Тема 5. Примеры инженерного оформления химико-технологических процессов.

§1. Производство серной кислоты

Серная кислота принадлежит к числу сильных кислот и является самой дешевой из них (она более чем в 2 раза дешевле азотной и соляной). Серная кислота удобна для использования, она не дымит, не имеет запаха, при комнатной температуре находится в жидком состоянии и в концентрированном виде не разрушает черные металлы. Этими достоинствами объясняется ее широкое распространение. Мировое производство серной кислоты составляет 150 млн. т. в год; это больше, чем вырабатывается азотной, соляной, уксусной и других кислот вместе взятых.

По количеству серной кислоты, вырабатываемой на душу населения, судят о степени химизации страны.

Серная кислота применяется в производстве самых разнообразных веществ: минеральных солей и кислот, всевозможных органических соединений, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ, и т.д. Трудно назвать какое-либо производство, в котором не принимала бы участия серная кислота прямо или косвенно. Особенно большое количество серной кислоты потребляется в производстве минеральных удобрений (около 40%).

1.1. Методы получения серной кислоты абаиывает огромные массы сырья, расходует большие колическтва воды, топлива и энергииенноме

Исходным веществом для получения серной кислоты служит сернистый ангидрид SO₂, который получают обжигом различного серосодержащего сырья. переработка сернистого ангидрида в серную кислоту заключается в его окислении и присоединении воды:

SO₂ + ½ O₂ ↔ SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Скорость взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом в обычных условиях очень мала. Поэтому в промышленности эту реакцию проводят либо в присутствии катализатора – контактный метод производства серной кислоты, - или же в качестве окислителя применяют нитрозу (N₂О₃) – нитрозный метод производства серной кислоты:

SO₂ + N₂O₃ + H₂O → H₂SO₄ + 2 NO

Основным сырьем для получения сернистого ангидрида и, следовательно, серной кислоты является флотационный колчедан, содержащий пирит FeS₂, элементарная сера и отходящие газы цветной металлургии, содержащие SO₂. Из флотационного колчедана получают 32% серной кислоты, из серы – 48%, из отходящих газов – 20%.

На практике для окисления сернистого ангидрида используют контактный метод, по нему в нашей стране получают 85% всей серной кислоты.

1.2. Абаиывает огромные массы сырья, расходует большие колическтва воды, топлива и энергииенноПроизводство серной кислоты контактным методом из

флотационного колчедана

Химическая и принципиальная схемы производства

Химическая схема включает три основных химических процесса:

а) окисление пирита кислородом воздуха, т.е. получение сернистого ангидрида:

4 FeS₂ + 11 O₂ ==== 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂ + Q (1)

б) окисление сернистого ангидрида в серный ангидрид на катализаторе:

SO₂ + ½ O₂ ↔ SO₃ + Q (2)

в) соединение серного ангидрида с водой и образование серной кислоты абсорбцией серного ангидрида:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄ + Q (3)

Принципиальная схема производства серной кислоты из флотационного колчедана является схемой с открытой цепью, т.е. проточной, когда газ последовательно проходит все аппараты; схема включает семь операций (рис.5.1):

Операция 1 – обжиг сырья, в процессе обжига содержащийся во флотационном колчедане пирит вступает во взаимодействие с кислородом воздуха по реакции (1). В результате образуется сернистый ангидрид, содержащий 12-15% SO₂ и огарок Fe₂O₃. Сернистый ангидрид охлаждают с использованием тепла для получения пара (операция 2), а затем освобождают от пыли (операция 3) и подвергают специальной очистке (операция 4 – газ охлаждают, промывают, сушат). Очищенный сернистый ангидрид нагревают теплом отходящих газов (операция 5) и в присутствии катализатора окисляют до серного ангидрида по реакции (2) (операция 6). После окисления газ охлаждают (операция 5) и направляют на выделение серного ангидрида абсорбцией 98,3 %-ной серной кислотой (операция 7), при этом серный ангидрид соединяется с водой (избыток ее имеется в серной кислоте) по реакции (3). Образующуюся серную кислоту выводят из процесса в качестве готового продукта.