какое сырье используется для получения серной кислоты

Измельченный очищенный 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 о С

В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO₃):

Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO₂ в SO₃. Образовавшийся оксид серы SO₃ выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

Получение H₂SO₄ протекает в поглотительной башне.

Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H₂SO₄·nSO₃.

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

Общие научные принципы химического производства:

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Сырье и способы получения серной кислоты

Лекция 11. Производство серной кислоты

1. Сырье и способы получения серной кислоты

2. Структурная схема производства H₂SO₄ из колчедана контактным способом

3. Процесс обжига колчедана

4. Процесс очистки обжигового газа от примесей

5. Процесс окисления SO₂ до SO₃

6. Применяемые катализаторы

7. Процесс абсорбции SO₃

8. Технологическая схема получения H₂SO₄ методом ДК—ДА

9. Пути модернизации сернокислотного производства

Этот процесс – один из самых многотоннажных среди неорганических производств и занимает одно из ведущих мест в химической технологии. Больше всeго серной кислоты производится в США – свыше 30 млн. т. Други­ми крупными ее производителями являются Германия и Япония. Важнейшими центрами производства кислоты в России являются: Щелково, Новомосковск, Воскресенск, Дзержинск, Березняки, Пермь. Мировое производство серной кислоты составляет свыше 180 млн. т, что превышает выпуск соляной, азотной, уксусной и других кислот вместе взятых. Это связано с тем, что она самая дешевая из всех кислот, не дымит (почти не испаряется), в широком диапазоне температур находится в жидком состоянии, в концентрированном виде не разрушает черные металлы и в то же время является одной из самых сильных кислот.

Области применения серной кислоты чрезвычайно обширны (рис. 1). Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений (от 30 до 60% ), а также в производстве красителей (от 2 до 16%), химических волокон (от
5 до 15%) и металлургии (от 2 до 3%). В нефте- и газопереработке используется в процессах осушки газов, кислотной очистки нефтепродуктов.

Рисунок 1 – Области применения серной кислоты

Серной кислотой называют не только моногидрат H₂SO₄, но и его водные растворы (H₂SO₄ + H₂O), а также растворы SO₃ в моногидрате (олеум H₂SO₄ + SO₃). Основные виды серной кислоты, выпускаемые российскими заводами:

– башенная, содержащая 75% H₂SO₄ в смеси с водой;

– контактная, содержащая 92,5-94% H₂SO₄ в смеси с водой;

– олеум, содержащий 18,5-24% SO₃ в смеси с H₂SO₄.

Сырье и способы получения серной кислоты

Основными видами сырья для производства серной кислоты являются элементарная сера (

50% производства) и серный или железный колчедан FeS₂ (

30%). Особое место в сырьевом балансе занимают также отходящие газы цветной металлургии с высоким содержанием SO₂.

1. ЖЕЛЕЗНЫЙ КОЛЧЕДАН. Природный железный колчедан представляет сложную породу, состоящую из сульфида железа FeS₂, сульфидов других металлов (меди, цинка, свинца, никеля, кобальта и др.), карбонатов металлов и пустой породы. На территории РФ существуют залежи колчедана, на Урале и Кавказе, где его добывают в рудниках в виде рядового колчедана. Процесс подготовки рядового колчедана к производству ставит целью извлечение из него ценных цветных металлов и повышение концентрации дисульфида железа. Схема подготовки рядового колчедана представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема подготовки железного колчедана

2. СЕРА. Элементарная сера может быть получена из серных руд или из газов, содержащих сероводород или оксид серы (IV). В соответствии с этим различают серу самородную и серу газовую (комовую).

На территории РФ залежей самородной серы практически нет. Источниками газовой серы являются Астраханское газоконденсатное месторождение, Оренбургское и Самарское месторождения попутного газа.

Из самородных руд серу выплавляют в печах, автоклавах или непосредственно в подземных залежах (метод Фраша). Для этого серу расплавляют непосредственно под землей, нагнетая в скважину перегретую воду, и выдавливают расплавленную серу на поверхность сжатым воздухом.

3. СЕРОВОДОРОД. Источником сероводорода служат различные горючие газы: коксовый, генераторный, попутный, газы нефтепереработки. Извлекаемый при их очистке сероводородный газ достаточно чист, содержит до 90% сероводорода и не нуждается в специальной подготовке.

