Производство серной кислоты при повышенном давлении - Курсовая работа

Серную кислоту выпускают нескольких сортов, в зависимости от того, для производства какого продукта она требуется. Олеум представляет собой раствор серного ангидрида в серной кислоте. В металлургии серную кислоту применяют для обнаружения микротрещин в готовой продукции, а также серную кислоту используют в цехах гальванопокрытий. Химическая схема производства серной кислоты из серы включает следующие стадии: S O2 =>SO2 Qp (1) Составим уравнение, где x - это колво серы (сернистого газа, так как окисление серы до диоксида происходит 100%).: После 1ой ступени окисления поток: После абсорбции в олеумном абсорбере: После 2ой ступени окисления: После абсорбции в моногидратном абсорбере: Общее аналитическое выражение для расчета общей степени превращения сернистого газа: Найдем количество серы, затраченное на образование олеума и серной кислоты.

Среди многих сотен тысяч органических соединений, известных в настоящее время, серной кислоте принадлежит особая роль.

Широкий спектр применения серной кислоты, прежде всего, обусловлен ее физическими и химическими свойствами. Серная кислота - бесцветная едкая тяжелая маслообразная жидкость без запаха, смешивается с водой в любых соотношениях. Эта кислота гигроскопична, то есть способна поглощать влагу из воздуха. При обычной температуре она не летуча и не имеет запаха. Серная кислота взаимодействует почти со всеми металлами. Скорость этого взаимодействия зависит от природы металла, концентрации кислоты и температуры.

На поглощении воды серной кислотой основана осушка газов.

Серную кислоту выпускают нескольких сортов, в зависимости от того, для производства какого продукта она требуется. Например, для производства медицинских препаратов, особо чистых реактивов, для заливки аккумуляторов требуется чистая кислота. В других случаях для производства подойдет менее чистая серная кислота, так называемое купоросное масло. Сернокислотная промышленность выпускает олеум, используемый при производстве некоторых органических препаратов и взрывчатых веществ. Олеум представляет собой раствор серного ангидрида в серной кислоте.

В современном мире многие отрасли промышленности такие как, металлургия, нефтяная промышленность, производство удобрений, микроэлектронное производство, тонкие химические технологии - немыслимы без применения серной кислоты.

Например, большое количество серной кислоты используется для получения фосфорных и азотных удобрений. В металлургии серную кислоту применяют для обнаружения микротрещин в готовой продукции, а также серную кислоту используют в цехах гальванопокрытий. Также серная кислота необходима для переработки различных руд и ископаемых. Большое количество серной кислоты требуется нефтеперерабатывающей промышленности для очистки нефти и ее различных фракций. В органическом синтезе концентрированная серная кислота - необходимый компонент при получении многих красителей и лекарств.

1. Теоретическая часть

1.1 Производство серной кислоты

Сырьевая база производства серной кислоты - это серосодержащие соединения, из которых с помощью обжига можно получить диоксид серы. В промышленности около 80% серной кислоты получают из природной серы и железного колчедана. Иногда в качестве сырья используют отходящие газы цветной металлургии, получаемые при обжиге сульфидов цветных металлов и содержащие диоксид серы, а в некоторых производствах применяют сероводород, образуемый при сероочистке в нефтепереработке. При получении серной кислоты из отходящих газов стадия обжига входит в состав другого производства.

Химическая схема производства серной кислоты из серы включает следующие стадии: S O2 =>SO2 Qp (1)

SO2 1/2 O2 SOЗ Qp (2)

SOЗ H2OH2SO4 Qp (3)

Минеральное сырье содержит примеси, поэтому функциональная схема включает еще стадию очистки газа после его обжига. Сера - легкоплавкое вещество с температурой плавления 386 К. Перед сжиганием ее расплавляют, используя пар, получаемый при утилизации теплоты горения. Расплавленная сера отстаивается и фильтруется для удаления имеющихся в природном сырье примесей, затем насосом подается в печь сжигания.

