Промишлен метод за получаване на сярна киселина научни принципи на това химическо производство
Общи научни принципи на химическото производство:
- Приемственост.
- Обратен поток
- Катализа
- Увеличаване на контактната площ на реагентите.
- Пренос на топлина
- Рационално използване на суровините
„Индустриалното развитие на една страна може да се съди по количеството сярна киселина, което консумира“ (J. Liebig)
Годишното производство на сярна киселина в света надхвърля 100 милиона тона. В момента сярната киселина се произвежда по целия свят чрез контактен метод. Този процес включва три етапа.
Суровините за производството на сярна киселина са както естествени суровини: FeS2 - пирит, сяра, сулфати, метални сулфиди, така и отпадъци от други индустрии: H2S - сероводород, SO2 - серен диоксид.
Ще разгледаме производството на сярна киселина от пирит.
Iетап: Изпичане на пирит в кипящ слой.
- реакцията е екзотермична, необратима, некаталитична, хетерогенна.
Желателно е тази реакция да се проведе при такива условия, когато съдържащата се в пирита сяра се използва най-пълно за получаване на SO2 и реакцията протича бързо. Производителността на пещта нараства със скоростта на реакцията на изпичане. Това се постига чрез прилагане на оптимални условия за дадена реакция.
- Пиритно смилане - Преди изпичане пиритът се смила до оптимален размер, като се увеличава площта на контакта му с атмосферния кислород. Частиците не трябва да са големи, в противен случай те ще бъдат изгорени само на повърхността, а нереагиралият пирит ще остане вътре - това ще доведе до загуби на суровини. Но те също не трябва да бъдат много малки, т.к. в този случай ще настъпи слепване, уплътняване на слоя, през който кислородът почти не преминава, и площтаконтактът намалява, което ще доведе до намаляване на скоростта на реакцията.
- Обогатяване на въздуха с кислород - по този начин се увеличава концентрацията на едно от реагиращите вещества, което също допринася за увеличаване на скоростта на реакцията.
- Изпичане на пирит в кипящ слой - За увеличаване на скоростта на изпичане се използва принципът на противотока - натрошен пирит се подава в пещта отгоре, а обогатен с кислород въздух се подава отдолу. Въздухът се продухва през множество тръби при определено налягане, което се регулира така, че частиците на пирита да не се пръскат или утаяват. Частиците са суспендирани, създавайки илюзията за кипяща течност. Затова такъв слой от малки частици се нарича -кипящ. По този начин площта на контакт между пирит и кислород се увеличава, всяка твърда частица се измива с въздух, скоростта на реакцията се увеличава.
- Поддържане на определена температура - оптималната температура е 800 ° C. Именно при тази температура се увеличава броят на активните молекули, при достатъчна кинетична енергия скоростта на реакцията се увеличава. Но реакцията е екзотермична, тя протича с отделяне на топлина, което означава, че температурата ще се повиши и частиците на пирит ще се пекат. За да се избегне това, излишната топлина се отстранява. В реакционния апарат са вградени тръби, през които се пропуска студена вода. Докато водата се нагрява, тя абсорбира излишната топлина и се превръща във водна пара, която се използва за генериране на електричество или за други цели.
Оптимални условия:1. t = 800 o C
2. Смилане на пирит
3. Обогатяване на въздуха с кислород
4. Обратно течение на пирит и въздух
5. Изпичане на пирит във "кипящ слой"
Междинните етаписапречистване, обезвлажняване, топлообмен.
Пещният газ, получен чрез печене на пирит, съдържа примеси: Fe2O3, N2, O2 сгурия, примеси Cu, Ag, Zn, As съединения, водна пара. Следователно този газ трябва първо да се почисти от прах. Това се прави с помощта на 2 устройства:циклон и електростатичен филтър. Първо, газът се изпраща за почистване от груб прах в циклон. Състои се от два цилиндъра, поставени един в друг. Газът се подава отстрани във външния цилиндър и се движи отгоре надолу по спирала. Под действието на центробежната сила праховите частици се изхвърлят към стените на външния цилиндър и попадат в бункера, откъдето след това се отстраняват. Пречистеният газ напуска апарата през вътрешния цилиндър. Циклонът е просто и икономично устройство, но не пречиства газа от малки прахови частици.
