Технологическая схема процесса производства серной кислоты. Производство серной кислоты из флотационного колчедана

Наибольшее количество установок по производству серной кислоты использует в качестве сырья серу. Сера нижется побочным продуктом переработки природного газа и некоторых других промышленных газов (генераторного, газон нефтепереработки). Такие газы всегда содержат какое-то количество сернистых соединений. Сжигание неочищенного от серы природного газа приведет к загрязнению окружающей среды оксидами серы. Поэтому сернистые соединения обычно сначала удаляют и виде сероводорода, который затем частично сжигают до SO2, после чего смесь сероводорода и диоксида серы взаимодействует на слое боксита при 270-300 єС, превращаясь в результате этого взаимодействия в S и Н2O. Полученная таким образом сера называется «газовой». Кроме «газовой», в качестве сырья может использоваться самородная сера.

Сера как сырье для производства серной кислоты имеет ряд преимуществ. Во-первых, она в отличие от серного колчедана, почти не содержит примесей, которые могли бы представлять собой каталитические яды на стадии контактного окисления диоксида серы, например, соединений мышьяка. Во-вторых, при ее сжигании не образуется твердых и иных отходов, которые требовали бы складирования или поиска методов их дальнейшей переработки (при обжиге колчедана на 1 т исходного колчедана образуется практически столько же твердого отхода -- огарка). В-третьих, серу значительно дешевле транспортировать, чем колчедан, так как это концентрированное сырье.

Рассмотрим "короткую» схему получения серной кислоты из серы методом ДКДА (рис. 2).

Рис. 2.

1 -- печь для сжигания серы; 2 -- котел-утилизатор; 3 --экономайзер 4 -- пусковая топка: 5. 6 -- теплообменники пусковой топки. 7 -- контактный аппарат: 8 -- теплообменники 9 -- сушильная башня. 10, 11 -- первый и второй моногидратные абсорберы. 12 -- сборники кислоты: 13 -- выхлопная труба.

Расплавленную серу пропускают через сетчатые фильтры для очистки от возможных механических примесей (сера плавится при температуре. немногим выше 100 єС, поэтому такой способ ее очистки наиболее простой) и направляют в печь 1, в которую в качестве окислителя подают воздух, предварительно осушенный продукционной серной кислотой в сушильной башне 9. Выходящий из печи обжиговый газ охлаждают в котле-утилизаторе 2 с 1100-1200 єС до 440-450 єС и направляют с этой температурой, равной температуре зажигания промышленных катализаторов на основе пентоксида ванадия, на первый слой полочно-контактного аппарата 7.

Температурный режим, необходимый для приближения рабочей линии процесса к линии оптимальных температур, регулируется пропусканием потоков частично вступившего в реакцию обжигового газа через теплообменники 8, где происходит его охлаждение нагреваемыми потоками газа после абсорбции (или осушенного воздуха). После третьей ступени контактирования обжиговый газ охлаждают в теплообменниках 8 и направляют в промежуточный моногидратный абсорбер 10, орошаемый циркулирующей через сборник кислоты 12 серной кислотой с концентрацией, близкой к 98,3%. После извлечения в абсорбере 10 триоксида серы и достигнутого вследствие этого отклонения от почти достигнутого равновесия газ вновь нагревают до температуры зажигания в теплообменниках 8 и направляют на четвертую ступень контактирования.

В данной схеме для охлаждения газа после четвертой ступени и дополнительного смешения равновесия к нему добавляют часть осушенного воздуха. Прореагировавшие в контактом аппарате газы пропускают для охлаждения через экономайзер 3 и направляют в заключительный 11 моногидратный абсорбер 11, из которого не содержащие оксидов серы газы выбрасывают через выхлопную трубу 13 в атмосферу.

Для пуска установки (вывода ее на заданный технологический, в частности температурный, режим) предусмотрены пусковая топка 4 и теплообменники пусковой топки 5 и 6. Эти аппараты отключаются после вывода установки в рабочий режим.

Контактной серной кис­лоты отражает технологическая схема, в которой исход­ным сырьем служит колчедан (классическая схема) (рис. 34). Эта схема включает четыре основные стадии: 1) получение сернистого ангидрида, 2) очистка газа, со­держащего сернистый ангидрид, от примесей, 3) окисле­ние (на катализаторе) сернистого ангидрида до серного, 4) абсорбция серного ангидрида.

