Курсовая работа: Материал и теплообмен при производстве серной кислоты из природной серы

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

АЛМАЛЫКСКИЙ ФИЛИАЛ ТАШКЕНТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ИМЕНИ ИСЛАМА КАРИМОВА

КАФЕДРА: «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Химическая технология неорганических веществ»

Тема: «Материал и теплообмен при производстве серной кислоты из природной серы»

Выполнил: студент группы 12-18 «ХТ»

Абдишукуров О.

Проверила: Шоназарова Ш.

Введения

Целью курсовой работы является изучение процессов окисления сернистого газа, как одной из самостоятельных этапов производства серной кислоты, а так же составление материального и теплового балансов этого процесса.

Окисление сернистого газа до трёхокиси серы является важнейшей стадией промышленного производства серной кислоты. Именно способ окисления сернистого газа определяет общий ход получения серной кислоты.

Серная кислота является важнейшим продуктом основной химической промышленности, занимающейся производством неорганических кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений и хлора.

По разнообразию применения серная кислота занимает первое место среди кислот. Наибольшее ее количество расходуется для получения фосфорных и азотных удобрений. Будучи нелетучей кислотой, серная кислота используется для получения других кислот - соляной, плавиковой, фосфорной, уксусной и т. д. Много её идет для очистки нефтепродуктов - бензина, керосина и смазочных масел - от вредных примесей. В машиностроении серной кислотой очищают поверхность металла от оксидов перед покрытием (никелированием, хромированием и др.). Серная кислота применяется в производстве взрывчатых веществ, искусственного волокна, красителей, пластмасс и многого другого.

Техническая часть

Сернистый ангидрид SO2

Сернистый ангидрид , двуокись серы, молекулярный вес 64, 066 г/мл, бесцветный газ с резким, характерным запахом, сильно раздражающим слизистые носа и глаз. Он легко переходит в жидкое состояние при атмосферном давлении и температуре -10,1 °С.

В одном объёме воды при 20 °С растворяется примерно 40 объёмов SO2; при этом выделяется тепло в количестве 34,4 кДж/моль. Растворимость сернистого ангидрида воде уменьшается, при повышении температуры. Также его растворимость в серной кислоте ниже, чем в воде. При повышении концентрации кислоты, растворимость уменьшается, затем увеличивается, достигая максимума при 85% концентрации кислоты.

В химических реакциях двуокись серы может являться как окислителем, так и восстановителем.

Серный ангидрид

Серный ангидрид , трёхокись серы, молекулярный вес 80,056. При нормальных условиях бесцветный газ, в воздухе мгновенно вступает в реакцию с водой, образуя взвешенные капли серной кислоты в воздухе.

Так же серный ангидрид может существовать в 3 твёрдых формах: б, в, г. Это обусловлено полимеризацией соединения. Каждой из этих модификаций соответствуют следующие температуры плавления: 16,8; 31,5; 62, 2° С.

Формы серного ангидрида отличаются между собой строением кристаллической решётки, величиной давления пара, химической активностью и другими свойствами.

Серный ангидрид оказывает сильное водоотнимающее действие и вызывает обугливание растительных и животных тканей. Серный ангидрид -- сильный окислитель; окисляя серу, фосфор, углеводороды и другие вещества, он восстанавливается до сернистого ангидрида. Полимерные формы серного ангидрида значительно менее активны: менее энергично реагируют с водой, слабо дымят на воздухе и проявляют обугливающее действие в незначительной степени.[2]

Жидкий серный ангидрид смешивается с сернистым ангидридом в любых соотношениях. Твердый серный ангидрид растворяется в жидком S02, не образуя при этом химических соединений.

Источники сырья

Каждый источник имеет свои преимущества и недостатки: полнота реакции, побочные продукты, отчистка от побочных продуктов и т.д.

Исходными реагентами для получения серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы

Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты получают из серы, треть - из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

В то же время отходящие газы - наиболее дешевое сырье, низкие оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является серы. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.

Газы цветной металлургии

В процессе обжига медных, цинковых, свинцовых руд и других концентратов, содержащих, цветные металлы образуются отходящие газы и огарок, идущий на переработку и извлечение цветного метала. Эти отходящие газы богаты как сернистым, так и серным ангидридом.

Использование этих газов очень важно и эффективно: например, на 1 тонну меди, можно получить 10 тонн серной кислоты, не прибегая при этом к обжигу дополнительного серосодержащего сырья! Кроме того - это экологически безопасно, т.е. отходящий газ не идёт на выброс в атмосферу, а идёт на дополнительную переработку. Состав отходящих газов представлен на таблице 1.

