Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский Государственный Экономический Университет
Кафедра технологий
Индивидуальная работа
На тему: “Производства серной кислоты”
Минск 2009
1. Производство серной кислоты
1.1 Свойства и области использования серной кислоты
Производство серной кислоты — одной из самых сильных и дешевых кислот — имеет важное народнохозяйственное значение, обусловленное ее широким применением в различных отраслях промышленности.
Безводная серная кислота (моногидрат) — тяжелая маслянистая жидкость (плотность при 20 °С 1830 кг/м3; температура кипения 296,2 °С при атмосферном давлении; температура кристаллизации 10,45 °С). Она смешивается с водой в любых соотношениях со значительным выделением теплоты (образуются гидраты). В серной кислоте растворяется оксид серы. Такой раствор, состав которого характеризуется содержанием свободного SО3(100%-я H2SO4), называется олеумом.
Серная кислота используется для производства удобрений — суперфосфата, аммофоса, сульфата аммония и др. Значителен ее расход при очистке нефтепродуктов, а также в цветной металлургии, при травлении металлов. Особо чистая серная кислота используется в производстве красителей, лаков, красок, лекарственных веществ, некоторых пластических масс, химических волокон, многих ядохимикатов, взрывчатых веществ, эфиров, спиртов и т. п.
Производится серная кислота двумя способами: контактным и нитрозным (башенным). Контактным способом получают около 90 % от общего объема производства кислоты, так как при этом обеспечивается высокая концентрация и чистота продукта.
1.2 Сырье для производства серной кислоты
В качестве сырья для производства серной кислоты применяются элементарная сера и серный колчедан; кроме того, широко используются серосодержащие промышленные отходы.
Серный колчедан характеризуется содержанием серы 35...50 %. В залежах серного колчедана часто присутствуют сульфидные руды, которые используются в производстве цветных металлов (Си, Zn, Pb и др.).
Сульфидные руды подвергаются обжигу, в процессе которого образуются сернистые газы, используемые для производства серной кислоты. В настоящее время сырьем для ее производства служат сероводородные газы, образующиеся при переработке нефти, коксовании углей, а также получаемые при очистке природного газа.
Наиболее просто производство серной кислоты из серы, выделяемой из самородных руд или из побочных продуктов ряда производств (газовой серы). Однако стоимость кислоты, получаемой из серы, выше, чем из колчедана. Кроме того, сера необходима
для производства резины, спичек, сероуглерода, ядохимикатов, лекарственных препаратов и т. д.
На современном этапе обеспечение промышленности серосо-держащим сырьем предусматривается за счет разработки природной и получения попутной серы. В цветной и черной металлургии, газовой и нефтехимической промышленности серу получают из газоконденсатов. Поэтому увеличивается выпуск флотационного колчедана на предприятиях цветной металлургии.
Разрабатывается технология переработки новых видов сырья: сульфатизирующий обжиг коллективного сульфидного концентрата Соколовско-Сарбайского комплекса и обжиг некондиционного колчедана.
1.3 Технология производства серной кислоты контактным способом
Производство серной кислоты контактным способом включает четыре стадии: получение диоксида серы; очистку газа от примесей; получение триоксида серы; абсорбцию триоксида серы.
Первая стадия связана с получением диоксида из колчедана, который обжигают в печах, где протекает необратимая реакция
4FeS2+llO2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + Q.
Ускорение этой реакции, а следовательно, интенсификация процесса обеспечивается тонким измельчением сырья, тщательным его перемешиванием и избытком воздуха или обогащением воздуха кислородом.
Измельченный серный колчедан обжигают в печах механических полочных, пылевидного обжига и со взвешенным (кипящим) слоем колчедана (рис. 2.1.). Последние печи более эффективны.
Образующийся при обжиге колчедана огарок характеризуется содержанием железа до 50 % и после соответствующей подготовки может быть использован для производства чугуна. Из 1 т колчедана получается 0,72...0,75 т огарка.
Печные газы, получаемые при обжиге колчедана, содержат много пыли, для улавливания которой применяют циклоны и электрофильтры (вторая стадия производства серной кислоты). В циклонах пыль оседает под действием центробежных сил. Электрофильтры представляют собой конденсаторы высокого напряжения (60000… 70000 В). Запыленный газ проходит между пластинами электрофильтра, где пылинки заряжаются и оседают на противоположно заряженных пластинах. При встряхивании пластин осевшая пыль падает в бункер электрофильтра, из которого затем удаляется.
В электрофильтрах газ очищается до остаточного содержания пыли примерно 0,2 г/м3, чего вполне достаточно для переработки сернистых газов в серную кислоту нитрозным способом. Контактный способ требует более тщательной очистки не только от пыли, но и от газообразных примесей «отравляющих» катализатор, использующийся при окислении доксида серы.
Обжиговый газ после пылеочистки в электрофильтрах имеет температуру около 350 °С и содержит остатки пыли, а также газообразные примеси соединений мышьяка (As2O3), селена (SeO2) и других элементов, способные разрушать катализатор и снижать
/>/>
Рис. 2.1. Печь для обжига колчедана в кипящем слое
Колчедан, его активность
Примеси селена целесообразно извлекать из газа и как необходимый промышленности материал. Для очистки газа предусматривается система промывных башен, электрофильтров и сушильных башен. Третья стадия производства серной кислоты является основной. Сухой очищенный газ поступает на контактное окисление SO2 до S03, которое происходит по обратимой экзотермической реакции, протекающей с уменьшением объема газа:
Равновесие данной реакции сдвигается в сторону образования SO3 при снижении температуры и увеличении давления газовой среды. Однако, поскольку в обжиговом газе концентрация сернистого газа и кислорода невелика (содержание балластного азота в газе превышает 80%), увеличение давления в сернокислотном производстве нецелесообразно, в связи с чем основным регулятором равновесия реакции окисления сернистого газа является температура.
Скорость процесса окисления SO2 при отсутствии катализатора даже при высоких температурах мала.
На сернокислотных заводах нашей страны в качестве катализатора используют главным образом ванадиевые контактные массы с содержанием V205 примерно 7 %, а также включающие оксиды щелочных металлов и высокопористые алюмосиликаты в качестве носителя.
Для достижения максимальной скорости окисления SO2 в SO3 процесс следует начинать при температуре около 600 °С и заканчивать при 400 °С. Конструкции современных полочных контактных аппаратов обеспечивают эти условия. При тщательной очистке газа контактная масса сохраняет активность на протяжении нескольких лет. Самая высокая активность катализатора и выгодные температурные условия процесса катализа достигаются в аппаратах со взвешенным (кипящим) слоем.
Контактное отделение (рис. 2.2) включает трубчатый теплообменник 6 и контактный аппарат 7. Сухой и холодный очищенный газ подается турбокомпрессором 5 в межтрубное пространство теплообменника 6 для предварительного нагрева. Подогретый газ, проходя между трубками теплообменников, расположенных в контактном аппарате между полками с контактной массой, нагревается до 450 °С и поступает на верхний слой катализатора, где 70...75 %
/>
Рис. 2.2. Схема производства серной кислоты контактным способом: 1, 2—промывные башни (полая и с насадкой); 3 — электрофильтр; 4 — башня с насадкой; 5 — турбокомпрессор; 6 — теплообменник; 7 — контактный аппарат; 8 — холодильный; 9 — башня для абсорбера; 10 — башня для орошения; 11 — кислотный холодильник; 12 — сборник; 13 -центробежный насос
Олеум в результате реакции теплоты температура газа повышается до 590...600 °С. Затем газ направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 450...490 °С. Охлажденная смесь SO2 + SO3 подается через второй слой катализатора, на котором продолжается дальнейшее окисление SO2 в SОз. Обычно газ проходит через 3...5 решетчатых полок с контактной массой и расположенными между ними теплообменниками, в результате чего 97...98 % SO2 превращается в SОз. Окисленный газ, имеющий при выходе из контактного аппарата температуру 400...430 °С, поступает в теплообменник 6, где охлаждается до 200 °С, а затем в холодильник 8, где его температура снижается до 60...80 °С. Автотермичность процесса окисления SO2 в SОз 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 превращается в пар) с образованием мельчайших капелек кислоты (тумана), который очень трудно улавливается. Поэтому SОз поглощается концентрированной серной кислотой в две стадии.
Значение:
1-Тонкое измельчение.
2-Обжиг.
3-Улавливание пыли электрофильтрами.
4-Очистка газа в системе промывных башен электрофильтров и сушильных башен.
5-Нагрев.
6-Прохождение через первый слой катализатора (V2O5).
7-Охлаждение во внутреннем теплообменнике.
8-Прохождение через второй слой катализатора.
9-Охлаждение в теплообменнике до 2000.
10-Охлаждение в холодильнике.
11-Поглощение (SO3) концентрированной серной кислотой в две стадии.
/>
2. Динамика трудозатрат при развитии технологического процесса
Тж=200/(9t+210)
Тп=0,03t+0,7
/>
Исходя из графика можно прийти к выводу, что развитие технологического процесса идёт по ограниченному пути.
2.1 Характер развития технологического процесса
Выражение Тж./Тп. с течением времени имеет тенденцию к уменьшению, следовательно процесс развития носит трудосберегающий характер.
2.2 Тип отдачи
Этапы расчёта:
Тп=0,03t+0,7
t =100(Тп-0,7)
Тж.=200/(9(100(Тп-0,7)/3)+210)=200/300Тп
(Тж.f(Тп))¢=(200/300Тп)¢= -1/Тп2
|Тж.f(Тп)|¢= 1/Тп2
При возрастающем Тп, Тж убывает, следовательно тип отдачи убывающий.
2.3 Экономический предел накопления прошлого труда
Этапы расчёта:
Тс.=Тж.+Тп.
Тс.¢=(Тж.+Тп.)¢=(200/(9t+210))¢+(0.03t+0.7)¢= -1800/(9t+210)2+0.03 --PAGE_BREAK--
Тс.=0
-1800/(9t+210)2+0.03=0
1800=0.03(9t+210)2
60000=(9t+210)2
81t2+3780t+44100=60000
27t2+1260t-5300=0
D=2160000
t1
t2=(-1260+√2160000)/54≈3.88
t*≈3.88
Тп.= 0,03t+0,7=0.03∙3.88+0.7=0.816
3.Уровень технологического процесса
L=1/Тж.
