Технология производства серной кислоты

    Скорость  процесса окисления SO₂ при отсутствии катализатора даже при высоких температурах мала.

    На  заводах по производству серной кислоты  в нашей стране в качестве катализатора используют  главным образом ванадиевые контактные массы с содержанием  V₂O₅ примерно 7%, а также включающие оксиды  щелочных металлов и высокопористые алюмосиликаты в качестве носителя.

    Для достижения максимальной скорости окисления SO₂ до SO₃ процесс следует начинать  при температуре около 600^ос и заканчивать при 400^оС. Конструкция современных полочных  контактных аппаратов обеспечивает эти условия.

    Контактное  отделение включает  трубчатый  теплообменник и контактный аппарат. Сухой и холодный очищенный газ подается в межтрубное пространство теплообменника для предварительного нагрева. Подогретый газ, проходя между трубками теплообменников, нагревается до  450^оС и поступает на верхний слой катализатора, где 70-75%  SO₂ окисляется SO₃. за счет  выделяющейся  в реакции теплоты температура газа  повышается до 590-600^оС. Затем  газ направляется  во внутренний теплообменник, где охлаждается до 450-490^оС. охлажденная смесь SO₂+SO₃ подается во второй слой катализатора, на котором продолжается  дальнейшее окисление SO₂ в SO₃. Обычно газ проходит 3-5 решетчатых полок с контактной массой и расположенными между ними теплообменниками, в результате чего  97-98% SO₂ превращается в SO₃. Окисленный газ, имеющий при выходе из контактного аппарата температуру 400-430^оС поступает в теплообменник, где охлаждается до 200^оС, а затем в холодильник, где его температура снижается до 60-80^оС. Автотермичность процесса окисления SO₂ до SO₃ позволяет эффективно использовать теплоту, выделяющуюся в ходе реакции.

    В четвертой стадии процесса производства серной кислоты охлажденный окисленный газ направляется в абсорбционное (поглотительное) отделение цеха. Абсорбцию триоксида водой осуществлять нецелесообразно, так как реакция

    SO₃ + H₂O → H₂SO₄ + Q будет протекать в газовой фазе (за счет выделяющейся теплоты вода будет превращаться в пар) с образованием  мельчайших капелек теплоты (тумана), который очень трудно улавливается. Поэтому SO₃ поглощается концентрированной серной кислотой в две стадии.

    Для технологии производства серной кислоты  контактным способом существует несколько  однотипных  технологий:  нитрозный (башенный) способ, способ получения H₂SO₄ из сероводорода (H₂S), способ получения H₂SO₄ контактным способом с сухой очисткой.

    На  данный момент контактный способ является наиболее приемлемым с точки зрения  технико-экономической характеристики. При этом способе обеспечивается высокая концентрация и чистота продукта при сравнительной простоте процесса. Возможно, в будущем будет преобладать некий другой способ получения кислоты, например, контактный с сухой очисткой (находится на стадии разработки и изучения всех положительных и, возможно, отрицательных, сторон внедрения в производство).  Пока же этот способ  получения контактным способом является удовлетворительным и наиболее  широко используемым, недаром 90% полученной серной кислоты получено именно этим способом. 
 
 
 

 

    Рис. 1.3. Блок-схема технологического процесса производства серной кислоты.

    1 – получение диоксида серы;

    2 – очистка SO₂;

    3 – окисление SO₂;

    4 – абсорбция триоксида серы

    

             - предмет труда и побочные  продукты на всех стадиях переработки.

            - стадии переработки продукции

                 

                 -  технологические (предметные  связи)

 

2. ДИНАМИКА  ТРУДОЗАТРАТ ПРИ  РАЗВИТИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

    Исходя  из динамики трудозатрат, различают  два возможных варианта развития технологического процесса – ограниченное и неограниченное. Для того, чтобы узнать, какой  из них реализуется в технологии производства серной кислоты, построим график  изменения затрат живого (Т_ж), прошлого (Т_п) и совокупного труда, где Т_ж(t) и Т_п(t) – удельные затраты живого и прошлого труда  соответственно (руб.(затрат труда)/руб. продукции).

    Т_ж(t)=200/(9t+210)

    Т_п(t)=0,03t+0,7

    Т_с= Т_ж + Т_п = 200/(9t+210)+0,03t+0,7=(0,27t²+12,6t+347)/(9t+210)

    Таблица 2.1 Динамика трудозатрат

 

    Графическое изображение динамики трудозатрат (рис. 2.1.) показывает, что затраты живого труда (Т_ж) – уменьшаются, а затраты прошлого – увеличиваются, следовательно, это ограниченный вариант развития. В данном технологическом процессе экономится в большей степени живой труд, такой процесс имеет трудосберегающий характер.

 

     Из графика видно, что экономический предел накопления прошлого труда  находится в t~3,9

    Т_п(t)= Т_п(3,9)=0,817

    Определим экономический предел накопления прошлого труда аналитически:

    Т_с^’=( Т_ж + Т_п)^’= (Т_ж)’+( Т_п)^’= ((200/(9t+210))’+(0,03t+0,7)’= -1800+0,03*(9t+210)² ) /(9t+210)²

    Т_c^’→0, тогда -1800 + 0,03 * (9t + 210)²=0

    0,03*(9t+210)² = 1800

    (9t + 210)²=60 000

    9t+210~245

    t~3,9

    Т_п(t)= Т_п(3,9)=0,817

    Несложно  заметить, что экономический предел накопления прошлого труда в обоих  случаях (графическом и аналитическом) получился одинаковым, что говорит о его достоверности.