Таблица - Состав сернистого газа

Элементарная сера

Элементарную серу получают из самородных руд, а так же из газов, содержащих сернистый ангидрид или сероводород. Элементарная сера является лучшим видом сырья для производства серной кислоты, при её сжигании образуется смесь из и , которая лучше всего подходит для контактного окисления. После сжигания серы не образуется огарка, что является хорошим преимуществом в производстве: отпадает ряд аппаратов, которые очищают газовую смесь от пыли и остатках огарка [3].

Относительная атомная масса серы 32,064. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Она существует в двух кристаллических формах -- ромбической и моноклинной. Их свойства представлены на таблице.

Таблица - Разновидности серы

Температура кипения серы 444,6 °С. При нагревании сера плавится, плавление сопровождается увеличением объема. При 120° С расплавленная сера легкоподвижна, при 190° С это темно-коричневая вязкая масса, а при 400° С расплав становится снова легкоподвижным. Это связано с. изменением структуры молекул при изменении температуры.

Два основных способа окисления диоксида серы

В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления в проводят на твердых катализаторах.

Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса - абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции (6).

При проведении процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.

Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и конечным продуктом является серная кислота:

В наше время чаще используется метод контактного окисления, т.к. он имеет большую интенсивность производств.

Описание основных реакций с точки зрения физической химии

Из записи реакции (7) видно, что она протекает с уменьшением объёма и с выделением тепла. Значит повышением Р и понижением Т мы добьёмся смещения равновесия в правую сторону.

Зависимость lg Kp представлена в таблице. На практике, в производстве, температура в данных реакторах поддерживается на уровне ниже 200 градусов Цельсия. Данный температурный режим даёт нам практически полный переход в правую часть нашей реакции.

Отсюда видно следующее: с повышением температуры скорость реакции понижается. Либо уменьшается вероятность столкновения 3 молекул, либо реакция идёт через образование активированного комплекса, при чём распад комплекса связан с температурой и при её повышении распад комплекса снова идёт в сторону образования исходных соединений.

Реакция обратима.

Трёхокись азота стабильна лишь при температуре -21° C как в жидком, так и в твёрдом состоянии. Скорость этой реакции очень велика и её равновесие наступает очень быстро.

Таблица 3 - Зависимость lg Kp от температуры в реакции (7)

Из расчётов Кр получается, что процент недиссоциированной невелик: при 25К он равен 10,5, при 50К - 6,8, при 100К - 1,2.

Согласно теоретическим расчетам, lg Kp не сильно зависит от температуры. Отсюда видно, что от повышения температуры, скорость образования N2O4 не слишком сильно (относительно) зависит. Однако на деле в камерных и башенных системах происходит следующее:

1) В реакционной зоне NO2 всё время восстанавливается до NO. Поэтому NO гораздо больше, чем NO2.

2) При низких температурах парциальное давление окислов азота обычно мало (не выше 0,015 - 0,01 атм.).

3) В условиях башен, если NO2 связывается с NO, то образовавшийся N2O3 тут же абсорбируется раствором кислоты.

Исходя из этого, можно судить об очень малой концентрации посторонних окислов азота в реакционном пространстве.

Однако, исходя из экспериментальных данных, В.Н. Шульц установил обратную зависимость константы скорости реакции от Т:

194--T - К = 3,95 … 99,6T - К = 3,3 … 81,4--T - К = 2,7

Т.е. при повышении температуры равновесие смещается вправо [2].

Сведение всех результатов в общее теоретическое обоснование процесса

1) Реакции (7) и (10) в условиях температур камерно-башенного синтеза идут в исключительно благоприятную, для серной кислоты, сторону.

2) Это благоприятное течение обстоятельств усиливается тем, что NO2 всё время потребляется по (10) реакции, а продукт (10) реакции SO3 постоянно абсорбируется жидкой фазой из газовой.

3) Скорость реакции (7) понижается с повышением температуры. Скорость реакции (4) повышается, с повышением температуры.

4) В продукционной зоне концентрация NO2 всегда составляет 0,25 от общего количества других окислов азота. Это происходит из-за того, что скорость реакции (7) меньше чем скорости всех остальных реакций и в особенности на (10).

5) Равновесия реакций (8) и (9) наступают моментально. Их концентрация крайне мала, по отношению к основным продуктам реакций.

6) Исходя из рассмотренных данных, температура в реакционной зоне должна быть по возможности низкой (не более 200?°С).

Физико-химические основы процесса окисления сернистого ангидрида при получении серной кислоты контактным способом

Для получения серной кислоты контактным способом сернистый ангидрид необходимо окислить до серного ангидрида (1), а затем соединить его с водой (6).

Однако сернистый ангидрид непосредственно с кислородом не реагирует даже при высоких температурах. В присутствии же катализаторов скорость окисления кислородом увеличивается и в отдельных случаях становится весьма большой.

Таблица 4 - Зависимость Хр от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе