Производство серной кислоты при повышенном давлении

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева Кафедра общей химической технологии

Курсовая расчетная работа по теме:

«Производство серной кислоты при повышенном давлении»

Москва 2014

Задание

Схема функционирует под общим давлением 0,6 МПа.

Воздух после сушильной башни поступает в контактный аппарат 4 с температурой 30єС. Степень сгорания серы принята равной 100%.

Степень превращения диоксида серы в контактных аппаратах 4 и 5 по заданию составляет 0,96 и 0,98 соответственно.

В абсорберах 6 и 7 происходит полное поглощение серного ангидрида.

Производительность 100%-ой серной кислоты: 1300 т/сутки.

Массовое соотношение серная кислота: олеум = 5:1.

Содержание свободногоSO3 в олеуме: 6%.

Парциальное давление водяных паров в воздухе 3,2 КПа.

Концентрация диоксида серы на выходе из печи 13,4% об.

Концентрация орошающей кислоты в сушильной башне 92,4% масс.

Концентрация орошающей кислоты в моногидратном абсорбере 98,7% масс.

Задание:

исходя из технологической схемы производства серной кислоты, составить ее операторную схему;

найти аналитическое выражение для расчета общей степени превращения диоксида серы по ее значениям для 1-ой и 2-ой степеней контактирования;

рассчитать материальный баланс ХТС производства серной кислоты в целом;

составить материальные балансы для 1-ой и 2-ой ступеней контактирования, для этого определить:

объем и состав газовой смеси перед 1-ой ступенью;

объем и состав газовой смеси на выходе из нее;

количество и состав газа после 2-ой ступени;

составить материальный баланс сушильной башни, определить:

количество паров воды в воздухе, поступающем на сушку;

потоки олеума и кислоты, поступающие из абсорберов 6 и 7 в сборник сушильной башни;

количество воды, направляемой в сборник кислоты сушильной башни для разбавления кислоты до заданной концентрации;

потоки кислоты, поступающей в сборники абсорберов из сборника сушильной башни;

составить материальный баланс абсорбционного отделения. Для этого определить:

количество серного ангидрида, поглощаемого в абсорберах;

потоки олеума и кислоты, поступающие из сборников абсорберов в сборник сушильной башни и из сборника сушильной башни в сборники абсорберов;

рассчитать объем и состав выхлопных газов.

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 + Qр (1)

SO2+ ½ O2<=> SOз + Qр (2)

SOз + H2O<=>H2SO4 + Qр (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 ДН = -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/(кол-во 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 кол-во 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:

Найдём количество серы, затраченное на образование олеума и серной кислоты. Олеум состоит из SO3 и серной кислоты. Содержание SO3 В 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 её сжигания. По уравнению реакции окисления найдём 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 уйдёт на окисление диоксида серы в триоксид серы. Рассчитаем это количество оставшегося кислорода после 1-ой ступени окисления с учётом степени превращения диоксида серы:

SO2 + O2 = SO3

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

Кол-во азота не меняется в ходе реакции.

Найдём 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:

Материальный баланс для печи сжигания серы.

Рис. 5

По условиям задания сера сгорает полностью (100%).

S + O2 = SO2

Также учтём ранее вычисленные значения для кислорода и азота:

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:

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

SO2 + O2 > SO3

Рис. 7

Образуется:

Всего:

Вступило в реакцию:

Осталось после реакции:

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:

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:

2.4 Расчет моногидратного абсорбера

Рис. 10

Материальный баланс для МА будет выглядеть следующим образом:

2.5 Расчет технологических показателей

Производительность по целевому продукту:

П (100% серная кислота) = 54 166,667 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 / NRмакс 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/ 1 т 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.

б = 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.

Библиографический список

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.