Московска държавна академия
Фина химическа технология
на името на М.В. Ломоносов
Курсова работа
По дисциплина: Основи на химическата технология
По темата:
Производство на сярна киселина от сяра.
учител:Игумнов Михаил Степанович
Студент: Троян Наталия Сергеевна
Група М-32
Москва.1999
Въведение ................................................. .............................................. 3
Суров материал ................................................ .................................................... 7
Характеристики на целевия продукт ............................................ 8
Химическа схема на процеса.................................................. .. 10
1. Изгаряне на сяра. ......................................................................... 10
2. Контактно окисление на SO 2 до SO 3 ............................................ 11
3. Абсорбция на серен триоксид. ..................................................... 12
Задача за изчисление ................................................ .............................. 14
Извършване на изчислението ................................................. ................................... 15
.................................. 15
............................. 16
3.Материален баланс. ............................................................. 19
Библиография ................................................. ................ двадесет
Въведение.
Сярната киселина е най-силната и евтина киселина. Сред минералните киселини, произведени от химическата промишленост, сярната киселина е на първо място по производство и потребление. Сярната киселина не пуши, в концентрирана форма не разрушава черните метали, в същото време е една от най-силните киселини, в широк температурен диапазон (от -40 ... -20 до 260 - 336,5 * C) е в течно състояние. Намира широко приложение в производството на минерални торове, различни соли и киселини, всички видове органични продукти, багрила, дим и експлозиви и др. Сярната киселина намира различни приложения в петролната, металургичната, металообработващата, текстилната, кожарската и други индустрии, използва се като водоотблъскващ и изсушаващ агент, използва се в процеси на неутрализация, мариноване и др. Най-важните приложения на сярната киселина са показани на диаграмата.
Още през 13-ти век сярната киселина се получава в малки количества чрез термично разлагане на железен сулфат FeSO 4, следователно дори и сега една от разновидностите на сярната киселина се нарича масло от витриол, въпреки че сярна киселина не се произвежда от витриол от дълго време време.
В момента сярната киселина се произвежда по два начина: азотна, която съществува повече от 200 години, и контактна, усвоена в индустрията в края на 19-ти и началото на 20-ти век. Контактният метод измества азотния (кула) метод. Първият етап от производството на сярна киселина по всеки метод е производството на серен диоксид чрез изгаряне на сярни суровини. След пречистване на серен диоксид (особено при контактния метод), той се окислява до серен триоксид, който се комбинира с вода за получаване на сярна киселина. Окислението на SO 2 до SO 3 протича изключително бавно при нормални условия. За ускоряване на процеса се използват катализатори.
Понастоящем по контактен метод се получават концентрирана сярна киселина, олеум и 100% серен анхидрид.
Едновременно с увеличаването на производството на сярна киселина се разширява гамата от продукти на заводите за сярна киселина, организира се производството на киселина с висока чистота, 100% SO 2 , висококачествен олеум и киселина, както и производството на нови продукти на базата на SO 2 също се увеличава. В допълнение към олеум, концентрирана сярна киселина и акумулаторна киселина, домашните фабрики произвеждат и повече чиста контактна киселина с подобрено качество (за производство на изкуствени влакна, титаново бяло и др.), чист олеум и химически чиста и реактивна сярна киселина.
През последните години бяха направени значителни подобрения в производството на сярна киселина. Изгарянето на пирит в кипящ слой и изгарянето на сяра в циклонна пещ са широко използвани, значително се увеличава използването на топлината, отделяна по време на изгарянето на суровините и на други етапи от производството на сярна киселина. Производителността на системите за кула със сярна киселина непрекъснато нараства в резултат на поддържане на оптимален технологичен режим, разработен на базата на изследвания; интензивността на кулообразните системи достига 250 kg/m 3 на ден. Овладян е контактно-кулен процес за производство на сярна киселина, при който разходът на HNO 3 е 6-7 kg на 1 тон H 2 SO 4 .
В контактПри метода за производство на сярна киселина окисляването на серен диоксид до триоксид се извършва върху твърди контактни маси. Благодарение на усъвършенстването на контактния метод на производство, цената на по-чистата и висококонцентрирана контактна сярна киселина е само малко по-висока от тази на кула киселина. В момента над 90% от цялата киселина се произвежда по контактен метод.
Термично стабилната ванадиева контактна маса (под формата на гранули и пръстени) с намалена температура на запалване сега се използва като катализатори на контактния процес. Извършена е работа за овладяване на процеса на окисление на SO 2 в кипящ катализаторен слой. Важно подобрение е двойният контакт, който осигурява висока степен на окисление на SO 2 върху катализатора (до 99,8%) и следователно премахва необходимостта от допълнително санитарно почистване на отработените газове.
Въвежда се процесът на кондензация на H2SO4, заместващ абсорбцията на серен анхидрид.
Също така за производството на анхидрид на сярна киселина или безводен калциев сулфат CaSO 4, гипс или дихидрат CaSO 4 * 2H 2 O и фосфогипс, който е отпадък от производството на концентрирани фосфорни торове (смес от гипс, флуорооксидни, флуорни съединения, SO 2 и други примеси).
В азотенАзотните оксиди служат като катализатор. Окислението на SO 2 протича главно в течна фаза и се извършва в пълни кули. Следователно азотният метод, според хардуерната характеристика, се нарича кула. Същността на азотния метод е, че газът за печене се обработва със сярна киселина, в която се разтварят азотни оксиди. Серният анхидрид на газа за печене се абсорбира от нитрозата и след това се окислява от азотни оксиди в съответствие с реакцията: SO 2 + N 2 O 3 + H 2 O = H 2 SO 4 + 2NO. Полученият NO е слабо разтворим в нитроза и се освобождава и след това частично се окислява от кислород до NO 2 . Сместа от NO и NO 2 се реабсорбира от H 2 SO 4 .
Промишлеността произвежда три вида търговска сярна киселина:
Кула киселина: C=75%, t crist = -29,5*C
Контактна киселина: C=92,5%, t crist = -22,0*C
Олеум: C=20% свободен SO 3, t crist = +2*C
Схема за използване на сярна киселина
Първоначална суровина.
Традиционно основните източници на суровини са сяра и железен (сярен) пирит. Около половината от сярната киселина в СССР се получава от сяра, една трета от пирити. Значително място в баланса на суровините заемат отпадъчните газове от цветната металургия, съдържащи серен диоксид.
С цел опазване на околната среда по света се предприемат мерки за използване на промишлени отпадъци, съдържащи сяра. С отработените газове на ТЕЦ и металургичните заводи в атмосферата се отделя много повече серен диоксид, отколкото се използва за производството на сярна киселина. Поради ниската концентрация на SO 2 в такива отпадъчни газове, тяхната преработка все още не винаги е осъществима.
В същото време отработените газове са най-евтината суровина, цените на едро за пиритите също са ниски, докато сярата е най-скъпата суровина. Следователно, за да бъде производството на сярна киселина от сяра икономически изгодно, трябва да се разработи схема, при която цената на нейната преработка ще бъде значително по-ниска от цената на преработката на пирит или отпадъчни газове.
Характеристики на целевия продукт.
Сярната киселина може да съществува като независимо химично съединение H 2 SO 4, както и под формата на съединения с вода H 2 SO 4 * 2H 2 O, H 2 SO 4 * H 2 O, H 2 SO 4 * 4H 2 O и със серен триоксид H 2 SO 4 *SO 3, H 2 SO 4 * 2SO 3.
