Получение серной кислоты

Министерство образования и науки Российской федерации

 Федеральное  государственное автономное образовательное  учреждение 

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет  «МИФИ» 

Северский технологический институт – филиал НИЯУ МИФИ

(СТИ  НИЯУ МИФИ) 
 
 
 
 

  Кафедра ХиТМСЭ 
 
 
 

Получение серной кислоты 

Курсовая  работа 
 
 
 
 

         Студент гр. Д-310

         ____________ Баскова Е.В.

         «____»___________ 2012 г. 
 

Руководитель: профессор

                ____________Софронов В.Л.

                «____»_________ 2012 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Северск – 2012 

Содержание 

Введение ………………………………………………………………………..…3 

Глава 1 Аналитический обзор………………………………………………...….4

     1.1 Физические и химические свойства  серной кислоты………………..4

     1.2 Сырьевые источники получения  серной кислоты…………………....6

     1.3 Методы получения серной кислоты………………………………..…7 

Глава 2  Технологическая схема получения серной кислоты контактным способом и её описание…………………………………………………………11 

Глава 3 Технологические расчёты оборудования………………………….….14

     3.1 Расчёт печи обжига колчедана…………………………………….…14

     3.1.1 Материальный расчёт………………………………………..15

     3.1.2 Тепловой расчёт………………………………………...……17

     3.1.3 Конструктивный расчёт ……………….…………………….18

     3.2  Котёл-утилизатор………………………………………………….…20

     3.2.1 Тепловой расчёт…………………………………………..….20

     3.3 Контактный аппарат…………………………………………………..23

     3.3.1 Материальный расчет ……………………………………….23

     3.3.2 Тепловой расчет…………………………………………...…24 

Глава 4 Техника  безопасности………………………………………………….27 

Заключение………………………………………………………………………29 

Список литературы……………………………………………………………....30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Серная  кислота Н₂SО₄ – один из основных много тоннажных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии, в концентрированном виде не коррозирует черные металлы. В то же время серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.

     Серная  кислота – один из основных крупнотоннажных  продуктов химической промышленности, необходимый для производства минеральных  удобрений, диоксида титана, искусственных  волокон, взрывчатых веществ, неорганических кислот и множества других химических соединений.

     Мировое производство серной кислоты за последние  пять лет выросло на 18 % и по итогам 2007 г. должно достигнуть 200 млн. тонн, что в денежном выражении составляет около $9 млрд. При этом основной рост мощностей произошел благодаря увеличению производства серной кислоты из элементарной серы и отходящих газов цветной металлургии.

     Надо  отдельно отметить, что для предприятий  цветной металлургии серная кислота  является побочным продуктом, и с  увеличением выпуска цинка и  меди идет увеличение производство кислоты.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1 Аналитический обзор 

   1.1 Физические и химические свойства серной кислоты 

   Физические  свойства 

   Серная  кислота H₂SO₄— сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO₃. Если молярное отношение SO₃: H₂O < 1, то это водный раствор серной кислоты, если H₂O > 1, — раствор SO₃ в серной кислоте (олеум). Реактивная серная кислота имеет обычно плотность 1,84 г/см³ и содержит около 95 % H₂SO₄. Затвердевает она лишь ниже -20 °С.

   Температура плавления моногидрата равна 10,37 °С при теплоте плавления 10,5 кДж/моль. В обычных условиях он представляет собой очень вязкую жидкость с  весьма высоким значением диэлектрической  проницаемости (e = 100 при 25 °С). Стандартная  энтальпия образования 

ΔH = 298 кДж/моль. Стандартная энергия Гиббса образования

ΔG = 298 кДж/моль. Стандартная энтропия образования S = 298 Дж/(моль·K). Стандартная мольная теплоемкость C_p = 298 Дж/(моль·K) .[2] 

 Химические  свойства 

     Серная  кислота - сильная двухосновная кислота, диссоциация ее протекает по двум ступеням:

H₂SO₄ = H⁺ + HSO₄^- - первая ступень

HSO₄^- =H⁺ + SO₄^2- - вторая ступень

     В концентрированных растворах диссоциация  серной кислоты по второй ступени  незначительна. Серная кислота - сильнейшее дегидратирующее (водоотнимающее) вещество. Она поглощает влагу из воздуха (гигроскопична), отнимает воду от кристаллогидратов: 

H₂SO_{4 конц.}

CuSO₄*5H₂O _{голубой} ------------------------> CuSO_{4 белый} + 5H₂O; 

углеводов (обугливает дерево и бумагу): 