К аппаратам первой стадии процесса относится обжи­говая печь 2, в которой получают сернистый газ, и сухой электрофильтр 5, в котором обжиговый газ очищается от пыли. На вторую стадию процесса - очистку обжиго­вого газа от примесей, ядовитых по отношению к катали­затору, газ поступает при 300-400° С. Газ очищают, промывая его более холодной, чем сам газ, серной кис­лотой. Для этого последовательно газ пропускают через такие аппараты: промывные башни 6 и 7, первый мокрый электрофильтр 8, увлажнительную башню 9 и второй мокрый электрофильтр 8. В этих аппаратах газ очищает­ся от мышьяковистого, серного и селенистого ангидридов, а также от остатков пыли. Далее газ освобождается от влаги в сушильной башне 10 и брызг серной кислоты в

Брызгоуловнтеле 11. Обе промывные 6 п 7, увлажнитель­ная 9 и сушильная 10 башни орошаются циркулирующей серной кислотой. В цикле орошения есть сборники 20, из которых серная кислота насосами подается па орошение башен. При этом кислота предварительно охлаждается в холодильниках 18, где из промывных башен отводится в основном физическое тепло обжигового газа, а пз су­шильной- тепло разбавления сушильной серной кисло­ты водой.

Нагнетатель 12 в этой схеме помещен примерно в се­редине системы; все аппараты, расположенные перед ним, находятся под разрежением, после него - пел давлени­ем. Таким образом, под давлением работают аппараты, обеспечивающие окисление сернистого ангидрида до сер­ного и абсорбцию серного ангидрнда.

При окислении сернистого ангидрнда до ссрниго вы­деляется большое количество тепла, которое используют для нагревания очищенного обжигового газа, поступаю­щего в контактный аппарат 14. Горячий серный ангидрид через стенки труб, по которым он проходит в теплооб­меннике 13, передает тепло более холодному сернистому ангидриду, проходящему в межтрубном пространстве теплообменника 13 и поступающему в контактный аппа­рат 14. Дальнейшее охлаждение серного ангидрнда перед абсорбцией в олеумном 16 и моногидратпом 17 абсорберах происходит в ангидридном холодильнике (экономайзере) 15.

При поглощении серного ангидрида в абсорбционном отделении выделяется большое количество гепла, кото­рое передается циркулирующей кислоте, орошающей олеумный 16 и моногидратный 17 абсорберы, и отводит­ся в холодильниках 19 и 18.

Концентрация олеума и моногидрата повышается вследствие поглощения все новых и новых порции серно­го ангидрида. Сушильная же кислота все время разбав­ляется из-за поглощения паров воды пз обжгиового газа Поэтому для поддержания стабильных концентраций этих кислот существуют циклы разбавления олсумсі моно­гидратом, моногидрата - сушильной кислотой и цикл повышения концентрации сушильной кислоты моногидра­том. Так как воды, поступающей в моногидратный абсор­бер с сушильной кислотой, практически всегда недоста­точно, чтобы получить нужную концентрацию КИСЛО!.", в сборник моногидратного абсорбера добавляют воду.

В первой промывной башне 6 концентрация кислоты возрастает вследствие поглощения из газа небольшого количества серного ангидрида, образующегося при об­жиге колчедана в печах. Для поддержания стабильной концентрации промывной кислоты в первой промывной башне в ее сборник передается кислота из второй про­мывной башни. Для поддержания необходимой концен­трации кислоты во второй промывной башне в нее пере­дается кислота из увлажнительной башни. Если при этом для получения стандартной концентрации кислоты в первой промывной башне не хватает воды, то ее вводят в сборник либо увлажнительной, либо второй промыв­ной башни.

На контактных сернокислотных заводах обычно по­лучают три вида продукции: олеум, техническую серную кислоту и разбавленную серную кислоту из первой промывной башни (после выделения из кислоты се­лена).

На некоторых заводах промывную кислоту после очистки от примесей используют для разбавления моно­гидрата или для приготовления концентрированной сер­ной кислоты путем разбавления олеума. Иногда олеум просто разбавляют водой.

По схеме, "приведенной на рис. 34, перерабатывается газ, содержащий 4-7,5% S02. При более низкой кон­центрации S02 тепла, выделяющегося в контактном от­делении, не хватает для подогрева газа, поступающего на контактирование (т. е. не обеспечивается автотермич - ность процесса). При более высокой концентрации S02 понижается степень контактирования.

В настоящее время ведутся работы по усовершенство­ванию схемы производства контактной серной кислоты путем нового оформления отдельных стадий этого про­цесса и применения более мощных аппаратов, обеспечи­вающих высокую производительность систем.

