Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Физико-химичекое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопастности производства



Кафедра Общей Химической Технологии

 

Курсовая работа на тему:

«Производство серной кислоты из серы»

 

Вариант 4

 

Студентка: Новикова Е.Н.

Группа: ХТ – 404

Преподаватель: Цыганков В.Н.

 

 

Москва, 2003

 

Содержание

 

 

Введение…………………………………………………………..1

 

Исходное сырье…………..…….……….………………………...2

серный колчедан………………...………………………...2

отходящие газы………………………………………….3

сера……………………………………………………….3

 

Характеристика целевого продукта…………………………….5

 

Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства……………………………………...7

Контактный метод получения серной кислоты.……..…….8

Получение обжигового газа из серы………………………9

Получение обжигового газа из колчедана…………………9

Подготовка обжигового газа к контактному окислению…...10

Контактное окисление диоксида серы…………………….12

Абсорбция триоксида серы……………………………….13

 

Технологическая схема…………………………………………..15

 

Описание технологической схемы процесса…………………...15

 

Расчет материального баланса ХТС

Структурная блок – схема…………………………………16

Материальный баланс ХТС………………………………..16

Поточная диаграмма………………………………………19

 

Расчет основных технологических показателей процесса…….20

 

Заключение……………………………………………………….21

 

Список используемой литературы……………………………...22

Введение

 

Химическое производство представляет собой сложную химико-технологическую систему (ХТС), сложность которой определяется как наличием большого количества связей, элементов и подсистем, так и разнообразием решаемых задач. Основной целью химического производства является получение химического (целевого) продукта заданного качества при минимальных затратах и возможно меньшим количестве отходов, то есть производство должно отвечать экологическим требованиям и быть экономически оправданным.

Заводское получение серной кислоты относится к числу старейших крупномасштабных химических производств. Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это ее свойствами и тем, что она самая дешевая из всех кислот. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, 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 – 336,5 0С) находится в жидком состоянии.

Свыше 1500 промышленных установок во всем мире вырабатывают этот ценнейший продукт химической промышленности. Мировое производство серной кислоты достигает примерно 150 млн. т. в год, при чем оно во всех странах мира непрерывно увеличивается.

Крупнейшим потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений: суперфосфата, сульфата аммония и др. В СССР в 1975 году оно занимало 45 % от общего потребления серной кислоты. Многие кислоты (например, фосфорная, уксусная, соляная) и соли производятся в значительной части при помощи серной кислоты.

Серная кислота широко применяется в производстве химических волокон, цветных и редких металлов, в металлообрабатывающей, нефтяной промышленности, а также для получения ряда красителей (для тканей), лаков и красок (для зданий и машин), лекарственных веществ некоторых пластических масс. При помощи серной кислоты производят этиловый и другие спирты, некоторые эфиры, синтетические моющие средства, ряд ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства и сорными травами, в пищевой промышленности для получения крахмала, патоки, глюкозы и др. продуктов, в процессах нитрования и при производстве большей части взрывчатых веществ. Транспорт использует свинцовые сернокислотные аккумуляторы. Серную кислоту используют для очистки нефтепродуктов и минеральных масел, осушки газов, при концентрировании кислот, в процессах нейтрализации, травления.

 

Исходное сырье

 

Исходными реагентами для получения серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы. Такими соединениями являются сульфиды железа, сульфиды цветных металлов (меди, цинка и др.), сульфаты, сероводород и другие сернистые соединения. Природные залежи самородной серы сравнительно невелики. Общее содержание серы в земной коре составляет 0,1 %.

Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты получают из серы, треть – из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы. В атмосферу с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается диоксида серы значительно больше, чем употребляется для производства серной кислоты, но переработка отходящих газов не всегда осуществима.

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.

Серный колчедан

 

Главной составной частью серного колчедана является сульфид железа FeS2.(53,44 % S и 46,56 % Fe). Серный колчедан – минерал желтоватого или желтовато-серого цвета, плотность его около 5000 кг/м3.

Колчедан подвергают флотации, то есть выделяют все представляющие интерес составные части руды. Содержание серы во флотационном колчедане колеблется от 32 до 40 %. После вторичной флотации этого колчедана и отделения пустой породы получают пиритный концентрат, содержащий 45 – 50 % серы.