Газът се пречиства от фин прах велектрофилтър. Състои се от малки мрежи, между които е опъната тел. Към него е свързан ток с високо напрежение (60000V). В този случай жицата се зарежда "-", решетките "+". газът влиза в камерата отдолу. Под действието на силно електрическо поле праховите частици се йонизират и привличат към решетките. Там те губят заряда си и падат в специален бункер.
Но газът все още е наситен с водна пара, така че след това се изпраща всушилната кула. Сушителната кула е пълна с керамични пръстени за увеличаване на контактната площ между газ и концентрирана сярна киселина. Серният диоксид влиза в кулата отдолу и се пръска отгореконцентрирана сярна киселина (принцип на противотока). Киселината, която тече по пръстените, образува филм върху повърхността им. В този случай площта на контакт между киселина и газ се увеличава многократно.
Пречистеният газ се нагрява втоплообменник, като се използва топлината от II етап на процеса: газовата смес трябва да се нагрее преди началото на реакцията на окисляване на серен диоксид, т.к. по време на процеса на почистване той се охлажда. Затова пред контактния апарат се поставя топлообменник. През тръбите на топлообменника се пропуска горещ газ от контактния апарат, а в обратна посока между тях се пропуска нагрята газова смес. По този начин се осъществява топлообмен между реакционните продукти и изходните материали, влизащи в контактния апарат.
IIетап: Окисляване на серен диоксид до серен анхидрид.
2 SO2 + O2 2 SO3 + Q
- реакцията е екзотермична, обратима, каталитична, хетерогенна поради катализатора, протича с намаляване на обема.
Процесът се извършва в контактен апарат, който представлява цилиндър. В него, на специални рафтове, катализаторът (V2O5) се поставя на слоеве. Между рафтовете с катализатора се поставят топлообменни тръби. В същото време проблемът с нагряването на серен диоксид и охлаждането на серен газ до необходимата температура (принципът на пренос на топлина) се решава едновременно.
Оптимални условия:1. t= 400 - 500 о С
2. Увеличете налягането
3. Окисление в "кипящия слой" на катализатора.
IIIетап: Абсорбция на кисел газ.
- екзотермична реакция, необратима при t под 300 o C, некаталитична.
Абсорбцията на серен газ се извършва в абсорбционна кула, пълна с керамични пръстени. Газът се подава отдолу и се пръска отгоре 98%сярна киселина. Невъзможно е да се абсорбира серен газ с вода, т.к. над него винаги има пара, която образува със сярния газ много стабилна сярна мъгла, която не се абсорбира от водата. Когато SO3 се разтвори в 98% киселина, се образува безводна сярна киселина -олеум.
Оптимални условия:1. t до 300 ° C
2. Обратен поток от газ и киселина
3. Използване на 98% сярна киселина.
Производството на сярна киселина създава много екологични проблеми - на етап I това са загуба на суровини при добив, транспорт, съхранение и преработка. Освен това продуктите от междинните реакции SO2 и SO3, когато се изпускат в атмосферата, причиняват образуването на киселинен дъжд, което води до смърт на растителността, появата на респираторни заболявания при животните и хората. Те причиняват корозия на метали, мрамор, подкисляване на почви и водни тела.
За да избегнете замърсяване на околната среда:
- Създават се безотпадни производства. В този случай се използват безотточни системи.
- Използват се специални филтри за предотвратяване на емисиите на SO2 и SO3.
- Необходимо е сътрудничество с различни продукции. Например, металургични предприятия и производство на сярна киселина (Интегрираната обработка на суровините е икономически целесъобразна. Тя позволява използването на всички компоненти на суровините, което допринася за повишаване на ефективността на производството, намалява потреблението на естествени суровини, намалява цената на суровините, цената на крайните продукти и намалява замърсяването на околната среда с вредни вещества).
- Използване като суровина - сероводород (нефтени рафинерии).