курсовая охт серная кислота. Курсач ОХТ 2. Получение серной кислоты

• Название: Получение серной кислоты
• Анкор: курсовая охт серная кислота
• Дата: 08.05.2021
• Размер: 1.69 Mb.
• Имя файла: Курсач ОХТ 2.docx
• Тип: Документы; #202678

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет»

Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова Кафедра общей химической технологии ДОМАШНЯЯ РАСЧЁТНАЯ РАБОТА на тему: «Получение серной кислоты» вариант 2 Студент: Матянкин Д.В. Группа: ХББО-02-18 Преподаватель: асс. Пермякова Н.А.

Москва – 2021г

Оглавление

Введение 

Серная кислота – один из основных многотоннажных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии, в концентрированном виде не корродирует черные металлы. В то же время, серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.[1]
Надо отдельно отметить, что для предприятий цветной металлургии серная кислота является побочным продуктом, и с увеличением выпуска цинка и меди идет увеличение производство кислоты

Ни одна отрасль промышленности практически не может обойтись без серной кислоты. Особенно широко серная кислота применяется в химической промышленности, поэтому ее часто справедливо называют «хлебом» химии. Основным потребителем серной кислоты в нашей стране является производство минеральных удобрений. На него расходуют свыше 40% всей вырабатываемой серной кислоты. Значительное количество серной кислоты 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. С каждым годом производство серной кислоты в СССР увеличивается. Так, с 1950 по 1977 г. Оно возросло примерно в 10 раз. Наша страна по производству серной кислоты занимает первое место в Европе и второе место в мире (после США). Развитие производства серной кислоты в настоящее время идет по линии строительства мощных систем, усовершенствования схем производства, интенсификации технологии процесса и аппаратуры, использования для получения серной кислоты серы, содержащейся в отходах различных производств. Большое внимание уделяется расширению ассортимента продукции сернокислотных заводов и повышению ее качества. [2]

[3]

Доля серной кислоты, производимой контактным способом, увеличивается как в странах, где в качестве сырья используется природная сера (США), так и в странах, производящих серную кислоту главным образом из газов, получаемых обжигом сульфидных руд (Англия, Германия). Эго видно из приведенных ниже данных (доля контактной кислоты выражена в процентах от общего количества производимой серной кислоты):

[4]

Цель работы заключается в проведении количественного и качественного анализа химико-технологической системы производства серной кислоты.

Для достижения цели работы, рассматриваем следующие задачи:

- Построение схем (функциональной, технологической, операторной, структурной) получения серной кислоты

- Определение технологических показателей функционирования ХТС

- Анализ химической, технологической и экологической концепции производства

- Расчет ХТС интегральным методом

Исходное сырье

Процесс получения оксида серы(VI) является одним из немногочисленных простых химико-технологических процессов, осуществляемых в промышленном масштабе, а конечный продукт производства − серная кислота – один из базовых продуктов химической промышленности. Объем и эффективность производства серной кислоты непрерывно возрастают при одновременном совершенствовании технологических схем, росте единичных мощностей установок, сокращении энергозатрат, решении экологических проблем. Стадия окисления SO2 в SO3 на оксидном катализаторе является типичным примером гетерогенно-каталитического процесса.

Сера. Физические и химические свойства

Физические свойства.

В обыкновенных температурных условиях сера находится в твердом состоянии. Твердая сера существует в нескольких молекулярных модификациях. Наиболее устойчивой молекулярной модификацией твердой серы является восьмиатомная сера, существующая в двух аллотропных формах. Ниже 95,5° устойчива обыкновенная желтая сера, кристаллизующаяся в ромбической системе. Удельный вес ее 2,06, температура плавления (при очень быстром нагревании) 112,0°. Выше 95,6° устойчивой является форма, кристаллизующаяся в моноклинической
системе. Удельный вес моноклинической серы 1,96, температура плавления 119,0°. Другие молекулярные модификации твердой серы (шестиатомная и четырехатомная) получаются в специальных условиях и не имеют большого практического значения. Из разных видов аморфной серы больше всего заслуживает внимания пластическая, или каучуковой основе сера, не растворимая в сероуглероде. Такая модификация получается если кипящую серу вылить в холодную воду. Предполагают, что эта модификация представляет собой смесь нескольких молекулярных модификаций; она неустойчива и при стоянии быстро переходит в ромбическую серую. Скрытая теплота плавления ромбической серы (при 112,8°) 9,4 ккал, а моноклинической (при 119°) 10,8 ккал на 1 кг. При расплавлении сера переходит в желтую легкоподвижную жидкость. Выше 160° жидкость буреет и при 200° превращается в вязкую темнокоричневую массу. Выше 250 вязкость опять уменьшается и при температуре 400° расплавленная сера, оставаясь темнокоричневой, опять становится легкоподвижной. Эти изменения связаны с изменением соотношений между различными молекулярными модификациями при повышении температуры. Жидкая сера кипит при 444,6° (при нормальном давлении).
Атомная теплоемкость твердой серы зависит от температуры; для ромбической серы эта зависимость будет: Cp = 4,12 + 0,0047 T, для моноклинической:
Cp= 3,62 + 0,0072 т.
Зависимость средней молекулярной теплоемкости газообразной двухатомной серы от температуры выражается так:
Cp= 4,49 + 0,001 т.
Скрытая теплота испарения серы 362 ккал. Упругость насыщенных паров серы изменяется в зависимости от температуры. (табл. 1).

