Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Поглощение трехокиси серы серной кислотой — гетерогенный процесс. Первой его стадией является перенос молекул трехокиси серы к поверхности жидкой фазы. Далее, процесс протекает на поверхности и в объеме жидкой фазы. Протекает также реакция в газовой фазе между трехокисью серы и парами воды с образованием парообразной серной кислоты, которая конденсируется на поверхности жидкой фазы. При значительном пересыщении газовой фазы парами серной кислоты происходит ее конденсация в объеме, т. е. образуется туманообразная серная кислота, почти не улавливаемая поглощающими жидкостями. Поэтому для поглощения трехокиси серы нельзя применять воду или разбавленные водные растворы серной кислоты. Для того чтобы избежать образования тумана и добиться высокой степени связывания трехокиси серы, ее поглощают азеотропной смесью, содержащей 98,3% H2SO4 и 1,7% Н2О.
Давление паров воды над такой смесью ниже, чем над любым более разбавленным раствором. Над более концентрированными растворами давление паров серной кислоты выше.
Трехокись серы и водяной пар в газовой фазе реагируют почти мгновенно. Поглощение же трехокиси серы жидкостями протекает относительно медленно, и скорость его определяется в значительной степени скоростью переноса молекул SO3 к поверхности жидкой фазы. Скорость переноса возрастает с увеличением линейной скорости газа.
Скорость поглощения трехокиси серы зависит от концентрации кислоты. Максимальный коэффициент скорости поглощения достигается при применении 98,3%-ной кислоты. Понижение концентрации кислоты ведет к уменьшению коэффициента скорости поглощения. Скорость поглощения SО3 20%-ным олеумом значительно меньше, чем 98,3% -ной кислотой. С повышением температуры коэффициенты скорости поглощения уменьшаются.
Рис.1. Принципиальная схема получения серной кислоты контактным методом:
1-компрессор; 2-подаваемый пирит (FeS2)
2.2 Нитрозный способ
Процесс производства серной кислоты при помощи окислов азота включает ряд параллельно и последовательно протекающих реакций. Поэтому до рассмотрения отдельно протекающих реакций целесообразно ознакомиться с общим ходом процесса в современной башенной системе.
Общий ход процесса в башенной системе. На рис. 2 показана схема пятибашенной системы, применяемая при малой запыленности газа.
В производстве серной кислоты по нитрозному методу, в отличие от контактного, обжиговый газ не подвергается дополнительной очистке. В этом нет надобности, так как триокись мышьяка, селен и др. вредные примеси не влияют на течение процесса. Обжиговый газ поступает непосредственно из огарковых электрофильтров с температурой 350оС. Газ проходит последовательно через все пять башен. В первой, второй, четвертой, пятой башнях газ проходит снизу вверх противотоком с жидкостями, орошающими эти башни. Третья башня обычно не орошается. Все башни, кроме третьей, заполнены кольцевой насадкой.
Образование серной кислоты происходит в первой и второй башнях – продукционных. Третья башня – окислительная – предназначена для окисления окиси азота. В четвертых и пятых башнях (поглотительных) окислы азота поглощаются серной кислотой.
Впервой башне получается продукционная 75 %-ная так называемая башенная кислота. Часть вытекающей из башни кислоты после охлаждения в водяном холодильнике перекачивается на склад, часть же поступает на орошение пятой башни. В башенных системах можно производить так же купоросное масло(≈92%-ная серная кислота).
В пятой башне трехокись азота поглощается серной кислотой с образованием нитрозилсерной кислоты и воды:
N2O3 + 2H2SO4 → 2NOHSO4 + H2O + Q (1)
Нитрозилсерная кислота при пятой обыкновенной температуре – кристаллическое вещество белого цвета. Она хорошо растворяется в серной кислоте и в ее водных растворах. Раствор нитрозилсерной кислоты в водном растворе серной кислоты называется нитрозой. Содержание нитрозилсерной кислоты в растворе – так называемая нитрозность кислоты, условно выражается эквивалентным весовым содержанием азотной кислоты или трехокиси азота.
Вытекающая из пятой башни нитроза подается на орошение четвертой башни, где она еще более обогащается нитрозилсерной кислотой. Сюда же подается частично денитрованная кислота из второй башни.
