Производство серной кислоты

Серная кислота - один из основных многотоннажных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии, в концентрированном виде не корродирует черные металлы. В то же время, серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.

В технике под серной кислотой понимают системы, состоящие из оксида серы (VI) и воды различного состава: п SО₃ · т Н₂О.

Моногидрат серной кислоты - бесцветная маслянистая жидкость с температурой кристаллизации 10,37 ^оС, температурой кипения 296,2 ^оС и плотностью 1,85 т/м³. С водой и оксидом серы (VI) он смешивается во всех отношениях, образуя гидраты состава Н₂SО₄ · Н₂О, Н₂SО₄ · 2Н₂О, Н₂SО₄ · 4Н₂О и соединения с оксидом серы Н₂SО₄ · SО₃ и Н₂SО₄ ·2SО₃.

Эти гидраты и соединения с оксидом серы имеют различные температуры кристаллизации и образуют ряд эвтектик. Некоторые из этих эвтектик имеют температуру кристаллизации ниже нуля или близкие к нулю. Эти особенности растворов серной кислоты учитываются при выборе ее товарных сортов, которые по условиям производства и хранения должны иметь низкую температуру кристаллизации.

Температура кипения серной кислоты также зависит от ее концентрации, то есть состава системы "оксид серы (VI) - вода". С повышением концентрации водной серной кислоты температура ее кипения возрастает и достигает максимума 336,5 ^оС при концентрации 98,3 %, что отвечает азеотропному составу, а затем снижается. Температура кипения олеума с увеличением содержания свободного оксида серы (VI) снижается от 296,2 ^оС (температура кипения моногидрата) до 44,7 ^оС, отвечающей температуре кипения 100 %-ного оксида серы (VI).

При нагревании паров серной кислоты выше 400 ^оС она подвергается термической диссоциации по схеме:

400^оС 700 ^оС

2 Н₂SО₄ <=> 2Н₂О + 2SО₃ <=> 2Н₂О + 2SО₂ + О₂.

Среди минеральных кислот серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Мировое производство ее за последние 25 лет выросло более чем в три раза и составляет в настоящее время более 160 млн. т в год.

Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. 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 %). Она применяется для различных технологических целей в текстильной, пищевой и других отраслях промышленности.

2. Общая характеристика установки производства серной кислоты

Установка предназначена для получения технической серной кислоты из сероводородсодержащего газа. Сероводородный газ поступает с установок гидроочистки, блока сероочистки газов, установки регенерации амина и отпарки кислых стоков.

Ввод установки в эксплуатацию - 1999 г.

Установка производства серной кислоты рассчитана на переработку 24 тыс. тонн в год сероводородсодержащего газа.

Проектная производительность установки по серной кислоте составляет 65 тыс. тонн в год.

Проект установки выполнен ОАО "ВНИПИнефть" на основании технологии датской фирмы "Хальдор Топсе АС" и ОАО "НИУИФ" г. Москва.

Российская часть установки представлена секцией подготовки сырья, котлами-утилизаторами КУ-А,В,С сжигания сероводородсодержащего газа, блоками деаэрации обессоленной воды, нейтрализации сернокислотных сбросов и обеспечения установки воздухом КИП.

Датской стороной предоставлен блок WSA в составе:

· контактного аппарата (конвертера);

· конденсатора;

· системой циркуляции и откачки серной кислоты;

· системой воздуходувок подачи воздуха на сжигание H₂S, охлаждения и разбавления технологического газа;

· системой подачи силиконового масла (блок управления кислотными парами) в технологический газ с целью снижения выбросов SO_x в атмосферу.

3. Сырьевые источники получения серной кислоты

Сырьем в производстве серной кислоты могут быть элементарная сера и различные серусодержащие соединения, из которых может быть получена сера или непосредственно оксид серы (IV).

Природные залежи самородной серы невелики, хотя кларк ее равен 0,1 %. Чаще всего сера находится в природе в форме сульфидов металлов и сульфатов метало, а также входит в состав нефти, каменного угля, природного и попутного газов. Значительные количества серы содержатся в виде оксида серы в топочных газах и газах цветной металлургии и в виде сероводорода, выделяющегося при очистке горючих газов.

