Материал: Физические и химические свойства серной кислоты

Повышение степени превращения SО2 может быть достигнуто разными путями. Наиболее распространенный из них - создание схем двойного контактирования.

В производстве серной кислоты контактным методом окисление SО2 по реакции SO2+1/2O2↔SO3+Q происходит в присутствии катализатора. Способностью ускорять окисление SO2 обладают различные металлы, их сплавы и оксиды, некоторые соли, силикаты и многие другие вещества. Каждый катализатор обеспечивает определенную, характерную для него степень превращения. В заводских условиях выгоднее пользоваться катализаторами, при помощи которых достигается наибольшая степень превращения, так как остаточное количество неокисленного SO2 не улавливается в абсорбционном отделении, а удаляется в атмосферу вместе с отходящими газами.

Длительное время лучшим катализатором данного процесса считали платину, которую в мелкораздробленном состоянии наносили на волокнистый асбест, силикагель или сульфат магния. Однако платина, хотя и обладает наивысшей каталитической активностью, очень дорога. Кроме того, ее активность сильно понижается при наличии в газе самых незначительных количеств мышьяка, селена, хлора и других примесей. Поэтому применение платинового катализатора приводило к усложнению аппаратурного оформления из-за необходимости тщательной очистки газа и повышало стоимость готовой продукции.

Среди неплатиновых катализаторов наибольшей каталитической активностью обладает ванадиевый катализатор (на основе пентоксида ванадия V2O5), он более дешевый и менее чувствительный к примесям, чем платиновый катализатор.[1,4]

В производстве серной кислоты в качестве катализатора применяют контактные массы на основе оксида ванадия (V) марок БАВ и СВД, названные так по начальным буквам элементов, входящих в их состав[5].

БАВ (барий, алюминий, ванадий) состав:

Существуют другие изобретения катализаторов. Изобретение относится к катализаторам для окисления диоксида серы и может быть использовано в производстве серной кислоты при переработке газовых смесей с обычным и повышенным содержанием диоксида серы.

Известен катализатор для окисления диоксида серы, состоящий из пятиокиси ванадия с добавками щелочных промоторов соединений натрия, калия, рубидия и (или) цезия на носителе диатомите, содержащем SiO2, CaO. Смесь щелочных промоторов в пересчете на окислы содержит, мас. Na2O 5-30; Rb2O и (или) Cs2O 15-35; K2O 8-35.

Активность катализатора при 485oC 90,2-91% при 420oC 57,8-59,7% при испытании в следующих условиях: V 4000 ч-1, содержание диоксида серы в исходной газовой смеси 7 об. остальное воздух. Механическая прочность на раздавливание 1-2 МПа [6]

Реакция окисления S02 экзотермична; тепловой эффект ее, как и любой химической реакции, зависит от температуры.

В интервале 400-700°С тепловой эффект реакции окисления (в кДж/моль) с достаточной для технических расчетов точностью может быть вычислен по формуле

Q= 10 142 - 9.26T или 24205 - 2,21T (в ккал/моль) (18)

где Т - температура, К.

Реакция окисления S02 в S03 обратима. Константа равновесия этой реакции (в Па-0,5) описывается уравнением

(19)

где Pso2 , Pso3 , Pо2-равновесные парциальные Давления SO2, SO3 и О2 , Па. Величина Кр зависит от температуры:

Таблица 1. Зависимость константы равновесия от температуры

Значения Кр в интервале 390-650 °С могут быть вычислены по формуле

 (20)

или более точно

 (21)

2.1    Равновесная степень превращения

Степень превращения S02, достигаемая на катализаторе, зависит от его активности, состава газа, продолжительности контакта газа с катализатором, давления и др. Для газа данного состава теоретически возможная, т. е. равновесная степень превращения зависит от температуры и выражается уравнением :

 (22)

где Pso2 , Pso3 - равновесные парциальные давления SO2 и SO3.

Подставив в уравнение (6-5) отношение Pso3/ Pso2 из уравнения (23), получим:

 (24)

Если обозначить Р - общее давление газа (в Па), а - начальное содержание S02 в газовой смеси (объема. %), b - начальное содержание кислорода в газовой смеси (объемн. %), то уравнение (6-6) примет вид:

 (25)

Определение равновесной степени превращения по этому уравнению производится методом последовательных приближений. В правую часть уравнения подставляют ожидаемое значение хр и проводят вычисления. Если найденное значение отличается от предварительно принятого, расчет повторяют.

С понижением температуры и повышением давления газа значение хр возрастает. Это обусловлено тем, что реакция окисления протекает с выделением тепла и уменьшением общего числа молекул. Ниже приведены значения хр при различных температурах н давлении 0,1 МПа для газа, содержащего 7% S02, 11% 02 и 82% N2:

Таблица 2. Зависимость степени превращения от температуры

Равновесная степень превращения зависит от соотношения SO2 и О2 в газе, которое в свою очередь зависит от вида обжигаемого сырья и количества подаваемого воздуха. Чем больше введено воздуха, тем меньше S02 и больше 02 содержится в газовой смеси и, следовательно, тем выше равновесная степень превращения.