В инженерството сярната киселина се нарича още безводна H 2 SO 4 и нейните водни разтвори (всъщност тя е смес от съединения на H 2 O, SO 2 и H 2 SO 4 * nH 2 O) и разтвори на серен триоксид в безводен H 2 SO 4 - олеум (смес от H 2 SO 4 и съединения H 2 SO 4 * nSO 3).
Безводната сярна киселина е тежка, мазна, безцветна течност, която се смесва с вода и серен триоксид във всяко съотношение. Физичните свойства на сярната киселина, като плътност, температура на кристализация, точка на кипене, зависят от нейния състав.
Безводната 100% киселина има относително висока температура на кристализация от 10,7 *C. За да се намали възможността от замръзване на търговски продукт по време на транспортиране и съхранение, концентрацията на техническата сярна киселина се избира така, че да има достатъчно ниска температура на кристализация. Промишлеността произвежда три вида търговска сярна киселина.
Сярна киселина и вода образуват азеотропна смес от 98,3% H2SO4 и 1,7% H2O с максимална точка на кипене (336,5*C). Съставът на течната и парната фаза в равновесие за киселина с азеотропна концентрация е еднакъв; в по-разредени киселинни разтвори водната пара преобладава в парната фаза; в парната фаза равновесната концентрация на SO 3 е висока над олеума.
Сярната киселина е много активна. Той разтваря метални оксиди и повечето чисти метали, измества всички други киселини от солите при повишени температури. Особено лакомо сярната киселина се комбинира с вода поради способността си да дава хидрати. Той отнема водата от други киселини, от кристални хидрати на соли и дори от кислородни производни на въглеводороди, които съдържат не вода като такава, а водород и кислород в комбинация Н:О=2. Дървесината и другите растителни и животински тъкани, съдържащи целулоза (C 6 H 10 O 5), нишесте и захар, се разрушават в концентрирана сярна киселина; водата се свързва с киселина и от тъканта остава само фино диспергиран въглерод. В разредена киселина целулозата и нишестето се разграждат, за да образуват захари. Ако влезе в контакт с човешката кожа, концентрираната сярна киселина причинява изгаряния.
Химическа схема на процеса
1. Изгаряне на сяра.
При получаване на газ за печене чрез изгаряне на сяра, не е необходимо да се почиства от примеси. Подготвителният етап ще включва само сушене на газ и изхвърляне на киселини. При изгаряне на сярата възниква необратима екзотермична реакция:
S + O 2 = SO 2 (1)
с отделяне на много голямо количество топлина: промяна в H = -362,4 kJ / mol, или по отношение на единица маса 362,4 / 32 = 11,325 kJ / t = 11325 kJ / kg S.
Разтопената течна сяра, подадена за горене, се изпарява (кипи) при температура 444,6 *C; топлината на изпаряване е 288 kJ/kg. Както се вижда от горните данни, топлината на реакцията на горене на сярата е достатъчна за изпаряване на суровината, така че взаимодействието на сяра и кислород се осъществява в газовата фаза (хомогенна реакция).
Изгарянето на сяра в промишлеността се извършва по следния начин. Сярата е предварително разтопена (за това можете да използвате водна пара, получена чрез използване на топлината на основната реакция на горене на сярата). Тъй като точката на топене на сярата е относително ниска, е лесно да се отделят механичните примеси от сярата чрез утаяване и последващо филтриране от сярата, която не е преминала в течната фаза, и да се получи суровина с достатъчна чистота. За изгаряне на разтопена сяра се използват два вида пещи - дюза и циклон.Необходимо е да се предвиди пръскането на течна сяра в тях за бързото й изпаряване и осигуряване на надежден контакт с въздуха във всички части на апарата.
От пещта газът за печене влиза в котела за отпадъчна топлина и след това към следващите апарати.
Концентрацията на серен диоксид в газа за печене зависи от съотношението на сярата и въздуха, подадени за горене. Ако въздухът се вземе в стехиометрично количество, т.е. за всеки мол сяра, 1 мол кислород, тогава при пълно изгаряне на сяра концентрацията ще бъде равна на обемната част на кислорода във въздуха C so2.max = 21%. Обикновено обаче въздухът се поема в излишък, в противен случай температурата на пещта ще бъде твърде висока.
При адиабатно изгаряне на сяра температурата на изпичане за реакционната смес със стехиометричен състав ще бъде ~ 1500*С. На практика възможността за повишаване на температурата в пещта е ограничена от факта, че над 1300*С облицовката на пещта и газопроводите бързо се разрушават. Обикновено при изгаряне на сяра се получава газ за печене, съдържащ 13 - 14% SO 2.
2. Контактно окисление на SO 2 v ТАКА 3
Контактното окисление на серен диоксид е типичен пример за хетерогенна окислителна екзотермична катализа.
Това е един от най-изучаваните каталитични синтези. В СССР най-задълбочената работа по изследването на окисляването на SO 2 до SO 3 и разработването на катализатори е извършена от G.K. Боресков Реакция на окисление на серен диоксид
SO 2 + 0,5 O 2 \u003d SO 3 (2)
се характеризира с много висока стойност на енергията на активиране и затова практическото му прилагане е възможно само при наличие на катализатор.
В промишлеността основният катализатор за окисляване на SO 2 е катализатор на базата на ванадиев оксид V 2 O 5 (ванадиева контактна маса). Каталитична активност в тази реакция се проявява и от други съединения, предимно платина. Въпреки това, платинените катализатори са изключително чувствителни дори към следи от арсен, селен, хлор и други примеси и затова постепенно са заменени от ванадиеви катализатори.
Скоростта на реакцията се увеличава с увеличаване на концентрацията на кислород, така че процесът в промишлеността се извършва с излишък от него.
Тъй като реакцията на окисление на SO 2 принадлежи към екзотермичен тип, температурният режим за нейното осъществяване трябва да се доближава до линията на оптималните температури. Изборът на температурен режим се налага допълнително от две ограничения, свързани със свойствата на катализатора. Долната температурна граница е температурата на запалване на ванадиевите катализатори, която в зависимост от конкретния тип катализатор и газовия състав е 400 - 440 * C. горната температурна граница е 600 - 650*С и се определя от факта, че над тези температури структурата на катализатора се пренарежда и той губи своята активност.
В диапазона от 400 - 600*С процесът се стреми да се проведе по такъв начин, че с увеличаване на степента на преобразуване температурата да намалява.
Най-често в индустрията се използват рафтови контактни устройства с външен топлообмен. Схемата за топлообмен предполага максимално използване на топлината на реакцията за нагряване на изходния газ и едновременно охлаждане на газа между рафтовете.
Една от най-важните задачи пред индустрията на сярната киселина е да се повиши степента на преобразуване на серен диоксид и да се намалят емисиите му в атмосферата. Този проблем може да бъде решен по няколко начина.
Един от най-рационалните методи за решаване на този проблем, който се използва широко в индустрията на сярната киселина, е методът на двоен контакт и двойна абсорбция (DKDA). За да се измести равновесието надясно и да се увеличи добивът на процеса, както и да се увеличи скоростта на процеса, процесът се извършва по този метод. Същността му се състои във факта, че реакционната смес, в която степента на преобразуване на SO 2 е 90 - 95%, се охлажда и се изпраща в междинен абсорбер за отделяне на SO 3 . В останалия реакционен газ съотношението на O 2 :SO 2 се увеличава значително, което води до изместване на реакционното равновесие надясно. Новозагрятият реакционен газ отново се подава в контактния апарат, където 95% от преобразуването на останалия SO 2 се постига върху един или два катализаторни слоя.Общото преобразуване на SO 2 в този процес е 99,5% - 99,8%.
3. Абсорбция на серен триоксид.
