Абсорбция триоксида серы в производстве серной кислоты

СОДЕРЖАНИЕ
Введение ………………………………………………………………... 3
1 Характеристика сырья и продуктов производства ………………….. 4
2 Физико-химические основы процесса ……………………………….. 8
3 Описание технологической схемы …………………………………… 11
3.1 Общая схема сернокислотного производства ……………………… 11
3.2 Схема абсорбционного отделения …………………………………… 17
4 Материальный баланс …………………………………………………. 19
4.1 Задание для расчета ……………………………………………………. 19
4.2 Блок-схема производства ……………………………………………… 20
4.3 Составление уравнение по каждому узлу …………………………… 21
4.4 Сводный материальный баланс процесса …………………………… 25
4.5 Расчет основных технологических показателей ……………………. 26
Заключение …………………………………………………………….. 27
Список использованной литературы …………………………………. 29
ВВЕДЕНИЕ
Химико-технологическая система по производству промышленной продукции состоит из совокупности подсистем, в каждой из которых реализуются физические, химические и физико-химические процессы, протекающих в различных аппаратах, объединенных в технологическую схему. Совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья, представляет собой химико-технологический процесс.
Материальные расчеты, наряду с тепловыми, являются основой технологических расчетов. Для любого аппарата, задействованного в химико-технологическом процессе, его части, либо совокупности аппаратов можно составить материальный баланс. Расчеты производственного оборудования, коммуникаций производятся после определения материальных потоков сырья и продуктов синтеза, представленных в виде материального баланса процесса [1].
Целью настоящей курсовой работы является отработка навыков составления материального баланса химико-технологического процесса на примере абсорбции триоксида серы в производстве серной кислоты.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
– рассмотреть характеристики исходного сырья и целевого продукта;
– изучить физико-химические основы процесса абсорбции;
– подобрать и описать технологическую схему процесса;
– провести расчет материальных потоков с составлением таблицы материального баланса;
– рассчитать основные технологические показатели.
Характеристика сырья и продуктов производства
И в России, и за рубежом наибольшее количество установок по производству серной кислоты использует в качестве сырья серу. Сера является побочным продуктом переработки природного газа и некоторых других промышленных газов (генераторного, газов нефтепереработки). Такие газы всегда содержат какое-то количество сернистых соединений. Сжигание неочищенного от серы природного газа приведет к загрязнению окружающей среды оксидами серы. Поэтому сернистые соединения обычно сначала удаляют в виде сероводорода, который затем частично сжигают до SО2, после чего смесь сероводорода и диоксида серы взаимодействует на слое боксита при 270-300 оС, превращаясь в результате этого взаимодействия в S и Н2O. Сера как сырье для производства серной кислоты имеет ряд преимуществ. Во-первых, она, в отличие от серного колчедана, почти не содержит примесей, которые могли бы представлять собой каталитические яды на стадии контактного окисления диоксида серы, например, соединений мышьяка. Во-вторых, при ее сжигании не образуется твердых и иных отходов, которые требовали бы складирования или поиска методов их дальнейшей переработки (при обжиге колчедана на 1 т исходного колчедана образуется практически столько же твердого отхода - огарка). В-третьих, серу значительно дешевле транспортировать, чем колчедан, так как это концентрированное сырье [2].
Поскольку данная курсовая работа посвящена рассмотрению последней стадии производства серной кислоты контактным методом, а именно – абсорбции триоксида серы – то исходным сырьем для абсорбционного отделения является SO3.
Триоксид серы (серный ангидрид) имеет относительную молекулярную массу 80,062. Это бесцветный газ, мгновенно взаимодействующий с парами воды с образованием тумана серной кислоты. При температуре 44оС триоксид серы превращается в бесцветную жидкость; в твердом состоянии он может существовать в трех модификациях: α-, β- и γ- с тепературами плавления 16,8, 31,5 и 62,2 оС соответственно. Модификация α-SO3 представляет собой мономер; β- и γ-SO3 – полимерные модификации. Жидкий триоксид серы смешивается в любых соотношениях с SO2 [3].
Целевым продуктом является серная кислота, которая по масштабам производства и разнообразию сфер применения занимает одно из первых мест в народном хозяйстве (рисунок 1) [4].

