Изико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

Џолучение серной кислоты включает несколько этапов. Џервым этапом ЯвлЯетсЯ получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырьЯ. ‘ледующий этап Р превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI). ќтот окислительный процесс характеризуетсЯ очень высоким значением энергии активации, длЯ понижениЯ которой необходимо, как правило применение катализаторов. ‚ зависимости от того, как осуществлЯетсЯ процесс окислениЯ SO₂ в SO₃, различают два основных метода получениЯ серной кислоты.

‚ контактном методе получениЯ серной кислоты процесс окислениЯ SO₂ в SO₃ проводЯт на твердых катализаторах.

’риоксид серы переводЯт в серную кислоту на последней стадии процесса Р абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SO₃ + H₂OàH₂SO₄

Џри проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.

Ћкисление диоксида серы осуществлЯетсЯ в жидкой фазе и конечным продуктом ЯвлЯетсЯ сернаЯ кислота:

SO₂ + N₂O₃ + H₂OàH₂SO₄ + 2NO

‚ настоЯщее времЯ в промышленности в основном применЯют контактный метод получениЯ серной кислоты, позволЯющий использовать аппараты с большей интенсивностью.

 

Онтактный метод.

ЏоЯвившийсЯ в конце 19 века контактный способ получениЯ серной кислоты сейчас быстро вытеснЯет нитрозный. ЌачальнаЯ стадиЯ процесса получениЯ серной кислоты по контактному способу совпадает с начальной стадией нитрозного способа - путем сжиганиЯ серы получают диоксид серы. Ђ затем в специальных печах происходит окисление диоксида серы до триоксида: SO₂à SO₃. ‘оединив последний с водой, получают серную кислоту. Љонтактный метод подразделЯетсЯ на два вида: получение серной кислоты из железного колчедана (FеS₂) и получение серной кислоты из элементарной серы. „лЯ ускорениЯ процесса в контактном методе используют катализаторы (оксид ванадиЯ).

—истый V₂O₅ обладает слабой каталитической активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов, причем наибольшее влиЯние оказывают соли Љ. ЏромотирующаЯ роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3Љ₂S₂Ћ₇ · V₂Ћ₅, 2Љ₂S₂O₇ · V₂O₅ и K₂S₂O₇·V₂O₅, разлагающихсЯ соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 Ў‘). Ђктивный компонент в условиЯх катализа находитсЯ в расплавленном состоЯнии.

‘хему окислениЯ SO₂ в SO₃ можно представить следующим образом:

_1. 2V⁵⁺+O^2-+SO₂ à2V⁴⁺+SO₃

^2. 2V⁴⁺+ O₂à2V⁵⁺+O^2-

Ќа первой стадии достигаетсЯ равновесие, втораЯ стадиЯ медленнаЯ и определЯет скорость процесса.

Џолучение H₂SO₄ из серы

Џроцесс 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).

Џроцесс ведут с избытком воздуха. ‚ыделЯетсЯ очень большое количество теплоты ΔЌ = -362,4 к„ж/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 к„ж/моль;

4. абсорбциЯSO₃:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (3).

ЂбсорбционнаЯ колонна орошаетсЯ 98,6% H₂SO₄. Џеред отправкой на склад кислота разбавлЯетсЯ до ~ 93%

Џолучение H₂SO₄ из колчедана

Џервой стадией процесса ЯвлЯетсЯ окисление сырьЯ с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы:

4FeS₂ +11O₂à 2Fe₂O₃ + 8SO₂ (I)ЖЌ=-853,8 к„ж⁄моль (7117 к„ж⁄кг)

Џри протекании реакции (I) помимо газообразного продукта реакции SO₂ образуетсЯ твердый продукт Fe₂O₃, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Љолчедан содержит различные примеси, в частности соединениЯ мышьЯка и фтора, которые в процессе обжига переходЯт в газовую фазу. Џрисутствие этих соединений на стадии контактного окислениЯ диоксида серы может вызвать отравление катализатора. Џоэтому реакционный газ после стадии обжига колчедана должен быть предварительно направлен на стадию подготовки к контактному окислению (втораЯ стадиЯ), котораЯ помимо очистки от каталитических Ядов включает выделение паров воды (осушку), а также получение побочных продуктов (Se и Te).

Ќа третьей стадии протекает обратимаЯ экзотермическаЯ химическаЯ реакциЯ контактного окислениЯ диоксида серы:

SO₂ + 1/2O₂ ↔ SO₃ (III)

ЏоследнЯЯ стадиЯ процесса Р абсорбциЯ триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом.

 

Ћдной из разновидностей контактного способа получениЯ серной кислоты ЯвлЯетсЯ способ так называемого ЗмокрогоИ катализа. ‘уть его состоит в том, что после получениЯ диоксида серы, он не разделЯетсЯ с водой, а вместе с ней подаетсЯ на катализатор, где окислЯетсЯ до SO₃, который тут же, смешавшись с водой, превращаетсЯ в серную кислоту.

Итрозный метод.

Ќитрозный способ исторически поЯвилсЯ первым, более двух веков назад. ‘уть его заключаетсЯ в том, что вначале получают диоксид серы путем сжиганиЯ серы, добытой из любого сернистого сырьЯ. ‡атем в специальных башнЯх путем смешиваниЯ окислов азота NO и NO2 вначале получают азотную кислоту, а затем, путем пропусканиЯ через него диоксида серы с водой, получают серную кислоту. Ќедостатком нитрозного способа ЯвлЯетсЯ то, что максимальнаЯ концентрациЯ серной кислоты, получаемой по этому способу, не превышает 75%, и она более загрЯзнена, по сравнению с серной кислотой, получаемой по контактному способу. Ћксиды азота не расходуютсЯ в нитрозном процессе и возвращаютсЯ в производственный цикл, вследствие неполного поглощениЯ их серной кислотой они частично уносЯтсЯ отходЯщими газами. „остоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформлениЯ, более низкаЯ себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной переработки SO₂.