Промисловий спосіб отримання сірчаної кислоти наукові засади даного хімічного виробництва

Загальні наукові засади хімічного виробництва:

  1. Безперервність.
  2. Протитік
  3. Каталіз
  4. Збільшення площі зіткнення реагуючих речовин.
  5. Теплообмін
  6. Раціональне використання сировини

"Про промисловий розвиток країни можна судити за кількістю сірчаної кислоти, яку вона споживає" (Ю.Лібіх)

Щорічно виробництво сірчаної кислоти у світі перевищує 100 млн. тонн. В даний час сірчану кислоту у всьому світі отримують контактним способом. Цей процес включає три стадії.

Як сировини для виробництва сірчаної кислоти служать як природна сировина: FeS2 – пірит, сірка, сульфати, сульфіди металів, так і відходи інших виробництв: H2S – сірководень, SO2 – сірчистий газ.

Ми розглянемо виробництво сірчаної кислоти із піриту.

Iстадія: Випалення піриту в «киплячому шарі».

- Реакція екзотермічна, необоротна, некаталітична, гетерогенна.

Бажано цю реакцію проводити за таких умов, коли сірка, що міститься в піриті, найбільш повно використовується для отримання SO2 і реакція протікає швидко. Продуктивність печі зростає із збільшенням швидкості реакції випалу. Цього домагаються застосовуючи оптимальні умови цієї реакції.

  1. Подрібнення піриту - Пірит перед випаленням подрібнюють до оптимальних розмірів, збільшуючи площу його дотику з киснем повітря. Частинки не повинні бути великими інакше вони будуть обпікатися тільки на поверхні, а всередині залишиться пірит, що не прореагував, - це призведе до втрат сировини. Але й надто дрібними теж повинні бути, т.к. у цьому випадку відбудеться зстеження, ущільнення шару, через який кисень майже не проходить і площазіткнення зменшується, що призведе до зменшення швидкості реакції.
  2. Збагачення повітря киснем – таким чином збільшується концентрація однієї з реагуючих речовин, що також сприяє збільшенню швидкості реакції.
  3. Випал піриту в киплячому шарі - Щоб збільшити швидкість випалу використовують принцип протитечії - зверху в піч подають подрібнений пірит, а знизу - повітря, збагачене киснем. Повітря вдувається через безліч трубок під певним тиском, який відрегульований так, щоб частки піриту не розпорошувалися і не злежувались. Частинки опиняються у підвішеному стані, створюючи ілюзію киплячої рідини. Тому такий шар дрібних частинок називається -киплячим. Таким чином, збільшується площа дотику піриту та кисню, кожна тверда частка омивається повітрям, збільшується швидкість реакції.
Раніше цей процес тривав 5-6 годин, а тепер займає лічені секунди.
  1. Підтримка певної температури - оптимальною вважається температура 800 про С. Саме при цій температурі збільшується кількість активних молекул, з достатньою кінетичною енергією швидкість реакції збільшується. Але реакція екзотермічна йде з виділенням тепла, а значить температура підвищуватиметься і відбудеться спікання частинок піриту. Щоб уникнути цього, надлишок теплоти відводять. У реакційний апарат вбудовують трубки, якими пускають холодну воду. Нагріваючись, вода забирає зайве тепло і перетворюється на водяну пару, яка використовується для виробництва електроенергії або інших цілей.
Процес випалу піриту безперервний та механізований. Пірит подається стрічковим транспортером у бункер і з нього в піч. Огарок, що утворюється в процесі випалу, частково виноситься пічним газом,частково виводиться через бічне отвір печі.

Оптимальні умови:1. t = 800 про С

2. Подрібнення піриту

3. Збагачення повітря киснем

4. Протиток піриту та повітря

5. Випалення піриту в «киплячому шарі»

Проміжними стадіямиєочищення, осушення, теплообмін.