Рисунок 1 – Области применения серной кислоты
Серная кислота может существовать как самостоятельное химическое соединение H2SO4, а также в виде соединений с водой H2SO4·2H2O, H2SO4·H2O, H2SO4·4H2O и с триоксидом серы H2SO4·SO3, H2SO4·2SO3.
В технике серной кислотой называют и безводную H2SO4 и ее водные растворы (по сути дела, это смесь H2O, SO2 и соединений H2SO4·nH2O) и растворы триоксида серы в безводной H2SO4 – олеум (смесь H2SO4 и соединений H2SO4·nSO3).Безводная серная кислота – тяжелая маслянистая бесцветная жидкость, смешивающаяся с водой и триоксидом серы в любом соотношении. Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависят от ее состава [2].
Безводная 100%-ная серная кислота имеет сравнительно высокую температуру кристаллизации 10,7ºC. Чтобы уменьшить возможность замерзания товарного продукта при перевозке и хранении, концентрацию технической серной кислоты выбирают такой, чтобы она имела достаточно низкую температуру кристаллизации. Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты [4]:
Башенная кислота. Концентрация 75%. Температура кристаллизации -29,5 0С.
Контактная кислота. Концентрация 92,5%. Температура кристаллизации -22 0С.
Олеум. Концентрация 20% свободного SO3. Температура кристаллизации +2 0C.
Серная кислота и вода образуют азеотропную смесь состава 98,3% H2SO4 и 1,7% H2O с максимальной температурой кипения (336,5˚С). Состав находящихся в равновесии жидкой и паровой фаз для кислоты азеотропной концентрации одинаков. У более разбавленных растворов кислоты в паровой фазе преобладают пары воды, в паровой фазе над олеумом высока равновесная концентрация SO3.
Серная кислота весьма активна. Она растворяет оксиды металлов и большинство чистых металлов, вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Особенно жадно серная кислота соединяется с водой благодаря способности давать гидраты. Она отнимает воду у других кислот, от кристаллогидратов солей и даже кислородных производных углеводородов, которые содержат не воду как таковую, а водород и кислород в сочетании Н:О = 2. Дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу, крахмал и сахар, разрушаются в концентрированной серной кислоте; вода связывается с кислотой и от ткани остается лишь мелкодисперсный углерод. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров. При попадании на кожу человека концентрированная серная кислота вызывает ожоги .Рассмотренные свойства серной кислоты необходимо учитывать как при выборе технологического режима процесса, так и при проектировании отдельных аппаратов, трубопроводов и т. д. Например, при размещении цеха на открытой площадке необходимо предусмотреть теплоизоляцию трубопроводов, по которым циркулируют растворы серной кислоты, имеющие достаточно высокие температуры кристаллизации. Учет диаграммы фазового равновесия паров и жидкости позволяет правильно выбрать условия проведения стадии абсорбции триоксида серы, обеспечивающие высокую степень абсорбции и предупреждающие побочные явления, такие, например, как образование сернокислотного тумана.
При производстве серной кислоты контактным способом концентрация выпускаемой кислоты различна. Эта кислота содержит меньше оксидов азота и в ней меньше твердого остатка, чем в кислоте, полученной башенным способом, так как газ в контактной системе подвергается более тщательной очистке. Но эта кислота так же содержит продукты коррозии материалов, из которых выполнена аппаратура. Обычно товарный продукт должен отвечать определённым требованиям, сведенным в нормы, именуемые Государственными общесоюзными стандартами (ГОСТ) [6]. Принятые в нашей стране стандарты на серную кислоту и олеум подчиняются ГОСТ 2184-77.2. Физико-химические основы процесса
Последней стадией процесса производства серной кислоты контактным способом является абсорбция триоксида серы из газовой смеси и превращение его в серную кислоту. При выборе абсорбента и условий проведения стадии абсорбции необходимо обеспечить почти 100%-ное извлечение SO3 из газовой фазы. Для полного извлечения SO3 необходимо, чтобы равновесное парциальное давление SO3 над растворителем было ничтожно малым, так как при этом будет велика движущая сила процесса абсорбции. Однако в качестве абсорбента нельзя использовать и такие растворы, над поверхностью которых велико равновесное парциальное давление паров воды. В этом случае еще не растворенные молекулы SO3 будут реагировать с молекулами воды в газовой фазе с образованием паров серной кислоты и быстро конденсироваться в объеме с образованием мельчайших капель серной кислоты, диспергированных в инертной газовой среде – азоте, т. е. с образованием серно кислотного тумана:
SO3(г) + H2O(Г) => H2SO4(г) => H2SO4 (туман); ∆Η < 0.
Туман плохо улавливается в обычной абсорбционной аппаратуре и, в основном, уносится с отходящими газами в атмосферу, при этом загрязняется окружающая среда, возрастают потери серной кислоты.
Высказанные соображения позволяют решить вопрос о выборе абсорбента. Диаграмма фазового равновесия пар – жидкость для системы H2O – H2SO4 – SO3 (рисунок 2) показывает, что оптимальным абсорбентом является 98,3%-ная серная кислота (техническое название – моногидрат), соответствующая азеотропному составу. Действительно, над этой кислотой практически нет ни паров воды, ни паров SO3. Протекающий при этом процесс можно условно описать уравнением реакции [4]:
nSO3 + H2O = H2SO4 + (n-1)SO3 + Q
- если n > 1, то получается олеум (раствор SO3 в H2SO4);
- если n = 1 , то получается моногидрат (98,3% H2SO4);
- если n < 1, то получается разбавленная серная кислота.

