Разработка технологии получения серной кислоты обжигом серного колчедана

Разработка технологии получения серной кислоты обжигом серного колчедана

Разработка технологии получения серной кислоты обжигом серного колчедана

Содержание

Введение

. Серная кислота: применение, свойства, получение (Литературный обзор)

.1 Применение серной кислоты и олеума

.2 Физические свойства серной кислоты

.3 Химические свойства концентрированной серной кислоты

.4 Химические свойства разбавленной серной кислоты

.5 Получение серной кислоты

.5.1 Сырье для производства серной кислоты

.5.1.1 Железный колчедан

.5.1.2 Сера

.5.1.3 Сероводород

.5.2 Этапы получения серной кислоты

.5.3 Методы получения серной кислоты

.5.3.1 Нитрозный метод

.5.3.2 Контактный метод

.5.4 Производство серной кислоты из серы

.5.5 Производство серной кислоты из железного колчедана

.5.6 Производство серной кислоты из сероводорода

. Разработка принципиальной технологической схемы производства серной кислоты со схемой КиП и А

.1 Описание разработанной технологической схемы

.2 Контроль и автоматика технологического процесса

.2.1 Выбор средств автоматизации

.2.2 Описание приборов и запорно-регулирующей арматуры

. Расчет технологических параметров производства серной кислоты

.1 Материальный баланс

.1.1 Расчет материального баланса

.1.2 Расчет расходного коэффициента

.1.3 Расчет выхода диоксида серы

.1.4 Расчет выхода огарка

.2 Основные параметры работы гидравлических машин

.2.1 Насосы в химических технологиях

.2.2 Расчет насоса

. Разработка мероприятий по безопасности труда и охране окружающей среды

.1 Действие опасных и вредных факторов на организм

.2 Токсические свойства и воздействие на окружающую среду образующихся вредных веществ

.3 Основные требования к упаковке, транспортировке и хранению серной кислоты

.4 Предложения по уменьшению количества выбросов вредных веществ в окружающую среду

Выводы

Список литературы

Приложение

Введение

Актуальность работы. Серная кислота - важнейший продукт основой химической промышленности. Среди минеральных кислот она по объему производства и потребления занимает первое место, поэтому изучение свойств и методов получения серной кислоты весьма актуально.

Серную кислоту применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не корродирует черные металлы, способна образовывать многочисленные устойчивые соли и является дешевым сырьем для различных производств.

Крупнейшим потребителем серной кислоты в настоящее время является промышленность фосфорных и азотных минеральных удобрений, таких как сульфат аммония, аммофос, суперфосфат и др. Простой суперфосфат получают обработкой апатитов и фосфоритов серной кислотой. Применение минеральных удобрений способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур и содержания в них полезных веществ.

Кроме того, серная кислота применяется для производства некоторых кислот (фосфорной, соляной, уксусной), сульфатов, искусственных волокон, лаков, красок, пластмасс, моющих средств, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, ядохимикатов, а также при производстве цветных и редких металлов, спиртов, эфиров. Она расходуется на очистку нефтепродуктов, в качестве электролита в кислотных аккумуляторах, в машиностроении - на подготовку поверхности металлов при нанесении гальванических покрытий. В металлообрабатывающей промышленности серная кислота и ее соли применяют для травления стальных изделий [5].

Цель работы - разработать технологическую схему производства серной кислоты обжигом серного колчедана.

Основные задачи данной работы:

Обосновать выбранную технологическую схему получения серной кислоты;

Разработать технологическую схему производства серной кислоты;

Выполнить расчет и составить таблицу материального баланса обжига серного колчедана;

Рассчитать технологические показатели процесса;

Разработать мероприятия по безопасности труда и охране окружающей среды.

Экономические аспекты. Развитие человечества в прошлом веке было ориентировано на быстрое развитие экономики, что привело к беспрецедентному по масштабам вредному воздействию на биосферу. Возникли противоречия между возраставшими потребностями мирового сообщества и ограниченными возможностями биосферы по их удовлетворению. Устранение возникших противоречий и дальнейшее улучшение качества жизни людей возможно только в рамках стабильного социально-экономического развития, не нарушающего механизм саморегуляции природы. Именно осознание необходимости адаптации экономического развития к природным закономерностям требует скорейшего перехода к новому экологически оптимизированному типу производства и потребления. Несмотря на это, в настоящее время в большинстве стран независимо от типа экономической системы сложился природоемкий тип производства, основанный на использовании природных ресурсов без учета экологических ограничений [14].

Серная кислота, используемая практически во всех отраслях промышленности, является своеобразным индикатором экономического развития в стране. Количество производимой серной кислоты показывает уровень развития государства. В условиях непрерывно возрастающих потребностей общества мировое производство серной кислоты за последние 25 - 30 лет выросло более чем в 3 раза, составляя в настоящее время более 160 млн.т в год. Индустриально развитые страны производят серной кислоты больше, чем каких-либо других химикатов. Почти треть этого количества уходит на производство удобрений [8].

Несмотря на увеличение объема сернокислотного производства, в последнее десятилетие в России сложилась критическая ситуация в вопросах применения минеральных удобрений и плодородия почв. Использование удобрений в сельском хозяйстве с 1990 года снизилось более чем в 10 раз. Для обеспечения продовольственной безопасности необходимо иметь столько удобрений, сколько позволило бы обеспечить сбор зерновых на уровне 600 - 1000 кг на одного человека. В последние годы темпы роста производства удобрений несколько снизились. Так, в 1999 г. рост составил 23,3 %, в 2000 г. - 6,5, а в 2001 г. - всего 3,6 % [9].

Социально-политические аспекты. Экономический рост начала 21 века характеризуется ведущей ролью научно-технического прогресса и интеллектуализацией всего процесса промышленного развития. В связи с этим одной из важнейших задач руководящих органов России на ближайшие годы должна быть поддержка процесса перевода высокотехнологичных и перспективных научных разработок в области химии и химической технологии в конкурентоспособную наукоемкую продукцию.

В настоящее время научно-технические достижения России не оказывают существенного влияния на изменение технологического уклада химической индустрии. Так, доля производства прогрессивных материалов ниже, чем в развитых капиталистических странах в 2-3 раза, качество около 70% отечественной химической продукции не отвечает требованиям мировых стандартов, доля продукции, выпускаемой по устаревшим технологиям, составляет около 60%, что приводит к дополнительным издержкам производства и ухудшению уровня экологической безопасности. Такое состояние технического уровня привело к падению эффективности и конкурентоспособности химической продукции.

Стабильность развития отрасли, в конечном итоге, зависит как от стабильности развития экономики региона в целом, так и от государственного регулирования развития отрасли. На раннем этапе государственная поддержка развития данного комплекса должна быть сведена к разработке целевой программы развития химического и нефтехимического комплекса, которая бы в полной мере учитывала современные тенденции развития региональной экономики, специфику и важнейшие факторы развития отрасли в начале XXI века [11].

Аспект охраны окружающей среды. Основные положения государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития являются основой для конструктивного взаимодействия органов государственной власти Российской Федерации и ее субъектов, органов местного самоуправления, предпринимателей и общественных объединений по обеспечению комплексного решения проблем сбалансированного развития экономики и улучшения состояния окружающей среды.

Осуществление государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития предусматривает реализацию закрепленного в Конституции Российской Федерации права граждан на благоприятную окружающую среду, прав будущих поколений на пользование природно-ресурсным потенциалом в целях поддержания устойчивого развития, а также решение текущих социально-экономических задач в неразрывной связи с осуществлением адекватных мер по защите и улучшению окружающей среды, сбережению и восстановлению природных ресурсов.

.Обеспечение экологически безопасного устойчивого развития в условиях рыночных отношений.

.Охрана среды обитания человека.

.Оздоровление (восстановление) нарушенных экосистем в экологически неблагополучных регионах России.

.Участие в решении глобальных экологических проблем.

Этические аспекты. Назревший еще на пороге третьего тысячелетия глобальный экологический кризис современной технологической цивилизации вынуждает человечество создать систему непрерывного экологического воспитания и образования, результатом которых являлось бы формирование экологического мышления - способности оценивать результаты своей деятельности с точки зрения воздействия на природу. При этом должны оцениваться и отдаленные последствия этого воздействия, сказывающиеся на последующих поколениях.