H₂SO_{4 конц.}

C₁₂H₂₂O₁₁ --------------------------> 12C + 11H₂O; 

спиртов: 
 

H₂SO_{4 конц.}

C₂H₅OH -----------------------------> CH₂=CH₂ + H₂O; 

     Серная  кислота проявляет все свойства сильных кислот:

а) взаимодействует  с основными оксидами, например: 

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O; 

б) с основаниями, например: 

2NaOH + H₂SO₄= Na₂SO₄ + 2H₂O; 

в) вытесняет  другие кислоты из их солей, например те, которые слабее нее: 

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + CO₂ + H₂O; 

или более летучие (обладающие температурами кипения  ниже, чем у серной кислоты): 

NaNO_3тв. + H₂SO_{4 конц}= NaHSO₄ + HNO₃- при нагревании 

     В окислительно-восстановительных реакциях разбавленная серная кислота проявляет  свойства обычной кислоты (неокислитель) - при этом восстанавливаются ионы Н⁺, например: 

Fe + H₂SO_{4 разб}= FeSO₄ + H_2; 

     Разбавленная H₂SO₄ не взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода .

Концентрированная серная кислота - кислота-окислитель, при  этом восстанавливается сера (+6).

Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода:

Cu + 2H₂SO_4конц= CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O; 

и металлы, стоящие  левее водорода, при этом сера восстанавливается  до степени окисления +4, 0 и -2: 

Zn + 2H₂SO₄ = ZnSO₄ + SO₂ + 2H₂O;

3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O;

4Zn + 5H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O; 

     Железо, алюминий, хром концентрированной серной кислотой пассивируются (не реагируют), однако при сильном нагревании реакция  начинается, например: 

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O; 

     Концентрированная серная кислота окисляет неметаллы, например: 

C + 2H₂SO₄ = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O;

S +2H₂SO₄ = 3SO₂ + 2H₂O; 

     Концентрированная серная кислота окисляет также сложные  вещества, например HI и HBr: 

2HBr + H₂SO₄ = Br₂ + SO₂ + 2H₂O;

8HI + H₂SO₄ = 4I₂ + H₂S + 4H₂O; 

соли железа: 

2FeSO₄ + 2H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O + SO_2;  [5] 
 
 

     1.2 Сырьевые источники  получения серной  кислоты 

     Сырьем  в производстве серной кислоты могут  быть элементарная сера и различные серосодержащие соединения, из которых может быть получена сера или непосредственно оксид серы (IV).

     Природные залежи серы невелики. Чаще всего сера находится в природе в форме сульфидов металлов и сульфатов металлов, а также входит в состав нефти, каменного угля, природного и попутного газов. Значительные количества серы содержатся в виде оксида серы в топочных газах и газах цветной металлургии и в виде сероводорода, выделяющегося при очистке горючих газов.

     Таким образом, сырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны, хотя до сих пор в качестве сырья  используют преимущественно элементарную серу и железный колчедан. Ограниченное использование таких видов сырья, как топочные газы тепловых электростанций и газы медеплавильного производства, объясняется низкой концентрацией  в них оксида серы (IV).

     При этом доля колчедана в балансе  сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

     В общей схеме сернокислотного  производства существенное значение имеют  две первые стадии – подготовка сырья и его сжигание или обжиг. Их содержание и аппаратурное оформление существенно зависят от природы  сырья, которая в значительной степени, определяет сложность технологического производства серной кислоты.[1]

  1.3 Методы получения  серной кислоты 

   В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO₂ в SO₃, различают два основных метода получения серной кислоты.

   В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO₂ в SO₃ проводят на твердых катализаторах.

   Триоксид  серы переводят в серную кислоту  на последней стадии процесса –  абсорбции триоксида серы, которую  упрощенно можно представить  уравнением реакции: 

SO₃ + H₂O à H₂SO₄ 

     При проведение процесса по нитрозному (башенному) методу в качестве переносчика кислорода  используют оксиды азота.

Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и конечным продуктом является серная кислота: 

SO₂ + N₂O₃ + H₂O à H₂SO₄ + 2NO 

     В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью .[2] 

     Контактный  метод получения серной кислоты 

     Рассмотрим  процесс получения серной кислоты  контактным методом из двух видов  сырья: серного (железного) колчедана  и серы.

Получение H₂SO₄ из колчедана.

     Первой  стадией процесса является окисление  сырья с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы. В зависимости  от вида сырья протекают экзотермические  химические реакции обжига: 

4FeS₂ +11O₂ à 2Fe₂O₃ + 8SO₂

S + O₂ à SO₂