Производство серной кислоты

Образовавшийся оксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом, выполняется принцип химического производства – безотходность производства.

Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.(3)

 

3.3 Очистка обжигового газа от примесей.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа – в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2.(3)

 

3.4 Окисление SO2 в SO3 кислородом

Окисление SO2 в SO3 кислородом протекает в контактном аппарате.

Уравнение реакции: 2SO2 + O2↔2SO3 + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3).

а) температура.

Прямая реакция является экзотермической +Q. Согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в систему необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путем химики-технологи, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3 является температура 400-500°С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путем выяснили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия V2O5.

б) давление.

Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.

Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.

Температура 400-500°С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3.

Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.(1)

3.5 Абсорбция триоксида серы из газовой смеси

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

nSO3 + H2O = H2SO4 + (n-1) SO3+Q,

если n > 1, то получается олеум (раствор SO3 в H2SO4),

если n = 1 , то получается моногидрат (98,3% H2SO4),

если n < 1, то получается разбавленная серная кислота.

При выборе абсорбента и условий проведения стадии абсорбции необходимо обеспечить почти 100 %-ное извлечение SO3 из газовой фазы. Для полного извлечения SO3 необходимо, чтобы равновесное парциальное давление SO2 над растворителем было ничтожно малым, так как при этом будет велика движущая сила процесса абсорбции. Однако в качестве абсорбента нельзя использовать и такие 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, диспергированных в инертной газовой среде азоте, т.е. с образованием сернокислотного тумана:

SO3(г) + H2O(г) = H2SO4(г) + H2SO4 (туман) ; Q>0.

Туман плохо улавливается в обычной абсорбционной аппаратуре и в основном уносится с отходящими газами в атмосферу, при этом загрязняется окружающая среда и возрастают потери серной кислоты. Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SO2 в SO3. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SO2.(1)

4 АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ  ОТДЕЛЕНИЯ ОБЖИГА СЕРНОГО КОЛЧЕДАНА

4.1 Технологическая схема обжига колчедана

Производство серной кислоты контактным методом с использованием в качестве сырья серного колчедана состоит из следующих стадий: обжиг колчедана → очистка и сушка SO2-содержащего газа → контактное окисление SO2 в SO3 → абсорбция образовавшегося триоксида серы

Стадия обжига колчедана с образованием SO2 предусматривает также утилизацию физического тепла газа и улавливание огарковой пыли. Это определяет аппаратурно-технологическую схему печного агрегата: печь – котел – циклоны – электрофильтр.

Для обжига колчедана применяются разнообразные печи: механические, с кипящим слоем, циклонные и другие. В механических печах измельченный колчедан находится на нескольких подах и сгорает по мере перемещения его гребками с одного пода на другой. В печах пылевидного обжига частицы колчедана сгорают во время падения в полой камере. В циклонные печи колчедан поступает вместе с горячим воздухом по касательной, вращаясь в печи при сгорании, а расплавленный огарок вытекает через специальное отверстие.

В настоящее время получили большое распространение печи обжига с кипящим слоем (КС), в которых колчедан поддерживается во взвешенном состоянии поступающим снизу воздухом и сгорает при интенсивном перемешивании.

На рисунке 1 показана типовая схема печного агрегата с использованием печей КС. Колчедан со склада системой транспортных механизмов подается в тарельчатый питатель 1, который равномерно и непрерывно дозирует его в форкамеру печи 7. Необходимый для горения и создания кипящего слоя воздух вентилятором 19 подается в печь двумя основными потоками – под дутьевую решетку форкамеры печи (в меньшем количестве, но с большим удельным расходом) и под дутьевую беспровальную решетку основной подины печи (в большем количестве, но с меньшим удельным расходом). Необходимую температуру в кипящем слое поддерживают, располагая в нем охлаждающие поверхности (элементы) – испарительные и пароперегревательные пакеты, которые вместе с испарительными пароперегревательными секциями котла-утилизатора 8 составляют единую систему теплоиспользования.

Обжиговый газ из печи 7 поступает в котел-утилизатор 8, где происходит его охлаждение и частичное отделение наиболее крупных фракций выносимого из печи огарка. Из котла-утилизатора обжиговый газ направляется в блок циклонов 9, где осаждается основное количество огарка, а газ поступает на тонкую очистку в многопольный электрофильтр 11. Очищенный от огарковой пыли обжиговый газ направляют в контактное отделение для окисления SO2 в SO3.

Огарок периодически выводится из кипящего слоя, главным образом, из-под провальной решетки форкамеры печи через разгрузочное устройство, состоящее из секторного и дроссельного затворов и, по мере необходимости, с пода печи, через клапанные разгрузочные устройства. Огарковая мыль из котла-утилизатора, бункера циклонов и электрофильтра непрерывно выгружается также с помощью клапанных разгрузочных устройств в закрытые скребковые конвейеры 18, выводится из печного отделения и направляется в бункера для перегрузки огарка в железнодорожные вагоны и автотранспорт.

