- •1. Основные понятия
- •Модуль 2
- •Примеры расчетов с использованием стехиометрии химических процессов
- •Примеры термодинамических расчетов ХТП
- •Практические индивидуальные задания
- •4. Закономерности протекания гетерогенных технологических процессов
- •4.1. Основные понятия. Стадии гетерогенного процесса
- •4.2. Кинетические модели гетерогенных процессов
- •Модуль 3
- •1. Общие представления о химическом агрегате и реакторе.
- •Модели реакторов
- •Примеры технологических расчетов химических реакторов
- •Nq = 2 • 1,6 • 349 • 0,55 • 24 = 14745,6 (моль/сут) = 14,75 (кмоль/сут).
- •Индивидуальные практические задания
- •3. Анализ химико-технологической системы
- •4. Создание химического производства как химико-технологической системы
- •4.1. Основные задачи синтеза химико-технологической системы
- •4.2. Принципы создания химического производства
- •Индивидуальные практические задания
- •Модуль 5.
- •1.3. Получение спиртов
- •2.1с Технология производства серной кислоты
- •2.2. Технологические модели синтеза аммиака
- •2.4. Получение фосфорной кислоты и фосфорных удобрений
- •Индивидуальные практические задания
- •Модуль 6
- •1. Технологические процессы переработки отходов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств
- •1.2. Основные методы н технологии утилизации
- •2. Технологические процессы переработки отходов основного неорганического синтеза
- •2.1. Технологические процессы переработки отходов сернокислотного производства
- •2.2. Технологические процессы переработки отходов производства фосфорной кислоты
С2Н5ОН <-> СН2= СН2 + Н20 (1-2 %);
С2Н5ОН <-* СНзСНО +Н2 (1-2 %).
Селективность по этанолу в промышленных условиях составля ет 95 %
Синтетический спирт по качеству почти не отличается от получен ного из пищевого сырья, но себестоимость его в несколько раз ниже.
2.Применение теории химико-технологических процессов
исистем в основных производствах неорганических веществ
Кпроизводствам основного неорганического синтеза относят производство кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений.
Рассмотрим кратко технологические процессы, лежащие в основе получения многотоннажных продуктов основного неорганического синтеза: серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и минеральных удобрений на ее основе, фосфорной кислоты.
2.1с Технология производства серной кислоты
Серная кислота является одним из основных продуктов основного неорганического синтеза и широко используется в различных отрас лях промышленности для производства минеральных удобрений, цветных металлов гидрометаллургическим и электрохимическим ме тодами; химических волокон, лаков, красок, органических раствори телей, взрывчатых веществ, а также для осушки газов; в гальваниче ских производствах и т. п.
Сырьем для получения серной кислоты являются серосодержащие соединения, обжигом которых получают оксид серы (IV). В промыш ленности 80 % серной кислоты производят из природной серы и серного колчедана FeS2.
В качестве сырьевой базы для получения серной кислоты в на стоящее время широко используют отходы производств:
• газы, образующиеся при обжиге сульфидных руд, содержащих цветные металлы (меди, цинка, свинца и др.), например:
CuS + 0 2 <-> CuO + S02.
При выплавке 1 т меди возможно получение из образующихся га зов Ют серной кислоты;
• сероводород, образующийся при очистке от сернистых соедине ний нефти и природного газа.
Основные стадии процесса синтеза серной кислоты:
Обжиг серосодержащего сырья. Химическая модель обжига серного колчедана или пирита была рассмотрена в модуле 4.
Суммарная реакция: |
|
4FeS2 + 1102 = 2Fe20 3 + 8S02. |
(5.16) |
Процесс проводят в печах кипящего слоя при температуре 1100— 1170 К в избытке кислорода (воздуха). Концентрация S02 в обжиго вом газе составляет 13-15 %.
Обжиг другого серосодержащего сырья можно представить сле дующими реакциями.
