Производство серной кислоты

Производство серной кислоты

Серная кислота — один из основных много тоннажных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, не имеет цвета, запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии. В концентрированном виде не корродирует черные металлы. В то же время серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.

Высокая активность серной кислоты в сочетании со сравнительно небольшой стоимостью производства предопределило большие масштабы и чрезвычайное разнообразие ее применения. Среди минеральных кислот серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Мировое производство ее составляет более 160 млн. т. в год. Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений (от 30 до 60%), многие кислоты (фосфорная, уксусная, соляная) и соли производятся в значительной части при помощи серной кислоты. Серная кислота широко применяется в производстве цветных и редких металлов, а также в производстве красителей (от 2 до 16%), химических волокон (от 5 до 15%) и металлургии (от 2 до 3%). Она применяется для различных технологических целей в текстильной, пищевой и других. На рисунке представлены области применения серной кислоты и олеума.

Безводная серная кислота (моногидрат) Н₂SО₄ представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, которая смешивается с водой во всех соотношениях с выделением большого количества тепла. Плотность серной кислоты при 0⁰С равна 1.85 г./см³. Она кипит при Т = 296⁰С и замерзает при -10⁰С. Серной кислотой называют не только моногидрат, но и водные растворы его (Н₂SО₄ + nН₂О), а также растворы серного ангидрида в моногидрате (Н2БО4 + пБО3), называемые олеумом. Олеум на воздухе «дымит» вследствие десорбции из него БО₃. Чистая серная кислота бесцветна, техническая окрашена примесями в черный цвет.

Н₂SО₄ *(n₁) SО₃ < Н₂SО₄ > Н₂SО₄ * (m -1) Н₂О Олеум моногидрат водная кислота При m = n =1 это моногидрат, при m >n — водные растворы, при m₂SО₄* nН₂О; Н₂SО₄* 2Н₂О; Н₂SО₄* 4Н₂О и соединения с оксидом серы Н₂SО₄*SО₃ и SО₄* 2SО₃.

Эти гидраты и соединения с оксидом серы имеют различные температуры кристаллизации и образуют ряд эвтектик. Некоторые из этих эвтектик имеют температуру кристаллизации ниже нуля или близкие к нулю. Эти особенности растворов серной кислоты учитываются при выборе ее товарных сортов, которые по условиям производства и хранения должны иметь низкую температуру кристаллизации. Для транспортировки, применения серной кислоты большое значение имеет изменение температуры плавления и температуры ее кипения в зависимости от концентрации. При возрастании концентрации от 0% Н₂SО₄ до 64.35% SО3 (своб) последовательно образуется шесть гидратов, являющихся индивидуальными химическими соединениями, которые взаимно нерастворимы в твердом виде. В области концентраций SО₃ от 64.36% до 100% при кристаллизации образуются твердые растворы. В зимнее время при низких температурах нельзя производить и применять кислоту с концентрацией, близкой к чистому SО₃; 2SО₃ * Н₂О; SО₃ *Н₂О, так как из этих растворов могут выпадать кристаллы, которые забьют кислотопроводы между цехами, хранилища, насосы.

Пары серной кислоты при повышении температуры диссоциируют

Н₂SО₄> Н₂О +SО₃

и при температурах выше 400⁰С уже содержат больше молекул SО₃, чем Н₂SО₄

2Н₂SО₄ -2Н₂О + 2 SО₃ -2SО₃ + 2 Н₂О +О₂

400⁰С 700⁰

Серная кислота весьма активна. Она растворяет оксиды металлов и большинство металлов; вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей. Дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу, крахмал и сахар, разрушаются под действием концентрированной серной кислоты, вода связывается с кислотой и от ткани остается лишь мелкодисперсный углерод. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги.

Еще в 13 веке серную кислоту получали термическим разложением железного купороса FеSО₄, поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называют купоросным маслом, хотя давно уже серная кислота не производится из купороса. Ныне серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце 19 и начале 20 века. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный).

Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение сернистого газа при сжигании сернистого сырья. После очистки сернистого газа (особенно в контактном способе) его окисляют до серного ангидрида, который, соединяясь с водой, образует серную кислоту. Окисление SО₂ в SО₃ протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

В контактном методе окисление сернистого ангидрида в серный осуществляется на твердых контактных массах. Благодаря усовершенствованию контактного способа производства себестоимость более чистой и высококонцентрированной серной кислоты лишь незначительно выше, чем башенной. В н.в. около 80% всей кислоты производится контактным способом.

В нитрозном способе катализатором служат оксиды азота. Окисление БО₂ происходит, в основном, в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой. Поэтому нитрозный способ по аппаратурному признаку называют башенным. Сущность башенного способа заключается в том, что полученный при сжигании сернистого сырья сернистый газ, содержащий примерно 9% SО₂ и 9−10% О₂, очищается от пыли и поступает в башенную систему, состоящую из нескольких башен с насадкой. В башнях протекает ряд абсорбционно-десорбционных процессов, осложненных химическими превращениями. В первых двух-трех башнях насадка орошается нитрозой, в которой растворенные оксиды азота химически связаны в виде нитрозилсерной кислоты КОНSО₄. В последующих трех — четырех башнях десорбированные в газовую фазу в результате реакции окислы азота поглощаются серной кислотой, образуя вновь нитрозилсерную кислоту. Таким образом, окислы азота совершают кругооборот и теоретически не должны расходоваться. Нитрозным способом получают загрязненную примесями и разбавленную 70−75% серную кислоту, которая используется в основном в производстве минеральных удобрений.

Сырьем в производстве серной кислоты могут быть элементарная сера и различные серосодержащие соединения, из которых могут быть получена сера или непосредственно оксид серы.

Природные залежи самородной серы невелики. Чаще всего сера находится в природе в форме сульфидов и сульфатов металлов, а также входит в состав нефти, каменного угля, природного газа. Значительные количества серы содержатся в виде оксида серы в топочных газах и газах цветной металлургии и в виде сероводорода, выделяющегося при очистке горючих газов. Таким образом, сырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны, хотя до сих пор в качестве сырья используют преимущественно элементарную серу и железный колчедан. Ограниченное использование таких видов сырья, как топочные газы ТЭС и газы медеплавильного производства, объясняется низкой концентрацией в них оксида серы (4). При этом доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

В общей схеме сернокислотного производства существенное значение имеют две первые стадии — подготовка сырья и его сжигание или обжиг. Их содержание и аппаратурное оформление существенно зависят от природы сырья, которая в значительной степени, определяет сложность технологического производства серной кислоты.

1. Железный колчедан.

Природный железный колчедан представляет сложную породу, состоящую из сульфида железа РеБ₂, сульфидов других металлов (меди, цинка, свинца и др.), карбонатов металлов и пустой породы. В РФ залежи колчедана имеются на Урале и Кавказе, где его добывают в рудниках в виде рядового колчедана. Процесс подготовки рядового колчедана к производству ставит целью извлечение из него ценных цветных металлов и повышение концентрации дисульфида железа.

Чистый пирит содержит 53.5% серы и 46.5% железа. В серном колчедане содержание серы обычно колеблется от 35 до 50%, железа от 30 до 40%, остальное составляют сульфиды цветных металлов, углекислые соли, песок, глина и др.

Схема подготовки рядового колчедана представлена на рисунке.

кислота серный сырье химический На основе материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима процесса.

2. Сера.

Элементарная сера может быть получена из серных руд или газов содержащих сероводород или оксид серы. В соответствии с этим различают серу самородную и серу газовую комовую:

На территории РФ залежей самородной серы практически нет. Источником газовой серы являются Астраханское газоконденсатное месторождение, Оренбургское и Самарское месторождения попутного газа.