Экологическая нравственность и экологическая этика будущих поколений формируется сегодня. В настоящее время происходит формирование и экологической культуры, которая, по определению Н.Ф. Реймерса, является составной частью развития общемировой культуры, характеризуемой острым, глубоким и всеобщим осознанием насущной важности экологических проблем в жизни и будущем развитии человечества.

Руководствуясь современными знаниями о науке и технике, экологическая культура должна способствовать гармоничному существованию антропогенных и природных экосистем [14].

В последние годы во многих развитых странах произошла экологизация морального сознания, изменились ценностные ориентации; была создана такая система ценностей, в которую вошли как социальные, так и природные элементы. Природа в этом случае получила статус самостоятельной ценности в силу ее уникальности, единственности и неповторимости.

1. Серная кислота: применение, свойства, получение (Литературный обзор)

.1 Применение серной кислоты и олеума

Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений (30 - 60%), производстве красителей (2 - 16%), химических волокон (5 - 15%), в металлургии (2 - 3%). Она применяется для различных технологических целей в текстильной, пищевой и других отраслях промышленности и народного хозяйства (рисунок 1.1) [13].

Рисунок 1.1 - Применение серной кислоты

.2 Физические свойства серной кислоты

Безводная серная кислота - бесцветная тяжелая, маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, способная вызывать ожоги кожи. Плотность при 20°С 1,84 г/см3. Температура кристаллизации 10,37°С. Температура кипения моногидрата 296,2°С. При нагревании выше температуры кипения начинает разлагаться:

H2SO4 → SO3 + H2O

Смешивается с водой и SO3 во всех соотношениях, образуя гидраты H2SO4·nH2O, где n = 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Вследствие образования гидратов при разбавлении водой происходит сильное разогревание серной кислоты.

Температура кипения серной кислоты зависит от ее концентрации. С повышением концентрации водной серной кислоты температура кипения ее возрастает и достигает максимума 336,5°С при концентрации 98,3%, что соответствует азеотропному составу, после чего снижается (таблица 1.1) [1].

Таблица 1.1

.3 Химические свойства концентрированной серной кислоты

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Окисляет HI и частично НВг до свободных галогенов, углерод - до СО2, S - до SO2, окисляет многие металлы. Проведение окислительно-восстановтельных реакций с участием H2SO4 обычно требует нагревания. Часто продуктом восстановления является SO2:

+ 2 H2SO4 = 3SO2 ↑+ 2H2O+ 2 H2SO4 = 2SO2 ↑+ CO2 ↑+ 2H2OS + H2SO4 = SO2 ↑+ 2H2O + S↓

Сильные восстановители превращают H2SO4 в S или H2S.

Концентрированная серная кислота при нагревании реагирует почти со всеми металлами (исключая Au, Pt, Be, Bi, Fe, Mg, Co, Ru, Rh, Os, Ir), например:

+ 2 H2SO4 = CuSO4 + SO2 ↑+ 2H2O

Серная кислота образует соли - сульфаты (Na2SO4) и гидросульфаты (NaHSO4). Нерастворимы соли - PbSO4, CaSO4, BaSO4 и др.:SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2HCl

Холодная серная кислота пассивирует железо, поэтому ее перевозят в железной таре. Безводная серная кислота хорошо растворяет SO3 и реагирует с ним, образуя пиросерную кислоту, получающуюся по реакции:

Н2SO4 + SO3=H2S2O7

Растворы SO3 в серной кислоте называются олеумом. Они образуют два соединения: H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3 [5].

.4 Химические свойства разбавленной серной кислоты

Окислительные свойства для разбавленной серной кислоты нехарактерны. Разбавленная серная кислота обладает химическими свойствами, характерными для всех кислот: взаимодействует с основаниями, с основными и амфотерными оксидами, с солями:

SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2OSO4 + CaO = Ca SO4 + H2OSO4 + СaCO3 = Ca SO4 + CO2 ↑+ H2O

При взаимодействии разбавленной серной кислоты с металлами, стоящими в ряду стандартных электродных потенциалов левее водорода, образуются соли серной кислоты (сульфаты) и выделяется водород:

+ H2SO4 = ZnSO4 + H2↑

Свинец не растворяется в разбавленной серной кислоте вследствие образования на его поверхности нерастворимого сульфата свинца [6].

.5 Получение серной кислоты

.5.1 Сырье для производства серной кислоты

В качестве сырья для производства серной кислоты применяют элементарную серу, серный колчедан, серосодержащие промышленные отходы.

Серный колчедан содержит от 35 до 50% серы. Совместно с серным колчеданом часто залегают сульфидные руды, которые подвергаются обжигу, в результате чего образуется значительное количество сернистых газов. Их так же целесообразно использовать для производства серной кислоты.

В последнее время в качестве сернокислотного сырья используют сероводородные газы, образующиеся при переработке нефти, коксовании углей, а также получаемые при очистке природного газа.

Наиболее удобным сырьем сернокислотного производства является сера, выделяемая из самородных руд или из побочных продуктов ряда производств (газовая сера). Однако стоимость серы значительно выше, чем колчедана; кроме того, сера необходима для производства резины, спичек, сероуглерода, ядохимикатов, лекарственных препаратов и т.д. [7].

1.5.1.1 Железный колчедан

Природный железный колчедан представляет собой сложную породу, состоящую из сульфида железа FeS2, сульфидов других металлов (меди, цинка, свинца, никеля, кобальта и др.), карбонатов металлов и пустой породы. На территории РФ существуют залежи колчедана, на Урале и Кавказе, где его добывают в рудниках в виде рядового колчедана.

Процесс подготовки рядового колчедана к производству ставит целью извлечение из него ценных цветных металлов и повышение концентрации дисульфида железа. Увеличение содержания дисульфида железа в сырье путем флотации колчедана, а также обогащение воздуха кислородом повышают движущую силу процесса обжига [4].

.5.1.2 Сера

Сера находится в природе в форме сульфидов металлов и сульфатов металлов, входит в состав каменного угля, нефти, природного и попутного газов. Около 50% добываемой серы используется для производства серной кислоты.

Элементарная сера может быть получена из серных руд или из газов, содержащих сероводород или оксид серы SO2. В соответствии с этим различают серу самородную и серу газовую (комовую).

Термический метод получения серы из самородных руд заключатся в ее выплавлении с помощью водяного пара и очистке сырой серы перегонкой.

На территории РФ залежей самородной серы практически нет. Источниками газовой серы являются Астраханское газоконденсатное месторождение, Оренбургское и Самарское месторождения попутного газа.

Получение газовой серы из сероводорода, извлекаемого при очистке горючих и технологических газов, основано на процессе неполного окисления его над твердым катализатором:

2H2S + O2 = 2H2O + S2

Значительные количества серы могут быть получены из продуктов медеплавильного производства, содержащих различные соединения серы. При этом в процессе плавки протекают реакции, приводящие к образованию элементарной серы:

FeS2 = 2FeS + S2+ С = S + СО2 [4].

.5.1.3 Сероводород

Сероводород - бесцветный газ с неприятным запахом. В естественных условиях встречается в вулканических и природных газах, в растворенном виде в водах минеральных источников, а также образуется при гниении серосодержащих органических остатков. Источником сероводорода служат различные горючие газы: коксовый, генераторный, попутный, газы нефтепереработки. Извлекаемый при их очистке сероводородный газ достаточно чист, содержит до 90% сероводорода и не нуждается в специальной подготовке.

При окислении сероводорода избытком кислорода образуется диоксид серы, который впоследствии идет на получение серной кислоты:

H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2 [5].

.5.2 Этапы получения серной кислоты

Все промышленные методы синтеза серной кислоты основаны на следующих этапах:

) первой стадией процесса является окисление сырья с получением обжигового газа, содержащего оксид серы SO2. В зависимости от вида сырья протекают экзотермические химические реакции обжига;

) на второй стадии протекает обратимая экзотермическая химическая реакция контактного окисления (конверсии) диоксида серы при 500°С (на катализаторах Pt, V2O5, Fe2O3):

+ 1/2O2 ↔ SO3

) последняя стадия процесса - абсорбция (поглощение) триоксида серы в абсорбционной колонне разбавленной серной кислотой, которая постепенно становится концентрированной, безводной и, наконец, олеумом.