Таким образом, сырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны, хотя до сих пор в качестве сырья используют преимущественно элементарную серу и железный колчедан. Ограниченное использование таких видов сырья, как топочные газы тепловых электростанций и газы медеплавильного производства, объясняется низкой концентрацией в них оксида серы (IV).

При этом доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

В общей схеме сернокислотного производства существенное значение имеют две первые стадии – подготовка сырья и его сжигание или обжиг. Их содержание и аппаратурное оформление существенно зависят от природы сырья, которая в значительной степени, определяет сложность технологического производства серной кислоты.

4. Краткое описание промышленных способов получения серной кислоты

Производство серной кислоты из серусодержащего сырья включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Это может быть представлено в виде следующей схемы:

где I – стадия получения печного газа (оксида серы (IV)),

II – стадия каталитического окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI) и абсорбции его (переработка в серную кислоту).

В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа и другие механические и физико-химические операции.

В общем случае производство серной кислоты может быть выражено в следующем виде:

Сырье  подготовка сырья  сжигание (обжиг) сырья

очистка печного газа  контактирование  абсорбция

контактированного 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 зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SО₂ вSО₃, различают два основных метода получения серной кислоты.

В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SО₂ вSО₃ проводят на твердых катализаторах.

Триоксид серы переводят в серную кислоту на последней стадии процесса – абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SО₃ + Н₂О Н₂SО₄

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:

SО₃ + N₂О₃ + Н₂О Н₂SО₄ + 2NО

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью.

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

- окисление дисульфида железа пиритного концентрата кислородом воздуха:

4FеS₂ + 11О₂ = 2Fе₂S₃ + 8SО₂,

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

2SО₂ + О₂2SО₃

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

SО₃ + Н₂О Н₂SО₄

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

2) Технологический процесс производства серной кислоты из элементарной серы контактным способом отличается от процесса производства из колчедана рядом особенностей. К ним относятся:

– особая конструкция печей для получения печного газа;

– повышенное содержание оксида серы (IV) в печном газе;

– отсутствие стадии предварительной очистки печного газа.

Последующие операции контактирования оксида серы (IV) по физико-химическим основам и аппаратурному оформлению не отличаются от таковых для процесса на основе колчедана и оформляются обычно по схеме ДКДА. Термостатирование газа в контактном аппарате в этом методе осуществляется обычно путем ввода холодного воздуха между слоями катализатора

3) Существует также способ производства серной кислоты из сероводорода, получивший название "мокрого" катализа, состоит в том, что смесь оксида серы (IV) и паров воды, полученная сжиганием сероводорода в токе воздуха, подается без разделения на контактирование, где оксид серы (IV) окисляется на твердом ванадиевом катализаторе до оксида серы (VI). Затем газовая смесь охлаждается в конденсаторе, где пары образующейся серной кислоты превращаются в жидкий продукт.

Таким образом, в отличие от методов производства серной кислоты из колчедана и серы, в процессе мокрого катализа отсутствует специальная стадия абсорбции оксида серы (VI) и весь процесс включает только три последовательные стадии:

1. Сжигание сероводорода:

Н₂S + 1,5О₂ = SО₂ + Н₂О

с образованием смеси оксида серы (IV) и паров воды эквимолекулярного состава (1 : 1).

2. Окисление оксида серы (IV) до оксида серы (VI):

SО₂+ 0,5О₂ <=> SО₃

с сохранением эквимолекулярности состава смеси оксида серы (IV) и паров воды (1 : 1).

3. Конденсация паров и образование серной кислоты:

SО₃ + Н₂О <=> Н₂SО₄

таким образом, процесс мокрого катализа описывается суммарным уравнением:

Н₂S + 2О₂ = Н₂SО₄

Существует схема получения серной кислоты при повышенном давлении. Влияние давления на скорость процесса возможно оценить в кинетической области, где практически отсутствует влияние физических факторов. Повышение давления влияет как на скорость процесса, так и на состояние равновесия. Скорость реакции и выход продукта с повышением давления увеличиваются за счет повышения действующих концентраций SO₂ и О₂ и увеличения движущей силы процесса. Но при увеличении давления так же возрастают производственные затраты на сжатие инертного азота. Так же увеличивается температура в контактном аппарате, т.к. при высоком давлении и невысокой температуре значение константы равновесия мало, по сравнению со схемой под атмосферным давлением.

