Экономические основы производства серной кислоты

Абсорбция триоксида серы.

SO3 + H2O = H2SO4 + Q

Абсорбция триоксида серы – последняя стадия процесса на которой образуется серная кислота. Взаимодействие SO3 с водой протекает достаточно интенсивно как в жидкой, так и в газовой фазе. Кроме того H2SO4 может растворять в себе SO3, образуя олеум. Этот продукт удобен для транспортировки, поскольку он не вызывает коррозии даже обычных сталей. В то же время растворы серной кислоты чрезвычайно агрессивны.

Для «H2O-H2SO4-SO3» особенностью является то, что в широком интервале концентраций раствора серной кислоты в паровой фазе присутствуют чистые пары воды, а над олеумом – в газовой фазе преобладает SO3. Одинаковый состав жидкой и паровой фаз (азеотропная точка) будет при концентрации серной кислоты 98,3%. Если SO3 поглощать раствором с меньшей концентрацией, то реакция будет протекать и в паровой фазе – будет образовываться туман серной кислоты, который уйдет из абсорбера с газовой фазой. А это – и потери продукта, и коррозия аппаратуры, и выбросы в атмосферу. Если SO3 абсорбировать олеумом, то поглощение будет неполным.

Газ, содержащий SO3, после реактора проходит последовательно олеумый и моногидратный абсорберы. Другой компонент реакции (H2O) подается противотоком через сборник в моногидратный абсорбер. За счет интенсивной циркуляции жидкости (абсорбата) в ней можно поддерживать близкую к оптимальной концентрацию H2SO4 – 98,3%. Концентрационные условия абсорбции обеспечиваю полное поглощение SO3 и минимальное образование сернокислого тумана. Кислота из моногидратного абсорбера поступает в олеумный. В нем циркулирует 20% раствор Н2SO4, 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 SO3 поглощается практически полностью, диоксид серы – практически не поглощается.

 

 

3. Характеристика готового вида продукта и его экономическое назначение
1. Виды и основные технико-экономические показатели серной кислоты

Серная кислота не имеет цвета и запаха и является одной из самых сильных кислот. Получается при сжигании серы или богатых серой руд, образующийся при этом сернистый газ окисляют в безводный серный газ, который поглощается водой с образованием серной кислоты. 

Чистая серная кислота (моногидрат) - бесцветная, прозрачная, сиропообразная жидкость; удельный вес 1,842, при 0оС застывает, при 290оС кипит, образуя пары серного газа. С водой смешивается во всех пропорциях, при этом выделяется большое количество тепла, вследствие чего во избежание разбрызгивания нужно приливать серную кислоту в воду, а не наоборот. Действует разрушающим образом на растительные и животные ткани и вещества, отнимая у них воду, вследствие чего они обугливаются. Растворяет большинство металлов, образуя сернокислые соли. На свинец действует слабо. Производятся следующие сорта серной кислоты: 

Техническая камерная серная кислота; удельный вес 1,53-1,61, крепостью 50-55%, окрашена в бурый цвет и содержит разные примеси. 

Башенная серная кислота, крепостью 60%, удельный вес 1,71. Прозрачная, обладает темным цветом. 

Купоросное масло, крепостью 65-66%, удельный вес 1,82- 1,84, прозрачна, со слабым буроватым оттенком. 

Аккумуляторная серная кислота бывает крепостью в 22, 25, 60%. 

Дымящая (нордгаузеновская, олеум) серная кислота, удельный вес 1,85-1,87, получается растворением серного ангидрида в концентрированной серной кислоте. Маслянистая светло-бурая жидкость, выделяющая на воздухе белые пары серного ангидрида. 

Химически чистая серная кислота не содержит никаких примесей, бесцветна. 

Серная кислота техническая ГОСТ 2184-77. Техническая серная кислота выпускается следующих видов: контактная (1-й и 2-й сорт),  технический олеум.

Серная кислота техническая изготавливается в соответствии с ГОСТ 2184-77.

Предназначается для производства удобрений, искусственного волокна, капролактама, двуокиси титана, этилового спирта, анилиновых красителей и целого ряда других производств.

Основными производителями серной кислоты в России, как, впрочем, и потребителями, являются предприятия промышленности фосфатных удобрений. Более половины российской серной кислоты производится и потребляется именно этими предприятиями. Следует отметить, что российский рынок серной кислоты имеет ряд особенностей. Хотя это одно из самых крупнотоннажных производств, основная часть продукта направляется на внутреннее потребление и поэтому не влияет на совокупное предложение.

