Министерство образованияРеспублики Беларусь
Белорусский ГосударственныйЭкономический Университет
Кафедра технологий
Индивидуальная работа
На тему: “Производствасерной кислоты”
Минск 2009
1. Производство серной кислоты
1.1 Свойства и области использования серной кислоты
Производство серной кислоты — одной из самых сильных идешевых кислот — имеет важное народнохозяйственное значение, обусловленное еешироким применением в различных отраслях промышленности.
Безводная серная кислота (моногидрат) — тяжелаямаслянистая жидкость (плотность при 20 °С 1830 кг/м3; температура кипения 296,2°С при атмосферном давлении; температура кристаллизации 10,45 °С). Онасмешивается с водой в любых соотношениях со значительным выделением теплоты(образуются гидраты). В серной кислоте растворяется оксид серы. Такой раствор,состав которого характеризуется содержанием свободного SО3(100%-я H2SO4),называется олеумом.
Серная кислота используется для производства удобрений —суперфосфата, аммофоса, сульфата аммония и др. Значителен ее расход при очисткенефтепродуктов, а также в цветной металлургии, при травлении металлов. Особочистая серная кислота используется в производстве красителей, лаков, красок,лекарственных веществ, некоторых пластических масс, химических волокон, многихядохимикатов, взрывчатых веществ, эфиров, спиртов и т. п.
Производится серная кислота двумя способами: контактным инитрозным (башенным). Контактным способом получают около 90 % от общего объемапроизводства кислоты, так как при этом обеспечивается высокая концентрация ичистота продукта.
1.2 Сырье для производства серной кислоты
В качестве сырья для производства серной кислотыприменяются элементарная сера и серный колчедан; кроме того, широкоиспользуются серосодержащие промышленные отходы.
Серный колчедан характеризуется содержанием серы 35…50%. В залежах серного колчедана часто присутствуют сульфидные руды, которыеиспользуются в производстве цветных металлов (Си, Zn, Pb и др.).
Сульфидные руды подвергаются обжигу, в процессе которогообразуются сернистые газы, используемые для производства серной кислоты. Внастоящее время сырьем для ее производства служат сероводородные газы,образующиеся при переработке нефти, коксовании углей, а также получаемые приочистке природного газа.
Наиболее просто производство серной кислоты из серы,выделяемой из самородных руд или из побочных продуктов ряда производств(газовой серы). Однако стоимость кислоты, получаемой из серы, выше, чем изколчедана. Кроме того, сера необходима
для производства резины, спичек, сероуглерода,ядохимикатов, лекарственных препаратов и т. д.
На современном этапе обеспечение промышленностисеросо-держащим сырьем предусматривается за счет разработки природной иполучения попутной серы. В цветной и черной металлургии, газовой инефтехимической промышленности серу получают из газоконденсатов. Поэтомуувеличивается выпуск флотационного колчедана на предприятиях цветнойметаллургии.
Разрабатывается технология переработки новых видов сырья:сульфатизирующий обжиг коллективного сульфидного концентратаСоколовско-Сарбайского комплекса и обжиг некондиционного колчедана.
1.3 Технология производства серной кислоты контактным способом
Производство серной кислоты контактным способом включаетчетыре стадии: получение диоксида серы; очистку газа от примесей; получениетриоксида серы; абсорбцию триоксида серы.
Первая стадия связана с получением диоксида из колчедана,который обжигают в печах, где протекает необратимая реакция
4FeS2+llO2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + Q.
Ускорение этой реакции, а следовательно, интенсификацияпроцесса обеспечивается тонким измельчением сырья, тщательным егоперемешиванием и избытком воздуха или обогащением воздуха кислородом.
Измельченный серный колчедан обжигают в печахмеханических полочных, пылевидного обжига и со взвешенным (кипящим) слоемколчедана (рис. 2.1.). Последние печи более эффективны.
Образующийся при обжиге колчедана огарок характеризуетсясодержанием железа до 50 % и после соответствующей подготовки может бытьиспользован для производства чугуна. Из 1 т колчедана получается 0,72…0,75 тогарка.
