Производство серной кислоты метод УДХТУ

Вступ Сірчана кислота – найбільш сильна і найдешевша кислота. Серед мінеральних кислот, вироблюваних хімічною промисловістю, сірчана кислота за об'ємом виробництва і споживання займає перше місце. Сірчана кислота не димить, в концентрированному вигляді не руйнує чорні метали, в той же час є однією з найсильніших кислот, в широкому діапазоні температур (від – 40 - 20 до 260 – 336,5 °С) знаходиться в рідкому стані. Вона широко використовується у виробництві мінеральних добрив, різних солей і кислот, всіляких органічних продуктів, барвників, димообразуючих і вибухових речовин і т.д. Сірчана кислота знаходить різноманітне застосування в нафтовій, металургійній, металообробній, текстильній і інших галузях промисловості, використовується як водовідштовхувальний і осушуючий засіб, застосовується в процесах нейтралізації, труїть і т.д. Найбільш важливі області застосування сірчаної кислоти відбиті на схемі.
Ще в XIII столітті сірчану кислоту одержували в незначних кількостях термічним розкладанням залізного купоросу FeSO4, тому і зараз один з сортів сірчаної кислоти називається купоросним маслом, хоча вже давно сірчана кислота не проводиться з купоросу. В даний час сірчана кислота проводиться двома способами: нітрозным, що існує більше 200 років, і контактним, освоєним в промисловості в кінці ХIХ і початку ХХ століття. Контактний спосіб витісняє нітрозний. Першою стадією сірчанокислотного виробництва по будь-якому методу є отримання діоксиду сірі при спалюванні сірчистої сировини. Після очищення діоксиду сірі (особливо в контактному методі) її окисляють до три оксиди сірі, який сполучають з водою з отриманням сірчаної кислоти. Окислення SO2 в SO3 в звичайних умовах протікає украй поволі. Для прискорення процесу застосовують каталізатори. В даний час контактним методом одержують концентровану сірчану кислоту, олеум і 100% сірчаний ангідрид. Одночасно із збільшенням об'єму виробництва сірчаної кислоти розширюється асортимент продукції сіркокислих заводів, організовується випуск особливо чистої кислоти, 100% SO2, високоякісного олеуму і кислоти, а також збільшується виробництво нових продуктів на основі SO2. Окрім олеуму, концентрованої сірчаної кислоти і акумуляторної кислоти, вітчизняні заводи випускають також чистішу контактну кислоту кращої якості (для виробництва штучного волокна, титанових білил і ін.), чистий олеум, хімічно чисту і реактивну сірчану кислоту. За останні роки в процесі виробництва сірчаної кислоти внесені істотні поліпшення. Широко застосовується випалення колчедану в киплячому шарі і спалювання сірі в циклонній печі, значно збільшується використання тепла, що виділяється при випаленні сировини, і на інших стадіях виробництва сірчаної кислоти. Безперервно підвищується продуктивність баштових сіркокислотних систем в результаті підтримки оптимального технологічного режиму, розробленого на основі досліджень; інтенсивність баштових систем досягає 250 кг/м3 в добу. Освоєний контактно-баштовий процес виробництва сірчаної кислоти, при якому витрата HNO3 складає 6 – 7 кг на 1 тонну H2SO4. У контактному методі виробництва сірчаної кислоти окислення діоксиду сірі в три оксид здійснюється на твердих контактних масах. Завдяки удосконаленню контактного способу виробництва, собівартість чистішої і висококонцентрованої контактної сірчаної кислоти лише трохи вище, ніж баштовою. В даний час понад 90% всієї кислоти проводиться контактним способом. Як каталізатори контактного процесу тепер застосовується термічно стійка ванадієва контактна маса (у вигляді гранул і кілець) із зниженою температурою запалення. Проведені роботи по освоєнню процесу окислення SO2 в киплячому шарі каталізатора. Важливим удосконаленням є подвійний контакт, при якому забезпечується високий ступінь окислення SO2 на каталізаторі (до 99,8%) і тому виключається необхідність в додатковому санітарному очищенні газів, що відходять. Упроваджується процес конденсації H2SO4, замінюючий абсорбцію сірчаного ангідриду. Також для виробництва сірчаної кислоти використовують ангідрид або безводий сульфат кальцію CaSO4, гіпс або двухводну сіль CaSO4*2H2O і фосфогіпс, що є відходом виробництва концентрованих фосфорних добрив (суміш гіпсу, з'єднань фтору, оксидів фосфору, SO2 і інших домішок). У нітрозном способі каталізатором служать оксиди азоту. Окислення SO2 відбувається в основному в рідкій фазі і здійснюється