Согласно: ГОСТ 12.1.041 Сера горюча. Взвешенная в воздухе пыль пожаровзрывоопасна. Нижний концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) - 17 г/м. ГОСТ 12.1.005 Сера относится к 4-му классу опасности. Предельно допустимые массовые концентрации в воздухе рабочей зоны: серы - 6 мг/м ГОСТ 127.1-93 Сера техническая. [5]



Газообразная сера в интервале температур 800-1400° состоит, главным образом, из двухатомных молекул, при более низких температурах двухатомные молекулы переходят в молекулы S6 и S8; при температуре 1700° газообразная сера состоит из одноатомных молекул. В табл. 2 приводится состав газообразной серы в зависимости от температуры выше точки кипения при общем давлении паров серы, равном 1 ат.



В связи с изменением атомности молекул парообразной серы происходит изменение цвета паров: от оранжево-желтого (вблизи точки плавления) до красного и затем до соломенно-желтого (при 650°).

В воде сера не растворима; она хорошо растворяется в некоторых органических жидкостях, например в сероуглероде, гидрированном нафталине и хлорированном бензоле, а также в хлористой сере (табл. 3 и 4).


Сера плохо проводит тепло и электричество; под действием трения заряжается отрицательным электричеством. Сера является одним из самых активных химических элементов. По своему химическому характеру сера выступает как окислитель (атом серы присоединяет 2 электрона приобретая валентность -2) и как восстановитель (атом серы отдает 4 или 6 электронов)

[6]

Химические свойства серы.

Сера относится к химически активным элементам. При обычных условиях сера взаимодействует со всеми щелочными и щелочноземельными металлами, медью, ртутью и серебром с образованием сульфидов:

2Na + S = Na₂S

Ca + S = CaS

2Cu + S = Cu₂S

Если образование сульфидов ртути идет при нагревании, то образуются

красная и черная модификации:



При нагревании сера взаимодействует с Fe, Pb, Al, Zn и другими металлами

Из неметаллов непосредственно с серой не реагируют азот, иод и благородные газы. При комнатной температуре во влажном воздухе сера медленно окисляется кислородом воздуха до SO2 или H2SO4. Остальные неметаллы взаимодействуют с S при нагревании:

S+O₂ = SO₂ (при 280-360⁰C)

S+H₂ = H₂S (при 150-200⁰C)

При взаимодействии серы со фтором получается химически инертное вещество - "химическая платина":



Восстановительные свойства сера проявляет при взаимодействии со следующими соединениями:



S + K₂Cr₂O₇ = Cr₂O₃ +K₂SO₄
Перевести серу в растворимые соединения можно, используя взаимодействие серы с кислотами-окислителями:

S + 6HNO₃(конц) = 6NO₂+ H₂SO₄+ 2H₂O

S + 2H₂SO₄ = 2H₂O + 3SO₂

Или кипячение серы с раствором щелочи:

4S + 6NaOH = 3H₂O + Na₂SO₃ + 2Na₂S

При это возможно протекание дополнительного процесса:

S + Na₂SO₃ = Na₂S₂O₃ [7]
Целевой продукт

Физические свойства.

Технические требования, предъявляемые в соответствии с ГОСТ 2184 – 2013 к серной кислоте 1-го сорта: массовая доля моногидрата не менее 92,5 %, массовая доля железа не более 0,02 %, допускается цвет от розового до фиолетового, при использовании в качестве сырья гудроны нефтехимических производств [7]. Серная кислота относится ко 2-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007, предельно допустимая концентрация паров в воздухе рабочей зоны производственных помещений – 1 мг/м3 по ГОСТ 12.1.00 [6]
Серный ангидрид образует с водой, несколько соединений. Кроме H₂SO₄(SO₃*H₂O), называемым моногидратом, вполне установлены при помощи термического анализа следующие соединения с водой.

