Технология производства серной кислоты

    МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

    БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

    Кафедра

    производственных 

    технологий 
 

    КУРСОВАЯ  РАБОТА 

    На  тему: Технология производства  серной кислоты 
 
 

Студента 2 курса,

ФМ, гр. ЭУП-1                  ___________  Кузьмич Д.В. 
 

Руководитель                             ____________               Ковган И.П.

                                      
 
 
 
 
 
 

    МИНСК 2003

 

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ

    Серная  кислота известна людям уже очень  давно. Первое упоминание о ней встречалось  уже в Х веке нашей эры.

    Вначале серную кислоту получали сухой перегонкой железного купороса, поэтому концентрированную серную кислоту долгое время называли купоросным маслом.

    На  первом заводе по получению серной кислоты, построенном в 1740 году в  Англии, серную кислоту получали нагреванием  смеси серы и селитры в металлических  сосудах, образующиеся при этом пары поглощались водой с получением серной кислоты.

    Контактный  способ получения возник несколько  позже в 1831 году, когда П. Филипс (Англия) предложил  окислять SO₂ непосредственно кислородом воздуха при пропускании газовой смеси через накаленный платиновый катализатор.

    В настоящее время контактный метод  используется гораздо шире других методов. Строятся мощные установки по производству кислоты, основанные именно на этом методе. Производительность  одной такой системы достигает 2000 тонн в сутки.

    Основной  целью написания курсовой работы является:

• Изучение процесса производства серной кислоты контактным способом
• Дать его технико-экономическую оценку. Выбран данный способ для рассматривания из-за его широкого распространения и использования практически повсеместно, а это говорит о целесообразности метода.
• Выявить уровень технологии  процесса, определить вариант развития технологического процесса.
• Рассмотреть пути развития данного процесса в ближайшем будущем.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА

1.1. Характеристика получаемой  продукции – серной  кислоты.

    Серная  кислота – один из основных видов  химической промышленности и применяется  в различных областях народного  хозяйства. Достоинства серной кислоты  в том, что она не дымит, не имеет цвета и запаха, при комнатной температуре находится в жидком состоянии и в концентрируемом виде не действует на черные металлы. Главным же ее преимуществом является то, что она – одна из сильнейших кислот и является к тому же самой дешевой кислотой.

    Серная  кислота находит  свое место в  различных отраслях народного хозяйства. Она используется в нефтяной, целлюлозно-бумажной фармацевтической, микробиологической и других отраслях промышленности. Особенно большое количество серной кислоты – около 40% всей вырабатываемой – используется в производстве минеральных удобрений. Такой диапазон потребления ставит это производство в особые условия постоянно наращиваемого выпуска, что характеризует таблица 1.1.

    Таблица 1.1. Производство серной кислоты (млн. т/год) 

 

    В химии серной кислотой называют соединение одной молекулы триоксида серы SO₃  (ангидрид серной кислоты) с одной молекулой воды и выражается формулой H₂SO₄.

    В технике под серной кислотой подразумевают  любые смеси триоксида серы с  водой. Если на один моль SO₃  приходится более одного моль H₂O , то смеси являются водными растворами серной кислоты; если менее одного моль H₂O, то это растворы серного ангидрида в серной кислоте, которые называются олеумами или дымящей серной кислотой.

    Состав  водных растворов H₂SO₄ или SO₃ (в процентах), состав олеума – содержанием общего или свободного ангидрида, а также количеством H₂SO₄, которые можно получить при добавлении к олеуму воды.

    Безводная серная кислота представляет собой (при 20^оС) бесцветную маслянистую жидкость плотностью 1830 кг/м³, кристаллизирующуюся при 10,37^оС. при 296,2^оС и 0,98Па безводная H₂SO₄  начинает кипеть. Она смешивается с водой в любых соотношениях со значительным выделением теплоты (образуются гидраты).

    Серная  кислота – одна из самых активных неорганических кислот. Она реагирует почти со всеми металлами и их оксидами, вступает в реакции обменного разложения, энергично соединяющегося с водой, обладает окислительными и другими важными химическими свойствами.

    Разнообразно  применение серной кислоты, основанное на ее свойствах, о чем уже упоминалось ранее. Также в ряде случаев H₂SO₄  используют  для высвобождения более слабых кислот из солей (например, фосфорной кислоты). Также учитывается способность связывать воду, H₂SO₄ применяют для осушки газов, концентрирования азотной кислоты. Разнообразное применение это типично неорганическое соединение нашло в органических производствах: вискозного волокна, пищевых продуктов и т.д.

    С расширением потребностей в серной кислоте быстро повышается спрос на улучшение ее сорта, возрастают требования  в отношении допустимого содержания примесей. Важно также, чтобы концентрация H₂SO₄ соответствовала низким температурам замерзания кислоты.

    В настоящее время, в связи с  дифференциацией требований к качеству H₂SO₄, кроме технической контактной кислоты (1-го и 2-го сорта), выпускают два сорта улучшенной кислоты (высший и первый сорт).  Олеум выпускается двух сортов: технический и улучшенный (высший и первый сорт). Кроме того для отдельных производств выпускаются специальные сорта кислоты и олеума: аккумуляторная реактивная кислота, кислота особой чистоты, 65%-ый олеум, а также 100% серный ангидрид. Выпускаются отдельные виды кислот со знаком качества.

    В настоящее время требования к  качеству серной кислоты и олеума определяются следующими ГОСТами: техническая кислота олеум – 2184-77; аккумуляторная кислота – 667-73; реактивная кислота – 4204-66; кислота особой чистоты – 14262-78.