Таким образом, при поглощении триоксида серы серной кислотой получается олеум, который затем при разбавлении водой дает серную кислоту H2SO4. Абсорбция SO3:

+ H2O = H2SO4

В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа и другие механические и физико-химические операции [3].

.5.3 Методы получения серной кислоты

В промышленности применяют два метода получения серной кислоты, отличающихся способом окисления SO2:

нитрозный - с применением оксидов азота, получаемых из азотной кислоты,

контактный - с использованием твердых катализаторов (контактов).

.5.3.1 Нитрозный метод

Сущность нитрозного метода состоит в том, что обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли обрабатывают так называемой нитрозой - серной кислотой, в которой растворены оксиды азота. SO2 поглощается нитрозой, а затем окисляется:

+ N2O3 + Н2О = Н2SO4 + NO.

Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до NO2. Смесь NO и NO2 вновь поглощается серной кислотой. Оксиды азота не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются в производственный цикл. Вследствие неполного поглощения их серной кислотой они частично уносятся отходящими газами.

Аппаратурное оформление башенного нитрозного процесса следующее: SO2 перерабатывается в 7-8 футерованных башнях с керамической насадкой, одна из башен (полая) является регулируемым окислительным объемом. Башни имеют сборники кислоты, холодильники, насосы, подающие кислоту в напорные баки над башнями. Перед двумя последними башнями устанавливается хвостовой вентилятор. Для очистки газа от аэрозоля серной кислоты служит электрофильтр. Оксиды азота, необходимые для процесса, получают из HNO3. Для сокращения выброса оксидов азота в атмосферу и 100%-ной переработки SO2 между продукционной и абсорбционной зонами устанавливается безнитрозный цикл переработки SO2 в комбинации с водно-кислотным методом глубокого улавливания оксидов азота (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Схема производства серной кислоты нитрозным методом:

- денитрационная башня; 2, 3 - первая и вторая продукционные башни; 4 -окислительная башня; 5, 6, 7 - абсорбционные башни; 8 - электрофильтры.

Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления, более низкая себестоимость (на 10 - 15% ниже контактной), возможность 100%-ной переработки SO2.

Недостаток нитрозного метода - низкое качество продукции: концентрация серной кислоты 75%, наличие оксидов азота, Fe и других примесей [2].

.5.3.2 Контактный метод

Суть метода состоит в том, что сернистый газ, полученный при обжиге сырья, проходит следующие стадии переработки: очистка газа от примесей, разрушающих катализатор; контактное окисление сернистого ангидрида в серный; абсорбция серного ангидрида серной кислотой с образованием олеума (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Схема производства серной кислоты контактным способом [7]: 1 - полая промывная башня; 2 - промывная башня с насадкой; 3 - мокрый электрофильтр; 4 - сушильная башня с насадкой; 5 - турбокомпрессор; 6 - трубчатый теплообменник; 7 - контактный аппарат; 8 - холодильник; 9 - олеумный абсорбер; 10 - моногидратный абсорбер; 11 - кислотный холодильник; 12 - сборник; 13 - центробежный насос.

Реакторы или контактные аппараты для каталитического окисления сернистого ангидрида по своей конструкции делятся на аппараты с неподвижным слоем катализатора, в которых контактная масса расположена в 3-5 слоях, и аппараты кипящего слоя. Недостатком установок взвешенного слоя катализатора является истирание и унос мелких его частиц с газом [17].

Отвод тепла после прохождения газом каждого слоя катализатора осуществляется путем введения в аппарат холодного газа или воздуха, или с помощью встроенных в аппарат или вынесенных отдельно теплообменников. Совокупность контактного аппарата, теплообменников и газопроводов представляет контактный узел. Степень превращения SO2 в SO3 при контактном способе 99,7%.

Для получения серной кислоты контактным способом на современных заводах применяют ванадиевые катализаторы, вытеснившие Pt и оксиды Fe. Платина легко отравляется примесями (особенно соединениями мышьяка, содержащимися в сырье) и является дорогим катализатором. Оксид железа дешевле, не отравляется мышьяком, но проявляет активность только при высоких температурах (более 600°С). Температура начала окисления на ванадиевом катализаторе колеблется от 400 до 500°С в зависимости от сотава печных газов. При температуре выше 600°С ванадиевая контактная масса начинает спекаться и ее активность падает [22].

Чистый оксид ванадия V2O5 обладает слабой каталитической активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов, причем наибольшее влияние оказывают соли калия. Промотирующая роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиро-сульфо-ванадатов (3К2S2О7 · V2О5, 2К2S2O7 · V2O5 и K2S2O7·V2O5, разлагающихся соответственно при 315 -330, 365-380 и 400-405°С). Активный компонент в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.

Схему окисления SO2 в SO3 можно представить следующим образом:

) V2O5 + SO2 = V2O4 + SO3

) V2O4 + 1/2О2 = V2O5.

На первой стадии достигается равновесие, вторая стадия медленная и определяет скорость процесса [2].

В настоящее время в производстве серной кислоты и олеума контактным методом наиболее распространенной является технологическая схема с использованием метода двойного контактирования «ДК - ДА» (двойное контактирование - двойная абсорбция). Применение данного метода позволяет значительно уменьшить содержание SO2 в хвостовых газах, кроме того, уменьшается объем газа в контактном и абсорбционном отделениях.

.5.4 Производство серной кислоты из серы

Производство серной кислоты из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции состоит из следующих стадий (см. рисунок 1.4). Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню, где он осушается 93 - 98%-ной серной кислотой до содержания влаги 0,01% по объему. Осушенный воздух поступает в серную печь после предварительного подогрева в одном из теплообменников контактного узла. В печи сжигается сера, подаваемая форсунками:

+ О2 = SO2 + 297,028 кДж.

Перед сжиганием сера расплавляется (tплав.=113°С). Получаемый сернистый газ имеет концентрацию 18% и не содержит загрязняющих примесей. Газ охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO2 9-10% по объему при 420°С поступает в контактный аппарат на первую стадию конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора после чего газ охлаждается в теплообменниках.

+ V2O2 = SO3 + 96,296 кДж.

Затем газ, содержащий 8,5 - 9,5% SO3, при 200°С поступает на первую стадию абсорбции в олеумный абсорбер, орошаемый олеумом, а затем в первый моногидратный абсорбер, орошаемый 98%-ной серной кислотой:

+ Н2О = Н2 SO4 + 130,56 кДж.

Далее газ проходит очистку от брызг серной кислоты, нагревается до 420°С и поступает на вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в моногидратный абсорбер второй ступени, орошаемый 98%-ной серной кислотой, и затем после очистки от брызг выбрасывается в атмосферу [19].

Рисунок 1.4 - Схема производства серной кислоты из серы:

- серная печь; 2 - котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4 - пусковая топка; 5, 6 - теплообменники пусковой топки; 7 - контактный аппарат; 8 -теплообменники; 9 - олеумный абсорбер; 10 - сушильная башня; 11 - первый моногидратный абсорбер; 12 - второй моногидратный абсорбер; 13 - сборники кислоты.

Метод двойного контактирования позволяет повысить степень конактирования до 0,995 долей единицы и на несколько порядков снизить выброс диоксида серы в атмосферу [4].

.5.5 Производство серной кислоты из железного колчедана

Обжиг FeS2 производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье. При этом протекает необратимая реакция:

FeS2 + 11О2 = 2Fe2 O3 + 8SO2 + 13476 кДж.

