂SO₄    С=1,73   кДж/кг×град

NO С = 1,06  кДж/кг×град

С_ср=(0,87×1308+1,23×61+1,9×368+)/1737= 1,1 кДж/кг×К

Q_прих = C_cp×∑m×Т=1,1×1737×298 = 569389 кДж

Вычисляем теплоту при  протекании реакции

Q_реакц = (1/4)×ΔH⁰₁×d = 0,25· 1440· 10³ · 19,2 = 6912000 кДж

Принимая теплоту потери в окружающую среду = 0,04 (4%), рассчитываем

Q_пот = 0,04(Q_реакц+ Q_прих)=0,04×(6912000 + 569389) = 356255 КДж

Расчет средней массовой теплоемкости продуктов

H₂SO₄    С= 1,73 кДж/кг×град

NO С = 1,06  кДж/кг×град

С_ср = (1,73×1440+1,06·306)/1736 = 1,62 кДж/кг×К

Q_расх = = C_cp×∑m×Т = 1,62· 1736 · 298 = 838071 кДж

Таблица 4 – Тепловой баланс

Приход			Расход
№ п/п			№ п/п
1	Qприх	569389	1	Qрасх	838071
2	Qреакц	6912000	2	Qпот	356255
	ИТОГО	1260289		ИТОГО	1259326

 

Таким образом, проведя расчеты, мы составили материальный и тепловой балансы для процесса абсорбции. 

Заключение

Таким образом, в работе был проведен полный анализ процесса производства серной кислоты нитрозным методом.

Преимуществом этого метода является то, что примеси содержащиеся в SO₂, не влияют на ход процесса, так что исходный SO₂ достаточно очистить от пыли, т.е. механических загрязнений. Главный недостаток же состоит в том, что полученная серная кислота имеет концентрацию лишь 75% (при большей концентрации плохо идёт гидролиз нитрозилсерной кислоты). Концентрирование же серной кислоты упариванием представляет немалую трудность и дополнительные экономические расходы. Поэтому в настоящее время в нашей стране этот метод применяется не так часто, а вытесняет его контактный метод.

 

Список используемых источников

1. http://www.xumuk.ru/
2. Кузнецов Д.А., Производство серной кислоты – М.: «Высшая школа», 1968 г. 296 с.
3. Гладушко В.И., Производство серной кислоты – К.: «Техника», 1966г. 232 с.
4. Малина К.М., Справочник сернокислотчика – М.: «Химия», 1971 г. 744 с.
5. http://ru.science.wikia.com/