Производство серной кислоты схема и описание

Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это двумя причинами: ее дешевизной по сравнению со всеми другими кислотами, и ее свойствами. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из сильных кислот, производство серной кислоты схема и описание широком диапазоне температур — 40… — 20 260 — 336,5 °С находится в жидком состоянии. Безводная серная кислота моногидрат представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, которая смешивается с водой с выделением большого количества теплоты. Крупнейшими потребителями серной кислоты являются производства минеральных удобрений: производство серной кислоты схема и описание, сульфата аммония. Многие кислоты фосфорная, уксусная, соляная, концентрированная азотная и др. Серная кислота широко применяется в производстве цветных и редких металлов, а также в металлообрабатывающей промышленности. Получение ряда красителей для тканейлаков и красок для зданий и машин лекарственных веществ и некоторых пластмасс также связано с применением серной кислоты. При помощи серной кислоты производят этиловый и производство серной кислоты схема и описание спирты, некоторые эфиры, ПАВ, ряд ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства и сорными травами. Разбавленные растворы серной кислоты и ее солей применяют в текстильной, а также в других производство серной кислоты схема и описание легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется для получения крахмала, патоки и ряда других продуктов. В электротехнике она используется в качестве электролита в аккумуляторах. Серную кислоту используют для осушки газов и при концентрации кислот. Наконец, серную кислоту применяют как компонент реакционной среды в процессах нитрования, в частности, при получении взрывчатых веществ. При нитровании, в производстве этилового спирта из этилена, при концентрировании азотной кислоты и в других процессах применяют серную кислоту концентрацией от 92 до 98%, а выводят из процесса разбавленную 50 — 80%-ную кислоту. Чтобы возвратить ее в новый цикл, полученные водные растворы упаривают. Сырьевая база производства серной производство серной кислоты схема и описание — серосодержащие соединения, из которых можно получить диоксид серы. В промышленности около 80% серной кислоты получают из природной серы и железного серного колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии. Некоторые производства используют в качестве сырья сероводород, образующийся при очистке серы в нефтепереработке. Первый обжиг серосодержащего сырья для получения производство серной кислоты схема и описание серы. Производство серной кислоты включает в себя следующую последовательность стадий: Обжиг серного колчедана или серы. Исходные вещества — минеральное сырье — содержит примеси, поэтому выходящие со стадии обжига газы подвергаются очистке. Первая стадия — обжиг, специфичен для каждого вида сырья, и далее она будет рассматриваться для колчедана и серы как наиболее распространенных исходных веществ. Стадии окисления и абсорбции в основном одинаковы в разных способах получения серной кислоты. Поэтому эти стадии будут рассмотрены как типовые процессы. Обжиг колчедана пирита является сложным физико-химическим процессом и включает в себя ряд последовательно или параллельно протекающих реакций: Термическая диссоциация Газофазное горение серы Горение пирротина Или суммарно: При небольшом избытке или недостатке кислорода производство серной кислоты схема и описание смешанный оксид железа Обоснование роли параметров их выбор. Термическое разложение пирита начинается уже при температурах около 200 °С и одновременно воспламеняется сера. При температурах выше 680 °С интенсивно протекают все три реакции. В промышленности обжиг ведут при 850 — 900 °С, когда общая скорость процесса лимитируется массопереносом окислителя кислорода к поверхности пирита и продуктов разложения в газовую фазу. В общем виде движущая сила этого процесса может быть выражена уравнением 1 Из этого уравнения видно, что факторами увеличения производительности процесса являются интенсификация массопереносаувеличение поверхности контакта фаз F и концентрации реагентов. Коэффициент массопереноса может быть увеличен повышением температуры, поверхность контакта фаз существенно возрастает с увеличением степени дисперсности твердого материала, а высокие концентрации реагентов обеспечиваются использованием обогащенного пирита и увеличением содержания кислорода в