Методические указания к лабораторным работам / Для печати брошюрой / МУ Серная кислота (для печати)

де mприб. і mвитр. – маси прибуткової і витратної частин МБ, відповідно. Для контактного відділення лабораторної установки РМБ має вигляд:

частині МБ, відповідно.

Критерієм правильності складання матеріального балансу є однаковість мас його прибуткової і витратної частин.

При складанні матеріального балансу контактного відділення використовуються дані з табл. 8.2 і 8.3.

Матеріальний баланс оформляється в табличній формі (табл. 8.6).

8.4.1. Складання прибуткової частини матеріального балансу

Масу SO2 в прибутку розраховують як суму маси SO2, який поглинувся в абсорберах з розчином йоду 6 (табл. 8.2) і маси SO2, який окислився до SO3 (табл. 8.3) за формулою, г:

Так як у схемі лабораторної установки не передбачений пристрій для вимірювання кількості повітря, що подається в процес, коефіцієнт надлишку кисню приймається рівним 1,2 від загальної теоретичної потреби. Так як кисень витрачається на спалювання наважки колчедану та окислення SO2, з урахуванням коефіцієнта надлишку повітря, масу кисню в прибутку розраховують за формулою, г:

ся на спалювання наважки колчедану, г; MO2 − молярна маса О2, г/моль.

Масу кисню, що витратився на спалювання колчедану, розраховують за формулою, г:

Масу N2 в прибутку, з огляду на визначену масу кисню і відомий склад повітря, визначають за формулою, г:

20

Надалі хімічна схема виробництва сірчаної кислоти із сірководню ідентична схемі виробництва із сірчаного колчедану, за винятком того, що взаємодія сірчаного ангідриду з водою протікає в газовій фазі з утворенням парів сірчаної кислоти (сірчанокислого туману):

Таким чином, виробництво сірчаної кислоти із сірководню, як і у випадку сірчаного колчедану, складається з трьох різних як за своїм характером, так і за апаратурним оформленням стадій.

Технологічна схема виробництва сірчаної кислоти із сірководню наведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Технологічна схема виробництва сірчаної кислоти із сірководню: I − отримання та очистка сірчистого газу; II − окислення сірчистого газу в сірчаний ангідрид у присутності каталізатора; III – абсорбція сірчаного ангідриду з утворенням сірчаної кислоти; 1 − нагнітач; 2 − піч для спалювання сірководню; 3 − паровий

котел-утилізатор; 4 − контактний апарат; 5 − башта-конденсатор; 6 − електрофільтр; 7 – зрошувальний холодильник; 8 – збірник кислоти; 9 − насос

Газоподібний сірководень під тиском надходить у піч 2, де спалюється в суміші з повітрям, що подається нагнітачем 1. Піч 2 для спалювання сірководню являє собою сталевий циліндричний котел, внутрішні стінки якого обкладені листовим азбестом, а потім футеровані шамотною цеглою. Футерівка виклю-

9

чає проникнення реакційних газів до стінок печі і знижує втрати тепла в навколишнє середовище. Оскільки гази, що виходять з печі, мають високу температуру (близько 10000С), їхнє тепло в котлі-утилізаторі 3 використовується для отримання товарної пари високого тиску (близько 4 МПа). Пара є цінним продуктом і її реалізація дозволяє знизити собівартість цільового продукту − сірчаної кислоти.

Охолоджений до температури 4500С газ надходить у поличний контактний апарат із проміжним теплообміном 4, завантажений ванадієвою контактною масою. Стінки контактного апарата і решітки для контактної маси виготовлені зі сталі, внутрішні стінки апарата футеровані кислототривкою цеглою, що виключає їхнє руйнування сірчаною кислотою, яка конденсується при охолодженні апарата в період зупинок, неминучих у виробничих умовах. Для зниження температури газу після проходження контактної маси його змішують з атмосферним повітрям.