в баштах з насадкою. Тому нітрозний спосіб за апаратурною ознакою називають баштовим. Суть нітрозного методу полягає в тому, що обпалювальний газ обробляється сірчаною кислотою, в якій розчинені оксиди азоту. Сірчистий ангідрид обпалювального газу поглинається нітрозой, і потім окислюється оксидами азоту по реакції: SO2 + N2O3 + H2O = H2SO4 + 2NO. NO, що утворюється, погано розчинен в нітрозе і виділяється, а потім частково окислюється киснем до NO2. Суміш NO і NO2 знов поглинається H2SO4. Промисловість випускає три види товарної сірчаної кислоти: Баштова кислота: С=75%, tкрист= -29,5 °С Контактна кислота: С=92,5%, tкрист= -22,0 °С Олеум: С=20% своб. SO3, tкрист= +2 °С Схема застосування сірчаної кислоти
1. ТЕОРИТИЧНА ЧАСТИНА
1.1. Початкова сировина
Традиційно основними джерелами сировини є сірка і залізний (сірчаний) колчедан. Близько половини сірчаної кислоти в СРСР одержувала з сірки, третина – з колчедану. Значне місце в сировинному балансі займають гази кольорової металургії, що відходять, містять діоксид сірі. В цілях захисту навколишнього середовища у всьому світі приймаються заходи по використанню відходів промисловості, що містять сірку. У атмосферу з газами теплових електростанцій і металургійних заводів, що відходять, викидається діоксиду сірки значно більше, чим уживається для виробництва сірчаної кислоти. Із-за низької концентрації SO2 в таких газах, що відходять, їх переробка поки що не завжди можлива. Гази, що в той же час відходять, – найбільш дешева сировина, низькі оптові ціни і на колчедан, найбільш же дорогою сировиною є сірка. Отже, для того, щоб виробництво сірчаної кислоти з сірки було економічно доцільне, повинна бути розроблена схема, в якій вартість її переробки буде істотно нижча за вартість переробки колчедану або газів, що відходять.
1.2. Характеристика цільового продукту Сірчана кислота може існувати як самостійна хімічна сполука H2SO4, а також у вигляді з'єднань з водою H2SO4*2H2O, H2SO4*H2O, H2SO4*4H2O і з три оксидом сірі H2SO4*SO3, H2SO4*2SO3. У техніці сірчаною кислотою називають і безводу H2SO4 і її водні розчини (по суті справи, це суміш H2O, SO2 і з'єднань H2SO4 *nH2O) і розчини три оксиди сірі в безводій H2SO4 – олеум (суміш H2SO4 і з'єднань H2SO4*nSO3). Безводна сірчана кислота – важка масляниста безбарвна рідина, що змішується з водою і три оксидом сірі в будь-якому співвідношенні. Фізичні властивості сірчаної кислоти, такі, як щільність, температура кристалізації, температура кипіння, залежать від її складу.
Безводної 100%-ної кислоти має, порівняно, високу температуру кристалізації 10,7 °С. Щоб зменшити можливість замерзання товарного продукту при перевезенні і зберіганні, концентрацію технічної сірчаної кислоти вибирають такій, щоб вона мала достатньо низьку температуру кристалізації. Промисловість випускає три види товарної сірчаної кислоти.
Концентрація Температура кристалізації °С Баштова кислота 75% -29 °C Контактна кислота 92,5% -22 °C Олеум 20% своб.SO3 +2 °C Сірчана кислота і вода утворюють азеотропну суміш складу 98,3% H2SO4 і 1,7% H2O з максимальною температурою кипіння (336,5 °С). Склад тих, що знаходяться в рівновазі рідкої і парової фаз для кислоти азеотропної концентрації однаковий; у більш розбавлених розчинів кислоти в паровій фазі переважають пари води, в паровій фазі над олеумом висока рівноважна концентрація SO3. Сірчана кислота вельми активна. Вона розчиняє оксиди металів і більшість чистих металів, витісняє при підвищеній температурі всі інші кислоти з солей. Особливо жадібно сірчана кислота з'єднується з водою завдяки здатності давати гідрати. Вона віднімає воду у інших кислот, від кристалогідратів солей і навіть кисневих похідних вуглеводнів, які містять не воду як таку, а водень і кисень в поєднанні Н:О=2. Дерево та інші, рослинні і тваринні тканини, що містять целюлозу (С6Н10О5), крохмаль і цукор, руйнуються в концентрованій сірчаній кислоті; вода зв'язується з кислотою і від тканини залишається лише мілко дисперсний вуглець. У розбавленій кислоті целюлоза і крохмаль розпадаються з утворенням цукру. При попаданні на шкіру людини концентрована сірчана кислота викликає опіки. 1.2.