Из самородных руд серу выплавляют в печах, автоклавах или непосредственно в подземных залежах (метод Фраша). Для этого серу расплавляют непосредственно под землей, нагнетая в скважину перегретую воду, и выдавливают расплавленную серу на поверхность сжатым воздухом.

Схема подготовки самородной серы Получение газовой серы из сероводорода, извлекаемого при очистке горючих и технологических газов, основано на процессе неполного его окисления над твердым катализатором. При этом протекают реакции:

3. Сероводород.

Источником сероводорода служат различные горючие газы: коксовый, генераторный, попутный, газы нефтепереработки. Извлекаемый при их очистке газ, содержит до 90% сероводорода и не нуждается в специальной подготовке.

Доля сырья в себестоимости продукции сернокислотного производства достаточно велика. Поэтому технико-экономические показатели этого производства существенно зависят от вида используемого сырья. В таблице приведены основные ТЭП производства серной кислоты из различного сырья (за 100% взяты показатели производства на основе железного колчедана).

Замена колчедана серой приводит к снижению капитальных затрат на строительство и улучшению экологической обстановки в результате ликвидации отвалов огарка и уменьшению выбросов токсичных веществ в атмосферу. Вследствие сложностей с транспортом серной кислоты сернокислотные заводы располагаются преимущественно в районах ее потребления.

Поэтому производства серной кислоты развито во всех экономических районах РФ. Важнейшими центрами его являются: Щелково, Новомосковск, Воскресенск, Держинск, Березняки, Пермь.

Производство серной кислоты из серусодержащего сырья включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Это может быть представлено в виде следующей схемы:

— стадия получения печного газа (оксида серы (4)),

— стадия каталитического окисления оксида серы (4) до оксида серы (6) и абсорбции его (переработка в серную кислоту).

В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа, и другие механические и физико-химические операции. В общем случае схема производства серной кислоты может быть выражена в следующем виде:

Сырье>подготовка сырья >сжигание (обжиг) сырья > Очистка печного газа > контактирование > абсорбция > контактированного газа > серная кислота Конкретная технологическая схема производства зависит от вида сырья, особенностей каталитического окисления оксида (4), наличия или отсутствия стадий абсорбции оксида серы (6).

Химическая и принципиальная схема производства.

Химическая схема получения серной кислоты из колчедана включает три последовательные стадии:

— окисление дисульфида железа пиритного концентрата кислородом воздуха:

4FеS₂ +11О₂ = 2Fe₂О₃ + 8 SO₂,

— каталитическое окисление оксида серы (4) избытком кислорода печного газа:

2SO₂ + О₂ = 2SO₃,

— абсорбцию оксида серы (6) с образованием серной кислоты:

SO₃ +Н₂О =H₂SO₄

По технологическому оформлению производство серной кислоты из железного колчедана является наиболее сложным процессом и состоит из нескольких последовательно проводимых стадий.

Принципиальная схема этого производства представлена на рисунке.

1 — получение обжигового газа: 1 — обжиг колчедана, 2 — охлаждение газа в котле-утилизаторе, 3 — общая очистка газа, 4 — специальная очистка газа; 11 — контактирование: 5 — подогрев газа в теплообменнике, 6 — контактирование; 111 — абсорбция: 7 — абсорбция оксида серы (6) и образование серной кислоты.

Сернистый ангидрид S0₂ — это бесцветный газ, в 2.3 раза тяжелее воздуха, с резким запахом. При растворении в воде образуется слабая и нестойкая сернистая кислота SO₂ +Н₂О = H₂SO₃.

Рассмотрим производство сернистого газа обжигом основного сырья — колчедана и затем сжиганием серы.

Окислительный обжиг колчедана.

