2. Теоретические основы горения серы.

Уравнение реакции:

S + O₂ = SO₂; ∆Н = –295 КДж/моль

Реакция протекает быстро и до конца. Реакция необратимая, экзотермическая.

Тепло, выделяющееся при сгорании серы, используется для получения водяного пара.

При сжигании чистой расплавленной серы, не содержащей ядовитых для катализатора примесей, получается газ, который может быть использован непосредственно (без очистки!) для производства серной кислоты контактны методом.

Горению предшествует плавление серы.

Что происходит с расплавленной серой при дальнейшем нагревании рассмотрено ранее.

Сжигают серу в жидком состоянии, для чего её сначала расплавляют, очищают от механических примесей, а затем распыляют и поджигают в форсунках.

Почему распыляют? Во-первых, с уменьшением размера капель сокращается время на их испарение. Во-вторых, мелкое распыление частиц серы и равномерное их распределение в воздушном потоке увеличивает поверхность контакта.

Механизм горения серы. Исследовании процесса горения серы показывают, что внутри капли серы протекает разветвлённая цепная реакция со взрывом.

Такие реакции изучал академик Н.Н.Семёнов. По Семёнову: сначала происходит образование активных частиц (атомов, молекул, радикалов), которые обладают избытком энергии. Эта энергия используется в последующих химических превращениях.

При повышении температуры в капле расплавленной серы полимер S_n разлагается с образованием возбужденной частицы (например, молекулы S₈•), которая, сталкиваясь с другой молекулой полимера S_n, передаёт ему энергию, сама переходит в невозбуждённое состояние, а полимер разлагается с образованием одной возбуждённой и одной невозбуждённой частицы:

S_n → S₈• + S_n–8

S_n + S₈• → S₈ + S_n–8• + S₈

S_n–8• + S_n → S_n–8 + S_n–8 + S₈•

S_n–8 + S₈• → S₈ + S_n–16 + S₈•

Продолжение цепи обеспечивается также переносом дополнительного количества энергии (Е) с поверхности горящей капли полимером к невозбуждённым молекулам серы S₈. в результате образуются новые возбуждённые молекулы:

S₈ + Е = S₈•.

Обрыв цепи может происходить при столкновении возбуждённой молекулы S₈• с посторонней молекулой или от соударения о стенку сосуда:

S₈• + М = S₈ + М•.

Описанная разветвлённая цепная реакция протекает очень интенсивно и ведёт к накоплению паров серы и их перегреву выше точки кипения, так как поверхностное натяжение оболочки капли создаёт внутри неё давление несколько выше атмосферного.Некоторое время сохраняется равновесие, но затем оболочка капли рвётся, и пары серы выбрасываются наружу. Диффузный режим горения переходит во взрывной.

Таким образом, горение капель серы протекает как в диффузном, так и во взрывном режиме, причем оба процесса идут одновременно.

3. Схема установки для сжигания серы в распылённом состоянии.

Схема установки для сжигания серы в распылённом состоянии представлена на рисунке (Рис. 20).

Рис. 20. Схема установки для сжигания серы в распылённом состоянии.

1 – плавильник; 2, 3 – погружные насосы; 4, 8 – фильтры; 5 – форсунка; 6 – печь; 7 – осушительная башня; 9 – котёл-утилизатор.

Описание схемы.

Сера загружается в плавильник 1, обогреваемый паровыми змеевиками. Расплавленная сера подаётся погружным насосом 3 в фильтр 4, где очищается от примесей, затем поступает во второе отделение плавильника. Отсюда погружным насосом 2 расплавленная сера подаётся через разбрызгивающие форсунки 5 в печь 6 на сжигание.

Печь представляет собой стальной горизонтальный цилиндр, изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. Для более полного соприкосновения серы с воздухом в печи есть две перегородки. Сера, сжигаемая в распылённом состоянии должна быть чистой (иначе забиваются форсунки и контактная масса при дальнейшем окислении SО₂ в SО₃).

Воздух, поступающий в печь, должен быть освобождён от механических примесей и влаги. Для этого его предварительно пропускают через фильтр 8 и осушительную башню 7, орошаемую концентрированной серной кислотой.

Сернистый газ, получаемый сжиганием серы в печи, поступает в котёл–утилизатор 9 для использования избыточного тепла.

Далее газ направляется непосредственно на производство контактной серной кислоты по «короткой» технологической схеме.