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧАТКОВОЇ СИРОВИНИ Пірит (греч. πυρίτης λίθος |, буквально — камінь висікаючий вогонь) — мінерал, сульфід заліза хімічного складу FeS2 (46,6 % Fe, 53,4 % S). Нерідкі домішки Со, Ni, As, Cu, Au, Se і інших речовин. Так само відомий під назвами: сірчаний колчедан, залізний колчедан. Грецька назва камінь, що висікає вогонь пов'язано з властивістю піриту давати іскри при ударі. Пірит кристалізується в кубічній сінгоніі|, утворюючи кубічні, пентагондодекаедричні| і рідше октаедричні кристали. Але поширений найчастіше у вигляді суцільних зернистих мас. Колір світлий, латунно-жовтий. Має металевий блиск. Твердість за шкалою Мооса 6…6,5; щільності 4900—5200 кг/м3. Пірит — один з найпоширеніших сульфідів. Великі його поклади зосереджені в родовищах гідротермального| походження, колчеданних покладах, осадкових і метаморфічних породах. Крім того пірит у невеликих кількостях утворюється в магматичних процесах. У осадкових породах пірит утворюється у закритих морських басейнах подібних до Чорного Моря, в результаті осадження сірководня. Пірит є сировиною для отримання сірчаної кислоти, сірі і залізного купоросу, але останнім часом рідко використовується для цих цілей. У величезних об'ємах він витягується при розробці гідротермальних| родовищ міді, свинцю, цинку, олова і інших кольорових металів. Але переробка піриту в корисні компоненти зазвичай виявляється економічно не вигідною, і його відправляють у відвали. У Росії родовища піриту розташовані на Уралі (Дігтярське, Калатінськоє і ін.), на Алтаї, Закавказзі і інших районах. За кордоном — в Казахстані, Норвегії, Іспанії (Ріо-тінто), Італії, на острові Кіпр, в США, Канаді, Японії. 1.3. Підготовка сировини Подрібнення піриту Перед використанням великі шматки піриту подрібнюють в дробильних машинах. При подрібненні речовини швидкість реакції збільшується, оскільки збільшується площа поверхні зіткнення реагуючих речовин. 1.4. Технологічна схема виробництва сірчаної кислоти з колчедану методом ДК-ДА | Колчедан через дозатор подають в пекти киплячого шару 1. Одержаний запилений обпалювальний газ подають спочатку в казан-утилізатор 3, а потім на стадію сухого очищення від огарковой пили. | У очисному відділенні що складається з двох промивних башт 6 і 7, двох пар мокрих електрофільтрів 8 і 9 і сушильної башти 10, відбувається очищення газу від з'єднання миш'яку, селену, фтору і його осушення. Перша порожниста промивна башта 6 працює у випарному режимі. Концентрацію зрошуючої кислоти в першій башті підтримують постійною за рахунок розбавлення з другої промивної башти 7. Кислота з другої башти поступає в збірку 18 і після охолоджування повертається на зрошування. Після другої промивної башти газ проходить послідовно дві пари електрофільтрів 8 і 9, потім у сушильну башту 10. Кислота циркулює між сушильною баштою 10 і збіркою 18; частина кислоти відводиться як готова продукція на склад. Для підтримки концентрації сірчаної кислоти в збірку 18 вводять 98-99%-ну кислоти з 17 і 20. На стадії осушення циркулюючу кислоту охолоджують в повітряному холодильнику 22. Перед сушильною баштою обпалювальний газ розбавляють повітрям. Після цього він проходить через фільтр бризгоуловитель| 11 і поступає в турбогазодувку| 12. У теплообмінниках газ нагрівається і поступає на перший шар контактного апарату. Окислення SO2 відбувається на 74% з одночасним підвищенням температури до 600 °С. Після охолоджування до 465 °С газ поступає на другий шар контактного апарату, де ступінь перетворення досягає 85%, а температура газу зростає до 514 °С. Після охолоджування до 450 °С газ поступає на третій шар контактного апарату, де ступінь перетворення збільшується до 94-94,5%, а температура підвищується до 470 °С. Потім відповідно до вимог методу ДК-ДА| реакційний газ охолоджують в теплообмінниках до 100 °С і направляють на абсорбцію першого ступеня: спочатку в олеумний| абсорбер 21, потім в моногидратний| абсорбер 20. Після моногідратного| абсорбера і фільтра-бризгоуловителя| газ знов нагрівають до температури 430 °С і подають на четвертий шар каталізатора. У четвертому шарі відбувається окислення SO2 на ~80%, що супроводжується підвищенням температури до 449 °С. Реакционную суміш знов охолоджують до температури 409 °С і направляють на останній (п'ятий) шар контактного апарату. Загальний ступінь перетворення після п'яти стадій контакту складає 99,9%. Газову суміш після охолоджування направляють в моногідратний| абсорбер другого ступеня абсорбції 17. Непоглащенний газ, що складається в основному з повітря, пропускають через фільтр 11 для виділення бризок і туману і викидають в атмосферу через вихлопну трубу.