На многих заводах на сушильных башнях и моногид - ратных абсорберах применяются распределители кисло­ты, после которых в газе содержится минимальное коли­чество брызг. Кроме того, непосредственно в башнях или после них предусмотрены устройства для отделения ка­пель тумана н брызг. На ряде заводов из технологиче­ской схемы исключена увлажнительная башня; ее отсут­ствие компенсируется увеличением мощности мокрых электрофильтров или некоторым изменением режима ра­боты промывных башен для более интенсивного увлаж­нения газа во второй промывной башне, что дает воз­можность сократить затраты электроэнергии на мокрую очистку.

В сернокислотной промышленности начинают широко применять интенсивные и более совершенные аппараты, заменяющие насадочные башни, оросительные холодиль­ники, центробежные насосы и пр. Например, для выде­ления S02 из отходящих газов в производстве серной кислоты контактным способом применяют интенсивные аппараты распыляющего типа (APT), в которых жид­кость распыляется потоком газа.

В результате применения кислородного дуіья при об­жиге сырья в цветной металлургии повышается концен­трация S02 в отходящих газах, что создает возможность интенсификации сернокислотных систем, работающих на этих газах. Использование кислотостойких материалов при изготовлении аппаратуры для производства серной кислоты контактным способом позволяет значительно улучшить качество продукции и увеличить выпуск реак­тивной серной кислоты.

Серную кислоту производят в больших количествах на сернокислотных заводах.

I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты:

II. Подготовка сырья.

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS2.

1) Измельчение пирита.

Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

2) Очистка пирита.

После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

III. Химизм производства.

Производство серной кислоты из пирита состоит из трёх стадий.

ПЕРВАЯ СТАДИЯ - обжиг пирита в печи для обжига в "кипящем слое".

Уравнение реакции первой стадии

4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2 + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2.

ВТОРАЯ СТАДИЯ - окисление SO2 в SO3 кислородом.

Протекает в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии: 2SO2 + O2 2SO3 + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3).

а) температура:

Прямая реакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3 является температура 400-500°С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия V2O5.

б) давление:

Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO2 и 1V O2), а справа - 2V SO3. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.

Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.

Температура 400-500°С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3.

Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO3 серной кислотой.

Протекает в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO3 + H2O H2SO4. Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3.

Уравнение реакции этого процесса nSO3 + H2SO4 H2SO4·nSO3

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Охрана окружающей среды,

связанная с производством серной кислоты.

Основным сырьем для производства серной кислоты, является сера. Она относится к числу наиболее распространенных числу химических элементов на нашей планете.

Производство серной кислоты происходит в три стадии на первой стадии получают SO2, путем обжига FeS2, затем SO3, после чего на третьей стадии получают серную кислоту.

Научно-техническая революция и связанный с ней интенсивный рост химического производства, вызывает существенные негативные изменения в окружающей среде. Например отравление пресных вод, загрязнение земной атмосферы, истребление животных и птиц. В результате мир оказался в тисках экологического кризиса. Вредные выбросы сернокислых заводов следует оценивать не только по действию содержащегося в них оксида серы на расположенные вблизи предприятия зоны, но и учитывать другие факторы - увеличение количества случаев респираторных заболеваний человека и животных, гибель растительности и подавление ее роста, разрушение конструкций из известняка и мрамора, повышение коррозионного износа металлов. По вине “кислых” дождей повреждены памятники архитектуры (Тадж-Макал).

В зоне до 300 км от источника загрязнения (SO2) опасность представляет серная кислота, в зоне до 600 км. - сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост с/х культур. Закисление водоемов (весной при таянии снега, вызывает гибель икр и молоди рыб. Помимо экологического ущерба налицо экономический ущерб - громадные суммы каждый год теряются при раскисление почв.

Рассмотрим химические метода отчистки от наиболее распространенных газообразных загрязняющих воздух веществ. Известно более 60 методов. Наиболее перспективны методы, основанные на поглощение оксида серы известняком, раствором сульфита - гидросульфита аммония и щелочным раствором алюмината натрия. Интерес также представляют каталитические методы окисления оксида серы в присутствии оксида ванадия.

Особое значение имеет очистка газов от фторсодержащих примесей, которые даже в незначительной концентрации вредно влияют на растительность. Если в газах содержится фтороводород и фтор, то их пропускают через колоны с насадкой противотоком по отношению к 5-10% раствору гидроксида натрия. В течении одной минуты протекают следующие реакции:

F2+2NaOH-> O2+H2O+2NaF

HF+NaOH->NaF+H2O;

Образующийся фторид натрия обрабатывают для регенерации гидроксида натрия.

Контактным способом производится большое количество сортов серной кислоты, в том числе олеум, содержащий 20% свободной SO 3 , купоросное масло (92,5% H 2 SO 4 и 7,5% Н 2 О), аккумулятор­ная кислота примерно такой же концентрации, как и купоросное масло, но более чистая. Контактный способ производства серной кислоты из сернистого газа включает три стадии: 1) очистку газа от вредных для катализатора примесей; 2) контактное окисление диоксида серы в триоксид; 3) абсорбцию триоксида серы серной кислотой. Главной стадией является контактное окисление SO 2 в SO 3 ; по названию этой операции именуется и весь способ.

Контактное окисление диоксида серы является типич­ным примером гетерогенного окислительного экзотермического ка­тализа.

Равновесие обратимой реакции
2SO 2 + О 2 D 2SO 3 , ΔН= –2×96, 7 кДж (500°С) (а)

в соответствии с принципом Ле Шателье сдвигается в сторону образования SO 3 при понижении температуры и повышении дав­ления; соответственно увеличивается равновесная степень превра­щения SO 2 в SO 3 . Повышение давления увеличивает и скорость реакции (а).

Открыты сотни веществ, ускоряющих реакцию окисления SO 2 , но были приме­нены в производстве лишь три катали­затора: 1) металлическая платина; 2) ок­сид железа; 3) пентаоксид ванадия.

Однако платина вышла из употребления вследствие дороговиз­ны и легкой отравляемости примесями обжигового газа, особен­но мышьяком. Оксид железа дешевый, не отравляется мышьяком, но при обычном составе газа (7% SO 2 и 11% О 2) он проявляет каталитическую активность только выше 625 °С, и поэтому применялся лишь для начального окисления SO 2 . Ванадиевый катализатор менее активен, чем платиновый, но дешевле и отравляется соединения­ми мышьяка в несколько тысяч раз меньше, чем платина; он ока­зался наиболее рациональным, и только он применяется в про­изводстве серной кислоты в РФ. Ванадиевая контактная мас­са содержит в среднем 7% V 2 O 5 ; активаторами являются оксиды щелочных металлов, обычно применяют активатор К 2 О; носите­лем служат пористые алюмосиликаты или диоксид кремния. Обыч­ные ванадиевые контактные массы представляют собой пористые гранулы, таблетки или кольца. При катализе оксид калия превра­щается в K 2 S 2 O 7 , а контактная масса представляет со­бой пористый носитель, поверхность пор которого смочена плен­кой раствора пентаоксида ванадия в жидком пиросульфате калия.

Ванадиевая контактная масса эксплуатируется при 400-600°С. При увеличении температуры выше 600 °С начинается необрати­мое снижение активности катализатора вследствие изменения структуры зерна и состава активного компонента. При понижении температуры активность катализатора резко снижается вследствие превращения V +5 в V +4 с образованием малоактивного сульфа­та ванадила VOSO 4 .

Процесс катализа слагается из диффузионных и кинетических стадий. В крупных гранулах контактной массы сум­марная скорость процесса определяется диффузией реагентов в порах. Обычно применяют гранулы около 5 мм в поперечнике, при этом на первых стадиях окисления лимитирует скорость диф­фузии в порах, а на последних скорость самого катализа, точнее активированной сорбции кислорода.

Максимальный выход SO 3 для данного времени контакта получается при определенной оптимальной температуре. Следовало бы начинать процесс при максимально возмож­ной температуре 600°С, а затем непрерывно отводить теплоту реакции, с тем чтобы закончить катализ при минимально возмож­ной температуре 400 °С.

В трубчатых аппаратах теплота отводится непрерывно, но та­кие аппараты при испытаниях оказались неудобными в эксплуа­тации. Применяют полочные аппараты со ступенчатым отводом теплоты между полками.

На ряде заводов эксплуатируются четырех- или пятиполочные контактные аппараты с теплообменниками между полками производительностью от 50 до 500 т/сут в пересчете на H 2 SO 4 . Цилиндрический корпус аппарата диаметром до 12 м и высотой до 30 м по габаритам и металлоемкости много меньше системы реак­торов. Одна­ко для современных мощных сернокислотных систем производи­тельностью 1000-1500 т/сут H 2 SO 4 необходимо было бы устанав­ливать в теплообменниках несколько тысяч труб, что создало бы трудности для ремонта аппарата и понизило бы надежность рабо­ты всей химико-технологической системы. Поэтому в составе мощных сернокислотных систем устанавливают полочные аппара­ты без внутренних теплообменников. На рис. 4 представлена схема производства серной кислоты по способу двойного контактирования (ДК) из природной или газовой серы, не содержащей контактных ядов (соединений мышь­яка, селена и др.).

