Проект организации производства серной кислоты

Внешний вид: тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха.

 

Физические и физико-химические свойства

Молекулярная масса: 98,082 г/моль.

Очень сильная двухосновная кислота, при 18°C pKa1 -2,8, К2 1,2 102, pKa2 1,92;

При кипении образуется азеотропную смесь (98,3% H2SO4 и 1,7% H2O, T кипения = 338,8°C).

Серная  кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H2SO4, имеет состав (%): H2SO4 99,5, HSO4− — 0,18, H3SO4+ — 0,14, H3O+ — 0,09, H2S2O7, — 0,04, HS2O7⁻ — 0,05.

Серная кислота смешивается с водой и SO3, во всех соотношениях. В водных растворах практически полностью диссоциирует на H+, HSO4-, и SO42. Образует гидраты H2SO4∙nH2O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

 

Химические свойства

Серная кислота — сильный окислитель, особенно при нагревании и в концентрированном виде; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов, углерод до CO₂, S — до SO₂, окисляет многие металлы (Cu, Hg и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO₂, а наиболее сильными восстановителями — до S и H₂S. Концентрированная H₂SO₄частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H₂SO₄ взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением. Окислительные свойства для разбавленной H₂SO₄ нехарактерны. Серная кислота образует два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H₂SO₅ и пероксодисерная H₂S₂O₈ кислоты.

Серная кислота реагирует также  с основными оксидами, образуя  сульфат и воду:

На металлообрабатывающих заводах  раствор серной кислоты применяют  для удаления слоя окисла металла  с поверхности металлических  изделий, подвергающихся в процессе изготовления сильному нагреванию. Так, окисел железа удаляется с поверхности  листового железа действием нагретого  раствора серной кислоты:

 

 

Технические условия  ГОСТ 2184-77

 

Так, кислота  серная техническая и олеум технический (ГОСТ 2184-77) применяются в производстве различных солей, кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, в качестве водоотнимающего и осушающего средства, в процессах нейтрализации, травления и многих других. Эти продукты не горючи и относятся к веществам 2-го класса токсичности.

 

 

 

2. Технологический метод производства серной кислоты

 

Исходными реагентами для получения серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы.

Традиционно основными источниками сырья  являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты получают из серы, треть – из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

В то же время отходящие газы – наиболее дешевое сырье, низки оптовые  цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является сера. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана  или отходящих газов.

Получение серной кислоты включает несколько  этапов.

- Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья (необходимость в этой стадии отпадает при использовании в качестве сырья отходящих газов, так как в этом случае обжиг сульфидов является одной изстадий других технологических процессов).

- Следующий этап – превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Этот окислительный процесс характеризуется очень высоким значением энергии активации, для понижения которой необходимо, как правило применение катализаторов. В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO2 в SO3, различают два основных метода получения серной кислоты.

• В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO2 в SO3 проводят на твердых катализаторах.

- Третий  этап -  абсорбции триоксида серы (триоксид серы переводят в серную кислоту)

• При проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.

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

 

Ниже  представлена схема производства серной кислоты контактным методом из колчедана.

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

 

 

Технологическая схема производства серной кислоты контактным методом из колчедана

 

Перечень  основного технологического оборудования:

1 – сухой  электрофильтр;

2 – первая  промывная башня;

3 – вторя  промывная башня;

4 – мокрые  электрофильтры;

5 – увлажнительная  башня;

6 – сушильная  башня;

7 – брызгоуловители;

8 – газодувка (нагнетатель газа);

9 – теплообменник;

10 – контактный  аппарат;

11 – экономайзер;

12 – олеумный абсорбер;

13 – моногидратный абсорбер;

14 – оросительные  холодильники;

15 – трубчатые  холодильники;

16 – сборники  кислоты

 

 

Принципиальная (структурная) схема этого производства представлена на рис. 1:

 

Рис. 1 Структурная  схема производства серной кислоты  из флотационного колчедана методом  одинарного контактирования.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчетно-аналитическая часть
1. Расчет потребности в основном технологическом оборудовании для выполнения производственной программы

 

Необходимо рассчитать требуемое  к установке количество основного  обородувания на каждой стадии технологического процесса:

1) Эффективный  фонд времени работы оборудования  в среднем за год (Т_эф) рассчитывается по формуле:  

    , где:

Т_ном – номинальный (режимный) фонд времени работы оборудования за год (8640 ч.);

       - время простоя оборудования в ремонтах в среднем за год в течение ремонтного цикла.

2) Расчетное  количество ремонтов к - го типа ( ) в течение ремонтного цикла (РЦ) определяется на основе данных о продолжительности ремонтного цикла ( ) и пробега между двумя смежными ремонтами одного типа ( ) для каждого вида оборудования, представленных в табл. 1, по следующей формуле:

_.