З контактного апарата газ, що містить SO3 і пари води, надходить у баштуконденсатор 5, заповнену кільцевою насадкою і зрошувану сірчаною кислотою. Температура кислоти на вході у башту 50−600С, на виході з башти 80−900С. При охолодженні сірчаний ангідрид і пари води утворюють пари сірчаної кислоти, які потім конденсуються частково на поверхні кислоти, що зрошує башту, (близько 65%) і частково в об’ємі з утворенням туману сірчаної кислоти, що подалі виділяється з газу в електрофільтрі 6. Збільшення температури кислоти, що зрошує башту-конденсатор, зумовлене екзотермічною реакцією утворення сірчаної кислоти і теплом її конденсації. З башти-конденсатора сірчана кислота через зрошувальний холодильник 7 надходить у збірник кислоти 8, звідки через насос 9 частина її виводиться у вигляді цільового продукту, а частина подається на зрошення.

Електрофільтр 6 складається з великого числа циліндричних труб, у центрі яких розташовані коронуючі електроди. Гази, що очищаються, пропускаються через неоднорідне електричне поле, що утворюється між коронуючими електродами і стінками труб (останні служать осаджуючими електродами). При пропущенні струму навколо коронуючих електродів утворюється область іонізованого газу. Зважені в газі краплі сірчаної кислоти (краплі туману), здобуваючи в електричному полі уніполярний електричний заряд, рухаються до осаджуючих електродів і конденсуються на них. Стікаюча з електродів сірчана кислота направляється в збірник 8. Звільнений від туману сірчаної кислоти газ з електрофільтру викидається в атмосферу.

Електрофільтр має істотні переваги перед іншими апаратами, застосовуваними для виділення аерозолів узагалі, і туману зокрема (циклони, відцентрові осаджувачі, волокнисті фільтри й ін.). Він має малий гідравлічний опір, забезпечує високий ступінь очищення газів від зважених, навіть дуже дрібних, часток, що особливо важливо з погляду охорони навколишнього середовища. Після електрофільтру газ виводиться в атмосферу, тому вміст у ньому навіть невеликої кількості сірчаної кислоти призводить до забруднення атмосфери і викликає руйнування на території, що прилягає до підприємства [5].

10

Масу недогарка розраховують шляхом віднімання маси пустого човника від маси човника з недогарком після досліду.

Розрахунок масової концентрації сірчаної кислоти після досліду проводять з використанням даних табл. 7.1 та 8.3. Масову концентрацію розчину сірчаної кислоти після досліду визначають за формулою, %:

ти після досліду, г.

Масу розчиненої сірчаної кислоти (моногідрату) визначають як суму кислоти, що містилася в вихідному поглинальному розчині, та кислоти, що утворилася внаслідок спалювання наважки колчедану за реакцією (1.3) при взаємодії поглинутого SO3 з водою вихідного поглинального розчину:

де mдо досл. – маса розчину кислоти до досліду, г.

розч.

Маси розчинів сірчаної кислоти до і після досліду беруться за даними табл. 8.3.

Дані з визначення фактичного ступеня перетворення SO2, маси отриманої H2SO4, відносного виходу H2SO4, видаткового коефіцієнта з колчедану, коефіцієнта використання сірки та концентрації сірчаної кислоти після досліду заносять до табл. 8.5.

Таблиця 8.5 Кількісні критерії процесуотримання сірчаної кислотина лабораторній установці

8.4. Складання матеріального балансу контактного відділення

Матеріальний баланс (МБ) складається на основі матеріального розрахунку, як при проектуванні, так і при аналізі роботи підприємства або якоїсь його частини, цеху, установки. Завершенням розрахункової частини роботи є складання МБ контактного відділення і лабораторної установки в цілому.

