6.Технология серной кислоты.

Область применения:

• травление металлов (снятие оксидной плёнки),

• производство взрывчатых веществ,

• получение минеральных удобрений,

• производство сульфатов, солей различных металлов,

• очистка нефтепродуктов.

Сырьё:

• любые серосодержащие соединения, могут быть как естественного, так и искусственного происхождения, а также могут быть твёрдыми и газообразными. Основным сырьём является серный колчедан FeS₂,

• отходящие газы нефтепереработки, содержащие H2S,

• самородная сера,

• отходящие газы теплоэлектростанций ( SO₂ в небольших количествах).

Этапы:

1. получают диоксид серы (химизм процесса зависит от сырья).

2. окисление SO₂ в SO₃. эта реакция обратимая, экзотермическая, имеет очень высокую энергию активации, следовательно, необходимо использовать катализатор и соблюдать температурный режим.

6.1.Нитрозный способ образования серной кислоты.

Происходит взаимодействие диоксида серы с трехокисью азота, что приводит к образованию серной кислоты.

SO₂ + N₂O₃ + Н₂О H₂SO₄ + NO.

Данный способ менее распространен, чем контактный.

6.2.Контактный метод получения серной кислоты.

В данном методе имеет место каталитического окисления SO₂ в SO₃.

Исходное сырьё – серный колчедан.

1 – обжиг колчедана и получение диоксида серы.

4FeS₂ + 11О₂ 2Fe₂О₃ + 8SО₂ + Q, воздух должен быть в избытке.

Система газ/ твёрдое – гетерогенна.

Огарок состоит из Fe₂О₃, FeS₂, примесей FeS₂.

2 – охлаждение газа в котле-утилизаторе. Реакция идёт с большим выделением количества тепла (3400 кДж/моль), следовательно, необходимо охлаждение.

3 – очистка газа, газ должен быть избавлен от содержащихся в нём ядов и пыли. Очистка здесь многоступенчатая, используются электрофильтры, мокрая очистка и т.п.

4 – осушка газа, то есть удаление из него лишней влаги, это связано с повешением концентрации SО₂ в газе и с тем, как будет осуществляться процесс.

5 – подогрев газа. Газ должен быть нагрет до температуры зажигания катализатора (470-480^оС).

6 – каталитическое окисление SO2 в SO3.

2SО₂ + О₂ 2SО₃ + Q.

В ходе процесса образуется смесь газов SO₂, SO₃.

Выделившаяся энергия тратится на исходный обогрев.

7 – абсорбция с получением готового целевого продукта. Абсорбция идёт уже готовой серной кислотой (98%).

1 и 6 стадии являются химическими, рассмотрим их подробнее.

Первая стадия.

2FeS₂ 2FeS + S₂,

S₂ + 2O₂ 2SO₂,

4FeS + 7О₂ 2 FeO₃ + 4SО₂.

Это типичный гетерогенный процесс в системе Г/Т (см. модель фронтального перемещения зоны реакции). Данный процесс лимитируется диффузионной стадией.

Способы интенсификации процесса: дробление (разумное), турбулизация потока.

Оптимальная конструкция реакторов – использование печи кипящего слоя, которые позволяют глубоко производить этот процесс. Но в данном случае существует недостаток: высокая запылённость газа, то есть высокий унос пыли, что приводит к наличию в технологической схеме следующих стадий, таких как очистка (это и простые циклоны, электрофильтры, мокрая очистка, позволяющая практически нацело избавиться от пыли и ядовитых газов). Стадия глубокой очистки необходима для того, чтобы обеспечить эффективное осуществление каталитического процесса окисления SO₂ в SO₃.

Шестая стадия.

С ростом температуры происходит увеличение скорости химической реакции, поэтому этот процесс необходимо осуществлять по линии оптимальных температур.

Зависимость константы скорости реакции от степени превращения и давления.

, (6.1)

где a, b – процентное содержание SO₂ и О₂ в газе (объемные %).

Из зависимости видно, что рост давления влияет благотворительно.

Механизм реакции идёт по окислительно-восстановительному механизму:

Kt + О KtO,

SO₂ + KtO SO₂KtO,

SO₂KtO SO₃Kt,

SO₃Kt SO₃ + Kt.

В данном случае в качестве катализатора используют V₂O₅.

Можно осуществлять в полочном реакторе (см. способы осуществления по ЛОТ)

Реально в процессе таких контактов 5-7.

Охлаждение осуществляется исходным более холодным реагентом. В продукте будет присутствовать SO₂,SO₃,O₂ воздуха.

Степень превращения составляет 90-95%.