1.5. ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА ВИРОБНИЦТВА СІРЧАНОЇ КИСЛОТИ 1.6. ХІМІЧНА СХЕМА 4FeS2 + 11O2 > 8SO2 + 2FeO3 + Q1 2SO2 + O2 ↔ 2SO2 + Q2 SO3 + H2O ↔ H2SO4 + Q3
1. Аналіз процесу випалення колчедану 4FeS2 + 11O2 → 8SO2 + 2FeO3 + Q1 Тип процесу: необоротний екзотермічний з виділенням енергії, гетерогенний процес, система газ – тв|. тіло. Всі гетерогенні процеси це багатостадійні процеси. Процес є певною послідовністю стадій: 1 – дифузія молекул кисню до поверхні частинок; 2 – дифузія кисню через шар огарка; 3 – ХР| на межі FeS2; 4 – дифузія мол. SO2 через шар огарка назовні частинки 5 – дифузія мол. SO2 в потік Швидкість процесу визначається швидкістю найповільнішої стадії. Збільшення швидкості процесу випалення полягає в знаходженні найповільнішої стадії і збільшенні її швидкості. Для досягнення високої швидкості потрібно подрібнити колчедан, забезпечити високу швидкість обтікання частинки потоком і збільшити температуру проведення процесу. 2. Окислення діоксиду сірі 2SO2 + O2 ↔ 2SO2 + Q2 Тип процесу: оборотний, екзотермічний процес протікає із зменшенням об'єму T↓ → Pso2↓ → Тso2↓ → Xso2↑ Пониження температури обмежене температурою запалення каталізатора Тзаж.кат. = 430 °С Кисень береться з надміром 15-20% Vo2↑ → Po2↑ (Kp = const) → Pso2↓ → Xso2↑ Зменшення змісту SO3 Vso3↓ → Xso2↑ Це досягається системою подвійного контакту (ДКДА|). 3. Абсорбція SO3 SO3 + H2O ↔ H2SO4 + Q3 Гетерогенний процес газ – рідина. Процес протікає на поверхні розділу фаз. 1 – дифузія мол. SO3 до поверхні рідкої фази; 2 – абсорбція з протіканням хім|. реакції; 3 – дифузія мол. H2SO4 в рідину. Найповільніша стадія 1. Для досягнення високого ступеня уловлювання SO3 встановлюються 2 абсорбери. 1.7. КОНТАКТНЕ ОКИСЛЕННЯ SO2В SO3 Контактне окислення діоксиду сірки є типовим прикладом гетерогенного окислювального екзотермічного каталізу. Це один з найбільш вивчених каталітичних синтезів. У СРСР найбільш грунтовні роботи по вивченню окислення SO2 в SO3 і розробці каталізаторів були проведені Г.К. Бореськовим. Реакція окислення діоксиду сірі SO2 + 0,5 O2 = SO3 характеризується дуже високим значенням енергії активації і тому практичне її здійснення можливе лише у присутності каталізатора. У промисловості основним каталізатором окислення SO2 є каталізатор на основі оксиду ванадію V2O5 (ванадієва контактна маса). Каталітичну активність в цій реакції проявляють і інші з'єднання, перш за все платина. Проте, платинові каталізатори надзвичайно чутливі навіть до слідів миш'яку, селену, хлора і інших домішок і тому поступово були витиснені ванадієвим каталізатором. Реакція окислення діоксиду сірі – оборотна екзотермічна. Тепловий ефект реакції складає при 500 °С 94,23 кДж/моль; залежно від температури він описується рівнянням H = -101420+26бЕ Дж/моль. Швидкість реакції підвищується із зростанням концентрації кисню, тому процес в промисловості проводять при його надлишку. Оскільки реакція окислення SO2 відноситься до типу екзотермічних, температурний режим її проведення повинен наближатися до лінії оптимальних температур. На вибір температурного режиму додатково накладаються два обмеження, пов'язані з властивостями каталізатора. Нижньою температурною межею є температура запалення ванадієвих каталізаторів, складова залежно від конкретного виду каталізатора і складу газу 400 – 440 °С верхня температурна межа складає 600 – 650 °С і визначається тим, що вище за ці температури відбувається перебудова структури каталізатора, і він втрачає свою активність. У діапазоні 400 – 600 °С процесу прагнуть провести так, щоб у міру збільшення ступеня перетворення температура зменшувалася. Найчастіше в промисловості використовують поличні контактні апарати із зовнішнім теплообміном. Схема теплообміну припускає максимальне використання теплоти реакції для підігріву початкового газу і одночасне охолоджування газу між полицями. Одне з найважливіших завдань, що стоять перед сірчанокислотною| промисловістю, - збільшення ступеня перетворення діоксиду сірі і зниження його викидів в атмосферу. Це завдання може бути вирішене декількома методами. Один з найбільш раціональних методів рішення цієї задачі, повсюдно вживаної в