4. ГАЗЫ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. В этих газах содержится от 4 до 10% оксида серы (IV) и они могут непосредственно использоваться для производства серной кислоты.

Доля сырья в себестоимости продукции сернокислотного производства достаточно велика. Поэтому технико-экономические показатели этого производства существенно зависят от вида используемого сырья.

Замена колчедана серой приводит к снижению капитальных затрат на строительство и улучшению экологической обстановки в результате ликвидации отвалов огарка и уменьшению выбросов токсичных веществ в атмосферу.

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце XIX и начале XX в. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный), им производится свыше 90% кислоты.

Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение диоксида серы при сжигании сернистого сырья. После очистки диоксида серы (особенно в контактном методе) ее окисляют до триоксида серы, который соединяется с водой с получением серной кислоты. Окисление SO₂ в SO₃ в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

В нитрозном способе, источником кислорода для окисления и катализатором служат оксиды азота. Окисление SO₂ происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой (по аппаратурному признаку способ называют башенным). Конечным продуктом сразу является H₂SO₄:

Этим способом получают загрязненную примесями разбавленную 75-77%-ную серную кислоту, которая используется для производства минеральных удобрений.

В контактном способе, который уже практически вытеснил нитрозный, окисление SO₂ до SO₃ осуществляется кислородом воздуха на твердых катализаторах:

Серную кислоту получают на последующей стадии процесса путем абсорбции.

2. Структурная схема производства H₂SO₄ из колчедана контактным способом

Общая схема химического производства серной кислоты из колчедана состоит из четырех химико-технологических процессов (ХТП):

1. получение обжигового газа с высоким содержанием SO₂;

2. очистка обжигового газа от примесей и осушка;

3. каталитическое окисление содержащегося в газе SO₂ до SO₃;

4. абсорбция SO₃ из газа с получением серной кислоты или олеума.

На структурной схеме производства (рис. 3) показана последовательность осуществления процессов и получаемые на разных стадиях продукты.

Олеум

Рисунок 3 – Структурная схема производства H₂SO₄ из колчедана

Каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности, поэтому рассмотрим процесс получения серной кислоты постадийно.

Источник

Какое сырье используется для получения серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.

Контактный способ производства серной кислоты.

Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах.

I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты:

Пирит (серный колчедан) FeS₂

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.

Производство серной кислоты из пирита состоит из трёх стадий.

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.

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.

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).

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 О ₂ 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.

Протекает в поглотительной башне.

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.

Нитрозный способ производства серной кислоты.

Полученный SO ₂ окисляют до H ₂ SO ₄, используется для этого в нитрозном методе используется окислы азота. С этой стадии оба метода отличаются друг от друга.

В специальной окислительной башне 3 смешивают окись азота NO и NO ₂ с воздухом в таком соотношении, чтобы половина имеющихся NO и NO ₂.

Раствор нитрозиллерной кислоты в серной кислоте, называемый нитрозой, орошает башни 1 и 2, куда противотоком поступает SO ₂ и добавляется вода. В результате гидролиза нитрозиллерной кислоты образуется азотная кислота:

В нижней части башен 1 и 2 накапливается 75%-ная серная кислота, естественно, в большем количестве, чем её было затрачено на приготовление нитрозы (ведь добавляется «новорождённая» серная кислота). Окись азота NO возвращается снова на окисление. Поскольку некоторое количество её меряется с выхлопными газами, приходится добавлять в систему HNO ₃, служащую источником окислов азота.

Недостаток башенного метода состоит в том, что полученная серная кислота имеет концентрацию лишь 75% (при большей концентрации плохо идёт гидролиз нитрозиллерной кислоты). Концентрирование же серной кислоты упариванием представляет дополнительную трудность. Преимущество этого метода в том, что примеси содержащиеся в SO ₂, не влияют на ход процесса, так что исходный SO ₂ достаточно очистить от пыли, т.е. механических загрязнений. Естественно, башенная серная кислота бывает недостаточно чистой, что ограничивает её применение.

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 SO ₂, путем обжига FeS ₂, затем SO ₃, после чего на третьей стадии получают серную кислоту.