Рівняння матеріального балансу (РМБ) в загальному випадку має такий вигляд:

Коефіцієнт використання сірки, що вигоріла з сировини, визначають за результатами зважування на технічних вагах човника з колчеданом до і після

досліду, як відношення маси сірки, вловленої у вигляді SO2 й SO3 ( mSвл. ), до ма-

си сірки, що міститься у сировині і вступила в реакцію ( mSвиг. ). Результати зважування човника заносять до табл. 8.4.

де mнедог. – маса недогарка, г.

18

3. МЕТА РОБОТИ

Моделювання процесу виробництва сірчаної кислоти з сірчаного колчедану контактним методом. Визначення основних кількісних характеристик процесу та отриманого продукту.

4. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Лабораторна установка для виробництва сірчаної кислоти контактним методом, показана на рис. 4.1, складається з промивної склянки 2; трубчастих електропечей 3 та 4, моделюючих випальну піч і контактний вузол відповідно; абсорберів SO3 5, моделюючих абсорбційну дільницю сірчанокислотного заводу; абсорберів для поглинання неокисленного SO2 6; буферних склянок 7; повітряного мікрокомпресора 1.

Рис. 4.1. Схема лабораторної установки для виробництва сірчаної кислоти контактним методом:

I − отримання SO2; II − окислення SO2 до SO3 на каталізаторі; III − абсорбція SO3 та SO2;

1 − повітряний мікрокомпресор; 2 − промивна склянка; 3 − піч випалу колчедану; 4 − контактний апарат; 5 − абсорбери для поглинання SO3; 6 − абсорбери для поглинання SO2; 7 − буферні склянки; 8 − регулятор температури в контактному апараті; 9 − регулятор температури в печі випалу колчедану; 10 − вмикач; 11 − прилади

11

Призначення промивної склянки 2, заповненої концентрованою сірчаною кислотою − осушення повітря, яке використовується для випалювання колчедану в печі 3 та окислення SO2 до SO3 в печі 4, для запобігання утворенню в системі важковловлюваної туманоподібної сірчаної кислоти.

Велектричній печі 3 розташовують порцеляновий човник зі заздалегідь зваженою на технічних вагах наважкою колчедану, маса якої задається викладачем.

Велектричну піч 4 завантажений ванадієвий каталізатор.

Сірчаний ангідрид уловлюється в абсорберах 5 концентрованою сірчаною кислотою. Залишок неокисленого сірчистого ангідриду уловлюється в абсорберах 6, заповнених 0,5 н. розчином йоду (кількість якого заздалегідь розраховують за заданими викладачем вихідними даними) (табл. 8.1).

Для вирівнювання тиску в системі та уловлювання крапель рідини, що виносяться з газовим потоком, передбачені буферні склянки 7.

Швидкість проходження газу через абсорбери 5 встановлюють таким чином, щоб не було виносу бризок сірчаної кислоти з них та не утворювався туман сірчаної кислоти в абсорберах 6.

5. ПИТАННЯ ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ

При виконанні даної роботи забороняється:

−вмикати установку без дозволу викладача;

−вмикати та вимикати печі вологими руками;

−залишати без нагляду включену установку.

Гарячий порцеляновий човник необхідно брати тільки тигельними щипцями. Кожну рідину належить відбирати за допомогою окремого вимірювального посуду − сірчана кислота, розчин йоду і тіосульфату натрію відміряються

бюретками, на яких зазначена назва відповідної рідини.

Особливої обережності слід дотримуватися при роботі з сірчаною кислотою. При попаданні сірчаної кислоти на відкриті ділянки шкіри невідкладно промити їх рясним струменем води та обробити содовим розчином.

6.ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

6.1.Попередні зауваження

При виконанні роботи необхідно:

а) уважно ознайомитися із завданням; б) не захаращувати своє робоче місце сторонніми предметами, що не сто-

суються виконуваної роботи;

ховується як різниця між його вихідним об’ємом і об’ємом розчину Na2S2O3, що витратився на титрування остаточної кількості йоду.

