Курсовой проект производство серной кислоты вариант 2 Студент Горбунова Анна Группа мт43 Преподаватель Чабан Н. Г
![]()
|
Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова Кафедра Общей химической технологии КУРСОВОЙ ПРОЕКТ: ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ Вариант 2 Студент: Горбунова Анна Группа: МТ-43 Преподаватель: Чабан Н. Г. Москва 2014 Оглавлени Введение 3 Характеристика исходного сырья и готового продукта 5 Физико-химическое обоснование основных процессов производства серной кислоты 11 Описание технологической схемы процесса 19 Расчет материального баланса ХТС. 21 Список использованной литературы 25 Введение 3 Характеристика исходного сырья и готового продукта 5 Физико-химическое обоснование основных процессов производства серной кислоты 11 Описание технологической схемы процесса 19 Расчет материального баланса ХТС. 21 Список использованной литературы 25 ВведениеНи одна отрасль промышленности практически не может обойтись без серной кислоты. Особенно широко серная кислота применяется в химической промышленности. Так же как масштабы производства чугуна, стали определяют развитие металлургии, машиностроения, транспорта, сельского хозяйства и промышленности в целом, так и производство серной кислоты в значительной степени определяет развитие многих химических производств. Основным потребителем серной кислоты в нашей стране является производство минеральных удобрений. Кроме того, значительное количество продукта используется в производстве искусственного волокна, органических промежуточных продуктов и красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ. Она применяется в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности. Серную кислоту часто используют в качестве осушивающего и водоотнимающего средства. Основные потребители серной кислоты представлены на рис. 1. ![]() Рис 1. Применение серной кислоты. С каждым годом производство серной кислоты в России увеличивается. Так, с 2005 по 2011 г. оно возросло примерно с 9334 до 10700 тыс. тонн в год. В мире за последние годы производство выросло больше чем на 20% (с 2008 до 2012 выросло с 191 до 230 млн. тонн). Развитие производства серной кислоты в настоящее время идет по линии снижения выброса вредных веществ в атмосферу, снижения энергетических затрат, интенсификации систем, упрощения технологических схем, использования нового оборудования с минимальным потреблением электроэнергии. Наша страна по производству серной кислоты занимает первое место в Европе и четвёртое место в мире (после Китая, США и Марокко). Для производства серной кислоты используется довольно широкий ассортимент сырья. В основном, это пирит, продукты нефтепереработки и сера. Из всех этих видов сырья все возрастающее значение имеет сера. Характеристика исходного сырья и готового продуктаПроцесс производства серной кислоты из элементарной серы состоит из следующих стадий: Сжигание серы: S + O2 = SO2 Контактное окисление SO2 в SO3: SO2 + 0,5O2 = SO3 Абсорбция SO3: SO3 + Н2О = Н2SО4. Сера — ценное сырье для получения серной кислоты, так как при сжигании ее образуется концентрированный газ с высоким содержанием S02 и кислорода. Газ этот чистый (в самородной сере содержатся незначительные количества мышьяка), при обжиге серы не остается огарка, поэтому схема переработки этого вида сырья на серную кислоту упрощается и является более экономичной. До 50% всей элементной серы в мире расходуется на производство серной кислоты. Остальные 50% потребляют сельское хозяйство, целлюлозно-бумажная и другие отрасли промышленности. Относительная атомная масса серы 32,064. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Она существует в двух кристаллических формах — ромбической и моноклинной. Температура кипения серы 444,6°С. При нагревании сера плавится, плавление сопровождается увеличением объема. Температура плавления зависит от полиморфной разновидности серы: ромбическая (α-сера) плавится при температуре 112,8оС, а моноклинная (β-сера) – при 119,3оС. При 120°С расплавленная сера легкоподвижна, при 190°С – это темно-коричневая вязкая масса, а при 400°С расплав становится снова легкоподвижным. Это связано с изменением структуры молекул при изменении температуры. Элементарную серу получают из серных руд, из сульфидных руд и из газов, содержащих сероводород и сернистый ангидрид. Получение серы из самородных руд. Природная сера встречается в залежах осадочного происхождения (о. Сицилия в Италии), вулканического происхождения (о. Хоккайдо в Японии), в шляпах соляных куполов (США). Месторождения в шляпах куполов по содержанию серы превосходят месторождения осадочного и вулканического происхождения примерно в два раза: в них 27—70% серы (штаты Техас и Луизиана в США). Самое крупное месторождение в России – Водинское месторождение, около пос. Новосемейкино в среднем Поволжье. Обычно руды не обжигают, а выплавляют из них серу, часто используя для этого тепло горения самой серы. При этом на выплавку серы расходуется до 25% серы (следовательно, выход элементарной серы составляет 75%). В США для добывания серы используют метод Фраша, по которому серу расплавляют перегретой водой и выдавливают на поверхность сжатым воздухом. Это дешевый способ, однако выход элементной серы составляет всего 30—60%. Для извлечения серы из руд применяют различные методы, например метод флотации с последующей выплавкой серы из концентрата в автоклавах. Флотацию тонкоизмельченной руды производят с применением флотореагентов (жидкое стекло, керосин, спирты). Полученный концентрат, содержащий до 75% серы и обезвоженный до содержания 10—15% влаги, направляют в плавильник, снабженный паровым змеевиком и мешалкой. Полученная серная суспензия при 120—130°С поступает в флотационный автоклав, в который из сборника вводится водный раствор флотореагентов. Автоклав снабжен паровой рубашкой и мешалкой. При перемешивании жидкость дробится на мелкие капли, к которым прилипают частицы пустой породы и всплывают; расплавленная сера сливается из конической части автоклава; после слива серы спускают пустую породу. Степень извлечения серы из концентрата составляет 