сірчанокислотній| промисловості, - метод подвійного контакту і подвійної абсорбції (ДКДА|). Для зсуву рівноваги управо і збільшення виходу процесу, а також для збільшення швидкості процесу процес проводять по цьому методу. Його суть полягає в тому, що реакційну суміш, в якій ступінь перетворення SO2 складає 90 – 95%, охолоджують і направляють в проміжний абсорбер для виділення SO3. У реакційному газі, що залишився, співвідношення O2 : SO2 істотно підвищується, що приводить до зсуву рівноваги реакції управо. Знов нагрітий реакційний газ знову подають в контактний апарат, де на одном-двух| шарах каталізатора досягають 95% ступені перетворення SO2 суммарний, що залишився, ступінь перетворення SO2 складає в такому процесі 99,5% - 99,8 %. 2. Розрахункова частина 2.1. Початкові дані Продуктивність контактного апарату на 100% сірчану кислоту, т/ч 16,5 Концентрація в вихідному газі % об.: двоокису сірки 7,9 кисню 10,35 Ступінь перетворення двоокису сірки в контактному апараті 0,977 Тиск, атм|. 1,02 Температура на вході газу в контактний апарат, °С 440 2.2. Розрахунок першого ступеня контактного апарату Приймаємо контактний апарат, що працює за принципом подвійний контакт – подвійна абсорбція (ДКДА|). Рівняння реакції отримання сірчаної кислоти ,
. Маса три оксида азоту необхідна для отримання сірчаної кислоти: Об'єм три оксида сірі, який поступає на перший ступінь контактного апарату: Об'єм двоокису сірки: Загальний об'єм потоку, який поступає з печі випалення колчедану: Об'єм кисню: нм3/ч кг/ч φ,% ω,% SO2 3428,57 9795,92 7,90 15,79 O2 4764,38 6806,25 10,35 10,97 N2 36333,95 45417,44 81,75 73,23 Сума 44526,90 62019,61 100,00 100,00 Визначаємо константу рівноваги, яка залежить від температури. Ця залежність може бути виражена в системі СІ рівнянням Звідси витікає, що, і рівноважний ступінь перетворення при даному складі газу також залежить від температури. Оскільки в рівнянні рівноважного ступеня перетворення цей ступінь входить і у вираз для правої частини, то знайти рівноважний ступінь перетворення можна тільки шляхом послідовних наближень. Визначаємо константи рівноваги для температур від 400 до. 650 °C, зводячи розрахунок в таблицю, де lg К, розрахований по приведеній вище формулі. Температура °С Абсолютна температура, K Lg Kp КР| 400 425 435 440 450 475 500 525 550 575 600 610 625 650 673 698 708 713 723 748 773 798 823 848 873 883 898 923 0,1435 1,8824 1,0858 1,7346 1,6394 1,4127 1,2006 1,0018 2,8150 2,6393 2,4736 2,4100 2,3172 2,1692 1,392 0,7628 0,6589 0,5428 0,4359 0,2586 0,1587 0,1004 0,0653 0,0436 0,0298 0,0257 0,0208 0,0148 Визначаємо рівноважний ступінь перетворення Хр по формулі Розрахунок зводимо в таблицю температура, °С Кр Прийнятий ступінь контакту, Хр Одержаний ступінь контактуюван-ня, Хр 450 0,4359 0,97 0,96 475 0,2586 0,96 0.938 500 0,1587 0,95 0.904 525 0,1004 0,92 0.861 550 0,0653 0,87 0.809 575 0,0436 0,80 0.751 600 0,0298 0,73 0.685 610 0,0257 0,70 0.657 625 0,0208 0,65 0,62 650 0,0148 0,57 0.546 Об'ємні концентрації SO2 і O2 узяті з таблиці складу газу, що поступає в контактний апарат. Одержані дані по рівноважній кривій перетворення наносимо на графік X —t. Оптимальна температура для кожного ступеня контакту Xp Topt t opt 0,849 772 499 0,792 795 522 0,725 820 547 0,696 829 556 0,61 857 584 0,574 868 595 За одержаними даними для Хр і toпт будуємо графік X—t. На цей графік наносимо крапку, відповідну початковим умовам, тобто t = 440 °C і X =0. Визначаємо збільшення температури при окисленні двоокису сірі. Введемо позначення:
Q — тепло, що виділяється при окисленні двоокису сірі, кДж/час; mі — маса кожного газу, присутнього в суміші, кг/ч; mso2 — маса двоокису сірі, що поступає на окислення, кг/ч; q— питома теплота (окислення двоокису сірі, кДж/кг; tK — температура після повного окислення °C; tн — температура до окислення °C; сi- — середня теплоємність газів в суміші, кДж/кг-град; X — ступінь контакту. Ступінь контакту 1X = 0,81. Звідси кількість двоокису сірі, що окислюється в сірчаний ангідрид, буде 2mSO2 = 1mSO2 ∙1X = 9796∙0,81 = 7935 кг/ч. Кількість двоокису сірі в газі, що йде з першого шару 3 mSO2= 1mSO2 -2mSO2 = 9796 — 7935 = 1861 кг/ч. Кількість сірчаного ангідриду, що