Обжиг колчедана в токе воздуха представляет необратимый некаталитический гетерогенный процесс, протекающий с выделением тепла через стадии термической диссоциации дисульфида железа: 2FеS₂ = 2FеS+ S₂ и окисления продуктов диссоциации: S₂ +2О₂ = 2SO₂, 4FеS +70₂ = 2Fе₂О₃ +4 SO₂, что описывается общим уравнением:

4FеS₂ + 11 О₂ = 2Fе₂0₃ + 8SO₂ + ДH,

где ДH = 3400 кДж.

Скорость процесса окислительного обжига выражается общим для гетерогенных процессов уравнением:

U = dm/ dф = K_mFДС.

где: К_м — коэффициент массопередачи.

F — поверхность контакта фаз (катализатора),

ДС — движущая сила процесса.

Таким образом, скорость процесса обжига зависит от температуры (через Км), дисперсности обжигаемого колчедана (через F), концентрации дисульфида железа в колчедане и концентрации кислорода в воздухе (через ДС).

На рисунке представлена зависимость скорости обжига колчедана от температуры (а) и размеров частиц обжигаемого колчедана (б).

Увеличение движущей силы процесса обжига достигается флотацией колчедана, повышающей содержание дисульфида железа в сырье, обогащением воздуха кислородом и применением избытка воздуха при обжиге до 30% сверх стехиометрического количества. На практике обжиг ведут при температуре не выше 1000 °C. т. к. за этим пределом начинается спекание частиц.

В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС). Печи кипящего слоя отличаются высокой интенсивностью (до 10 000 кг/м²*сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа. Недостаток — повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку.

В н. в. печи КС полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

Продукты окислительного обжига колчедана — обжиговый газ и огарок, состоящий из оксида железа (3), пустой породы и невыгоревшего остатка дисульфида железа. В состав обжигового газа входят оксид серы (4), кислород, азот и незначительное количество оксида серы (6), образовавшегося за счет каталитического действия оксида железа (3). На практике печной газ содержит 13−14% оксида серы (4), 2% кислорода, и около 0.1% оксида серы (6). Т.к. в печном газе должен быть избыток кислорода для последующего окисления оксида серы (4), его состав корректируют, разбавляя воздухом до содержания оксида серы (4) 7−9% и кислорода 9−11%.

Обжиговый газ необходимо очистить от пыли, сернокислотного тумана и веществ, являющихся каталитическими ядами или представляющими ценность как побочные продукты. В обжиговом газе содержится до 300 г./м³ пыли, которая на стадии контактирования засоряет аппаратуру и снижает активность катализатора, а также туман серной кислоты.

Пыль и сернокислотный туман удаляют из обжигового газа в процессе общей очистки газа, которая включает операции механической (грубой) и электрической тонкой) очистки. Механическую очистку газа осуществляют пропусканием газа через центробежные пылеуловители (циклоны) и волокнистые фильтры, снижающие содержание пыли в газе до 10−20 г./м³. После общей очистки обжиговый газ, полученный из колчедана, обязательно подвергается специальной очистке для удаления остатков пыли и тумана и, главным образом, соединений мышьяка и селена, которые при этом утилизируются. В специальную очистку газа входят операции охлаждения его до температуры ниже температур плавления оксида мышьяка и селена в башнях, орошаемых последовательно 50% и 20% серной кислотой, удаления сернокислотного тумана в мокрых электрофильтрах и завершающей осушки газа в скрубберах, орошаемых последовательно 95% серной кислотой. Из системы специальной очистки газ выходит с температурой 140⁰С.

Контактным способом производится большое количество серной кислоты, в том числе оллеум.

Контактный способ включает три стадии: 1) очистку газа от вредных для катализатора примесей; 2) контактное окислением сернистого ангидрида в серный; 3) абсорбцию серного ангидрида серной кислотой. Главной стадией является контактное окисление SO₂ в SO₃.

Контактное окисление оксида серы (4)

Реакция окисления оксида серы (4) до оксида серы (6), лежащая в основе процесса контактирования обжигового газа, представляет собой гетерогенно-каталитическую, обратимую, экзотермическую реакцию и описывается общим уравнением: SO₂ + 0.5 О₂ >SO₃ + ДН.

