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.

колчедан

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.

Поиск по сайту: