Производство серной кислоты и взаимодействие серы с другими элементами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Описание существующих способов производства серной кислоты

1.1 Производство серной кислоты нитрозным способом

1.2 Производство серной кислоты контактным способом из жидкой серы

1.3 Описание технологическоко процесса производства серной кислоты из жидкой по короткой схеме

2 Химические реакции, лежащие в основе процесса, стадии производства серной кислоты из жидкой серы методом двойного контактирования и двойной абсорбции

2.1 Сжигание жидкой серы

2.2 Окисление диоксида серы до триоксида на ванадиевом катализаторе

2.3 Химическое взаимодействие поглощенного триоксида серы с водой

3 Назначение сушильно- абсорбционного отделения

3.1 Работа сушильно - абсорбционного отделения, материальные потоки и движения сред

1. Описание существующих методов производства серной кислоты

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце XIX и начале XX. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение диоксида серы при сжигании сернистого сырья. После очистки диоксида серы (особенно в контактном методе) ее окисляют до триоксида серы, который соединяется с водой с получением серной кислоты. Окисление SO₂ в SO₃ в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

1.1 Производство серной кислоты нитрозным способом

В нитрозном способе катализатором служат оксиды азота. Окисление SO₂ происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой. Поэтому нитрозный способ по аппаратному признаку называют башенным. Сущность башенного способа заключается в том, что газ, полученный при сжигании сернистого сырья и содержащий примерно 9% SO₂ и от девяти до десяти %O₂, очищается от частиц колчеданного огарка и поступает в башенную систему, которая состоит из нескольких (четырех - семи) башен с насадкой. Башни с насадкой работают по принципу вытеснения при политермическом режиме. Температура газа на входе в первую башню около 350. В башнях протекает ряд абсорбционно-десорбционных процессов, осложненных химическими превращениями. В первых двух - трех башнях насадка орошается нитрозой, в которой растворенные оксиды азота химически связанны в виде нитрозилсерной кислоты

При нитрозном способе сернистый ангидрид окисляют окислами азота N₂O₂ и NO₂, которые являются передатчиками кислорода; при этом сами они восстанавливаются до окиси азота NO которая вновь окисляется кислородом воздуха до NO₂, и возвращается обратно на окисление SO₂ .

Существенным недостатком нитрозного способа является неполный возврат окислов азота обратно в процесс: часть их теряется с газами, выбрасываемыми в атмосферу. Эти потери восполняются вводом в сернокислотную установку азотной кислоты HNO₃, которая разлагается, образуя окислы азота, эти системы малоинтенсивны, громоздки, съем серной кислоты обычно не превышает 10 кг/м³ в сутки, кислота получается разбавленной (содержит около 65% H₂SO₄). На строительство камер расходуется много свинца, однако в ряде стран камерные системы продолжают эксплуатировать.

Башенные системы отличаются от камерных применяемой аппаратурой (башни вместо камер) и некоторыми особенностями течения реакции окисления сернистого ангидрида окислами азота.

Выброс окислов азота в атмосферу приводит к тому, что условия труда и жизни рабочих на территории завода и в прилегающей к нему местности становятся в санитарно-гигиеническом отношении недопустимыми. Поэтому строительство новых башенных систем сейчас у нас прекращено до тех пор, пока не будет возможно более полное улавливание окислов азота и возврат их, обратно в процесс.

1.2 Производство серной кислоты контактным способом из жидкой серы

В процессе производства серной кислоты из жидкой серы применен метод двойного контактирования и двойной абсорбции. Сущность состоит в том, что после первой ступени окисления сернистого ангидрида в серный, технологический газ выводится из контактного аппарата на абсорбцию образовавшегося серного ангидрида (SO₃), а затем опять направляется на окисление оставшегося в газе сернистого ангидрида (SO₂) на вторую ступень окисления, после чего вновь направляется на абсорбцию.

Процесс получения серной кислоты методом двойного контактирования с промежуточной абсорбцией состоит из следующих стадий:

1. Прием и фильтрация жидкой серы.

2. Осушка атмосферного воздуха концентрированной серной кислотой.

3. Сжигание жидкой серы в атмосфере сухого воздуха и утилизация тепла с получением технологического пара.

4. Окисление сернистого ангидрида до серного на ванадиевом катализаторе.

5. Абсорбция серного ангидрида.

6. Водооборотное снабжение.