 
 
Концентрат цветных металлов


Обжиг
Газ (SO2)
H2SO4

 

 

флотация
Серный

колчедан

       
   
Флотацион-ный колчедан
 
Флотацион-ные хвосты
 


Газ (SO2)
Обжиг
флотация
H2SO4

 

Отходящие газы

В процессе обжига медных, цинковых, свинцовых руд и концентраторов, а также руд, содержащих другие цветные металлы, образуются отходящие газы, содержащие диоксид серы и являющиеся ценным сырьем для производства серной кислоты. Например, на каждую тонну меди можно получить свыше 10 т серной кислоты без специальных затрат на обжиг серосодержащего сырья.

Образующиеся в цветной металлургии обжиговые газы и газы печей кипящего слоя по составу незначительно отличаются от газов, образующихся при обжиге серного колчедана, поэтому они могут быть непосредственно использованы для производства серной кислоты. Так в состав обжиговых газов входит 7 – 10 % SO2.

При увеличении кислорода в воздухе, подаваемого в печь, концентрация SO2 увеличивается. Например, промышленные испытания процесса сжигания цинковых концентратов в печи СК при подаче в нее воздуха, содержащего 30 % О2 9вместо 21 % О2 в воздухе), показали, что концентрация SO2 в газах под сводом печи повысилась с 8 до 14 %, производительность печи увеличилась на 70 %, содержание сульфидной серы в огарке снизилось в 3 раза.

 

Сера

Элементарную серу получают из самородных руд, а также из газов, содержащих диоксид серы или сероводород (газовая сера). Элементарная сера – один из лучших видов сырья для производства серной кислоты. При ее сжигании образуется газ с большим содержанием SO2 и кислорода, не остается огарка, удаление которого связано с большими затратами. Возрос объем производства серы из некоторых природных газов, содержащих большое количество сероводорода.

Свойства серы. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Сера отличается малой теплопроводностью, очень плохо проводит электрический ток, практически нерастворима в воде. Плавление серы сопровождается увеличением ее объема (примерно на 15 %). При 120 % расплавленная сера представляет собой желтую легкоподвижную жидкость, вязкость которой изменяется с повышением температуры, достигая минимального значения при 1550С. При температуре выше 1600С сера темнеет и при 1900С превращается в темно-коричневую, вязкую массу. При дальнейшем повышении температуры вязкость массы вновь уменьшается и около 3000С расплав серы становится легкоподвижным. Свойства серы при нагревании меняются вследствие изменения строения ее молекулы.

 

 

Получение серы из самородных руд. Месторождения самородных серных руд встречаются в виде залежей осадочного или вулканического происхождения и в шляпах соляных куполов. В таких рудах содержится от 15 до 30 % серы.

Многие самородные серные руды, содержащие 20 % серы и более, можно непосредственно подвергать обжигу и получать SO2. Однако обычно серные руды не обжигают, а выплавляют из них серу в печах, в автоклавах или непосредственно в подземных залежах.

При добывании серы непосредственно из подземных залежей по методу Фраша серу расплавляют с помощью перегретой воды и выдавливают на поверхность сжатым воздухом. Хотя получают сравнительно дешевую серу, но ее степень извлечения из месторождения составляет всего 30 – 60 %.

Также для извлечения серы из самородных руд применяют метод флотации с последующей выплавкой серы из концентрата в флотационных автоклавах.

Получение газовой серы. Газовую серу извлекают из отходящих газов цветной металлургии, газов нефтепереработки, попутных нефтяных и природных газов. В газовой сере, получаемой из газов цветной металлургии, содержится большое количество мышьяка и других вредных примесей, поэтому SO2, образующийся при сжигании газовой серы, следует тщательно очищать перед подачей его на катализатор в производстве контактной серной кислоты.

Большое количество газовой серы получают из сероводорода, удаляемого в процессах очистки горючих и технологических газов. Этот сероводород используется для производства серной кислоты методом мокрого катализа или перерабатывается в элементарную серу.

Процесс получения серы из сероводорода состоит в том, что ⅓ общего количества Н2S сжигают в смеси с воздухом:

Н2S + 1,5 O2 = H2O +SO2

К образующемуся при сжигании SO2 добавляют остальное количество сероводорода и направляют газовую смесь в реактор, где на катализаторе происходит взаимодействие между SO2 и Н2S . Выделяющиеся пары серы конденсируются на холодной поверхности.