утворився в шарі. 2 mSO3=2mSO2 ∙=2mSO2 ∙ fSO3/SO2 = 7935∙1,2497 = 9916 кг/ч, де f so2/so3 — відношення молекулярних мас сірчаного ангідриду і двоокису сірі. Кількість кисню, що зв'язується з двоокисом сірі в сірчаний ангідрид 2 mO2= 2 mSO3 - 2 mSO2 = 9916 — 7935 = 1981 кг/ч. Кількість кисню, що залишається в газі 3 mO2 = 1 mO2 - 2 mO2 = 6806 - 1981 = 4825 кг/ч. Зведений матеріальний баланс першого шару Матеріальній баланс першого ступеня Прихід Витрата нм3/ч кг/ч по об'єм. ω Расход кг/ч м3/ч по мас. по об'єм. SO2 3428,57 9795,92 7,90 15,79 SO3 9915,99 2776,476 15,99 6,44 O2 4764,38 6806,25 10,35 10,97 SO2 1861,22 651,4286 3,00 1,51 N2 36333,95 45417,44 81,75 73,23 О2 4824,96 3377,473 7,78 7,83 N2 45417,44 36333,95 73,23 84,22 Сумма 44526,90 62019,61 100,00 100,00 Сумма 62019,61 43139,33 100,00 100,00 2.3. Тепловий баланс першого ступеня Перше наближення: температура на виході з шару 568 °C. Прихід тепла. Тепло газів, що поступають в шар: 1Q = (1mSO2∙1CSO2 + 1mO2∙1CO2 + 1mN2∙1CN2)∙1t, 1Q = (3429∙0,714+4764∙0,969 +36334∙1,063)∙440=24144560 кДж/ч Тепло, що виділяється при окисленні двоокису сірі 2Q = 2q • 2mso2 = 1481,8 • 7935 = 11757629 кДж/ч, де 2q — питоме тепло окислення при середній температурі в шарі (440 + 568): 2 = 504°С, кДж/кг. Загальний прихід тепла 1Q + 2Q = 24144560 + 11757629 = 35902189 кДж/ч. Витрата тепла. Тепло, що відноситься газами, що відходять 3Q = (3mSO3∙3CSO3 + 3mSO2∙3CSO2 + 3mO2∙3CO2 + 3mN2∙3CN2)∙3t, 3Q = (9916∙ 0,832 + 1861 ∙ 0,737 + 4825 ∙ 0,986 + 45417 ∙ 1,075) ∙ 568, 3Q = 35899295 кДж/ч Різниця між приходом і витратою 1Q + 2Q - 3Q = 35902189 – 35902189 = 2894 кДж/ч Отже, наближення достатнє точно. На графік X — t наноситься одержану крапку X — 0,81 і t = 568, сполучаємо її з крапкою X = 0 і t = 440. Тепловий баланс Прихід кДж/ч % Расход кДж/ч % З газами 24144560 67,25 з газами 35899295 99,99 Тепло реакції 11757629 32,75 невязка 2894 0,01 Сума 35902189 100,00 Сума 35902189 100,00 2.4. Розрахунок другого ступеня контактного апарату Газ з першого шару контакту поступає в проміжний теплообмінник, де охолоджується до температури 40°С, і далі поступає в абсорбцію колону, де три оксид сірки поглинається водою з утворенням сірчаної кислоти. Абсорбований газ знов поступає в проміжний теплообмінник, де в протитечії нагрівається до температури 380 °С.
Прихід на другий ступінь контактного апарату нм3/ч кг/ч φ ω SO2 1861,22 5317,78 3,57 7,71 O2 4824,96 6892,80 9,26 9,99 N2 45417,44 56771,80 87,17 82,30 Сума 52103,63 68982,39 100,00 100,00 Послідовність розрахунку аналогічна розглянутому в першій частині розрахунку. Визначаємо рівноважний ступінь перетворення Хр по формулі Розрахунок зводимо в таблицю. Температура, °С Кр Прийнята степінь контактування, Хр Получена степінь контактування, Хр 400 1,392 0,985 0,991 450 0,4359 0,97 0,972 475 0,2586 0,96 0,954 500 0,1587 0,95 0,928 525 0,1004 0,92 0,891 550 0,0653 0,87 0,844 575 0,0436 0,80 0,786 600 0,0298 0,73 0,719 610 0,0257 0,70 0,690 625 0,0208 0,65 0,646 650 0,0148 0,57 0,569 При розрахунку об'ємні концентрації SO2 і O2 узяті з таблиці складу газу, що поступає в контактний апарат. Одержані дані по рівноважній кривій перетворення наносимо на графік X — t. Оптимальна температура для кожного ступеня контакту Xp Topt t opt 0,98 679 406 0,849 782 509 0,792 805 532 0,725 828 555 0,696 837 564 0,61 863 590 0,574 873 600 За одержаними даними для Хр і toпт будуємо графік X—t. На цей графік наноситься крапка, відповідна початковим умовам тобто t = 380°C і X=0,81. Ступінь контакту 1X = 0,98. Отсюда - кількість двоокису сірі, що окислюється в сірчаний ангідрид, буде 5mSO2 = 4mSO2 ∙4X = 5318∙0,98 = 5211 кг/ч. Кількість двоокису сірі в газі, що йде з першого шару 6 mSO2= 4mSO2 -5mSO2 = 5318 — 5211 = 106 кг/ч. Кількість сірчаного ангідриду, що утворився в шарі. 5 mSO3=5mSO2 ∙=5mSO2 ∙ fSO3/SO2 = 5211∙1,2497 = 6513 кг/ч, де f so2/so3 — відношення молекулярних мас сірчаного ангідриду і двоокису сірі. Кількість кисню, що зв'язується з двоокисом сірі в сірчаний ангідрид 5 mO2= 5 mSO3 - 5 mSO2 = 6513 — 5211 = 1301 кг/ч. Кількість кисню, що залишається в газі 6 mO2 = 4 mO2 - 5 mO2 = 6893 - 1301 = 5592 кг/ч. Зведений матеріальний баланс другого шару Матеріальний баланс другого ступеня Прихід Витрата нм3/ч кг/ч ц щ Витрата кг/ч м3/ч по мас. по об'єм. SO2 1861,22 5317,78 3,57 7,71 SO3 6512,72 1823,562 9,44 3,56 O2 4824,96 6892,80 9,26 9,99 SO2 106,36 37,22449 0,15 0,07 N2 45417,44 56771,80 87,17 82,30 О2 5591,51 3914,056 8,11 7,65 Сума 52103,63 68982,39 100,00 100,00 N2 56771,80 45417,44 82,30 88,72 Сума 68982,39 51192,28 100,00 100,00 2.5. Тепловий баланс другого ступеня Перше наближення: температура на виході з шару 380°C. Прихід тепла. Тепло газів, що поступають в шар: 4Q = (4mSO2∙4CSO2 + 4mO2∙4CO2 + 4mN2∙4CN2)∙4t,
