Арактеристика целевого продукта
Ведение
‡адачей данной курсовой работы ЯвлЯетсЯ анализ (качественный и количественный) технологии производства серной кислоты из элементарной серы. Ќеобходимо провести возможную оптимизацию процесса с учетом анализа действующих систем, длЯ этого нужно составить материальный баланс, который поможет оценить степень совершенства производства. Џри расчете балансов будут использованы 2 группы методов: дифференциальный и интегральный. Ќа основе материального баланса определЯетсЯ рЯд важнейшие техно-экономические показатели. Ѓазисом расчета будет ЯвлЯтьсЯ количество целевого продукта, в данном случае Р 2000 кг H2SO4.
‘ернаЯ кислота по объемам производства и применениЯ занимает одно из первых мест среди химических веществ. Ћна применЯетсЯ во многих отраслЯх промышленности длЯ получениЯ широкого ассортимента важнейших продуктов. Ћбъем производства серной кислоты в любой стране может рассматриватьсЯ как показатель, который в определенной мере отражает уровень промышленного развитиЯ страны.
‘ерную кислоту применЯют в производстве минеральных удобрений, как электролит в свинцовых аккумулЯторах, длЯ получениЯ различных минеральных кислот и солей, химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ, в нефтЯной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслЯх промышленности.
‘ернаЯ кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же времЯ ЯвлЯетсЯ одной из самых сильных кислот, в широком диапазоне температур (от Р40Й-20 до 260-336,5 ᵒ‘) находитсЯ в жидком состоЯнии.
Ћбласти применениЯ серной кислоты, более наглЯдно, можно рассмотреть на рис.1
| ђис. 1. Ћбласти применениЯ серной кислоты |
Ћ важном месте серной кислоты в мировой экономике говорит тот факт, что за четверть столетиЯ ее производство выросло более чем в три раза и в настоЯщее времЯ составлЯет более 200 млн. тонн в год.
Сходное сырье
€сходными реагентами длЯ получениЯ серной кислоты могут быть элементнаЯ сера и серосодержащие соединениЯ, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы. ’акими соединениЯми ЯвлЯютсЯ сульфиды железа, сульфиды цветных металлов (меди, цинка и др.), сульфаты, сероводород и другие сернистые соединениЯ. Џриродные залежи самородной серы сравнительно невелики. Ћбщее содержание серы в земной коре составлЯет 0,1 %.
’радиционно основными источниками сырьЯ ЯвлЯютсЯ сера и железный (серный) колчедан. ‡начительное место в сырьевом балансе занимают отходЯщие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы. ‚ атмосферу с отходЯщими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасываетсЯ значительно больше SЋ2, чем употреблЯетсЯ длЯ производства серной кислоты, но его переработка не всегда осуществима.
‚ то же времЯ отходЯщие газы Р наиболее дешевое сырье, низки оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоЯщим сырьем ЯвлЯетсЯ серы. ‘ледовательно, длЯ того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходЯщих газов.
Ера
ќлементарную серу получают из самородных руд, а также из газов, содержащих диоксид серы или сероводород (газоваЯ сера). ќлементарнаЯ сера Р один из лучших видов сырьЯ длЯ производства серной кислоты. Џри ее сжигании образуетсЯ газ с большим содержанием SO2 и кислорода, не остаетсЯ огарка, удаление которого свЯзано с большими затратами.
Џолучение серы из самородных руд. ЊесторождениЯ самородных серных руд встречаютсЯ в виде залежей осадочного или вулканического происхождениЯ и в шлЯпах солЯных куполов. ‚ таких рудах содержитсЯ от 15 до 30 % серы.
Њногие самородные серные руды, содержащие 20 % серы и более, можно непосредственно подвергать обжигу и получать SO2. Ћднако обычно серные руды не обжигают, а выплавлЯют из них серу в печах, в автоклавах или непосредственно в подземных залежах.
Џолучение газовой серы. ѓазовую серу извлекают из отходЯщих газов цветной металлургии, газов нефтепереработки, попутных нефтЯных и природных газов. ‚ газовой сере, получаемой из газов цветной металлургии, содержитсЯ большое количество мышьЯка и других вредных примесей, поэтому SO2, образующийсЯ при сжигании газовой серы, следует тщательно очищать перед подачей его на катализатор в производстве контактной серной кислоты.
Ѓольшое количество газовой серы получают из сероводорода, удалЯемого в процессах очистки горючих и технологических газов. ќтот сероводород используетсЯ длЯ производства серной кислоты методом мокрого катализа или перерабатываетсЯ в элементарную серу.
Ерный колчедан
ѓлавной составной частью серного колчедана ЯвлЯетсЯ сульфид железа FeS2.(53,44 % S и 46,56 % Fe). ‘ерный колчедан Р минерал желтоватого или желтовато-серого цвета, плотность его около 5000 кг/м3.
Љолчедан, применЯемый длЯ обжига, предварительно обогащают флотацией. ”лотационный колчедан кроме пирита FeS2 содержит рЯд примесей (мышьЯк, селен, теллур, фтор), которые при обжиге переходЯт в состав обжигового газа в виде оксидов и фторсодержащих газовых соединений. Ќаличие этих соединений обуславливает необходимость последующей очистки газа.