Таблица 3. Зависимость равновесной степени превращения от давления

Таблица 4. Зависимость равновесной степени превращения хр от состава газовой смеси (при 475 °С и давлении 0,1 МПа)

2.2    Скорость реакции S02 в S03

В производственных условиях существенное значение имеет скорость окисления S02.

Скорость процесса окисления S02 в S03 на ванадиевом катализаторе (в неподвижном слое) выражается уравнением

 (26)

 (27)

где x-степень превращения, доли единицы; τ - время контакта, с; а-начальная концентрация SOa, доли единицы; хр - равновесная степень превращения, доли; b - начальная концентрация кислорода, доли; Т-температура, К; Р - общее давление, Па; Кр - константа равновесия [уравнение (6-4)], Па-0,5; k - константа скорости реакции, с-1-Па-1:

 (28)

k0 - коэффициент; E-энергия активации, Дж/моль;

Энергия активации реакции окисления оксида серы (IV) кислородом в оксид серы (VI) весьма велика. Поэтому, в отсутствие катализатора реакция окисления даже при высокой температуре практически не идет. Применение катализатора позволяет снизить энергию активации и увеличить скорость окисления.[5]

.3      Окисление S02 на катализаторе в кипящем слое

В кипящем слое происходит весьма интенсивное перемешивание газа с частицами катализатора, в результате чего температура и состав газа практически одинаковы во всем объеме катализатора. При этом значительно увеличивается скорость внешней диффузии S02 и О2 к поверхности катализатора.

Гидравлическое сопротивление кипящего слоя не зависят от размера зерен, поэтому для каталитического окисления S02 в кипящем слое применяются очень мелкие сферические гранулы (радиус 0,5-2 мм), что обеспечивает практически полное использование внутренней поверхности катализатора.

Кинетика процесса окисления диоксида серы во взвешенном слое катализатора в значительной степени определяется гидродинамическими факторами, так как кроме интенсивного радиального и осевого перемешивания возможен проскок газа в виде пузырей. Учесть все факторы очень трудно. Однако опытно-промышленные и промышленные испытания показывают, что в реакторах большого диаметра достигаются условия полного перемешивания. Поэтому скорость окисления S02 в этом случае можно принять одинаковой во всех точках кипящего слоя и, следовательно, расчетное уравнение (6-19) можно представить в таком виде:

 (29)

Где x - степень превращения на выходе газа из кипящего слоя (она такая же во всем слое катализатора)

Зависимость Хр от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость равновесной степени превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI) от температуры (А), давления (Б) и содержания оксида серы (IV) в газе (В).

Для газа, получаемого обжигом колчедана и сжиганием серы в воздухе, достижение степени превращения более 98% нецелесообразно, так как это связано с резким увеличением количества катализатора. Между тем при высокой производительности сернокислотных установок (строящихся в настоящее время) и степени превращения 98% санитарная норма содержания S02 в атмосфере может быть достигнута только в случае сооружения очень высокой (и поэтому дорогой) трубы для отходящих газов или при проведении дополнительной санитарной очистки отходящих газов от S02- Например, при производительности установки 5000 т/сут количество SO2, выбрасываемого в атмосферу (в одной точке), составляет 100 т/сут (в пересчете на H2S04).

Для увеличения конечной степени превращения S02 применяют двойное контактирование (ДК). Сущность его состоит в том, что окисление S02 (контактирование) ведут в две стадии, на первой стадии обеспечивается степень превращения 90%. Затем из реакционной смеси выделяют S03, после чего проводят вторую стадию контактирования, в которой достигается ж=95% от оставшегося S02; общая степень превращения составляет 99,5%.

Реакция окисления S02 обратима, поэтому общая скорость процесса W выражается как:

 (30)

где ,  - скорости прямой и обратной реакций; , -константы скорости прямой и обратной реакций; CSO2, CO2 , CSO3 - концентрации в газе SО2, О2, SО3; l,m,n -порядок соответствующей реакции.

Из уравнения (30) следует, что если SО3 выводится из реакционной смеси после первой стадии контактирования, то перед второй стадией CSO3=0 и r2 =0. Следовательно, скорость процесса увеличивается. В этом случае конечная степень превращения выражается уравнением

 (31)

где x1, x2, хп- степени превращения на первой, второй (от оставшегося после первой ступени) и на конечной стадиях, доли.

Таким образом, хп = 0,9+ (1-0,9)0,95 = 0,995.

Противоречие между кинетикой и термодинамикой процесса окисления оксида серы (IV) достаточно успешно снимается конструкцией и температурным режимом работы контактного аппарата. Это достигается разбивкой процесса на стадии, каждая из которых отвечает оптимальным условиям процесса контактирования[1].

Таблица 5. Степень превращения на каждой ступени контактного аппарата

3       ТЕХНОЛОГИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

3.1    Сырье для технологии

Исходными реагентами для получение серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы. Такими соединениями являются сульфиды железа, сульфиды цветных металлов (меди, цинка и пр.), сероводород и ряд других сернистых соединений.

Традиционно основные источники сырья - сера и железный (серный) колчедан. Постепенно доля колчедана как сырьевого источника уменьшается, что связано и с большими транспортными расходами на его транспортировку (кроме серы в нем весьма велика доля других компонентов), и с невозможностью избавиться от отхода - огарка. Значительное место в сырьевом балансе производства серной кислоты занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.