Нитроза из четвертой башни направляется на орошение первой и второй продукционных башен. В этих башнях, в отличие от поглотительных, поддерживаются такие условия, при которых реакция (1) протекает в обратном направлении, т.е. происходит гидролиз нитрозилсерной кислоты с освобождением трехокиси азота:
2NOHSO4 + H2O → N2O3 + 2H2SO4 (1′)
Образование серной кислоты происходит преимущество в жидкой фазе в результате взаимодействия растворенных двуокиси серы и трехокиси азота, что может быть представлено следующими уравнениями:
SO2 + H2O → H2SO3 + Q (2)
N2O3 + H2O → 2HNO2 + Q (3)
H2SO3 + 2HNO2 → H2SO4 + 2NO + H2O + Q (4)
Небольшая часть двуокиси серы окисляется непосредственно в газовой фазе:
SO2 + NO2 → SO3 + NO (5)
и трехокись серы реагирует с водой:
SO3 + H2O → H2SO4 (6)
Образующая окись азота частично окисляется здесь же в башнях кислородом; высшие окислы азота вновь принимают участие в образовании серной кислоты.
Газ, выходящий из второй башни, содержит выделившиеся в газовую фазу окислы азота, преимущественно в виде NO. Необходимо, чтобы на входе в четвертую башню газ содержал окислы азота в степени окисления, соответствующей NO + NO2. Для этого и установлена окислительная башня, в которой протекают реакции:
2NO + O2 → 2NO2 + Q (7)
NO + NO2 → N2O3 + Q (8)
Образование серной кислоты, окисление окиси азота и поглощение окислов азота протекают с выделением значительного количества тепла. Обжиговый газ также приносит в систему много тепла. Для поддержания оптимального температурного режима необходим отвод тепла з башенной системы .Для этого вытекающие из башен кислоты охлаждают в водяных холодильниках.
Наряду с перемещением кислот из башни в башню осуществляется циркуляция их в башнях II, IV и V. Часть кислоты, вытекающей из башни, вновь подается после охлаждения на орошение той же башни. Благодаря этому удается поддерживать в башнях заданные температуры и полностью смачивать поверхность кольцевой насадки.
Транспортирование жидкостей в башенной системе осуществляется при помощи насосов. Тяга создается в системе вентилятором, установленным между четвертой и пятой башнями.
Физико – химические основы нитрозного процесса
Взаимодействия трехокиси азота и серной кислоты. При нитрозном процессе окислы азота все время соприкасаются с серной кислотой и взаимодействуют с ней.
Окись азота не реагирует с серной кислотой и мало растворима в ней, в нитрозах она растворяется несколько лучше. Двуокись азота реагирует с серной кислотой по схеме:
2NO2 + H2SO4 → HNO3 + NOHSO4 (9)
Если в газовой фазе наряду с двуокисью азота содержится также и окись азота, то очень быстро протекает реакция(8). Равновесные концентрации трехокиси азота в газовой фазе малы, однако скорость поглощения ее водными растворами серной кислоты значительно больше, чем двуокиси азота. В растворах серной кислоты, содержащих 73% H2SO4 и более, реакция(9) практически не протекает. Основной является реакция:
N2O3 + 2H2SO4 → 2NOHSO4 + H2O + Q (1)
При понижении температуры равновесие смещается вправо, при повышении – влево. Если для поглощения трехокиси азота применяется 75%-ная кислота или близкая к ней по концентрации, то равновесие почти полностью смещается вправо при понижении температуры до 30-40. При повышении же температуры до 80-100 давление окислов азота над нитрозой возрастает в 10 и более раз.
Состояние равновесия зависит от концентрации водного раствора серной кислоты, применяемого для поглощения окислов азота*. Вода является одним из продуктов реакции, поэтому с повышением ее содержания в исходном водном растворе серной кислоты равновесие смещается в левую сторону. Концентрированные растворы серной кислоты лучше поглощают трехокись азота.
С повышением содержания нитрозилсерной кислоты в нитрозе возрастает давление оксидов азота. Оно приблизительно прямо пропорционально содержанию нитрозилсерной кислоты.
