Рис. 5.1. Схема идеального кипящего слоя:

       а - неподвижный слой, б - кипящий слой; 1 - аппарат постоянного поперечного сечения, 2 - распределительная решетка, 3 - твердые частицы

       Интенсивность обжига серусодержашего сырья определяется:

       1) скоростью окисления серы в сырье,

       2) скоростью передвижения кислорода из газового потока к поверхности сжигаемого сырья (диффузией),

       3) диффузией образовавшегося SO₂ в газовую смесь,

       4) скоростью теплоотдачи от поверхности сырья газовому потоку (процесс теплоотдачи). Таким образом, интенсивность обжига зависит от процессов массопередачи и теплоотдачи. Скорости этих процессов возрастают при интенсивном перемешивании сырья и при увеличении поверхности соприкосновения фаз (воздуха с сырьем). Именно поэтому интенсивность обжига в «печах пылевидного обжига сырья выше, чем в механических печах. Еще больше она в печах кипящего слоя, так как частицы сырья перемешиваются еще более интенсивно благодаря турбулентности потока.

       В настоящее время новые сернокислотные системы оборудуются преимущественно печами КС. Механические печи на действующих заводах постепенно заменяются печами этого типа.

       Существенными достоинствами метода обжига колчедана в печах КС являются:

       а) возможность получения концентрированного сернистого газа (12 15% SO₂) с низким содержанием серного ангидрида и мышьяка в обжиговом газе,

       б) высокая интенсивность печей. Так, интенсивность печей КС [в кг/(м²сут)] в 80 раз выше интенсивности механических печей и в 4 раза — печей пылевидного обжига.

       Содержание мышьяка в сернистом газе после печей КС зависит от температуры обжига и от концентрации SО₂. Возможность получать при определенном режиме обжига газ с незначительным содержанием мышьяка позволила применить такие печи в системе с упрощенной очисткой газа.

       Печи  с взвешенным (кипящим) слоем представляют собой цилиндрическую футерованную камеру с решеткой, на которую непрерывно поступает колчедан. Под решетку  подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц во взвешенное состояние, но не достаточной для их уноса из печи. Частицы колчедана находятся в непрерывном движении, напоминающем кипение жидкости. Время пребывания частиц колчедана в печи составляет несколько секунд. Постоянный приток воздуха обеспечивает почти полное выгорание серы из колчедана. Взвешенный слой имеет высоту, определяемую расположением патрубка для вывода огарка. Частицы огарка свободно вылетают через патрубок благодаря высокой подвижности взвешенного слоя (рисунок 5.2).

       Печи  КС отличаются высокой интенсивностью (до 10000 кг/м²∙сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа и контроль температуры, облегчают процесс утилизации теплоты реакции обжига. К недостаткам печей КС следует отнести повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку. В настоящее время печи КС полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

         

       Рисунок 5.2 – Печь для обжига колчедана в кипящем слое [7] 

       Существуют  печи КС с одинарным и двойным  кипящим слоем. На рис. 5.3 представлена печь КС для обжига колчедана с одним кипящим слоем. Кожух шахты печи стальной, внутри футерованный огнеупорным кирпичом. В нижней части печи находится решетка (подовая плита) 6 с большим числом отверстий. Колчедан поступает в загрузочную камеру 9, огарок выводится через бункер 7. Первичный воздух подается под решетку 6, вторичный — из коллектора 1, расположенного на 'Некоторой высоте от верхнего уровня кипящего слоя колчедана. Для использования тепла горения в кипящий слой колчедана помещены охлаждающие элементы 5 — трубы -из углеродистой стали, по которым циркулирует вода. Нагретая вода поступает в паровой котел-утилизатор. В загрузочной камере также находятся охлаждающие элементы 8, соединенные с системой котла-утилизатора. Топочные газы выходят из печи в трубу 10. Для разжигания печи есть форсунка 2, работающая на газе или мазуте.

       

       Рис. 5.3. Печь КС для обжига колчедана:

       1-коллектор  для вторичного воздуха. 2-форсунка, 3-опорная рама,4-конус,5,8- охлаждающие элементы. 6 - решетка (подовая плита). 7 -бункер под провальной решеткой загрузочной камеры. 9 - загрузочная камера. 10 - выхлопная труба 

  6. Экологическая оценка производства

 

       В производстве серной кислоты вредными веществами являются: серная кислота, оксиды серы, олеум. Серная кислота и олеум представляют собой агрессивные жидкости, которые действуют разрушающим образом на растительные, животные ткани и вещества, отнимая у них воду, вследствие чего они обугливаются.

       Аэрозоль серной кислоты. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе:

       ПДКр.з. = 1,0 мг/м³ (рабочей зоны),

       ПДКм.р. = 0,3 мг/м³ (максимально разовая),

       ПДКс.с. = 0,1 мг/м³ (среднесуточная).

       Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды серы, и выпадать в виде кислотных дождей [10].

       Оксид серы (IV) и взвешенные частицы. Основной процесс, приводящий к образованию взвешенных частиц и диоксида серы, – это процесс горения, осуществляемый в печи сжигания серы. Диоксид серы – бесцветный газ. Источники те же, что и для взвешенных частиц. Вступает в каталитические или фотохимические реакции с другими загрязняющими веществами с образованием SO₃, серной кислоты и сульфатов [6].

       Класс опасности (токсичности) диоксида серы 3. ПДКр.з. = 10,0 мг/м³, ПДКм.р. = 0,5 мг/м³, ПДКс.с. = 0,03 мг/м³.