Большие масштабы производства серной кислоты особенно остро ставят проблему его совершенствования. Здесь можно выделить следующие основные направления:

1. Расширение сырьевой базы за счет использования отходящих газов котельных теплоэлектроцентралей и различных производств.

2. Повышение единичной мощности установок. Увеличение мощности в два-три раза снижает себестоимость продукции на 25 – 30%.

3. Интенсификация процесса обжига сырья путем использования кислорода или воздуха, обогащенного кислородом. Это уменьшает объем газа, проходящего через аппаратуру, и повышает ее производительность.

4. Повышение давления в процессе, что способствует увеличению интенсивности работы основной аппаратуры.

5. Применение новых катализаторов с повышенной активностью и низкой температурой зажигания.

6. Повышение концентрации оксида серы (IV) в печном газе, подаваемом на контактирования.

7. Внедрение реакторов кипящего слоя на стадиях обжига сырья и контактирования.

8. Использование тепловых эффектов химических реакций на всех стадиях производства, в том числе, для выработки энергетического пара.

Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SО₂ в SО₃. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SО₂.

Для решения этой проблемы велось много различных исследований в различных областях: абсорбция SO₂, адсорбция, исследования в изменении конструкции контактного аппарата.

Существую различные конструкции контактных аппаратов:

- Контактный аппарат с одинарным контактированием: такой аппарат характеризуется невысокой степенью превращения диоксида серы в триоксид. Недостаток этого аппарата заключается в том, что газ, выходящий из контактного аппарата, имеет высокое содержание диоксида серы, что отрицательно сказывается с экологической точки зрения. Используя данный аппарат, отходящие газы необходимо очистить от SO₂. Для утилизации SO₂ существует много различных способов: абсорбция, адсорбция,…. Это, конечно, снижает количество выбросов SO₂ в атмосферу, но это увеличивает, в свою очередь, количество аппаратов в технологическом процессе, высокое содержание SO₂ в газе после контактного аппарата показывает низкую степень использования SO₂ , поэтому данные аппараты в производстве серной кислоты не используюися.

- Контактный аппарат с двойным контактированием: ДК позволяет достичь того же минимального содержания SO₂ в выхлопных газах, что и после химической очистки. Метод основан на известном принципе Ле-Шателье, согласно которому удаление одного из компонентов реакционной смеси сдвигает равновесие в сторону образования этого компонента. Сущность метода заключается в проведении процесса окисления диоксида серы с выделением триоксида серы в дополнительном абсорбере. Метод ДК позволяет перерабатывать концентрированные газы.

- Контактный аппарат с промежуточным охлаждением. Сущность метода заключается в том, что газ, поступающий в контактный аппарат, пройдя через слой катализатора, попадает в теплообменник, там газ охлаждается, затем поступает на следующий слой катализатора. Этот метод так же увеличивает степень использования SO₂ и содержание его в выхлопных газах.

5. Выбор катализатора

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 оС, 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 применятся в виде соединения SiO2, K и/или Cs, V в различных пропорциях. Такое соединение оказалось наиболее устойчивым к кислоте и наиболее стабильным. Во всем мире его более корректное названия "ванадий - содержащий". Такой катализатор разработан специально для работы с невысокими температурами, что приводит в меньшим выбросам в атмосферу. Кроме того - такой катализ дешевле нежели калий/ванадиевый. Обычные ванадиевые контактные массы представляют собой пористые гранулы, таблетки или кольца.

6. Обоснование способа производства

Получение серной кислоты из сероводорода (мокрый катализ) на Пермском нефтеперерабатывающем заводе является малотоннажным производством (65тыс. тонн в год). В основном, это производство создано для того, чтобы снизить выбросы серосодержащих газов и максимально перерабатывать сырье, которое в данном случае является отходом процесса гидроочистки нефти.

Помимо использования сероводорода, в процессе получения серной кислоты протекают 3 реакции:

Н₂S + 1,5О₂ = SО₂ + Н₂О

SО₂ + 0,5О₂ <=> SО₃

SО₃ + Н₂О <=> Н₂SО₄

Эти три реакции протекают с выделением значительного количества тепла, которое используется для различных нужд цеха производства серной кислоты и в различных целях предприятия: получение пара, который используется в данном производстве, получение пара высокого давления, который используют другие установки, подогрев воздуха, поступающий в котлы для сжигания сероводорода и в контактный аппарат.

