При протекании реакции (I) помимо газообразного  продукта реакции SO₂ образуется твердый продукт Fe₂O₃, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Колчедан содержит различные примеси, в частности соединения мышьяка и фтора, которые в процессе обжига переходят в газовую фазу. Присутствие этих соединений на стадии контактного окисления диоксида серы может вызвать отравление катализатора. Поэтому реакционный газ после стадии обжига колчедана должен быть предварительно направлен на стадию подготовки к контактному окислению (вторая стадия), которая помимо очистки от каталитических ядов включает выделение паров воды (осушку), а также получение побочных продуктов (Se и Te).  

     На  второй стадии протекает обратимая экзотермическая химическая реакция контактного окисления диоксида серы:

                                SO₂ + 1/2O₂ ↔ SO₃          (III)

     Последняя стадия процесса – абсорбция триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом.

     Важнейшей задачей в производстве серной кислоты  является повышение степени превращения SO₂ в SO₃. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SO₂.

       Обжиг FeS₂ производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье. При этом протекает необратимая реакция:

       4FeS₂ + 11О₂ = 2Fe₂ O₃ + 8SO₂ + 13476 кДж.

       Продукты  окислительного обжига колчедана –  обжиговый газ и огарок, состоящий из оксида железа Fe₂O₅, пустой породы и невыгоревшего остатка сульфида железа. Огарок после соответствующей подготовки может быть использован для производства чугуна. Состав обжигового газа зависит от природы сырья, состава и избытка воздуха при обжиге. В него входят сернистый ангидрид, кислород и азот [4].

       Печные  газы, получаемые при обжиге колчедана, содержат много пыли, для улавливания  которой применяют циклоны и  электрофильтры. В циклонах пыль оседает  под действием центробежной силы пылинок в завихряющемся потоке газа. Электрофильтры представляют собой конденсаторы высоко напряжения. Запыленный газ проходит между пластинками электрофильтра, где пылинки заряжаются и оседают на противоположно заряженных пластинах. При встряхивании пластин осевшая пыль падает в бункер электрофильтра, из которого выгружается.

       Далее газ проходит через две промывные башни, две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне его газодувкой подают через систему теплообменников в контактный аппарат (см. рисунок 3.1). Конверсия идет аналогично производству серной кислоты из серы.

       Производство серной кислоты могут осуществлять и в одну стадию катализа, при этом степень превращения SO₂ в SO₃ не превышает 98,5%. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~ 93% H₂SO₄ в соответствии с требованиями ГОСТа. Производительность современных установок достигает 1500–3100 тонн серной кислоты в сутки  [8].

Блок-схема  производства 
 

 
 

 

 

 

Операторная схема процесса

     1 - печь, 2- контактный аппарат, 3- абсорбер 

 

        

 

Рисунок 3.1.– Схема производства серной кислоты из колчедана

1 –  тарельчатый питатель; 2 – печь; 3 – котел-утилизатор; 4 – циклоны; 5 – электрофильтры; 6 – промывные  башни; 7 – мокрые электрофильтры; 8 – отдувочная башня; 9 – сушильнаябашня; 10 – брызгоуловитель; 11, 15 – моногидратные  абсорберы; 12 – теплообменники; 13 – контактный аппарат; 14 – олеумный абсорбер; 16 – холодильники.

 

4. Расчет материального баланса

     Расчет  материального баланса является основным этапом. На основе материального баланса определяется целый ряд важнейших техноэкономических показателей: расход сырья и вспомогательных материалов для обеспечения заданной производительности; тепловой баланс и, соответственно, расход энергии, и теплообменную аппаратуру; экономический баланс производства, себестоимость продукции и, следовательно, рентабельность производства.

       Исходные  данные:

1. В печь поступает колчедан 40 т/сут.

2. Состав колчедана, % масс: 

FeS₂ – 70%;

песок (глина) –25%;

влага – 5%.

3. Содержание FeS₂ в огарке – 2 %.

4. Коэффициент избытка воздуха α = 1,5. Состав воздуха кислород-21%_об., азот-79%_об..

       Решение: 

4FeS₂ + 11O₂→8SO₂ +2Fe₂O₃

1. Рассчитаем, сколько пирита содержится в колчедане:

40 · 0,7 = 28 т/сут

2.  Рассчитаем, сколько песка содержится в колчедане:

40 · 0,25 = 10 т/сут

3. Рассчитаем, сколько влаги содержится в колчедане:

40 · 0,05 = 2 т/сут

4.  Молярная масса компонентов реакционной смеси : Mr(FeS₂) = 120 кг/кмоль, Mr(O₂) = 32 кг/кмоль, Mr(Fe₂O₃) = 160 кг/кмоль, Mr(SO₂) = 64 кг/кмоль.

5. Рассчитаем, сколько диоксида серы по массе получится при обжиге 40 т колчедана, содержащего 28 т пирита:

     (28 т/сут · 8 · 64 кг/кмоль) /(4 · 120 кг/кмоль) = 29,87 т/сут

6.  Рассчитаем массу образовавшегося огарка:

      (28 т/сут · 160 кг/кмоль · 2)/(4 · 120 кг/кмоль) = 18,67 т/сут.

7.  Рассчитаем содержание FeS₂ в огарке:

18,67 т/сут · 0,02 = 0,37 т/сут

8. Рассчитаем содержание Fe₂O₃:

18,67 т/сут  – 0,37 т/сут = 18,3 т/сут

9.  Рассчитаем массу кислорода, израсходованного на получение 29,87 т/сут SO₂:

(29,87 т/сут  · 11 · 32 кг/кмоль) /(8 · 64 кг/кмоль) = 20,54 т/сут

10.  Рассчитаем массу кислорода с учетом  коэффициента избытка воздуха

 α =1,5:

20,54 т/сут  · 1,5 = 30,81 т/сут

11. Рассчитаем объем кислорода:

(20,54 т/сут  · 22,4 м³/кмоль) / 0,032 т/кмоль =14378 м³/сут

12. Рассчитаем объем кислорода с учетом  коэффициента избытка воздуха

 α =1,5:

14378 м³/сут · 1,5 = 21567 м³/сут

13. Рассчитаем объем воздуха, поступившего на окисление:

21567 м³/сут / 0,21 = 102700 м³/сут.

14. Рассчитаем массу воздуха, поступившего на окисление:

(102700 м³/сут · 0,02884 т/кмоль) / 22,4 м³/кмоль = 132,23 т/сут.

15.  Рассчитаем массу отработанного воздуха:

(132,23 т/сут – 30,81 т/сут) + (30,81 т/сут – 20,54 т/сут) = 111,7 т/сут.

16. Рассчитаем  массу вышедшего кислорода:

30,81 т/сут.  – 20,54 т/сут. = 10,27 т/сут.

Таблица 3.1 –  Материальный баланс процесса окисления пирита (FeS₂) кислородом воздуха

 

       Рассчитано, что для получения 1т сернистого ангидрида нужно затратить 1,3391 т. сырья; при использовании 1т сырья  выход диоксида серы составляет 0,7467 т. 

5. Выбор и обоснование конструкции основного аппарата

       Для обжига колчедана существуют печи различных конструкций: -механические полочные (многоподовые), вращающиеся цилиндрические, печи пылевидного обжига, печи для обжига в кипящем слое.

       В механических полочных печах обжиг колчедана ведут на нескольких полках (сводах, подах), расположенных этажами друг над другом. Перемешивание и перемещение колчедана с пода на под производится механически.

       Вращающиеся цилиндрические печи представляют собой  вращающийся барабан, установленный наклонно. Колчедан подают с верхнего конца, огарок выгружают через нижний конец печи.

       Печи  пылевидного обжига получили свое название в связи с тем, что колчедан в них сжигается в виде тонко измельченной взвеси (пыли), подаваемой через форсунки в шахту печи, представляющую собой вертикальный полый цилиндр.

       Печи  для обжига колчедана в кипящем, или, как принято говорить, во взвешенном слое (псевдоожнжен-иом состоянии), характеризуются тем, что колчедан в печи находится во взвешенном состоянии, напоминающем кипение. Это достигается продуванием через слой с большой скоростью воздуха.

       Производительность  печей выражают в количестве условного  колчедана, содержащего 45% серы, сжигаемого в печи в 1 сутки. Для определения производительности печей введено понятие интенсивность.

       Интенсивность работы печи характеризуется количеством колчедана, сжигаемого в сутки на 1 м² поверхности рабочих подов печи, в 1 м³ объема печи или на 1 м² сечения шахты печи, т. е. для каждого типа печи принято свое выражение (размерность) интенсивности (напряженности) работы печи.

       В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС).

       Кипящий слой  называют также взвешенным, псевдоожиженным слоем. Внешне такой слои находится как бы в состоянии кипения. Это достигается тем, что через слой измельченного сырья (например, колчедана), находящегося на решетке с отверстиями, подают воздух с такой скоростью, что колчедан не проваливается через решетку и не лежит на ней, а находится в состоянии беспорядочного движения. Это наглядно показано на рис. 5.1. При кипении объем слоя увеличивается: первоначальная высота его (в покое) Н₀ меньше, чем высота Н, соответствующая состоянию кипения.