В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС). Печи с взвешенным (кипящим) слоем представляют собой цилиндрическую футерованную камеру с решеткой, на которую непрерывно поступает колчедан. Под решетку подается воздух со скоростью, обеспечивающей переход частиц во взвешенное состояние, но не достаточной для их уноса из печи. Частицы колчедана находятся в непрерывном движении, напоминающем кипение жидкости. Время пребывания частиц колчедана в печи составляет несколько секунд. Постоянный приток воздуха обеспечивает почти полное выгорание серы из колчедана. Взвешенный слой имеет высоту, определяемую расположением патрубка для вывода огарка. Частицы огарка свободно вылетают через патрубок благодаря высокой подвижности взвешенного слоя (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Печь для обжига колчедана в кипящем слое [7]

Печи КС отличаются высокой интенсивностью (до 10000 кг/м2∙сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа и контроль температуры, облегчают процесс утилизации теплоты реакции обжига. К недостаткам печей КС следует отнести повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку. В настоящее время 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 Fe2O5, пустой породы и невыгоревшего остатка сульфида железа. Огарок после соответствующей подготовки может быть использован для производства чугуна. Состав обжигового газа зависит от природы сырья, состава и избытка воздуха при обжиге. В него входят сернистый ангидрид, кислород и азот [4].

Печные газы, получаемые при обжиге колчедана, содержат много пыли, для улавливания которой применяют циклоны и электрофильтры. В циклонах пыль оседает под действием центробежной силы пылинок в завихряющемся потоке газа. Электрофильтры представляют собой конденсаторы высоко напряжения. Запыленный газ проходит между пластинками электрофильтра, где пылинки заряжаются и оседают на противоположно заряженных пластинах. При встряхивании пластин осевшая пыль падает в бункер электрофильтра, из которого выгружается.

Далее газ проходит через две промывные башни, две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне его газодувкой подают через систему теплообменников в контактный аппарат (см. рисунок 1.6). Конверсия идет аналогично производству серной кислоты из серы.

Производство серной кислоты могут осуществлять и в одну стадию катализа, при этом степень превращения SO2 в SO3 не превышает 98,5%. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~ 93% H2SO4 в соответствии с требованиями ГОСТ’а. Производительность современных установок достигает 1500-3100 тонн серной кислоты в сутки [18].

Рисунок 1.6 - Схема производства серной кислоты из колчедана 1 - тарельчатый питатель; 2 - печь; 3 - котел-утилизатор; 4 - циклоны; 5 - электрофильтры; 6 - промывные башни; 7 - мокрые электрофильтры; 8 - отдувочная башня; 9 - сушильнаябашня; 10 - брызгоуловитель; 11, 15 - моногидратные абсорберы; 12 - теплообменники; 13 - контактный аппарат; 14 - олеумный абсорбер; 16 - холодильники.

1.5.6 Производство серной кислоты из сероводорода

Способ получения серной кислоты из сероводорода называется методом мокрого катализа и состоит из следующих основных стадий:

. Сжигание сероводорода:

H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2

. Окисление сернистого ангидрида в серный на ванадиевом катализаторе в присутствии водяных паров, в результате чего образуется серная кислота в виде паров.

. Конденсация серной кислоты при охлаждении паров.

Установка для получения серной кислоты по методу мокрого катализа включает печь для сжигания сероводорода, контактный аппарат для окисления диоксида серы в триоксид и башню с насадкой для конденсации образующихся паров. Такие установки строят на нефтеперерабатывающих заводах и других предприятиях, вырабатывающих в качестве отходов сероводородные газы (рисунок 1.7) [7].

Рисунок 1.7 - Производство серной кислоты из сероводорода:

- вентилятор; 2 - печь-котел; 3 - контактный аппарат; 4 - башня-конденсатор; 5 - холодильник; 6 - сборник; 7 - насос; 8 - электрофильтр.

В данном разделе рассмотрены физико-химические свойства серной кислоты, области ее применения, а так же основные методы получения серной кислоты из различного сырья. Наиболее дешевым сырьем для сернокислотного производства является железный колчедан. Важнейшей задачей совершенствования производства серной кислоты в настоящее время является увеличение степени контактирования и снижение выбросов диоксида серы в окружающую среду. Для увеличения конечной степени контактирования применяют метод двойного контактирования и ведут процесс окисления сернистого ангидрида в две стадии. Процесс абсорбции так же проводят в две стадии, что позволяет получить кроме контактной серной кислоты также олеум различной концентрации. Помимо увеличения производительности по серной кислоте использование данного метода позволяет в определенной степени решить экологические задачи - снизить выбросы вредного компонента диоксида серы [6].

2. Разработка принципиальной технологической схемы производства серной кислоты со схемой КиП и А

Принципиальная технологическая схема определяет условия ведения технологического процесса, его параметры, включает типы аппаратов, в которых осуществляется технологический процесс, их взаимное расположение в соответствии с компоновкой оборудования.

В данном разделе представлено описание технологической схемы производства серной кислоты обжигом серного колчедана, дано описание схем контроля параметров процесса и представлена спецификация на контрольно-измерительные приборы, позволяющие контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры.

.1 Описание разработанной технологической схемы

Измельченный колчедан подается через тарельчатый питатель Т-1 в печь кипящего слоя П-1. Туда же подается топочный газ и - центробежным вентилятором ЦВ-1 - воздух. Образовавшийся в результате обжига колчедана обжиговый газ с содержанием SO2 14%, имеющий температуру 900°С, поступает в котел-утилизатор КУ-1, применяемый для утилизации выделившегося тепла, где охлаждается до 450°С. Очистку от пыли осуществляют в циклоне Ц-1 и сухом электрофильтре Э-1.

Далее газ поступает в промывные башни, где происходит охлаждение газа, образование и улавливание тумана, освобождение газа от пыли, мышьяка и селена. При первой (полой) промывной башне ПБ-1, орошаемой 60%-ной серной кислотой, холодильников кислоты нет, и охлаждение газов в ней происходит за счет упаривания кислоты. Их температура на выходе из башни устанавливается в пределах 120 - 150°С. Кислота, образующаяся в промывном отделении (из SO3, присутствующего в обжиговых газах), отводится из сборника первой башни и, освободившись от содержащихся в ней окислов селена, непосредственно используется в других производствах. Во вторую промывную башню сернистый газ подается центробежным вентилятором ЦВ-2. Вторая промывная башня (с насадкой) ПБ-2 орошается 20% серной кислотой при температуре 30 - 35°С. При ней находится холодильник Х-1, где происходит конденсация паров воды, приносимых газом из первой башни. При этом газ окончательно очищается от пыли, фтора, селена и мышьяка. Находящиеся в газе капли тумана при большой концентрации паров воды с понижением температуры укрупняются, что значительно улучшает последующее улавливание тумана в мокром электрофильтре Э-2, который предусмотрен для очистки газа от аэрозоля серной кислоты, образующегося в промывных башнях.

Для удаления паров воды газ пропускают через сушильную башню с насадкой СБ-1, орошаемой охлажденной в холодильнике Х-2 концентрированной 98%-ной серной кислотой, и брызгоуловитель БУ-1. В контактное отделение сернистый газ подается центробежным вентилятором ЦВ-3 при температуре 40°С. Перед поступлением на контактную массу исходный сернистый газ нагревается в теплообменнике ТО-1 за счет тепла реакционного газа. Для поддержания оптимального температурного режима применяются газоходы с задвижками, регулирующими количество исходного газа, поступающего в теплообменники.

При использовании метода двойного контактирования оптимальная концентрация исходного газа достигает 9 - 10% SO2. В теплообменнике газ подогревается до 420 - 450°С благодаря теплу газа, поступающего с первой стадии конверсии. Нагретый диоксид серы поступает в контактный аппарат на первый слой катализатора, где частично SO2 окисляется до SO3. За счет выделившегося в результате реакции тепла температура газа повышается до 600°С [2]. Для снижения температуры после каждого контактирования газ направляется в холодильники Х-3, Х-4, где охлаждается до 450°С и ТО-1, где охлаждается до 200°С. Прошедший таким образом три слоя катализатора сернистый ангидрид, окисленный на 92-95% в серный, идет на первую стадию абсорбции в олеумный и моногидратный абсорберы ОА-1, МА-1, где происходит поглощение SO3.