Последната стъпка в контактния процес за производство на сярна киселина е абсорбирането на серен триоксид от газовата смес и превръщането му в сярна киселина.
nSO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 + (n-1)SO 3 +Q………(3)
ако n>1, тогава се получава олеум (разтвор на SO 3 в H 2 SO 4)
ако n=1, тогава се получава монохидрат (98,3% H 2 SO 4)
ако n<1, то получается разбавленная серная кислота
При избора на абсорбент и условията за провеждане на етапа на абсорбция е необходимо да се осигури почти 100% извличане на SO 3 от газовата фаза. За пълното извличане на SO 3 е необходимо равновесното парциално налягане на SO 2 над разтворителя да бъде незначително, тъй като движещата сила на процеса на абсорбция в този случай ще бъде голяма. Такива разтвори обаче не могат да се използват като абсорбент, над чиято повърхност е високо равновесното парциално налягане на водната пара. В този случай все още неразтворените SO 3 молекули ще реагират с водни молекули в газовата фаза, за да образуват пари на сярна киселина и бързо да кондензират в обем с образуването на малки капчици сярна киселина, диспергирани в инертна газова среда – азот, т.е. с образуването на мъгла от сярна киселина:
SO3 (g) + H2O (g) H2SO4 (g) H2SO4 (мъгла); Q>0
Мъглата се улавя лошо в конвенционалното абсорбционно оборудване и се отвежда главно с отработените газове в атмосферата, като същевременно замърсява околната среда и увеличава загубата на сярна киселина.
Горните съображения правят възможно решаването на въпроса за избора на абсорбент. Оптималният абсорбент е 98,3% сярна киселина (техническо наименование - монохидрат), съответстваща на азеотропния състав. Всъщност над тази киселина практически няма водна пара или SO 3 пара. Процесът, протичащ в този случай, може условно да бъде описан с уравнението на реакцията:
SO 3 + nH 2 SO 4 + H 2 O \u003d (n + 1) H 2 SO 4
Използването на по-малко концентрирана сярна киселина като абсорбент може да доведе до образуване на мъгла от сярна киселина и над 100% сярна киселина или олеум в парната фаза, равновесното парциално налягане на SO 3 е доста високо, така че няма да бъде напълно абсорбира. Въпреки това, ако трябва да се получи олеум като един от продуктите на процеса, абсорбцията с олеум (1-ви абсорбер) и абсорбцията с 98,3% киселина (2-ри абсорбер) могат да се комбинират.
По принцип при високи температури над 98,3% киселина, парциалното парно налягане на самата киселина може да бъде значително, което също ще намали степента на абсорбция на SO 3 . Под 100*C, равновесното парно налягане на H 2 SO 4 е много ниско и следователно може да се постигне почти 100% абсорбция.
По този начин, за да се осигури висока степен на абсорбция, концентрацията на сярна киселина в абсорбера трябва да се поддържа близо до 98,3%, а температурата да е под 100*C. Въпреки това, в процеса на усвояване на SO 3, киселината се фиксира (концентрацията й се увеличава) и поради екзотермичността на реакцията температурата се повишава. За да се намали инхибиторният ефект на тези явления, абсорбцията се извършва така, че концентрацията на H 2 SO 4 по време на еднократно преминаване на абсорбера се увеличава само с 1-1,5%, фиксираната сярна киселина се разрежда в колектора до концентрация от 98,3%, охладен във външен хладилник и повторно запазен за усвояване, осигурявайки висока скорост на циркулация.
Задача за изчисление
Вариант номер 3
Етапи на производство на сярна киселина:
1. подготовка на суровини : пречистване и топене на сяра; почистване, изсушаване и дозиране на въздух;
2. изгаряне на сяра : S + O 2 = SO 2 (1) Процесът се извършва с излишен въздух;
3. контактно окисляване SO2 v ТАКА 3: SO 2 + 0,5O 2 = SO 3 (2) Процесът протича на ванадиев катализатор при температура 420-550 * C;
4. абсорбция ТАКА 3 : SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 (3). Абсорбционната колона се загрява под обратен хладник с 98,3% H2S04. Преди да бъде изпратена в склада, киселината се разрежда до ~93% H 2 SO 4 в съответствие с изискванията на GOST.
Изходни данни за изчисление
Извършване на изчисление.
1. Изготвяме блок-схема на производството.
|
|
|||
 |
||||
011 - Течна сяра
012 - Въздух
12 - съдържание на SO2. газ
23 - съдържание на SO3. газ
301 - Отработени газове
302 - Сярна киселина
2. Съставяне на уравнения за всеки възел.
1. Съставяме уравнения за първия възел:
0,92*N011 =N12S02
N 12 SO2 = N 12 * 0,08 N 011 = X 1
0,92*N011=N12 *0,08N12=X3
0,92*X 1 =X 3 *0,08 (1)
2 . Съставяме уравнения за втория възел:
а) 0,99 * N 12 SO2 \u003d N 23 SO3
0,99*N 12 *0,08=N 23 SO3 N 23 SO3 =X 4
0,99*X 3 *0,08=X 4 (2)
б) N12*(0,21-0,08)=2N23SO3
X*(0,21-0,08)=2X 4 (3)
3 .Съставете уравнението за третия възел:
а) G 302 *0,925=2000 основно уравнение G 302 =X 7
X 7 *0,925=2000 (4)
б) 0,998 * N 23 SO3 \u003d 2000 / Mr (H 2 SO 4)
0,998*X 4 =2000/98 (5)
в) N 301 \u003d N 301 SO2 + N 301 N2 + N 301 SO3 + N 301 O2
N 301 SO2 =N 12 SO2 *(1-0,99)=N 12 SO2 *0,01=N 12 *0,08*0,01
N 301 N2 = 0,79*N 012
N 301 SO3 =N 23 SO3 *(1-0,998)=0,002*N 23 SO3
N 301 O2 = N 12 * (0,21-0,08) -1 / 2 * N 12 * (0,21-0,08) \u003d N 12 * 0,13 * (1-
1/2)=0,13/2*N 12
N 301 =N 12 *0,08*0,01+0,79*N 012 +0,002*N 23 SO3 +0,065*N 12
N 301 \u003d 0,0658 * N 12 + 0,79 * N 012 + 0,002 * N 23 SO3
X 6 =0,0658*X 3 +0,79*X 2 +0,002*X 1 (6)
Но трябва да вземем предвид, че N 12 \u003d N 012, т.е. X 2 = X 3 (7)
6 неизвестни и 7 уравнения. Изхвърлете уравнението (3) и вземете системата от уравнения:
0,92*X1 =0,08*X3
0,99*0,08*X3=X4
0,998*X4=20,41
X 6 =0,0658*X 3 +0,79*X 2 +0,002*X 4
0,92*X1 -0,08*X3 =0
0,0792*X3-X4 =0
0,8558*X 3 +0,002*X 4 - X 6 =0
0,92*X1 -0,08*X3 =0
0,0792*X3 -20,45=0
0,8558*X 3 +0,002*20,45-X 6 =0
0,92*X1 -0,08*X3 =0
0,8558*X3 +0,041-X6 =0
0,92*X 1=0,08*257,23
0,8558*257,23+0,041-X 6 =0
X 1 = 22,37 = N 011
X 3 = 257,23 = X 2 = N 12 \u003d N 012
X 7 = 2162,2 = G 301
X 4 = 20,45 = N 23 SO3
X 6 = 220,18 = N 301
1. Количество на целевия продукт:
X 7 = G 301 = 2162,2 кг 92,5% сярна киселина
2. Консумация на сяра:
X 1 = N 011 = 22,37 kmol
m s =N s *M S =22,37*32=715,84 кг
G S начален =715.84/0.92=778.1 kg е въведен в системата
3. Въздушен поток:
X 2 \u003d X 3 \u003d N 012 = 257,23 kmol
G въздух = N въздух * M въздух = 257,23 * 29 = 7459,67 кг
4. Определяне на потреблението на кислород и азот
G O2 = 7459,67 * 0,21 = 1566,7 кг
G N2 = 7459,67 * 0,79 = 5893,1 кг
5. Определете количеството SO 2, съдържащо се в газа:
X 3 = N 12 = 257,23 kmol
N 12 SO2 = 257,23 * 0,08 = 20,58 kmol
G SO2 =N SO2 *M SO2 =20,58*64=1317 кг
6. Определяне на SO 3, съдържащ се в газа:
X 4 = N 23 SO3 = 20,45 kmol
G SO3 =N SO3 *M SO3 =20,45*80=1636 кг
7. Разход на вода за усвояване:
G 03 = G 301 * M H2O / M H2SO4 = 2162,2 * 18 / 98 = 397 кг
8. Пътни газове:
X 6 = N 301 = 220,18 kmol
G 301 \u003d G 301 SO2 + G 301 N2 + G 301 SO3 + G 301 O2 = 1317 * 0,01 + 5893,1 +
0.002*1636+0.065*7459.67=13.17+5893.1+3.27+484.88=
3.Материален баланс.