Печные газы, получаемые при обжиге колчедана, содержатмного пыли, для улавливания которой применяют циклоны и электрофильтры (втораястадия производства серной кислоты). В циклонах пыль оседает под действиемцентробежных сил. Электрофильтры представляют собой конденсаторы высокогонапряжения (60000… 70000 В). Запыленный газ проходит между пластинамиэлектрофильтра, где пылинки заряжаются и оседают на противоположно заряженныхпластинах. При встряхивании пластин осевшая пыль падает в бункерэлектрофильтра, из которого затем удаляется.
В электрофильтрах газ очищается до остаточного содержанияпыли примерно 0,2 г/м3, чего вполне достаточно для переработки сернистых газов всерную кислоту нитрозным способом. Контактный способ требует более тщательнойочистки не только от пыли, но и от газообразных примесей«отравляющих» катализатор, использующийся при окислении доксида серы.
Обжиговый газ после пылеочистки в электрофильтрах имееттемпературу около 350 °С и содержит остатки пыли, а также газообразные примесисоединений мышьяка (As2O3), селена (SeO2) и других элементов, способныеразрушать катализатор и снижать
/>/>
Рис. 2.1. Печь для обжига колчедана в кипящем слое
Колчедан, его активность
Примеси селена целесообразно извлекать из газа и какнеобходимый промышленности материал. Для очистки газа предусматривается системапромывных башен, электрофильтров и сушильных башен. Третья стадия производствасерной кислоты является основной. Сухой очищенный газ поступает на контактноеокисление SO2 до S03, которое происходит по обратимой экзотермической реакции,протекающей с уменьшением объема газа:
Равновесие данной реакции сдвигается в сторонуобразования SO3 при снижении температуры и увеличении давления газовой среды.Однако, поскольку в обжиговом газе концентрация сернистого газа и кислороданевелика (содержание балластного азота в газе превышает 80%), увеличениедавления в сернокислотном производстве нецелесообразно, в связи с чем основнымрегулятором равновесия реакции окисления сернистого газа является температура.
Скорость процесса окисления SO2 при отсутствиикатализатора даже при высоких температурах мала.
На сернокислотных заводах нашей страны в качествекатализатора используют главным образом ванадиевые контактные массы ссодержанием V205 примерно 7 %, а также включающие оксиды щелочных металлов ивысокопористые алюмосиликаты в качестве носителя.
Для достижения максимальной скорости окисления SO2 в SO3процесс следует начинать при температуре около 600 °С и заканчивать при 400 °С.Конструкции современных полочных контактных аппаратов обеспечивают эти условия.При тщательной очистке газа контактная масса сохраняет активность на протяжениинескольких лет. Самая высокая активность катализатора и выгодные температурныеусловия процесса катализа достигаются в аппаратах со взвешенным (кипящим)слоем.
Контактное отделение (рис. 2.2) включает трубчатыйтеплообменник 6 и контактный аппарат 7. Сухой и холодный очищенный газ подаетсятурбокомпрессором 5 в межтрубное пространство теплообменника 6 дляпредварительного нагрева. Подогретый газ, проходя между трубкамитеплообменников, расположенных в контактном аппарате между полками с контактноймассой, нагревается до 450 °С и поступает на верхний слой катализатора, где70…75 %
/>
Рис. 2.2. Схема производства серной кислоты контактнымспособом: 1, 2—промывные башни (полая и с насадкой); 3 — электрофильтр; 4 —башня с насадкой; 5 — турбокомпрессор; 6 — теплообменник; 7 — контактный аппарат;8 — холодильный; 9 — башня для абсорбера; 10 — башня для орошения; 11 —кислотный холодильник; 12 — сборник; 13 -центробежный насос
Олеум в результате реакции теплоты температура газаповышается до 590…600 °С. Затем газ направляется во внутренний теплообменник,где охлаждается до 450…490 °С. Охлажденная смесь SO2 + SO3 подается черезвторой слой катализатора, на котором продолжается дальнейшее окисление SO2 вSОз. Обычно газ проходит через 3…5 решетчатых полок с контактной массой ирасположенными между ними теплообменниками, в результате чего 97…98 % SO2превращается в SОз. Окисленный газ, имеющий при выходе из контактного аппарататемпературу 400…430 °С, поступает в теплообменник 6, где охлаждается до 200°С, а затем в холодильник 8, где его температура снижается до 60…80 °С.Автотермичность процесса окисления SO2 в SОз позволяет эффективно использоватьтеплоту, выделяющуюся в ходе реакции.