Тепловой эффект реакции зависит от температуры. Система «SO2 — О2 — SO3» характеризуется состоянием равновесия в ней и скоростью процесса окисления оксида серы (4), от которых зависит суммарный результат процесса.

Константа равновесия реакции окисления оксида серы (4) равна:

^Кр = р8О3 ^/ р8О2 *PO2^,

где: рэО3, р8О2. рО2 — равновесные парциальные давления оксида серы (6), оксида серы (4), и кислорода соответственно.

Степень превращения оксида серы (4) в оксид серы (6) или степень контактирования, достигаемая на катализаторе, зависит от активности катализатора, температуры, давления, состава контактируемого газа и времени контактирования и описывается уравнением:

Где: р_S03, где р_S03 и р_S02 — те же величины, что и в предыдущем уравнении.

Энергия активации реакции окисления оксида серы (4) кислородом в оксид серы (6) весьма велика. Поэтому в отсутствии катализатора реакция окисления даже при высокой температуре не идет. Применение катализатора позволяет снизить энергию активации реакции и увеличить скорость окисления.

В производстве серной кислоты в качестве катализатора применяют контактные массы на основе оксида ванадия (5) марок БАВ и СВД, названные так по начальным буквам элементов, входящих в их состав:

БАВ (барий, алюминий, ванадий) состава:

V₂0₅ (7%) + K₂S0₄ + ВаS0₄ + Al₂(S0₄)₃ + Si0₂ (кремнезем) Предполагается, что процесс окисления оксида серы (4) на этих катализаторах идет через стадию диффузии реагентов к поверхности катализатора, на которой образован комплекс оксида ванадия (5) с активатором, сорбции реагентов на катализаторе с последующей десорбцией продукта реакции (оксида серы (6)):

V₂0₅ + S0₂ = V₂0₄ + S0₃, V₂0₄ + 0.50₂ = V₂0₅.

Температура зажигания контактных ванадиевых масс составляет 380−420^оС и зависит от состава контактируемого газа, повышаясь с уменьшением содержания в нем кислорода. Обеспечение высокой температуры в начале процесса окисления требует больших затрат энергии на подогрев газа, поступающего на контактирование. Поэтому на практике температуру газа на входе в контактный аппарат, поступающего на первый слой катализатора, задают несколько выше температуры зажигания (420⁰С). В ходе реакции выделяется большое количество тепла и так как процесс в слое катализатора идет без отвода тепла, то температура газа повышается, после этого газ охлаждается в теплообменнике и направляется на второй слой катализатора, затем снова охлаждают и т. д. Таким образом, противоречие между кинетикой и термодинамикой процесса окисления оксида серы (4)

достаточно успешно снимается конструкцией и температурным режимом работы контактного аппарата на стадии, каждая из которых отвечает оптимальным условиям протекания процесса контактирования: температура 400⁰С, давление 0.1 Мпа, содержание оксида серы (4) в газе 0.07 об. долей, содержание кислорода в газе 0.22 об. долей.

Реакторы или контактные аппараты для каталитического окисления оксида серы по своей конструкции делятся на аппараты с неподвижным слоем катализатора (полочные, фильтрующие), в которых контактная масса расположена в 4−5 слоях и аппараты кипящего слоя. Отвод тепла после прохождения газом каждого слоя катализатора осуществляется путем введения в аппарат холодного газа или воздуха, или с помощью встроенных в аппарат или вынесенных отдельно теплообменников. Совокупность контактного аппарата, теплообменников и газопроводов представляет контактный узел.

Для увеличения конечной степени контактирования применяют метод двойного контактирования и ведут процесс окисления оксида серы в две стадии. На первой стадии контактирование ведут до степени превращения не превышающей 0.90−0.91 дол. единицы, после чего из контактированного газа выделяют оксид серы (6). Затем проводят вторую стадию контактирования до степени превращения оставшегося в газе оксида серы (4) 0.95 дол. единицы. Метод двойного контактирования позволяет повысить степень контактирования до 0.995 дол. ед. и на несколько порядков снизить выброс оксида серы (4) в атмосферу.