При горении серы по реакции 1 часть кислорода эквимолярно переходит в диоксид серы, поэтому суммарная концентрация О2 и SO2постоянна и равна концентрации кислорода Со в исходном газе (а b = Со), так что при сжигании серы в воздухе:

b = 0,21 - a.

Описание технологического процесса, функциональная и операторная схемы. серный кислота диоксид производство

Рис. 1 - Технологическая схема производства серной кислоты при повышенном давлении

Расправленная сера подается с потоком воздуха в печь 2 , где сжигается до диоксида серы.

Сернистый газ охлаждается в котле-утилизаторе 3 и направляется в контактный аппарат 4, где на катализаторе осуществляется процесс окисления SO2 в SO3 методом двойного контактирования с промежуточной абсорбцией SO3 в абсорбере 6.

Трехслойный контактный аппарат 4 составляет первую ступень контактирования. Нагретый за счет химической реакции газ после прохождения каждого из трех слоев катализатора охлаждается в теплообменнике 8.

Газ после первой ступени освобождается от SO3 в абсорбере 6.

Контактный аппарат 5 представляет собой вторую ступень контактирования - в ней происходит доокисление непрореагировавшего SO2.

После доокисления газовая смесь охлаждается в экономайзере 13 и поступает в моногидратный абсорбер 7.

Сушка атмосферного воздуха нагнетаемого компрессором 10 производится в сушильной башне 1 орошаемой концентрированной серной кислотой.

После абсорбера 7 газ подогревается в теплообменнике 8, после чего отправляется на газовую турбину 12 и затем в экономайзер 13.

Продукция в виде олеума и моногидрата отбирается из абсорберов 6 и 7.

Рис. 2 - Структурная схема производства серной кислоты при повышенном давлении: 1 - сушильная башня; 2 - печь для сжигания серы; 3- котел-утилизатор; 4,6,8,15 - контактный аппарат; 5,7,9,10 - теплообменники; 11 - олеумный абсорбер; 12 - компрессор; 9,13,20 - сборники; 14 - паровая турбина; 16,19 - экономайзеры; 17 - моногидратный абсорбер; 18 - газовая турбина

Рис. 3 - Операторная схема производства серной кислоты при атмосферном давлении:1 - сушильная башня; 2 - печь для сжигания серы; 3- котел-утилизатор; 4,6,8,15 - контактный аппарат; 5,7,9,10 - теплообменники; 11 - олеумный абсорбер; 12 - компрессор; 9,13,20 - сборники; 14 - паровая турбина; 16,19 - экономайзеры; 17 - моногидратный абсорбер; 18 - газовая турбина

Основные этапы сернокислого производства.

Процесс производства серной кислоты из элементарной серы состоит из следующих основных этапов: 1. Подготовка сырья: очистка и плавление серы; очистка, сушка и дозировка воздуха;

2. Сжигание серы: S O2 = SO2 (1).

Процесс ведут с избытком воздуха. Выделяется очень большое количество теплоты ?Н = -362,4 КДЖ/моль

3. Контактное окисление SO2 в SO3:

SO2 0,5O2 = SO3 (2). на ванадиевом катализаторе при температуре 420-550?C, тепловой эффект реакции при 500?C составляет 94,23 КДЖ/моль;

4. Абсорбция SO3: SO3 H2O = H2SO4 (3).

Абсорбционная колонна орошается 98,6% H2SO4. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~ 93%

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс процесса

Воздух (N2,O2)

Рис. 4

Расчет производительности серной кислоты (кмоль/ч).

Производительность по 100% серной кислоте - 1300 т/сутки.

Тогда: П(т/сутки)=П*1000/(колво часов в сутки)=П(кг/ч).

П (с.к.) = 1 300 000 / 24 = 54 166,667 кг/ч.

П (с.к.) (кмоль/ч) =( П (с.к.) кг / ч ) / (М (с.к.) кг / кмоль).

М (с.к.) = 2 32 64 = 98 кг / кмоль.

П (с.к.) = 54 166,667/98 = 552,721 кмоль /ч.