Рисунок 2 – Температура кипения серной кислоты
при атмосферном давлении
Использование в качестве поглотителя менее концентрированной серной кислоты может привести к образованию сернокислотного тумана, а над 100%-ной серной кислотой или олеумом в паровой фазе довольно велико равновесное парциальное давление SO3, поэтому он будет абсорбироваться не полностью. Однако если в качестве одного из продуктов процесса необходимо получить олеум, можно совместить абсорбцию олеумом (1-й абсорбер) и абсорбцию 98,3%-ной кислотой (2-й абсорбер).
В принципе при высоких температурах над 98,3%-ной кислотой может быть значительным парциальное давление паров самой кислоты, что также будет снижать степень абсорбции SO3. Ниже 100˚C равновесное давление паров H2SO4 очень мало и поэтому может быть достигнута практически 100%-ная степень абсорбции.
Таким образом, для обеспечения высокой степени поглощения следует поддерживать в абсорбере концентрацию серной кислоты, близкую к 98,3%, а температуру ниже 100˚C. Однако в процессе абсорбции SO3 происходит закрепление кислоты (повышение ее концентрации) и в силу экзотермичности реакции увеличивается температура. Для уменьшения тормозящего влияния этих явлений абсорбцию ведут так, чтобы концентрация H2SO4 при однократном прохождении абсорбера повышалась только на 1 – 1,5%, закрепившуюся серную кислоту разбавляют в сборнике до концентрации 98,3%, охлаждают в наружном холодильнике и вновь подают на абсорбцию, обеспечивая высокую кратность циркуляции.
Чем ниже температура кислоты, орошающей абсорбер, тем выше степенно поглощения SO3 (рисунок 3).

Рисунок 3 – Степень абсорбции SO3 в моногидратном абсорбере
при различной температуре:
1 – при 60оС; 2 – при 80оС; 3 – при 100оС; 4 – при 120оС.
В промышленных условиях эта температура равна 60оС. Как видно из рисунка 3 при этом достигается почти 100%-ая абсорбция SO3, практически она составляет 99,9 – 99,99 %. При соприкосновении орошающей серной кислоты с газовой смесью после контактного аппарата из нее поглощается только серный ангидрид. Непоглощенные газы и пары серной кислоты, выходящие из моногидратного абсорбера, поступают в отделение очистки хвостовых газов для удаления всех примесей до ПДК, равной 0,03 об. % в пересчете на SO2 [3].
3. Описание технологической схемы
3.1 Общая схема сернокислотного производства
Производство серной кислоты из серосодержащего сырья включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Это может быть представлено в виде следующей схемы:

где I – стадия получения печного газа (оксида серы (IV)).
II – стадия каталитического окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI) и абсорбция его (переработка в серную кислоту).В реальном производстве к этим химическим процессам добавляется процессы подготовки сырья, очистки печного газа и другие механические и физико-химические операции. Конкретная технологическая схема производства зависит от вида сырья, особенностей каталитического окисления оксида серы (IV), наличие или отсутствия стадии абсорбции оксида серы (VI) [5].
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 → H2SO4.При проведении 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 → H2SO4 + 2NO.В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью [2].
Рассмотрим процесс получения серной кислоты контактным методом из двух видов сырья: серного (железного) колчедана и серы. Первой стадией процесса является окисление сырья с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы. В зависимости от вида сырья протекают экзотермические химические реакции обжига:
4FeS2 + 11О2 = 2Fe2O3 + 8SО2 (1)
S + O2 = SO2 (2)
При протекании реакции (1) помимо газообразного продукта реакции SО2 образуется твердый продукт Fe2O3, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Колчедан содержит различные примеси, в частности соединение мышьяка и фтора, которые в процессе обжига переходят в газовую фазу. Присутствие этих соединений на стадии контактного окисления диоксида серы может вызвать отравление катализатора. Поэтому реакционный газ после стадии обжига колчедана должен быть предварительно отправлен на стадию подготовки к контактному окислению (вторая стадия), на которой помимо очистки от каталитических ядов выделяются пары воды (осушение), а также получаются побочные продукты (Se и Те).
Если обжиговый газ получают сжиганием серы, то отпадает необходимость очистки от примесей. Стадия подготовки будет включать в себя лишь осушку газа и утилизацию теплоты. На третьей стадии протекает обратимая экзотермическая химическая реакция контактного окисления диоксида серы
SO2 + 0,5O2 = SO3 (3)
Последняя стадия процесса – абсорбция триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом. Отдельные этапы получения серной кислоты могут быть по-разному скомбинированы в технологическом процессе. Например, серную кислоту можно получить из колчедана по открытой схеме с так называемым одинарным контактированием (рисунок 4а). Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SО2 в SО3. Помимо увеличения производительности по получению серной кислоты выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SО2. Повышение степени превращения SО2 может быть достигнуто разными путями. Наиболее распространенный из них – создание схем двойного контактирования (рисунок 4б) и двойной абсорбции (ДКДА). Другим возможным вариантом решения той же задачи является проведение процесса по циклической (замкнутой) схеме с применением технического кислорода (рисунок 4в) [6].
Сущность метода двойного контактирования – двойной абсорбции (рисунок 5) заключается в том, что после первой ступени окисления диоксида в триоксид (степень конверсии 92-95 %) газ поступает на первую ступень абсорбции 10. Неокисленный диоксид серы, пройдя фильтр, где отделяются брызги серной кислоты и туман, нагревается в теплообменниках до температуры зажигания катализатора первого слоя 2-ой ступени контактного аппарата и проходит два слоя контактной массы. При этом суммарная степень контактирования составляет 99,7-99,8 %. После 2-й ступени контактирования газ поступает на абсорбцию, после которой содержание SO2 в выхлопных газах составляет 0,03-0,04 об. %, что соответствует ПДК.

Рисунок 4 – Функциональные схемы производства серной кислоты из колчедана методом одинарного контактирования (а), из серы методом двойного контактирования (6) и циклическим методом из серы (в)
Аппаратурная и принципиальная схемы производства серной кислоты из серы контактным методом приведены на рисунках 5, 6 [3].

Рисунок 5 – Аппаратурная схема производства серной кислоты из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции:
1 – печь для сжигания серы; 2 – котел-утилизатор; 3 – экономайзер;
4 – пусковая топка; 5, 6 –теплообменники пусковой топки;
7 – контактный аппарат; 8 – теплообменники; 9 – сушильная башня;
10, 11 – первый и второй моногидратные абсорберы;
12 – сборники кислоты; 13 – выхлопная труба
Расплавленную серу пропускают через сетчатые фильтры для очистки от возможных механических примесей и направляют в печь 1, в которую в качестве окислителя подают воздух, предварительно осушенный продукционной серной кислотой в сушильной башне 9. Выходящий из печи обжиговый газ охлаждают в котле-утилизаторе 2 с 1100-1200 0С до 440-450 0С и направляют с этой температурой, равной температуре зажигания промышленных катализаторов на основе пентоксида ванадия, на первый слой полочного контактного аппарата 7.
Температурный режим, необходимый для приближения рабочей линии процесса к линии оптимальных температур, регулируется пропусканием потоков частично вступившего в реакцию обжигового газа через теплообменники 8, где происходит его охлаждение нагреваемыми потоками газа после абсорбции (или осушенного воздуха). После третьей ступени контактирования обжиговый газ охлаждают в теплообменниках 8 и направляют в промежуточный моногидратный абсорбер 10, орошаемый циркулирующей через сборник кислоты 12 серной кислотой с концентрацией, близкой к 98,3%. После извлечения в абсорбере 10 триоксида серы и достигнутого вследствие этого отклонения от почти достигнутого равновесия газ вновь нагревают до температуры зажигания в теплообменниках 8 и направляют на четвертую ступень контактирования.
В данной схеме для охлаждения газа после четвертой ступени и дополнительного смещения равновесия к нему добавляют часть осушенного воздуха. Прореагировавшие в контактном аппарате газы пропускают для охлаждения через экономайзер 3 и направляют в заключительный моногидратный абсорбер 11, из которого не содержащие оксидов серы газы выбрасывают через выхлопную трубу 13 в атмосферу.
Для пуска установки (вывода ее на заданный технологический, в частности температурный, режим) предусмотрены пусковая топка 4 и теплообменники пусковой топки 5 и 6. Эти аппараты отключаются после вывода установки в рабочий режим.


