Экономические основы производства серной кислоты

Введение

Серная кислота, среди всех минеральных кислот, производимых химической промышленностью, по объему производства и потребления занимает первое место. Оно и логично, ведь H2SO4  самая дешевая из всех кислот, а так же имеет очень хорошие свойства: она не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, является одной из самых сильных кислот, находится в жидком агрегатном состоянии при температурах от -30 до 336,5 оС.

В технике под серной кислотой понимают системы, состоящие из оксида серы (VI) и воды различного состава:

VSO3SO3·VH2OH2O

При равном объеме это моногидрат серной кислоты (100%-ная кислота). Если объем оксида серы меньше объема воды – водные растворы оксида серы, если больше – растворы оксида серы в моногидрате (олеум)

Области применения серной кислоты чрезвычайно обширны. Значительная часть ее используется в производстве удобрений, а также красителей, химических волокон, в металлургии, при производстве взрывчатых веществ. Она применяется для различных технологических целей в текстильной, пищевой и других отраслях промышленности.

Сырьем в производстве серной кислоты могут быть элементарная сера и различные серосодержащие соединения, из которых можно получить серу или непосредственно оксид серы (VI). В XIII веке серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO4, поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса.

Организация производства серной кислоты является актуальной задачей в связи с повышением уровня потребления этого продукта. Завод по производству серной кислоты - сложный объект с множеством цехов по подготовке, производству серной кислоты, фасовке и пр.

Цель курсовой работы: изучить экономические основы технологии  производства серной кислоты.

Задачи для достижения цели:

1. Изучить какие сырьевые материалы используются в производстве серной кислоты, нормативные требования к сырью, а также способы добычи и изготовления сырьевых материалов.
2. Рассмотреть способы производства серной кислоты и подробно разобрать один из них.
3. Описать характеристику готового вида продукта. Выделить области применения, а также обозначить основных производителей серной кислоты в России.
 

1. Основные сырьевые материалы для производства серной кислоты
1. Перечень, состав и свойства сырьевых материалов

Сырьем в производстве серной кислоты могут быть элементарная сера и различные серосодержащие соединения, из которых могут быть получены сера или непосредственно оксид серы.

Природные залежи самородной серы невелики. Чаще всего сера находится в природе в форме сульфидов и сульфатов металлов, а также входит в состав нефти, каменного угля, природного газа. Значительные количества серы содержатся в виде оксида серы в топочных газах и газах цветной металлургии и в виде сероводорода, выделяющегося при очистке горючих газов. Таким образом, сырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны, хотя до сих пор в качестве сырья используют преимущественно элементарную серу и железный колчедан. Ограниченное использование таких видов сырья, как топочные газы ТЭС и газы медеплавильного производства, объясняется низкой концентрацией в них оксида серы (IV). При этом доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

Природный железный колчедан представляет сложную породу, состоящую из сульфида железа FеS2, сульфидов других металлов (меди, цинка, свинца и др.), карбонатов металлов и пустой породы. В РФ залежи колчедана имеются на Урале и Кавказе, где его добывают в рудниках в виде рядового колчедана. Процесс подготовки рядового колчедана к производству ставит целью извлечение из него ценных цветных металлов и повышение концентрации дисульфида железа.

Чистый пирит содержит 53.5% серы и 46.5% железа. В серном колчедане содержание серы обычно колеблется от 35 до 50%, железа от 30 до 40%, остальное составляют сульфиды цветных металлов, углекислые соли, песок, глина и др.

Элементарная сера может быть получена из серных руд или газов содержащих сероводород или оксид серы. В соответствии с этим различают серу самородную и серу газовую комовую.

На территории РФ залежей самородной серы практически нет. Источником газовой серы являются Астраханское газоконденсатное месторождение, Оренбургское и Самарское месторождения попутного газа.

Из самородных руд серу выплавляют в печах, автоклавах или непосредственно в подземных залежах (метод Фраша). Для этого серу расплавляют непосредственно под землей, нагнетая в скважину перегретую воду, и выдавливают расплавленную серу на поверхность сжатым воздухом.

Получение газовой серы из сероводорода, извлекаемого при очистке горючих и технологических газов, основано на процессе неполного его окисления над твердым катализатором. При этом протекают реакции:

2Н2S +3О2 =2 SО2 +2Н2О

4Н2S +2SО2 =4Н2О + 3S2

2Н2S +О2 = Н2О +S2

Источником сероводорода служат различные горючие газы: коксовый, генераторный, попутный, газы нефтепереработки. Извлекаемый при их очистке газ, содержит до 90% сероводорода и не нуждается в специальной подготовке.