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 течени и одной минуты протекают следующие реакции:

Образующийся фторид натрия обрабатывают для регенерации гидроксида натрия:

Источник

Химическая технология серной кислоты

1.1. Значение и применение серной кислоты.

1.2. Свойства серной кислоты.

1.3. Сырьевые источники.

1.4. Промышленные сорта серной кислоты.

1.5. Способы получения серной кислоты.

2.1. Основные стадии производства серной кислоты.

2.2. Получение диоксида серы SO₂.

3.1. Основные стадии получения диоксида серы..

3.2. Физико-химические основы обжига пирита.

3.3. Очистка обжигового газа от пыли.

3.4. Специальная (тонкая) очистка обжигового газа.

3.6. Принципиальная схема производства.

Значение и применение серной кислоты

Серная кислота – это один из самых крупнотоннажных продуктов промышленного производства. Серной кислоты получают больше, чем азотной, соляной, уксусной и других кислот вместе взятых.

Во всём мире более полутора тысяч установок серной кислоты и производят они около 160 млн. т серной кислоты.

Серная кислота применяется практически во всех отраслях промышленности. Наибольшее её количество расходуется на следующие производства:

Крупными производителями серной кислоты являются Япония и Германия.

Свойства серной кислоты

Большое разнообразие областей применения связано с комплексом её свойств. Серная кислота самая дешевая из кислот, она не дымит, не имеет запаха. При обычных условиях это жидкость. В концентрированном состоянии она не способна разрушать черные металлы, что удобно для её использования и транспортировки.

В технике под «серной кислотой» подразумеваются любые смеси триоксида серы с водой:

При m = n = 1 получается моногидрат, или 100%-я H₂SO₄ (плотность 1850 т/м 3 или 1,85 г/см 3 или 1850 кг/дм 3 ).

Если m n, то – олеум.

Изучите диаграммы состояния «состав – свойства» (Рис. 15 и 16).

На рисунке (Рис.15) представлена диаграмма кристаллизации системы H₂O – SO₃.

Часть диаграммы (слева) представляет зависимость температуры кристаллизации серной кислоты от её концентрации, другая часть (справа) представляет зависимость температуры кристаллизации олеума от содержания в нём триоксида серы.

Из рисунка видно, что на кривой имеется несколько экстремумов. Наличие максимумов свидетельствует о том, что с водой триоксид серы образует ряд соединений. Каждая максимальная точка соответствуют определённому соединению. Точки минимумов показывают, при каком соотношении H₂O и SO₃ имеет место минимальная температура замерзания смеси.

С учётом этих данных товарные сорта серной кислоты и олеума производят в виде эвтектических смесей, имеющих меньшую температуру кристаллизации. Благодаря этому уменьшается вероятность замерзания готового продукта при снижении температуры в условиях производства, хранения и транспортировки.

Чтобы уменьшить возможность кристаллизации серной кислоты при перевозке и хранении, товарные сорта должны иметь такую концентрацию, которая соответствует достаточно низкой температуре её кристаллизации (левая часть диаграммы). Так, башенная кислота (75% H₂SO₄) имеет температуру замерзания (–41ºС), а контактная кислота (92,5% H₂SO₄) имеет температуру замерзания (–35 ºС).

Аналогично выбирают товарные сорта олеума (правая часть диаграммы). Так 20%-й олеум имеет температуру кристаллизации (–11ºС), а 65%-й олеум имеет (–0,35ºС).

Эти данные имеют большое практическое значение, так как во многих процессах и в производстве самой серной кислоты используется серная кислота различной концентрации. Кроме того, необходимо учитывать, что поскольку оборудование цехов в большинстве случаев размещено на открытой площадке, имеется опасность кристаллизации серной кислоты.

Температура кипения серной кислоты также зависит от её концентрации. На рисунке (Рис. 16) представлена диаграмма кипения раствора серной кислоты (левая часть диаграммы) и олеума (правая часть диаграммы).

Из рисунка видно, что смесь, содержащая 98,3% H₂SO₄, является азеотропной (состав её жидкой и паровой фаз одинаковый). При небольших отклонениях концентрации серной кислоты от азеотропной точки, состав её жидкой и газовой фаз значительно отличается.