окислителе. Следует, однако, иметь в виду, что чрезмерное повышение температуры способствует размягчению и слипанию частиц твердого сырья, а применение концентрированных реагентов удорожает их стоимость и приводит к чрезмерному росту температуры в условиях автотермического режима. Это обусловливает выбор оптимальной температуры, сочетающей достаточную производительность процесса использование сырья с соответствующим содержанием активных компонентов при минимуме процессов агломерации твердого материала. На практике процесс проводят при температуре 850 — 900 °С. В соответствии с уравнением 1 давление является фактором скорости процесса, однако его рост может привести в условиях автотермического режима к чрезмерному увеличению температуры и слипанию частиц твердого материала. Кроме того, увеличение давления приводит к увеличению расходов на компремирование. Поскольку реакция обжига в условиях указанных температур протекает достаточно гладко, то предпочитают работать при атмосферном давлении. Соотношение воздух-колчедан поддерживается на уровне, обеспечивающем избыток кислорода по сравнению с его стехиометрическим количеством, с целью достижения высоких степеней обжига, однако этот избыток не производство серной кислоты схема и описание быть чрезмерным, т. Ранее доминирующим типом реактора был многополочный реактор, снабженный скребками для выравнивания слоя на каждой полке и организации транспорта твердой фазы с верхних полок на нижние см. В таком реакторе степень дисперсности колчедана невелика, что существенно ограничивает производительность реактора. Кроме того, в таком реакторе движущиеся скребки в высокотемпературной зоне усложняют его конструкцию, создается неоднородный температурный режим по полкам, в нем трудно организовать отвод тепла из зоны реакции. Трудности теплосъема не позволяют получить обжиговый газ с концентрацией SO 2 более 8 — 9%. Основное ограничение — невозможность использования мелких частиц, в то время как для гетерогенного производство серной кислоты схема и описание основной способ ускорения реакции — дробление частиц. По этой причине более перспективными являются аппараты к «кипящем слоем» твердых частиц. Их степень дисперсности позволяет на порядок ускорить процесс. Пылевидный колчедан подается через питатель в реактор. Окислитель воздух подается снизу через распределительную решетку со скоростью, достаточной для взвешивания твердых частиц. Их витание в слое предотвращает слипание и способствует хорошему контакту с газом, выравнивает температурный режим по всему слою, обеспечивает подвижность твердого материала и его переток в выходной патрубок для вывода огарка из реактора. В слое подвижных частиц можно расположить теплообменные элементы. Благодаря увеличению глубины обжига содержание SO 2 в обжиговом газе увеличивается до 13 — 15%. Основной недостаток печей кипящего слоя — повышенная запыленность обжигового газа из-за механической эрозии подвижных твердых частиц. Это требует более тщательной очистки газа от пыли в циклоне и электрофильтре. Сера — легкоплавкое вещество: температура ее плавления 113 °С. Перед сжиганием ее расплавляют, используя пар, полученный производство серной кислоты схема и описание утилизации тепла ее сжигания. Расплавленная сера отстаивается и фильтруется для удаления имеющихся в природной сере примесей и насосом подается в печь сжигания. Сера горит в основном в парофазном состоянии. Чтобы обеспечить ее быстрое испарение, необходимо ее диспергировать в потоке воздух. Для этого используют форсуночные и циклонные печи. Первые оборудованы горизонтальными форсунками для тонкого распыления жидкости. В циклонной печи жидкая сера и воздух подаются тангенциально и за счет вихревого движения достигается диспергирование жидкости и перемешивание двух потоков. Мелкие капли быстро испаряются и сера в парообразном состоянии сгорает. Горение протекает адиабатически, и температура зависит от концентрации образующегося SO 2. За счет высокой теплоты сгорания серы температура в печи составляет более 1000 °С. Этих условий достаточно для испарения жидкой серы. Печь сжигания работает в комплексе с вспомогательным оборудованием для плавления и фильтрования серы и котлом-утилизатором для использования тепла реакции. Газы обжига колчедана содержат в виде примесей соединения фосфора, селена, теллура, мышьяка и некоторые другие, образующиеся из примесей сырья. Естественная влага сырья также переходит в газ. При горении образуются некоторое количество SO 3 и возможно