Концентрирование разбавленных растворов серной кислоты
Многие производства потребляют более концентрированные растворы серной кислоты, содержащие 92-93 % H2SO4. К таким производствам относятся: производство соляной кислоты разложением поваренной соли серной кислотой, производство плавиковой и других кислот, некоторых солей, полупродуктов в анилинокрасочной промышленности, производство взрывчатых веществ и многие другие.
В производстве концентрированной азотной кислоты, при сушке хлора и других производствах концентрированную серную кислоту используют как водоотнимающее средство. При этом она разбавляется.
Для того чтобы разбавленную кислоту вновь возвратить в производство, её необходимо концентрировать.
В отдельных случаях в процессе производства одновременно с разбавлением серной кислоты происходит загрязнение её примесями, затрудняющими её дальнейшее концентрирование. Например, отработавшая серная кислота после концентрирования азотной кислоты или получения нитросоединений содержит примесь азотной кислоты, в производстве спиртов – примеси различных углеводородов, и т.д. Такую отработавшую серную кислоту целесообразно использовать в виде разбавленной кислоты для процессов, где примеси не будут существенно влиять на качество получаемого продукта (например, в производстве суперфосфата).
Если загрязненную примесями серную кислоту необходимо упаривать, то ее надо предварительно освободить от примесей отстаиванием, экстракцией, продуванием паром или другими способами. Примеси в отработавшей кислоте могут при концентрировании вызвать коррозию аппаратуры и загрязнить концентрированную кислоту.
|
|
|
Если примеси трудно удалить и отработавшая кислота не пригодна для концентрирования и возврата в производство, её необходимо использовать для получения оксида серы (IV) путем термического разложения.
Сущность процесса концентрирования разбавленной серной кислоты заключается в удалении из неё части воды нагреванием – испарением (упариванием).
При упаривании серной кислоты с увеличением её концентрации повышается температура кипения. Вначале при кипении слабой серной кислоты до содержания в ней 80 % H2SO4 в пары переходит только вода. Затем при дальнейшем кипении в парах начинается появляться H2SO4. При достижении серной кислотой крепости 98.3 % состав паров становится одинаковым с составом кипящей кислоты (азеотропная смесь), и она начинается перегоняться без изменения своего состава и температуры кипения.
Для серной кислоты концентрация 98.3 % является предельной концентрацией. Если бы добивались при упаривании получения предельно возможной концентрации серной кислоты, то потеря H2SO4 с отходящими при этом парами была бы слишком велика. Кроме того, увеличился бы расход топлива на упаривание. Поэтому, в заводских условиях, процесс концентрирования упариванием не доводят до предельно возможной концентрации кислоты, а останавливают его на концентрации 92-93 %.
|
|
|
Процесс концентрирования серной кислоты связан с расходом топлива на:
1. дегидратацию серной кислоты (разложение гидратов, образующихся при разбавлении серной кислоты водой H2SO4×H2O, H2SO4×2H2O, H2SO4×4H2O и т.д.);
2. испарение воды;
3. испарение части серной кислоты, уходящей с парами;
4. достижение и поддержание температуры, при которой происходит процесс концентрирования;
5. потери тепла в окружающую среду.
Аппараты, применяемые для концентрирования серной кислоты можно разделить на два типа:
1. аппараты, в которых теплота топочных газов от сжигания топлива передается концентрируемой кислоте через стенки аппарата, где происходит процесс концентрирования;
2. аппараты, в которых теплота топочных газов от сжигания топлива передается серной кислоте путем непосредственного их соприкосновения в аппарате, когда газы пропускают над поверхностью кислоты или пробулькивают (барбатаж) через слой кислоты, находящейся в аппарате.
|
|
|
Первый тип аппаратов позволяет сжигать низкосортное топливо, так как топочные газы не соприкасаются с серной кислотой и не загрязняют её в процессе концентрирования.
Однако эти аппараты имеют недостаток, заключающейся в том, что трудно подобрать такие материалы, которые одновременно обладали бы большой стойкостью к горячей серной кислоте, теплопроводностью и выдерживали высокие температуры.