| Въведени | Получено | ||||
| Реагенти | килограма | % маса | продукти | килограма | % маса |
| сяра | 778,1 | 9 | Сярна киселина: | 2162,2 | 25 |
| Вода | 397 | 4,6 | H2SO4 | 2000 | 23,2 |
| Въздух: | 7459,67 | 86,4 | H2O | 162,2 | 1,8 |
| 21% O 2 | 1566,7 | 18,1 | Пътни газове: | 6394,42 | 74,1 |
| 79% н 2 | 5893,1 | 69,3 | SO2 | 13,17 | 0,15 |
| N 2 | 5893,1 | 68,25 | |||
| ТАКА 3 | 3,27 | 0,06 | |||
| O2 | 484,88 | 5,64 | |||
| несъответствие | 78,15 | 0,9 | |||
| Обща сума | 8634,77 | 100 | Обща сума | 8634,77 | 100 |
Библиография.
1. Г.Н. Кононова, В.В. Сафонов, Н.Г. овчар. Разработване на алгоритъм и изчисляване на материалния баланс на химико-технологична система. Москва. 1995 г.
2. Учебник за химико-технологични специалности на университети под редакцията на проф. I.P. Мухленов. Обща химическа технология. Част 2 "Най-важните химически производства". Москва "Висше училище" 1984г.
3. сутринта Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. Обща химическа технология. Второ издание, коригирано и разширено. Москва "Гимназия" 1990г.
4. Бележки от лекцията (преподавател: Г. Н. Кононова)
Чистата сяра се подава през нагрят тръбопровод от надлеза до колектора. Източникът на течна сяра в отделението за печене може да бъде както агрегатът за топене и филтриране на сяра на бучки, така и агрегатът за източване и съхранение на течна сяра от железопътни цистерни. От колектора през междинен колектор с вместимост 32 m3 сярата се изпомпва през пръстеновиден серен тръбопровод към котелния агрегат за изгаряне в поток от изсушен въздух.
Когато сярата се изгаря, серен диоксид се образува чрез реакцията:
S(течност) + O2(газ) = SO2(газ) + 362,4 kJ.
Тази реакция протича с отделяне на топлина.
Процесът на горене на течна сяра във въздушна атмосфера зависи от условията на изгаряне (температура, дебит на газа), от физичните и химичните свойства (наличие на пепел и битумни примеси в нея и др.) и се състои от отделни последователни етапи:
смесване на капки течна сяра с въздух;
нагряване и изпаряване на капки;
образуване на газова фаза и запалване на газообразна сяра;
изгаряне на пари в газовата фаза.
Тези етапи са неразделни един от друг и протичат едновременно и паралелно. Има процес на дифузионно изгаряне на сяра с образуване на серен диоксид, малко количество серен диоксид се окислява до триоксид. По време на изгарянето на сярата, с повишаване на температурата на газа, концентрацията на SO2 нараства пропорционално на температурата. При изгаряне на сярата се образуват и азотни оксиди, които замърсяват произвежданата киселина и замърсяват вредните емисии. Количеството образувани азотни оксиди зависи от начина на горене на сярата, излишния въздух и температурата на процеса. С повишаване на температурата количеството на образуваните азотни оксиди се увеличава. С увеличаване на коефициента на излишък на въздух, количеството на образуваните азотни оксиди се увеличава, достигайки максимум при коефициент на излишък на въздух от 1,20 до 1,25, след което спада.
Процесът на изгаряне на сяра се извършва при проектна температура не повече от 1200ºC с подаване на излишен въздух към циклонните пещи.
При изгаряне на течна сяра се образува малко количество SO3. Общият обемен дял на серен диоксид и триоксид в технологичния газ след котела е до 12,8%.
Чрез вдухване на студен изсушен въздух в газопровода пред контактния апарат, технологичният газ се охлажда допълнително и се разрежда до работните стандарти (общата обемна част на серен диоксид и триоксид е не повече от 11,0%, температура е от 390 ° C до 420 ° C).
Течната сяра се подава към дюзите на циклонните пещи на горивния блок от две потопяеми помпи, едната от които е резервна.
Изсушеният в сушилната кула въздух от вентилатор (една - работна, една - резервна) се подава към агрегата за изгаряне на сяра и разреждане на газа до работните норми.
Изгарянето на течна сяра в количество от 5 до 15 m 3 /h (от 9 до 27 t/h) се извършва в 2 циклонни пещи, разположени една спрямо друга под ъгъл от 110 градуса. и свързан към котела чрез свързваща камера.
За горене се подава течна филтрирана сяра с температура от 135 o C до 145 o C. Всяка пещ има 4 дюзи за сяра с парна риза и една пускова газова горелка.
Температурата на газа на изхода на енергийния технологичен котел се контролира от дроселна клапа на горещия байпас, който пропуска газ от камерата за догарене на циклонните пещи, както и студен байпас, който пропуска част от въздуха покрай котелния блок в димоотвода след котела.
Енергиен водотръбен блок с естествена циркулация, еднопроходен за газ е предназначен за охлаждане на серни газове при изгаряне на течна сяра и генериране на прегрята пара с температура от 420 ° C до 440 ° C при налягане от 3,5 до 3,9 MPa.
Енергийната технологична единица се състои от следните основни възли: барабан с вътрешно-барабанно устройство, изпарително устройство с конвективна греда, тръбна охладена рамка, пещ, състояща се от два циклона и преходна камера, портал, рамка за барабанът. Паропрегревателят 1-ва степен и 1-вият стадий икономайзер са обединени в един дистанционен блок, 2-ра степен на прегревател и 2-ра степен икономайзер са разположени в отделни отдалечени блокове.
Температурата на газа след пещите пред изпарителния блок се повишава до 1170 ° C. В изпарителната част на котела технологичният газ се охлажда от 450 ° C до 480 ° C, след студения байпас температурата на газа намалява от 390 ° C до 420 ° C. Охладеният технологичен газ се изпраща към следващия етап на производство на сярна киселина - окисляване на серен диоксид до серен триоксид в контактен апарат.