Рассчитаем количество получившегося олеума:

где n - массовое соотношение кислоты и олеума

На основании этих данных, а также зная степени превращения и абсорбции мы можем рассчитать количество серы, необходимое для получения продуктов. Примем, что вся сера сгорает полностью:

По реакциям, проходящим, видим, что стехиометрические соотношения одинаковы и равны единице: S O2 = SO2

SO2 O2 = SO3

SO3 H2O = H2SO4

Составим уравнение, где x - это колво серы (сернистого газа, так как окисление серы до диоксида происходит 100%).: После 1ой ступени окисления поток:

После абсорбции в олеумном абсорбере:

После 2ой ступени окисления:

После абсорбции в моногидратном абсорбере:

Общее аналитическое выражение для расчета общей степени превращения сернистого газа:

Найдем количество серы, затраченное на образование олеума и серной кислоты. Олеум состоит из SO3 и серной кислоты. Содержание SO3в олеуме 6%:

Количество серы, затраченное на образование товарной кислоты:

Общее количество серы, затраченное на образование товарных продуктов:

Доля серы, потерянная в отходящих газах:

Зная количество серы, рассчитаем количество воздуха, необходимое для ее сжигания. По уравнению реакции окисления найдем количество затраченного кислорода: S O2 = SO2

Концентрацию кислорода в сернистом газе можно найти по уравнению:

Количество кислорода, оставшегося после реакции:

Определим поток сухого воздуха.

Для этого составим пропорцию:

Определим количество воды в воздухе до осушки.

Количество влажного воздуха:

Часть поступившего кислорода также уйдет на окисление диоксида серы в триоксид серы. Рассчитаем это количество оставшегося кислорода после 1-ой ступени окисления с учетом степени превращения диоксида серы: SO2 O2 = SO3

Рассчитаем кислород, оставшийся после 2ой ступени окисления. Для этого рассчитаем количество диоксида серы, идущего на эту стадию:

Колво азота не меняется в ходе реакции.

Найдем количество воды, поступающей в систему из крана, для этого сложим поступающие потоки и вычтем исходящие:

В отходящие газы входят непрореагировавшие диоксид серы, кислород и азот.

Постоим материальный баланс ХТС производства серной кислоты в целомна основе рассчитанных данных: Приход Расход

Статья прихода кг/ч масс.% куб.м/ч об.% Статья расхода кг/ч масс.% куб.м/ч об.%

Сера 21336,5 Отходящие газы 111541,8 100 89074,0 100

Воздушная смесь 146993,544 100 115801,4 100 Кислород 1441,574 1,29 1009,0 1,133

Кислород 33437,824 22,75 23406,0 20,21 Азот 110066,152 98,86 88052,992 98,85

Азот 110066,152 74,88 88052,992 76,04 Сернистый газ 34,112 0,03 11,94 0,013

Вода 3489,569 2,37 4342,42 3,75

Вода из крана 9067,937 Олеум 10976,0

Серная кислота 98,6% 54880,108

Итого 177397,9 100 115801,4 100 Итого 177397,9 100 89074,0 100

Материальный баланс для печи сжигания серы.

Рис. 5

По условиям задания сера сгорает полностью (100%).

S O2 = SO2

Также учтем ранее вычисленные значения для кислорода и азота: Приход Расход

Статья прихода кг/ч масс. м3/час об. Статья расхода кг/ч масс. м3/час об.

Реакционная смесь 164840,5 1 111460,2 1

Сера 21336,5 1 111459,0 1 Сернистый газ 42673,0 0,2589 14936,462 0,134

Воздух 143503,975 0,233 23406,0 0,21 Кислород 12101,312 0,0734 8470,749 0,076

Кислород 33437,824 0,767 88052,992 0,79 Азот 110066,152 0,6677 88052,992 0,79

Азот 110066,152

Итого 164840,5 1 111459,0 1 Итого 164840,5 1 111460,2 1

Материальный баланс для 1-ой ступени окисления (степень превращения сернистого газа 0,96).

Рис. 6

SO2 O2 > SO3

Вступило в реакцию:

Найдем массовые потоки:

Осталось после реакции:

Приход Расход

Статья прихода кг/ч масс. м3/час об. Статья расхода кг/ч масс. м3/час об.