Серная кислота является сильным окислителем.

Концентрированная и разбавленная кислоты с металлами взаимодействует по-разному.

Концентрированная серная кислота пассивирует некоторые металлы.

При повышенных температурах пары серной кислоты диссоциируют

а выше 400 ºС диссоциация почти полная.

При дальнейшем нагревании триоксид серы разлагается по реакции

а при температуре выше 1000 ºС – почти полностью, что используется для получения серной кислоты из отработанной.

Сырьевые источники для производства серной кислоты

Сырьём для производства серной кислоты служат сульфидные руды. Например, используется пирит (FeS₂), или серный колчедан (флотационный колчедан). Содержание серы в нём от 40 до 54%. В нашей стране только 1/4 всего объёма серной кислоты вырабатывается из флотационного колчедана. Сульфидные руды, содержащие медь, цинк и др., также могут быть сырьём.

Сера. Используется либо самородная сера, либо сера, полученная из природных газов, а также полученная в процессе нефтепереработки.

Сероводород. Используют сероводород, выделяемый как побочный продукт в нефтехимической и нефтегазоперерабатывающих отраслях. Производство серной кислоты из сероводорода называется методом «мокрого катализа».

Кислые гудроны (или отработанная серная кислота).

Природные сульфаты – гипс (CaSO₄·2H₂O), ангидрит (CaSO₄).

Промышленные сорта серной кислоты

В нашей стране выпускают серную кислоту следующих сортов:

Предусматривается также производство специальных сортов серной кислоты (реактивная, аккумуляторная и т.д.).

Способы получения серной кислоты

Серную кислоту получают двумя принципиально отличными способами.

Контактный. Этот способ отличается тем, что стадия окисления SO₂ в SO₃ осуществляется на твёрдых катализаторах. Получаемая серная кислота отличается высокой концентрацией и чистотой.

Нитрозный. Здесь окисление SO₂ в SO₃ происходит под действием нитрозы – оксидов азота, поглощенных серной кислотой.

Нитрозный метод возник раньше контактного. Первым был так называемый камерный метод. Он предполагал сжигание серы в смеси с нитратом калия в свинцовых камерах.

Позже свинцовые камеры были заменены башнями, а в качестве сырья стали использовать серный колчедан. Этот метод ещё называют башенным.

В настоящее время нитрозный способ вследствие несовершенства утратил своё значение, так как готовая серная кислота загрязнена примесями и концентрация кислоты не превышает 75%. Поэтому в этом методе требуется очистка и концентрирование готового продукта. Без дополнительной переработки её можно использовать лишь в производстве удобрений.

Основные стадии производства серной кислоты

Серную кислоту получают из различных видов сырья. Общим для каждого вида сырья является то, что сначала получают диоксид серы SO₂, затем его окисляют до SO₃, после чего при абсорбции водой образуется серная кислота. Кроме того, в производстве обязательна очистка отходящих газов.

Таким образом, можно выделить четыре основных стадии производства серной кислоты:

Получение диоксида серы SO₂

Физические свойства диоксида серы SO₂. Диоксид серы в обычных условиях – газ. Температура сжижения его равна
(–10)ºС, поэтому диоксид серы может использоваться как хладагент.

Химические свойства. Сера в этом соединении имеет степень окисления (+4), поэтому проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства.

Сырьём для получения SO₂ являются следующие материалы:

– флотационный колчедан, содержащий пирит

– газы, содержащие сероводород (это природные газы, газы коксохимии, газы цветной металлургии)

– отходящие газ цветной металлургии, содержащие SO_2,

– отработанная серная кислота

Диоксид серы применяется для получения серной кислоты.

Получение SO₂ из флотационного колчедана

Основные стадии получения диоксида серы

Уравнение химической реакции получения диоксида серы.

Основные процессы (стадии) получения диоксида серы:

В соответствии с указанной последовательностью самостоятельно составьте принципиальную схему получения диоксида серы из флотационного колчедана и объясните назначение каждой стадии.

Самой первой стадии предшествует измельчение колчедана.

Подумайте и ответьте, для чего измельчают сырьё?

Подумайте и ответьте, для чего проводят сушку колчедана?

