- -
Міністерство освіти Республіки Білорусь
Білоруський Державний Економічний Університет
Кафедра технологій
Індивідуальна робота
На тему: "Виробництва сірчаної кислоти"
Мінськ 2009
1. Виробництво сірчаної кислоти
1.1 Властивості і галузі використання сірчаної кислоти
Виробництво сірчаної кислоти - однієї з найсильніших і дешевих кислот - має важливе народногосподарське значення, обумовлене її широким застосуванням у різних галузях промисловості.
Безводна сірчана кислота (моногідрат) - важка масляниста рідина (щільність при 20 ° З 1830 кг/м3, температура кипіння 296,2 ° С при атмосферному тиску; температура кристалізації 10,45 ° С). Вона змішується з водою в будь-яких співвідношеннях зі значним виділенням теплоти (утворюються гідрати). У сірчаної кислоті розчиняється оксид сірки. Такий розчин, склад якого характеризується вмістом вільного SО3 (100%-а H2SO4), називається олеумом.
Сірчана кислота використовується для виробництва добрив - суперфосфату, амофосу, сульфату амонію та ін Значний її витрата при очищенні нафтопродуктів, а також у кольоровій металургії, при травленні металів. Особливо чиста сірчана кислота використовується у виробництві барвників, лаків, фарб, лікарських речовин, деяких пластичних мас, хімічних волокон, багатьох отрутохімікатів, вибухових речовин, ефірів, спиртів і т. п.
Виробляється сірчана кислота двома способами: контактним і нітрозним (баштовим). Контактним способом отримують близько 90% від загального обсягу виробництва кислоти, оскільки при цьому забезпечується висока концентрація і чистота продукту.
1.2 Сировина для виробництва сірчаної кислоти
В якості сировини для виробництва сірчаної кислоти застосовуються елементарна сірка і сірчаний колчедан, крім того, широко використовуються серосодержащие промислові відходи.
Сірчаний колчедан характеризується вмістом сірки 35 ... 50%. У покладах сірчаного колчедану часто присутні сульфідні руди, які використовуються у виробництві кольорових металів (Си, Zn, Pb та ін.)
Сульфідні руди піддаються випаленню, в процесі якого утворюються сірчисті гази, які використовуються для виробництва сірчаної кислоти. В даний час сировиною для її виробництва служать сірководневі гази, що утворюються при переробці нафти, коксуванні вугілля, а також одержувані при очищенні природного газу.
Найбільш просто виробництво сірчаної кислоти з сірки, що виділяється з самородних руд або з побічних продуктів ряду виробництв (газової сірки). Однак вартість кислоти, одержуваної з сірки, вище, ніж з колчедану. Крім того, сірка необхідна
для виробництва гуми, сірників, сірковуглецю, отрутохімікатів, лікарських препаратів і т. д.
На сучасному етапі забезпечення промисловості серосо-тримає сировиною передбачається за рахунок розробки природного та отримання попутної сірки. У кольоровій і чорній металургії, газової та нафтохімічної промисловості сірку одержують з газоконденсатом. Тому збільшується випуск флотаційного колчедану на підприємствах кольорової металургії.
Розробляється технологія переробки нових видів сировини: сульфатізірующій випал колективного сульфідного концентрату Соколовсько-Сарбайского комплексу та випал некондиційного колчедану.
1.3 Технологія виробництва сірчаної кислоти контактним способом
Виробництво сірчаної кислоти контактним способом включає чотири стадії: отримання діоксиду сірки; очищення газу від домішок; отримання триоксида сірки; абсорбцію триоксида сірки.
Перша стадія пов'язана з отриманням діоксиду з колчедану, який обпалюють в печах, де протікає необоротна реакція
4FeS2 + llO2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + Q.
Прискорення цієї реакції, а отже, інтенсифікація процесу забезпечується тонким подрібненням сировини, ретельно його перемішуванням і надлишком повітря або збагаченням повітря киснем.
Подрібнений сірчаний колчедан обпалюють в печах механічних поличних, пилоподібного випалу і зі зваженим (киплячим) шаром колчедану (рис. 2.1.). Останні печі більш ефективні.