Расплавленная и отфильтрованная от минеральных примесей сера сжигается в потоке предварительно высушенного воздуха. Полученный сернистый газ с массовой долей около 10% SO 2 с температурой свыше 1000 °С охлаждается в паровом котле до 420 °С и поступает в пятислойный контактный аппарат. В трех верхних слоях катализатора происходит окисление диоксида серы примерно на 60% в каждом и адиабатическое повышение темпе­ратуры. Охлаждением газа в теплообменниках между полками достигается сту­пенчатое приближение к оптимальной кривой. На выходе из тре­тьего слоя достигается степень превращения SO 2 в SO 3 на 93- 95%, при этом адиабата приближается к равновесной кривой и скорость реакции сильно уменьшается. Поэтому в способе двойно­го контактирования (ДК) газ после третьего слоя поступает на абсорбцию, триоксид серы поглощается практически полностью; равновесие не лимитирует процесс; соотношение О 2: SO 2 дости­гает 10: 1 и в четвертом слое содержащийся в газе диоксид серы (около 0,5%) окисляется на 90-95%.

По схеме, представленной на рис. 4, газ после четверто­го слоя охлаждается добавкой холодного воздуха, проходит еще пятый слой, после которого общая степень превращения составля­ет 99,5% или выше. Однако и такая степень превращения не пол­ностью удовлетворяет современным требованиям по охране приро­ды.

Абсорбция триоксида серы проводится в башнях с насадкой, орошаемых раствором кислоты, которая содержит 98,3-98,6% H 2 SO 4 . Такая кислота в технике называется моногидратом. Она, являясь азеотропной смесью, обладает наи­лучшей поглотительной способностью. Степень абсорбции свыше 99%. При небольшом разбавлении кислоты над нею появляются водяные пары, образующие с SO 3 мельчайшие капельки сернокис­лотного тумана, которые плохо улавливаются в башнях с насадкой. Степень абсорбции резко снижается. Для улучшения абсорб­ции кислоту, поступающую в абсорберы, охлаждают в трубчатых холодильниках воздухом или водой до 60-70°С. В абсорберах и сушильной башне количество циркулирующей орошающей кисло­ты во много раз больше, чем необходимо для поглощения SO 3 , и определяется тепловым балансом. Схема циркуляции кислоты показана на рис. 5.

Небольшая доля кислоты передается на сушильную башню и с нее отбирается готовая продукция - купо­росное масло.

Теплота реакции используется для подогрева воздуха, поступа­ющего в печь сжигания серы, и для нагревания газа, направляе­мого в аппарат после первой стадии абсорбции.

Расходные коэффициенты на 1 т моногидрата H 2 SO 4 составля­ют примерно: серы - 0,34 т, электроэнергии - 85 кВт×ч, воды - 70 м 3 . Коэффициент использования серы - 0,95.

Технологическая система производства сильно усложняется при переработке газа от обжига колчедана, сульфидов цветных металлов и газовой серы, полученной из колчедана. Эти газы со­держат остатки пыли после сухой очистки в печном отделении, контактные яды в виде оксидов мышьяка, селена, аэрозолей цветных металлов, а также водяные пары.

В схему производства входит промывное определение, включающее башни с насадкой и мокрые электро­фильтры.

При охлаждении газа имеющийся в нем триоксид серы и пары воды конден­сируются в виде мельчайших капелек. В этих капельках растворяется оксид мышьяка. Образуется мышьяковокислотный туман, который частично улавлива­ется в промывных башнях. Одновременно улавливаются остатки пыли (первая башня), селен и другие примеси. Образуется гряз­ная серная кислота (до 5% от общей выработки), которую вы­дают как нестандартную продукцию. Окончательная очистка газа от трудноуловимого мышьяковокислотного тумана производится в двух последовательно установленных мокрых электрофильтрах. Капельки тумана заряжаются отрицательно и осаждаются на трубчатых осадительных электродах, изготовленных из свинца или углеродсодержащей пластмассы. Очистка газа завершается осушкой его от паров воды концентрированной серной кислотой в башне с насадкой.

Сухой чистый газ после сушильной башни транспортируется через всю аппаратуру турбокомпрессором.

Описание схемы производства серной кислоты

Процесс производства серной кислоты можно описать следующим образом.

Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья (необходимость в этой стадии отпадает при использовании в качестве сырья отходящих газов, так как в этом случае обжиг сульфидов является одной из стадий других технологических процессов).

