Контактный способ получения серной кислоты

Ежегодно производство серной кислоты в мире превышает 100 млн.тонн. В настоящее время серную кислоту во всем мире получают контактным способом..

Стадия: обжиг пирита

Сырьем для производства серной кислоты служат самородная сера и сульфидные руды. Среди них наибольшее значение имеет железный колчедан – пирит FeS₂. В природе он залегает массивными плотными слоями, из которых добывается в виде кусков, которые дробят и измельчают.

При производстве серной кислоты из пирита сернистый газ получают путем обжига серного колчедана:

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2­+Q

- реакция экзотермическая, необратимая, некаталитическая, гетерогенная.

Желательно эту реакцию проводить при таких условиях, когда, содержащаяся в пирите, сера наиболее полно используется для получения SO₂ и реакция протекает быстро. Производительность печи растет с увеличением скорости реакции обжига. Этого добиваются применяя оптимальные условия для данной реакции.

1. Измельчение пирита - Пирит перед обжигом измельчают до оптимальных размеров, увеличивая площадь его соприкосновения с кислородом воздуха. Частицы не должны быть крупными иначе они будут обжигаться только на поверхности, а внутри останется непрореагировавший пирит – это приведет к потерям сырья. Но и слишком мелкими тоже не должны быть, т.к. в этом случае произойдет слеживание, уплотнение слоя, через который кислород почти не проходит и площадь соприкосновения уменьшается, что приведет к уменьшению скорости реакции.

2. Обогащение воздуха кислородом – таким образом увеличивается концентрация одного из реагирующих веществ, что также способствует увеличению скорости реакции.

3. Обжиг пирита в кипящем слое - Чтобы увеличить скорость обжига используют принцип противотока – сверху в печь подают измельченный пирит, а снизу - воздух, обогащенный кислородом. Воздух вдувается через множество трубок под определенным давлением, которое отрегулировано так, чтобы частицы пирита не распылялись и не слеживались. Частицы оказываются в подвешенном состоянии, создавая иллюзию кипящей жидкости. Поэтому такой слой мелких частиц называется – кипящим. Таким образом, увеличивается площадь соприкосновения пирита и кислорода, каждая твердая частица омывается воздухом увеличивается скорость реакции. Раньше этот процесс длился 5-6 часов, а теперь занимает считанные секунды.

4. Поддержание определенной температуры - оптимальной считается температура 800^оС. Именно при этой температуре увеличивается число активных молекул, с достаточной кинетической энергией скорость реакции увеличивается. Но реакция экзотермическая, идет с выделением тепла, а значит температура будет повышаться и произойдет спекание частиц пирита. Чтобы избежать этого избыток теплоты отводят. В реакционный аппарат встраивают трубки, по которым пускают холодную воду. Нагреваясь, вода забирает лишнее тепло и превращается в водяной пар, который используется для производства электроэнергии или других целей.

Процесс обжига пирита непрерывный и механизированный. Пирит подается ленточным транспортером в бункер и из него в печь. Огарок, образующийся в процессе обжига, частично уносится печным газом, частично выводится через боковое отверстие в печи.
Оптимальные условия:

1. t = 800^оС

2. Измельчение пирита

3. Обогащение воздуха кислородом

4. Противоток пирита и воздуха

5. Обжиг пирита в «кипящем слое»

6. Теплообмен

Промежуточными стадиями являются очистка, осушение, теплообмен.

Печной газ, полученный при обжиге пирита, содержит примеси: огарок Fe₂O₃, N₂, O₂, примеси Cu, Ag, Zn, соединения As, водяные пары. Поэтому вначале необходимо этот газ очистить от пыли. Это осуществляется при помощи 2 аппаратов: циклона и электрофильтра. Вначале газ направляют на очистку от крупной пыли в циклон. Он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Газ подается сбоку в наружный цилиндр и перемещается сверху вниз по спирали. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенкам наружного цилиндра и падают в бункер, откуда затем удаляются. Очищенный газ по внутреннему цилиндру из аппарата уходит. Циклон – простой и экономичный аппарат, но он не очищает газ от мелких пылинок.

От мелкой пыли газ очищают в электрофильтре. Он состоит из мелких сеток, между которыми протянута проволока. К ней подведен ток высокого напряжения(60000 В). При этом проволока заряжается «-», сетки «+». газ поступает в камеру снизу. Под действием сильного электрического поля частицы пыли ионизируются и притягиваются к сеткам. Там они теряют свой заряд и падают вниз, в специальный бункер.

Но газ еще насыщен водяным паром, поэтому далее его направляют в сушильную башню. Сушильная башня заполнена керамическими кольцами, чтобы увеличить площадь соприкосновения газа и концентрированной серной кислоты. Сернистый газ поступает в башню снизу, а сверху разбрызгивается концентрированная серная кислота (принцип противотока). Кислота, стекая по кольцам вниз, образует на их поверхности пленку. При этом площадь соприкосновения кислоты и газа многократно увеличивается.

Очищенный газ подогревают в теплообменнике, используя тепло II стадии процесса: газовую смесь перед началом реакции окисления сернистого газа нужно нагреть, т.к. в процессе очистки она охлаждается. Поэтому перед контактным аппаратом помещают теплообменник. Горячий газ из контактного аппарата пропускают по трубам теплообменника, а между ними в противоположном направлении пропускают подогреваемую смесь газов. Таким образом происходит теплообмен между продуктами реакции и исходными веществами, поступающими в контактный аппарат.