Утворений при випалюванні колчедана недогарок характеризується вмістом заліза до 50% і після відповідної підготовки може бути використаний для виробництва чавуну. З 1 т колчедану виходить 0,72 ... 0,75 т недогарка.
Пічні гази, одержувані при випаленні колчедану, містять багато пилу, для уловлювання якої застосовують циклони і електрофільтри (друга стадія виробництва сірчаної кислоти). У циклонах пил осідає під дією відцентрових сил. Електрофільтри є конденсатори високої напруги (60000 ... 70000 В). Запилений газ проходить між пластинами електрофільтра, де пилинки заряджаються і осідають на протилежно заряджених пластинах. При струшуванні пластин осіла пил падає в бункер електрофільтра, з якого потім видаляється.
У електрофільтрах газ очищається до залишкового вмісту пилу приблизно 0,2 г/м3, чого цілком достатньо для переробки сірчистих газів в сірчану кислоту нітрозним способом. Контактний спосіб вимагає більш ретельного очищення не тільки від пилу, але і від газоподібних домішок "отруйних" каталізатор, що використовується при окисленні доксіда сірки.
Випалювальних газ після пилеочісткі в електрофільтрах має температуру близько 350 ° С і містить залишки пилу, а також газоподібні домішки сполук миш'яку (As2O3), селену (SeO2) та інших елементів, здатні руйнувати каталізатор і знижувати
Рис. 2.1. Піч для випалу колчедану в киплячому шарі
Колчедан, його активність
Домішки селену доцільно витягати з газу і як необхідний промисловості матеріал. Для очищення газу передбачається система промивних веж, електрофільтрів і сушильних веж. Третя стадія виробництва сірчаної кислоти є основною. Сухий очищений газ надходить на контактне окислення SO2 до S03, яке відбувається за оборотної екзотермічної реакції, що протікає із зменшенням обсягу газу:
Рівновага даної реакції зсувається в бік утворення SO3 при зниженні температури і збільшенні тиску газового середовища. Однак, оскільки в обпалювальному газі концентрація сірчистого газу і кисню невелика (зміст баластного азоту в газі перевищує 80%), збільшення тиску у сірчанокислотному виробництві недоцільно, у зв'язку з чим основним регулятором рівноваги реакції окислення сірчистого газу є температура.
Швидкість процесу окислення SO2 при відсутності каталізатора навіть при високих температурах мала.
На сірчанокислотних заводах нашої країни як каталізатор використовують головним чином ванадієві контактні маси з вмістом V205 приблизно 7%, а також включають оксиди лужних металів і високопористі алюмосилікати як носій.
Для досягнення максимальної швидкості окислення SO2 в SO3 процес слід починати при температурі близько 600 ° С і закінчувати при 400 ° С. Конструкції сучасних поличних контактних апаратів забезпечують ці умови. При ретельному очищенню газу контактна маса зберігає активність протягом кількох років. Найвища активність каталізатора та вигідні температурні умови процесу каталізу досягаються в апаратах зі зваженим (киплячим) шаром.
Контактна відділення (рис. 2.2) включає трубчастий теплообмінник 6 і контактний апарат 7. Сухий і холодний очищений газ подається турбокомпресором 5 в Міжтрубний простір теплообмінника 6 для попереднього нагрівання. Підігрітий газ, проходячи між трубками теплообмінників, розташованих в контактному апараті між полицями з контактною масою, нагрівається до 450 ° С і поступає на верхній шар каталізатора, де 70 ... 75%
Рис. 2.2. Схема виробництва сірчаної кислоти контактним способом: 1, 2-промивні башти (порожня і з насадкою), 3 - електрофільтр, 4 - вежа з насадкою, 5 - турбокомпресор; 6 - теплообмінник, 7 - контактний апарат; 8 - холодильний; 9 - вежа для абсорбера; 10 - вежа для зрошення; 11 - кислотний холодильник; 12 - збірник; 13-відцентровий насос
Олеум в результаті реакції теплоти температура газу підвищується до 590 ... 600 ° С. Потім газ направляється у внутрішній теплообмінник, де охолоджується до 450 ... 490 ° С. Охолоджена суміш SO2 + SO3 подається через другий шар каталізатора, на якому триває подальше окислення SO2 в SОз. Зазвичай газ проходить через 3 ... 5 гратчастих полиць з контактною масою і розташованими між ними теплообмінниками, в результаті чого 97 ... 98% SO2 перетворюється на SОз. Окислений газ, що має при виході з контактного апарату температуру 400 ... 430 ° С, надходить у теплообмінник 6, де охолоджується до 200 ° С, а потім в холодильник 8, де його температура знижується до 60 ... 80 ° С. Автотермічность процесу окислення SO2 в SОз дозволяє ефективно використовувати теплоту, що виділяється в ході реакції.
