2. Производство серной кислоты

Серную кислоту не случайно называют "хлебом" химической промышленности. Она используется в производстве других кислот, химических волокон, цветных металлов, при мойке шерсти. В основном кислоту применяют в выпуске фосфорных удобрений. Многоплановое ее применение обусловлено сильной химической активностью, дешевизной производства, удобствами использования - не дымит, не выделяет запаха, а в концентрированном виде не разрушает черные металлы.

Сырьем для производства серной кислоты могут быть различные серосодержащие вещества, но наибольшее практическое значение имеют колчедан, элементарная сера, сернистые газы цветной металлургии, сжигания угля, очистки нефти. Колчедан получают в основном как побочный продукт флотационного обогащения. Он имеет низкую себестоимость, хорошую транспортабельность, что делает его основным сырьем в сернокислотном производстве. Основу флотационного колчедана составляет пирит (FeS₂), содержащий до 45% железа и серу. В нем имеются также сульфиды мышьяка, селена и др., которые образуют газообразные соединения, попадают в сернистые газы и ухудшают их качество. Поэтому сернистые газы требуют дополнительной очистки, что усложняет технологическую схему производства. Достаточно распространенное сырье - элементарная сера. Она наиболее концентрированный серосодержащий ресурс. В результате более эффективны дальние перевозки, снижается расход сырья на выпуск единицы продукции более чем в 2 раза по сравнению с колчеданом. Процесс производства кислоты проще, требует меньших удельных капвложений, экологичнее. Чистая сера имеет достаточную тепловую способность (10000 кдж/кг), что позволяет при получении сернистого газа использовать ее не только как сырье для кислоты, но и как источник энергии в теплоэнергоблоках для собственных производственных целей и поставки другим потребителям (рис.1).Однако запасы элементарной серы в природе ограничены, а

Сжигание серы

абсорбция SO₃ и образование серной кислоты

Серная кислота

себестоимость ее добычи высокая. Это обусловливает повышенную стоимость конечного продукта по сравнению с кислотой, полученной из колчедана. Наиболее эффективное сырье для выпуска кислоты - сернистые газы цветной металлургии, очистки нефти, сероводород природного газа. Себестоимость тонны кислоты из них в 2,5 - 6 раз меньше, чем из элементарной серы и колчедана, сам процесс достаточно экологичен, а в окружающую среду в результате утилизации серы не попадают вредные соединения. Техногенные выбросы серы в атмосферу вдвое превышают ее мировую добычу в качестве сырья для промышленности.

Значительные запасы серы в сульфатах - гипсе, ангидриде. Однако эти виды сырья менее эффективны из-за больших энергетических затрат в производстве.

Исходным этапом производства серной кислоты является получение сернистого ангидрида (SO₂). Для этого колчедан дробят, обжигают в многоподовых печаx, в кипящем слое, как и в металлургическом процессе. При этом газы составляют основной продукт, а оксиды железа - побочный. Образуется так называемый огарок - твердые отходы, содержащие окислы железа, как и в богатых железных рудах, а также незначительную часть невыгоревшей серы (до 2%) и минеральные примеси. Каждый кубический метр сернистых газов содержит до 300 г пыли, а также мышьяк, селен, теллур, фтор и другие вещества, которые загрязняют кислоту, снижают активность катализатора. Поэтому газы обжига колчедана очищают (рис. 2). При использовании высококачественного сырья с практическим отсутствием примесей - элементарной серы, сероводорода - сжигание проводится через форсунки в более простых печах. В этом случае не образуется огарок, а сернистые газы без предварительной очистки применяются в выпуске кислоты, что упрощает технологический процесс, повышает его экологичность (рис.1,3). В производстве кислоты из газов цветной металлургии отсутствует стадия обжига, а сернистые газы в производстве используются после предварительной очистки. Это уменьшает удельные капитальные вложения при создании сернокислотных предприятий.

Основная сложность сернокислотного производства - получение из сернистого ангидрида серного (S0₃), так как взаимодействие сернистых газов с кислородом в обычных условиях осуществляется медленно и для промышленных процессов не приемлемо. В зависимости от метода ускорения отмеченной химической реакции существуют способы получения кислоты: контактный и нитрозный. При нитрозном способе в качестве ускорителя реакции применяют двуокись азота, которая отдает кислород сернистым газам и превращается в окись азота. Последняя вновь окисляется кислородом воздуха до двуокиси и взаимодействует с сернистыми газами. Серный ангидрид соединяется с водой и образует 75% кислоту, которую упаривают до товарного продукта, содержащего 98,5% кислоты. Этот процесс проводят в специальных металлических

Обжиг колчедана

Охлаждение газа

Очистка газа от пыли

Промывка и сушка газа

подогрев газа

Окисление сернистого ангидрида в серный на катализаторе

колчедан

воздух

сернистый ангидрид

РИС. 2. Принципиальная схема производства серной кислоты

башнях, футерованных кислотоустойчивым кирпичом. Поэтому нитрозный способ называют еще башенным.

Контактный способ основан на окислении сернистых газов воздухом, кислородом в присутствии ванадиевого катализатора в контактных аппаратах. Серный ангидрид направляют в абсорбционные башни, куда подается концентрированная серная кислота. Она поглощает серные газы и образуется 100% серная кислота, в которой избыточно растворим ангидрид (Н2S0₄ • nSО₃). Этот продукт называют олеумом. Рассмотренный способ прогрессивнее по сравнению с нитрозным. При контактном получении кислоты - скорость окисления выше, особенно при использовании кислорода, что повышает единичную производительность оборудования, лучше качество конечного продукта, а производство - экологичнее (меньше выбросов окислов азота). В технологическом процессе практически не расходуют топливо. Поэтому подавляющую часть серной кислоты вырабатывают контактным методом.

Размещение сернистого производства обусловлено особенностями сырьевых ресурсов и имеет в зависимости от этого ориентацию на сырье или центры потребления. При использовании сернистых газов промышленности предприятия ориентированы на центры переработки нефти, цветной металлургии как комбинированные производства на основе утилизации отходов и имеют сырьевую ориентацию (Новополоцк). Здесь могут создаваться также предприятия-потребители серной кислоты, выпускающие фосфорные удобрения (Ревда - Россия, Алаверди - Армения и др.). Получение кислоты из колчедана, элементарной серы имеет территориальную ориентацию на пункты потребления как нематериалоемкое производство (Гомель). На 1 т 100% серной кислоты расходуют около 800 кг колчедана или 350 кг элементарной серы, 0,1 кг контактной массы, 100 кВт•ч электрической энергии и 50 куб.м воды. Такое влияние потребителя на размещение предприятий усиливается также худшей транспортабельностью готовой продукции по сравнению с сырьем. Перевозка кислоты требует специальных транспортных средств, упаковки, соблюдения более сложных условий безопасности.