Масу SO2, поглинутого розчином йоду, розраховують за формулою, г:

8.3. Визначення кількісних критеріїв процесу отримання сірчаної кислоти

Фактичний ступінь перетворення SO2 розраховується за результатами зважування на технічних вагах абсорберів для поглинання SO3 5: пустих, до і після досліду з сірчаною кислотою та за результатом визначення маси SO2, поглинутого розчином J2.

Масу кислоти до і після досліду в кожному абсорбері визначають як різницю мас відповідно абсорбера з кислотою до чи після досліду і пустого абсорбера. Приріст маси SO3 в кожному абсорбері визначають як різницю мас кислоти після і до досліду.

Експериментальні і розрахункові дані з визначення приросту маси SO3 заносять до табл. 8.3.

Фактичний ступінь перетворення SO2 визначають за формулою, %:

де AS – маса 1 г-атома сірки.

Орієнтовну масу SO2 розраховують за формулою, г:

де XSOорієнт2 . – орієнтовний ступінь перетворення SO2, %. Масу кристалічного йоду знаходять за реакцією (7.2), г:

де MJ2 – молярна маса J2, г/моль.

Об’єм 0,5 н. розчину J2, в якому міститься розрахована його маса, визначають заформулою, мл:

г/г-екв.

Таблиця 8.1 Розрахунок орієнтовного об’єму 0,5 н. розчину J2 для поглинання SO2

Маса наважки колчедану, г

Вміст S в колчедані, %

Маса S в наважці, г

Максимально можлива маса SO2, г

Орієнтовний ступінь контактування, %

Орієнтовна маса SO2, г

Маса кристалічного J2, г

Вихідний об’єм 0,5 н. розчину J2, мл

8.2. Визначення фактичної маси SO2, що не окислився на каталізаторі

Для зручності розрахунку титрування залишкової кількості йоду проводять 0,5 н. розчином Na2S2O3.

Так як розчини тіосульфату натрію і йоду мають однакову нормальну концентрацію, то об’єм 0,5 н. розчину J2, що вступив у взаємодію з SO2, розра-

16

в) не відволікатися та не заважати товаришам, нічого не брати з іншого столу – все необхідне для виконання роботи наявне на вашому робочому місці; г) при виникненні будь-яких ускладнень звертатися за роз’ясненням до

викладача; д) по закінченні роботи навести порядок на робочому місці;

е) отриману зміцнену сірчану кислоту вилити в ту ж склянку, з якої вона була взята для роботи (ні в якому разі не зливати у раковину!).

Обов’язковим є виконання наведених вище вимог техніки безпеки.

6.2. Виконання роботи

Заздалегідь за заданими викладачем вихідними даними розраховують об’єм 0,5 н. розчину йоду (табл. 8.1). Так як у роботі використовуються два абсорбери для поглинання SO2 6, в кожен з них за допомогою бюретки слід залити половину розрахованого об’єму розчину йоду.

Для кількісного контролю процесу утворення SO3 абсорбери 5 зважують на спеціальних вагах для зважування сірчаної кислоти тричі:

−до досліду порожніми;

−до досліду після наповнення кожного з них за допомогою бюретки концентрованою сірчаною кислотою по 25 мл (визначення початкової маси H2SO4);

−після досліду (визначення приросту маси SO3).

Дані за результатами зважування абсорберів для кислоти заносять до табл. 8.3.

На технічних вагах у порцеляновому човнику зважують задану викладачем кількість сірчаного колчедану. Дані за результатами зважування човника заносять до табл. 8.4.

По досягненні температури 700−8000С в електропечі 3 і 4500С в електропечі 4 човник з наважкою колчедану розташовують у печі 3 і вмикають повітряний мікрокомпресор 1.

Під час протікання процесу отримання сірчаної кислоти визначають її початкову концентрацію.

