Теория Производство серы. охт сера теория. Серная кислота при обычных условиях представляет собой бесцветную маслянистую жидкость без цвета и запаха

• Название: Серная кислота при обычных условиях представляет собой бесцветную маслянистую жидкость без цвета и запаха
• Анкор: Теория Производство серы
• Дата: 25.05.2022
• Размер: 325.62 Kb.
• Имя файла: охт сера теория.docx
• Тип: Документы; #549964

Введение

Серная кислота – одна из самых сильных минеральных кислот. Серная кислота была известна человеку и использовалась ещё со средних веков, но сейчас её производство зашло далеко вперед и составляет сотни тысяч тонн в год.

Ценность серной кислоты заключается в её многофункциональности, возможности применять в самых различных областях промышленности и лабораторной практики. Вот некоторые области применения серной кислоты: производство минеральных удобрений, минеральных кислот, сульфидов и сульфата аммония, производство взрывчатки, спиртов и органических красителей, очистка нефтепродуктов, производство текстиля и химических волокон, травление металлов и металлургия.

Серная кислота обладает большой стабильностью, может представлять собой самостоятельное химическое соединение или химическое соединение с водой или триоксидом серы (олеум). Серная кислота устойчива в большом диапазоне температур, при подборе подходящего состава её можно использовать в условиях, например, низких температур, и избежать таких не приятных явлений как кристаллизация.

Серная кислота при обычных условиях представляет собой бесцветную маслянистую жидкость без цвета и запаха.

Организация производства серной кислоты представляет собой полезное и выгодное предприятие. Производство серной кислоты позволяет удовлетворять потребности промышленности, эффективно использовать доступное сырье и способствовать экономическому росту страны и повышению уровня жизни населения.

Лидером производства кислоты серной в (тыс. тонн) от общего произведенного объема за 2020 год стал Северо-Западный федеральный округ с долей около 38,1%.

В период 2019-2022 гг. средние цены производителей на кислоты серную выросли на 25,6%, с 2 500,5 руб./тонн. до 3 141,6 руб./тонн. Наибольшее увеличение средних цен производителей произошло в 2022 году, тогда темп прироста составил 31,7%.

В целом по стране производство серной кислоты (олеума) за 9 мес. 2020 г. превысило 10477 тыс. тонн, что на 5,2% больше, чем год назад за аналогичный период. Так выпуск серной кислоты в 2019 г. увеличилась на 2,1%.

В настоящее время в мире производится порядка 170-173 млн. т серной кислоты. Как видно из данных рис.1, лидирующее место в производстве серной кислоты принадлежит США и Китаю, на их долю приходится по 18% мирового производства в целом.

Далее следуют Марокко и Россия примерно с одинаковым объемом выпуска - 8.4-8.7 млн. т и соответствующим удельным весом в 5%. К крупнейшим продуцентам серной кислоты относятся также Индия, Япония и Бразилия.

Наиболее крупными потребителями серной кислоты в мире являются США и Китай, их удельный вес составляет, соответственно, 21% и 19%. Далее следуют Россия, Марокко и Индия с долями около 5% каждая страна.

Исходное сырьё

Самым главным компонентом для получения серной кислоты является диоксид серы. В больших количествах (иногда в низких концентрациях) он содержится в отходящих газах металлургических заводов и тепловых станций. Возможно использование диоксида серы очищенного и полученного из отходящих газов, но их переработка в промышленных масштабах не всегда целесообразна.

Для производства серной кислоты диоксид серы необходимо получать в больших количествах и с высокой степенью чистоты. Самые простые и распространенные способы – обжигание серы или серосодержащих соединений.

Исторический источник диоксида серы – серный колчедан – FeS2 – постепенно утрачивает своё значение, так как затраты на перевозку и очищение его от примесных компонентов, которых в сырье содержится достаточно много, составляют большую статью расходов. А также невозможность избавиться от отхода переработки железного колчедана – огарка создаёт неблагоприятные условия для использования колчедана в качестве сырья для получения диоксида серы.

Схематично уравнение реакции получения диоксида серы из колчедана описывается так: 4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

Сырьё перед использованием проходит следующие стадии:

1. 
   Измельчение колчедан, или пирит, измельчаю до небольших размеров, так чтобы частицы были достаточно мелкими, чтобы не реагировать только на поверхности, но и достаточно крупными, чтобы не слеживаться.
   
2. 
   Обогащение воздуха кислородом, чтобы реакция протекала интенсив нее, и сырье использовалось с наибольшим выходом.
   
3. 
   Обжиг пирита в кипящем слое Чтобы увеличить скорость обжига используют принцип противотока – сверху в печь подают измельченный пирит, а снизу - воздух, обогащенный кислородом.
   
4. 
   Поддержание определенной температуры - оптимальной считается температура 800С. При этой температуре скорость реакции увеличивается. Так как реакция экзотермична, то есть при проведении процесса тепло выделяется и температура повышается, необходимо отводить тепло, чтобы избежать спекания сырья.
   
5. 
   Очистка – колчедан содержит ряд примесей, которые при обжиге пере- ходят в обжиговый газ, например, As₂O₃, SeO₂, TeO₂. Эти соединения осаждают на электрофильтрах, затем подвергают мокрой очистке – промывке серной кислотой.
   

Можно повысить выход и сделать производство более экологичным, если использовать в качестве сырья элементную серу. В этом случае сырьё также необходимо пропускать через все этапы, но получение диоксида серы будет сопровождаться выделением меньшего количества отходов производства.

В нашей работе исходным сырьём служит элементная сера – простое вещество, обладающее различными свойствами в зависимости от строения кристаллической решётки.

Плотность (при н. у.)	2,070 г/см³
Температура плавления	386 К (112,85 °С)
Температура кипения	717,824 К (444,67 °С)
Уд. теплота плавления	1,23 кДж/моль
Уд. теплота испарения	10,5 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	22,61[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	15,5 см³/моль

Таблица 1. Термодинамические свойства простого вещества серы

В настоящее время элементную серу в промышленности получают из природного газа, где сера в больших количествах содержится в виде сероводорода, а также из руд и месторождения серы.

На следующем этапе производства серной кислоты из диоксида серы получают триоксид серы. Если в качестве исходного сырья используют отходящие газы, содержащие диоксид серы, тогда можно перейти сразу к этой ступени.

В промышленности окисление диоксида серы проводят контактным методом с использование катализаторов. Больше всего процесс окисления ускоряют: платина, оксид ванадия (V) и оксид железа. На практике лучше всего себя проявляет катализатор из оксида ванадия (V). Реакция окисления диоксида серы описывается уравнением вида: 2SO₂+O₂=2SO₃.

На последнем этапе производства серной кислоты триоксид серы переводят в серную кислоту с помощью абсорбции. Уравнение можно представить в виде: SO₃+H₂O=H₂SO₄.

Характеристика целевого продукта

Серная кислота H₂SO₄представляет собой соединение олеума и воды. Одну молекулу H₂SO₄ следует рассматривать как соединение одной молекулы SO₃ и одной молекулы H₂O. В широком смысле под серной кислотой понимается соединение любого количества олеума с водой. В растворе возможно содержание свободных молекул воды в серной кислоте, или содержание свободных молекул олеума в серной кислоте, в зависимости от массового отношения компонентов.

Безводная серная кислота при нормальных условиях представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, которая кристаллизуется при 10С. Максимальную температуру кипения имеет раствор серной кислоты с концентрацией 98,3% - температура кипения 336,5С. Плотность паров над раствором при этой же концентрации минимальна, при других концентрациях она увеличивается.

При повышении температуры пары H₂SO₄ с большей скоростью разлагаются на триоксид серы и воду.

Содержание % по массе		Плотность при 20 ℃, г/см³	Температура плавления, ℃	Температура кипения, ℃
H2SO4	SO3 (свободный)
10	-	1,0661	−5,5	102,0
20	-	1,1394	−19,0	104,4
40	-	1,3028	−65,2	113,9
60	-	1,4983	−25,8	141,8
80	-	1,7272	−3,0	210,2
98	-	1,8365	0,1	332,4
100	-	1,8305	10,4	296,2
104,5	20	1,8968	−11,0	166,6
109	40	1,9611	33,3	100,6
113,5	60	2,0012	7,1	69,8
118,0	80	1,9947	16,9	55,0
122,5	100	1,9203	16,8	44,7

Таблица 2. Свойства водных растворов серной кислоты и олеума

При повышении концентрации теплоёмкость и теплопроводность серной кислоты уменьшается.

Серная кислота обладает максимальной вязкостью при повышении концентрации. Повышение температуры способствует снижению вязкости серной кислоты.

Серная кислота является одной из самых сильных минеральных кислот.

При нагревании проявляет сильные окислительные свойства.

Серная кислота хорошо взаимодействует с водой и используется для сушки, или обезвоживания, газов, жидкостей и твердых тел в тех случаях, когда не присутствует сильный восстановитель, который мог бы взаимодействовать с серной кислотой.

Серная кислота при нагревании используется для очистки поверхностей металлов. При нагревании она способна реагировать с образующимися на поверхности оксидами металлов. Также серная кислота реагирует со всеми металлами, стоящими в ряду напряжений металлов левее водорода, с выделением водорода.

Серная кислота образует два ряда солей – сульфаты и гидросульфаты.

Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

Обжиг серосодержащего сырья. На первой стадии, в том случае, если за исходное сырье мы принимаем не отходящие газы, содержащие SO2, нам необходимо провести обжиг и окисление серосодержащего сырья для получения диоксида серы. При горении колчедана происходит несколько реакций:

1. 2FeS2=2FeS+S (-103,9 кДж/моль)

2. S+O2=SO2 (+362,4 кДж/моль)

По такой схеме происходит и горение элементной серы.

Железный колчедан сгорает с образованием оксидов железа Fe2O3 и Fe3O4. Суммарно схему сгорания колчедана можно представить:

1. 4FeS2+11O2= 2Fe2O3+ 8SO2 (+3415,7 кДж/моль)

2. 3FeS2+8O2= Fe3O4+ 6SO2 (+2438,2 кДж/моль)

Для получения Fe3O4 лучше проводить реакцию при высокой температуре и при избытке SO2. Тогда образующийся Fe2O3 можно снова использовать для окисления FeS2.

1. FeS2+ 16Fe2O3= 11Fe3O4+ 2SO2 (-450,8 кДж/моль)

2. 11Fe3O4+2,75O2=16,5Fe2O3 (+1279,2 кДж/моль)

Суммарный тепловой эффект процесса составляет 828,4 кДж/моль, что обеспечивает автотермичность процесса и позволяет получать высококонцентрированный SO2.

Так как в качестве исходного сырья мы используем элементную серу, то нашему процессу отвечает реакция: S+O2=SO2 (+362,4 кДж/моль)

Так как горение серы начинается при нагревании, а в результате реакции выделяется тепло – реакция является автотермичной и может поддерживать себя самостоятельно.

Реакция окисления SO2 в SO3 протекает по уравнению: 1. SO2 +1/2 O2 = SO3 (тепловой эффект реакции: -98,8 кДж/моль)

Реакция окисления сернистого газа в серный простая, обратимая, экзотермическая.

В интервале температур 400 – 1000°С реакция окисления SO₂ обратима. При температурах ниже 400°С равновесие почти полностью смещено в сторону SO3, при температурах выше 1000°С – в сторону исходных веществ. На равновесную степень превращения в соответствии с принципом Ле-Шателье положительно влияют понижение температуры, повышение давления, увеличение концентрации кислорода и вывод SO3 из зоны реакции.

Реакция не протекает без катализатора из-за высокого значения энергии активации (Еа=280 кДж/моль). Реакция ускоряется в присутствии платины (Е_а=70 кДж/моль) при температуре не ниже 25О°С, оксида железа (III) (Е_а=150 кДж/моль) при температуре не ниже 55О°С, оксида ванадия (V) при температуре не ниже 400°С (Е_а=90 кДж/моль).

Платиновый катализатор обладает наибольшей активностью, однако дорог и быстро отравляется ядами (мышьяком, селеном, хлором и др.). Оксид железа (III) - малоактивный катализатор. В настоящее время в производстве серной кислоты применяется только ванадиевый катализатор.

Процесс гетерогенного катализа на пористом катализаторе многостадиен. В общем виде различаются следующие стадии:

• 
  Перенос газообразных веществ из объема к поверхности катализатора (внешняя диффузия);
  

• 
  Диффузия реагирующих веществ внутри пор катализатора (внутрен- няя диффузия);
  

• 
  Адсорбция O₂ и SO₂ на катализаторе;
  

• 
  Химическое взаимодействие исходных веществ с участием катализа- тора;
  

• 
  Десорбция SO₃;
  

• 
  Диффузия SO₃ внутри зерна катализатора к его поверхности (внутрен- няя диффузия);
  

• 
  Отвод продукта реакции в газовую фазу (внешняя диффузия).
  

Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии. В зависимости от выбранных условий скорость образования SO₃ определяется скоростью внешней или внутренней диффузии или же скоростью химического взаимодействия.



Рисунок 1.Зависимость практического выхода SO3 от температуры при различном времени контактирования.