Сярата е химичен елемент, който е в шестата група и третия период на периодичната таблица. В тази статия ще разгледаме подробно неговия химикал и производство, употреба и т.н. Физическата характеристика включва такива характеристики като цвят, ниво на електропроводимост, точка на кипене на сярата и др. Химическата описва нейното взаимодействие с други вещества.
Сярата от гледна точка на физиката
Това е крехко вещество. При нормални условия той е в твърдо агрегатно състояние. Сярата има лимоненожълт цвят.
И в по-голямата си част всички негови съединения имат жълти оттенъци. Не се разтваря във вода. Има ниска топло- и електрическа проводимост. Тези характеристики го характеризират като типичен неметал. Въпреки факта, че химическият състав на сярата изобщо не е сложен, това вещество може да има няколко вариации. Всичко зависи от структурата на кристалната решетка, с помощта на която са свързани атомите, но те не образуват молекули.
И така, първият вариант е ромбична сяра. Тя е най-стабилната. Точката на кипене на този вид сяра е четиристотин четиридесет и пет градуса по Целзий. Но за да премине дадено вещество в газообразно агрегатно състояние, то първо трябва да премине през течно състояние. И така, топенето на сярата се случва при температура, която е сто и тринадесет градуса по Целзий.
Вторият вариант е моноклинна сяра. Представлява игловидни кристали с тъмно жълт цвят. Топенето на сярата от първия тип и след това бавното й охлаждане води до образуването на този тип. Този сорт има почти същите физически характеристики. Например, точката на кипене на сярата от този тип все още е същите четиристотин четиридесет и пет градуса. Освен това има такова разнообразие от това вещество като пластмаса. Получава се като се изсипва в студена вода, загрята почти до кипене ромбично. Точката на кипене на сярата от този тип е същата. Но веществото има свойството да се разтяга като гума.
Друг компонент на физическата характеристика, за който бих искал да говоря, е температурата на запалване на сярата.
Този индикатор може да варира в зависимост от вида на материала и неговия произход. Например, температурата на запалване на техническата сяра е сто и деветдесет градуса. Това е доста ниска цифра. В други случаи точката на възпламеняване на сярата може да бъде двеста четиридесет и осем градуса и дори двеста петдесет и шест. Всичко зависи от това от какъв материал е добито, каква плътност има. Но можем да заключим, че температурата на горене на сярата е доста ниска, в сравнение с други химични елементи, тя е запалимо вещество. В допълнение, понякога сярата може да се комбинира в молекули, състоящи се от осем, шест, четири или два атома. Сега, след като разгледахме сярата от гледна точка на физиката, нека да преминем към следващия раздел.
Химическа характеристика на сярата
Този елемент има относително ниска атомна маса, тя е равна на тридесет и два грама на мол. Характеристиката на серния елемент включва такава характеристика на това вещество като способността да има различни степени на окисление. По това се различава от, да речем, водород или кислород. Като се има предвид въпроса каква е химичната характеристика на серния елемент, е невъзможно да не се спомене, че в зависимост от условията той проявява както редуциращи, така и окислителни свойства. Така че, в ред, разгледайте взаимодействието на дадено вещество с различни химични съединения.
Сяра и прости вещества
Простите вещества са вещества, които съдържат само един химичен елемент. Неговите атоми могат да се комбинират в молекули, както например в случая на кислорода, или да не се комбинират, както е в случая с металите. Така сярата може да реагира с метали, други неметали и халогени.
Взаимодействие с метали
За извършване на този вид процес е необходима висока температура. При тези условия възниква реакция на присъединяване. Тоест металните атоми се комбинират със серни атоми, като по този начин образуват сложни вещества сулфиди. Например, ако загреете два мола калий, като ги смесите с един мол сяра, ще получите един мол сулфид на този метал. Уравнението може да се запише в следния вид: 2K + S = K 2 S.
Реакция с кислород
Това е изгаряне на сяра. В резултат на този процес се образува неговият оксид. Последните могат да бъдат два вида. Следователно, изгарянето на сярата може да се случи на два етапа. Първият е, когато един мол сяра и един мол кислород образуват един мол серен диоксид. Можете да напишете уравнението за тази химическа реакция, както следва: S + O 2 \u003d SO 2. Вторият етап е добавянето на още един кислороден атом към диоксида. Това се случва, ако добавите един мол кислород към два мола при висока температура. Резултатът е два мола серен триоксид. Уравнението за това химично взаимодействие изглежда така: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3. В резултат на тази реакция се образува сярна киселина. И така, чрез извършване на двата описани процеса е възможно полученият триоксид да премине през струя водна пара. И получаваме Уравнението за такава реакция се записва, както следва: SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4.
Взаимодействие с халогени
Химически, подобно на други неметали, му позволяват да реагира с тази група вещества. Той включва съединения като флуор, бром, хлор, йод. Сярата реагира с всеки от тях, с изключение на последния. Като пример можем да посочим процеса на флуориране на елемента от периодичната таблица, която разглеждаме. Чрез нагряване на споменатия неметал с халоген могат да се получат два варианта на флуорид. Първият случай: ако вземем един мол сяра и три мола флуор, получаваме един мол флуор, чиято формула е SF 6. Уравнението изглежда така: S + 3F 2 = SF 6. Освен това има и втори вариант: ако вземем един мол сяра и два мола флуор, получаваме един мол флуорид с химическа формула SF 4 . Уравнението се записва в следния вид: S + 2F 2 = SF 4 . Както можете да видите, всичко зависи от пропорциите, в които се смесват компонентите. По абсолютно същия начин е възможно да се извърши процесът на хлориране на сярата (могат да се образуват и две различни вещества) или бромиране.
Взаимодействие с други прости вещества
Характеризирането на елемента сяра не свършва дотук. Веществото може също да влезе в химическа реакция с водород, фосфор и въглерод. Поради взаимодействието с водорода се образува сулфидна киселина. В резултат на нейната реакция с метали могат да се получат техните сулфиди, които от своя страна също се получават чрез директна реакция на сяра със същия метал. Добавянето на водородни атоми към серните атоми става само при условия на много висока температура. Когато сярата реагира с фосфор, се образува нейният фосфид. Той има следната формула: P 2 S 3. За да получите един мол от това вещество, трябва да вземете два мола фосфор и три мола сяра. Когато сярата взаимодейства с въглерода, се образува карбидът на разглеждания неметал. Химичната му формула изглежда така: CS 2. За да получите един мол от това вещество, трябва да вземете един мол въглерод и два мола сяра. Всички реакции на присъединяване, описани по-горе, се случват само когато реагентите се нагряват до високи температури. Разгледахме взаимодействието на сярата с прости вещества, сега нека преминем към следващата точка.
Сяра и комплексни съединения
Съединенията са тези вещества, чиито молекули се състоят от два (или повече) различни елемента. Химичните свойства на сярата й позволяват да реагира със съединения като основи, както и с концентрирана сулфатна киселина. Неговите реакции с тези вещества са доста особени. Първо, помислете какво се случва, когато въпросният неметал се смеси с алкали. Например, ако вземете шест мола и към тях добавите три мола сяра, получавате два мола калиев сулфид, един мол от дадения метален сулфит и три мола вода. Този вид реакция може да се изрази със следното уравнение: 6KOH + 3S \u003d 2K 2 S + K2SO 3 + 3H 2 O. Взаимодействието протича по същия принцип, ако добавите След това помислете за поведението на сярата при концентриран разтвор към него се добавя сулфатна киселина. Ако вземем един мол от първото и два мола от второто вещество, получаваме следните продукти: серен триоксид в количество от три мола, а също и вода - два мола. Тази химическа реакция може да се осъществи само когато реагентите се нагряват до висока температура.
