заказать компетентное выполнение курсовой работы на https://diplom-berezniki.ru

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

2

Министерство науки и высшего образования РФ

ФГБОУ ВО «Ангарский государственный технический университет»

Кафедра химической технологии топлива

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Общая химическая технология»

Тема:

Производство серной кислоты контактным методом из флотационного колчедана

Выполнил: Пантелеев С. В.

студент группы ТМз-18-1

Проверила: к.т.н., доцент

Черниговская М.А.

Ангарск 2021

Содержание

• Введение
• 1. Теоретические основы производства серной кислоты из флотационного колчедана
• 1.1 Протекающие химические реакции
• 1.2 Механизм процесса
• 1.3 Кинетический анализ процесса
• 2. Технология производства
• 2.1 Описание технологической схемы производства
• 2.2 Основные реакционные узлы процесса обжига колчедана
• 3. Расчет материального баланса производства серной кислоты
• Заключение
• Список литературы


Введение

Серная кислота принадлежит к числу сильных кислот и является самой дешевой из них (она более чем в 2 раза дешевле азотной и соляной). Серная кислота удобна для использования, она не дымит, не имеет запаха, при комнатной температуре находится в жидком состоянии и в концентрированном виде не разрушает черные металлы. Этими достоинствами объясняется широкое распространение серной кислоты. В настоящее время мировое производство составляет более 200 млн т/год. В России насчитываются более 30 предприятий химической, нефтехимической и металлургической промышленности, производящих серную кислоту. Суммарная их мощность составляет около 12 млн т/год. Производство и потребление серной кислоты, наряду с потреблением нефти, черных и цветных металлов, является важнейшим индикатором, характеризующим экономическую мощь государства. Крупнейшими потребителями серной кислоты в мире являются США (21%) и Китай (19%).

В данной работе необходимо изучить теоретические основы производства серной кислоты контактным методом из флотационного колчедана. Выполнить технологическую и химическую схемы производства серной кислоты. Составить материальный баланс производства серной кислоты, с расчетом основных параметров процесса.

1. Теоретические основы производства серной кислоты из флотационного колчедана

Химическая схема включает в себя реакции:

обжиг серного колчедана 4FeS?+11O?=2Fe?O?+8SO?;

окисление диоксида серы SO? + O?=SO?;

абсорбция триоксида серы SO?+H?O= H?SO?.

1.2 Механизм процесса

Компоненты реакционной смеси взаимодействуют с катализатором и образуют соединения, которые, собственно, и катализируют реакцию. Состав и свойства, в том числе каталитические, образующихся соединений меняются с температурой. Сложным образом меняется с температурой энергия активации Е протекающей на них реакции окисления, что показано на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость константы скорости окисления SO₂ от температуры Т в кинетической области на мелком зерне катализатора (1) и на промышленном зерне катализатора (2); Е1, Е2, Е3 - энергии активации в разных температурных областях.

Начальная концентрация перерабатываемого газа выбирается так, чтобы режим процесса находился в пределах рабочих температур катализатора. Большое значение Е при Т <713К приводит к резкому уменьшению скорости реакции с понижением температуры. Чтобы адиабатический процесс в первом слое мог интенсивно развиваться, начальная температура должна быть не ниже 713К. Ее называют "температурой зажигания" (для низкотемпературных катализаторов она ниже). На диаграмме "Т-х" адиабатический процесс представлен прямой линией. Наклон ее определен величиной адиабатического разогрева ?T_ад. Для окисления SO₂ приближенно ?T_ад = 28,2 град на 1 % SO₂. Чем больше ?T_ад (или начальная концентрация SO₂ - а), тем больше разогрев (см. адиабаты на рис. 2 для разных значений а). Процесс может развиваться до равновесия, и максимальная (равновесная) температура не должна превышать допустимую. На рис. 2 это соответствует начальной концентрации SO₂ 7-8%. Низкотемпературный катализатор позволяет поднять концентрацию до 9-10%.

Рисунок 2. Диаграмма " Т-х" окисления SO₂

Хр - равновесные степени превращения;

Т_от - оптимальная температура;

T_мин, T_макс - границы рабочей области катализатора;

T_н - начальная температура в слое катализатора;

а - начальные концентрации SО₂,% (об.) и соответствующие им линии адиабатического процесса в слое.

1.3 Кинетический анализ процесса

Обжиг колчеданов - довольно сложный процесс. Сложность обусловлена содержанием в исходном сырье большого количества примесей. К ним относятся: оксиды кремния и алюминия, сульфиды мышьяка, селена, теллура и других рассеянных элементов (индия, рения, таллия, сурьмы, висмута и др.), флюорит, карбонаты и сульфаты магния, кальция, сульфиды цветных металлов (меди, цинка и свинца). Количество примесей в колчедане зависит от его месторождения и технологии предварительной обработки на предприятиях цветной металлургии.

