Виробництво сульфатної кислоти контактним способом

Щоб визначити оптимальні умови проведення даної реакції потрібно мати дані про швидкість реакції.

Досліди показують, що реакція окиснення не відбувається при кімнатній температурі та атмосферному тиску. Не відбувається вона й при нагріванні суміші. Реакція відбувається лише за участі каталізатора й при підвищеній температурі.

Каталізаторами є платина та оксиди Феруму, Хрому, Купруму і Ванадію.

Швидкість каталітичної реакції залежить від складу каталізатора. Зокрема із помітною швидкістю на платиновому каталізаторі реакція відбувається вже за температури 250°C, на ванадієвому – за 400°C, на ферум (III) оксиді – за 550°C. На основі експериментально виміряних швидкостей окиснення сульфур (IV) оксиду на ванадієвому каталізаторі одержано таке кінетичне рівняння:

де v – швидкість реакції; k1 – константа швидкості взаємодії каталізатора з киснем; k2 – константа швидкості регенерації поверхні каталізатора; – парціальні тиски O2 та SO2 в газовій суміші. Вираз кінетичного рівняння залежить від каталізатора й визначається експериментально.

При виборі оптимальних умов проведення на заводах реакції окиснення SO2 вирішальне значення має підбір каталізатора. Раніше використовували платиновий каталізатор, тепер – ванадієвий. Оптимальні розміри зерен каталізатора становлять 5 мм.

В наш час використовують також контактні апарати з киплячим шаром.

При найнижчій температурі, за якої каталізатор зберігає свою активність (400°C), а рівновага зміщена у бік утворення SO3, швидкість реакції дуже мала. Із підвищенням температури швидкість реакції зростає, але рівновага порушується, і в газовій суміші залишається SO2. Тому дану реакцію проводять за певного температурного режиму: хімічну взаємодію починають за найбільш високої температури, при якій каталізатор ще достатньо стійкий, та поступово знижують її під час протікання реакції (мал. 8).

В таких умовах процес йде з максимально можливою швидкістю та з високим виходом продукту.

Реакцію проводять при атмосферному тиску. Хоча у наш час будуються й реакторі для окиснення SO2 в SO3 при підвищеному тиску.

При вказаному вище температурному режимі та атмосферному тиску для змішення рівноваги необхідний надлишок кисню. На практиці в газовій суміші підтримують концентрацію сульфур (IV) оксиду 7 %, кисню – близько 11 %.

Щоб підтримувався температурний режим необхідно відводити теплоту реакції. Її утилізують перетворюючи воду на пару. Для цього в контактному апараті розміщують теплообмінники у яких за рахунок тепла гарячих газів нагрівається вода з таким розрахунком, щоб по мірі проходження реакції, температура каталізатора поступово знижувалась.

Будова контактного апарату наведена на мал. 9 [3].

Поглинання сульфур (IV) оксиду.

Поглинання  SO3 відбувається завдяки реакції:

При температурах 200-300°C сульфатна кислота стійка і, відповідно, реакція практично необоротна. Реакція гетерогенна, тому що відбувається між газом та рідиною з утворенням рідини. Швидкість реакції велика.

Щоб визначити оптимальні умови протікання даної реакції слід розглянути явища які супроводжують даний процес. Якщо газову суміш, яка містить сульфур (IV) оксид, пропускати через воду чи водний розчин сульфатної кислоти то SO3 буде частково взаємодіяти з водяною парою з утворенням пароподібної сульфатної кислоти. Температура конденсації пари висока. При охолоджені пара конденсується у вигляді дрібних крапельок, утворюючи сульфатнокислий туман. Туманоподібну сульфатну кислоту неможливо повністю вловити пропускаючи газ через воду або сульфатну кислоту. Її осаджують лише в електрофільтрах.

Із збільшенням концентрації сульфатної кислоти тиск водяної пари над нею зменшується й над розчином, який містить 98,3 % H2SO4, він практично рівний нулю. Звідси випливає, що пропускаючи газовий потік, який містить сульфур (IV) оксид через концентровану сульфатну кислоту, можна майже повністю зв’язати SO3 з водою з утворенням сульфатної кислоти (мал. 10). Невелику кількість сульфатно кислого туману, що утворюється, можна вловити пропустивши газову суміш через електрофільтр.

Особливі умови створюються при виробництві сульфатної кислоти із гідрогенсульфіду. В цьому випадку після часткової конденсації сульфатної кислоти туманоподібну кислоту доводиться вловлювати в електрофільтрах.

Вловлюють сульфур (IV) оксид в абсорбційних баштах. Рідину (сульфатну кислоту) подають зверху в циліндричну башту, заповнену насадкою, наприклад кільцями (мал. 11). Під дією сили тяжіння, рідина стікає вниз, утворюючи на поверхні кілець тонку плівку. При порівняно невеликих розмірах кілець сумарна поверхня такої плівки, що постійно оновлюється, велика.

Назустріч рідині в башту вводять газову суміш, з якої видаляється компонент що реагує з рідиною.

Газ та рідина рухаються в башті в протилежних напрямках – протитоком.

При протитокові газова суміш, що поступає в башту й містить близько 7 % SO3, зустрічається із витікаючим із башти водним розчином сульфатної кислоти. Зверху башти, де збіднений сульфур (IV) оксидом газовий потік зустрічається із розведеною сульфатною кислотою, яка надходить в башту, створюються сприятливі умови для найповнішого вловлювання сульфур (IV) оксиду.

Для того, щоб одержати олеум, встановлюють послідовно дві башти (мал. 12). Перша башта зрошується олеумом, концентрація якого приблизно на 1 % нижча, ніж продукту, який потрібно одержати, друга – 98,3 % сульфатною кислотою.