Реакционная смесь 164840,5 1 111460,203 1 Реакционная смесь 164840,5 1 104290,5 1

Сернистый газ 42673,0 0,2589 14936,462 0,134 Сернистый газ 1706,921 0,0104 597,458 0,0057

Кислород 12101,312 0,0734 8470,749 0,076 Триоксид серы 51207,632 0,3106 14338,252 0,1375

Азот 110066,152 0,6677 88052,992 0,79 Азот 110066,152 0,6677 88052,992 0,8443

Кислород 1859,776 0,0113 1301,817 0,0125

Итого 164840,5 1 111460,203 1 Итого 164840,5 1 104290,5 1

Материальный баланс для 2-ой ступени окисления, (х = 0,98).

SO2 O2 > SO3

Рис. 7

Образуется:

Всего:

Вступило в реакцию:

Осталось после реакции:

Приход Расход

Статья прихода кг/ч масс. м3/час об. Статья расхода кг/ч масс. м3/час об.

Реакционная смесь 113632,8 1 89952,3 1 Реакционная смесь 113632,8 1 89659,5 1

Сернистый газ 1706,921 0,015 597,458 0,0066 Сернистый газ 34,112 0,0003 11,94 0,0001

Триоксид серы 0 0 0 0 Триоксид серы 2091,0 0,0184 585,496 0,0065

Азот 110066,152 0,9686 88052,992 0,9789 Азот 110066,152 0,9686 88052,992 0,9821

Кислород 1859,776 0,0164 1301,817 0,0145 Кислород 1441,568 0,0127 1009,08 0,0113

Итого 113632,8 1 1 Итого 113632,8 1 89659,5 1

2.2 Расчет сушильной башни

Для расчета сушильной башни нам необходимо знать все потоки входящие и выходящие из нее.

Рис. 8

Количество влажного воздуха (из расчетов в самом начале работы):

Входящие потоки: влажный воздух, вода из крана, олеум из олеумного абсорбера.

Выходящие потоки: сухой воздух, 92,4%-ая серная кислота.

Таким образом, обозначив массовый поток олеума за «х», а массовый поток 92,4%-ой кислоты - «у», можно составить материальный баланс по водеи по «связанному» триоксиду серы (ТС):

Таким образом:

Материальный баланс будет выглядеть следующим образом: Приход Расход

Статья прихода кг/ч масс. м3/час об. Статья расхода кг/ч масс. м3/час об.

Влажный воздух 146993,544 1 115801,4 1 Сухой воздух 143503,975 1 111459,0 1

Вода 3489,569 0,0237 4342,42 0,0375 Кислород 33437,824 0,233 23406,0 0,21

Азот 110066,152 0,7488 88052,992 0,7604 Азот 110066,152 0,767 88052,992 0,79

Кислород 33437,824 0,2275 23406,0 0,2021

92,4 % серная к-та 142326,941

Вода 9067,937

Олеум 129773,705

Итого 285835,2 1 115801,4 1 Итого 285831,0 1 111459,0 1

2.3 Расчет олуемного абсорбера

Рис. 9

Для расчета олеумного абсорбера (ОА) необходимо знать все потоки входящие и выходящие из него. Входящими потоками будут являться: поглощенный триоксид серы и поступающая из сушильной башни 92,4%-ая кислота, а выходящими - олеум с 6% свободного триоксида серы.

Таким образом, обозначив массовый поток олеума за «у», а массовый поток 92,4%-ой кислоты - «х», можно составить материальный баланс по водеи по «связанному» триоксиду серы (ТС):

Таким образом:

Материальный баланс будет выглядеть следующим образом: Приход Расход

Статья прихода кг/ч масс. м3/час об. Статья расхода кг/ч масс. м3/час об.