95—98%. Получение газовой серы. Газовая сера является отходом процесса очистки газов цветной металлургии, нефтепереработки, попутных нефтяных и природных газов. Это дешевый вид сырья, однако в такой сере содержатся мышьяк и другие вредные для катализатора примеси, поэтому схема переработки этой серы на серную кислоту примерно такая же, как и схема переработки колчедана. Наиболее чистая сера (газовая) выпускается нашей промышленностью в соответствии с ГОСТ 5.75—68. Она вырабатывается из сероводорода, получаемого из газов нефтепереработки. В ней отсутствуют мышьяк и органические примеси, поэтому схема переработки этой серы на серную кислоту самая экономичная. Этой сере присвоен знак качества. Особенно много отходящих сернистых газов получают на медеплавильных заводах, где перерабатывают медистые колчеданы. Основные ставные компоненты медистого колчедана – пирит FeS2 и халькопирит CuFeS2. Получение газовой серы можно тесно связать с плавкой руды на штейн. При обычной плавке на штейн из ватержакетной печи выходят газы, содержащие серу в основном в виде сернистого ангидрида SO2. Для восстановления его до серы в ватержакетную печь вместе с медистым колчеданом и шлюсами для ошлаковывания пустой породы подают кокс. Газовая сера может быть получена также из сероводорода, отделяемого при очистке горючих и технических газов. Сероводород. Большинство горючих газов (коксовый, генераторный, попутные, природные, газы нефтепереработки) содержат сероводород. Содержание H2S в этих газах не должно превышать 20 мг/м3 (ГОСТ 5542—50), поэтому их очищают промывкой поглотительными растворами (моноэтаноламин, сода и др.). При нагревании такого раствора выделяется сероводород высокой концентрации (до 90% H2S). Он используется для получения газовой серы или серной кислоты. Процесс получения серы при этом заключается в сжигании ![]() ![]() Серной кислотой называют химическое соединение, состав которого выражается формулой H2SO4 (мол. масса 98,08). Безводная серная кислота (моногидрат) образуется при присоединении 81,63 м. ч. серного ангидрида и 18,37 м. ч. воды. Безводная серная кислота представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, кипящую при 304°С и замерзающую при 10,4°С. При нагревании выше 150— 200° С безводная серная кислота заметно разлагается с выделением паров воды и серного ангидрида SО3. Она смешивается с водой во всех соотношениях с выделением тепла. При взаимодействии серной кислоты с водой образуются соединения типа H2SO4 • Н2О (Ткр=8,48оС); H2SO4 • 2Н2О (Ткр=-39,60оС); H2SO4 • 4Н2О (Ткр=-28,36оС), называемые гидратами серной кислоты. В технике серной кислотой называется не только моногидрат, но и водные растворы его (H2SO4+H2O), однако учет количества серной кислоты ведется в моногидрате. Растворы серного ангидрида в серной кислоте (H2SO4+SO3) называются олеумом, или дымящей серной кислотой. С изменением содержания моногидрата в водных растворах серной кислоты изменяются плотность, температура кипения и замерзания, а также химические свойства серной кислоты. Серная кислота в концентрированном виде при нагревании — довольно сильный окислитель; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов, углерод до CO2, серу — до SO2, окисляет многие металлы (Cu, Hg и др.). При этом концентрированная серная кислота восстанавливается до SO2, например: Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2 Наиболее сильными восстановителями концентрированная серная кислота восстанавливается до S и H2S. Концентрированная серная кислота поглощает водяные пары, поэтому она применяется для сушки газов, жидкостей и твёрдых тел. Однако концентрированная H2SO4 частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Отщепляя воду от органических соединений и оставляя при этом уголь, концентрированная серная кислота приводит к обугливанию древесины, сахара и других веществ. Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением, например: Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑ Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота образует два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная H2SO5 и пероксодисерная H2S2O8 кислоты. H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4+ 2H2O Серная кислота реагирует также с основными оксидами, образуя сульфат и воду: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O На металлообрабатывающих заводах раствор серной кислоты применяют для удаления слоя оксида металла с поверхности металлических изделий, подвергающихся в процессе изготовления сильному нагреванию. Так, оксид железа удаляется с поверхности листового железа действием нагретого раствора серной кислоты: Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O Качественной реакцией на серную кислоту и её растворимые соли является их взаимодействие с растворимыми солями бария, при котором образуется белый осадок сульфата бария, нерастворимый в воде и кислотах, например: H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2HCl В нашей стране выпускаются следующие сорта технической серной кислоты: башенная, контактная и олеум. Для башенной и контактной кислот нормируется содержание моногидрата и окислов азота, для олеума — содержание свободного серного ангидрида. В зависимости от области применения серной кислоты, технические условия регламентируются, например, следующими ГОСТами: ГОСТ 4204-77 – распространяется на реактив – серную кислоту, которая представляет собой бесцветную прозрачную, маслянистую жидкость, без запаха, без осадка, смешивается с водой (при мильном разогревании) и со спиртом; ГОСТ 14262-78 – распространяется на серную кислоту особой чистоты, которая представляет собой бесцветную прозрачную маслянистую жидкость; ГОСТ 2184-77 – распространяется на техническую серную кислоту следующих видов: контактную (улучшенную и техническую); олеум (улучшенный и технический); башенную и регенерированную. Техническая серная кислота предназначается для производства удобрений, искусственного волокна, капролактама, двуокиси титана, этилового спирта, анилиновых красителей и целого ряда других производств. Табл. 1. Технические требования по ГОСТу 2184-77.
|