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

Ни 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 продукта

Процесс производства серной кислоты из элементарной серы состоит из следующих стадий:

1. Сжигание серы:

S + O₂ = SO₂

1. Контактное окисление SO₂ в SO₃:

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃

1. 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 112,8^оС, а моноклинная (β-сера) – при 119,3^оС. 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 общего количества сероводорода в воздухе с образованием SO₂. Затем к газу добавляют оставшие­ся сероводорода и на катализаторе ведут восстанов­ление сероводорода до серы, пары которой затем кон­денсируют.

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 (Т_кр=8,48^оС); H₂SO₄ • 2Н₂О (Т_кр=-39,60^оС); H₂SO₄ • 4Н₂О (Т_кр=-28,36^оС), 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.

Физико-химическое обоснование основных процессов производства серной кислоты

Производство серной кислоты включает в себя несколько эта­пов. На первом этапе получают диоксид серы окислением (обжи­гом) серосодержащего сырья. Следующий этап — превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Этот окислительный процесс характеризуется очень высоким значением энергии активации, для понижения которой необходимо, как правило, применение ката­лизаторов. В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO₂, в SO₃, различают два основных метода получения серной кислоты — контактный и нитрозный.