Доля сырья в себестоимости продукции сернокислотного производства достаточно велика. Поэтому технико-экономические показатели этого производства существенно зависят от вида используемого сырья. 

 

2. Способы изготовления или добычи сырьевых материалов

Как говорилось ранее, природные залежи самородной серы не велики, поэтому чаще всего используют природный железный колчедан, который добывается в рудниках

Добыча руды открытым способом происходит таким образом: шагающие экскаваторы снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывами рудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на обогатительную фабрику, а оттуда — на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу. Методы извлечения различны. Чаще всего используется скважинный метод добычи серы из-под земли. Этот метод носит наименование Метод Фраша. В честь химика, который этот способ и обнаружил.

Установка Фраша достаточно проста: труба в трубе. В пространство между трубами подается перегретая вода и по нему идет в пласт. А по внутренней, обогреваемой со всех сторон, трубе поднимается расплавленная сера. Современный вариант установки Фраша дополнен третьей — самой узкой трубой. Через нее в скважину подается сжатый воздух, который помогает поднять расплавленную серу на поверхность. Одно из основных достоинств метода Фраша в том, что он позволяет уже на первой стадии добычи получить сравнительно чистую серу. При разработке богатых руд этот метод весьма эффективен.

Существуют также и другие методы:

Термический метод извлечения серы — самый старый. Еще в XVIII веке в Неаполитанском королевстве выплавляли серу в кучах «сольфатарах». До сих пор в Италии выплавляют серу в примитивных печах — «калькаронах». Тепло, необходимое для выплавления серы из руды, получают, сжигая часть добытой серы. Процесс этот малоэффективен, потери достигают 45%.

Италия стала родиной и пароводяных методов извлечения серы из руд. В 1859 году Джузеппе Джилль получил патент на свой аппарат — предшественник нынешних автоклавов. Автоклавный метод используется и сейчас во многих странах.

В автоклавном процессе обогащенный концентрат серной руды, содержащий до 80% серы, в виде жидкой пульпы с реагентами подается насосами в автоклав. Туда же под давлением подается водяной пар. Пульпа нагревается до 130° С. Сера, содержащаяся в концентрате, плавится и отделяется от породы. После недолгого отстоя выплавленная сера сливается. Затем из автоклава выпускается вода, содержащая пустые породы, но также в ней находится довольно много серы, поэтому она вновь поступает на обогатительную фабрику.

 

3. Нормативные требования, предъявляемые к сырьевым материалам

Содержание серы в колчедане должно быть не менее 30% для эффективного производства серной кислоты.

Топочные газы тепловых электростанций и газы медеплавильного производства имеют низкую концентрацию оксида серы (IV). Эти газы не рекомендуется использовать в производстве серной кислоты, т.к. они не имеют должной эффективности в производстве. Производство, основанное на использовании этих газов, слишком затратное, но их можно использовать как дополнительный источник серы.

Серные руды считаются богатыми, если в них содержится более 25 % серы. Руды с содержанием серы 6 - 8 % относятся, как правило, к непромышленным. Наиболее распространены относительно небогатые серой руды осадочного типа, содержащие 15 - 30 % серы. В серных рудах встречаются селен, теллур и мышьяк, но в ничтожных количествах. Частым компонентом серных руд являются битумы. На действующих предприятиях серная руда из горного цеха подается крупностью до 1000 мм. Вследствие относительной вязкости руд и трудностей осуществления поверочного грохочения обычно проводят двухстадийное дробление их в открытом цикле. 

Источником сероводорода служат различные горючие газы: коксовый, генераторный, попутный, газы нефтепереработки. Извлекаемый при их очистке газ, должен содержать до 90% сероводорода.

 

2. Технология производства серной кислоты
1. Основные способы производства серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.

Контактный способ производства серной кислоты.

Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах. Для производства серной кислоты контактным способом используют следующее сырье: самородная сера (S), пирит (FeS2), сероводород (H2S) и сульфиды цветных металлов (ZnS, Cu2S).

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS2.

Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

Производство серной кислоты из пирита состоит из трёх стадий:

1. Обжиг пирита в печи для обжига в «кипящем слое».

Уравнение реакции первой стадии:

4FeS2 + 11O2   =   2Fe2O3 + 8SO2 + Q

Весь процесс проходит при t = 800°C

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалёно-красного цвета.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистку печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз). Для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2.

 

2. Окисление SO2 в SO3 кислородом.

Уравнение реакции этой стадии:

2SO2 + O2 = 2SO3 + Q

Протекает в контактном аппарате.

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3).