         Частицы, образующиеся в результате  сгорания – сажа, копоть, пыль, – обычно имеют размер менее 1 мкм, так что они могут легко приникать в легочные альвеолы. Они также могут содержать опасные вещества, такие как асбест, тяжелые металлы, мышьяк. Оксиды металлов являются основным классом неорганических частиц в атмосфере. Они образуются в любых процессах, связанных со сжиганием топлива, содержащего металлы.

       Класс опасности сажи 3. ПДКр.з. = 4,0 мг/м³, ПДКм.р. = 0,15 мг/м³, ПДКс.с. = 0,05 мг/м³.

       Класс опасности нетоксичной пыли 4. ПДКр.з. = 6,0 мг/м³, ПДКм.р. = 0,5 мг/м³, ПДКс.с. = 0,15 мг/м³.

       В промышленных районах концентрация диоксида серы обычно достигает 0,05-0,1 мг/м³; в сельских районах она в несколько раз меньше, а над океаном меньше в 10-100 раз. В сельской местности фоновая концентрация близка к 0,5 мкг/м³, а концентрация в городах в 50-100 раз выше. Из-за химических превращений время жизни диоксида серы в атмосфере невелико (порядка нескольких часов). В связи с этим возможность загрязнения и опасность воздействия непосредственно диоксида серы носят, как правило, локальный, а в отдельных случаях региональный характер.

       Термин  «взвешенные частицы» относится к ряду тонкодисперсных твердых веществ или жидкостей, диспергированных в воздухе в результате процессов горения, производственной деятельности и естественных источников. До 20 % общего количества взвешенных частиц может состоять из серной кислоты и сульфатов (частицы до 1 мкм в диаметре состоят из них на 80 %) [7].

       Влияние на окружающую среду. Высокие концентрации диоксида серы вызывают серьезное повреждение растительности. Острое повреждение, вызванное диоксидом серы, отражается в появлении белесых пятен на широколистных растениях или обесцвеченных некротических полос на листьях с продольным жилкованием. Хронический эффект проявляется как обесцвечивание хлорофилла, приводящее к пожелтению листьев, появлению красной или бурой окраски, которая в нормальных условиях маскируется зеленой. Независимо от формы проявления, результатом является снижение продуктивности и замедление роста. Лишайники особенно чувствительны к SO₂ и используются как биоиндикаторы при определении его избыточных количеств в воздухе. Однако диоксид серы не всегда вызывает повреждение: в сульфатдефицитных местностях дополнительные небольшие уровни SO₂ могут благотворно влиять на растения, однако происходящее параллельно некоторое подкисление почвы может потребовать дополнительного известкования [7].

       Предложения по уменьшению количества выбросов вредных  веществ в окружающую среду

       В процессе производства серной кислоты  некоторая часть серы уходит  в  атмосферу  в  виде  диоксида серы SO₂. Неполное окисление SO приводит к выбросам диоксида серы в окружающую среду. Одной из мер является использования высоких (120-200 м) дымовых  труб, что позволяет дымовым газам рассеиваться на значительном расстоянии от земли. Снижение выбросов  SO можно достигнуть двумя путями:

       1. Более полное окисление диоксида серы в контактном аппарате, которое достигается использованием метода двойного контактирования.

       2. Очистка дымовых газов от вредных примесей.

       При промывке газа образуется загрязненная серная кислота, из которой извлекают окислы селена, мышьяка, а затем реализуют как нестандартную продукцию. Сернокислые сточные воды, образующиеся в процессе очистки, можно использовать в качестве охлаждающего элемента в холодильных аппаратах.

       Для очистки печных газов от пыли, сернокислотного тумана, каталитических ядов предусмотрена общая и специальная очистка. Однако большие объёмы газов, подвергаемых  очистке, а также разнообразие компонентов (пыль, сажа, мышьяк, селен, оксид железа) обусловливают значительные трудности для создания достаточно экономичного метода очистки.

       В настоящее время загрязнения  воздуха обычно улавливают с помощью одного из следующих методов:

       1. Модификация технологического процесса с целью предотвращения или  минимизации образования загрязняющего продукта.

       2. Установка новых более эффективных аппаратов.

       3. Электрофильтры, циклоны, промывные  башни и т.д.

       4. Использование химических или  физических процессов, например  адсорбции, абсорбции, дожигания, двойного контактирования, каталитического обезвреживания и т.д.

       5. Конструктивные решения,  например двойные, а не одинарные затворы, закрытые вентильные системы, улавливающие выбросы.

       Конструкция установки должна обеспечивать надежную и безопасную работу аппаратов, возможность осмотра и очистки, промывки, продувки и ремонта, а также проведения необходимых испытаний [8].

       Трубопроводы, баллоны, цистерны окрашивают в цвета, соответствующие их содержимому, и  снабжают надписью с наименованием  хранимого или транспортируемого вещества. Для наблюдения за режимом процесса производства серной кислоты устанавливаются средства автоматического контроля. Государственный надзор за устройством и эксплуатацией установки осуществляет Госгортехнадзор РФ. 

 

Выводы

 

1. В курсовом проекте рассмотрены физические, химические свойства концентрированной и разбавленной серной кислоты.
2. Представлена принципиальная технологическая схема процесса получения серной кислоты обжигом серного колчедана.
3. По выбранной технологической схеме произведен расчет материального баланса получения серной кислоты обжигом серы, который показал, что суточная производительность 40 т серного колчедана, дает выход 29,87т SO₂.
4. Процесс обжига колчедана производится в печи кипящего слоя. Представлена схема печи кипящего слоя.
5. В разделе охране окружающей среды изучены основные вредные и опасные факторы производства, представлены их характеристики, изложены токсические свойства и ПДК получаемого продукта серной кислоты и вредных веществ, образующихся в процессе производства. Представлены мероприятия по охране окружающей среды. Изучены методы очистки и утилизации вредных выбросов с технологических установок производства серной кислоты.