Из приведенной дериватограммы (рис. 3) флотационного колчедана видно, что при 340°С начинается процесс выделения.

Рисунок 3. Дериватограмма флотационного колчедана элементной серы из дисульфида железа по схеме: FeS₂ = FeS+2S-103,9 кДж

Появление после указанной температуры экзотермического пика показывает, что выделяющаяся в виде паров сера начинает гореть (окисляться):

S+O? =SO? +362,4 кДж.

Процесс выделения серы в виде паров и нарастание интенсивности горения продолжается до 420°С, после чего интенсивность реакции уменьшается до 502°С.Не слишком быстрое замедление экзотермического процесса при 502-530°С, по-видимому, объясняется выделением серы из содержащихся в исходном сырье арсенопирита и антимонита:

2FeAsS+5O? = Fe?O? +As?O? +2SO?

Небольшой экзотермический пик при 590 °С, очевидно, соответствует началу процесса разложения полупродукта сульфида железа:

2FeS+O? = Fe?O3 +2SO

4FeS+7O? = 2Fe?O? +4SO?

Процесс разложения сульфида железа сопровождается плавлением его при 675°С. При этом происходит перестройка кристаллической решетки сульфида железа. Далее процесс продолжается до 750°С с меньшей убылью массы сульфида железа в единицу времени. Имеющийся небольшой пик при 730°С, по-видимому, объясняется выделением элементной серы из образующихся в ходе основного процесса сульфидов, а возможно, и дисульфидов. После 750°С процесс продолжается с уменьшением массы образца в более замедленном режиме. Из дериватограммы (рис. 3) видно, что образование FeSO₄ в процессе обжига колчедана по реакции FeS₂ +3O₂ = FeSO₄ +SO₂ при 250-300°С исключается. Приведенная зависимость (рис. 4) подтверждает данные дериватограммы.

В получаемом из дисульфида железа газе содержится и некоторое количество триоксида серы, образующегося при 600-800°С в условиях каталитического воздействия образующегося оксида железа по схеме:

Рисунок 4. Зависимость относительной константы скорости диссоциации дисульфида железа от температуры при различной степени выделения серы (числа у кривых)

Содержание триоксида в условиях обжига исходного сырья находится в пределах 0,3-0,5% (рис 5). С целью снижения содержания триоксида серы в обжиговом газе рекомендуют проведение процесса при 850-900°С с дальнейшим быстрым снижением температуры до 400-425°С.

Рисунок 5. Зависимость между содержанием диоксида и триоксида серы в обжиговом газе из печи КС

2. Технология производства

Исходные вещества - минеральное сырье - содержат примеси, и потому функциональная схема (рис. 6) включает в себя стадию очистки газа после обжига. Первая стадия - обжиг - и далее она будет рассмотрена для колчедана.

Рисунок 6. Функциональная схема производства серной кислоты из серного колчедана: 1 - обжиг серосодержащего сырья; 2 - очистка и промывка обжигового газа; 3 - окисление SО₂; 4 - абсорбция SО₃.

контактный серный кислота флотационный колчедан

Производство серной кислоты при использовании в качестве сырья колчедана осуществляют по полной, так называемой, классической схеме (рис 7).

Рисунок 7. Схема производства серной кислоты из колчедана контактным способом

1, 12 - нагнетатели; 2 - печь КС; 3 - котел-утилизатор; 4 - циклон; 5 - сухой электро-фильтр: 6 - первая промывная башня; 7 - вторая промывная башня; 8 - мокрые электрофильтры; 9 - увлажнительная башня (в новых системах, работающих в испаритель - нет); 10 - сушильная башня; 11 - брызгоуловители; 12 - нагнетатель; 13 - теплообменник; 14 - контактный аппарат; 15 - ангидридный холодильник (экономайзер); 16 - олеумный абсорбер; 17 - моногидратный абсорбер; 18 - оросительные холодильники; 19 - трубчатый холодильник; 20 - сборники кислоты.

Колчедан поступает в обжиговую печь 2, куда подают воздух. Образовавшийся SО₂ - содержащий (сернистый) газ охлаждают в котле-утилизаторе 3, очищают от пыли в циклоне 4 и сухом электрофильтре 5 и направляют в промывное отделение. Мокрую очистку газа от остатков пыли и вредных для ванадиевых катализаторов примесей ведут в промывных башнях 6, 7: первой ступени мокрых электрофильтров 8, увлажнительной башне 9 и второй ступени электрофильтров 8.