Перспективными в отношении улучшения технико-экономических показателей производства серной кислоты являются системы сухой очистки газа. Классический контактный способ ее производства включает ряд противоположных процессов: горячий обжиговый газ охлаждается в очистном отделении, затем вновь нагревается в контактном; в промывных башнях газ увлажняется, в сушильных — тщательно осушается. В СССР на основе научных исследований создан новый процесс производства серной кислоты — сухая очистка (СО). Основная особенность процесса СО состоит в том, что после очистки от пыли горячий обжиговый газ без охлаждения, промывки и сушки направляется непосредственно в контактный аппарат. Это обеспечивается таким режимом работы обжиговых печей со взвешенным (кипящим) слоем колчедана, при котором значительная часть соединений мышьяка адсорбируется огарком. Таким образом, вместо четырех этапов классического процесса СО включает только три, за счет чего капиталовложения снижаются на 15 - 25 %, себестоимость серной кислоты — на 10 - 15%.

Намечено увеличение мощностей действующих и строящихся предприятий по производству серной кислоты контактным способом при небольших дополнительных затратах. Это будет достигнуто за счет повышения концентрации SО2 в перерабатываемых газах, а также внедрения короткой схемы при переходе с обжига колчедана на сжигание серы. В целях совершенствования аппаратурного оформления процесса разработан контактный аппарат с параллельными слоями катализатора (металлоемкость его стала ниже на 25 %). Применение кожухотрубных холодильников с анодной защитой позволит продлить срок их службы до 10 лет.

Технология производства серной кислоты нитрозным способом обновляется за счет совершенствования башенных систем. Расчеты показывают, что по сравнению с контактным способом переработки газов, полученных при обжиге колчедана в воздухе, при нитрозном способе и установке аналогичной мощности (180 тыс. т в год) капитальные затраты снижаются на 43,6 %, себестоимость переработки сернистых газов — на 45,5, приведенные затраты — на 44,7 и трудоемкость — на 20,2 %.

Крупные потребители серной кислоты должны производить ее на своих предприятиях вне зависимости от ведомственной принадлежности, это позволит в 3 раза сократить загрузку железнодорожного транспорта и потребность в цистернах.

 

2. Области применения серной кислоты

Серная кислота находит самое широкое применение в народном хозяйстве и является главнейшим продуктом основной химической промышленности. В связи с этим наблюдается непрерывный рост производства серной кислоты. Так, если в 1900 г. мировое производство серной кислоты составило 4,2 млн. г, то в 1937 г. ее было получено 18,8 млн. г, а в 1960 г. — более 47 млн. т.

Области применения серной кислоты обусловлены ее свойствами и низкой стоимостью. Серная кислота является сильной, труднолетучей и прочной кислотой, обладающей при умеренных температурах весьма слабыми окислительными и сильными водоотнимающими свойствами.

Основным потребителем серной кислоты является производство минеральных удобрений — суперфосфата и сульфата аммония. Например, на производство только одной тонны суперфосфата (из фторапатита), не содержащего гигроскопической воды, расходуется 600 кг 65-процентной серной кислоты. Производство минеральных удобрений потребляет около половины всей производимой кислоты.

Значительное количество серной кислоты расходуется при переработке жидкого топлива — для очистки керосина, парафина, смазочных масел от сернистых и непредельных соединений, при переработке каменноугольной смолы. Применяется она также при очистке различных минеральных масел и жиров.

Серная кислота широко применяется в различных органических синтезах, например для сульфирования органических соединений — при производстве сульфокислот, различных красителей, сахарина. Для этой цели используется как концентрированная кислота, так и дымящая, а также хлорсульфоновая кислота. Серная кислота применяется в качестве водоотнимающего средства в реакциях нитрования — при производстве нитробензола, нитроклетчатки, нитроглицерина и т. д.

Являясь нелетучей кислотой, серная кислота способна вытеснять летучие кислоты из их солей, что используется в производстве фтористого и хлористого водорода, хлорной кислоты. 

Серная кислота часто применяется при переработке (разложении) некоторых руд и концентратов, например титана, циркония, ванадия и иногда ниобия, лития и некоторых других металлов. Поскольку концентрированная серная кислота кипит при довольно высокой температуре и практически не действует на чугун и сталь, указанное разложение можно проводить достаточно полно, применяя дешевую аппаратуру из этих материалов. 
Разбавленная горячая серная кислота хорошо растворяет окислы металлов, и ее используют для так называемого травления металлов — очистки их, особенно железа, от окислов. 