Абсорбцию серного ангидрида водой осуществлять нецелесообразно, так как реакция SO3 + H2O = H2SO4 будет протекать в газовой фазе (за счет тепла вода превращается в пар) с образованием мельчайших капелек тумана, который очень трудно улавливается. Поэтому серный ангидрид поглощается серной кислотой в две стадии.

На первой стадии в олеумном абсорбере ОА-1 SO3 поглощается олеумом, содержащим около 18% свободного серного ангидрида. Из олеумного абсорбера часть олеума выводится как готовый продукт, содержащий 20% свободного серного ангидрида, другая часть возвращается на орошение олеумного абсорбера. Поскольку процесс поглощения сопровождается выделением тепла, орошающие растворы охлаждаются в холодильниках Х-5 и Х-6. В моногидратном абсорбере МА-1 поглощаются остатки серного ангидрида [7].

Далее газ с содержанием SO2 ~ 0,5% из моногидратного абсорбера через брызгоуловитель БУ-2 поступает на вторую стадию конверсии, которая протекает на одном слое катализатора. Предварительно газ нагревается в теплообменнике ТО-2 до 420°С благодаря теплу газов, идущих со второй стадии катализа. После отделения SO3 на второй стадии абсорбции во втором моногидратном абсорбере МА-2 газ выбрасывается в атмосферу, а охлажденная в холодильнике Х-7 серная кислота, разбавленная водой до 93%, поступает на склад.

.2 Контроль и автоматика технологического процесса

Автоматизация - это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем. Управление технологическими процессами с использованием автоматических устройств включает в себя решение следующих основных задач: контроль параметров процессов, регулирование параметров, сигнализацию об отклонениях. Автоматическое регулирование позволяет получить высокую производительность при наименьших производственных затратах и высоком качестве продуктов [16].

.2.1 Выбор средств автоматизации

При разработке аппаратурно-технологической схемы процесса предусматривают установку контрольно-измерительных приборов, позволяющих контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры (таблица 4.1).

Таблица 2.1 - Средства автоматизации технологической схемы получения серной кислоты

 3-1           Расход воды, подаваемой в котел-утилизатор           Диафрагма камерная, давление Ру = до 0,6 МПа, =250 мм

ДКС

,6-250

.2.2 Описание приборов

. Термоэлектрический термометр тип ТХА (ТХА 0515), гр. ХА, пределы измерения от -50°С до 900 °С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2. Предназначен для измерения температуры посредством преобразования разности температур холодного и горячего спая в соответствующую величину термо-ЭДС.

. Показывающий, регулирующий прибор ДИСК-250. Назначение: измерение и регистрация активного сопротивления, силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин. Приборы обеспечивают сигнализацию и регулирование параметров техпроцесса, преобразование входного сигнала в выходной непрерывный токовый сигнал.

Основная погрешность, в % от нормирующего значения, не более

±0,5 по показаниям и преобразованию;

±1,0 по регистрации, регулированию и сигнализации.

Диапазон задания установок регулирования и сигнализации: от 0 до 100% диапазона входного сигнала. Быстродействие - 5с. Время работы диска: 24 ч.

Длина шкалы: 560 мм. Питание: 220 В (60 Гц). Мощность: 25 ВА. Масса: не более 13 кг.

. Лампа сигнальная Л-1 предназначена для световой сигнализации (индикации) (предупреждающей, аварийной, положения и т.д.) работы оборудования в электрических цепях напряжением 230 В переменного тока частоты 50 и 60 Гц. Конструкция лампы неразборная. Работа лампы заключается в свечении при замыкании определенных электрических цепей с целью сигнализации о соответствующих режимах работы оборудования.

. Датчик давления Метран 49-ДД. Измеряемые среды: агрессивные среды. Корозионностойкие интеллектуальные датчики предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование в унифицированный аналоговый токовый выходной сигнал. датчики работают со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, воспринимающими стандартный токовый сигнал. Датчики Метран 49-ДД являются многопредельными и могут быть настроены на верхний предел измерений или диапазон измерений по стандартному ряду давлений ГОСТ 22520, а также на верхний предел измерений или диапазон измерений, отличающийся от стандартного.

. Радарный уровнемер УЛМ - 11. Предназначен для высокоточного бесконтактного измерения уровня жидких, вязких, пастообразных, сыпучих продуктов в закрытых и открытых резервуарах. Основой уровнемера является малогабаритный датчик уровня, представляющий собой радиолокатор, устанавливаемый на крыше резервуара. Отсутствие контакта между датчиком и измеряемым продуктом обуславливает высокую надежность уровнемера как средства измерений. В состав уровнемера входят: датчик уровня, блок коммутации, блок питания, преобразователь интерфейсный, программное обеспечение для конфигурирования и настройки. В уровнемерах УЛМ используется сверхвысокая рабочая частота радиоволны 94 ГГц, что обеспечивает применение уровнемеров в тяжелых условиях (наличие взвеси, тумана, пара, пыли и т.п.). В настоящее время радарные уровнемеры УЛМ успешно работают на объектах химической, нефтехимической, нефтегазовой, энергетической, целлюлознобумажной, пищевой и других отраслей промышленности.

. Диафрагма камерная ДКС 0,6-250. Камерные диафрагмы - это комплект, состоящий из собственно диафрагмы и двух кольцевых камер. Сочленение диафрагмы с кольцевыми камерами уплотняется прокладкой. Диски камерных диафрагм изготовляются из стали Х17Х18Н9Т для работы при температуре выше 4000С, корпуса кольцевых камер - из углеродистой стали. Для работы в условиях агрессивных сред и тропического климата диафрагмы и камеры изготавливаются из стали Х18Н9Т. Диафрагмы крепятся в трубопроводе фланцами.

. GX DIN - клапан регулирующий, используется для таких рабочих сред, как газ, пар, жидкость. Диаметр трубопровода от 25 до 100 мм, а давление до 40 МПа. Седло изготовлено из стали и сплавов. Рабочая температура от -29 до +371 оС. Рабочая среда: газ, пар, жидкость. Диаметр условный DN 25…100 мм. Давление условное РN 1…40 МПа. Рабочая температура -46ºС…371ºС. Класс герметичности: IV, V или VI. Материал седла: сталь, сплавы. Материал корпуса и крышки: сталь, сплавы. Назначение: предназначен для управления потоком среды (регулирование или отсекание).

Основные преимущества:

стабильность потока через тракт клапана;

полный спектр материалов, включая сплавы;

исполнение с высокой пропускной способностью;

высокая унификация деталей для всех типоразмеров;

реверсируемый в полевых условиях привод;

простота технического обслуживания.

. Стальная задвижка типа 30с96нж. Литая фланцевая задвижка для воды, пара и нефтепродуктов на Ру = 25 кПа, t = 425 °С.

. Вентиль диафрагмовый фланцевый 15ч74п1. Условное давление: 300 кгс/см2. Максимальная температура: 100ºС. Запорный элемент - эластичная диафрагма (мембрана), перекрывающая проход. Диафрагмовые вентили предназначены для перекрывания потоков сред при невысоких температурах (до 100-150ºС). Преимущества: простота конструкций, отсутствие сальника, зон застоя и карманов, невысокое гидравлическое сопротивление, небольшие габаритные размеры и масса.

3. Расчет технологических параметров производства серной кислоты

.1 Материальный баланс

Расчет материального баланса является основным этапом. На основе материального баланса определяется целый ряд важнейших техноэкономических показателей: расход сырья и вспомогательных материалов для обеспечения заданной производительности; тепловой баланс и, соответственно, расход энергии, и теплообменную аппаратуру; экономический баланс производства, себестоимость продукции и, следовательно, рентабельность производства.

.1.1 Расчет материального баланса

Исходные данные:

. В печь поступает колчедан 40 т/сут.

. Состав колчедана, % масс:  - 70%;

песок (глина) -25%;

влага - 5%.

. Содержание FeS2 в огарке - 2 %.

. Коэффициент избытка воздуха α = 1,5. Состав воздуха кислород-21%об., азот-79%об..

