Производство серной кислоты при повышенном давлении

Анализ технологического процесса производства серной кислоты. Получение обжигового газа из серы. Контактное окисление диоксида серы. Материальный баланс для печи сжигания серы. Расчет сушильной башни, моногидратного абсорбера, технологических показателей.

Рубрика Химия
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 03.06.2014
Размер файла 1,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра общей химической технологии

Курсовая расчетная работа

по теме: «Производство серной кислоты при повышенном давлении»

Москва 2014

Оглавление

Задание на курсовую работу

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Производство серной кислоты

1.2 Технологическая схема производства серной кислоты. Описание технологического процесса, функциональная и операторная схема

1.3 Основные этапы сернокислого производства

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс процесса

2.2 Материальный баланс для печи сжигания серы

2.3 Расчет сушильной башни

2.4 Расчет олуемного абсорбера (ОА)

2.5 Расчет моногидратного абсорбера (МА)

2.6 Расчет технологических показателей

Библиографический список

Задание на курсовую работу

Вариант №18.

· Схема функционирует под общим давлением 0,6 МПа.

· Воздух после сушильной башни поступает в контактный аппарат 4 с температурой 30єС. Степень сгорания серы принята равной 100%.

· Степень превращения диоксида серы в контактных аппаратах 4 и 5 по заданию составляет 0,95 и 0,98 соответственно.

· В абсорберах 6 и 7 происходит полное поглощение серного ангидрида.

· Производительность 100%-ой серной кислоты: 1000 т/сутки.

· Массовое соотношение серная кислота: олеум = 5:1

· Содержание свободного SO3 в олеуме: 6%.

· Парциальное давление водяных паров в воздухе 4,8 КПа.

· Концентрация диоксида серы на выходе из печи 13,3% об.

· Концентрация орошающей кислоты в сушильной башне 93,0% масс.

· Концентрация орошающей кислоты в моногидратном абсорбере 98,4% масс.

Задание:

1) исходя из технологической схемы производства серной кислоты, составить ее операторную схему;

2) найти аналитическое выражение для расчета общей степени превращения диоксида серы по ее значениям для 1-ой и 2-ой степеней контактирования;

3) рассчитать материальный баланс ХТС производства серной кислоты в целом;

4) составить материальные балансы для 1-ой и 2-ой ступеней контактирования, для этого определить:

· объем и состав газовой смеси перед 1-ой ступенью;

· объем и состав газовой смеси на выходе из нее;

· количество и состав газа после 2-ой ступени;

5) составить материальный баланс сушильной башни, определить:

· количество паров воды в воздухе, поступающем на сушку;

· потоки олеума и кислоты, поступающие из абсорберов 6 и 7 в сборник сушильной башни;

· количество воды, направляемой в сборник кислоты сушильной башни для разбавления кислоты до заданной концентрации;

· потоки кислоты, поступающей в сборники абсорберов из сборника сушильной башни;

6) составить материальный баланс абсорбционного отделения. Для этого определить:

· количество серного ангидрида, поглощаемого в абсорберах;

· потоки олеума и кислоты, поступающие из сборников абсорберов в сборник сушильной башни и из сборника сушильной башни в сборники абсорберов;

7) рассчитать объем и состав выхлопных газов.

Введение

Среди многих сотен тысяч органических соединений, известных в настоящее время, серной кислоте принадлежит особая роль.

Широкий спектр применения серной кислоты, прежде всего, обусловлен ее физическими и химическими свойствами. Серная кислота - бесцветная едкая тяжелая маслообразная жидкость без запаха, смешивается с водой в любых соотношениях. Эта кислота гигроскопична, то есть способна поглощать влагу из воздуха.

При обычной температуре она не летуча и не имеет запаха. Серная кислота взаимодействует почти со всеми металлами. Скорость этого взаимодействия зависит от природы металла, концентрации кислоты и температуры [1].

На поглощении воды серной кислотой основана осушка газов. Серную кислоту выпускают нескольких сортов, в зависимости от того, для производства какого продукта она требуется. Например, для производства медицинских препаратов, особо чистых реактивов, для заливки аккумуляторов требуется чистая кислота.

В других случаях для производства подойдет менее чистая серная кислота, так называемое купоросное масло. Сернокислотная промышленность выпускает олеум, используемый при производстве некоторых органических препаратов и взрывчатых веществ. Олеум представляет собой раствор серного ангидрида в серной кислоте. 

В современном мире многие отрасли промышленности такие как, металлургия, нефтяная промышленность, производство удобрений, микроэлектронное производство, тонкие химические технологии - немыслимы без применения серной кислоты.

Например, большое количество серной кислоты используется для получения фосфорных и азотных удобрений. В металлургии серную кислоту применяют для обнаружения микротрещин в готовой продукции, а также серную кислоту используют в цехах гальванопокрытий. Также серная кислота необходима для переработки различных руд и ископаемых. Большое количество серной кислоты требуется нефтеперерабатывающей промышленности для очистки нефти и ее различных фракций. В органическом синтезе концентрированная серная кислота -- необходимый компонент при получении многих красителей и лекарств.

серный кислота окисление абсорбер

1. Теоретическая часть

1.1 Производство серной кислоты

Сырьевая база производства серной кислоты - это серосодержащие соединения, из которых с помощью обжига можно получить диоксид серы. В промышленности около 80% серной кислоты получают из природной серы и железного колчедана.

Иногда в качестве сырья используют отходящие газы цветной металлургии, получаемые при обжиге сульфидов цветных металлов и содержащие диоксид серы, а в некоторых производствах применяют сероводород, образуемый при сероочистке в нефтепереработке.

При получении серной кислоты из отходящих газов стадия обжига входит в состав другого производства.

Химическая схема производства серной кислоты из серы включает следующие стадии:

S + O2 => SO2 + Qр (1)

SO2+ 1/2 O2 <=> SOз + Qр(2)

SOз + H2O <=>H2SO4 + Qр(3)

Минеральное сырье содержит примеси, поэтому функциональная схема включает еще стадию очистки газа после его обжига. Сера - легкоплавкое вещество с температурой плавления 386 К. Перед сжиганием ее расплавляют, используя пар, получаемый при утилизации теплоты горения.

Расплавленная сера отстаивается и фильтруется для удаления имеющихся в природном сырье примесей, затем насосом подается в печь сжигания.

При горении серы по реакции 1 часть кислорода эквимолярно переходит в диоксид серы, поэтому суммарная концентрация О2 и SO2 постоянна и равна концентрации кислорода Со в исходном газе (а+b = Со), так что при сжигании серы в воздухе:

b = 0,21 - a.

1.2 Технологическая схема производства серной кислоты при повышенном давлении. Описание технологического процесса, функциональная и операторная схемы

Расправленная сера подается с потоком воздуха в печь 2 , где сжигается до диоксида серы.

Сернистый газ охлаждается в котле- утилизаторе 3 и направляется в контактный аппарат 4, где на катализаторе осуществляется процесс окисления SO2 в SO3 методом двойного контактирования с промежуточной абсорбцией SO3 в абсорбере 6.

Трехслойный контактный аппарат 4 составляет первую ступень контактирования. Нагретый за счет химической реакции газ после прохождения каждого из трех слоев катализатора охлаждается в теплообменнике 8.

Газ после первой ступени освобождается от SO3 в абсорбере 6.

Контактный аппарат 5 представляет собой вторую ступень контактирования - в ней происходит доокисление непрореагировавшего SO2.

После доокисления газовая смесь охлаждается в экономайзере 13 и поступает в моногидратный абсорбер 7.

Сушка атмосферного воздуха нагнетаемого компрессором 10 производится в сушильной башне 1 орошаемой концентрированной серной кислотой.

После абсорбера 7 газ подогревается в теплообменнике 8, после чего отправляется на газовую турбину 12 и затем в экономайзер 13.

Продукция в виде олеума и моногидрата отбирается из абсорберов 6 и 7.

Структурная схема производства серной кислоты при повышенном давлении

1 - сушильная башня; 2 - печь для сжигания серы; 3- котел-утилизатор; 4,6,8,15 - контактный аппарат; 5,7,9,10 - теплообменники; 11 - олеумный абсорбер; 12 - компрессор; 9,13,20 - сборники; 14 - паровая турбина; 16,19 - экономайзеры; 17 - моногидратный абсорбер; 18 - газовая турбина.

Операторная схема производства серной кислоты при атмосферном давлении:

1 - сушильная башня; 2 - печь для сжигания серы; 3- котел-утилизатор; 4,6,8,15 - контактный аппарат; 5,7,9,10 - теплообменники; 11 - олеумный абсорбер; 12 - компрессор; 9,13,20 - сборники; 14 - паровая турбина; 16,19 - экономайзеры; 17 - моногидратный абсорбер; 18 - газовая турбина.

1.3 Основные этапы сернокислого производства

Процесс 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).

Процесс ведут с избытком воздуха. Выделяется очень большое количество теплоты ДН = -362,4 кДж/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 кДж/моль;

4. Абсорбция SO3:

SO3 + H2O = H2SO4 (3).

Абсорбционная колонна орошается 98,4% H2SO4. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~ 93%

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс процесса

Расчет производительности серной кислоты (кмоль/ч).

Производительность по 100% серной кислоте - 1000 т/сутки.

П(т/сутки)=П * 1 000/(кол-во часов в сутки)=П(кг/ч)

П (с.к.) (кмоль/ч) =( П (с.к.) кг / ч ) / (М (с.к.) кг / кмоль)

П (с.к.) = 1 000 * 1 000 / 24 = 41 666,667 кг/ч

М (с.к.) = 2*1,008 + 32,065 + 4*15,999 = 98,077 кг / кмоль

П (с.к.) = 41 666,667 / 98,077 = 424,836 кмоль /ч

Рассчитаем количество получившегося олеума:

где n - массовое соотношение кислоты и олеума

На основании этих данных, а также зная степени превращения и абсорбции, мы можем рассчитать количество серы, необходимое для получения продуктов. Примем, что вся сера сгорает полностью:

По реакциям, проходящим, видим, что стехиометрические соотношения одинаковы и равны единице:

S + O2 = SO2

SO2 + O2 = SO3

SO3 + H2O = H2SO4

Составим уравнение, где x - это кол-во серы (сернистого газа, так как окисление серы до диоксида происходит 100%).:

После 1ой ступени окисления поток:

После абсорбции в олеумном абсорбере:

После 2ой ступени окисления:

После абсорбции в моногидратном абсорбере:

Общее аналитическое выражение для расчета общей степени превращения сернистого газа:

Найдём количество серы, затраченное на образование олеума и серной кислоты. Олеум состоит из SO3 и серной кислоты. Содержание SO3 в олеуме 6%:

Количество серы, затраченное на образование товарной кислоты:

Общее количество серы, затраченное на образование товарных продуктов:

Доля серы, потерянная в отходящих газах:

Зная количество серы, рассчитаем количество воздуха, необходимое для её сжигания. По уравнению реакции окисления найдём количество затраченного кислорода:

S + O2 = SO2

Концентрацию кислорода в сернистом газе можно найти по уравнению:

Количество кислорода, оставшегося после реакции:

Определим поток сухого воздуха.

Для этого составим пропорцию:

Определим количество воды в воздухе до осушки.

Количество влажного воздуха:

Часть поступившего кислорода также уйдёт на окисление диоксида серы в триоксид серы. Рассчитаем это количество оставшегося кислорода после 1-ой ступени окисления с учётом степени превращения диоксида серы:

SO2 + O2 = SO3

Рассчитаем кислород, оставшийся после 2ой ступени окисления. Для этого рассчитаем количество диоксида серы, идущего на эту стадию:

Кол-во азота не меняется в ходе реакции.

Найдём количество воды, поступающей в систему из крана, для этого сложим поступающие потоки и вычтем исходящие:

В отходящие газы входят непрореагировавшие диоксид серы, кислород и азот.

Постоим материальный баланс ХТС производства серной кислоты в целом на основе рассчитанных данных:

Приход

Расход

Статья прихода

кг/ч

% масс.

% об.

Статья расхода

кг/ч

% масс.

м3

% об.

Сера

16444,976

Отходящие газы

86676,919

100

69170,313

100

Воздушная смесь

114705,986

100

100

Кислород

1303,778

1,50

886,924

1,28

Кислород

25911,495

22,59

19,62

Азот

85339,985

98,46

68281,998

98,70

Азот

85339,985

74,40

76,01

Сернистый газ

32,856

0,04

11,501

0,02

Вода

3454,506

3,01

4,37

Олеум

8468,835

Вода из крана

6338,665

Серная кислота 98,6%

42344,173

Итого

137489,627

Итого

137489,627

100

69170,313

2.2 Материальный баланс для печи сжигания серы

По условиям задания сера сгорает полностью (100%).

S + O2 = SO2

Также учтём ранее вычисленные значения для кислорода и азота:

Приход

Расход

Статья прихода

кг/ч

% масс.

% об.

Статья расхода

кг/ч

% масс.

м3/ч

% об.

Сера

16444,976

Реакционная смесь

147969,453

100

87227,788

100

Воздух

111251,480

100

100

Сернистый газ

32855,587

25,73

12492,62

14,32

Кислород

25911,495

23,29

20,52

Кислород

9500,881

7,44

6463,18

7,41

Азот

85339,985

76,71

79,48

Азот

85339,985

66,83

68271,988

78,27

Итого

127696,456

Итого

127696,453

87277,788

Материальный баланс для 1ой ступени окисления (степень превращения сернистого газа 0,95).

SO2 + O2 > SO3

Вступило в реакцию:

Найдем массовые потоки:

Осталось после реакции:

Приход

Расход

Статья прихода

кг/ч

% масс.

об.

Статья расхода

кг/ч

% масс.

м3

об.

Реакционная смесь

127696,453

100

100

Реакционная смесь

129257,094

100

90967,043

100

Сернистый газ

32855,587

25,73

14,32

Сернистый газ

3203,42

2,48

1218,03

1,34

Кислород

9500,881

7,44

7,41

Триоксид серы

39007,849

30,18

20316,59

22,33

Азот

85339,985

66,83

78,27

Азот

85339,985

66,02

68271,988

75,05

Кислород

1705,84

1,32

1160,435

1,28

Итого

127696,453

Итого

129257,094

90967,043

Материальный баланс для 2ой ступени окисления, ( х = 0,98 ).

SO2 + O2 > SO3

Образуется:

Всего:

Вступило в реакцию:

Осталось после реакции:

Таблица

Приход

Расход

Статья прихода

кг/ч

% масс.

% об.

Статья расхода

кг/ч

% масс.

м3

% об.

Реакционная смесь

90249,245

100

100

Реакционная смесь

88688,604

100

70219,313

100

Сернистый газ

3203,42

3,55

1,724

Сернистый газ

32,856

0,037

12,483

0,0178

Триоксид серы

0

0

0

Триоксид серы

2011,985

2,27

1047,909

1,49

Азот

85339,985

94,56

96,633

Азот

85339,985

96,22

68271,988

97,23

Кислород

1705,84

1,89

1,643

Кислород

1303,778

1,47

886,924

1,26

Итого

90249,245

Итого

88688,604

70219,313

2.3 Расчет сушильной башни

Для расчета сушильной башни нам необходимо знать все потоки входящие и выходящие из нее.

Количество влажного воздуха (из расчетов в самом начале работы):

Входящие потоки: влажный воздух, вода из крана, олеум из олеумного абсорбера.

Выходящие потоки: сухой воздух, 93%-ая серная кислота.

Таким образом, обозначив массовый поток олеума за «х», а массовый поток 93%-ой кислоты - «у», можно составить материальный баланс по воде и по «связанному» триоксиду серы (ТС):

Таким образом:

Материальный баланс будет выглядеть следующим образом:

Приход

Расход

Статья прихода

кг/ч

% масс.

% об.

Статья расхода

кг/ч

% масс.

м3

% об.

Влажный воздух

114705,987

100

100

Сухой воздух

111251,480

100

80467,20

100

Вода

3454,506

3,01

4,74

Кислород

25911,495

23,29

20729,20

25,76

Азот

85339,985

74,40

75,26

Азот

85339,985

76,71

59738,00

74,24

Кислород

25911,495

22,59

20,00

93 % серная кислота

Вода

6338,665

Олеум

109254,881

Итого

230299,532

Итого

230265,512

80467,20

2.4 Расчет олуемного абсорбера (ОА)

Для расчета олеумного абсорбера (ОА) необходимо знать все потоки входящие и выходящие из него. Входящими потоками будут являться: поглощенный триоксид серы и поступающая из сушильной башни 93%-ая кислота, а выходящими - олеум с 6% свободного триоксида серы.

Таким образом, обозначив массовый поток олеума за «у», а массовый поток 93%-ой кислоты - «х», можно составить материальный баланс по воде и по «связанному» триоксиду серы (ТС):

Таким образом:

Материальный баланс будет выглядеть следующим образом:

Приход

Расход

Статья прихода

кг/ч

% масс.

% об.

Статья расхода

кг/ч

% масс.

м3

% об.

Реакционная смесь

129257.094

100

100

Реакционная смесь

90248,245

100

70587,33

Сернистый газ

3203,42

2,48

1,38

Сернистый газ

3203,42

3,55

1121,253

1,59

Триоксид серы

39007,849

30,18

13,41

Триоксид серы

0

0

0

0

Азот

85339,985

66,02

83,75

Азот

85339,985

94,56

68271,988

96,72

Кислород

1705,84

1,32

1,46

Кислород

1705,84

1,89

1194,089

1,69

93% СК

99065,469

Олеум

129705,497

Олеум (продукт)

8468,835

Итого

228322,563

Итого

2284422,57

2.5 Расчет моногидратного абсорбера (МА)

Материальный баланс для МА будет выглядеть следующим образом:

Приход

Расход

Статья прихода

кг/ч

% масс.

% об.

Статья расхода

кг/ч

% масс.

м3

% об.

Реакционная смесь

88688,604

100

Реакционная смесь

86676,618

100

69171,405

100

Сернистый газ

32,856

0,04

0,02

Сернистый газ

32,856

0,04

12,493

0,02

Триоксид серы

2011,985

2,27

1,49

Триоксид серы

0

0

0

0

Азот

853393,985

96,22

97,23

Азот

85339,985

98,46

68271,988

98,07

Кислород

1303,778

1,47

1,26

Кислород

1303,778

1,50

886,924

1,28

Серная кислота

19948,563

98,4% СК (продукт)

42344,173

Олеум

20453,616

Итого

129090,783

Итого

129020,791

69171,405

2.6 Расчет технологических показателей

1. Производительность по целевому продукту:

П (100% серная кислота) = 41 666,667 кг / ч

2. Селективность по целевому продукту (показатель эффективности протекания целевой реакции в сложном химическом процессе):

S (100%-я серная кислота) = 100%, т.к. побочных реакций нет.

3. Выход целевого продукта (показатель эффективности процесса):

Е (100%-я серная кислота) = NRпракт / NRмакс

Весь сернистый газ превратится в серную кислоту.

Е (100%-я серная кислота) = 424,836 / 512,864 = 0,8284

или 82,84%

4. Расходный коэффициент.

Основным показателем использования сырья (а также вспомогательных материалов) является расходный коэффициент, показывающий количество затраченного сырья (вспомогательных материалов) на производство единицы продукции. Различают теоретический расходный коэффициент, определяемый из стехиометрического уравнения химической реакции образования продукта из исходных веществ при полном их превращении, и практический (или расходный коэффициент), т.е. реально достигнутый в производстве. Их отношение показывает степень использования сырья.

К - расходный коэффициент.

Суммарное стехиометрическое уравнение получения серной кислоты из серы:

S + H2O + 2О2 = H2SO4

С массовыми стехиометрическими коэффициентами превращение описывается уравнением:

32 S + 18 H2O + 32 О2 =98 H2SO4

Теоретически 1 т 100% -ой серной кислоты можно получить из

1000 32 / 98 = 326,53 кг 100%-ой серы. Это - теоретический расходный коэффициент.

К (теор) по осн.сырью = 326,53 кг 100%-ой серы/ 1т 100%-й серной кислоты

С учетом того, что сера в виде сернистого газа и триоксида серы превращается не полностью в серную кислоту, то получаем:

К (реал) по осн.сырью = 326,53 / 0,8284 = 394,188 кг серы на 1 т 100%-й серной кислоты.

б = 326,53 / 394,188 =0,8284

или 82,84%

Основные причины различия теоретического и реального расходных коэффициентов заключается в следующем:

Ш неполнота превращения исходного вещества в продукт и выделения продукта;

Ш потери промежуточных компонентов и продукта;

Ш использование части сырья на вспомогательные цели.

Библиографический список

1. http://www.sigmatec.ru/main/prod/sernaya_kislota

2. Кутепов А.М. Общая химическая технология: Учеб.для вузов/А.М.Кутепов, Т.И.Бондарева, М.Г.Беренгартен. - 3-е изд., перераб. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 528 с.

3. Бесков В.С. Общая химическая технология: Учебник для вузов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 452 с.: ил.

4. Игнатенков В.И., Бесков В.С. Примеры и задачи по общей химической технологии: Учеб.пособие для вузов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 198с.:ил.

5. Методическое пособие 4205.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Производство серной кислоты. Материальный тепловой баланс печи для обжига колчедана. Система двойного контактирования и абсорбции. Обжиг серного колчедана, окисление диоксида серы, абсорбция триоксида серы. Влияние температуры на степень выгорания серы.

    курсовая работа [907,6 K], добавлен 05.02.2015

  • Технология получения серной кислоты контактным методом. Разработка технологической схемы включающей, сжигания серы, окисления диоксида серы и его абсорбции с получением товарной серной кислоты. Выбор и расчет основного аппарата – контактного аппарата.

    дипломная работа [551,2 K], добавлен 06.02.2013

  • Описание промышленных способов получения серной кислоты. Термодинамический анализ процесса конденсации и окисления диоксида серы. Представление технологической схемы производства кислоты. Расчет материального и теплового баланса химических реакций.

    реферат [125,1 K], добавлен 31.01.2011

  • Применение серной кислоты. Природные серосодержащие соединения. Обжиг пирита, контактное окисление SO2 в SO3, абсорбция триоксида серы. Устройство печи для обжига в "кипящем слое". Очистка от крупной и мелкой пыли. Теплообменник и контактный аппарат.

    презентация [2,0 M], добавлен 10.05.2015

  • Применение, физические и химические свойства концентрированной и разбавленной серной кислоты. Производство серной кислоты из серы, серного колчедана и сероводорода. Расчет технологических параметров производства серной кислоты, средства автоматизации.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 24.10.2011

  • Общая схема сернокислотного производства. Сырьевая база для производства серной кислоты. Основные стадии процесса катализа. Производство серной кислоты из серы, из железного колчедана и из сероводорода. Технико-экономические показатели производства.

    курсовая работа [7,1 M], добавлен 24.10.2011

  • Структурная, химическая формула серной кислоты. Сырьё и основные стадии получения серной кислоты. Схемы производства серной кислоты. Реакции по производству серной кислоты из минерала пирита на катализаторе. Получение серной кислоты из железного купороса.

    презентация [759,6 K], добавлен 27.04.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.