Общая схема сернокислотного производства включает в себя несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов [2, 3]:

где I -- стадия получения печного газа [оксида серы (IV)]; II -- стадия каталитического окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI) и его абсорбции (переработки в серную кислоту).

В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа, а также механические и физико-химические операции. В общем случае последовательность стадий производства серной кислоты может быть выражена так:

Сырье > Подготовка сырья > Сжигание (обжиг) сырья > Очистка печного газа > Контактирование > Абсорбция контактного газа > Серная кислота.

Конкретная технологическая схема производства зависит от вида сырья, особенностей каталитического окисления оксида серы (IV), наличия или отсутствия стадии абсорбции оксида серы (VI).

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце ХIХ начале ХХ века. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). 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 соединяют с водой с получением серной кислоты. Окисление SO2 в SO3 в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

В настоящее время контактным методом получают концентрированную серную кислоту, олеум и 100% серный ангидрид.

В контактном методе производства серной кислоты окисление диоксида серы в триоксид осуществляется на твердых контактных массах. Благодаря усовершенствованию контактного способа производства, себестоимость более чистой и высококонцентрированной контактной серной кислоты лишь незначительно выше, чем башенной. В настоящее время свыше 90% всей кислоты производится контактным способом.

Наиболее активным катализатором является платина, однако она вышла из употребления вследствие дороговизны и легкой отравляемости примесями обжигового газа, особенно мышьяком. Окись железа дешевая, но при обычном составе газа - 7% SO2 и 11% О2 она проявляет каталитическую активность только при температурах выше 625? С, т.е. когда хр 70%, и поэтому применялась лишь для начального окисления SO2 до достижения хр 50-60%. Ванадиевый катализатор менее активен, чем платиновый, но дешевле и отравляется соединениями мышьяка в несколько тысяч раз меньше, чем платина; он оказался наиболее рациональным и только он применяется в производстве серной кислоты. Ванадиевая контактная масса содержит в среднем 7% V2O5; активаторами являются окислы щелочных металлов, обычно применяют активатор К2О; носителем служат пористые алюмосиликаты.

В настоящий момент катализатор применяется в виде соединения SiО2, К и/или Сs, V в различных пропорциях. Такое соединение оказалось наиболее стабильным и термически стойким с пониженной температурой зажигания. Во всем мире его более корректное название «ванадий-содержащий». Такой катализатор разработан специально для работы с невысокими температурами, что приводит к меньшим выбросам в атмосферу. Кроме того, такой катализ дешевле, нежели калий-ванадиевый. Обычные ванадиевые контактные массы представляют собой пористые гранулы, таблетки или кольца (рис.2).

Рис. 2. Гранулы ванадиево-контактной массы

серный кислота катализ сера

При условиях катализа окись калия превращается в K2S2O7, а контактная масса в общем представляет собой пористый носитель, поверхность и поры которого смочены пленкой раствора пятиокиси ванадия в жидком пиросульфате калия.

Промотирующая роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3К2S2О7·V2О5, 2К2S2O7·V2O5 и K2S2O7·V2O5, разлагающихся соотв. при 315-330, 365-380 и 400-405°С). Активный компонент в условиях катализа находится в расплавленном состоянии. Таким образом, ванадиевая контактная масса эксплуатируется при температурах от 400 до 600?С. При увеличении температуры выше 600?С начинается необратимое снижение активности катализатора вследствие спекания компонентов с образованием неактивных соединений, не растворимых в пиросульфате калия. При понижении температуры активность катализатора резко снижается вследствие превращения пятивалентного ванадия в четырехвалентный с образованием малоактивного ванадила VOSO4.

Процесс катализа слагается из стадий:

1) диффузии реагирующих компонентов из ядер газового потока к гранулам, а затем в порах контактной массы;

2) сорбции кислорода катализатором (передача электронов от катализатора к атомам кислорода);

3) сорбции молекул SO2 с образованием комплекса SO2Окатализатор;

4) перегруппировки электронов с образованием комплекса SO2катализатор;

5) десорбции SO3 из пор контактной массы и от поверхности зерен;

6) диффузии реагирующих компонентов в порах контактной массы и из гранул в ядра газового потока.

При крупных гранулах контактной массы суммарная скорость процесса определяется диффузией реагентов (1-я и 6-я стадии). Обычно стремятся получить гранулы не более 5 мм в поперечнике; при этом процесс идет на первых стадиях окисления в диффузионной, а на последних (при х 80%) в кинетической области.

Вследствие разрушения и слеживания гранул, загрязнения слоя, отравления катализатора соединениями мышьяка и температурной порчи его при случайных нарушениях режима ванадиевая контактная масса заменяется в среднем через 4 года. Если же нарушена очистка газа, получаемая обжигом колчедана, то работа контактного аппарата нарушается вследствие отравления первого слоя контактной массы через несколько суток. Для сохранения активности катализатора применяется тонкая очистка газа мокрым способом.