В четвертой стадии процесса производства серной кислотыохлажденный окисленный газ направляется в абсорбционное (поглотительное)отделение цеха. Абсорбцию триоксида водой осуществлять нецелесообразно, так какреакция SO3 + H2O–>H2SO4 + Q будет протекать в газовой фазе (за счетвыделяющейся теплоты вода превращается в пар) с образованием мельчайших капелеккислоты (тумана), который очень трудно улавливается. Поэтому SОз поглощаетсяконцентрированной серной кислотой в две стадии.
Значение:
1-Тонкое измельчение.
2-Обжиг.
3-Улавливание пыли электрофильтрами.
4-Очистка газа в системе промывных башен электрофильтрови сушильных башен.
5-Нагрев.
6-Прохождение через первый слой катализатора (V2O5).
7-Охлаждение во внутреннем теплообменнике.
8-Прохождение через второй слой катализатора.
9-Охлаждение в теплообменнике до 2000.
10-Охлаждение в холодильнике.
11-Поглощение (SO3) концентрированной серной кислотой вдве стадии.
/>
2. Динамика трудозатрат при развитии технологическогопроцесса
Тж=200/(9t+210)
Тп=0,03t+0,7
/>
Исходя из графика можно прийти к выводу, что развитиетехнологического процесса идёт по ограниченному пути.
2.1 Характер развития технологического процесса
Выражение Тж./Тп. с течением времени имеет тенденцию куменьшению, следовательно процесс развития носит трудосберегающий характер.
2.2 Тип отдачи
Этапы расчёта:
Тп=0,03t+0,7
t =100(Тп-0,7)
Тж.=200/(9(100(Тп-0,7)/3)+210)=200/300Тп
(Тж.f(Тп))¢=(200/300Тп)¢= -1/Тп2
|Тж.f(Тп)|¢=1/Тп2
При возрастающем Тп, Тж убывает, следовательно типотдачи убывающий.
2.3 Экономический предел накопления прошлого труда
Этапы расчёта:
Тс.=Тж.+Тп.
Тс.¢=(Тж.+Тп.)¢=(200/(9t+210))¢+(0.03t+0.7)¢=-1800/(9t+210)2+0.03
Тс.=0
-1800/(9t+210)2+0.03=0
1800=0.03(9t+210)2
60000=(9t+210)2
81t2+3780t+44100=60000
27t2+1260t-5300=0
D=2160000
t1
t2=(-1260+√2160000)/54≈3.88
t*≈3.88
Тп.= 0,03t+0,7=0.03∙3.88+0.7=0.816
3.Уровень технологического процесса
L=1/Тж.
B=Тп./Тж.
У=(1/Тж.)(1/Тп.)
У*=У/L=1/Тп.
Этапы расчёта:
при t=3
L=1,185
B=0,936 У=1,5
У*=1,265
У*>L => Рационалистическое развитие целесообразно.
4. Технологический процесс
4.1 Пооперационная структура технологического процессапроизводства серной кислоты
/>
4.2 Структура операции производства серной кислоты
/>
4.3 Структура технологического перехода производствасерной кислоты
/>
4.4 Прогрессивные способы и перспективы развитияпроизводства серной кислоты
Процесс получения серной кислоты контактным способомзначительно упрощается, если в качестве сырья для получения SO применять серу,почти не содержащую мышьяка, или сероводород, получаемый при очистке горючихгазов и нефтепродуктов. При использовании в качестве сырья выплавленной серыпроцесс производства серной кислоты включает три стадии: сжигание серы в форсуночныхпечах; окисление диоксида серы в триоксид в контактных аппаратах; абсорбциютриоксида серы.