Рассмотрим, что происходит при обжиге колчедана. В состав флотационного колчедана входит пирит FeS₂, который при взаимодействии с кислородом воздуха образует обжиговый газ, содержащий примерно 12 – 15% SO₂ и огарок, содержащий твёрдую фазу – оксид железа (III) Fe₂O₃, не прореагировавший пирит FeS₂ и твёрдые примеси колчедана.

Подумайте и ответьте, почему требуется охлаждение обжигового газа перед очисткой? как используется тепло реакции? зачем необходима очистка от пыли? зачем нужна специальная очистка?

Все указанные операции (стадии) нужны, как минимум, для предотвращения засорения аппаратуры, для уменьшения гидравлического сопротивления в системе, главное для предотвращения отравления катализатора, предотвращения загрязнения готового продукта, для извлечения ценных продуктов (селена, теллура, фтора).

Физико-химические основы процесса обжига флотационного колчедана

Уравнение химической реакции и его анализ.

Заметим, что флотационный колчедан, кроме пирита FeS₂, содержит сульфиды других металлов. В колчедане также содержится небольшое количество мышьяка, селена и теллура, которые окисляются кислородом воздуха и дают побочные продукты, отравляющие катализатор на стадии окисления SO₂ в SO₃.

Рассмотрим окисление пирита кислородом воздуха.

Установлено, что при нагревании флотационного колчедана до 500ºС происходит диссоциация пирита:

FeS₂ = FeS + S (3.1а)

Сера быстро сгорает в газовой фазе:

При дальнейшем повышении температуры сульфид железа окисляется:

(Эта реакция является лимитирующей).

Суммарным уравнением является уравнение

Обсудим, каков состав огарка. При обжиге флотационного колчедана происходит окисление сульфидов металлов, содержащихся в нём, поэтому кроме Fe₂O₃, в огарке содержатся оксиды других металлов. Кроме того, в состав огарка войдёт не окисленное сернистое железо, а также инертные твёрдые примеси колчедана. В огарке также остаётся от 0,5 до 2% серы.

В состав обжигового газа входят:

Теоретические основы обжига колчедана зависят от того, в каких печах происходит обжиг.

Аппаратура, применяемая для обжига:

Первые два типа мало интенсивны. В сернокислотных цехах устанавливают главным образом печи кипящего слоя (КС).

Физико–химические основы обжига флотационного колчедана в кипящем слое.

Теоретические основы процесса всегда рассматриваем исключительно для того, чтобы обосновать оптимальные условия проведения процесса, а затем при необходимости скорректировать их для промышленных установок.

Первое, что подлежит анализу – это уравнение химической реакции. Запишем его:

Поскольку лимитирующим процессом является реакция

то изучать необходимо данную реакцию.

Обжиг сульфида железа – необратимый экзотермический гетерогенный процесс. Скорость реакции зависит от следующих факторов:

Кинетическое уравнение, то есть выражение скорости реакции, выглядит следующим образом:

где υ – скорость реакции;

k – константа скорости (зависит от природы реагирующих веществ и от температуры);

F – поверхность соприкосновения фаз;

∆c – движущая сила процесса (это разность концентраций либо исходных веществ, либо продуктов реакции на поверхности и в массе).

Как любой гетерогенный процесс, представленный моделью частиц с невзаимодействующим ядром, обжиг пирита состоит из трёх последовательных стадий:

Вторую стадию — химическое взаимодействие — называют кинетической стадией или кинетической областью протекания процесса, две другие – диффузной областью процесса.

Известно, что гетерогенный процесс лимитируется самой медленной стадией процесса. Установлено, что в данном случае лимитирующей стадией является окисление сульфида железа(II) – уравнение 3.1в.

Далее исследуют влияние различных факторов (температура, концентрация и величина поверхности соприкосновения) на реакцию окисления сульфида железа(II). Интенсификация этой реакции в итоге приведёт к увеличению скорости горения пирита в целом – уравнение (3.1).

Рассмотрим, как установили оптимальную температуру обжига.

