Физико-химичекое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопастности производства

Получение серной кислоты включает несколько этапов. Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья (необходимость в этой стадии отпадает при использовании в качестве сырья отходящих газов, так как в этом случае обжиг сульфидов является одной из стадий других технологических процессов). 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.

В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO₂ в SO₃ проводят на твердых катализаторах.

Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса – абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SO₃ + H₂O  H₂SO₄

При проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.

Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой, конечным продуктом является серная кислота:

SO₂ + N₂O₃ + H₂O  H₂SO₄ + 2NO

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью. Контактный способ позволяет получить более концентрированную и чистую кислоту. Нитрозным способом получают загрязненную примесями и разбавленную 75 – 77 % -ную серную кислоту, которая используется в основном для производства минеральных удобрений.

Контактный метод получения серной кислоты

Получение H₂SO₄ из колчедана

Первой стадией процесса является окисление сырья с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы:

4FeS₂ +11O₂  2Fe₂O₃ + 8SO₂ (I) ∆Н=-853,8 кДж⁄моль (7117 кДж ⁄кг)

При протекании реакции (I) помимо газообразного продукта реакции SO₂ образуется твердый продукт Fe₂O₃, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Колчедан содержит различные примеси, в частности соединения мышьяка и фтора, которые в процессе обжига переходят в газовую фазу. Присутствие этих соединений на стадии контактного окисления диоксида серы может вызвать отравление катализатора. Поэтому реакционный газ после стадии обжига колчедана должен быть предварительно направлен на стадию подготовки к контактному окислению (вторая стадия), которая помимо очистки от каталитических ядов включает выделение паров воды (осушку), а также получение побочных продуктов (Se и Te).

На третьей стадии протекает обратимая экзотермическая химическая реакция контактного окисления диоксида серы:

SO₂ + 1/2O₂ ↔ SO₃ (III)

Последняя стадия процесса – абсорбция триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом.

Получение H₂SO₄ из серы

Процесс производства серной кислоты из элементарной серы состоит из следующих основных этапов:

• подготовка сырья: очистка и плавление серы; очистка, сушка и дозировка воздуха;

• сжигание серы: S + O₂ = SO₂ (1). Процесс ведут с избытком воздуха. Выделяется очень большое количество теплоты ΔН = - 362,4 кДж/моль (в пересчете на единицу массы 362,4/32 = 11,325 кДж/т = 11325 кДж/кг серы);

• контактное окисление SO₂ в SO₃: SO₂+ 0,5O₂ = SO₃ (2). Процесс идет на ванадиевом катализаторе при температуре 420-550˚C, тепловой эффект реакции при 500˚C составляет 94,23 кДж/моль;

• Абсорбция SO₃: SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (3). Абсорбционная колонна орошается 98,6% H₂SO₄. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~ 93% H₂SO₄ в соответствии с требованиями ГОСТа.