Преимущества аппаратов второго типа заключается в том, что теплоотдача при непосредственном соприкосновении топочных газов с кислотой идет лучше, чем через стенки аппарата, поэтому расход топлива на концентрирование снижается. Кроме того, при движении газов над поверхностью серной кислоты интенсивно удаляются выделяющиеся пары воды, что способствует ускорению процесса концентрирования. В аппаратурном оформлении и в подборе соответствующих материалов для изготовления аппаратуры этот тип аппаратов также имеет преимущества.
Недостатком этого типа аппаратов является то, что происходит частичное загрязнение серной кислоты топочными газами, что вызывает необходимость применять в топках высококачественное топливо (кокс, мазут, антрацит, горючие сланцы), дающие более чистые продукты горения.
|
|
|
На первых этапах развития процесса концентрирования серной кислоты использовались аппараты первого типа. Но с появлением в начале XX века аппаратов второго типа они получили широкое распространение, и аппараты первого типа были совершенно вытеснены из заводской практики.
Барабанный концентратор (рис. 5.6) представляет собой установленный горизонтально цилиндр из листовой стали, объемом 60 м3. Концентратор разделен на две камеры: камеру предварительного 1 и камеру оканчательного упаривания 2. Разбавленная серная кислота (68-70 %) поступает в камеру предварительного упаривания, где через её слой барбатируют топочные газы. Горячие газы проходят через концентратор навстречу движению кислоты, т.е. по принципу противотока. Кислота самотеком перетекает в камеру окончательного упаривания. Здесь кислоту упаривают топочными газами, полученными от сжигания мазута или природного горючего газа, поступающими через трубу с температурой 800 –850 оС. Из камеры 2 газы проходят камеру 1, охлаждаются до 150 оС и попадают в мокрые электрофильтры 5 для задержания брызг и тумана серной кислоты и воды. Очищенный газ затем сбрасывается в атмосферу, разбавленная серная кислота возвращается в концентратор.
Концентрированная серная кислота охлаждается в водяном холодильнике 3 и сливается в приемник 4.
В качестве товарного продукта получают 98.3 % кислоту.
 |
Рис. 5.6. Технологическая схема барботажного концентрирования
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕМАМ 5.3-5.6
5-1. Назовите основные свойства и области использования серной кислоты.
5-2. Какие виды сырья, кроме пирита, используются для производства серной кислоты?
5-3. Назовите основные стадии производства серной кислоты из сероводорода.
5-4. Какие реакторы используются для окисления оксида серы(IV) в оксид серы(VI)? Укажите их преимущества и недостатки.
5-5. Перечислите основные направления совершенствования сернокислотного производства. В чем заключается принцип работы энерготехнологической схемы с использованием серы в качестве топлива?
ЗАДАЧИ К ТЕМАМ 5.3-5.6
5-1. В смеситель поступает 500 кг/ч 95 %-ной серной кислоты. Сколько 35 %-ной кислоты нужно добавить, чтобы получить 65 %-ную кислоту?
5-2. Смешали 14 г 14 %-ного олеума, 20 г кристаллического карбоната натрия (кристаллизуется с 10 молекулами воды) и 56 г 8 %-ного раствора гидросульфита натрия. Вычислите массовые доли веществ в полученном растворе.
5-3. При взаимодействии вещества Х с раствором серной кислоты образуется вода и выделяется газ Y без цвета и запаха. К полученному раствору при нагревании добавили 40 %-ный раствор гидроксида натрия (плотность 1.4 г/мл), при этом выделился газ Z вдвое большего объёма, чем газ Y и в 1.234 раза меньшей массы. Какое вещество Х отвечает условиям задачи. Приведите уравнение происходящих реакций.
5-4. На весах уравновешены два стакана. В одном из них находится 6 г карбоната кальция, в другом - 6 г пирита. К карбонату кальция прилили 50 г 10 %-ного раствора соляной кислоты. Вычислите массу 45 %-ного раствора азотной кислоты, которую следует добавить в другой стакан, чтобы после окончания всех реакций весы снова уравновесились.