Абсорбция оксида серы.

Последней стадией в производстве серной кислоты контактным способом является абсорбция оксида серы (6) из контактированного газа и превращение его в серную кислоту или олеум.

Абсорбция оксида серы (4) представляет обратимую экзотермическую реакцию и описывается уравнением:

nSO₃ + Н₂О > H₂SO₄ + (n -1) SO₃ + ДН

В зависимости от количественного соотношения оксида серы (6) и воды может быть получен продукт различной концентрации: при n >2 олеум, при n =1 моногидрат (100% серная кислота), при n <1 водный раствор кислоты (разбавленная серная кислота).

Наилучшей поглощающей способностью обладает азеотроп серной кислоты концентрацией 98.3%. Использование кислоты более низкой концентрации приводит к интенсивному образованию тумана, а применение олеума к снижению степени абсорбции. Абсорбция оксида серы сопровождается выделением значительного количества тепла. Поэтому для обеспечения полноты поглощения оксида серы (6) процесс ведут при охлаждении газа и используют аппараты с большим абсорбционным объемом, обеспечивающие интенсивный отвод тепла. С этой же целью процесс абсорбции ведут в две стадии, используя на первой в качестве сорбента 20%-ный олеум, а на второй 98.3-ную кислоту.

Технологическая схема производства серной кислоты контактным методом. В н. в. в производстве серной кислоты контактным методом наиболее распространенной является схема с использованием принципа двойного контактирования «ДК-ДА» (двойное контактирование — двойная абсорбция). Производительность установки до 1500 т/сут. Расходные коэффициенты: колчедан 0.82 т, вода 50 м³, электроэнергия 82 кВт*ч Сжигание серыпроисходит значительно проще и легче, чем обжиг колчедан. Технологический процесс производства серной кислоты из элементарной серы отличается от процесса производства из колчедана следующими особенностями:

· особая конструкция печей для получения печного газа;

· повышенное содержание оксида серы (4) в печном газе;

· отсутствие стадии предварительной очистки печного газа.

Принципиальная схема производства серной кислоты из серы представлена на рисунке:

1 — осушка воздуха, 2 — сжигание серы, 3 — охлаждение газа,

4 — контактирование, 5 — абсорбция оксида серы (6).

Фактически сера перед горением плавится и испаряется и сгорает в газовой фазе. Горение серы представляет гомогенную экзотермическую реакцию, которой предшествует процесс перехода твердой серы в жидкое состояние и ее последующее испарение:

Таким образом, процесс горения протекает в газовой фазе в потоке предварительно высушенного воздуха и описывается уравнением:

S + О₂ = SO₂ + ДH

Для сжигания чистой серы применяют форсуночные и циклонные печи. Перед подачей в печь серу плавят в плавильном котле глухим паром, отфильтровывают от примесей и распыляют сжатым воздухом через форсунку в печи; при этом сера испаряется и сгорает. В форсуночной печи перешивание серы с воздухом недостаточное, тормозится процесс диффузией и происходит экстенсивно. В циклонной печи благодаря тангенциальному подводу воздуха происходит исключительно сильное перешивание паров серы с воздухом и интенсивность сгорания увеличивается.

Печной газ при сжигании серы отличается более высоким содержанием оксида серы (4) и не содержит значительного количества пыли. При сжигании самородной серы в нем также отсутствуют соединения мышьяка и селена, являющимися каталитическими ядами.

Товарные сорта серной кислоты

Современная промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты и олеума, различающихся концентрацией и чистотой. Чтобы уменьшить возможность кристаллизации продуктов при перевозке и хранении, а также в самом производстве, установлены стандарты на товарные сорта, концентрации которых отвечают эвтектическим составам с наиболее низкими