Важным усовершенствованием является двойное контактирование, при котором обеспечивается высокая степень окисления SO2 на катализаторе (до 99,8%) и потому исключается необходимость в дополнительной санитарной очистке отходящих газов.

Химическая схема получения серной кислоты из железного колчедана включает три последовательные стадии:

1) окисление дисульфида железа пиритного концентрата кислородом воздуха:

4FeS2 + 11О2 > 2Fe2O3 + 8SO2

2) каталитическое окисление оксида серы (IV) избытком кислорода печного газа:

2SO2 + O2 > 2SО3

3) абсорбция оксида серы (VI) с образованием серной кислоты:

S03 + Н2О > H2SO4

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

Окислительный обжиг железного колчедана в потоке воздуха представляет собой необратимый некаталитический гетерогенный процесс, протекающий с выделением теплоты через стадии термической диссоциации дисульфида железа [3]:

2FeS2 > 2FeS + S2

и окисления продуктов диссоциации:

S2 + 202 > 2S02;

4FeS + 7O2 > 2Fe2O3 + 4SO2

что описывается общим уравнением:

4FeS2 + HO2 > 2Fe2O3 + 8SO2- ?Н

где ?Н =3400 кДж.

Скорость процесса окислительного обжига выражается общим для гетерогенных процессов уравнением [4]

где КМ -- коэффициент массопередачи; S -- площадь поверхности контакта фаз; ?С-- движущая сила процесса.

Таким образом, скорость процесса обжига зависит от температуры (через КМ), дисперсности обжигаемого колчедана (через S), концентрации дисульфида железа в колчедане и концентрации кислорода в воздухе (через ?С).

Увеличение движущей силы процесса обжига достигается флотацией колчедана, повышающей содержание дисульфида железа в сырье, обогащением воздуха кислородом и применением избытка воздуха при обжиге до 30 % сверх стехиометрического количества. На практике обжиг ведут при температуре не выше 1000°С, так как за этим пределом начинается спекание частиц обжигаемого сырья, что приводит к уменьшению их поверхности и затрудняет смывание частиц потоком воздуха.

В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя. Печи кипящего слоя отличаются высокой интенсивностью [до 10000 кг/(м2-сут)], обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа (массовая доля серы в огарке не превышает 0,5 %), позволяют осуществлять контроль температуры, облегчают процесс утилизации теплоты реакции обжига. К недостаткам печей кипящего слоя следует отнести повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку. В настоящее время эти печи полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

Продукты окислительного обжига колчедана -- обжиговый (печной) газ и огарок, состоящий из оксида железа (III), пустой породы и остатка невыгоревшего дисульфида железа.

Состав обжигового газа зависит от природы сырья, состава и избытка воздуха при его обжиге. В него входят оксид серы (IV), кислород, азот и незначительное количество оксида серы (VI), образовавшегося в результате каталитического действия оксида железа (III).

На практике при обжиге колчедана печной газ содержит от 13 до 14% оксида серы (IV), 2% кислорода и около 0,1% оксида' серы (VI). Так как в печном газе должен быть избыток кислорода для последующего окисления оксида серы (IV), его состав корректируют, разбавляя воздухом до содержания оксида серы (IV) от 7 до 9 % и кислорода от 9 до 11 %.

При очистке обжигового (печного) газа из него удаляют пыль, сернокислотный туман и вещества, являющиеся каталитическими ядами или представляющие собой ценность как побочные продукты. В обжиговом газе содержится до 300 г/м3 пыли, которая на стадии контактирования засоряет аппаратуру и снижает активность катализатора, а также туман серной кислоты. Кроме того, при обжиге колчедана одновременно с окислением дисульфида железа окисляются содержащиеся в колчедане сульфиды других металлов. При этом мышьяк и селен образуют газообразные оксиды As2O3 и SeO2, которые переходят в обжиговый газ и становятся каталитическими ядами для ванадиевых контактных масс. Пыль и сернокислотный туман удаляют из обжигового газа при общей чистке газа, которая включает в себя механическую (грубую) и электрическую (тонкую) очистки. Механическую очистку газа осуществляют пропусканием газа через центробежные пылеуловители (циклоны) и волокнистые фильтры, снижающие содержание пыли в газе до 10...20 г/м3. Электрическая очистка газа в электрофильтрах снижает содержание пыли и тумана в газе до 0,05...0,1 г/м3.

После общей очистки обжиговый газ, полученный из колчедана, обязательно подвергается специальной очистке для удаления остатков пыли и тумана и главным образом соединений мышьяка и селена, которые при этом утилизируют. В специальную очистку газа входят операции охлаждения его до температуры ниже температуры плавления оксида мышьяка (315°С) и селена (340°С) в башнях, орошаемых последовательно 50- и 20%-ной серной кислотой, удаления сернокислотного тумана в мокрых электрофильтрах и завершающей осушки газа в скрубберах, орошаемых 95%-ной серной кислотой. Из системы специальной очистки обжиговый газ выходит температурой от 140 до 50°С.