Обжиговый газ 350-400 о С о С

Получение обжигово газа. Для стабилизации процесса обжига в кипящем слое автоматически регулируется: концентрация SO2 в газе, количество воздуха, поступающего в печь, высота кипящего слоя и разрежение в печи. Постоянство объема сернистого газа и концентрации в нем SO2 на выходе из печи поддерживается путем автоматического регулирования подачи воздуха и колчедана в печи в зависимости от температуры отходящего газа. Количество воздуха, подаваемого в печь, регулируется при помощи регулятора, воздействующего на положение дроссельной заслонки в патрубке воздуходувки. Стабильность концентрации SO2 в газе перед электрофильтром обеспечивается автоматическим регулятором путем изменения оборотов питателя подающего колчедан в печь. Высота кипящего слоя в печи регулируется скоростью удаления огарка путем изменения регулятором скорости вращения разгрузочного шнека или степени открытия секторного затворена выгрузке огарка. Постоянное разрежение в верхней части печи поддерживается регулятором, который соответственно изменяет положение дроссельной заслонки перед вентилятором.

Обжиговый газ 350-400 о С поступает в полую промывную башню где охлаждается до 80 о С орошающую башню 60-70% серной кислотой.

Из полой промывной башни газ поступает на вторую промывную башню с насадкой где орошается 30% серной кислотой и охлаждается до 30 о С.

В промывных башнях газ освобождается от остатков пыли в каплях серной кислоты растворяются оксиды мышьяка и селена, которые присутствуют в обжиговом газе и являются ядом для катализатора в контактном аппарате. Туман серной кислоты с растворенными в нем оксидами мышьяка и серы осаждается в мокрых электрофильтрах.

Окончательная осушка обжигового газа после электрофильтра осуществляется в абсорбционном колоне с насадкой

концентрированной серной кислотой (93-95%).

Отчищенный сухой газ SO2 подается в теплообменник. где подогревается горячими газами из контактного аппарата.

Газ поступает в контактный аппарат и окисляется до SO3. Катализатором является пентооксид ванадия.

Горячий газ SO3 (450-480 о С), выходящий из контактного аппарата поступает в теплообменник, отдает тепло свежему газу, далее поступает в холодильник и затем направляется на абсорбцию.

Абсорбция SO3 происходит в двух последовательно расположенных башнях. Первая походу башня орошается олеумом. Содержащем 18-20% SO3 (своб.) Вторая башня орошается концентрированной серной кислотой. Таким образом, в процессе производства образуется два продукта: олеум и концентрированная серная кислота.

Отработанные газы, содержащее остатки SO2 пропускают через щелочные абсорберы, которые орошаются аммиачной водой и в результате сульфит аммония.

1.3 Основное основного технологического оборудования

В процессе производства серной кислоты используют следующее технологическое оборудование:

1. Промывная башня.

2. Промывная башня с насадкой.

3. Мокрый фильтр.

4. Сушильная башня.

5. Турбокомпрессор.

6. Трубчатый теплообменник.

7. Контактный аппарат.

8. Трубчатый холодильник газа.

9. Абсорбционная башня.

10. Холодильник кислоты.

11. Сборник кислоты.

12. Центробежный насос.

13. Печь кипящего слоя.

14. Топка.

Основной фазой процесса производства серной кислоты является окисление двуокиси серы в контактном аппарате.

Описание конструкции основных узлов контактного аппарата /11/.

Рисунок 1 - Схема контактного отделения с двойным контактированием

На рисунке 1 представлена схема контактного отделения с двойным контактированием. Газ проходит теплообменники 1 и 2 и поступает на первый, а затем на второй и третий слой контактной массы аппарата 3. После третьего слоя газ подается в промежуточный абсорбер 8, из него – в теплообменники 5 и 4, а затем – в четвертый слой контактной массы. Охлажденный в теплообменнике 5 газ проходит абсорбер 6 и из него выводится в атмосферу. На рисунке 2 представлен современный контактный аппарат в пересчете на H 2 SO 4 в зависимости от их размеров составляет от 50 до 1000 т/сут H 2 SO 4 . В аппарат загружают 200-300 л контактнй массы на 1т суточной выработки. Трубочные контактные аппараты применяются для окисления SO 2 реже, чем полочные.

Рисунок 2 - Схема контактного аппарат с выносным теплообменником

Для окисления двуокиси серы повышенной концентрации рационально применять контактные аппараты с кипящими слоями катализатора. Для уменьшения содержания SO 2 в отходящих газах широко применяется способ двойного контактирвания, сущность которого состоит в том, что окисление SO 2 на катализаторе осуществляется в два этапа. На первом этапе степень превращения составляет около 0,90. Перед вторым этапом контактирования из газа выделяют трех-окись серы; в результате в оставшейся газовой смеси увеличивается соотношение O 2 :SO 2 , а это повышает равновесную степень превращения (х р ). В результате в одном или двух слоях контактной массы второго этапа контактирования достигают степени превращения оставшейся двуокиси серы 0,995-0,997, а содержание SO 2 в отходящих газах снижается до 0,003%. При двойном контактировании газа нагревается от 50 до 420-440 о С два раза - перед первой и перед второй стадией контактирования, поэтому начинается концентрация двуокиси серы должна быть выше, чем при однократном контактировании в соответствии с уровнем адиабаты.