Рисунок 6 – Принципиальная схема производства серной кислоты из серы методом двойного контактирования:
1 – сжатие воздуха; 2 – осушка воздуха; 3 – сжигание серы;
4 – охлаждение газа с использованием тепла для получения пара;
5, 10 – окисление SO2 на катализаторе; 6, 8 – подогрев SO2 и воздуха
за счет SO3; 7, 9 – абсорбция SO3 и получение H2SO4
Принципиальная схема производства серной кислоты из серы состоит в том, что расплавленная и отфильтрованная сера сжигается в потоке предварительно высушенного воздуха. Полученный сернистый газ охлаждают, отводимое тепло используется для получения пара. Затем диоксид серы окисляется по методу двойного контактирования с абсорбцией получаемого SO3 после каждой стадии контактирования [4].
3.2 Схема абсорбционного отделения
Схема последнего абсорбционного отделения производства серной кислоты приведена на рисунке 7 [3].

Рисунок 7 – Аппаратурная схема абсорбционного отделения:
1 – олеумный холодильник; 2 – олеумный абсорбер; 3 – моногидратный абсорбер; 4 – моногидратный холодильник; 5 – погружные насосы;
6 – сборник моногидрата; 7 – сборник олеума
4. Материальный баланс процесса
4.1 Задание для расчета
Поскольку абсорбция серного ангидрида является последней стадией в производстве серной кислоты контактным методом, то материальный баланс составим для всей схемы производства.
Стадии производства серной кислоты:
подготовка сырья: очистка и плавление серы; очистка, сушка и дозировка воздуха;
сжигание серы: S + O2 = SO2 (I)
Процесс ведут с избытком воздуха;
контактное окисление SO2 в SO3: SO2 + 0,5O2 = SO3 (II)
Процесс идет на ванадиевом катализаторе при температуре 420-550оС;
абсорбция SO3: SO3 + H2O = H2SO4 (III)
Абсорбционная колонна орошается 98,3% H2SO4. Перед отправкой на склад кислота разбавляется до ~93% H2SO4 в соответствии с требованиями ГОСТ [8]. Исходные данные приведены в таблице 1.Таблица 1 – Данные для расчета
Показатель Значение
Степень превращения серы в SO2, % 94,0
Степень превращения SO2 в SO3, % 99,5
Степень абсорбции SO3, % 99,7
Содержание SO2 в газе, поступающем в контактный аппарат, %
(по объему) 8,8
Содержание H2SO4 в целевом продукте, % по массе 93,5
Базис расчета, кг H2SO4 (на 1 тонну безводной серной кислоты) 1000
4.2 Блок-схема производства
Блок схема производства серной кислоты из серы контактным методом изображен на рисунке 8.
Позиционные обозначения:
- по блокам: 1 – сжигание серы; 2 – окисление сернистого газа; 3 – абсорбция триоксида серы;
- по потокам: 011 – сера жидкая; 012 – воздух; 12 – SO2 содержащий газ; 23 – SO3 содержащий газ; 03 – вода; 301 – выхлопные газы; 302 – целевой продукт (серная кислота) [7].