Получаване на разглеждания неметал
Има няколко основни метода, чрез които сярата може да бъде извлечена от различни вещества. Първият метод е да го изолирате от пирит. Химическата формула на последния е FeS 2 . Когато това вещество се нагрява до висока температура без достъп до кислород, може да се получи друг железен сулфид - FeS - и сяра. Реакционното уравнение се записва, както следва: FeS 2 = FeS + S. Вторият метод за получаване на сяра, който често се използва в промишлеността, е изгарянето на серен сулфид при условие на малко количество кислород. В този случай можете да получите считаните неметални и вода. За да извършите реакцията, трябва да вземете компонентите в моларно съотношение две към едно. В резултат на това получаваме крайните продукти в пропорции две към две. Уравнението за тази химическа реакция може да бъде записано, както следва: 2H 2 S + O 2 = 2S + 2H 2 O. Освен това сяра може да се получи по време на различни металургични процеси, например при производството на метали като никел, мед и др.
Индустриална употреба
Неметалът, който разглеждаме, е намерил своето най-широко приложение в химическата индустрия. Както бе споменато по-горе, тук се използва за получаване на сулфатна киселина от нея. В допълнение, сярата се използва като компонент за производството на кибрит, поради факта, че е запалим материал. Незаменим е и при производството на експлозиви, барут, искри и др. Освен това сярата се използва като една от съставките в продуктите за борба с вредителите. В медицината се използва като компонент при производството на лекарства за кожни заболявания. Също така въпросното вещество се използва при производството на различни багрила. Освен това се използва при производството на фосфор.
Електронна структура на сярата
Както знаете, всички атоми се състоят от ядро, в което има протони - положително заредени частици - и неутрони, тоест частици с нулев заряд. Електроните се въртят около ядрото с отрицателен заряд. За да бъде един атом неутрален, той трябва да има същия брой протони и електрони в структурата си. Ако има повече от последните, това вече е отрицателен йон - анион. Ако, напротив, броят на протоните е по-голям от броя на електроните, това е положителен йон или катион. Серният анион може да действа като киселинен остатък. Той е част от молекулите на вещества като сулфидна киселина (сероводород) и метални сулфиди. Анион се образува по време на електролитна дисоциация, която се получава, когато веществото се разтваря във вода. В този случай молекулата се разлага на катион, който може да бъде представен като метален или водороден йон, както и катион - йон на киселинен остатък или хидроксилна група (OH-).
Тъй като серийният номер на сярата в периодичната таблица е шестнадесет, можем да заключим, че точно този брой протони е в нейното ядро. Въз основа на това можем да кажем, че има и шестнадесет електрона, които се въртят наоколо. Броят на неутроните може да се намери чрез изваждане на серийния номер на химичния елемент от моларната маса: 32 - 16 \u003d 16. Всеки електрон не се върти произволно, а по определена орбита. Тъй като сярата е химичен елемент, който принадлежи към третия период на периодичната таблица, около ядрото има три орбити. Първият има два електрона, вторият - осем, а третият - шест. Електронната формула на серния атом се записва по следния начин: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
Разпространение в природата
По принцип разглежданият химичен елемент се намира в състава на минерали, които са сулфиди на различни метали. На първо място, това е пирит - желязна сол; също е олово, сребро, меден блясък, цинкова смес, цинобър - живачен сулфид. В допълнение, сярата може да бъде включена и в състава на минерали, чиято структура е представена от три или повече химични елемента.
Например халкопирит, мирабилит, кизерит, гипс. Можете да разгледате всеки един от тях по-подробно. Пиритът е железен сулфид или FeS 2 . Има светложълт цвят със златист блясък. Този минерал често може да се намери като примес в лапис лазули, който се използва широко за направата на бижута. Това се дължи на факта, че тези два минерала често имат общо находище. Медният блясък - халкоцит или халкозин - е синкаво-сиво вещество, подобно на метала. и сребърният блясък (аргентит) имат сходни свойства: и двете изглеждат като метали, имат сив цвят. Цинобърът е кафяво-червен матов минерал със сиви петна. Халкопиритът, чиято химическа формула е CuFeS 2, е златистожълт, нарича се още златен бленд. Цинковата смес (сфалерит) може да има цвят от кехлибар до огнено оранжев. Mirabilite - Na 2 SO 4 x10H 2 O - прозрачни или бели кристали. Нарича се още използван в медицината. Химическата формула на кизерита е MgSO 4 xH 2 O. Изглежда като бял или безцветен прах. Химическата формула на гипса е CaSO 4 x2H 2 O. Освен това този химичен елемент е част от клетките на живите организми и е важен микроелемент.
Физически и химични основи на процеса на горене на сярата.
Изгарянето на S става с отделяне на голямо количество топлина: 0,5S 2g + O 2g = SO 2g, ΔH = -362,43 kJ
Горенето е комплекс от химични и физични явления. В инсинератор човек трябва да се справя със сложни полета от скорости, концентрации и температури, които е трудно да се опишат математически.
Изгарянето на разтопен S зависи от условията на взаимодействие и изгаряне на отделните капчици. Ефективността на горивния процес се определя от времето на пълно изгаряне на всяка частица сяра. Изгарянето на сярата, което се случва само в газовата фаза, се предшества от изпаряване на S, смесване на неговите пари с въздух и нагряване на сместа до t, което осигурява необходимата скорост на реакцията. Тъй като изпарението от повърхността на капката започва по-интензивно само при определен t, всяка капка течна сяра трябва да бъде нагрята до това t. Колкото по-високо е t, толкова по-дълго е необходимо за загряване на капката. Когато над повърхността на капката се образува горима смес от пари S и въздух с максимална концентрация и t, настъпва запалване. Процесът на горене на капка S зависи от условията на горене: t и относителната скорост на газовия поток и физикохимичните свойства на течността S (например наличието на твърди примеси от пепел в S) и се състои от следните етапи : 1-смесване на капки течност S с въздух; 2-загряване на тези капки и изпаряване; 3-термично парно разделяне S; 4-образуване на газовата фаза и нейното запалване; 5-изгаряне на газовата фаза.
Тези етапи протичат почти едновременно.
В резултат на нагряване капка течен S започва да се изпарява, парите на S дифундират към зоната на горене, където при високи t започват да реагират активно с O 2 на въздуха, процесът на дифузионно изгаряне на S протича с образуване на SO 2.
При високо t скоростта на окислителната реакция S е по-голяма от скоростта на физичните процеси, така че общата скорост на процеса на горене се определя от процесите на пренос на маса и топлина.
Молекулната дифузия определя спокоен, сравнително бавен процес на горене, докато турбулентната дифузия го ускорява. Тъй като размерът на капчиците намалява, времето за изпаряване намалява. Финото пулверизиране на серните частици и равномерното им разпределение във въздушния поток увеличава контактната повърхност, улеснява нагряването и изпаряването на частиците. По време на изгарянето на всяка отделна капка S в състава на горелката трябва да се разграничат 3 периода: аз- инкубация; II- интензивно изгаряне; III- период на изгаряне.
Когато капка изгори, от повърхността й изригват пламъци, наподобяващи слънчеви изригвания. За разлика от конвенционалното дифузионно горене с изхвърляне на пламъци от повърхността на горяща капка, то се наричаше "експлозивно горене".