Для выброса продуктов сгорания топлива при розжиге печи и разогреве электрофильтра служит пусковой дымосос 14.

Выбор оптимального температурного режима печей КС определяется необходимостью достичь высокой концентрации SO2 в обжиговом газе при наибольшей подовой интенсивности и высоте кипящего слоя, а также более низком содержании серы в огарках.

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема установки для обжига серного колчедана в печи кипящего слоя:

1 – тарельчатый питатель; 2 –  вибратор; 3 – транспортер для  колчедана; 4 – бункер для колчедана; 5 – реечный затвор; 6 – пластинчатый  питатель; 7 – печь с кипящим  слоем; 8 – котел-утилизатор; 9 – циклоны (для отделения из газа пыли); 10 – клапан на входе газа  в электрофильтр; 11 – электрофильтр; 12 – клапан на выходе газа  из электрофильтра; 13 – дымовая  труба; 14 – дымосос; 15 – цепной конвейер; 16 – бункер для огарка; 17 – шнековый или барабанный увлажнитель; 18 – скребковые конвейеры; 19 – вентилятор (нагнетатель).(4)

 

4.2 Конструкция печей для обжига колчедана в кипящем слое.

Основные геометрические размеры печи и ее конфигурация определяются не только гидродинамическими и кинетическими характеристиками процесса обжига колчедана, но в значительной степени и максимальной подовой интенсивностью, которая принимается при проектировании печи. Поскольку необходимое время пребывания обжигового газа в печи при работе на флотационных колчеданах является величиной практически постоянной в оптимальном температурном интервале, высота цилиндрической печи неизменного сечения растет прямо пропорционально увеличению линейной скорости газа или, что тоже, подовой интенсивности обжига.

Снижение подовой интенсивности ниже максимальной дает возможность уменьшить высоту печи. Однако для сохранения заданной производительности следует увеличить диаметр печи. Конструирование печей с кипящим слоем для обжига флотационного колчедана обычно ведут по пути создания аппаратов с максимально возможной подовой интенсивностью при одновременном сокращении их высоты за счет расширения верхней части, расположенной над кипящим слоем.

На рисунке 2 показана печь для обжига флотационного колчедана в кипящем слое. Стальной корпус печи футерован шамотным кирпичом или жароупорным бетоном, в состав которого не входят фторсодержащие соединения, отравляющие контактную массу узла окисления SO2. Печь имеет загрузочную камеру (форкамеру), снабженную провальной и непровальной решетками. Применение форкамеры предохраняет подину печи от забивания крупными кусками колчедана, небольшими спеками огарка, посторонними предметами и дает возможность вертикально расположить спускную трубу от тарельчатого питателя во избежание зависания в ней колчедана.

Под печи состоит из беспровальной решетки(~ 90 % площади), частично заходящей в форкамеру, и провальной колосниковой решетки, расположенной в форкамере под местом загрузки колчедана. Беспровальная решетка предстваляет собой стальной перфорированный лист, залитый на высоте 120 мм жароупорным бетоном, заамированным двумя рядами круглой стали.

Рисунок 2. Печь кипящего слоя:

1 – засыпка; 2 – асбестовая изоляция; 3 – люк форкамеры; 4 – форкамера;5 – горелка для газа или форсунка для мазута; 6 – люк; 7 – коллектор для подачи воздуха к провальной решетке форкамеры; 8 – решетка провальная форкамеры из колосников; 9 – камера для подачи воздуха к беспровальной решетке форкамеры; 10 – окно для установки охлаждаеющего элемента; 11 – распределительная решетка; 12 – подовая решетка; 13 – опорная часть печи; 14 – жароупорный бетон; 15 – сопло; 16 – кожух печи; 17 – диатомовый кирпич; 18 – шамотный кирпич; 19 – смотровое окно; 20 – окно для горелки или форсунки; 21 – крышка печи.

Равномерное распределение воздуха по сечению беспровальной решетки достигается при помощи распределительной решетки, устанавливаемой в воздушном коробе, и дроссельных шайб, скорость выхода воздуха из которых составляет не менее 10-12 м/с. Воздух под подину печи подается раздельно тремя потоками: под провальную и бепровальную решетки форкамеры и  беспровальную решетку пода. Через провальную колосниковую решетку форкамеры продувается 1500-1800 м3/(м2·ч) воздуха, что примерно в 1,8-2 раза выше, чем через беспровальную решетку пода, и в 1,3-1,5 раза выше, чем через беспровальную решетку форкамеры. Повышенный удельный расход дутья в форкамере вызван необходимостью интенсифицировать кипение влажного и более тяжелого, чем огарок, колчедана. Нижнюю часть футеровки печи иногда выполняют в форме конуса – уменьшают площадь пода, благодаря чему повышается линейная скорость газа над решеткой, улучшаются кипение и перемешивание наиболее крупных частиц огарка и колчедана, что исключает возможность их спекания.