Сжигание серы (температура плавления 386 К, температура вос пламенения - 470 К, температура кипения 718 К, теплота сгорания
серы 11325 кДж/кг): |
|
S2 + 202 = 2S02. |
(5.17) |
Перед сжиганием серу расплавляют, очищают от примесей фильт рованием и подают на сжигание в печь. Процесс протекает в парогазо вой фазе, поэтому для увеличения скорости испарения серы и интен сивности протекания реакции целесообразно диспергировать ее в по токе воздуха. Для сжигания серы используют циклонные и форсуноч ные печи. При горении серы температура в печи составляет 1300 К. Тепло реакции утилизируют в котле-утилизаторе и используют для расплавления серы.
Использование серы в качестве сырья позволяет получить обжи говый газ с высоким содержанием S02 (до 15—20 об. %).
Сжигание сероводорода:
2H2S + 302 = 2S02 +2Н20 +1038 кДж. |
(5.18) |
Сероводород, смешанный с избытком воздуху подается в печь с на садкой из огнеупорного кирпича. При горении образуется S02 и экви молярное количество паров воды, которые не выделяют из газа, а пода ют на контактирование (метод мокрого катализу), затем образующий ся S03 взаимодействует с водой с образованием верной кислоты. При этом образуется так называемое купоросное масло.
Очистка и промывка обжигового газа. Обадговые газы содержат примеси. Газы обжига колчедана содержат пыль, примеси соединений тяжелых металлов, фтора, селена и др.
При горении образуются оксиды азота, SO3 , пары воды, присутствие которых может приводить к коррозии оборудования- и отравлению ката лизаторов. Первичную очистку от пыли осуществляют в циклонах или в электрофильтрах. Для глубокой очистки и удаления газообразных при месей обжиговый газ промывают растворами серной кислоты. Обычно процесс ведут в три ступени. В первой промывной башне газ охлаждает ся до 340 К, при смешении с кислотой образуется сернокислотный ту ман с высокоразвитой поверхностью, что интенсифицирует процесс аб сорбции примесей. Во второй промывной башне с насадкой газ промы вается 20 % раствором серной кислоты. При этом на насадке концентри руется влага и агрегированные капли тумана. В третьей башне осущест вляется осушка газа концентрированной серной кислотой.
Каталитическое окисление S 0 2:
S0 |
2 |
2 |
0 |
2 |
3 |
(5.19) |
|
+ У |
|
SO . |
|
Окисление диоксида серы является экзотермической каталитиче ской обратимой реакцией.
Зависимость константы равновесия от температуры имеет вид
( 5.20)
Равновесную степень превращения можно определить по форму ле (см. модуль 2, пример 4):
|
г |
|
|
(l-0,5 C°SOix) |
x = KB- |
K |
|
+ |
|
р |
(5.21) |
|||
р |
|
|
^ ( с ^ - 0 , 5 С ^ х ) - Р |
х определяют методом подбора и решения уравнения на ЭВМ. Степени превращения 0.99 достигаются при температуре 670-690 К.
В качестве катализаторов используют соединения ванадия. Тем пературные границы его использования 680-880 К.
На ванадиевом катализаторе скорость процесса описывается эм пирическим уравнением Борескова:
со = |
(5.22) |
Реакция экзотермическая обратимая, поэтому необходим выбор оптимальных температур (см. модуль 2). В промышленности для дос тижения оптимальных температур, близких к теоретическим, процесс проводят в многослойном реакторе с промежуточным отводом тепло ты между слоями с помощью теплообменников или путем поддува холодного исходного газа.
Абсорбция S 0 3:
so3 + н2о = H2SO4. |
(5.23) |
Это процесс экзотермический. Наиболее полная абсорбция S03 происходит 98,3 % серной кислотой (азеотропная точка). При исполь зовании кислоты меньшей концентрации образуются грудноулавливаемые пары серной кислоты. На процесс абсорбции S03 влияет тем пература. При понижении температуры увеличивается растворимость газов и скорость экзотермической реакции образования кислоты. При температуре менее 370 К S03 поглощается практически полностью.
Оптимальные условия абсорбции: Т= 350 К, концентрация сер ной кислоты должна быть близка к концентрации азеотропной сме си - 98,3 %.
Технологическая схема процесса рассмотрена в модуле 4.