Можно выделить серу из колчедана, например, в кипящем слое колчеданного огарка. Суммарная реакция процесса:

FeS2 + 4Fe2O3 = 3Fe3O4 + S2 – 243кДж

Капитальные затраты и эксплуатационные расходы при переработке серы в серную кислоту гораздо меньше, чем при получении ее из колчедана (также перевозка серы в колчедане более, чем 2 раза дороже перевозки элементарной серы).

 

Характеристика целевого продукта

 

Серная кислота может существовать как самостоятельное химическое соединение, а также в виде соединений с водой: H2SO4 2H2O, H2SO4 H2O, H2SO4 4H2O, и с триоксидом серы H2SO4 SO3, H2SO4 2SO3.

В технике серной кислотой называют и безводную H2SO4 и ее водные растворы (по сути дела, это смесь H2O , H2SO4 и соединений H2SO4 nH2O), и растворы триоксида серы в безводной H2SO4 – олеум (смесь H2SO4 и соединений H2SO4 nSO3).

Безводная серная кислота – тяжелая маслянистая бесцветная жидкость (техническая окрашена примесями в темный цвет), смешивающаяся с водой (с выделением большого количества теплоты) и триоксидом серы в любом соотношении. Плотность H2SO4 при 0ºC равна 1,85 гс/м3. Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава.

Безводная 100%-ная серная кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации 10,7ºC. 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: башенная кислота – 75 %, контактная кислота – 92,5 % и олеум – 20 % своб. SO3 .

 

Температура кипения серной кислоты при атмосферном давлении.

 

340 пар пар

260

       
 
   
 


Температура,˚С 180

       
   
 
 


100

раствор

20

0 40 80 20 60 100

Концентрация Концентрация

H2SO4 , % SO3 (своб.), %

 

Из диаграммы следует, что серная кислота и вода образуют азеотропную смесь состава 98,3% H2SO4 и 1,7% H2O с максимальной температурой кипения (336,5˚С). 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 SO3. Эту диаграмму используют для определения режима абсорбции SO3 и концентрирования разбавленной серной кислоты при выпаривании из нее воды.

Пары серной кислоты при повышении температуры диссоциируют:

H2SO4 ↔ H2O + SO3

и выше 400˚С уже содержат больше молекул SO3, чем H2SO4. Дальнейшее нагревание вызывает диссоциацию SO3:

SO3 ↔ 2 SO2 + O2

Выше 700˚С в парах преобладает SO2,а выше 1000˚С SO3 диссоциирует почти полностью. Степень диссоциации меняется при изменении давления.

Серная кислота весьма активна. Она растворяет оксиды металлов и большинство чистых металлов, вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Серная кислота вступает в реакции обменного разложения, энергично соединяется с водой, обладает окислительными и другими важными свойствами. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и кислородных производных углеводородов, которые содержат 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. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.

Вязкость оказывает существенное влияние на гидравлическое сопротивление при движении серной кислоты по трубам и желобам, на скорость процессов теплопередачи при нагревании и охлаждении серной кислоты, на скорость растворения в ней солей, металлов и других веществ, поэтому ее необходимо учитывать во многих технических расчетах. С повышением температуры вязкость серной кислоты уменьшается. Так, при повышении температуры от 20 до 80˚С вязкость 60 % - ной серной кислоты снижается в три раза.

Рассмотренные свойства серной кислоты необходимо учитывать как при выборе технологического режима процесса, так и при проектировании отдельных аппаратов, трубопроводов и т. д. Например, при размещении цеха на открытой площадке необходимо предусмотреть теплоизоляцию трубопроводов, по которым циркулируют растворы серной кислоты, имеющие достаточно высокие температуры кристаллизации. Учет диаграммы фазового равновесия паров и жидкости позволяет правильно выбрать условия проведения стадии абсорбции триоксида серы, обеспечивающие высокую степень абсорбции и предупреждающие побочные явления, такие, например, как образование сернокислотного тумана.

 

Физико-химичекое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопастности производства

 

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.

 

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 à H2SO4

 

При проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.

Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой, конечным продуктом является серная кислота:

SO2 + N2O3 + H2O à H2SO4 + 2NO

 

 

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью. Контактный способ позволяет получить более концентрированную и чистую кислоту. Нитрозным способом получают загрязненную примесями и разбавленную 75 – 77 % -ную серную кислоту, которая используется в основном для производства минеральных удобрений.

 

 




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.