Способ получения серной кислоты из сероводороданазывается мокрым катализом и состоит из следующих основных этапов: 1) сжиганиясероводорода (2H2S + 302-»2H2O + 2SO2); 2) окисления SO2 в SОз в присутствииванадиевого катализатора и водяных паров, в результате чего образуется сернаякислота в виде паров: 3) конденсации серной кислоты при охлаждении паров.
Установка для получения серной кислоты по методу мокрогокатализа включает печь для сжигания сероводорода, контактный аппарат дляокисления SO2 в SОз и башню с насадкой для конденсации образующихся паровкислоты. Такие установки строят на нефтеперерабатывающих заводах и другихпредприятиях, вырабатывающих в качестве отходов сероводородные газы.
Промышленность выпускает техническую, аккумуляторную иреактивную серную кислоту. Эти виды кислоты отличаются по назначению исодержанию основного компонента и примесей.
В настоящее время производительность типовых технологическихлиний по производству серной кислоты контактным способом составляет 180 тыс. тв год. Замена их линиями мощностью 360 тыс. т кислоты в год позволяет снизитьудельные капитальные затраты на ее производство на 30 %, а себестоимостьпродукции на 20%.
В значительной степени удельные капитальные затратыопределяются видом сырья: если при использовании природной серы их принять за100 %, то при использовании сероводорода они составят 108%, отходящих газов —167, колчедана — 208%. Увеличение удельных капитальных затрат обусловленоглавным образом затратами на сооружение очистных отделений. Дальнейшеесовершенствование очистных операций обусловливает снижение материалоемкостиоборудования и уменьшение капитальных затрат на производство серной кислоты.
Перспективными в отношении улучшениятехнико-экономических показателей производства серной кислоты являются системысухой очистки газа. Классический контактный способ ее производства включает рядпротивоположных процессов: горячий обжиговый газ охлаждается в очистномотделении, затем вновь нагревается в контактном; в промывных башнях газувлажняется, в сушильных — тщательно осушается. В СССР на основе научныхисследований создан новый процесс производства серной кислоты — сухая очистка(СО). Основная особенность процесса СО состоит в том, что после очистки от пылигорячий обжиговый газ без охлаждения, промывки и сушки направляетсянепосредственно в контактный аппарат. Это обеспечивается таким режимом работыобжиговых печей со взвешенным (кипящим) слоем колчедана, при которомзначительная часть соединений мышьяка адсорбируется огарком. Таким образом,вместо четырех этапов классического процесса СО включает только три, за счетчего капиталовложения снижаются на 15…25 %, себестоимость серной кислоты — на10…15%.
Намечено увеличение мощностей действующих и строящихсяпредприятий по производству серной кислоты контактным способом при небольшихдополнительных затратах. Это будет достигнуто за счет повышения концентрацииSO2 в перерабатываемых газах, а также внедрения короткой схемы при переходе собжига колчедана на сжигание серы. В целях совершенствования аппаратурногооформления процесса разработан контактный аппарат с параллельными слоямикатализатора (металлоемкость его стала ниже на 25 %). Применение кожухотрубныххолодильников с анодной защитой позволит продлить срок их службы до 10 лет.
Технология производства серной кислоты нитрозным способомобновляется за счет совершенствования башенных систем. Расчеты показывают, чтопо сравнению с контактным способом переработки газов, полученных при обжигеколчедана в воздухе, при нитрозном способе и установке аналогичной мощности(180 тыс. т в год) капитальные затраты снижаются на 43,6 %, себестоимостьпереработки сернистых газов — на 45,5, приведенные затраты — на 44,7 итрудоемкость — на 20,2 %.
Крупные потребители серной кислоты должны производить еена своих предприятиях вне зависимости от ведомственной принадлежности; этопозволит в 3 раза сократить загрузку железнодорожного транспорта и потребностьв цистернах.
Увеличится использование в производстве минеральныхудобрений отработанных серных кислот после их очистки и регенерации.