ТходЯщие газы
‚ процессе обжига различных руд и концентраторов, образуютсЯ отходЯщие газы, содержащие диоксид серы и ЯвлЯющиесЯ ценным сырьем длЯ производства серной кислоты. Џри использовании в качестве сырьЯ природных газов отпадает необходимость первой стадии (обжиг серосодержащего сырьЯ), поскольку в этом случае обжиг сульфидов ЯвлЯетсЯ одной из стадий других технологических процессов.
арактеристика целевого продукта.
‘ернаЯ кислота (H2SO4) ЯвлЯетсЯ сильной двухосновной кислотой. Џри нормальных условиЯх концентрированнаЯ сернаЯ кислота представлЯет собой маслЯнистую, без цвета и запаха, жидкость.
‘ернаЯ кислота может существовать как самостоЯтельное химическое соединение, а также в виде соединений с водой H2SO4*nH2O и с триоксидом серы H2SO4*nSO3. ‚ технике серной кислотой называют безводную H2SO4, ее водные растворы и растворы триоксида серы в безводной H2SO4 Р олеум.
ЃезводнаЯ сернаЯ кислота Р тЯжелаЯ маслЯнистаЯ бесцветнаЯ жидкость (может быть окрашена примесЯми в темный цвет), смешивающаЯсЯ с водой (с выделением большого количества теплоты) и триоксидом серы в любом соотношении. Џлотность H2SO4 при 0ºC равна 1,85 г/см3. ”изические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипениЯ, зависЯт от ее состава.
Ќа диаграмме кристаллизации системы H2O-H2SO4-SO3(рис. 3) максимумы отвечают составу соединений H2SO4ҐnH2Oили H2SO4ҐnSO3. Ќаличие минимумов объЯснЯетсЯ тем, что температура кристаллизации смесей двух веществ ниже температуры кристаллизации каждого из них.
| ђис. 3. „иаграмма кристаллизации серной кислоты. |
ЃезводнаЯ 100%-наЯ сернаЯ кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации - 10,7ºC. Џоэтому хранение и транспортировка такой кислотыдовольно сложна. ‘ернаЯ кислота, содержащаЯ всего 6.4% чистой воды, замерзает уже при -37.9oC. ’акую кислоту можно перевозить в любое времЯ года. Џри дальнейшем увеличении содержаниЯ воды до 15% сернаЯ кислота начинает замерзать около +8oC. …сли же содержание воды увеличить до 25%, то кислота опЯть начинает замерзать при низкой температуре -41.0o‘. ’аким образом, башеннаЯ кислота, содержащаЯ 75% чистой серной кислоты, не боитсЯ самых сильных морозов, и еЮ можно перевозить даже в самые холодные районы страны. ’акже используютсЯ 92,5% контактнаЯ кислота и олеум Р 20 % своб. SO3.
| ђис. 2. ‡ависимость температуры кипениЯ серной кислоты при атмосферном давлении от ее состава. |
€з диаграммы следует, что сернаЯ кислота и вода образуют азеотропную смесь состава 98,3% H2SO4 и 1,7% H2O с максимальной температурой кипениЯ (336,5˚‘). ‘остав находЯщихсЯ в равновесии жидкой и паровой фаз длЯ кислоты азеотропной концентрации одинаков; у более разбавленных растворов кислоты в паровой фазе преобладают пары воды. ‚ паровой фазе над олеумом высока равновеснаЯ концентрациЯ SO3. ќту диаграмму используют длЯ определениЯ режима абсорбции SO3 и концентрированиЯ разбавленной серной кислоты при выпаривании из нее воды.
Џары серной кислоты при повышении температуры диссоциируют:
H2SO4 ↔ H2O + SO3
и нагревание выше 400˚‘ вызывает диссоциацию SO3:
SO3 ↔ 2 SO2 + O2
‚ыше 700˚‘ в парах преобладает SO2, ‘тепень диссоциации менЯетсЯ при изменении давлениЯ.
‘ернаЯ кислота весьма активна. Ћна растворЯет оксиды металлов и большинство чистых металлов, вытеснЯет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. ‘ернаЯ кислота вступает в реакции обменного разложениЯ, энергично соединЯетсЯ с водой, обладает окислительными и другими важными свойствами. Ћна отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и кислородных производных углеводородов. –еллюлоза, крахмал и сахар разрушаютсЯ в концентрированной серной кислоте. ‚ разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаютсЯ с образованием сахаров. Џри попадании на кожу человека концентрированнаЯ сернаЯ кислота вызывает ожоги.
‘ернаЯ кислота Р реактив изготавливаетсЯ по ѓЋ‘’ 4204-77
’ехническаЯ сернаЯ кислота по ѓЋ‘’ 2184-77
ЂккумулЯторнаЯ сернаЯ кислота изготавливаетсЯ в соответствии с ѓЋ‘’ 667-73
ђассмотренные свойства серной кислоты необходимо учитывать как при выборе технологического режима процесса, так и при проектировании отдельных аппаратов, трубопроводов и т. д. Ќапример, при размещении цеха на открытой площадке необходимо предусмотреть теплоизолЯцию трубопроводов, по которым циркулируют растворы серной кислоты, имеющие достаточно высокие температуры кристаллизации. “чет диаграммы фазового равновесиЯ паров и жидкости позволЯет правильно выбрать условиЯ проведениЯ стадии абсорбции триоксида серы, обеспечивающие высокую степень абсорбции и предупреждающие побочные ЯвлениЯ, такие, например, как образование сернокислотного тумана.