Керування процесом автоматизоване. Автоматично підтримуються задані концентрації кислоти та олеуму. Це здійснюється таким чином: вимірювачі концентрацій зв’язані з регуляторами, що керують приводами вентилів, через які надходять зрошувальні розчини. Автоматично регулюється також рівень рідин у збірниках [2].

 

Розділ ІІ. Технологічні розрахунки виробництва сульфатної кислоти

2.1 Розрахунок матеріального балансу процесу окисного випалу сірки

Матеріальний баланс хіміко-технологічного процесу — це математичне вираження закону збереження маси речовини, відповідно до якого маса всіх видів сировини і матеріалів, що надходять на переробку (прихід), дорівнює масі отриманих продуктів і витрат при перебігу хімічних реакцій.

Метою матеріального балансу є визначення витратних коефіцієнтів усіх вихідних реагентів за заданою продуктивністю цільового продукту, а також обчислення складу вихідної суміші і продуктів реакції.

Основою для матеріальних розрахунків будь-якою хіміко-технологічного процесу є рівняння всіх хімічних реакцій (основної та побічних), які перебігають у цьому процесі [7].

Норми технологічного режиму

Продуктивність (по сірці),Q, т/сут.50

Температура випалу,ºС.T, ºC  1200

Температура сірки на вході,ТS ºC 135

Температура повітря на вході,Тв ºC 20

Склад сірки:S ХS, % 99,5

Золи ХЗ, % 0,2

Вологи, Хвл %0,3

Надлишок повітря α 1,25

Ступінь окислювання сірки χ 0,95

Склад випалювального газу:SО2, СSО2 12%, СSО3  0,4%

 

 Розрахунок матеріального балансу  процесу окисного випалу сірки

1. Визначаємо годинну продуктивність по чистій сірці:

2. Кількість компонентів

3. Окисленої сірки

4. Не окисленої сірки

5. Кількість сірки на утворення диоксиду сірки:

6. Кількість сірки на утворення триоксиду сірки:

7. Кількість диоксиду сірки по реакції:

8. Кількість кисню на утворення диоксиду сірки:

9. Кількість триоксиду сірки по реакції:

         

      

 

10. Кількість кисню на утворення триоксиду сірки:

11. Усього кисню:

12. З урахуванням надлишку:

13. Кисню на виході:

14. Азоту на вході і виході:

Таблиця 1 Матеріальний баланс процесу спалювання сірки

Прихід	F, кг/година	Витрата	F, кг/година
Повітря, у т.ч.	10875,17	Випалювальні гази, у т.ч.
Кисень	2501,29	Кисень	500,26
Азот	8373,88	Азот	8373,88
Плав сірки, у т.ч.	2083,33	Диоксид сірки	3811,5
Сірка	2072,92	Триоксид сірки	158,8
Зола	4,16	Зола	4,16
Волога	6,25	Волога	6,25
		Сірка	103,65
Разом	12958,5	Разом	12958,5

 

 

2.2 Розрахунок теплового балансу процесу окисного випалу сірки

ірчана кислота хімічний сірка

1. Теплота з вихідною сировиною:

Із сіркою

З водою

З золою (Si2)

З киснем

З азотом

Усього

2. Теплота з продуктами реакції:

Із сіркою

З водою

З золою (Si2)

З киснем

З азотом

З SО2

З SО3

Усього

Тепловий ефект реакції:

    

Утрати тепла (5%):

Кількості тепла на нагрівання повітря в кільцевому просторі печі:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновки

У висновку необхідно відзначити , що протягом багатьох років з початку впровадження контактного методу виробництва сульфатної кислоти, його сутність не піддавалася конкретним змінам . Розвиток цього методу йшов по шляху збільшення продуктивності контактних систем, удосконалення окремих стадій процесу, поліпшення конструкцій апаратів, впровадження автоматичних методів контролю і регулювання процесів. Найважливіше завдання працівників промисловості з виробництва сульфатної кислоти полягає в подальшому удосконаленні виробництва шляхом використання передового досвіду, впровадження прогресивних прийомів і методів роботи.

Потрібно відзначити, що процес виробництва сульфатної кислоти контактним способом був вивчений досить повно. Цілі, поставлені в роботі , виконані. Показано роль процесу виробництва сульфатної кислоти і промисловості з її виробництва в цілому в структурі народного господарства, вивчена структура процесу виробництва сірчаної кислоти. Дана техніко-економічна оцінка процесу і показано шляхи сучасного розвитку виробництва сірчаної кислоти.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаної літератури

1. Кутепов А. М. Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология. Издание второе исправленное и дополненное. М. Высш. школа. 1990.
2. Соколов Р. С. Химическая технология. - М: Гуманит. изд. Центр БЛАДОС, 2000.
3. Бесков В. С., Сафронов В. С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. - М.: Химия, 1999.
4. Ксензенко В. И., Общая химическая технология и основы промышленной экологии.. - М.: «КолосС», 2003.
5. Мухленов И.П., Горштейн А.Е. и др. Основы химической технологии. - М.: Высшая школа, 1991.- 463 с.
6. Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. – М.: Высшая школа. 1985.-448 с.
7. Мухленова И.П. Расчеты химико-технологических процес сов. -   М.: Химия. 1976. – 304 с.
8. Луняка К.В. Конспект лекцій з загальної хімічної технології. – Херсон: ХДТУ, 2001.
9. Луняка К.В., Андрєянов В.В. Загальна хімічна технологія. Курс лекцій. Навчальний посібник. – Херсон, ХНТУ, 2006. – 139 с.\
10. Амелин А.Г. Технология серной кислоты. Учебное пособие для вузов.- 2-ое изд, перераб. : «Химия», М, 1983
11. Васильев Б.Т., Отвалина М.И. Технология серной кислоты: «Химия», М, 1985