4Q = (5317∙0,704+6893∙0,961 +56772∙1,057)∙380=23927669 кДж/ч Тепло, що виділяється при окисленні двоокису сірки 5Q = 5q • 5mso2 = 1485 • 5211 = 7738971 кДж/ч, де 5q — питоме тепло окислення при середній температурі в шарі (440 + 568): 2 = 410°С, кДж/кг. Загальний прихід тепла 4Q + 5Q = 23927669 + 7738971 = 31666640 кДж/ч. Витрата тепла. Тепло, що відноситься газами, що відходять 6Q = (6mSO2∙6CSO2 + 6mSO2∙6CSO2 + 6mO2∙6CO2 + 6mN2∙6CN2)∙6t, 6Q = (6513 ∙ 0,8 + 106 ∙ 0,72 + 5592 ∙ 0,97 + 56772 ∙ 1,07) ∙ 440, 6Q = 31550791 кДж/ч Різниця між приходом і витратою 4Q + 5Q - 6Q = 31666640 – 31650791= 15849 кДж/ч Отже, наближення достатнє точно. На графік X — t наносимо одержану крапку X = 0,98 і t = 440, сполучаємо її з крапкою X = 0,81 і t = 380. Тепловий баланс Прихід кДж/ч % Витрата кДж/ч % З газами 23927669 75,56 з газами 31550791 99,95 Тепло реакції 7738971 24,44 нев'язність 15849 0,05 Сума 31666640 100,00 Сума 31666640 100,00 2.6. Розрахунок контактної маси в контактному апараті Кількість контактної маси в першому шарі. Об'єм контактної маси в робочому поляганні в шарі де vрабк.м — об'єм контактної маси в першому шарі в робочому стані, м3; с — коефіцієнт запасу; τ — секундний об'єм газів, що проходять через шар, нм3/сек; h — фіктивний час контакту, сек. Об'єм контактної маси при завантаженні в 1,1 рази більш робочого об'єму. Звідси Насипна вага кільцевої контактної маси в робочому стані dрабк.м = 600 кг/м3, а при завантаженні dзаск.м = 450 кг/м3. У апарат засипається Гідравлічний опір контактної маси першого шару. При внутрішньому діаметрі першого шару контактного апарату 5 м і відповідно площі перетину 19,03 м2 висота шару контактної маси рівна Лінійна швидкість газів в шарі при середній температурі шаруючи 504°С де ω — лінійна швидкість газу, м/сек; vчас — об'єм газу за нормальних умов, нм3/час; а — коефіцієнт об'ємного розширення, град-1; t — температура газу °C; F — площа перетину, м2; 3600 — коефіцієнт переходу від годин до секунд, сек/ч. Щільність газів де ρ — щільність газів в шарі, кг/м3; mчас — годинна маса газів, кг/ч. Гідравлічний опір шару: Кількість контактної маси в другому шарі. Об'єм контактної маси в робочому стані шару де vрабк.м — об'єм контактної маси в першому шарі в робочому стані, м3; с — коефіцієнт запасу; τ — секундний об'єм газів, що проходять через шар, нм3/сек; h — фіктивний час контакту, сек. Об'єм контактної маси при завантаженні в 1,1 разу більш робочого об'єму. Звідси Насипна вага кільцевої контактної маси в робочому стані dрабк.м. = 600 кг/ м3, а при завантаженні dзаск.м = 450 кг/ м3. У апарат засипається Гідравлічний опір контактної маси другого шару. При внутрішньому діаметрі першого шару контактного апарату 5 м і відповідно площі перетину 19,03 м2 висота шару контактної маси рівна Лінійна швидкість газів в шарі при середній температурі шару 504°С де ω — лінійна швидкість газу, м/сек; vчас — об'єм газу за нормальних умов, нм3/час; а — коефіцієнт об'ємного розширення, град-1; t — температура газу °C; F — площа перетину, м2; 3600 — коефіцієнт переходу від годинника до секунд, сек/ч. Щільність газів де ρ — щільність газів в шарі, кг/м3; mчас — годинна маса газів, кг/ч. Гідравлічний опір шару: 3. Охорона навколишнього середовища пов'язана з виробництвом сірчаної кислоти Основною сировиною для виробництва сірчаної кислоти, є сірка. Вона належить до найбільш поширених числу хімічних елементів на нашій планеті. Виробництво сірчаної кислоти відбувається в три стадії на першій стадії одержують SO2, шляхом випалення FeS2, потім SO3, після чого на третій стадії одержують сірчану кислоту.