1.3 Описание технологического процесса производства серной кислоты из жидкой серы по короткой схеме

После разогрева жидкой серы до температуры плавления 112,8 -- 119,3 C⁰ доводят до легкоподвижную состояния с малой вязкостью 150 C⁰ ее сливают из железнодорожных цистерн в промежуточные сборники, из сборников погружными насосами перекачивается на узел фильтрации. Где фильтруется от крупных механических частиц, углерода, зола, так как загрязняющие примеси отлагаются на поверхности змеевиков, ухудшая условия теплопередачи, и могут забивать форсунки. Для сжигания серы в сернокислотном производстве применяются печи различных конструкций. Наиболее совершенны и производительные печи для сжигания серы в распылённом состоянии форсуночно - циклонная.

Форсуночная печь представляет собой стальной горизонтальный цилиндр (диаметр 3,4 м, длин 10,5 м), футерованный огнеупорным кирпичом. Расплавленная сера подается на четыре рабочие форсунки, расположенные в торцевой части печи.

Основное количество воздуха из воздуходувки под давлением подается в сушильную башню, где происходит осушка атмосферного воздуха орошаемого серной кислотой. Уже осушенный воздух подается в торцевую часть печи у форсунки; дополнительное количество воздуха (вторичный) вводится через отверстия в стенке печи. Для розжига печи служат нефтяная или газовая форсунки, расположенные под форсунками для серы. При высокой температуре в печи сера загорается, при этом образуется факел горящей серы. Горение паров серы происходит во всем объеме печи и при её нормальной работе заканчивается в камерах, образованных перегородками, куда также дополнительно подается воздух.

Обжиговый газ, выходящий из циклонной печи с высокой температурой в котле -- утилизаторе проходит через змеевики и охлаждается до 400C⁰, и затем поступает в контактный аппарат.

Степень превращения SO₂ в SO₃ является одним из основных показателей работы контактных сернокислотных систем. Этот показатель характеризует общую культуру производства, так как только при четкой и бесперебойной работе всех отделений сернокислотного завода обеспечиваются высокие степени превращения в течение длительного времени. Окисление на ванадиевом катализаторе происходит в контактном аппарате в две стадии после первого, второго, третьего слоев и промежуточных теплообменников.

Далее газ попадает в сушильно-абсорбционное отделение( его подробная работа изложена ниже). Соответственно после абсорбции и разбавления концентрированной серной кислоты, продукционная H₂SO₄ подается на станцию разбавления, откачки и транспортировки кислоты(склад кислоты).

Водооборотная система предназначена для охлаждения и подачи оборотной воды в кожухотрубчатые холодильники сушильно-абсорбционного отделения для охлаждения кислоты.

Водооборотный цикл состоит из: градирни(в комплекте с вентиляторной установкой с мотор-редуктором) и коммуникации.

Нагретая в кожухотрубчатых холодильниках САО оборотная вода под остаточным напором подается на вентиляторную градирню, где по напорным трубам водораспределительной системы она равномерно распределяется по секциям и через блочные оросительные устройства сверху подается на оросители. Мелкие капли и брызги воды стекают в чашу градирни сверху вниз.

В результате контакта водных брызг с воздухом и частичного их испарения, происходит охлаждение воды. После этого охлажденная оборотная вода собирается в чаше градирни, откуда самотеком поступает в коллектор.

Далее центробежными насосами (находящимися в здании ВОС) охлажденная оборотная вода подается в цех на кожухотрубчатые холодильники САО.

2. Химические реакции, лежащие в основе процесса, стадии производства серной кислоты из жидкой серы методом двойного контактирования и двойной абсорбции

2.1 Сжигание жидкой серы

S(жид.) + О₂(газ.) = SО₂(газ)

Данная реакция протекает с выделением тепла. Процесс горения жидкой серы в атмосфере воздуха зависит от условий обжига (температуры, скорости газового потока), от физико-химических свойств (наличия в ней зольных и битумных примесей и др.) и состоит из отдельных последовательных стадий:

- смешение капель жидкой серы с воздухом;

- прогрев и испарение капель;

- образование газовой фазы и воспламенение газовой серы;

- горение паров в газовой фазе.

Перечисленные стадии неотделимы друг от друга, протекают одновременно и параллельно. В результате прогрева капли серы испаряются, пары серы диффундируют к зоне горения, где при высокой температуре активно взаимодействуют с кислородом воздуха. Происходит процесс диффузионного горения серы с образованием двуокиси серы. При высоких температурах скорость окисления серы выше скорости физических процессов испарения и диффузии. Поэтому общая скорость реакции определяется процессами массо- и теплообмена.