Решение:

FeS2 + 11O2→8SO2 +2Fe2O3

. Рассчитаем, сколько пирита содержится в колчедане:

· 0,7 = 28 т/сут

. Рассчитаем, сколько песка содержится в колчедане:

· 0,25 = 10 т/сут

. Рассчитаем, сколько влаги содержится в колчедане:

· 0,05 = 2 т/сут

. Молярная масса компонентов реакционной смеси: Mr(FeS2) = 120 кг/кмоль, Mr(O2) = 32 кг/кмоль, Mr(Fe2O3) = 160 кг/кмоль, Mr(SO2) = 64 кг/кмоль.

. Рассчитаем, сколько диоксида серы по массе получится при обжиге 40 т колчедана, содержащего 28 т пирита:

(28 т/сут · 8 · 64 кг/кмоль) /(4 · 120 кг/кмоль) = 29,87 т/сут

. Рассчитаем массу образовавшегося огарка:

(28 т/сут · 160 кг/кмоль · 2)/(4 · 120 кг/кмоль) = 18,67 т/сут.

. Рассчитаем содержание FeS2 в огарке:

,67 т/сут · 0,02 = 0,37 т/сут

. Рассчитаем содержание Fe2O3:

,67 т/сут - 0,37 т/сут = 18,3 т/сут

. Рассчитаем массу кислорода, израсходованного на получение 29,87 т/сут SO2:

(29,87 т/сут · 11 · 32 кг/кмоль) /(8 · 64 кг/кмоль) = 20,54 т/сут

. Рассчитаем массу кислорода с учетом коэффициента избытка воздуха

α =1,5:

20,54 т/сут · 1,5 = 30,81 т/сут

. Рассчитаем объем кислорода:

(20,54 т/сут · 22,4 м3/кмоль) / 0,032 т/кмоль =14378 м3/сут

. Рассчитаем объем кислорода с учетом коэффициента избытка воздуха

α =1,5:

14378 м3/сут · 1,5 = 21567 м3/сут

. Рассчитаем объем воздуха, поступившего на окисление:

м3/сут / 0,21 = 102700 м3/сут.

. Рассчитаем массу воздуха, поступившего на окисление:

(102700 м3/сут · 0,02884 т/кмоль) / 22,4 м3/кмоль = 132,23 т/сут.

. Рассчитаем массу отработанного воздуха:

(132,23 т/сут - 30,81 т/сут) + (30,81 т/сут - 20,54 т/сут) = 111,7 т/сут.

. Рассчитаем массу вышедшего кислорода:

,81 т/сут. - 20,54 т/сут. = 10,27 т/сут.

Таблица 3.1 - Материальный баланс процесса окисления пирита (FeS2) кислородом воздуха

Рассчитано, что для получения 1т сернистого ангидрида нужно затратить 1,3391 т. сырья; при использовании 1т сырья выход диоксида серы составляет 0,7467 т.

3.1.2 Расчет расходного коэффициента

Экономическая эффективность и практическая целесообразность химического производства определяются технико-экономическими показателями, важнейшими из которых являются расходный коэффициент сырья и выход продуктов, производительность аппарата, интенсивность процесса и экономическая эффективность химического производства.

Расход каждого вида сырья, отнесенный к единице целевого продукта, называют расходным коэффициентом (А) и выражают в тоннах (т), килограммах (кг), метрах кубических (м3).

FeS2 + 11O2 → 8SO2 +2Fe2O3

Атеор.=4·Mr (FeS2) / 8· (MrSO2)=4· 120 кг/кмоль / 8 · 64 кг/кмоль = 0,9375

Акол = m (FeS2 колчедан) / m(SO2) = 40 т / 29,87 т = 1,3391

Апир= m (FeS2 пирит) / m(SO2) = 28 т / 29,87 т = 0,9374

АО = m (О2) / m(SO2) = 30,81 т / 29,87 т = 1,03147

Авоз= m(возд) / m(SO2) = 132,23 т / 29,87 т = 4,427

.1.3 Расчет выхода диоксида серы

FeS2 + 11O2 → 8SO2 +2Fe2O3

νSO2 / νFeS2 = 8 / 4 = 2 / 1пр.SO2 = 29,87 т; mпр. FeS2 = 40 т; Mr(SO2) = 64 кг/кмоль; Mr (FeS2) = 120 кг/кмоль.

Теоретический выход:

· 64 / 120 = 1,066(7)

Фактический выход:

,87 т /28 т = 1,067

Расчет материального баланса показал, что суточная производительность 40 т колчедана, дает выход 29,87 т диоксида серы (SO2).

Теоретический выход диоксида серы составил 1,066(7), а фактический - 1,067. Таким образом, теоретический и фактический выход диоксида серы одинаковы.

.1.4 Расчет выхода огарка

νFe2O3 / νFeS2 = 2 / 4 = 1/2прFe2O3 = 18,67 т; mпрFeS2 = 40 т; Mr(Fe2O3) = 160 кг/кмоль; Mr(FeS2)= 120 кг/кмоль.

Теоретический выход:

,5 · 160 / 120 = 0,6(6)

Фактический выход:

,67 т /28 т = 0,667

Расчет материального баланса показал, что суточная производительность 40 т колчедана, дает выход 18,67 т огарка (Fe2O3).

Теоретический выход огарка составил 0,6(6), а фактический - 0,667. Таким образом, теоретический и фактический выход огарка одинаковы.

.2 Основные параметры работы гидравлических машин

.2.1 Насосы в химических технологиях

Основными типами насосов, применяемых в химической технологии, являются центробежные, поршневые и осевые насосы. На заводе по производству серной кислоты используются вертикальные и горизонтальные центробежные насосы, чтобы перекачивать жидкую серу, растворенные и концентрированные кислоты, которые, кроме SO2 и SO3, могут содержать твердые частицы.

При технологическом проектировании, как правило, определяется напор и мощность насоса при заданном расходе жидкости, перемещаемой насосом. В зависимости от этих характеристик осуществляется выбор конкретной марки насоса [ОПиАХТ].

Напор характеризует удельную энергию, сообщаемую насосом еднице веса перекачиваемой среды и расчитывается по формуле:

Н = НГ + (р2 - р1)/ρg + hвс + hH,

где hвс - гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода (1 м.ст.жидкости), hH - гидравлическое сопротивление нагнетающего трубоповода (4 м.ст.жидкости), р2 - р1 -избыточное давление аппарата, ρ -плотность жидкости, НГ -геометрическая высота подъема жидкости.

Мощность на валу электродвигателя находится по формуле:

N=Qρgh/(1000η),

где Q - подача, т.е. количество среды, перемещаемое машиной в единицу времени, η - общий коэффициент полезного действия (КПД) насосной установки.

Поскольку мощность N берут с запасом не менее 25%, то требуемая мощность расчитывается как: N1=1,25∙N.

.2.2 Расчет насоса

Серная кислота плотностью 1,84 г/см3 перекачивается насосом Н-6 из емкости-сборника Е-6 на орошение моногидратного абсорбера МА-2. Геометрическая высота подъема жидкости НГ м. Необходимо выбрать насос для подачи серной кислоты в количестве Q м3/ч, определить мощность на валу электродвигателя насоса.

Дано:и p2 - давление в сечениях нагнетания и всасывания (p1 = p2 =101,3 кПа)

НГ = 12м - геометрическая высота подъема жидкостивс, hн - напор, создаваемый на преодоление сопротивления трению и местных сопротивлений во всасывающей и нагнетательной линиях.н = 3мвс = 1м

ρ = 1840 кг/м3= 18 м2 - площадь сечения абсорбера

Плотность орошения 20м3/ч

Количество кислоты, подаваемое на орошение, при данной плотности орошения: Q = 18∙20 = 360 м3/ч

Выбираем насос 9ХП - 9Е производительностью 530 м3/ч, напор столба жидкости 37 м, КПД η = 65%. Найдем полезную мощность электродвигателя:=360.1840.9,81.16/1000∙3600∙0,65 = 44,4 кВт

Мощность электродвигателя берется с запасом:= N∙1,25 =44,4 ∙1,25 = 55,5 кВт

То есть для перекачивания серной кислоты в количестве 360 м3/ч требуется центробежный насос с двигателем мощностью 55,5 кВт.

4. Разработка мероприятий по безопасности труда и охране окружающей среды

Охрана труда - система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда.