С увеличением времени контактирования максимумы на кривых

смещаются в сторону более низких температур. Кривую, соединяющую эти максимумы, называют линией оптимальных температур (ЛОТ). При проведении процесса по линии оптимальных температур окисление оксида серы (IV) протекает с максимально возможными скоростями в каждый момент. Понижение температуры к концу процесса с 600 до 4000С позволяет получить высокий выход продукта.

Абсорбция оксида серы SO3 в воде описывается следующим уравнением: nSO₃+H₂O↔H₂SO₄+(n-1)SO₃ -∆H

Реакция является обратимой экзотермической и проходит с выделением большого количества тепла. Тепловой эффект зависит от значения n. Для n=1 ∆H=92 кДж.

В случае использования воды в качестве поглотителя, вследствие взаимодействия молекул из-за большого равновесного давления паров над поверхностью, образуется туман из молекул H₂SO₄. Самым лучшим растворителем для олеума является 98,3% H₂SO₄.

Таким образом, растворение олеума проводят в системах при постоянном отводе большого количества тепла.




Функциональная схема производства серной кислоты из серы методом двойного контактирования:

Описание технологической схемы процесса

Рисунок 4. Технологическая схема производства серной кислоты из серы методом двойного контактирования и абсорбции

Расплавленная сера проходит через сетчатые фильтры, чтобы очистить ее от возможных механических примесей и направляется в печь 1, предварительно осушенный продукционной серной кислотой в сушильной башне 9. Обжигающий газ, выходящий из печи, охлаждается в котле-утилизаторе 2 с 1100-1200 Т до 440 ° С.

450 °C и направлен при этой температуре, равной температуре воспламенения промышленных катализаторов на основе пентоксида ванадия, на первый полочный слой контактного аппарата 7.

Температурный режим, необходимый для приведения рабочей линии процесса к линии оптимальных температур, регулируется путем пропускания потоков частично прореагировавшего топочного газа через теплообменники 8, где он охлаждается потоками нагретого газа после После третьей ступени контактирования обжиговый газ охлаждают в теплообменниках 8 и направляют в промежуточный моногидратный абсорбер 10, орошаемый циркулирующей через сборник кислоты 12 серной кислотой с концентрацией, близкой к 98,3%. После извлечения в абсорбере 10 триоксида серы и достигнутого вследствие этого отклонения от почти достигнутого равновесия газ вновь нагревают до температуры зажигания в теплообменниках 8 и направляют на четвертую ступень контактирования.

В этой схеме для охлаждения газа после четвертой ступени и до равновесного перемешивания в него добавляется часть осушенного воздуха. Прореагировавшие в контактном устройстве газы проходят для охлаждения через экономайзер 3 и направляются в конечный поглотитель моногидрата 11, из которого газы, не содержащие оксидов серы, выпускаются через выхлопную трубу 13 в атмосферу.

Для запуска установки нужны пусковая печь 4 и теплообменники пусковой печи 5 и 6. Эти устройства отключаются после ввода установки в эксплуатацию.

ПРИНЦИПЫ НАИЛУЧШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЫРЬЯ, ЭНЕРГИИ, ОБОРУДОВАНИЯ.

1. 
   Принцип наилучшего использования сырья в производстве серной кислоты реализуется благодаря использованию системы двойного контактировании и двойной абсорбции, чтобы не допускать побочные реакции и добиться высокой степени превращения. Также применяют комбинирование производства так, что сырьём для производства серной кислоты могут служить отходящие газы металлургических производств;
   

2. 
   Принцип наилучшего использования энергии реализуется благодаря передаче тепла на стадии охлаждения реагента для создания пара, который используется на более поздней стадии производства. А также благодаря проведению превращения при оптимальной температуре так, чтобы добиться максимального выхода.
   

3. 
   Принцип наибольшей интенсивности процесса реализуют благодаря подбору давления, времени контактирования, системе двойного контактирования и двойной абсорбции в каждый момент проведения процесса согласно ЛОТ.
   

4. 
   Принцип экологической безопасности производства реализован благодаря рациональному использованию тепловой энергии, то есть её утилизации в процессе, а также благодаря высокой степени очистки отходящих газов и повторному использованию непрореагировавшего сырья.
   

5. 
   Принцип технологической соразмерности реализуется нахождением баланса между термодинамикой и кинетикой в процессе окисления SO2 в SO3: для работы катализатора необходима высокая температура, но из-за того, что реакция обратима и при высокой температуре выход смещается в сторону реагентов. Необходимо проводить процесс при переменной оптимальной температуре так, чтобы добиться максимального выхода при высокой скорости процесса.