1.4 Параметры нормального технологического режима

В технологическом процессе производства серной кислоты имеются величины, характеризующие этот процесс, так называемые параметры процесса.

Совокупность значений всех параметров процесса называют /12/ технологическим режимом, а совокупность значений параметров, обеспечивающих решение целевой задачи – нормальным технологическим режимом.

Определены основные технологические параметры, подлежащие контролю с обоснованием их влияния на качество выпускаемого продукта и безопасность ведения процесса.

Контролю подлежат /2/ следующие параметры:

1. Температура обжигово газа, подаваемого в первую промывную башню. При отклонении температуры от заданного диапазона: в меньшую сторону - реакция концентрации SO 2
2. Температура в 1, 2, 3, 4, 5 сборнике кислоты. При отклонении температуры от заданного диапазона: в меньшую сторону – концентрация SO 2 будет замедляться, отклонении в большую сторону – приведет к неоправданному расходу теплоты.
3. Температура обжигово газа при выходе из трубчатого теплообменника. При отклонении температуры от заданного диапазона: в меньшую сторону – концентрация SO 2 до SO 3 будет замедляться, отклонении в большую сторону – приведет к неоправданному расходу теплоты.
4. Температура SO 3 в холодильнике. После выхода из контактного аппарата SO 3 должен охладится для продолжения реакции в абсорбционной башне.
5. Давление газа, подаваемого в печь КС. Контроль давления природного газа необходим для правильного и эффективного ведения процесса горения. Колебания давления в газовой сети могут сделать процесс горения неустойчивым и привести к неполному сгоранию топлива, и как следствие произойдет неоправданный перерасход газового топлива. Полное сжигание газа важно не только для достижения высокого КПД печи, но и для получения безвредной смеси отходящих газов, не влияющих на здоровье людей.
6. Давление воздуха, подаваемого в турбокомпрессор. Контроль давления воздуха необходим для правильного и эффективной работы компрессора. Отклонение давления воздуха от заданного диапазона приведет к малой эффективности его работы.
7. Давление воздуха, подаваемого в холодильник. Контроль давления воздуха необходим для максимальной производительности холодильника.
8. Расход воздуха, подаваемого в топку. Контроль расхода воздуха необходим для правильного и эффективного ведения процесса горения. При малых избытках воздуха в топочном пространстве будет происходить неполное сгорание топлива, и как следствие произойдет неоправданный перерасход газового топлива. Полное сжигание газа важно не только для достижения высокого КПД печи, но и для получения безвредной смеси отходящих газов, не влияющих на здоровье людей.
9. Расход обжигово газа выходящего из печи КС. Количество обжигово газа должно быть постоянным так как отклонение от нормы может навредить производству в целом.
10. Расход колчедана в топочную печь. При недостатке продукта - приведет к неоправданному расходу теплоты
11. Уровень на 1, 2, 3, 4, 5 сборнике кислоты нужен для получения необходимого количества кислоты и дальнейшей ее концентрации. При недостатке или избытке кислоты не будет достигнута нужная концентрация.
12. Концентрация на первой промывной башне. Кислота поступающая на орошение первой промывной башни должна быть нужной концентрации (75% серная кислота) в противном случаи реакция в целом будет проходить не правильно.
13. Концентрация на второй промывной башне. Кислота поступающая на орошение второй промывной башни должна быть нужной концентрации (30% серная кислота) в противном случаи реакция в целом будет проходить не правильно.
14. Концентрация в сушильной башне. Кислота поступающая на орошение сушильной башни должна быть нужной концентрации (98% серная кислота) в противном случаи реакция в целом будет проходить не правильно.

Таблица 1 - Технологические параметры, подлежащие контролю

серная кислота производство

2. Выбор и основание параметров контроля и управления

2.1 Выбор и основных параметров и средств контроля

2.1.1 Контроль температуры

Необходимо производить контроль температуры в промывной башне. В контактном аппарате необходимо контролировать температуру в 450ºС, так как /2/ только лишь при данной температуре происходит выгорание серы из колчедана. Так же при повышении данной температуры возможен выход из строя аппаратуры и приборов

2.1.2 Контроль расхода

Контроль топочного газа необходим так как его количество влияет на сгорание серы в печи КС. Для того чтобы процесс протекал правильно мы ставим датчик контроля расхода в трубопровод перед входом обжигового газа в печь КС так как именно он контролирует степень выгорания серы в печи.

2.1.3 Контроль концентрации

Необходим постоянный контроль концентрации серы в сборнике кислоты.