 Преимущество получения серной кислоты из сероводорода заключается в том, что данный процесс максимально использует и сероводород, и диоксид серы, что в значительной мере снижает выбросы в атмосферу, при проведении процесса, состоящего из 3 реакций, используются невысокие температуры и атмосферное давление, что значительно снижает энергозатраты по сравнению со схемой, которая применяет высокое давление. С учетом того, что в результате технологического процесса выделяется большое количество тепла, процесс, благодаря этому, протекает автотермично.

7. Стадии и химизм процесса

Процесс получения серной кислоты методом "мокрого" катализа состоит из следующих основных стадий.

1. Получение сернистого ангидрида (SO₂) путем сжигания сероводородсодержащего газа по следующей реакции:

2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2 H₂O

2. Охлаждение дымовых газов и утилизация тепла реакции горения сероводорода в котле-утилизаторе с получением водяного пара.

3. Окисление сернистого ангидрида до серного ангидрида (SO₃) на ванадиевом катализаторе в контактном аппарате (конвертере) R-104 по следующей реакции:

2SO₂ + O₃ = 2 SO₃

4. Получение серной кислоты (H₂SO₄) путем конденсации в конденсаторе WSA У-109 по реакции:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

5. Для получения улучшенной серной кислоты (содержание окислов азота N₂O₃ менее 0,5 ppm) предусмотрена схема подачи гидразингидрата в поток серной кислоты, поступающей на участок концентрирования серной кислоты.

Гидразинсульфат, полученный при добавлении гидразина к серной кислоте, взаимодействует с нитрозилсернистой кислотой, обуславливающей содержание N₂О₃ в продуктовой кислоте:

4NOSO₃H + N₂H₄^·              H₂SO₄ 3N2 + 5H₂SO₄

Избыток гидразина окисляется с образованием элементарного азота:

N₂H₄^·H₂SO₄ + O₂           N2 +2H₂O + H₂SO₄

Химическийсостав серной кислоты выражается формулой H₂SO₄. Структурная формула серной кислоты выглядит следующим образом:

Относительная молекулярная масса серной кислоты - 98,08 кг/кмоль.

Безводная серная кислота содержит 100 % H₂SO₄ или 81,63 % SO₃ и 18,37 % мас. H₂O. Это бесцветная маслянистая жидкость не имеющая запаха с температурой кристаллизации 10,37 ºС. Температура кипения безводной серной кислоты при давлении 1,01·10⁵ Па (760 мм рт.ст.) составляет 298,2 ºС. Плотность при 20 ºС составляет 1830,5 кг/м³.

С водой и сернистым ангидридом серная кислота смешивается в любых пропорциях.

В процессе производства серной кислоты для окисления сернистого ангидрида в серный применяются ванадиевый катализатор. Он представляет собой пористое вещество, на которое нанесено активное комплексное соединение, содержащее пятиокись ванадия V₂O₅.

В данном случае применяется катализатор марки VK-WSA фирмы "Хальдор Топсе".

Температура зажигания катализатора 400-430 ºС. При температуре выше 620 ºС активность катализатора быстро снижается, т.к. при этом распадается активный комплекс, содержащий пятиокись ванадия (V₂O₅), а также разрушается структура носителя, что приводит к разрушению катализатора и образованию пыли.

Срок службы катализатора не менее 4 лет.

8. Термодинамический анализ

Расчет теплового эффекта реакции окисления SO₂ в SO₃:

2SO₂ + O₂ = 2 SO₃

кДж

Q=-ΔН=196,6 кДж

Реакция экзотермическая – протекает с выделением тепла.

ΔS=

ΔG=ΔH-TΔS=-196,6-298*17,66=-5459,28

Энергия Гиббса значительно меньше нуля. Это значит, что реакция термодинамически возможна.

Расчет теплового эффекта реакции конденсации SO₃:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

кДж

Q=-ΔН=174,26 кДж

Реакция экзотермическая- протекает с выделением тепла.