Охрана здоровья трудящихся, обеспечение безопасности условий труда, ликвидация профессиональных заболеваний и производственного травматизма составляет одну из главных забот человеческого общества. Обращается внимание на необходимость широкого применения прогрессивных форм научной организации труда, сведения к минимуму ручного, малоквалифицированного труда, создания обстановки, исключающей профессиональные заболевания и производственный травматизм. Задачи охраны труда - свести к минимальной вероятность поражения или заболевания работающего с одновременным обеспечением комфорта при максимальной производительности труда. [15].

В данном разделе проводится анализ производственных опасностей и вредностей с целью обеспечения безопасности производства при получении серной кислоты обжигом серного колчедана.

.1 Действие опасных и вредных факторов на организм

К опасным производственным факторам относится действие высокой температуры как непосредственно при обжиге колчедана, так и в процессе окисления SO2 в SO3, так как процессы идут со значительным выделением тепла. В случае внезапной разгерметизации аппаратов возникает вероятность получение ожогов различной степени тяжести. Возможны ожоги паром, электрические и механические травмы.

Так как контактный аппарат работает под давлением, то возникает опасность при его разгерметизации. При этом в воздух рабочей зоны выделяется: диоксид серы и серный ангидрид. Если потеря герметичности происходит на значительной площади поверхности и внезапно, то может иметь место взрыв установки.

В очаге взрыва газовоздушной смеси выделяют 3 зоны:

) Зона детонации волны

) Зона действия продуктов взрыва

) Зона воздушной ударной волны

В каждой зоне создается определенное избыточное давление. При давлении 20-40 кПа наблюдается общая контузия организма, повреждение слуха, ушибы и вывихи конечностей. При давлении 40-60 кПа отмечаются повреждения органов слуха, кровотечение из носа и ушей, вывихи и переломы конечностей. При 60-100 кПа - повреждение внутренних органов, мозга, переломы конечностей, позвоночника. При избыточном давлении больше 100 кПа наблюдается смертельный исход от травм. Кроме прямого действия избыточного давления пострадавшие получают дополнительные травмы обломками разрушенных зданий, осколками стекла.

Пыль и дымы, образующиеся при высокотемпературном обжиге колчедана, либо в результате химических реакций (окисления), при попадании в воздух рабочей зоны могут вызвать затруднение дыхания, кашель, раздражение слизистых оболочек дыхательных путей.

Серная кислота и олеум - чрезвычайно агрессивные вещества, вызывают сильные химические ожоги, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит и т. д. При попадании на кожу, необходимо быстро смыть кислоту обильной струей воды и при необходимости обратиться в медпункт. Средства защиты: суконная спецодежда, резиновые сапоги, перчатки, защитные очки, противогазы марок "В", "БКФ", универсальный респиратор РУ-80М [21].

4.2 Токсические свойства и воздействие на окружающую среду образующихся вредных веществ

Токсичность - это способность вещества вызывать нарушения физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикаций (заболевания), а при тяжелых поражениях - его гибель [11].

Степень токсичности вещества характеризуется предельно допустимой концентрацией - максимальным количеством вещества в единице объема воздуха или воды, которое при ежедневном воздействии на организм в течение длительного времени не вызывает в нем патологических изменений, а также не нарушает нормальной жизнедеятельности человека.

В производстве серной кислоты вредными веществами являются: серная кислота, оксиды серы, олеум. Серная кислота и олеум представляют собой агрессивные жидкости, которые действуют разрушающим образом на растительные, животные ткани и вещества, отнимая у них воду, вследствие чего они обугливаются.

Аэрозоль серной кислоты. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе:

ПДКр.з. = 1,0 мг/м3 (рабочей зоны),

ПДКм.р. = 0,3 мг/м3 (максимально разовая),

ПДКс.с. = 0,1 мг/м3 (среднесуточная).

Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды серы, и выпадать в виде кислотных дождей [10].

Оксид серы (IV) и взвешенные частицы. Основной процесс, приводящий к образованию взвешенных частиц и диоксида серы, - это процесс горения, осуществляемый в печи обжига железного колчедана. Диоксид серы - бесцветный газ. Источники те же, что и для взвешенных частиц. Вступает в каталитические или фотохимические реакции с другими загрязняющими веществами с образованием SO3, серной кислоты и сульфатов [20].

Класс опасности (токсичности) диоксида серы 3. ПДКр.з. = 10,0 мг/м3, ПДКм.р. = 0,5 мг/м3, ПДКс.с. = 0,03 мг/м3.

Частицы, образующиеся в результате сгорания - сажа, копоть, пыль, - обычно имеют размер менее 1 мкм, так что они могут легко приникать в легочные альвеолы. Они также могут содержать опасные вещества, такие как асбест, тяжелые металлы, мышьяк. Оксиды металлов являются основным классом неорганических частиц в атмосфере. Они образуются в любых процессах, связанных со сжиганием топлива, содержащего металлы.

Класс опасности сажи 3. ПДКр.з. = 4,0 мг/м3, ПДКм.р. = 0,15 мг/м3, ПДКс.с. = 0,05 мг/м3.

Класс опасности нетоксичной пыли 4. ПДКр.з. = 6,0 мг/м3, ПДКм.р. = 0,5 мг/м3, ПДКс.с. = 0,15 мг/м3.

Атмосфера. В промышленных районах концентрация диоксида серы обычно достигает 0,05-0,1 мг/м3; в сельских районах она в несколько раз меньше, а над океаном меньше в 10-100 раз. В сельской местности фоновая концентрация близка к 0,5 мкг/м3, а концентрация в городах в 50-100 раз выше. Из-за химических превращений время жизни диоксида серы в атмосфере невелико (порядка нескольких часов). В связи с этим возможность загрязнения и опасность воздействия непосредственно диоксида серы носят, как правило, локальный, а в отдельных случаях региональный характер.

Термин «взвешенные частицы» относится к ряду тонкодисперсных твердых веществ или жидкостей, диспергированных в воздухе в результате процессов горения, производственной деятельности и естественных источников. До 20 % общего количества взвешенных частиц может состоять из серной кислоты и сульфатов (частицы до 1 мкм в диаметре состоят из них на 80 %) [10].

Влияние на окружающую среду. Высокие концентрации диоксида серы вызывают серьезное повреждение растительности. Острое повреждение, вызванное диоксидом серы, отражается в появлении белесых пятен на широколистных растениях или обесцвеченных некротических полос на листьях с продольным жилкованием. Хронический эффект проявляется как обесцвечивание хлорофилла, приводящее к пожелтению листьев, появлению красной или бурой окраски, которая в нормальных условиях маскируется зеленой. Независимо от формы проявления, результатом является снижение продуктивности и замедление роста. Лишайники особенно чувствительны к SO2 и используются как биоиндикаторы при определении его избыточных количеств в воздухе. Однако диоксид серы не всегда вызывает повреждение: в сульфатдефицитных местностях дополнительные небольшие уровни SO2 могут благотворно влиять на растения, однако происходящее параллельно некоторое подкисление почвы может потребовать дополнительного известкования [12].

.3 Основные требования к упаковке, транспортировке и хранению серной кислоты

В зависимости от способа производства и назначения в промышленности выпускается техническая, аккумуляторная и реактивная серная кислоты. Они отличаются содержанием основного компонента и примесей.

На складе готовой продукции серная кислота хранится в баках, размещенных в помещении или под навесом, защищающим от дождя и снега люки, распределительные вентили.

Для уменьшения возможности кристаллизации серной кислоты при перевозке и хранении установлены стандарты на товарные сорта серной кислоты, концентрация которых соответствует наиболее низким температурам кристаллизации. Серная кислота техническая изготавливается в соответствии с ГОСТ 2184-77. Содержание серной кислоты в технических сортах: башенная (нитрозная) 75%, контактная 92,5-98%, олеум 104,5%, высокопроцентный олеум 114,6%, аккумуляторная 92-94%. Серную кислоту хранят в стальных резервуарах объемом до 5000 м3, их общая емкость на складе рассчитана на десятисуточный выпуск продукции.