Пічний газ, отриманий при випалюванні піриту, містить домішки: Fe2O3, N2, O2, домішки Cu, Ag, Zn, сполуки As, водяні пари. Тому спочатку необхідно очистити газ від пилу. Це здійснюється за допомогою 2 апаратів:циклону та електрофільтру. Спочатку газ направляють на очищення від великого пилу циклон. Він складається із двох циліндрів, вставлених один в інший. Газ подається збоку до зовнішнього циліндра і переміщається зверху вниз по спіралі. Під дією відцентрової сили частки пилу відкидаються до стін зовнішнього циліндра і падають у бункер, звідки потім видаляються. Очищений газ по внутрішньому циліндру з апарату йде. Циклон – простий та економічний апарат, але він не очищає газ від дрібних порошинок.

Від дрібного пилу газ очищають велектрофільтрі. Він складається з дрібних сіток, між якими протягнутий дріт. До неї підведений струм високої напруги (60000В). При цьому дріт заряджається "-", сітки "+". газ надходить у камеру знизу. Під дією сильного електричного поля частинки пилу іонізуються та притягуються до сіток. Там вони втрачають свій заряд і падають униз, у спеціальний бункер.

Але газ ще насичений водяною парою, тому далі його направляють в сушильну вежу. Сушильна башта заповнена керамічними кільцями, щоб збільшити площу зіткнення газу та концентрованої сірчаної кислоти. Сірчистий газ надходить у вежу знизу, а зверху розбризкуєтьсяконцентрована сірчана кислота (принцип протитечії). Кислота, стікаючи по кільцях вниз, утворює на поверхні плівку. При цьому площа дотику кислоти та газу багаторазово збільшується.

Очищений газ підігрівають втеплообміннику, використовуючи тепло II стадії процесу: газову суміш перед початком реакції окислення сірчистого газу потрібно нагріти, т.к. у процесі очищення вона охолоджується. Тому перед контактним апаратом поміщають теплообмінник. Гарячий газ з контактного апарату пропускають по трубах теплообмінника, а між ними в протилежному напрямку пропускають суміш газів, що підігрівається. Таким чином відбувається теплообмін між продуктами реакції та вихідними речовинами, що надходять у контактний апарат.

IIстадія: Окислення сірчистого газу в сірчаний ангідрид.

2 SO2 + О2 2 SO3 + Q

- екзотермічна реакція, оборотна, каталітична, гетерогенна за рахунок каталізатора, йде зі зменшенням обсягу.

Процес проводять в контактному апараті, що є циліндром. У ньому, на спеціальних полицях, шарами розміщено каталізатор (V2O5). Між полицями з каталізатором розміщуються трубки теплообмінника. При цьому одночасно вирішується проблема нагрівання сірчистого газу та охолодження до необхідної температури сірчаного газу (принцип теплообміну).

Оптимальні умови:1. t= 400 - 500 про С

2. Підвищення тиску

3. Окислення в «киплячому шарі» каталізатора.

IIIстадія: Поглинання сірчистого газу.

- Реакція екзотермічна, незворотна при t менше 300 про, некаталітична.

Поглинання сірчаного газу відбувається у поглинальній вежі, заповненій керамічними кільцями. Газ подається знизу, а зверху розбризкується 98%сірчана кислота. Поглинати сірчаний газ водою не можна, т.к. над нею завжди знаходиться пара, яка утворює із сірчаним газом дуже стійкий сірчанокислий туман, який не поглинається водою. При розчиненні SO3 у 98% кислоті утворюється безводна сірчана кислота -олеум.

Оптимальні умови:1. t до 300 про З

2. Протиток газу та кислоти

3. Використання 98% сірчаної кислоти.

Виробництво сірчаної кислоти створює чимало екологічних проблем – на I стадії це втрати сировини при видобутку, транспортуванні, зберіганні та переробці. Далі продукти проміжних реакцій SO2 і SO3 при потраплянні в атмосферу викликають утворення кислотних дощів, які ведуть до загибелі рослинності, виникнення респіраторних захворювань у тварин та людини. Викликають корозію металів, мармуру, закислення ґрунтів та водойм.

Щоб уникнути забруднення довкілля:

  • Створюються безвідходні виробництва. При цьому використовуються безстічні системи.
  • Для запобігання викидам SO2 і SO3 використовують спеціальні фільтри.
  • Необхідно поєднувати різні виробництва. Наприклад, металургійні підприємства та виробництва сірчаної кислоти. речовинами).
  • Використання як сировина - сірководню (нафтопереробні заводи).
завантажити