 

1.2. Характеристика используемого сырья контактного производства

    Сырьем  для производства H₂SO₄ служит элементарная сера или содержащие серу вещества, из которых может быть выделена элементарная сера или получен диоксид серы (SO₂). Природные залежи самородной серы сравнительно невелики. Чаще всего она встречается в виде соединений с железом, свинцом, цинком и другими металлами. В некоторых минералах сера содержится в виде соединений с двумя металлами, например, медный колчедан является соединением серы с железом и медью. Сера встречается в природе также в виде сульфатов, например, в виде гипса, мирабелпта, глазберита и др. общее содержание серы в земной коре составляет 0,1%. Сера содержится также в нефти, каменном угле попутном и природном газах.

    Основным сырьем для производства серной кислоты контактным методом является серный колчедан. Главной составной частью серного колчедана является сульфид железа FeS₂ (53,44 % S и 46,56% Fe), который встречается в виде минерала пирита и реже  марказита. Кроме FeS₂ природный серный колчедан содержит примеси соединений меди, цинка, свинца, мышьяка, никеля, кобальта, селена, висмута, теллура, кадмия, карбонаты и сульфаты кальция и магния, небольшие количества золота и серебра. Руда, в состав которых наряду с пиритом входят значительные соединения цветных металлов, называются полиметаллическими.

    Серный  колчедан – минерал желтоватого  или желтовато-серого цвета, плотность  его около 5000 кг/м³. в зависимости от размера кусков и сорта колчедана его насыпная плотность составляет от 2200 до 2400 кг/м³.

    Для извлечения цветных металлов колчедан подвергают флотации. Процесс флотации основан на том, что некоторые  минералы, входящие в состав руд, хорошо смачиваются водой, другие плохо  или совсем не смачиваются. При добавлении к воде различных химических веществ (флотореагентов) смачиваемость меняется. Это свойство используется для разделения минералов.  Через водяную взвесь тонко измельченной руды, содержащую соответствующие флотореагенты, продувают воздух. При этом не смачиваемые водой частички руды прилипают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность, а частицы, смоченные водой, осаждаются на дно аппарата в виде флотационного колчедана с пониженным содержанием цветных металлов. Последовательно подбирая соответствующие флотореагенты, все представляющие интерес составные части руды. Из 100 тонн колчедан получают 80-85 тонн флотационного колчедана и 15-20 тонн концентрата.

    Содержание  серы в флотационном колчедане колеблется от 32 до 40%. После вторичной флотации этого колчедана и отделения пустой породы получают пиритный колчедан (концентрат), содержащий 45 – 50% серы. В настоящее время практически весь добываемый колчедан подвергается флотации.

    Флотационный  колчедан с высокой влажностью смерзается при транспортировке и хранении на складах заводов, что сильно затрудняет его выгрузку из вагонов и дальнейшую подачу в печь обжига. Кроме того, при обжиге смерзшихся комков колчедана во взвешенном состоянии нарушается процесс горения. Поэтому перед отправкой потребителям флотационный колчедан сушат в барабанных сушилках, обогреваемых  топочными газами.

    Согласно  ГОСТ, влажность отгружаемого флотационного  колчедана в осенне-зимний период не должна превышать 3,8%. Склады для  сухого колчедана делают закрытыми, чтобы исключить возможность его соприкосновения с атмосферной влагой.

 

1.3. Характеристика технологии производства серной кислоты контактным способом.

    Контактным  способом получают около  90% общего объема производства серной кислоты, так  как именно этот метод обеспечивает высокую концентрацию и чистоту продукта.

    Производство  серной кислоты контактным способом включает четыре стадии:

1. получение диоксида серы (SO₂),
2. очистку SO₂ от примесей,
3. получение триоксида серы (SO₃),
4. абсобацию триоксида серы.

    Первая  стадия связана с получением диоксида серы и колчедана, который обжигается в печах, где происходит необратимая реакция:

    4 FeS₂ + 11О₂ → 2Fe₂ О₃ +8SO₂ + Q

    измельченный  серный колчедан обжигают в печах  механических полочных, пылевидного  обжига и со взвешенным (кипящим) слоем  колчедана.

    Печные газы, получаемые при обжиге колчедана содержат много пыли, для улавливания которой применяют циклопы и электрофильтры (вторая стадия производства  серной кислоты). В циклопах пыль оседает под воздействием центробежных сил. Электрофильтры представляют собой конденсаторы высокого напряжения (60 000 – 70 000 В). запыленный газ проходит между пластинками электрофильтра, где пылинки заряжаются и оседают на противоположно заряженных пластинах. При встряхивании пластин осевшая пыль падает в бункер, из которого затем удаляется.

    В электрофильтрах газ  очищается  до остаточного содержания пыли примерно 0,2 г/м³. Контактный способ требует более тщательной очистки не только т пыли, но от газообразных примесей «отавляющих» катализатор, использующийся при окислении диоксида серы.

    Для очистки газа предусматривается  система промывных башен, электрофильтров  и сушильных башен.

    Третья  стадия производства серной кислоты является основным. Сухой очищенный газ поступает на контактное окисление SO₂ до SO₃, которое происходит по обратимой экзотермической реакции, протекающей с уменьшением объема газа:

    2SO₂ + O₂ ↔ 2SO3 + Q

    Равновесие  данной реакции сдвигается в сторону  образования SO₃ при снижении температуры и увеличении давления газовой среды.