Производство серной кислоты: химические концепции синтеза серной кислоты, способы производства

Основные виды сырья для производства серной кислоты: железный колчедан, сера, сероводород, газы цветной металлургии.

Производство серной кислоты контактным способом включает четыре стадии: получение диоксида серы; очистку газа от примесей; получение триоксида серы; абсорбцию триоксида серы.

Первая стадия связана с получением диоксида из колчедана, который обжигают в печах, где протекает необратимая реакция: 4FeS₂+11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q.

Ускорение этой реакции обеспечивается тонким измельчением сырья, тщательным его перемешиванием и избытком воздуха или обогащением воздуха кислородом. Обжиговые газы, получаемые при обжиге колчедана, содержат много пыли, для улавливания которой применяют циклоны и электрофильтры (вторая стадия производства серной кислоты). В циклонах пыль оседает под действием центробежных сил. Электрофильтры представляют собой конденсаторы высокого напряжения (60000... 70000 В). Запыленный газ проходит между пластинами электрофильтра, где пылинки заряжаются и оседают на противоположно заряженных пластинах. При встряхивании пластин осевшая пыль падает в бункер электрофильтра, из которого затем удаляется.

На сернокислотных заводах нашей страны в качестве катализатора используют ванадиевые контактные массы с содержанием V₂0₅ примерно 7 %, а также включающие оксиды щелочных металлов и высокопористые алюмосиликаты в качестве носителя. Для достижения максимальной скорости окисления SO₂ в SO₃ процесс следует начинать при температуре около 600 °С и заканчивать при 400 °С. Конструкции современных полочных контактных аппаратов обеспечивают эти условия. При тщательной очистке газа контактная масса сохраняет активность на протяжении нескольких лет. Самая высокая активность катализатора и выгодные температурные условия процесса катализа достигаются в аппаратах со взвешенным (кипящим) слоем.

Под давлением работают аппараты третьей стадии производства – стадии окисления сернистого ангидрида SO₂ до серного ангидрида SO₃. Данное окисление осуществляется на поверхности катализатора. Применяются катализаторы на основе V₂О₅. Процесс протекает по реакции: SO₂ + ½ O₂ = SO₃ + Q.

Как следует из уравнений реакций, процесс протекает с уменьшением объёма, следовательно, процесс необходимо проводить под повышенным давлением, повышение давления способствует повышению степени окисления SO₂. Поскольку процесс протекает с выделением тепла, понижение температуры способствует повышению степени окисления SO₂. Однако температура зажигания ванадиевого катализатора примерно 420÷440°С. При температуре 620°С активность катализатора резко уменьшается, что связывают с разрушением V₂О₅. Поэтому процесс окисления аммиака осуществляется в несколько стадий с промежуточным охлаждением реакционной среды.

Перед началом процесса окисления, сернистый газ нагревается в теплообменнике за счёт тепла продуктов реакции до температуры зажигания катализатора – от 420 до 440ºС. Подогретый газ поступает на первый слой катализатора КА. Здесь происходит окисление SO₂ до SO₃ на 74%. За счёт тепла химич. реакции температура повышается до 600ºС, далее следует охлаждение газов в теплообменнике до температуры 465ºС, и газы поступают на второй слой катализатора. На 2^ом слое катализатора происходит окисление SO₂ до SO₃ до 86%. Температура газов повышается до 514ºС. Далее следует стадия охлаждения газов до температуры 450ºС и третья стадия окисления SO₂ до SO₃ до 94,5%. Повышение температуры газов происходит до 470ºС. После третье стадии газы охлаждаются до температуры 100°С и поступают на абсорбцию противотоком с орошающей средой: вначале – в олеумный абсорбер, затем – в моногидратный абсорбер, затем, после брызгоуловителя – снова подогревается и направляется на 4^ый слой катализатора, где степень окисления SO₂ до SO₃ увеличивается до 94,5%. Температура газов увеличивается до 450°С. И после этого – вновь стадия охлаждения до 409°С и поступает на 5^ую стадию окисления, где процесс проходит до 99,5÷99,99%. После охлаждения, газы поступают на абсорбцию в моногидратный абсорбер 2^ой ступени. Содержание SO₂ в выхлопном газе сост-т 0,03% объёма.

Четвёртая стадия процесса производства серной кислоты – стадия абсорбции трёхокиси серы осуществляется противотоком воды и серного ангидрида по реакции: nSO₃ + H₂O = H₂SO₄ + (n-1) SO₃

При n≤1 получается серная кислота различной концентрации, при n≥1 получается олеум. Олеум – предпочтительный продукт. Процесс получения серной кислоты проходит в моногидратных абсорберах. Абсорберы представляют собой скруббер с насадкой – кольца Рашига. Процесс массообмена протекает на поверхностях раздела фаз. На орошение с верху колонны подаётся орошающая жидкость. В олеумном абсорбере на орошение подаётся олеум с концентрацией свободного SO₃ 19±1% с температурой не более 60°С. В моногидратном – серная кислота с концентрацией 98,3±0,4% и температурой не более 60°С. Для охлаждения полученной серной кислоты и олеума применяют оросительные, кожухотрубчатые, спиральные или воздушные охладители. Концентрация SO₃ в продукционном олеуме составляет до 31%. При необходимости серную кислоту производят разбавлением олеума.

Последней стадией производства H₂SO₄ является обезвреживание отходящих газов. Выхлопные газы производства серной кислоты содержат до 0,2% объёма SO₂ и 0,007% объёма SO₃. На первом этапе очистки проводится скрубберная очистка с орошением сульфатом и бисульфотом аммония. Для улавливания тумана серного ангидрида после скрубберной очистки предусмотрен электрофильтр.

Может так же применяться кислотно-каталитиический метод очистки, в котором орошение газов осуществляется серной кислотой концентрацией 20÷30% массы с содержанием 0,3% массы окиси марганца – катализатора окисления SО₂. Третий способ очистки – озоно-каталитический. Окисление SO₂ осуществляется ещё и озоном. Последней стадией очистки от тымана серной кислоты так же является электрофильтр.