Таким образом, для того чтобы сместить равновесие в сторону образования нитрозилсерной кислоты, нужно вести поглощение окислов азота при более низких температурах, применяя более концентрированную серную кислоту минимальной нитризности. Для достижения более полного поглощения окислов на орошение пятой башни должна подаваться малонитрозная кислота. Что касается концентрации серной кислоты, то при условии, что на орошение пятой башни подается продукционная кислота из первой башни, не представляется возможным использовать этот фактор для смещения равновесия. В башенной системе циркулирует 75 – 77 %-ная кислота.
Растворение в нитрозе азотной кислоты резко повышает давление окислов азота.
Нитрозилсерная кислота не реагирует с двуокисью серы, и участие ее в процессе образования серной кислоты возможно только в результате гидролиза.
Взаимодействие трехокиси азота с серной кислотой является гетерогенным процессом, скорость которого в зависимости от условий определяется скоростью химической реакции или скоростью диффузии реагентов через пограничные пленки. Скорость переноса молекул из объема газа к поверхности жидкой фазы растет с увеличением до некоторого предела линейной скорости газового потока. При дальнейшем увеличении скорости газового потока скорость переноса остается неизменной. Например, для 75%-ной кислоты при 20-60 изменение скорости тока газа влияет на скорость поглощения трехокиси азота только при скорости менее 0,5м/сек. Очевидно, при этих условиях скорости переноса и химической реакции становятся близкими по величине.
С повышением концентрации раствора серной кислоты скорость поглощения трехокиси азота растет. Коэффициент скорости поглощения сохраняет приблизительно постоянное значение при возрастании нитрозности кислоты до2,5% N2O3. Так как давление окислов азота над нитрозой при низких температурах очень мало, последнюю поглотительную башню можно орошать кислотой с некоторым содержанием трехокиси азота ( до 0,5% N2O3 ).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это и тем, что она самая дешевая из всех кислот, а также ее свойствами. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот, в широком диапазоне температур (от – 40-20 ºС до 260-336,5 ºС) находится в жидком состоянии. Области применения серной кислоты чрезвычайно обширны. Существенная ее часть используется как полупродукт в различных отраслях химической промышленности, прежде всего для получения минеральных удобрений, а также солей, кислот, взрывчатых веществ. Серная кислота применяется и при производстве красителей, химических волокон, в металлургической, текстильной, пищевой промышленности и т. д.
В производстве H2SO4 соблюдены основные направления развития химической промышленности:
1. Технология малоотходная – переход сырья в целевой продукт достигает 99,9 %.
2. Энергосберегающее, так как процесс обеспечивает сам свое энергосбережение.
Эта химическая технология обладает рядом функций:
1. Рациональное использование сырья и энергии.
2. Масштабность и дешевизна.
Поскольку процесс непрерывен, он обладает рядом достоинств:
1. Большое количество продукта с 1 объема аппарата – высокая интенсивность процесса.
2. Исключение потерь тепла из-за термодинамичности – нагрев – охлаждение.
3. Легкость автоматизации.
Также процесс учитывает основные принципы химической технологии:
1. Наибольшая интенсивность процесса;
2. Наилучшее использование сырья;
3. Наибольшее использование энергии.
ВЫВОД: процесс экономичен, многотоннажен, прост, эффективен,
Хорошо отработан в производстве.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.С.И. Вольфкович, В.В. Егоров, Д.А. Эпштейн. Общая химическая технология. - Ленинград «Государственное научно-техническое издательство химической литературы», Том 2., 1953. – 633 с.
2. Учебник для химико-технологических специальностей ВУЗов под редакцией проф. И.П. Мухленова. Общая химическая технология. Часть 2 « Важнейшие химические производства» - М., 1984. – 288 с.
3. А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. Общая химическая технология. Издание второе исправленное и дополненное. – М. «Высшая школа»,1990. – 520 с.
4. Н.Л. Глинка. Общая химия. – 30-е изд., испр. - М., 2003. – 728 с.
5.Амелин А.Г., Яшке Е.В. Производство серной кислоты. – 2-е изд. – М.,1980. – 245 с.