Показанная на рисунке увлажнительная башня 9 имеется на ряде действующих заводов, для вновь проектируемых установок ее не предусматривают за исключением тех случаев, когда в газах присутствует фтор или применяемая вода имеет температуру выше 30°С, что связано с тем, что в настоящее время в России и за рубежом работу промывных отделений перевели на испарительный режим.

Затем газ освобождают от влаги в сушильной башне 10, а от брызг и тумана серной кислоты - в брызгоуловителе 11. Башни орошают серной кислотой по циклу: сборник 20 - насос - холодильник 16 - башня - сборник 20 (при работе холодильника под давлением). Очищенный и осушенный сернистый газ нагнетателем 12 подают в контактное отделение 14. Все оборудование до нагнетателя работает под разрежением, после нагнетателя - под давлением.

В контактном отделении исходный сернистый газ нагревается в теплообменниках 13 до температуры зажигания катализатора и поступает на окисление в контактный аппарат 14. При окислении на слоях катализатора температура его повышается, поэтому газ охлаждают между слоями в промежуточных теплообменниках, а из последнего слоя образующийся триоксид серы направляют на охлаждение во внешний теплообменник 13 и ангидридный холодильник 15 и далее на абсорбцию SO₃ в олеумный 16 и моногидратный абсорберы 17. Затем, после очистки от брызг и тумана серной кислоты в брызгоуловителе 11, выхлопные газы выбрасывают в атмосферу с содержанием 0,15-0,3% SO₂. Вновь строящиеся сернокислотные цеха с одинарным контактированием должны оборудоваться установкой улавливания SO₂ из выхлопных газов до его остаточного содержания 0,03%.

В процессе работы концентрации и температуры кислот в промывном отделении повышаются за счет улавливания небольшого количества SО? и охлаждения газа. Для поддержания стабильного режима организован переток кислоты из увлажнительной башни в сборник 2-й промывной башни, из последней - в сборник 1-й промывной башни, а в сборник увлажнительной башни непрерывно добавляется вода. Циркулирующие кислоты пропускают через холодильники. При поглощении кислотой влаги из газа в сушильной башне концентрация кислоты снижается, а в процессе абсорбции SО₃ концентрация олеума и моногидрата в башнях повышается. Для поддержания стабильного режима применяют кислотооборот между сушильной и абсорбционной башнями и в систему добавляют воду.

При использовании данной схемы получают следующую продукцию: олеум, серную кислоту концентрацией 92-94% H₂SO₄ и разбавленную промывную кислоту, которую на некоторых заводах осветляют и закрепляют продукционной кислотой до 75 или 93% H₂SO₄.

2.2 Основные реакционные узлы процесса обжига колчедана

Термическое разложение пирита начинается уже при температурах около 200°С и одновременно воспламеняется сера. При температурах выше 680°С интенсивно протекают все три реакции. В промышленности обжиг ведут при 850 - 900°С. Лимитирующей стадией процесса становится массоперенос продуктов разложения в газовую фазу и окислителя к месту реакции. При этих же температурах твердый компонент размягчается, что способствует слипанию его частиц. Эти факторы определили способ проведения процесса и тип реактора.

Рисунок 8. Полочный реактор обжига колчедана: 1 - корпус, 2 - полки для колчедана. 3 - вращающиеся скребки, 4 - вал привода скребков

Сначала использовали полочный реактор (рис. 8). Колчедан располагается на полках 1 и воздух проходит через неподвижные слои. Естественно, колчедан - кусковой (тонко измельченный создавал бы значительное гидравлическое сопротивление и мог легко слипаться, что создавало бы неоднородное горение). Чтобы сделать обжиг непрерывным процессом, твердый материал передвигается специальными скребками 3, вращающимися на валу привода скребков 4. Лопатки скребков перемещают куски колчедана по тарелкам поочередно от оси аппарата к его стенкам и обратно. Такое перемешивание одновременно предотвращает слипание частиц. Свежий колчедан непрерывно подается на верхнюю полку. Огарок также непрерывно выводится с низа реактора. Механический реактор обеспечивает интенсивность процесса, измеряемую количеством колчедана, проходящего через единицу сечения реактора, - не более 200 кг/(м²*ч). В таком реакторе движущиеся скребки в высокотемпературной зоне усложняют его конструкцию, создается неодинаковый температурный режим по полкам, трудно организовать отвод тепла из зоны реакции. Трудности теплосъема не позволяют получить обжиговый газ с концентрацией SO₂ более 8-9%. Основное ограничение - невозможность использования мелких частиц, в то время как для гетерогенного процесса основной способ ускорения скорости превращения - дробление частиц.

Мелкие частицы можно перерабатывать в кипящем (псевдоожиженном) слое, что реализовано в печах КС - кипящего слоя (рис. 9).