Зависимость скорости реакции (точнее, константы скорости) от температуры описывается уравнением Аррениуса:

где K – константа скорости реакции;

k₀ – предэкспоненциальный множитель;

e – основание натурального логарифма;

E – энергия активации, кДж/моль;

R – универсальная газовая постоянная, 8,3 Дж/моль·К;

Это уравнение часто используется в логарифмической форме:

Такую форму легко представлять графически. На Рис. 17 показана зависимость константы скорости реакции от температуры.

Если К₁ и К₂ – константы скорости реакции при соответствующих температурах Т₁ и Т₂, то

Очевидно, что с увеличением температуры (T₂ > T₁) lnK увеличивается, следовательно, увеличивается и скорость реакции.

Зависимость константы скорости реакции от температуры

Для реакции окисления сульфида железа (II) зависимость lnK от 1/T выглядит следующим образом (Рис.18):

АБ – кинетическая область, Е_акт = 250 КДж/моль;

ГВ – диффузная область, Е_акт = 17,5 КДж/моль;

ВБ – переходная область, Е_акт = 152 КДж/моль.

Самая низкая энергия активации в диффузной области, это значит, что самый энергетически выгодный путь протекания процесса находится в диффузной области.

Как следует из графика, оптимальная температура обжига составляет порядка 800ºС.

Нельзя ли снизить температуру процесса? – Из графика видно, что при низких температурах процесс протекает в кинетической области, которая характеризуется более высокой энергией активации и более низкими скоростями.

А может для увеличения скорости можно температуру увеличить более, чем 800ºС? – Увеличение температуры приводит к спеканию флотационного колчедана.

Итак, оптимальная температура процесса 800ºС. Поскольку реакция экзотермическая, то для снижения температуры, то есть для поддержания оптимального значении, в печах кипящего слоя размещают охлаждающие элементы, в которые подаётся либо вода (при этом образуется пар) либо пар (при этом образуется перегретый пар).

Итак, одним из условий ускорения обжига пирита является увеличение температуры, но в пределах оптимальных значений – 800ºС.

Для интенсификации процесса обжига флотационного колчедана в кипящем слое необходимо повышать скорость газового потока. В печах кипящего слоя должна поддерживаться такая скорость, при которой частицы находятся во взвешенном состоянии. Но увеличение скорости потока приводит к выносу частиц из печи. Таким образом, увеличение скорости потока имеет свои границы.

Дисперсный состав твёрдой фазы.

Очевидно, что для интенсификации процесса большое значение имеет дисперсный состав твёрдой фазы. Чем мельче частицы, тем больше поверхность соприкосновения. Но очень мелкие частицы уносятся с газовым потоком, что влечёт большие потери сырья (колчедана).

С другой стороны, при увеличении размера частиц уменьшается их общая поверхность в единице объёма, что снижает интенсивность процесса.

Интенсивное перемешивание обеспечивает большую скорость процесса диффузии в кипящем слое, а, следовательно, и процесса обжига флотационного колчедана в целом.

Основные выводы.

Обжиг флотационного колчедана определяется лимитирующей стадией. Ею является реакция горения сульфида железа (FeS₂) (уравнение реакции 3.1в).

Поскольку процесс горения протекает во внутридиффузной области, ускорение (интенсификация) указанного процесса происходит при следующих условиях:

Очевидно, что газ, полученный обжигом флотационного колчедана, не может быть подан непосредственно из печи на контактное окисление. Поэтому далее он подвергается переработке, в которую входят следующие основные процессы:

Очистка обжигового газа от пыли

По выходе из печи кипящего слоя в газе содержится до 300г/м 3 пыли. Наличие пыли в газе, поступающем на катализатор недопустимо, так как пыль засоряет аппаратуру и в результате повышается гидравлическое сопротивление, а также пыль загрязняет катализатор.

Итак, очистка от пыли необходима. Что надо сделать перед очисткой? Перед очисткой требуется охлаждение обжигового газа, для чего непосредственно после печи ставят котёл-утилизатор.

Очистка газа от пыли проводится в два этапа: грубая и тонкая.

Грубая очистка осуществляется следующим образом: после котла–утилизатора газ поступает в циклон, где осаждается основная часть пыли, в результате чего содержание пыли в газе снижается до 10 – 20 г/м3.

Тонкая очистка осуществляется так: из циклона газ направляется в сухой электрофильтр, где достигается более высокая степень очистки газа (содержание пыли в газе остаётся 0,05 – 0,1г/м 3 ).