При сжигании серы получается газ тем концентрированней, чем выше его температура. На практике получение концентрированного газа ограничивается тем, что при температуре выше 1300 С разрушается футеровка циклонных топок и газоходов, а также при этой температуре образуются окислы азота, которые являются нежелательными примесями в газе, идущем на дальнейшую переработку. Поэтому сжигание серы осуществляется при температуре не более 1170 °С с избыточной подачей воздуха в циклонные топки.

серная кислота сушильный абсорбционный

2.2 Окисление диоксида серы до триоксида серы на ванадиевом катализаторе

Процесс окисления диоксида серы протекает по реакции:

SО₂ + Ѕ О₂ ? SО₃

Процентное соотношение количества окисленного диоксида серы (SО₂) к первоначальному его общему количеству в газе называют степенью превращения (конверсии) или процентом окисления (контактирования). Реакция окисления SО₂ в SО₃ экзотермична (т.е. протекает с выделением тепла) и обратима.

В производственных условиях большое значение имеет скорость реакции окисления, на которую влияют давление, активность катализатора, состав газа, температура. Так как реакция экзотермична, то понижение температуры смещает равновесие реакции в сторону образования SО₃, т.е. ведет к повышению равновесной степени превращения. В то же время, скорость процесса контактирования находится в прямо пропорциональной зависимости от константы скорости реакции, которая с повышением температуры увеличивается. Таким образом, скорость процесса окисления SО₂ в SО₃ зависит от двух величин, одна из которых с повышением температуры увеличивается, а другая уменьшается. Поэтому, при различном составе газа оптимальные температуры процесса окисления неодинаковы.

Механизм окисления диоксида серы в триоксид в этом случае следующий: активным комплексом в ванадиевой контактной массе является соединение пятиокиси ванадия с пиросульфатом калия V₂О₅·К₂S₂О₇, которое при температуре выше 380 °С находится в виде расплава на поверхности пористого носителя. Диоксид серы и кислород абсорбируемые поверхностью катализатора и растворенные в расплаве взаимодействует с пятиокисью ванадия при последовательном протекании следующих реакций:

V₂О₅ + SО₂ = V₂О₄ + SО₃

V₂О₄ + Ѕ О₂ = V₂О₅

С течением времени активность ванадиевого катализатора снижается, поэтому для достижения максимальной степени превращения постоянно повышают температуру на входе во все слои контактного аппарата.

2.3 Химическое взаимодействие поглощенного триоксида серы с водой

n SО_{3 (газ)} + Н₂О _(жидк.) = Н₂SО₄ + (n - 1)SО₃

В зависимости от количественного соотношения воды и триоксида серы получается серная кислота различной концентрации. При n > 1 образуется олеум, при n = 1 - моногидрат, при n < 1 - водный раствор серной кислоты, т.е. разбавленная серная кислота.

Полнота абсорбции зависит от концентрации и температуры кислоты, от равномерного орошения насадки абсорберов.

3. Назначение сушильно - абсорбционного отделения

Сушильно - абсорбционное отделение предназначено для осушки атмосферного воздуха концентрированной серной кислотой и абсорбции серного ангидрида серной кислотой. С дальнейшим выводом продукционной серной кислоты.

3.1 Работа сушильно - абсорбционного отделения

Воздух перед подачей в циклонные топки энерготехнологического котла, в которых сжигается сера, подвергается тщательной осушке от содержащейся в нем влаги в сушильной башне. При поглощении паров воды серной кислотой выделяется большое количество тепла, вследствие чего кислота нагревается и частично испаряется. Пары кислоты, смешиваясь с более холодным воздухом, поступающим на осушку, конденсируются с образованием тумана. Присутствие тумана серной кислоты в технологическом газе недопустимо.

Заключительная стадия процесса получения серной кислоты контактным способом является абсорбция триоксида серы из проконтактированного газа серной кислотой. Поглощение триоксида серы (SO₃) осуществляется в башнях (абсорберах). Полнота абсорбции зависит от концентрации и температуры кислоты, от равномерного орошения насадки абсорберов. Для равномерного распределения орошающей кислоты в верхней части над насадкой подвешиваются система из восьми желобов, сливные трубки которых касаются основной насадки и присыпаны слоем более мелкой насадки. Триоксид серы полнее всего поглощается 98,3 %-ой кислотой. При меньшей или большей концентрации серной кислоты ее способность поглощать SО₃ ухудшается.

Абсорбция триоксида серы осуществляется в двух абсорбционных башнях. Конструкция абсорбционной башни совмещает абсорбционный процесс и очистку технологического газа от брызг и тумана серной кислоты в одном корпусе.