У четвертій стадії процесу виробництва сірчаної кислоти охолоджений окислений газ направляється в абсорбційне (поглинальні) відділення цеху. Абсорбцію триоксида водою здійснювати недоцільно, так як реакція SO3 + H2O -> H2SO4 + Q буде протікати у газовій фазі (за рахунок теплоти, що виділяється вода перетворюється в пар) з утворенням дрібних крапельок кислоти (туману), який дуже важко уловлюється. Тому SОз поглинається концентрованої сірчаної кислотою в дві стадії.
Значення:
1-Тонке подрібнення.
2-Випал.
3-Уловлювання пилу електрофільтрами.
4-Очищення газу в системі промивних веж електрофільтрів і сушильних веж.
5-Підігрів.
6-Проходження через перший шар каталізатора (V2O5).
7-Охолодження у внутрішньому теплообміннику.
8-Проходження через другий шар каталізатора.
9-Охолодження в теплообміннику до 2000.
10-Охолодження в холодильнику.
11-Поглинання (SO3) концентрованої сірчаної кислотою в дві стадії.
2. Динаміка трудовитрат при розвитку технологічного процесу
Тж = 200 / (9t +210)
Тп = 0,03 t +0,7
Виходячи з графіка можна прийти до висновку, що розвиток технологічного процесу йде по обмеженому шляху.
2.1 Характер розвитку технологічного процесу
Вираз Тж. / Тп. з часом має тенденцію до зменшення, отже процес розвитку носить трудосберегающий характер.
2.2 Тип віддачі
Етапи розрахунку:
Тп = 0,03 t +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 зростаючому Тп, Тж убуває, отже тип віддачі регресний.
2.3 Економічний межа накопичення минулого праці
Етапи розрахунку:
Тс .= Тж. + Тп.
Тс. ¢ = (Тж. + Тп.) ¢ = (200 / (9t +210)) ¢ + (0.03t +0.7) ¢ = -1800 / (9t +210) 2 +0.03
Тс .= 0
-1800 / (9t +210) 2 +0.03 = 0
1800 = 0.03 (9t +210) 2
60000 = (9t +210) 2
81t2 +3780 t +44100 = 60000
27t2 +1260 t-5300 = 0
D = 2160000
t1 <0 - не підходить.
t2 = (-1260 + √ 2160000) / 54 ≈ 3.88
t * ≈ 3.88
Тп .= 0,03 t +0,7 = 0.03 ∙ 3.88 +0.7 = 0.816
3.Уровень технологічного процесу
L = 1/Тж.
B = Тп. / Тж.
У = (1/Тж.) (1/Тп.)
У *= У / L = 1/Тп.
Етапи розрахунку:
при t = 3
L = 1,185
B = 0,936 У = 1,5
У *= 1,265
У *> L => Раціоналістичне розвиток доцільно.
4. Технологічний процес
4.1 Пооперационная структура технологічного процесу виробництва сірчаної кислоти
4.2 Структура операції виробництва сірчаної кислоти
4.3 Структура технологічного переходу виробництва сірчаної кислоти
4.4 Прогресивні способи і перспективи розвитку виробництва сірчаної кислоти
Процес отримання сірчаної кислоти контактним способом значно спрощується, якщо в якості сировини для отримання SO застосовувати сірку, майже не містить миш'яку, або сірководень, одержуваний при очищенні горючих газів і нафтопродуктів. При використанні як сировини виплавленої сірки процес виробництва сірчаної кислоти включає три стадії: спалювання сірки в форсункових печах; окислювання діоксиду сірки в триоксид у контактних апаратах; абсорбцію триоксида сірки.