SO₃*5H₂O (57.6%-ная H₂SO₄)

SO₃*3H₂O (73%-ная H₂SO₄)

SO₃*2H₂O (84%-ная H₂SO₄)

2SO₃*H₂O (пиросерная кислота)

Плотность растворов серной кислоты. С увеличением концентрации серной кислоты до 98,3% H₂SO₄ ее плотность возрастает. С дальнейшим повышением концентрации H2SO4 плотность ее падает. Плотность 100%-ной H2SO4 при 0° 1,853, а при 15° (по отношению к воде при 4°) по Лунге и Нефу - 1,8384. Плотность растворов серной кислоты измеряется ареометром. Для ареометров применяются три шкалы: по градусам Боме (°Вé), по удельному весу в по градусам Тведделя.



Теплоемкость. Теплоемкость 100%-ной HeSO4 при 20° экспериментально определена равной 0,331. С повышением температуры теплоемкость серной кислоты несколько повышается. Теплоемкость водных растворов серной кислоты уменьшается с повышением концентрации кислоты, что видно по кривым, сплошная линия 2 относится к теплоемкости при 20°, а пунктирная линия 1 - к средним теплоемкостям между 20° и точкой кипения для растворов всех концентраций H2SO4.

[7]

Химические свойства.

Общие кислотные свойства серной кислоты, обусловленные наличием в растворе Н⁺ проявляются при взаимодействии со следующими веществами:

H₂SO₄ + NaOH = NaHSO₄ + H₂O

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

H₂SO₄+ MgO = MgSO₄ + H₂O

H₂SO₄+ Cu(OH)₂ = CuSO₄+ 2H₂O

H₂SO₄+ Na₂CO₃ = Na₂SO₄+ H₂O + CO₂
Разбавленная серная кислота взаимодействует с металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений металлов до водорода и имеющими значение стандартного электродного потенциала Е°< 0,0 В с выделением водорода:

H₂SO₄+ Zn = ZnSO₄+ H₂

На характер продуктов реакции влияет активность металла:

2H₂SO₄ (конц) + Cu = CuSO₄ + H₂O + SO₂

5H₂SO₄ + 4Mg = 4MgSO₄ + 4H₂O + H₂S

Общая закономерность: чем выше температура, по которой протекает реакция и сильнее восстановитель, с которым взаимодействует концентрированная серная кислота, тем глубже происходит восстановление серной кислоты, и тем ниже степень окисления атома серы в продуктах восстановления серной кислоты.

Поверхность металлов Fe, Be, Bi, Co, Mg, Nd, Cr, Al пассивируется концентрированной серной кислотой на холоду. При нагревании с концентрированной серной кислотой эти металлы будут взаимодействовать с ней, например:

2Cr + 6 H₂SO₄ (конц) = Cr₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Золото и металлы платиновой группы не взаимодействуют с H2SO4.

Неметаллы и органические вещества окисляются до соответствующих оксидов и кислот:

C + 2H₂SO₄ (конц) = 2H₂O + 2SO₂ + CO₂

2P + 5H₂SO₄ (конц) = 2H₂O + 5SO₂ + 2H₃PO₄

C6H12O6+ 12H₂SO₄ (конц) = 6CO₂ + 12SO₂ +18H₂O

Очень часто разбавленная серная кислота используется для создания среды протекания реакции, т.к. многие окислители проявляют более сильные

окислительные свойства в кислой среде, например, перманганат и дихромат

калия:

2KMnO₄ + 3H₂SO₄ + 5Na₂SO₃ = 5Na₂SO₄ + 2MnSO₄ K2SO₄ +3H₂O

K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ + 3(NH₄)₂SO₃ = Cr₂(SO₄)₃ + 3(NH₄)₂SO₄ + 4H₂O [8]

Химизм процесса

[9]

Медленное окисление FeS2 с выделением SO2 замечается уже при температуре 170-210°. Температура воспламенения колчедана зависит от характера его примесей и от степени его дробления. Конечными продуктами сгорания колчедана в печах сернокислотных заводов являются SO2 и Fe2Оз. Суммарная реакция обжига пирита:

4FeS + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

На самом деле обжиг колчедана очень сложный процесс, состоящий из нескольких последовательных и целого ряда параллельных реакций. В условиях горения FeS2 в печах сернокислотных заводов одна из промежуточных реакций несомненна: при простом нагревании FeS2 диссоциирует по реакции:

2FeS₂ + FeS = S₂

Отделяющаяся сера сгорает в газовой фазе по реакции:

S₂ + 2O₂ = 2SO₂
Процесс получения серной кислоты из элементарной серы метода контактирования с промежуточной абсорбцией триоксида серы состоит из следующих основных стадий:

1.