Науково-технічна революція і пов'язане з нею інтенсивне зростання хімічного виробництва, викликає істотні негативні зміни в навколишньому середовищі. Наприклад, отруєння прісних вод, забруднення земної атмосфери, винищування тварин і птахів. В результаті мир опинився в лещатах екологічної кризи. Шкідливі викиди сірчанокислих заводів слід оцінювати не тільки по дії оксиду, що міститься в них, сірі на розташовані поблизу підприємства зони, але і враховувати інші чинники - збільшення кількості випадків респіраторних захворювань людини і тварин, загибель рослинності і придушення її зростання, руйнування конструкцій з вапняку і мрамуру, підвищення корозійного зносу металів.
У зоні до 300 км від джерела забруднення (SO2) небезпеку представляє сірчана кислота, в зоні до 600 км - сульфати. Сірчана кислота і сульфати уповільнюють зростання с/х культур. Закисляння водоймищ (навесні при таненні снігу), викликає загибель литок і молодих риб. Крім екологічного збитку в наявності економічний збиток - величезні суми щороку втрачаються при розкислювання грунтів. Розглянемо хімічні методу відчистки від найбільш поширених газоподібних забруднюючих повітря речовин. Відомо більше 60 методів. Найбільш перспективні методи, засновані на поглинання оксиду сірі вапняком, розчином сульфіту - гідросульфіта амонія і лужним розчином алюмінату натрію. Інтерес також представляють каталітичні методи окислення оксиду сірі у присутності оксиду ванадію. Особливе значення має очищення газів від фторомістних| домішок, які навіть в незначній концентрації шкідливо впливають на рослинність. Якщо в газах міститься фтороводень| і фтор, то їх пропускають через колони з насадкою протитечією по відношенню до 5-10% розчину гідроксиду натрію. У перебігу однієї хвилини протікають наступні реакції: F2+2NaOH → O2+H2O+2NaF HF+NaOH → NaF+H2O; Фторид натрію, що утворюється, обробляють для регенерації гідроксиду натрію: 2NaF+CaO+H2O → CaF2+2NaOH 3.1 Розрахунок економічного збитку від забруднення навколишнього середовища Економічній збиток від забруднення навколишнього середовища (Y) складається зі збитків за окремі елементи: Yа – збиток від забруднення атмосфери Yв – збиток від забруднення води Yп – збиток від забруднення грунту Величина збитку від забруднення атмосфери визначається за формулою: Уа = α · ß · γа · Μа де α - коеф., що враховує розташування джерела викиду; ß-коеф., що враховує наведену висоту викиду; γа-питомий збиток від викиду забруднювача в атмосферу, грн/ч; Μа - маса викиду в атмосферу, кг/ч; Μа = 9796 ∙ 0,023 = 225,308 кг/ч Yа = 2 ∙ 0,7 ∙ 0,16 ∙ 225,308 = 50,468995 грн/ч Економічній збиток від забруднення навколишнього середовища Y = 50,468995 + 0 + 0 = 50,468995 грн/ч Література 1. Учебник для химико-технологических специальностей ВУЗов под редакцией проф. И.П. Мухленова. Общая химическая технология. Часть 2 « Важнейшие химические производства». Москва «Высшая школа»1984. 2. А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. Общая химическая технология. Издание второе исправленное и дополненное. Москва «Высшая школа» 1990. 3. П. В. Дыбина, А. С. Соловьева, Ю. И. Вишняк. Расчеты по технологи неорганических веществ. Москва «Высшая школа» 1967.