Реакционная смесь 164840,5 1 104290,5 1 Реакционная смесь 113632,849 1 89952,3 1

Сернистый газ 1706,921 0,104 597,458 Сернистый газ 1706,921 597,458 0,0066

Триоксид углерода 51207,632 0,3106 14338,252 Триоксид серы 0 0 0 0

Азот 110066,152 0,6677 88052,992 Азот 110066,152 88052,992 0,9789

Кислород 1859,776 0,0113 1301,817 Кислород 1859,776 1301,817 0,0145

93% СК 121150,604 Олеум 161382,214

Олеум (продукт) 10976,022

Итого 285991,1 1 104290,5 1 Итого 285991,1 1 89952,3 1

2.4 Расчет моногидратного абсорбера

Рис. 10

Материальный баланс для МА будет выглядеть следующим образом: Приход Расход

Статья прихода кг/ч масс. м3/час об. Статья расхода кг/ч масс. м3/час об.

Реакционная смесь 113632,872 1 89659,5 1 Реакционная смесь 111541,83 1 89074,0 1

Сернистый газ 34,112 0,0003 11,94 0,0001 Сернистый газ 34,112 0,0003 11,94 0,0001

Триоксид серы 2091,04 0,0184 585,496 0,0065 Триоксид серы 0 0 0 0

Азот 110066,152 0,9686 88052,992 0,9821 Азот 110066,152 0,9868 88052,992 0,9885

Кислород 1441,568 0,0127 1009,0774 0,0113 Кислород 1441,568 0,0129 1009,774 0,0113

Серная кислота 21176,337 98,6% СК (продукт) 54880,108

Олеум 31608,509

Итого 166417,7 1 89659,5 1 Итого 166421,9 1 89074,0 1

2.5 Расчет технологических показателей

Производительность по целевому продукту: П (100% серная кислота) = 54166,667 кг / ч

Селективность по целевому продукту (показатель эффективности протекания целевой реакции в сложном химическом процессе): S (100%-я серная кислота) = 100%, т.к. побочных реакций нет.

Выход целевого продукта (показатель эффективности процесса): Е (100%-я серная кислота) = NRПРАКТ / NRMAKC

Весь сернистый газ превратится в серную кислоту.

Е (100%-я серная кислота) = 552,721 / 666,766 = 0,829 или 82,90%

Расходный коэффициент

Основным показателем использования сырья (а также вспомогательных материалов) является расходный коэффициент, показывающий количество затраченного сырья (вспомогательных материалов) на производство единицы продукции. Различают теоретический расходный коэффициент, определяемый из стехиометрического уравнения химической реакции образования продукта из исходных веществ при полном их превращении, и практический (или расходный коэффициент), т.е. реально достигнутый в производстве. Их отношение показывает степень использования сырья.

К - расходный коэффициент.

Суммарное стехиометрическое уравнение получения серной кислоты из серы: S H2O 2О2= H2SO4

С массовыми стехиометрическими коэффициентами превращение описывается уравнением: 32 S 18 H2O 32 О2 =98 H2SO4

Теоретически 1 т 100% -ой серной кислоты можно получить из

1000 32 / 98 = 326,53 кг 100%-ой серы. Это - теоретический расходный коэффициент.

К (теор) по осн. сырью = 326,53 кг 100%-ой серы/ 1т 100%-й серной кислоты

С учетом того, что сера в виде сернистого газа и триоксида серы превращается не полностью в серную кислоту, то получаем: К (реал) по осн. сырью = 326,53 / 0,829= 393,903 кг серы на 1 т 100%-й серной кислоты. ? = 326,53 / 393,903=0,829 или 82,90%

Основные причины различия теоретического и реального расходных коэффициентов заключается в следующем: неполнота превращения исходного вещества в продукт и выделения продукта;

потери промежуточных компонентов и продукта;

использование части сырья на вспомогательные цели.

1. Кутепов А.М. Общая химическая технология: Учеб. для вузов/А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. - 3-е изд., перераб. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 528 с.

2. Бесков В.С. Общая химическая технология: Учебник для вузов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 452 с.

3. Игнатенков В.И., Бесков В.С. Примеры и задачи по общей химической технологии: Учеб. пособие для вузов. - М., 2005. - 198 с.

Размещено на