5-5. На складе имеется 18%-ный олеум. Сколько такого олеума соответствует 5 т 94 %-ной кислоты? Сколько 18 %-ного олеума и оксида(VI) нужно для приготовления 1 т 24 %-нога олеума?
5-6. В смеситель поступает 1 т 20 %-ного олеума и 500 кг 90 %-ной H2SО4. Определите концентрация полученной смеси (в %) по массе.
5-7. Определите количество теплоты, которое выделяется при поглощении парами воды 1 кг оксида серы(VI). Теплота образования H2SО4 175.2 кДж/моль.
5-8. В смесителе 15 т 75 %-ной серной кислоты разбавлено до концентрации 65 %-ной. Сколько воды добавлено?
5-9. В смесителе перемешивают 95 %-ную кислоту с 65 %-ной в соотношении 2:1. Какой концентрации кислота получилась?
5-10. В смеситель поступает 500 кг/ч 95 % -ной серной кислоты. Сколько 35 %-ной кислоты нужно добавить, чтобы получить 65 %-ную кислоту?
5-11. В производстве фосфорных удобрений используется 68 %-ная серная кислота. Сколько воды следует добавить к 75 %-ной кислоте, чтобы получить 1 т 68 %-ной?
5-12. Мировое производство серной кислоты составляет 100 млн/т в год. Рассчитайте, сколько основного сырья расходуется на производство, если известно, что доля колчедана в пересчете на 45 % составляет 47 % от общей массы, серы – 20 %, сероводорода – 8 %, отходящих газов различных производств – 25 %, содержащих оксида серы(IV) – 0.3 %.
5-13. Какой объем оксида серы(IV) нужно пропустить через контактный аппарат, чтобы получить 210 т 98 %-ной серной кислоты, если степень контактирования 98 %?
5-14. Производительность контактного аппарата 1080 т/сут моногидрата. Газ, поступающий в аппарат, содержит 7.5 об. % оксида серы(IV), коэффициент использования газа 98 %. Определите объем газа (н. у.), поступающий в контактный аппарат за 1 ч.
5-15. Рассчитайте производительность катализатора (кг/м3·ч) четырехслойного контактного аппарата. Высота первого слоя 40 см, второго – 54 см, третьего – 52 см, четвертого – 60 см. Диаметр аппарата 3.8 м. В аппарате в течение суток образуется 240 т оксида серы(VI).
5-16. Определите предельно допустимую массу влаги на 1 кг SO3, которая может быть принесена с печным газом в сушильные башни, чтобы вся продукция сернокислотного завода могла быть выпущена в виде 20 %-ного олеума.
5-17. При окислении газа А концентрированной серной кислотой образуется простое вещество В, сложное вещество С и вода. Растворы веществ А и С реагируют между собой с образованием осадка вещества В. Назовите вещества А, В и С. Напишите уравнения реакций.
5-18. Какую массу воды следует добавить к 300 г олеума, содержащего 40 % оксида серы(VI), чтобы получить 70 %-ный водный раствор серной кислоты.
5-19. Раствор сульфата меди(II) массой 150 г с массовой долей соли 15 % находился в открытом сосуде. В результате испарения воды и кристаллизации пентагидрата сульфата меди масса раствора уменьшилась на 50 г, а массовая доля соли не изменилась. Вычислите массу испарившейся воды.
5-20. Производительность единичного агрегата по производству серной кислоты контактным методом из флотационного колчедана 1000 т/сут H2SO4 (100 %). Степень превращения оксида серы(IV) в оксид серы(VI) 0.997. Выброс газов в атмосферу 16.7 м3/ч. Определите сколько (кг) оксида серы(IV) выбрасывается в атмосферу в сутки? Сколько аммиачного поглотителя емкостью 40-50 кг/м3 газа необходимо, чтобы предотвратить выброс SО2 в атмосферу?
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2798; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!