Общая схема сернокислотного производства

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:

S⁰

Fе[S₂]^-2 1 2

Н₂S ^–2 [ S⁺⁴ ] [S⁺⁶],

₊₄

SО₂

1 –стадия получения печного газа (оксида серы (4)),

2 – стадия каталитического окисления оксида серы (4) до оксида серы (6) 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 схема производства серной кислоты может быть выражена 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 (4), наличия или отсутствия стадий абсорбции оксида серы (6).

Химическая и принципиальная схема производства.

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

– окисление дисульфида железа пиритного концентрата кислородом воздуха:

4FеS₂ +11О₂ = 2Fе₂О₃ + 8 SО₂,

– каталитическое окисление оксида серы (4) избытком кислорода печного газа:

2SО₂ + О₂ = 2SО₃,

– абсорбцию оксида серы (6) с образованием серной кислоты:

SО₃ +Н₂О =Н₂SО₄

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

Принципиальная схема этого производства представлена на рисунке.

1 – получение обжигового газа: 1 – обжиг колчедана, 2 – охлаждение газа в котле-утилизаторе, 3- общая очистка газа, 4 – специальная очистка газа; 11 – контактирование: 5 – подогрев газа в теплообменнике, 6 – контактирование; 111 – абсорбция: 7 –абсорбция оксида серы (6) и образование серной кислоты.

 

пирит 1 вода 11 111

 

 

абсорбент воздух пар хвостовые

газы

огарок

Н₂SО₄

 

Производство сернистого газа.

Сернистый ангидрид SО₂ – это бесцветный газ, в 2.3 раза тяжелее воздуха, с резким запахом. При растворении в воде образуется слабая и нестойкая сернистая кислота

SО₂ +Н₂О = Н₂SО₃

Рассмотрим производство сернистого газа обжигом основного сырья – колчедана и затем сжиганием серы.

Окислительный обжиг колчедана.

Обжиг колчедана в токе воздуха представляет необратимый некаталитический гетерогенный процесс, протекающий с выделением тепла через стадии термической диссоциации дисульфида железа:

2FеS₂ = 2FеS+ S₂ и окисления продуктов диссоциации:

S₂ +2О₂ = 2SО₂, 4FеS +7О₂ = 2Fе₂О₃ +4 SО₂,

что описывается общим уравнением:

4FеS₂ + 11 О₂ = 2Fе₂О₃ + 8SО₂ – ΔH,

где ΔH = 3400 кДж.

Скорость процесса окислительного обжига выражается общим для гетерогенных процессов уравнением:

U = dm/ dτ = К_мFΔС.

где: К_м - коэффициент массопередачи.

F – поверхность контакта фаз (катализатора),

ΔС – движущая сила процесса.

Таким образом, скорость процесса обжига зависит от температуры (через Км), дисперсности обжигаемого колчедана (через F), концентрации дисульфида железа в колчедане и концентрации кислорода в воздухе (через ΔС).

На рисунке представлена зависимость скорости обжига колчедана от температуры (а) и размеров частиц обжигаемого колчедана (б)

 

U U

 

Т диаметр частиц

а б

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 1000⁰С. т.к. за этим пределом начинается спекание частиц.

В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС). Печи кипящего слоя отличаются высокой интенсивностью (до 10000кг/м² *сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа. Недостаток - повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку.

В н.в. печи КС полностью вытеснили печи других типов в производстве серной кислоты из колчедана.

Продукты окислительного обжига колчедана – обжиговый газ и огарок, состоящий из оксида железа (3), пустой породы и невыгоревшего остатка дисульфида железа. В состав обжигового газа входят оксид серы (4), кислород, азот и незначительное количество оксида серы (6), образовавшегося за счет каталитического действия оксида железа(3). На практике печной газ содержит 13 –14% оксида серы (4), 2% кислорода, и около 0.1%оксида серы (6). Т. к. в печном газе должен быть избыток кислорода для последующего окисления оксида серы (4), его состав корректируют, разбавляя воздухом до содержания оксида серы(4) 7 –9% и кислорода 9-11%.

Очистка обжигового газа.

Обжиговый газ необходимо очистить от пыли, сернокислотного тумана и веществ, являющихся каталитическими ядами или представляющими 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.

Пыль и сернокислотный туман удаляют из обжигового газа в процессе общей очистки газа, которая включает операции механической (грубой) и электрической тонкой) очистки. Механическую очистку газа осуществляют пропусканием газа через центробежные пылеуловители (циклоны) и волокнистые фильтры, снижающие содержание пыли в газе до 10–20 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 утилизируются. В специальную очистку газа входят операции охлаждения его до температуры ниже температур плавления оксида мышьяка и селена в башнях, орошаемых последовательно 50% и 20% серной кислотой, удаления сернокислотного тумана в мокрых электрофильтрах и завершающей осушки газа в скрубберах, орошаемых последовательно 95% серной кислотой. Из системы специальной очистки газ выходит с температурой 140⁰С.