Рисунок 9. Печь КС для обжига колчедана

1 - отвод воздуха; 2 - корпус печи; 3 - ввод вторичного воздуха; 4, 12 - газовые горелки; 5, 11 - теплообменные элементы; 6 - подовая решетка; 7 - подрешеточная камера; 8 - ввод воздуха; 9 - колосниковая решетка; 10 - бункер огарка; 13 - форкамера; 14 - ввод колчедана.

Стальной корпус 2 печи футерован изнутри жаростойким кирпичом или бетоном. Для загрузки колчедана в печь используется тарельчатый питатель. Колчедан поступает в загрузочную камеру печи (форкамеру) 13, снабженную провальной колосниковой решеткой 9. Наличие форкамеры 13 предохраняет подовую беспровальную решетку 6 основной части печи от забивания крупными кусками колчедана и спекшегося огарка.

Под провальной решеткой расположен бункер для огарка 10, воздух подается под беспровальную решетку 6 компрессором. Предусмотрен ввод вторичного воздуха 3 над кипящим слоем. Зажигание колчедана при пуске печи осуществляется газовыми горелками 4, 12. Для отвода теплоты реакции обжига и поддержания необходимой температуры в зоне кипящего слоя расположены охлаждающие теплообменные элементы 5, 11, в которых подогревается вода или производится пар для производственных нужд.

Окислитель (воздух) подается снизу через распределительную решетку со скоростью, достаточной для взвешивания твердых частиц. Их витание в слое предотвращает слипание и способствует хорошему контакту их с газом, выравнивает температурное поле по всему слою, обеспечивает подвижность твердого материала и его переток в выходной патрубок для вывода продукта из реактора. Коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя сравним с коэффициентом теплоотдачи от кипящей жидкости, и тем самым обеспечен эффективный теплоотвод из зоны реакции, управление его температурным режимом и использование тепла реакции. Основной недостаток печей КС - повышенная запыленность обжигового газа из-за механической эрозии подвижных твердых частиц. Это требует более тщательной очистки газа от пыли.

3. Расчет материального баланса производства серной кислоты

Составить материальный баланс производства 1 т серной кислоты из колчедана, если содержание серы в нем составляет 41%, степень конверсии колчедана 75%, степень окисления сернистого ангидрида 98%, а вода для абсорбции берется в двукратном избытке.

1) 4FeS?+11O? = 2Fe?O?+8SO?

2) SO?+0.5O? = SO?

3) SO?+H?O = H?SO?

Расход серного ангидрида и воды по третьей реакции:

С учетом избытка воды берется:

Остается вода:

Расход сернистого ангидрида и кислорода по второй реакции:

С учетом степени окисления SO?:

Остаток сернистого ангидрида:

==666,4-653,0=13,4 кг.

.

Расход колчедана и кислорода по первой реакции:

С учетом конверсии колчедана:

.

Остается колчедана:

==833,1-624,8=208,3 кг.

.

.

Расходуется на две реакции кислорода:

=.

.

С кислородом поступает азот:

.

.

Образуется огарок:

.

Результаты расчётов сводим в таблицу 1.

Таблица 1

Материальный баланс производства серной кислоты

Заключение

Контактное производство серной кислоты - это крупномасштабное непрерывное, механизированное производство. В настоящее время проводится комплексная автоматизация контактных цехов.

Важнейшие тенденции развития производства серной кислоты типичны для многих химических производств. Это увеличение мощности аппаратуры при одновременной комплексной автоматизации производства; интенсификация процессов путем применения реакторов кипящего слоя (печи и контактные аппараты КС) и активных катализаторов, а также производства и переработки концентрированного диоксида с использованием кислорода; разработка энерготехнологических систем с максимальным использованием теплоты экзотермических реакций, в том числе циклических и систем под давлением; увеличение степеней превращения на всех стадиях производства для снижения расходных коэффициентов по сырью и уменьшению вредных выбросов; использование сернистых соединений (S, SO₂, SO₃, H₂S) из технологических и отходящих газов, а также жидких отходов других производств; обезвреживание отходящих газов и сточных вод.

Список литературы

1. Кузнецова И.М., Харлампиди Х.Э., Батыршин Н.Н. Общая химическая технология: материальный баланс химико-технологического процесса: Учебное пособие для вузов. - М.; Университетская книга; Логос. - 264 с.

2. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., «Химия», 2005, 736 с.

3. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: «Химия», 2008, 846 с.

4. Общая химическая технология / Под ред. А.Г. Амелина. М.: «Химия», 2007, 400 с.

5. С.И. Вольфкович Общая химическая технология. М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы. 2009, 633с.

6. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов. // Под ред. Стадничука М.Д. - 5-е изд.. перераб. и доп. - СПб.: «Иван Федоров», 2002. - 624 с.

Размещено на allbest.ru