Серная кислота является хорошим осушающим веществом и с этой целью находит широкое применение в лабораториях и в промышленности. Остаточная влажность при использовании 95-процентной серной кислоты равна 0,003 мг паров воды на 1 л осушаемого газа.

Предмет первой необходимости для нас – растительная пища: хлеб, овощи, крупа и т.п. Удовлетворить эту насущную потребность можно при хорошем урожае. Получить же такой урожай возможно при помощи минеральных удобрений. На их изготовление тратится около половины всей серной кислоты, получаемой на химических заводах. Без нее мы не могли бы получать питательные вещества в достаточной мере.

Наша одежда, белье сделаны из хлопчатобумажной, шерстяной или льняной ткани. Хлопок, лен, идущие на изготовление соответствующей ткани, тоже нуждаются в удобрениях, получаемых при помощи серной кислоты.

Кроме того, ткань требует после выхода с ткацкой машины последующей обработки – аппретуры, только тогда она получает свой настоящий вид. Аппретурная обработка производится особой массой, состоящей из сульфатов алюминия и бария, получаемых при помощи серной кислоты.

Чтобы окрасить шерстяную или хлопчатобумажную ткань, требуется протравливание, т.е. пропитка ткани такими солями, главным образом сульфатами, которые прочно соединяются как с самой тканью, так и с красителями, благодаря чему окрашенная ткань не линяет при стирке. Эти соли без серной кислоты изготовить, конечно, невозможно. Сами красители тоже не могут быть изготовлены без серной кислоты.

Мы носим кожаную обувь. Для получения ее из сырых шкур требуется освобождение их от волоса, смягчение, дубление, окраска. Все эти операции не могут обойтись без серной кислоты и ряда ее солей, например квасцов, изготовляемых при ее помощи.

Современное общество никоим образом без серной кислоты обойтись не может. Оказывается, помыться, быть чистым тоже нельзя без косвенного участия серной кислоты. Мы моемся мылом, стирка белья без мыла или стирального порошка невозможна. Мыло и порошки готовят из соды и жирных кислот. Чтобы получить жирные кислоты из жиров и очистить их, нужна серная кислота.

Для производства кислот, например уксусной, солей, неорганических и органических красок требуется серная кислота. Фармацевтическая отрасль промышленности, производство искусственного волокна не могут обойтись без серной кислоты. Взрывчатые вещества готовятся при участии концентрированной серной кислоты.

 

3. Основные производители серной кислоты в России

Основными производителями серной кислоты являются предприятия фосфорных удобрений. Главные районы размещения сернокислотных производств — Уральский, Поволжский, Восточно-Сибирский, Западно-Сибирский, Северо-Кавказский. Производство серной кислоты, из-за трудностей, связанных с опасностью ее транспортировки, тяготеет преимущественно к местам ее потребления — к заводам фосфорных удобрений и другим химическим производствам, к сырьевым источникам — предприятиям черной и цветной металлургии, газо- и нефтепереработки в порядке комбинирования и кооперирования с этими производствами (утилизация в металлургии, газо- и нефтепереработке промышленны отходов).

Крупнейшим российским производителем серной кислоты является агрохимический холдинг «ФосАгро», в состав которого входят ОАО «Аммофос» и ОАО «Балаковские минеральные удобрения».

«ФосАгро»  —  российский химический холдинг. Формирование холдинга было начато в 2001 году на базе одноимённой ассоциации потребителей апатитового концентрата; создателем выступала Group Menatep, на тот момент контролировавшаяся Михаилом Ходорковским.

Основной бизнес холдинга — производство минеральных удобрений. Лидер в производстве фосфорных удобрений — 1415 тыс. т или 49,9 % (2007). Холдинг представляет собой крупную вертикально-интегрированную структуру с полным циклом производства фосфорсодержащих минеральных удобрений от добычи фосфатного сырья до конечных продуктов (удобрения, кормовые фосфаты, фосфорная кислота, а так же серная кислота).

 

 

В состав холдинга входят:

• ОАО «Апатит» (Кировск, Мурманская область) — крупнейший производитель апатитового концентрата в России;

• ОАО «ФосАгро-Череповец» (Череповец) — крупнейшее в России предприятие по производству фосфорсодержащих и азотных удобрений;

• ООО «Балаковские минудобрения» (Балаково);

• ЗАО «Агро-Череповец»

• ООО «ФосАгро-Транс» (Санкт-Петербург) — транспортно-экспедиторская компания;