Дослід ведуть заданий викладачем час, вимикають печі і мікрокомпресор, витягають човник з огарком з печі 3, розташовують його у витяжній шафі і зважують після охолодження. Після цього виконують титрування залишку йоду 0,5 н. розчином тіосульфату натрію і визначають приріст маси SO3 в абсорберах 5.

13

7.МЕТОДИКИ АНАЛІЗІВ І ВИЗНАЧЕНЬ

7.1.Визначення початкової концентрації сірчаної кислоти

Визначення початкової концентрації сірчаної кислоти проводять за допомогою заздалегідь зваженого на аналітичних вагах стаканчика з притертою пробкою, в який поміщують невелику кількість сірчаної кислоти (0,5−0,7 мл) і повторно зважують на аналітичних вагах.

За різницею мас стаканчика з кислотою і пустого стаканчика визначають наважку кислоти. Кислоту переливають у колбу для титрування, при цьому на стінках стаканчика залишається деяка кількість кислоти, яку також необхідно перенести в колбу для титрування, для чого порожній стаканчик декілька разів ополіскують дистильованою водою та виливають промивні води у колбу.

Після цього проводять титрування 1 н. розчином лугу. Початкову концентрацію кислоти розраховують за формулою, %:

де Vлуг − об’єм 1 н. розчину лугу, що пішов на титрування, мл; Nлуг – нормальність розчину лугу, г-екв/л; mнав. − маса наважки кислоти, г; 0,049 − маса сірчаної кислоти, що відповідає 1 мл 1 н. розчину лугу, г.

Дані заносять до табл. 7.1.

7.2. Визначення кількості остаточного йоду

Залишок сірчистого газу, що не окислився до SO3, поглинається 0,5 н.

Для визначення кількості поглинутого SO2 необхідно знати вихідну і кінцеву кількості йоду в абсорберах 6. Першу величину знаходять розрахунковим шляхом (див. підрозд. 8.1), другу − визначають титруванням розчином Na2S2O3:

По закінченні експерименту робочі розчини йоду (що поглинули певну кількість SO2) зливають в одну колбу, ретельно перемішують і титрують без індикатора до значного посвітління. Після цього до суміші додають 15–20 крапель розчину крохмалю і проводять остаточне титрування йоду до повного знебарвлення суміші. Визначений об’єм тіосульфату натрію, що витратився на титрування, заносять до табл. 8.2.

У випадку, коли прореагував увесь йод з робочих розчинів (після їх зливання суміш має прозоре або трохи жовтувате забарвлення), і вони наситилися деякою кількістю SO2, в суміш добавляють 15−20 крапель розчину крохмалю і проводять титрування 0,5 н. розчином йоду до появи темного забарвлення. В цьому випадку об’єм розчину йоду, що витратився на титрування, добавляють до його розрахункового об’єму, сумарний об’єм заносять до табл. 8.2 і використовують для подальших розрахунків.

8.ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ЕКСПЕРИМЕНТУ

8.1.Визначення орієнтовної кількості 0,5 н. розчину йоду для абсорбції SO2, що не окислився на каталізаторі

Даний розрахунок виконується перед початком роботи і передбачає знання наступних вихідних даних, що задаються викладачем:

−маса наважки сірчаного колчедану;

−вміст S в сірчаному колчедані;

−орієнтовний ступінь перетворення SO2.

Вихідні дані і результати розрахунків заносять до табл. 8.1. Масу сірки в колчедані визначають за формулою, г:

де mколч. – маса колчедану, г; CS – вміст сірки в колчедані, %.

Максимально можливу масу SO2, яка може утворитись при спалюванні наважки колчедану, розраховують, з огляду на реакцію горіння піриту і його вмісту в колчедані, за формулою, г:

де MSO2 і MFeS2 – молярні маси відповідно SO2 і FeS2, г/моль; mFeS2 – маса

FeS2 в наважці колчедану, г.

Масу FeS2 розраховують за формулою, г:

15