оксиды азота. Эти примеси приводят или к коррозии аппаратуры или к отравлению катализатора, а также ухудшают качество серной кислоты. Их удаляют в промывном отделении. Согласно схеме газ последовательно проходит две промывные башни, орошаемые растворами серной кислоты 60 и 20%-ой. В первой башне обжиговый газ охлаждается с 300 — 500 °С до 60 — 70 °С и освобождается от остатков пыли и части примесей. Обеспыленный газ отмывается 15 — 20%-ой серной кислотой от соединений As, Fe, Se производство серной кислоты схема и описание второй башне с насадкой. Окончательная осушка от влаги осуществляется в 3 — 9 производство серной кислоты схема и описание сушильнойорошаемых концентрированной серной кислотой. Реакция является обратимой и экзотермической и протекает с уменьшением объема. Она осуществляется на катализаторах, основой которых является V 2 O 5 с добавлением оксидов щелочных металлов, нанесенных на оксид кремния. Обоснование роли параметров их выбор. Температура проходит максимум производительности, характерный для обратимых экзотермических реакций. Следует иметь в виду, что чрезмерное увеличение температуры может привести к диффузионному торможению процесса и это может повлиять на положение экстремума производительности и его величину. В значительной степени выбор температуры определяется верхним и нижним пределом этого параметра. Оптимальными являются температуры, лежащие внутри этих пределов. Давление является фактором скорости процесса и фактором смещения равновесия, однако на практике исходя из соображений экономии энергозатрат, а также благодаря возможности достичь высокой производите и степени превращения за счет использования других факторов предпочитают работать при давлениях, близких к атмосферному. Некоторое избыточное давление необходимо для преодоления гидравлических сопротивлений установки при организации транспортных потоков реагентов. Соотношение O 2: SO 2. На практике используют избыток О 2 более чем полтора по отношению к стехиометрическому. Время контакта выбирается, исходя из максимально достижимой конверсии. Пределом такой конверсии является максимальная степень превращения, при которой скорость процесса близка к нулю. Поэтому за время реакции выбирается то минимальное время, при котором степень конверсии практически близка равновесной. Обычно эта величина равна 90-95 %, а соответствующее ей время — несколько секунд. Технология контактного окисления SO 2. Чаще всего в промышленности используют полочные аппараты со съемом тепла производство серной кислоты схема и описание между полками. Схема теплообменника предполагает максимальное использование тепла реакции для подогрева исходного газа. При этом съем тепла между полками осуществляют в той мере, которая позволяет приближать рабочую температуру к оптимальному значению этого параметра. Одна из важнейших задач производства серной кислоты состоит в увеличении степени превращения диоксида серы и снижения его выбросов в атмосферу. Эта задача может быть решена несколькими методами. Один из наиболее рациональных методов решения этой задачи — метод двойного контактирования и двойной абсорбции ДКДА. Его сущность состоит в том, что реакционную смесь, в которой степень превращения SO 2 составляет 90 — 95%, охлаждают и направляют в производство серной кислоты схема и описание абсорбер для выделения SO 3; в оставшемся реакционном газе соотношение O 2 : SO 2 существенно повышается, что приводит к смещению равновесия реакции вправо. Вновь нагретый реакционный газ опять подают в контактный аппарат, где на достигается 95% степень превращения оставшегося SO 2. Суммарная степень превращения SO 2 в таком процессе достигает 99,5 производство серной кислоты схема и описание 99,8%. Абсорбция триоксида серы — последняя стадия процесса на которой образуется серная кислота. Взаимодействие SO производство серной кислоты схема и описание с водой протекает достаточно интенсивно как в жидкой, так и в газовой фазе. Кроме того H 2 SO 4 может растворять в себе SO 3, образуя олеум. Этот продукт удобен для транспортировки, поскольку он не вызывает коррозии даже обычных сталей. В то же время растворы серной кислоты чрезвычайно агрессивны. Равновесие «газ-жидкость» для « H 2 O- H 2 SO 4- SO 3» представлено на рисунке 1. Особенностью этой системы является то, что в широком интервале концентраций раствора серной кислоты в паровой фазе присутствуют чистые пары воды, а над олеумом — в газовой фазе преобладает SO 3. Одинаковый состав жидкой и паровой фаз