3) При  этом следует учитывать, что  при проведении более трудоемкого  ремонта предусматривается проведение  всех более мелких ремонтов. Так,  при проведении капитального (К)  ремонта проводятся и средний  (С), и текущий (Т) ремонты. Таким  образом, например, общее количество  планируемых текущих ремонтов ( ) в течение ремонтного цикла, не совмещенных с проведением более крупных ремонтов может быть рассчитано следующим образом:

   ; где: 

 - количество планируемых средних  ремонтов, не совмещенных с капитальным  ремонтом, в течение ремонтного  цикла;

1 – количество  капитальных ремонтов в межремонтном  цикле.

При этом, исходя из имеющихся данных о нормативной  продолжительности ремонтов, необходимо правильно рассчитать суммарную  продолжительность простоя оборудования в ремонтах.

4) В связи  с тем, что производственная  программа задается на год,  а ремонтный цикл, как правило,  охватывает более длительный  период, то необходимо в начале рассчитать суммарную продолжительность простоев каждой единицы оборудования в ремонтах в течение всего ремонтного цикла, а затем среднюю продолжительность ремонтов в год в рамках ремонтного цикла:

где:   – продолжительность ремонта к-го типа (час),

m – продолжительность ремонтного цикла (лет).

 

Выполняем расчеты для контактного аппарата К-39-4:

n_{расч,рем,тек} = 34560 / 720 = 48, n_{пл,рем,тек} = 48 – 1 – 1 = 46

n_{расч,рем,ср} = 34560 / 17280 = 2, n_{пл,рем,ср} = 2 – 1 = 1

m = 34560 / 8640 = 4 года

Т_ппр = ( 46 * 8 + 96 + 600 ) =1064 час

Т_ср,ппр = 1064 / 4 = 266 час

Т_ср,эф = 8640 – 266 = 8374 час

Такие же расчеты выполняем для каждого  вида оборудования. Расчетные данные занесены в таблицу 4.

Таблица 4.

Наименование оборудования	Тип оборудования	Кол-во расчетных ремонтов в год			Кол-во планируемых ремонтов в год			Тппр, час	Тппр ср, час	Тэф. ср.
		Т	С	К	Т	С	К
Контактный аппарат	К-39-4	48	2	1	46	1	1	1064	266	8374
Печь для сжигания серы	КС-200	48	2	1	46	1	1	1572	393	8247
Промывная башня (брызгоулавливатель)	ПБ	48	4	1	44	3	1	1968	492	8148
Сушильная башня	СБ	48	4	1	44	3	1	1000	250	8390
Абсорбер для кислоты технической	АТ	120	5	1	115	4	1	2000	200	8440
Абсорбер для кислоты реактивной	АР	8	2	1	6	1	1	216	108	8532

 

 

5) Расчет  требуемого количества оборудования  j-го типа для выполнения производственной программы (В_год) может производиться по следующей формуле:

где:   - расчетное количество оборудования j-го типа,

N_j – часовая производительность единицы оборудования j-го типа,

- эффективный фонд времени  работы оборудования j-го типа в среднем за год в течение межремонтного цикла.

6) В связи  с тем, что расчетное количество  единиц оборудования, как правило,  не равно целому числу, то  количество единиц оборудования, принимаемого к установке (n_уст), следует рассчитывать путем округления расчетного количества оборудования до целого числа в большую сторону.

В случаях, когда расчетное число единиц оборудования ненамного превышает  целое число (до 0,15), следует при  разработке организационно- технических  мероприятий предусматривать возможность  изыскания резервов, направленных на повышение производительности рассчитываемого  оборудования.

Согласно производственной программе планируется выпускать два вида серной кислоты: техническую (с содержанием моногидрата 92,5%) и реактивную (с содержанием моногидрата 94%).

Технической кислоты планируется выпустить 15000 тонн в год, а реактивной 27500 тонн в год.

Пересчитаем эти данные на 100% моногидрата:

15 000*92,5/100=13 875 тонн (серная кислота техническая)

27 500* 94/100= 25 850 тонн (серная кислота реактивная)

13 875 + 25 850= 39 725 тонн в год планируется выпустить ( в пересчете на 100% моногидрат H₂SO₄).

 

Таким образом, необходимое количество оборудования:

 

=39 725/2,92*8 374 =1,6

=1,6 → = 2

=39 725/ 5,79*8 247 = 0,83

=0,83→ = 1

=39 725/ 3,45*8 148 = 1,4

=1,4 → = 2

=39 725/ 3,45*8 390 = 1,37

=1,37 → = 2

=13 875/ 3,45*8 440 = 0,47

=0,47 → =1

=25 850/ 0,14*8 532 = 21,64

=21,64→ = 22.

Таблица 5.

Условный график ППР основного технологического оборудования

Наименование  оборудования

Остановы оборудования для проведения ремонтов

1-й год РЦ

2-й год РЦ

3-й год РЦ

4-й (последний) год РЦ

I

II

III

IU

I

II

III

IU

I

II

III

IU

I

II

III

IU

Контактный аппарат К-39-4

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

2Т К

Печь для сжигания серы: КС-200

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

3Т

2Т К

Промывная башня (брызгоулавливатель)

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

2Т К

Сушильная башня

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

2Т С

3Т

3Т

3Т

2Т К