Над системой орошения установлен демистер, предназначенный для улавливания брызг кислоты, увлекаемых потоком воздуха. Демистер изготовлен из углеродистой стали. В цилиндрической части его установлены патроны, кислотоупорным волокном. Газ поступает в нижнюю часть абсорбера под насадку, противотоком орошающая кислота поступает на насадку, равномерно распределяясь. Поглощение триоксида серы сопровождается выделением тепла. В результате чего, а также за счет тепла поступающего газа, температура орошающей серной кислоты повышается с одновременным возрастанием ее концентрации. Выходящие из сушильной башни и первого моногидратного абсорбера потоки кислоты поступают в смесительный коллектор(гидрозатвор), смешиваются кислотой, выходящей из сушильной башни. Далее кислота по переточному кислотопроводу подается в объединенный сборник.

Из обьединенного сборника кислота с температурой 80…90 °С погружным насосом подается в кожухотрубные холодильники цикла первого моногидрата работающие параллельно, где охлаждается до температуры 65…75 °С. Охлаждение кислоты в холодильниках производится оборотной водой с температурой не более 28 °С (летом), не менее 10 °С (зимой) и рН 6,0…9,0.

Далее часть кислоты направляется в объединенный сборник где разбавляется кислотой цикла смешения, а часть отводится на установку смешения.

После второй ступени контактирования пройдя экономайзер и пароперегреватель первой ступени газ с температурой 135…160 °С поступает на вторую ступень абсорбции во 2-ой моногидратный абсорбер

для поглощения SО₃ серной кислотой с массовой долей моногидрата 98,5…99,5 %. Абсорбция триоксида серы сопровождается выделением тепла и повышением концентрации орошающей кислоты. Устройство и принцип работы второго моногидратного абсорбера аналогичны первому моногидратному абсорберу и сушильной башне. Из 2-го моногидратного абсорбера кислота с температурой не более 85 °С поступает в циркуляционный сборник (сборник цикла второго моногидрата) футерованный кислотоупорными материалами, где разбавляется серной кислотой из цикла смесительной установки. Из сборника кислота погружным насосом подается в кожухотрубчатые холодильники охлаждаемые оборотной водой.

После кожухотрубчатых холодильников кислота с температурой 65…75 °С поступает в желоба системы орошения 2-й абсорбционной башни. Избыток серной кислоты из цикла 2-ого моногидратного абсорбера направляется в объединённый сборник .

Температура на орошение абсорберов регулируется байпасированием части кислотного потока мимо холодильников.

Брызги кислоты из технологического газа улавливаются в брызгоуловителе патронного типа. Брызгоулавители установлены после башен цикла 1-го и 2-го моногидрата. В качестве фильтрующего материала используются фильтроэлементы каплеулавливания. Брызги кислоты, проходя через фильтровальный материал, задерживаются и после насыщения ими ткани стекают на перегородку и по дренажам - на дно брызгоуловителя. Собравшаяся кислота выводится из брызгоуловителя и поступает обьединенный сборник второго моногидрата.

Для получения продукционной кислоты в сушильно-абсорбционном отделении имеется установка смешения.

Избыточная кислота с массовой долей моногидрата 98,3…98,9 % поступает в струйные смесители из кислотопровода сушильной башни куда одновременно, поступает вода из напорного бака. Струйные смесители смонтированы на крышке сборника смешения. На крышке сборника смонтирован погружной насос производительностью 1000 м³/ч. В процессе разбавления температура кислоты в сборнике повышается. С целью съема избыточного тепла кислота с температурой не более 70 С погружным насосом подается на охлаждение в два параллельно установленных кожухотрубчатых холодильника. Холодильники охлаждаются оборотной водой.

Часть серной кислоты с массовой долей Н₂SО₄ 93…96 % после холодильников цикла смешения отводится в отделение приема, хранения и транспортировки серной кислоты и олеума, а часть на разбавление кислоты в объединенном и сборнике 2-го моногидрата.

Уровень в сборнике смешения регулируется автоматически регулирующим клапаном, установленным на продукционном кислотопроводе от кожухотрубчатых холодильников цикла смешения.

В случае разгерметизации холодильников САО происходит закисление оборотной воды. Нейтрализация оборотной воды до рН 6,0…9,0 производится в водооборотной системе.

Список используемой литературы

1. Технологический регламент производства серной кислоты из жидкой серы, третья технологическая система (СК-650) 155 045-ТР-036 2011

2. Амелин А.Г. , Технология серной кислоты, Москва: Химия, 1971.

3. Справочник сернокислотчика под редакцией К.М. Малина - Москва; Химия, 1971.

4. Фиалко, Г.М. Автоматизация производства серной кислоты / Фиалко. - М.; Химия, 1964.

Размещено на Allbest.ru