Рисунок 8 – Блок-схема производства серной кислоты из серы контактным методом
4.3 Составление уравнений по каждому узлу1.Составляем уравнения по первому узлу:
0,94·N011 = N12SO2
N12SO2 = N12·0,088 N011 = X1
0,94·N011 = N12·0,088 N12 = X3
0,94·X1 = X3·0,088 (1)
2. Составляем уравнения по второму узлу:
а) 0,995·N12SO2 = N23SO3
0,995·N12·0,088 = N23SO3 N23SO3 = X4
0,995·X3·0,088 = X4 (2)
б) N12·(0,21 - 0,088) = 2N23SO3
X3·(0,21 - 0,088) = 2X4 (3)
3.Составляем уравнение по третьему узлу:
а) G302·0,935 = 1000 базисное уравнение G302 = X7
X7·0,935 = 1000 (4)
б) 0,997·N23SO3 = 1000/Mr(H2SO4)
0,997·X4 = 1000/98 (5)
в) N301 = N301SO2 + N301N2 + N301SO3 + N301O2
N301SO2 = N12SO2·(1 – 0,995) = N12SO2·0,005 = N12·0,088·0,005
N301N2 = 0,79·N012
N301SO3 = N23SO3·(1 – 0,997)=0,003·N23SO3
N301O2 = N12·(0,21 - 0,088) - 1/2·N12·(0,21 - 0,088) =
= N12·0,122·(1- 1/2) = 0,122/2·N12
N301 = N12·0,088·0,005 + 0,79·N012 + 0,003·N23SO3 + 0,061·N12
N301 = 0,06144·N12 + 0,79·N012 + 0,003·N23SO3
X6 = 0,06144·X3 + 0,79·X2 + 0,003·X1 (6)
N012 = X2
N301 = X6
При этом учтем, что N12 = N012, т.е.
X2 = X3 (7)
Получили 6 неизвестных и 7 уравнений. Ввиду аналогичности уравнений (2) и (3) отбрасываем уравнение (3) и получаем систему [9]:
0,94·X1 = 0,088·X3
0,0876·X3 = X4
0,935·X7 = 1000
0,997·X4 = 10,2
X6 = 0,06144·X3 + 0,79·X2 + 0,003·X4
X3 = X2
0,94·X1 – 0,088·X3 = 0
0,0876·X3 – X4 = 0
X7 = 1069,52X4 = 10,230,85144·X3 + 0,003·X4 – X6 = 0
0,94·X1 – 0,088·X3 = 0
0,0876·X3 – 10,23 = 0
X7 = 1069,52X4 = 10,230,85144·X3 + 0,003·10,23 – X6 = 0