    Важно также установить, в какой степени  снижаются затраты живого труда по мере роста затрат труда прошлого, т.е. определить тип отдачи от дополнительных затрат прошлого труда. Для этого исследуем характер экономии живого труда в зависимости от величины прошлого труда, продифференцировав функцию Т_ж = f (Т_п):

    Т_п= 0,03t+0,7

    0,03t= Т_п – 0,7

    t = (Т_п – 0,7) 0,03

    Т_ж = 200/((9*( Т_п-0,7)/0,03)+210)= 200/300 Т_п=2/3 Т_п

    (Т_ж)’= (2/3 Т_п)’=(2/3 Т_п^-1)’= -2/3 Т_п^-2 = -2/(3 Т_п²)

    [(Т_ж)’]=[-2/(3 Т_п²)]=2/3 Т_п²

    зависимость Т_ж от Т_п обратно пропорциональная, т.е. при увеличении Т_п уменьшается Т_ж , а значит реализуется убывающий тип отдачи дополнительных затрат овеществленного труда, т.к. значение производной  показывает, как изменяется отношение ∆ Т_ж/∆ Т_п

    Т_ж^’= d Т_ж/d Т_п= ∆ Т_ж/∆ Т_п

    В данной ситуации живой труд, труд человека, заменяется действиями машины. Природные  возможности человека являются тормозом повышения производительности  производственных процессов, т.е.  только машинное производство не имеет ограничений в повышении производительности труда.

    Рационалистическое  развитие соответствует варианту ограниченного  развития технологического процесса с  позиции изменения трудозатрат  во времени. Поэтому принципиально  важно предвидеть наступление момента t*, соответствующего пределу рационалистического развития (указывалось выше).

    Отдача  рационалистического развития технологического процесса во времени падает, в результате чего наступает момент времени, когда дальнейшая замена живого труда прошлым  не только не приводит к снижению совокупных затрат труда, а наоборот, повышает их. При этом дальнейшее повышение механизации (замены живого труда прошлым

      Будет приводить к все большему  повышению затрат, что является  экономически невыгодным, именно  поэтому мы и находим экономический предел накопления прошлого труда.

 

3. УРОВЕНЬ  ТЕХНОЛОГИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА  ПРОИЗВОДСТВА  СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

    Данная  технология имеет ограниченный путь развития, который называется рационалистическим или эволюционным. Он связан с уменьшением  затрат живого труда за счет роста затрат прошлого и с экономической  точки зрения предпочтительнее, чем эвристический путь развития, однако первый путь принципиально ограничен. Математическая модель закона  рационалистического развития технологического процесса представляет собой  соотношение L=√YB (3.1), где L – производительность живого труда, B – технологическая вооруженность, Y – уровень технологии.

    Все параметры в соотношении 3.1 являются функциями затрат живого и прошлого труда:

L= 1/ Т_ж= 1/(200/(9t+210))=(9t+210)/200                                                  (3.2)

B=Т_п/Т_ж=(0,03t+0,7)/(200/(9t+210))=(0,03t+0,7)(9t+210)/200=0,27t²+12,6t+147/200                                                                                                                 (3.3)

Y=(1/ Т_ж)*(1/Т_п)= (1/200/(9t+210)) * (1/(0,03t+0,7))=(9t+210)/(6t+140)  (3.4)

Рассчитаем  параметры  технологического процесса для момента времени t=3 года.

L(3)=9*3+210)/200=1.185 (руб прод/руб затрат труда)

B(3)= (0,27*9+12,6*3+147)/200=0,936 (руб/челгод; руб затрат Т_п /руб затрат Т_ж)

Y(3)=(9*3+210)/(6*3+140)=1,5 (руб/челчас)

Уровень технологии является показателем «качества» технологического процесса и определяет его производительную способность. В то же время уровень технологии показывает, насколько эффективно используется живой и прошлый труд при решении проблемы повышения производительности технологического процесса. С целью упрощения определения границы рационалистического развития используют относительный уровень технологии,  который определяется по формуле:

Y*= Y/L=1/ Т_п

Вычислим  Y*(3)= 1/ Т_п=1/(0,03t+,7)=1/(0,03*3+0,7)=1,266

Из расчетов видно, что Y*>L, поэтому можно сказать, что данное рационалистическое развитие целесообразно. 

 

4. СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА  СЕРНОЙ КИСЛОТЫ  КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ  И ЕЕ АНАЛИЗ

    Как известно технологический процесс  – это первичное звено создания материальных ценностей, необходимых  для существования общества. Технологический  процесс является основой создания производственной системы, характеризует ее специфику, только развитие технологического процесса позволяет обеспечить неограниченный рост производительности труда.

    Элементарный  технологический процесс – наименьшая совокупность действий, направленных на производство продукции, которая еще не теряет признаков технологического процесса. Главный признак  технологического процесса – получаемая продукция. Технологический процесс состоит из операций.

    Технологическая операция – часть технологического процесса, характеризующаяся постоянством предметов труда, орудий труда и характером воздействий на предмет труда. Операция состоит из технологического перехода, характеризующегося постоянством режимов работы оборудования, и вспомогательного перехода, включающего действия исполнителей и орудий труда, необходимых для выполнения технологического перехода.

    Технологический переход состоит из рабочего и  вспомогательного ходов. Рабочий ход  – элементарная часть технологического перехода или операция, связанная с изменением формы, размеров, свойств, структуры, состояния или с изменением  пространственного положения предмета труда в соответствии с целью технологического процесса. Вспомогательный ход включает действия исполнителей и орудий труда, необходимое для выполнения  рабочего хода, но не изменяющие состояние предмета труда.