B=Тп./Тж.
У=(1/Тж.)(1/Тп.)
У*=У/L=1/Тп.
Этапы расчёта:
при t=3
L=1,185
B=0,936 У=1,5
У*=1,265
У*>L => Рационалистическое развитие целесообразно.
4. Технологический процесс
4.1 Пооперационная структура технологического процесса производства серной кислоты
/>
4.2 Структура операции производства серной кислоты
/>
4.3 Структура технологического перехода производства серной кислоты
/>
4.4 Прогрессивные способы и перспективы развития производства серной кислоты
Процесс получения серной кислоты контактным способом значительно упрощается, если в качестве сырья для получения SO применять серу, почти не содержащую мышьяка, или сероводород, получаемый при очистке горючих газов и нефтепродуктов. При использовании в качестве сырья выплавленной серы процесс производства серной кислоты включает три стадии: сжигание серы в форсуночных печах; окисление диоксида серы в триоксид в контактных аппаратах; абсорбцию триоксида серы.
Способ получения серной кислоты из сероводорода называется мокрым катализом и состоит из следующих основных этапов: 1) сжигания сероводорода (2H2S + 302-»2H2O + 2SO2); 2) окисления SO2 в SОз в присутствии ванадиевого катализатора и водяных паров, в результате чего образуется серная кислота в виде паров: 3) конденсации серной кислоты при охлаждении паров.
Установка для получения серной кислоты по методу мокрого катализа включает печь для сжигания сероводорода, контактный аппарат для окисления SO2 в SОз и башню с насадкой для конденсации образующихся паров кислоты. Такие установки строят на нефтеперерабатывающих заводах и других предприятиях, вырабатывающих в качестве отходов сероводородные газы.
Промышленность выпускает техническую, аккумуляторную и реактивную серную кислоту. Эти виды кислоты отличаются по назначению и содержанию основного компонента и примесей.
В настоящее время производительность типовых технологических линий по производству серной кислоты контактным способом составляет 180 тыс. т в год. Замена их линиями мощностью 360 тыс. т кислоты в год позволяет снизить удельные капитальные затраты на ее производство на 30 %, а себестоимость продукции на 20%.
В значительной степени удельные капитальные затраты определяются видом сырья: если при использовании природной серы их принять за 100 %, то при использовании сероводорода они составят 108%, отходящих газов — 167, колчедана — 208%. Увеличение удельных капитальных затрат обусловлено главным образом затратами на сооружение очистных отделений. Дальнейшее совершенствование очистных операций обусловливает снижение материалоемкости оборудования и уменьшение капитальных затрат на производство серной кислоты.
Перспективными в отношении улучшения технико-экономических показателей производства серной кислоты являются системы сухой очистки газа. Классический контактный способ ее производства включает ряд противоположных процессов: горячий обжиговый газ охлаждается в очистном отделении, затем вновь нагревается в контактном; в промывных башнях газ увлажняется, в сушильных — тщательно осушается. В СССР на основе научных исследований создан новый процесс производства серной кислоты — сухая очистка (СО). Основная особенность процесса СО состоит в том, что после очистки от пыли горячий обжиговый газ без охлаждения, промывки и сушки направляется непосредственно в контактный аппарат. Это обеспечивается таким режимом работы обжиговых печей со взвешенным (кипящим) слоем колчедана, при котором значительная часть соединений мышьяка адсорбируется огарком. Таким образом, вместо четырех этапов классического процесса СО включает только три, за счет чего капиталовложения снижаются на 15...25 %, себестоимость серной кислоты — на 10...15%.
Намечено увеличение мощностей действующих и строящихся предприятий по производству серной кислоты контактным способом при небольших дополнительных затратах. Это будет достигнуто за счет повышения концентрации SO2 в перерабатываемых газах, а также внедрения короткой схемы при переходе с обжига колчедана на сжигание серы. В целях совершенствования аппаратурного оформления процесса разработан контактный аппарат с параллельными слоями катализатора (металлоемкость его стала ниже на 25 %). Применение кожухотрубных холодильников с анодной защитой позволит продлить срок их службы до 10 лет.
Технология производства серной кислоты нитрозным способом обновляется за счет совершенствования башенных систем. Расчеты показывают, что по сравнению с контактным способом переработки газов, полученных при обжиге колчедана в воздухе, при нитрозном способе и установке аналогичной мощности (180 тыс. т в год) капитальные затраты снижаются на 43,6 %, себестоимость переработки сернистых газов — на 45,5, приведенные затраты — на 44,7 и трудоемкость — на 20,2 %.
Крупные потребители серной кислоты должны производить ее на своих предприятиях вне зависимости от ведомственной принадлежности; это позволит в 3 раза сократить загрузку железнодорожного транспорта и потребность в цистернах.
Увеличится использование в производстве минеральных удобрений отработанных серных кислот после их очистки и регенерации.