• 
  разгрузка и складирование комовой серы, плавление и фильтрация жидкой серы;
  
• 
  осушка атмосферного воздуха концентрированной серной кислотой;
  
• 
  сжигание расплавленной серы в атмосфере сухого воздуха:
  

S + O2 = SO2

2.

• 
  каталитическое окисление SO2 в SO3 кислородом в контактном аппарате.
  

SO2 + 0,5O2 = SO₃ (при t=440-600⁰C, ванадиевый катализатор (V₂O₅))

3.

• 
  абсорбция триоксида серы с получением продукционной кислоты и олеума:
  

SO₃ + H₂SO₄ → H₂SO₄ [10]

Обзор рынка.

Производство серной кислоты в России выросло на 29%: с 10 до 13 млн т.

По данным «Анализа рынка серной кислоты в России», подготовленного BusinesStat в 2019 г, с 2014 по 2018 гг объем её производства в стране вырос на 29%: с 10,2 до 13,1 млн т. Ежегодно показатель демонстрировал рост на 2-13% относительно предыдущих лет. Увеличение выпуска связано, прежде всего, с ростом спроса со стороны производителей минеральных удобрений, а также с восстановлением имеющихся производственных мощностей и созданием новых.

Характерной чертой российского рынка серной кислоты является то, что крупнейшие производители данной продукции являются одновременно и ее крупнейшими потребителями. Так, основной производитель серной кислоты ПАО «ФосАгро» произвел в 2017 г 5 437,8 тыс т продукции, при этом поставки кислоты на внутренний рынок были мизерными и не достигли даже 100 тыс т.

Как ожидается, в 2019-2023 гг производство серной кислоты в стране продолжит расти в среднем на 5,2% в год. Поскольку крупнейшие российские производители работают на пределе возможностей, то дальнейшее увеличение выпуска возможно только посредством увеличения производственных мощностей. Так, «ФосАгро» планирует в 2019 г ввести в эксплуатацию новую линию по производству серной кислоты мощностью в 1,1 млн т в год. Благодаря новой линии компания сможет полностью отказаться от покупной серной кислоты и на 100% закрыть потребности собственной продукцией (в 2017 г было закуплено 1 030 тыс т). Кроме того, «Акрон» в 2017 г подписал соглашение с администрацией Смоленской области о строительстве на промышленной площадке ПАО «Дорогобуж» производственного комплекса, состоящего из цехов серной кислоты, экстракционной фосфорной кислоты и цеха по выпуску DAP/MAP, комплексных удобрений NPK, в том числе с различными добавками.

В 2023 г, по оценкам BusinesStat, выпуск серной кислоты в России достигнет 16,9 млн т, что превысит значение 2018 г на 29%.

[11]

Средние Цены производителей России на серную кислоту, реализуемую на внутреннем рынке по состоянию на декабрь 2019 года составили 41861 рублей за тонну – цены выросли за период с начала года почти на 3% [12]

Увеличился спрос со стороны производителей минеральных удобрений

Список литературы

1. Курилкин В.В. Основы химической технологии и лесопереработки. Конспект лекций. – М.: Изд-во РУДН, 2006.

2. Амелин А. Г., Яшке Е. В. Производство серной кислоты: Учебник для проф.-техн. учеб. заведений. - 2-е изд. , перераб. и доп. -- М.: Высш. школа, 1980. - 245 с., ил. (Проф-техобразование. Технология основных химических продуктов).

3. Кошель П.А. Серная кислота // Химия ("ПС"). - 2006 - №18

4. Боресков Г.К. Катализ в производстве серной кислоты (М.; Л.: Госхимиздат, 1954. - 348 с.)

5. ГОСТ Сера

6. ГОСТ Серная кислота

7. Малин К. М., Аркин Н. Л., Боресков Г. К., Слинько М. Г., Пейсахов И. Л., Второв М. Н. Технология серной кислоты и серы, -М., 1941. – 520 с.

8. Акмаева Т.А. , Кожина Л.Ф. Сера и ее соединения: Учебно-методическое пособие. – С.: 2016

9. Цыганков В.Н. Функциональные схемы химико-технологических систем [Электронный ресурс]: Учебно-методическое пособие / Цыганков В.Н., Устюгов А.В. — М.: Московский технологический университет (МИРЭА), 2018. — 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

10. http://festival.1september.ru/articles/419574/

11. https://marketing.rbc.ru/articles/10666/

12. https://stschemical.ru/news/rynok-sernoj-kisloty-v-rossii-v-2019-g/