Изгарянето на S капката в дифузионен режим се осъществява чрез изпаряване на молекули от повърхността на капката. Скоростта на изпаряване зависи от физичните свойства на течността и t на околната среда и се определя от характеристиката на скоростта на изпаряване. В диференциален режим S светва в периоди I и III. Експлозивно изгаряне на капка се наблюдава само в периода на интензивно горене през II период. Продължителността на периода на интензивно изгаряне е пропорционална на куба на първоначалния диаметър на капката. Това се дължи на факта, че експлозивното горене е следствие от процесите, протичащи в обема на капката. Характеристика на скоростта на горене изч. от f-le: ДА СЕ= /τ sg;
d n е началният диаметър на капката, mm; τ е времето на пълно изгаряне на капката, s.
Характеристиката на скоростта на горене на капка е равна на сумата от характеристиките на дифузионно и експлозивно горене: ДА СЕ= K vz + K diff; kvz= 0,78∙exp(-(1,59∙p) 2,58); K диф= 1,21∙p +0,23; K T2\u003d K T1 ∙ exp (E a / R ∙ (1 / T 1 - 1 / T 2)); K T1 - константа на скоростта на горене при t 1 \u003d 1073 K. K T2 - const. скорост на нагряване при t различна от t 1 . Еа е енергията на активиране (7850 kJ/mol).
ТОГАВА. Основните условия за ефективно изгаряне на течност S са: подаване на цялото необходимо количество въздух към отвора на горелката, фино и равномерно разпръскване на течност S, турбуленция на потока и високо t.
Общата зависимост на интензитета на изпаряване на течност S от скоростта на газа и t: К 1= a∙V/(b+V); a, b са константи, зависещи от t. V - скорост газ, m/s. При по-високо t зависимостта на интензитета на изпаряване S от скоростта на газа се дава от: К 1= K o ∙ V n ;
| t, o C | LGK за | н |
| 4,975 | 0,58 | |
| 5,610 | 0,545 | |
| 6,332 | 0,8 |
С увеличаване на t от 120 до 180 o C, интензивността на изпаряване на S се увеличава с 5-10 пъти, а t 180 до 440 o C с 300-500 пъти.
Скоростта на изпарение при скорост на газа 0,104 m/s се определя от: = 8,745 - 2600/T (при 120-140 o C); = 7,346 -2025/T (при 140-200 o С); = 10,415 - 3480/Т (при 200-440°С).
За да се определи скоростта на изпарение S при всеки t от 140 до 440 ° C и скоростта на газа в диапазона 0,026-0,26 m / s, първо се намира за скорост на газа от 0,104 m / s и се преизчислява до друга скорост: lg = lg + n ∙ lgV `` /V ` ; Сравнението на стойността на интензивността на изпаряване на течната сяра и скоростта на горене предполага, че интензивността на горене не може да надвишава интензивността на изпаряване при точката на кипене на сярата. Това потвърждава правилността на горивния механизъм, според който сярата гори само в състояние на пара. Константата на скоростта на окисление на серни пари (реакцията протича по уравнение от втори ред) се определя от кинетичното уравнение: -dС S /d = К∙С S ∙С О2 ; C S е концентрацията на парите S; C O2 - conc-I пари O 2; K е константата на скоростта на реакцията. Общата концентрация на пари S и O 2 op-yut: C S= a(1-x); С О2= b - 2ax; а е началната концентрация на парите S; b - начална концентрация на пари О 2; х е степента на парно окисление S. Тогава:
K∙τ= (2,3 /(b – 2a)) ∙ (lg(b – ax/b(1 - x)));
Константа на скоростта на окислителната реакция S до SO 2: LGK\u003d B - A / T;
| относно C | 650 - 850 | 850 - 1100 |
| V | 3,49 | 2,92 |
| А |
Капки сяра d< 100мкм сгорают в диффузионном режиме; d>100 µm в експлозив, в областта от 100-160 µm, времето на горене на капките не се увеличава.
Че. за интензифициране на процеса на горене е препоръчително да се разпръсква сяра на капчици d = 130-200 µm, което изисква допълнителна енергия. При изгаряне е получен същият брой S. SO 2 е толкова по-концентриран, колкото по-малък е обемът на пещния газ и толкова по-висока е неговата t.
1 - СО2; 2 - С SO2
Фигурата показва приблизителна връзка между t и концентрацията на SO 2 в газа от пещта, получен при адиабатното изгаряне на сяра във въздуха. На практика се получава високо концентриран SO 2, ограничен от факта, че при t > 1300 облицовката на пещта и газопроводите бързо се разрушават. Освен това при тези условия могат да възникнат странични реакции между O 2 и N 2 на въздуха с образуването на азотни оксиди, което е нежелан примес в SO 2, следователно t = 1000-1200 обикновено се поддържа в серни пещи. А пещните газове съдържат 12-14 об.% SO 2 . От един обем O 2 се образува един обем SO 2, следователно максималното теоретично съдържание на SO 2 в горивния газ при изгаряне на S във въздуха е 21%. При изгаряне на S във въздуха, стрелба. O 2 Съдържанието на SO 2 в газовата смес може да се увеличи в зависимост от концентрацията на O 2 . Теоретичното съдържание на SO 2 при изгаряне на S в чист O 2 може да достигне 100%. Възможният състав на газа за печене, получен чрез изгаряне на S във въздуха и в различни кислородно-азотни смеси, е показан на фигурата:
Пещи за изгаряне на сяра.
Изгарянето на S при производството на сярна киселина се извършва в пещи в пулверизирано или телевизионно състояние. За изгаряне на разтопеното S използвайте дюзи, циклонни и вибрационни пещи. Най-широко използваните са циклон и инжектор. Тези пещи се класифицират според признаците:- според вида на монтираните дюзи (механични, пневматични, хидравлични) и разположението им в пещта (радиални, тангенциални); - от наличието на екрани вътре в горивните камери; - по изпълнение (хоризонти, вертикали); - според разположението на входните отвори за подаване на въздух; - за устройства за смесване на въздушни потоци с S пари; - за оборудване за използване на топлината на горене S; - по брой камери.
Пещ с дюзи (ориз)
1 - стоманен цилиндър, 2 - облицовка. 3 - азбест, 4 - прегради. 5 - дюза за пръскане на гориво, 6 дюзи за пръскане на сяра,
7 - кутия за подаване на въздух към пещта.
Той има доста прост дизайн, лесен за поддръжка, има изображение на газ, постоянна концентрация на SO 2. До сериозни недостатъцивключват: постепенно разрушаване на преградите поради високи t; ниско топлинно напрежение на горивната камера; трудност при получаване на газ с висока концентрация, т.к. използвайте голям излишък от въздух; зависимост на процента на изгаряне от качеството на пръскане S; значителен разход на гориво по време на стартиране и нагряване на пещта; сравнително големи размери и тегло и в резултат на това значителни капиталови инвестиции, производствени площи, експлоатационни разходи и големи топлинни загуби в околната среда.
По-перфектен циклонни фурни.
1 - предкамера, 2 - въздушна кутия, 3, 5 - камери за доизгаряне, 4. 6 щипкови пръстени, 7, 9 - дюзи за подаване на въздух, 8, 10 - дюзи за подаване на сяра.
Доставка:тангенциален вход на въздух и S; осигурява равномерно изгаряне на S в пещта поради по-добра турбуленция на потока; възможност за получаване на крайния технологичен газ до 18% SO 2; високо топлинно напрежение на пещното пространство (4,6 10 6 W / m 3); обемът на апарата се намалява с коефициент 30-40 в сравнение с обема на пещ с дюзи със същия капацитет; постоянна концентрация SO 2; просто регулиране на горивния процес S и неговата автоматизация; краткотраен и горим материал за нагряване и стартиране на пещта след дълго спиране; по-ниско съдържание на азотни оксиди след пещта. Основни седмицисвързано с високо t в процеса на горене; възможно напукване на облицовката и заварките; Незадоволителното пръскане на S води до пробив на парите му в t/обменното оборудване след пещта и следователно до корозия на оборудването и непостоянство на t на входа на t/обменното оборудване.
