Изико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства
Џолучение серной кислоты включает несколько этапов. Џервым этапом ЯвлЯетсЯ получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырьЯ. ‘ледующий этап Р превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI). ќтот окислительный процесс характеризуетсЯ очень высоким значением энергии активации, длЯ понижениЯ которой необходимо, как правило применение катализаторов. ‚ зависимости от того, как осуществлЯетсЯ процесс окислениЯ SO2 в SO3, различают два основных метода получениЯ серной кислоты.
‚ контактном методе получениЯ серной кислоты процесс окислениЯ SO2 в SO3 проводЯт на твердых катализаторах.
’риоксид серы переводЯт в серную кислоту на последней стадии процесса Р абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:
SO3 + H2OàH2SO4
Џри проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.
Ћкисление диоксида серы осуществлЯетсЯ в жидкой фазе и конечным продуктом ЯвлЯетсЯ сернаЯ кислота:
SO2 + N2O3 + H2OàH2SO4 + 2NO
‚ настоЯщее времЯ в промышленности в основном применЯют контактный метод получениЯ серной кислоты, позволЯющий использовать аппараты с большей интенсивностью.
Онтактный метод.
ЏоЯвившийсЯ в конце 19 века контактный способ получениЯ серной кислоты сейчас быстро вытеснЯет нитрозный. ЌачальнаЯ стадиЯ процесса получениЯ серной кислоты по контактному способу совпадает с начальной стадией нитрозного способа - путем сжиганиЯ серы получают диоксид серы. Ђ затем в специальных печах происходит окисление диоксида серы до триоксида: SO2à SO3. ‘оединив последний с водой, получают серную кислоту. Љонтактный метод подразделЯетсЯ на два вида: получение серной кислоты из железного колчедана (FеS2) и получение серной кислоты из элементарной серы. „лЯ ускорениЯ процесса в контактном методе используют катализаторы (оксид ванадиЯ).
—истый V2O5 обладает слабой каталитической активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов, причем наибольшее влиЯние оказывают соли Љ. ЏромотирующаЯ роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3Љ2S2Ћ7 · V2Ћ5, 2Љ2S2O7 · V2O5 и K2S2O7·V2O5, разлагающихсЯ соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 Ў‘). Ђктивный компонент в условиЯх катализа находитсЯ в расплавленном состоЯнии.
‘хему окислениЯ SO2 в SO3 можно представить следующим образом:
1. 2V5++O2-+SO2 à2V4++SO3
2. 2V4++ O2à2V5++O2-
Ќа первой стадии достигаетсЯ равновесие, втораЯ стадиЯ медленнаЯ и определЯет скорость процесса.
Џолучение H2SO4 из серы
Џроцесс 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).
Џроцесс ведут с избытком воздуха. ‚ыделЯетсЯ очень большое количество теплоты ΔЌ = -362,4 к„ж/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 к„ж/моль;
4. абсорбциЯSO3:
SO3 + H2O = H2SO4 (3).
ЂбсорбционнаЯ колонна орошаетсЯ 98,6% H2SO4. Џеред отправкой на склад кислота разбавлЯетсЯ до ~ 93%
Џолучение H2SO4 из колчедана
Џервой стадией процесса ЯвлЯетсЯ окисление сырьЯ с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы:
4FeS2 +11O2à 2Fe2O3 + 8SO2 (I)ЖЌ=-853,8 к„ж⁄моль (7117 к„ж⁄кг)
Џри протекании реакции (I) помимо газообразного продукта реакции SO2 образуетсЯ твердый продукт Fe2O3, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Љолчедан содержит различные примеси, в частности соединениЯ мышьЯка и фтора, которые в процессе обжига переходЯт в газовую фазу. Џрисутствие этих соединений на стадии контактного окислениЯ диоксида серы может вызвать отравление катализатора. Џоэтому 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).
Ќа третьей стадии протекает обратимаЯ экзотермическаЯ химическаЯ реакциЯ контактного окислениЯ диоксида серы:
SO2 + 1/2O2 ↔ SO3 (III)
ЏоследнЯЯ стадиЯ процесса Р абсорбциЯ триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом.
Ћдной из разновидностей контактного способа получениЯ серной кислоты ЯвлЯетсЯ способ так называемого ЗмокрогоИ катализа. ‘уть его состоит в том, что после получениЯ диоксида серы, он не разделЯетсЯ с водой, а вместе с ней подаетсЯ на катализатор, где окислЯетсЯ до SO3, который тут же, смешавшись с водой, превращаетсЯ в серную кислоту.
Итрозный метод.
Ќитрозный способ исторически поЯвилсЯ первым, более двух веков назад. ‘уть его заключаетсЯ в том, что вначале получают диоксид серы путем сжиганиЯ серы, добытой из любого сернистого сырьЯ. ‡атем в специальных башнЯх путем смешиваниЯ окислов азота NO и NO2 вначале получают азотную кислоту, а затем, путем пропусканиЯ через него диоксида серы с водой, получают серную кислоту. Ќедостатком нитрозного способа ЯвлЯетсЯ то, что максимальнаЯ концентрациЯ серной кислоты, получаемой по этому способу, не превышает 75%, и она более загрЯзнена, по сравнению с серной кислотой, получаемой по контактному способу. Ћксиды азота не расходуютсЯ в нитрозном процессе и возвращаютсЯ в производственный цикл, вследствие неполного поглощениЯ их серной кислотой они частично уносЯтсЯ отходЯщими газами. „остоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформлениЯ, более низкаЯ себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной переработки SO2.