Специальная тонкая очистка печного газа

После выделения пыли обжиговой газ подвергается специальной очистке (или промывке). Это делается для удаления примесей, присутствие которых недопустимо в газе, поступающем на катализатор. Это остатки пыли, соединения мышьяка, селена, теллура, фтора и др.

Проводится очистка в башнях с насадкой или в полых башнях, которые орошаются серной кислотой различной концентрации.

Обжиговый газ из печного отделения поступает в промывное. Здесь обжиговый газ направляется в первую промывную колонну, в верхней части которой разбрызгивается 50% серная кислота. Затем газ проходит вторую промывную колонну с насадкой, орошаемой противоточно (10 – 20) % серной кислотой. В результате соприкосновения газа с кислотой газ охлаждается, и из него выделяются остатки пыли, соединения мышьяка и селена, триоксид серы и другие примеси.

Однако часть SO₃ при охлаждении образует пары серной кислоты, которые конденсируются в виде тумана. Для выделения тумана серной кислоты газ направляется в мокрые электрофильтры, а затем в сушильные башни для удаления влаги

Осушка обжигового газа

Подумайте и ответьте, почему нужна осушка?

Ответ. Газ во второй промывной колонне практически полностью насыщается водяными парами. Содержание водяных паров тем больше, чем выше температура газа во второй промывной башне и ниже концентрация кислоты, орошающей эту башню.

Таким образом, газ, поступающий в сушильные башни, содержит большое количество водяных паров.

Осушка газа проводится в насадочной (скруберной) башне, где пары воды абсорбируются 93 – 95%-й серной кислотой, орошающей эти башни.

Концентрация серной кислоты, выходящей из башни, не должна уменьшаться более чем на 0,5%.

Для поддержания необходимой концентрации серной кислоты в сборник сушильной кислоты непрерывно добавляют концентрированную серную кислоту, а избыток сушильной кислоты перекачивается насосом в абсорбционное отделение.

Температура кислоты на входе в сушильную башню 30 – 40°С, на выходе 45 – 50°С. Почему температура изменилась?

В первой башне концентрация серной кислоты 90 – 93%, во второй концентрация 94 – 95%.

Перед сушильными башнями газ разбавляют воздухом. Зачем это делают и почему «перед» сушильными башнями?

Ответ. Газы, получаемые при сжигании серосодержащего сырья (колчедана) содержит от 9 до 17% (об.) SO₂. Оптимальное же содержание SO₂ в газе, поступающем на контактирование, должно быть 7,3±0,2% (об.). Поэтому обжиговый газ разбавляют воздухом, который также требует осушки.

А почему разбавление необходимо именно перед сушильными башнями?

Ответ. Разбавлять раньше нецелесообразно, так как увеличивается гидравлическое сопротивление аппаратуры очистного отделения, следовательно, снижается производительность аппаратов.

Осушка – гетерогенный массообменный процесс. Скорость процесса описывается уравнением:

где m(H₂O) – масса паров воды, поглощаемых из газа (или скорость процесса);

k – коэффициент массопередачи (или коэффициент абсорбции паров воды);

F – поверхность соприкосновения фаз (или поверхность насадки);

∆p – среднелогарифмическая разность давлений паров воды в начале и в конце процесса (или движущая сила процесса).
где и – давление паров воды в газе на входе и на выходе соответственно;

и – давление паров воды над серной кислотой на входе и на выходе соответственно.

Принципиальная схема производства серной кислоты из железного колчедана

По технологическому оформлению производство серной кислоты из железного колчедана является наиболее сложным и состоит из нескольких последовательных стадий.

На Рис. 19 представлена принципиальная схема этого производства.

1 – обжиг флотационного колчедана и получение обжигового газа; 2 – охлаждение газа в котле-утилизаторе; 3 – очистка газа от пыли; 4 – промывка и осушка газа; 5 – подогрев газа; 6 – окисление сернистого ангидрида в серный на катализаторе; 7 – абсорбция серного ангидрида и образование серной кислоты.

Источник

• ← нольпазу можно принимать после еды
• никогда не оставляй на завтра то что можно сделать сегодня →