Спосіб отримання сірчаної кислоти з сірководню називається мокрим каталізом і складається з наступних основних етапів: 1) спалювання сірководню (2H2S + 302 - »2H2O + 2SO2), 2) окислення SO2 в SОз в присутності ванадієвого каталізатора і водяної пари, в результаті чого утворюється сірчана кислота у вигляді пари: 3) конденсації сірчаної кислоти при охолодженні парів.
Установка для отримання сірчаної кислоти за методом мокрого каталізу включає піч для спалювання сірководню, контактний апарат для окислення SO2 в SОз і башту з насадкою для конденсації утворюються пари кислоти. Такі установки будують на нафтопереробних заводах та інших підприємствах, що виробляють як відходи сірководневі гази.
Промисловість випускає технічну, акумуляторну та реактивну сірчану кислоту. Ці види кислоти відрізняються за призначенням і змістом основного компонента та домішок.
В даний час продуктивність типових технологічних ліній з виробництва сірчаної кислоти контактним способом складає 180 тис. т на рік. Заміна їх лініями потужністю 360 тис. т кислоти в рік дозволяє знизити питомі капітальні витрати на її виробництво на 30%, а собівартість продукції на 20%.
В значній мірі питомі капітальні витрати визначаються видом сировини: якщо при використанні природної сірки їх прийняти за 100%, то при використанні сірководню вони складуть 108%, відведених газів - 167, колчедану - 208%. Збільшення питомих капітальних витрат обумовлено головним чином витратами на спорудження очисних відділень. Подальше вдосконалення очисних операцій обумовлює зниження матеріаломісткості обладнання та зменшення капітальних витрат на виробництво сірчаної кислоти.
Перспективними щодо поліпшення техніко-економічних показників виробництва сірчаної кислоти є системи сухого очищення газу. Класичний контактний спосіб її виробництва включає низку протилежних процесів: гарячий випалювальних газ охолоджується в очисному відділенні, потім знову нагрівається в контактному; в промивних вежах газ зволожується, в сушильних - ретельно осушується. В СРСР на основі наукових досліджень створено новий процес виробництва сірчаної кислоти - суха очистка (СО). Основна особливість процесу СО полягає в тому, що після очищення від пилу гарячий випалювальних газ без охолодження, промивання і сушіння направляється безпосередньо в контактний апарат. Це забезпечується таким режимом роботи випалювальних печей зі зваженим (киплячим) шаром колчедану, при якому значна частина з'єднань миш'яку адсорбується недогарком. Таким чином, замість чотирьох етапів класичного процесу СО включає тільки три, за рахунок чого капіталовкладення знижуються на 15 ... 25%, собівартість сірчаної кислоти - на 10 ... 15%.
Намічено збільшення потужностей діючих та споруджуваних підприємств з виробництва сірчаної кислоти контактним способом при невеликих додаткових витратах. Це буде досягнуто за рахунок підвищення концентрації SO2 в перероблюваних газах, а також впровадження короткої схеми при переході з випалу колчедану на спалювання сірки. З метою вдосконалення апаратурного оформлення процесу розроблений контактний апарат з паралельними шарами каталізатора (металоємність його стала нижчою на 25%). Застосування кожухотрубних холодильників з анодної захистом дозволить продовжити термін їх служби до 10 років.
Технологія виробництва сірчаної кислоти нітрозним способом оновлюється за рахунок вдосконалення баштових систем. Розрахунки показують, що в порівнянні з контактним способом переробки газів, отриманих при випаленні колчедану в повітрі, при нітрозному спосіб і установці аналогічної потужності (180 тис. т на рік) капітальні витрати знижуються на 43,6%, собівартість переробки сірчистих газів - на 45 , 5, наведені витрати - на 44,7 і трудомісткість - на 20,2%.
Великі споживачі сірчаної кислоти повинні виробляти її на своїх підприємствах незалежно від відомчої приналежності; це дозволить в 3 рази скоротити завантаження залізничного транспорту і потреба в цистернах.
Збільшиться використання у виробництві мінеральних добрив відпрацьованих сірчаних кислот після їх очищення і регенерації.