азеотропная точка будет при концентрации серной кислоты 98,3%. Если SO 3 поглощать раствором с меньшей концентрацией, то реакция 3 будет протекать и в паровой фазе — будет образовываться туман серной кислоты, который уйдет из абсорбера с газовой фазой. А это — и потери продукта, производство серной кислоты схема и описание коррозия аппаратуры, и выбросы в атмосферу. Если SO 3 абсорбировать олеумом, то поглощение будет неполным. Из этих двух свойств следует двухстадийная схема абсорбции рисунок 2. Газ, содержащий SO 3 после реактора проходит последовательно олеумый 1 и моногидратный 2 абсорберы. Другой компонент реакции H 2 O подается противотоком через сборник в моногидратный абсорбер. За счет интенсивной циркуляции жидкости абсорбата в ней можно поддерживать близкую к оптимальной концентрацию H 2 Производство серной кислоты схема и описание 4 — 98,3% увеличение концентрации за проход жидкости не более 1 — 1,5%. Концентрационные условия абсорбции обеспечиваю полное поглощение SO 3 и минимальное образование сернокислого тумана. Кислота из моногидратного абсорбера поступает в олеумный. В производство серной кислоты схема и описание циркулирует 20% раствор Н 2SO 4, который частично отбирается как конечный продукт — олеум. Кислота из предыдущего абсорбера — моногидрат — также может быть продуктом. В системе циркуляции предусмотрены холодильники для съема тепла реакции и обеспечения более эффективной абсорбции. При температурах меньше 100 °С SO 3 поглощается практически полностью, диоксид серы — практически не поглощается. Перспективы развития сернокислотных производств. Мощным средством повышения производительности сернокислотных производств является увеличение концентрации диоксида серы. Высококонцентрированные газы, содержащие до 80% SO 2 уже начали получать в производствах цветных металлов из их сульфидных руд с применением технического кислорода. Получение высококонцентрированного сернистого газа позволяет создать энерготехнологические циклические производства серной кислоты из серы и колчедана. Диоксид серы полученный с применением технического кислорода окисляют на 90% в контактном аппарате с «кипящем слоем» катализатора. При абсорбции SO 3 получают высококонцентрированный олеум и моногидрат. Газ после абсорбции возвращают на контактирование. В реакторе общая степень превращения составляет 99,995%. Для отвода накапливающегося в результате многократного рецикла азота часть газа после абсорбции пропускают через малогабаритную сернокислотную установку, из которой азот выбрасывается в атмосферу. Интенсивность работы циклической системы, работающей под давлением около 1 МПа, с применением кислорода в десятки раз превышает интенсивность обычных систем. Потери серы с отходящими газами и соответственно выбросы SO 2 и SO 3 в окружающую среду также снижены в десятки раз. Схемы предусматривают генерирование водяного пара 4 МПа за счет тепла газов обжига, который может быть использован как в самой установке для компенсации затрат энергии на работу компрессоров и насосов, так и в других цехах завода. Тепло сернистых газов после прохождения очередного каталитического слоя можно использовать для предварительного подогрева реагентов на входе в контактный аппарат. Тепло сорбции используется для бытовых нужд. Важнейшими направлениями развития производства серной кислоты являются: 1. Увеличение мощности аппаратуры при одновременной комплексной автоматизации производства. Интенсификация процессов путем применения реакторов «кипящего слоя» как на стадии обжига, так и при контактном окислении SO 2более активных катализаторов, повышенных давлений использование технического кислорода в процессе окисления. Разработка энерготехнологических схем с максимальным использованием теплоты экзотермических реакций, в том числе циклических систем под давлением. Увеличение степеней превращения на всех стадиях производства для снижения расходных коэффициентов по сырью и материалам и снижение вредных выбросов. Утилизация вредных выбросов из отходящих газов, а также твердых отходов огарок. Например, нежелательные вредные примеси H 2S и SO 2 из разных потоков можно объединить и подвергнуть концентрированию с целью перевода их в элементарную серу. Твердый огарок, содержащий оксид железа можно использовать в качестве сорбента производство серной кислоты схема и описание улавливания газов и очистки сточных вод.

Также смотрите:

Комментарии:
  • Юрий Кирюхин

    27.12.2015

    Абсорбционная колонна орошается 98,6% H2SO4.