Molten S може да влезе в пещта през тангенциални или аксиални дюзи. С аксиалното разположение на дюзите зоната на горене е по-близо до периферията. При допирателна - по-близо до центъра, поради което се намалява ефектът на високото t върху облицовката. (ориз) Дебитът на газа е 100-120 m / s - това създава благоприятни условия за пренос на маса и топлина, а скоростта на изгаряне увеличава S.
Вибрираща фурна (ориз).
1 – глава на пещта на горелката; 2 - връщащи клапани; 3 - вибрационен канал.
При вибрационно горене всички параметри на процеса периодично се променят (налягане в камерата, скорост и състав на газовата смес, t). Устройство за вибрации. изгарянето S се нарича пещ-горелка. Преди пещта S и въздухът се смесват и те преминават през възвратни клапани (2) в главата на пещта-горелка, където сместа се изгаря. Доставката на суровини се извършва на порции (процесите са циклични). В тази версия на пещта топлинният стрес и скоростта на горене се увеличават значително, но преди запалване на сместа е необходимо добро смесване на напръскания S с въздух, така че процесът да върви моментално. В този случай продуктите на горенето се смесват добре, SO 2 газовият филм, заобикалящ S частиците, се разрушава и улеснява достъпа на нови порции O 2 в зоната на горене. В такава пещ полученият SO 2 не съдържа неизгорели частици, концентрацията му е висока в горната част.
За циклонна пещ, в сравнение с пещ с дюзи, тя се характеризира с 40-65 пъти по-голямо термично напрежение, възможност за получаване на по-концентриран газ и по-голямо производство на пара.
Най-важното оборудване за пещите за изгаряне на течност S е дюзата, която трябва да осигурява тънко и равномерно разпръскване на течност S, добро смесване с въздуха в самата дюза и зад нея, бързо регулиране на скоростта на потока на течност S, докато поддържане на необходимото му съотношение с въздух, стабилност на определена форма, дължина на горелката, а също така имат солиден дизайн, надежден и лесен за използване. За безпроблемната работа на дюзите е важно S да е добре почистен от пепел и битум. Дюзите са механични (подава се под собствено налягане) и пневматични (въздухът все още участва в пръскането) действие.
Използване на топлината от изгаряне на сярата.
Реакцията е силно екзотермична, в резултат на което се отделя голямо количество топлина и температурата на газа на изхода на пещите е 1100-1300 0 C. За контактно окисление на SO 2 температурата на газа на входа на 1-ви слой на cat-ra не трябва да надвишава 420 - 450 0 C. Следователно, преди етапа на окисление на SO 2 е необходимо да се охлади газовият поток и да се използва излишната топлина. В системите със сярна киселина, работещи със сяра за оползотворяване на топлината, най-широко се използват водотръбни котли за рекуперация на топлина с естествена топлинна циркулация. SETA - C (25 - 24); RKS 95 / 4,0 - 440.
Енергиен технологичен котел RKS 95/4.0 - 440 е водотръбен, с естествена циркулация, газонепропусклив котел, предназначен за работа с херметизация. Котелът се състои от изпарители 1-ва и 2-ра степен, дистанционни икономийзери 1.2 степен, дистанционни пароперегреватели 1.2 степен, барабан, пещи за горене на сяра. Пещта е предназначена за изгаряне на до 650 тона течност. Сяра на ден. Пещта се състои от два циклона, свързани един спрямо друг под ъгъл 110 0 и преходна камера.
Вътрешно тяло с диаметър 2,6 м, лежи свободно върху подпори. Външният корпус е с диаметър 3 м. Пръстеновидното пространство, образувано от вътрешния и външния кожух, се запълва с въздух, който след това влиза в горивната камера през дюзи. Сярата се подава към пещта от 8 серни дюзи, по 4 на всеки циклон. Изгарянето на сярата се случва във въртящ се газово-въздушен поток. Завихрянето на потока се постига чрез тангенциално въвеждане на въздух в горивния циклон през въздушни дюзи, по 3 във всеки циклон. Количеството въздух се контролира от моторизирани клапи на всяка въздушна дюза. Преходната камера е проектирана да насочва газовия поток от хоризонталните циклони към вертикалния газопровод на изпарителя. Вътрешната повърхност на камината е облицована с мулит-корундова тухла от марката MKS-72 с дебелина 250 мм.
1 - циклони
2 - преходна камера
3 - устройства за изпаряване
Изгарянето на сярата е сложен процес поради факта, че сярата има молекули с различен брой атоми в различни алотропни състояния и голяма зависимост на физикохимичните й свойства от температурата. Механизмът на реакцията и добивът на продуктите се променят както с температурата, така и с налягането на кислорода.
| Пример за зависимостта на точката на оросяване от съдържанието на CO2 в продуктите на горенето. |
Изгарянето на сяра при 80°C е възможно по различни причини. Все още няма твърдо установена теория за този процес. Предполага се, че част от това се случва в самата пещ при висока температура и с достатъчен излишък на въздух. Изследванията в тази посока (фиг. 6б) показват, че при малки излишъци на въздух (от порядъка на cst 105 и по-долу) образуването на 80 s в газове рязко намалява.
Изгарянето на сярата в кислород протича при 280 С, а във въздуха при 360 С.
Изгарянето на сярата се извършва в целия обем на пещта. В този случай газовете се получават по-концентрирани и тяхната обработка се извършва в апарати с по-малки размери, а пречистването на газа е почти елиминирано. Серният диоксид, получен чрез изгаряне на сяра, в допълнение към производството на сярна киселина, се използва в редица индустрии за почистване на маслени разфасовки като хладилен агент, при производството на захар и др. SCb се транспортира в стоманени цилиндри и резервоари в течност състояние. Втечняването на SO2 се извършва чрез компресиране на предварително изсушен и охладен газ.
Изгарянето на сярата се извършва в целия обем на пещта и завършва в камерите, образувани от прегради 4, където се подава допълнителен въздух. От тези камери се извежда горещ газ от пещ, съдържащ серен диоксид.
Изгарянето на сярата е много лесно да се наблюдава в механичните пещи. На горните етажи на пещите, където в горящия материал има много FeS2, целият пламък е оцветен в синьо - това е характерният пламък при изгаряне на сяра.
Процесът на изгаряне на сяра се описва с уравнението.
Изгарянето на сярата се наблюдава през зрително стъкло в стената на пещта. Температурата на разтопената сяра трябва да се поддържа в рамките на 145 - 155 C. Ако продължите да повишавате температурата, вискозитетът на сярата постепенно нараства и при 190 C тя се превръща в гъста тъмнокафява маса, което затруднява изпомпването и спрей.
Когато сярата гори, има една кислородна молекула на атом сяра.
| Схема на комбинирана система с контактна кула, използваща естествена киселина от кула като суровина. |
По време на изгарянето на сярата в пещта се получава серен диоксид при печене със съдържание около 14% S02 и температура на изхода от пещта около 1000 C. При тази температура газът влиза в котела за отпадна топлина 7, където парата се получава чрез понижаване на нейната температура до 450 С. Серният диоксид със съдържание около 8% SO2 трябва да се изпрати към контактния апарат 8, следователно след котела за отпадъчна топлина част от газа или целият горивен газ се разрежда до 8% SO2 с въздух, нагрят в топлообменник 9. В контактния апарат 50 - 70% от серен анхидрид се окислява до серен анхидрид.