Оксид селена (IV), извлекаемый из обжигового газа, восстанавливается растворенным в серной кислоте оксидом серы (IV) до металлического селена, который осаждается в отстойниках:

SeO2 + 2SO2 + 2H2O > Se + 2H2SO4

Новым прогрессивным методом очистки обжигового газа является адсорбция содержащихся в нем примесей твердыми поглотителями, например силикагелем или цеолитами. При подобной сухой очистке обжиговый газ не охлаждается и поступает на контактирование при температуре около 400°С, вследствие чего истребует последующего дополнительного подогрева.

Реакция окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI), лежащая в основе процесса контактирования обжигового газа, представляет собой гетерогенно-каталитическую, обратимую, экзотермическую реакцию и описывается уравнением

2SO2 + О2 - 2SO3 - ?Н

Тепловой эффект реакции зависит от температуры и равен 96 кДж при температуре 25°С и около 93 кДж при температуре контактирования. Система SO2 - О2 - SO3 характеризуется равновесием и скоростью окисления оксида серы (IV), от которых зависит суммарный результат процесса.

В производстве серной кислоты в качестве катализатора применяют контактные массы на основе оксида ванадия (V) марок БАВ и СВД, названные так по начальным буквам элементов, входящих в их состав [1, 2].

БАВ (барий, алюминий, ванадий) состава

[V2O5 (7 %)] + [K2SO4 + BaSO4 + A12(SO4)3] + [SiO2 (кремнезем)] промотор катализатор носитель

СВД (сульфо-ванадато-диатомовый) состава

[V2O5 (7 %)] + [K2S2O7] + [Диатомит + Гипс]

катализатор промотор носитель

Предполагается, что процесс окисления оксида серы (IV) на этих катализаторах идет через стадию диффузии реагентов к поверхности катализатора, на которой образован комплекс оксида ванадия (V) с активатором, сорбции реагентов на катализаторе с последующей десорбцией продукта реакции [оксида серы (VI)]:

V2О5 + SО2 > V2О4 + SО3

V2O4 + 0,5О2 > V2O5

Температура зажигания контактных ванадиевых масс 380... 420 °С и зависит от состава контактируемого газа, повышаясь по мере уменьшения содержания в нем кислорода. Контактные массы для реакторов с неподвижным слоем катализатора формуются в виде гранул, таблеток или колец средним диаметром около 5 мм, а для реакторов кипящего слоя -- в виде шариков диаметром около 1 мм.

Реакторы, или контактные аппараты, для каталитического окисления оксида серы (IV) по своей конструкции делятся на аппараты с неподвижным слоем катализатора (полочные или фильтрующие), в которых контактная масса расположена в 4...5 слоях, и аппараты кипящего слоя. Отвод теплоты после прохождения газом каждого слоя катализатора осуществляется введением в аппарат холодного газа или воздуха или с помощью встроенных в аппарат либо вынесенных отдельно теплообменников.

Совокупность контактного аппарата, теплообменников и газопроводов представляет собой контактный узел. На рисунке 3 показаны контактный узел, состоящий из контактного аппарата фильтрующего типа и выносных теплообменников, и контактный аппарат кипящего слоя.

Рис. 3. Контактный узел (а) и контактный аппарат кипящего слоя (б) [3]:

1 -- контактный аппарат; 2 -- теплообменник

К достоинствам контактных аппаратов кипящего слоя относятся:

· высокий коэффициент теплоотдачи от катализатора в состоянии кипящего слоя к поверхности теплообменника (в 10 раз боль ше, чем от газа), что позволяет без перегрева вести контактирование печного газа с высоким содержанием оксида серы (IV) и снизить температуру зажигания катализатора;

· нечувствительность к пыли, вносимой вместе с печным газом.

Последней стадией в производстве серной кислоты контактным способом являются абсорбция оксида серы (VI) из контактного газа и превращение его в серную кислоту или олеум. Абсорбция оксида серы (VI) представляет собой обратимую экзотермическую реакцию и описывается уравнением

SО3 + H2О -H2SО4 + (-l)SО3-?Н

Тепловой эффект реакции зависит от значения vSOj и для vs03 = 1 (образование моногидрата серной кислоты) равен 92 кДж. Поэтому для обеспечения максимального поглощения оксида серы (VI) процесс ведут при охлаждении газа и абсорбента до температуры 80?С и используют аппараты с большим абсорбционным объемом, обеспечивающие интенсивный отвод теплоты. С этой же целью процесс абсорбции проводят в две стадии, используя на первой в качестве сорбента 20%-ный олеум, а на второй -- 98,3%-ную кислоту (техническое название «моногидрат»).

Такая схема абсорбции позволяет получать кроме контактной серной кислоты с массовой долей 92...93 % олеум различной концентрации.

В настоящее время в производстве серной кислоты и олеума контактным способом наиболее распространенной является технологическая схема с использованием принципа двойного контактирования ДК--ДА (двойное контактирование -- двойная абсорбция).

2. Принципиальная технологическая схема производства серной кислоты контактным способом

Производство серной кислоты из серы