ΔS=Дж

ΔG=ΔH-TΔS=-174,26-298*-288,07=-86019,12

Энергия Гиббса значительно меньше нуля. Это значит, что реакция термодинамически возможна.

Таблица 1

Значения термодинамических величин

Таблица 2

Значения Кр для реакции окисления SO₂ при различных температурах

Вывод: реакция окисления SO₂ наиболее полно протекает при невысоких температурах. Из этого следует, реакцию окисления SO₂ целесообразно проводить при невысоких температурах. Повышение давления, по принципу Ле-Шателье, влияет положительно.

9. Кинетика процесса окисления диоксида серы

Константа скорости реакции: определяется из уравнения Аррениуса.

К=К₀*е^(-Еа/RT)=9,3*10⁵*е^{(-79000/430*8,31)}=0,13

Еа- энергия активации (79000Дж/моль)

R- газовая постоянная (8,31)

Е- температура

К₀ – предэкспоненциальный множитель (9,3*10⁵сек)

Расчет равновесной степени превращения

Таблица 3

Значения равновесной степени превращения при разных температурах

Таблица 4

Значения равновесной степени при различном содержании О2 и SO2 в газовой смеси

Исходя из полученных данных таблиц 3 и 4, можно сделать следующий вывод: с точки зрения равновесной степени превращения, процесс окисления диоксида серы нужно вести при низком содержании SO₂ в газовой смеси и при низких температурах.

Расчет времени контактирования газовой смеси в контактном аппарате

Для того, чтобы рассчитать время контактирования, разделим слой катализатора на 5 частей.

Таблица 5

Время контактирования газа на первом слое катализатора

τ = ∑Δτ =3,188 сек

Общее время контактирования на первом слое котализатораτ =3,188 сек.

Таблица 5

Время контактирования газа на втором слое катализатора

τ = ∑Δτ =6,38 сек

Расчет увеличения температуры

Т_к= Тн + λΔх=787,26 К

Т_н, Т_к –начальная и конечная температуры, К

 λ –коэффициент повышения температуры газа при изменении степени превращения на 1 % в адиабатических условиях

Δх – повышение степени превращения

10. Конденсация серной кислоты

Конденсация парой серной кислоты. В некоторых случаях, газ, используемый для получения серной кислоты, не содержит вредных примесей (мышьяка, фтора). Тогда экономически целесообразно не подвергать такой газ промывке в специальной аппаратуре, а передавать сразу на контактирование. Обычно его не подвергают также осушке, поэтому такой процесс называют мокрым катализом (например, получение серной кислоты из сероводорода). Газ, поступающий на стадию получения серной кислоты, содержит SO₃ и Н₂0, и образование серной кислоты происходит не в результате абсорбции серного ангидрида растворами кислоты, а вследствие образования паров H2SO4 и конденсации их в башне с насадкой или другой аппаратуре, предназначенной для этого процесса.

Процесс конденсации более интенсивен (идет с большой скоростью), чем процесс абсорбции. Кроме того, конденсация протекает при высокой температуре, что облегчает отвод и использование тепла.

При медленном охлаждении газа, содержащего SO3 и Н₂О, можно провести процесс конденсации паров серной кислоты без образования тумана. Однако скорость процесса при этом мала и часто экономически выгоднее вести охлаждение с большей скоростью, допуская образование некоторого количества тумана, а затем выделить этот туман из газовой смеси. Чтобы туман легче осаждался в фильтрах, процесс ведут при таких условиях, в которых образуются крупные капли. Этому соответствует невысокое значение возникающего пересыщения и более высокая температура орошающей кислоты, чем при обычном процессе абсорбции ("горячая" абсорбция).

Конденсация кислоты идет внутри стеклянных трубок, в которые поступает технологический газ, содержащий пары кислоты. Внутри стеклянных трубок расположены спирали, служащие в качестве центров для осаждения серной кислоты. На конце каждой трубки установлен патронный фильтр (каплеотбойник), предназначенный для улавливания тумана серной кислоты. Внешняя поверхность труб (межтрубное пространство) охлаждается атмосферным воздухом. Очищенный газ с остаточной концентрацией серной кислоты менее 20 ррм и температурой не более 120 градусов цельсия сбрасывается в дымовую трубу.

Около 35 % (масс.) серной кисло