Необходимый уровень концентрации серы равен 30% от общей массы смеси.

Понижение или увеличение данного параметра приведёт к браку продукции уже на начальном её этапе производства.

Так же необходим контроль концентрации серной кислоты в промывной башне с насадкой равной, 75%, а так же концентрация сушильной башне, равной 92%.

2.1.4 Контроль уровня

Контроль уровня необходим в контейнере для сбора кислоты, если кислоты будет много она может вытечь наружу и тем самым навредить оборудованию и людям находящимся неподалеку.

2.2 Выбор и обоснование параметров управления и каналов воздействия

2.2.1 Управление температурой в ПКЦ

Необходимо регулировать температуру в ПКС, которая должна быть равна 450ºС. Повышение данной температуры ведёт к неполному выгоранию серной кислоты, а из-за недостаточно низкой температуры происходит брак продукции. Регулирование температуры на данном участке технологического процесса осуществляется посредством управления подачи топочного газа в ПКС – с помощью исполнительного механизма.

2.2.2 Управление концентрации в промывной башне

Необходим постоянный контроль концентрации серы в сборнике кислоты, которая должна быть равна 92%. Понижение или увеличение данного параметра приведёт к неправильному протекание реакции, что нарушит весь технологический процесс. Регулирование концентрации на данном участке технологического процесса осуществляется посредством управления подачи воды в сборник кислоты – с помощью исполнительного механизма.

2.2.3 Управление давлением в ПКС

Необходим постоянный контроль давления в ПКС, которое должно быть равным 250 кПа. Понижение или увеличение данного параметра приведёт к браку продукции уже на начальном её этапе производства. Регулирование давления на данном участке технологического процесса осуществляется посредством управления подачи атмосферного воздуха – с помощью исполнительного механизма.

2.2.4 Управление уровня в сборнике кислоты

Необходимо постоянно контролировать уровень в сборнике кислоты который не должен превышать 75 см. Понижение или увеличение этого параметра может не вредит технологическому процессу.

3. Описание АСР и технических средств автоматизации, выбор и обоснование законов регулирования

3.1 АСР температуры обжигового газа после – ПКС

Основными параметрами влияющими на процесс в ПКС являются: Fк- расход колчедана, Т- теплопотери, Тп- температура греющего пара, Тк- температура колчедана, Тв- температура воздуха, Рп- давление греющего пара.

Рисунок 1 - Структурная схема печи кипящего слоя как объекта управления

Температура обжигового газа на выходе из ПКС является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимой температуры, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется расход топочного газа, используется при этом регулирование по отклонению, как самый эффективный способ в данном случае.

Рисунок 2 - Принципиальная схема регулирования температуры обжигово газа

Рисунок 3 - Структурная схема регулирования температуры обжигово газа

3.2 АСР концентрации в промывной башне

Основными параметрами влияющими на процесс в промывной башне:

Fоб.г- расход обжигового газа, Fк- расход кислоты, Qк- концентрация кислоты, Fв- расход воды, Q- концентрация примесей, Q SO2- концентрация SO2

Рисунок 4 - Структурная схема промывной башни

Концентрация серной кислоты подаваемая на орошение промывной башни является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимой концентрации, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется подача воды в сборник кислоты.

Рисунок 5 - Принципиальная схема регулирования концентрации серной кислоты

Рисунок 6 - Структурная схема регулирования концентрации серной кислоты

3.3 АСР давления в ПКС

Основными параметрами влияющими на процесс в ПКС, являются:

Fк- расход колчедана, Т- температура в ПКЦ, Fв- температура воздуха, Fк- температура колчедана.

Рисунок 7 - Структурная схема ПКЦ

Расход воздуха подаваемого в ПКС является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимого давления, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется расход воздуха, используется при этом регулирование по отклонению, как самый эффективный способ в данном случае.

Рисунок 8 - Принципиальная схема регулирования давления

Рисунок 9 - Структурная схема регулирования давления в ПКЦ

3.4 АСР уровня в сборнике кислоты

Основными параметрами влияющими на процесс в сборнике кислоты являются: Fк- расход колчедана, Т- температура в ПКЦ, Fв- температура воздуха, Fк- температура колчедана.

Рисунок 10 - Структурная схема сборника уровня

Расход воды подаваемой в сборник кислоты является основным контролируемым параметром. Для достижения необходимого уровня, в соответствии с нормальным технологическим режимом, регулируется расход воды, используется при этом регулирование по отклонению, как самый эффективный способ в данном случае.

Рисунок 11 - Принципиальная схема регулирования уровня

Рисунок 12 - Структурная схема регулирования уровня