Олеум и концентрированную контактную и башенную серную кислоту хранят в нефутерованных баках и перевозят в стальных железнодорожных цистернах. Менее концентрированную и аккумуляторную серную кислоту перевозят в освинцованных или футерованных цистернах из кислотостойкой стали. Цистерны для перевозки олеума покрывают теплоизоляцией и перед заливкой олеум подогревают. Отправляемые цистерны с кислотой сопровождаются паспортом, в котором указывается номер ГОСТ’а, сорт серной кислоты, основные данные анализа, дата отгрузки и количество кислоты. Стеклянные бутылки с серной кислотой при отправке помещают в упаковку с прокладкой из соломы и древесных стружек [18].

Вследствие сложностей с транспортом серной кислоты сернокислотные заводы располагаются преимущественно в районах ее потребления. Поэтому производство серной кислоты развито во всех экономических районах РФ. Важнейшими центрами его являются: Щелково, Новомосковск, Воскресенск, Дзержинск, Березняки, Пермь [13].

.4 Предложения по уменьшению количества выбросов вредных веществ в окружающую среду

В процессе производства серной кислоты некоторая часть серы уходит в атмосферу в виде диоксида серы SO2. В печи кипящего слоя происходит практически полное сгорание топлива, и основным продуктом сгорания является сернистый ангидрид SO, который затем в контактном аппарате окисляется в SO3. Неполное окисление приводит к выбросам диоксида серы в окружающую среду. Одной из мер является использования высоких (120-200 м) дымовых труб, что позволяет дымовым газам рассеиваться на значительном расстоянии от земли. Снижение выбросов SO можно достигнуть двумя путями:

. Более полное окисление диоксида серы в контактном аппарате, которое достигается использованием метода двойного контактирования.

. Очистка дымовых газов от вредных примесей.

При промывке газа образуется загрязненная серная кислота, из которой извлекают окислы селена, мышьяка, а затем реализуют как нестандартную продукцию. Сернокислые сточные воды, образующиеся в процессе очистки, можно использовать в качестве охлаждающего элемента в холодильных аппаратах.

Для очистки печных газов от пыли, сернокислотного тумана, каталитических ядов предусмотрена общая и специальная очистка. Однако большие объёмы газов, подвергаемых очистке, а также разнообразие компонентов (пыль, сажа, мышьяк, селен, оксид железа) обусловливают значительные трудности для создания достаточно экономичного метода очистки.

В настоящее время загрязнения воздуха обычно улавливают с помощью одного из следующих методов:

. Модификация технологического процесса с целью предотвращения или минимизации образования загрязняющего продукта.

. Установка новых более эффективных аппаратов.

. Электрофильтры, циклоны, промывные башни и т.д.

. Использование химических или физических процессов, например адсорбции, абсорбции, дожигания, двойного контактирования, каталитического обезвреживания и т.д.

. Конструктивные решения, например двойные, а не одинарные затворы, закрытые вентильные системы, улавливающие выбросы.

Конструкция установки должна обеспечивать надежную и безопасную работу аппаратов, возможность осмотра и очистки, промывки, продувки и ремонта, а также проведения необходимых испытаний [9].

Трубопроводы, баллоны, цистерны окрашивают в цвета, соответствующие их содержимому, и снабжают надписью с наименованием хранимого или транспортируемого вещества. Для наблюдения за режимом процесса производства серной кислоты устанавливаются средства автоматического контроля. Государственный надзор за устройством и эксплуатацией установки осуществляет Госгортехнадзор РФ [20].

Выводы

. В курсовом проекте рассмотрены физические, химические свойства концентрированной и разбавленной серной кислоты. Изучены основные области ее применения. Приведены существующие методы получения и дан анализ различных технологических схем производства серной кислоты. Выявлено, что наиболее эффективным методом получения серной кислоты является метод двойного контактировния и двойной абсорбции.

. Разработана принципиальная технологическая схема процесса получения серной кислоты обжигом серного колчедана методом двойного контактирования. Данная схема включает: обжиг колчедана, очистку газа от примесей, контактное окисление сернистого ангидрида в серный и абсорбцию серного ангидрида с образованием олеума и серной кислоты. Подобраны средства автоматизации. Установлены контрольно-измерительные приборы, позволяющие контролировать, регистрировать и регулировать технологические параметры процесса. Выбрана соответствующая запорно-регулирующая арматура.

. По выбранной технологической схеме произведен расчет материального баланса получения серной кислоты обжигом серного колчедана, который показал, что суточная производительность 40 т колчедана, дает выход 29,87 т диоксида серы (SO2). Так же произведен расчет параметров технологического процесса. Рассчитан насос для подачи сырья в количестве 360 м3 /ч в реактор для подачи серной кислоты в абсорбер. Подобран насос марки 9ХП - 9Е. Мощность электродвигателя с запасом 1,25% составила 55,5 кВт.

. В разделе мероприятий по безопасности труда и охране окружающей среды изучены основные вредные и опасные факторы производства, представлены их характеристики, изложены токсические свойства и ПДК получаемого продукта серной кислоты и вредных веществ, образующихся в процессе производства. Изучены основные требования к упаковке, транспортировке и хранению серной кислоты. Разработаны мероприятия по безопасности труда и охране окружающей среды при осуществлении данного процесса, которые должны включать в себя: защиту от отравляющего действия сернокислого аэрозоля, диоксида серы, продуктов сгорания пирита, серной кислоты и олеума, а также от действия высоких температур и избыточного давления. Кроме того, необходимо осуществление государственного надзора за устройством и эксплуатацией установки. Изучены методы очистки и утилизации вредных выбросов с технологических установок производства серной кислоты.

Список литературы

серная кислота колчедан

1.     Амелин А.Г. Производство серной кислоты. - М.: Химия, 1964. - 247с.

2.       Васильев Б. Т., Отвагина М. И., Технология серной кислоты. - М.:Химия, 1985. - 352с.

.        Малин К.М., Аркин И.А., Боресков Г.К., Слинько М.Г. Технология серной кислоты. - М.: Госхимиздат, 1984. -380с.

.        Соколов Р.С. Химическая технология. Учеб. пособие для вузов. Т.1. - М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. - 368с.

.        Справочник химика/ Пышнограева И.С. - М.: ТКО АСТ, 1999. - 480с.

.        Справочник сернокислотчика/ Малин К.М. - М.:Химия, 1971. - 744с.

.        Ченцов И.В. Технология важнейших отраслей промышленности. Ч.2. - Минск: Вышэйшая школа, 1977. - 237с.

.        Большая энциклопедия эрудита. - М.: Махаон, 2005. - 487с.

.        Брайловский С.М. и др./Химическая промышленность, 1995.- №7.- с.23

.        Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России/ Учебн. и справочное пособие. - М.: Финансы и статистика. - 2001. - 672с.

.        Степеновских А.С. Охрана окружающей среды/ Учебник для вузов. - М.:Юнити-Дана, 2000. - 559с.

.        Челноков А.А. Основы промышленной экологии. - М.: Высш.шк, 2001. - 343с.

.        Энциклопедия. Россия: физическая и экономическая география. - М.:Аванта+, 2001. - 704с.

.        Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е. Экология/ Учебник для вузов. - М.: Дрофа, 2004. - 624с.

.        Михнюк Т.Ф. Охрана труда и основы экологии. Учеб.пособие. - Минск.: Вышэйшая школа, 2007. - 356с.

.        Туманов К.С./ Промышленные АСУ и Контроллеры// Управление современным сернокислым производством.- 2005.- №5.-с. 12-13.

.        Малкин И.З./ ЭКиП//Утилизация сернокислых промышленных отходов. - 2003. - №6. - с. 10-14.

.        Серная кислота техническая ГОСТ 2184-77

.        Атрощенко В.И. и др. −Химическая технология, 1999, т. 14, № 2, с.9-14

.        Свойства некоторых загрязняющих веществ. Диоксид серы //

.        http://www.ecolife.org.ua/data/tdata/td2-13.php

.        Безопасность и гигиена окружающей среды и труда // http://www.medinfo.ru/medzakon/zak/mejdunar/ek91.phtml

.        http://www.newchemistry.ru // - Новые химические технологии.

Приложение