0,94·X1 – 0,088·X3 = 0
X3 = 116,78X7 = 1069,52X4 = 10,230,85144·X3 + 0,0307 – X6 = 0

0,94·X1 – 0,088·116,78 = 0
X3 = 116,78X7 = 1069,52X4 = 10,230,85144·116,78 + 0,0307 – X6 = 0

X1 = 10,93X3 = 116,78X7 = 1069,52X4 = 10,23X6 = 99,46X1 = 10,93 = N011
X3 = 116,78 = X2 = N12 = N012
X7 = 1069,52 = G301
X4 = 10,23 = N23SO3
X6 = 99,46 = N301
1.Количество целевого продукта:
X7 = G301 = 1069,52 кг 93.5% серной кислоты
2. Расход серы:
X1 = N011 = 10,93 кмольms = Ns·MS = 10,93·32 = 349,76 кг
GSнач = 349,76 / 0,94 = 372,09 кг было введено в систему.
3. Расход воздуха:
X2 = X3 = N012 = 116,78 кмольGвозд = Nвозд·Mвозд = 116,78·29 = 3386,62 кг
4. Расходы кислорода и азота
GO2 = 3386,62·0,21 = 711,19 кг
GN2 = 3386,62 – 711,19 = 2675,43 кг
Количество SO2, содержащегося в газе:
X3 = N12 = 116,78 кмольN12SO2 = 116,78·0,088 = 10,28 кмольGSO2 = NSO2·MSO2 = 10,28·64 = 657,92 кг
Количество SO3, содержащегося в газе:
X4 = N23SO3 = 10,23 кмольGSO3 = NSO3·MSO3 = 10,23·80 = 818,4 кг
Расход воды на абсорбцию:
G03 = G301·MH2O/MH2SO4 = 1069,52·18/98 = 196,44 кг
Выхлопные газы:
X6 = N301 = 99,46 кмольG301 = G301SO2 + G301N2 + G301SO3 + G301O2 =
= 657,92·0,005 + 2675,43 + 0.003·818,4 + 0,061·3386,62 =
= 3,29 + 2675,43 + 2,46 + 206,58 = 2887,76 кг4.4 Сводный материальный баланс процесса
Сводный материальный баланс производства серной кислоты из серы [9] представлен в таблице 2.
Таблица 2 – Материальный баланс процесса
Введено Получено
Реагенты кг % масс Продукты кг %масс
Сера 372,09 9,41 Серная кислота: 1069,52 27,03
Вода 196,44 4,97 H2SO4 1000 25,27
Воздух: 3386,62 85,62 H2O 69,52 1,76
21 % О2711,19 17,98 Выхлопные газы: 2887,76 72,97
79 % N2 2675,43 67,64 SO2 3,29 0,08
N2 2675,43 67,61
SO3 2,46 0,06
O2 206,58 5,22
Итого 3955,15* 100,00 Итого 3957,28* 100,00
* Невязка баланса составляет (3957,28 – 3955,15)·100/3957,28 = 0,054 % < 0,1 %, что допустимо [8].
4.5 Расчет основных технологических показателей
Расходные коэффициенты по сырью
а) теоретический
γстех = MS/MH2SO4 = 32/98 = 0,33;
б) практический
γпр = GS/GH2SO4 = 372,09/1000 = 0,37.
Степень превращения
χ = NH2SO4 / NS = 10,204 / 11,628 = 0,878 = 87,8 %.
Выход
.
Селективность [1]
φ = η / χ = 0,8775 / 0,878 = 0,9994 = 99,94 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения настоящей курсовой работы отработаны навыки составления материального баланса химико-технологического процесса на примере абсорбции триоксида серы в производстве серной кислоты.
В ходе работы решены следующие задачи:
– рассмотрены характеристики исходного сырья (триокисда серы) и целевого продукта (серной кислоты);
– изучены физико-химические основы процесса сернокислотной абсорбции;
– подобрана и описана технологическая схема процесса – аппаратурная и принципиальная;
– проведен расчет материальных потоков с составлением таблицы материального баланса. Для цельности восприятия промышленного производства серной кислоты из серы контактным методом расчет произведен для всех составляющих узлов и не ограничен одним лишь абсорбционным отделением;
– рассчитаны основные технологические показатели процесса.
В результате проведенных расчетов получены следующие характеристики процесса:
1) количество целевого продукта – 1069,52 кг 93,5% серной кислоты или 1000 кг 100 % серной кислоты;
2) расход серы – 372,09 кг;
3) расход воздуха – 3386,62 кг;
4) количество SO2, содержащегося в газе – 657,92 кг;
5) количество SO3, содержащегося в газе – 818,4 кг;
6) расход воды на абсорбцию – 196,44 кг;
7) содержание SO2 и SO3 в выхлопных газах 0,08 и 0,06 % масс. соответственно;
8) расходные коэффициенты по сырью: теоретический 0,33 кг S/кг H2SO4, практический 0,37 кг S/кг H2SO4;
9) степень превращения – 87,8 %;
10) выход – 87,75 %;
11) селективность – 99,94 %.
По результатам расчета принята схема производства серной кислоты из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции, последней стадией в которой является процесс абсорбции триоксида серы. Для обеспечения высокой степени поглощения следует поддерживать в абсорбере концентрацию серной кислоты, близкую к 98,3% (азеотропный состав), а температуру на уровне 60˚C. После абсорбции содержание SO2 в выхлопных газах соответствует ПДК.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Материальные балансы химико-технологических процессов: Методические указания для выполнения практических работ / Р.Х. Багманова, В.П. Дорожкин. – Нижнекамск: ФГБОУ ВПО «КНИТУ», 2012.
2. Амелин А.Г. Технология серной кислоты / А.Г. Амелин. – М.: Химия, 1983.
3. Мельников Е.А., Салтанова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений: Учебник для техникумов. – М.: Химия, 1983.
4. Васильев Б.Т. Технология серной кислоты / Б.Т.Васильев, М.И. Отвагина. – М.: Химия, 1985.
5. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. Учебник для технических вузов. – М.: Высшая школа, 1985. 
6. Амелин А. Г. Технология серной кислоты. Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. – М.:, Химия, 1983.
7. Позин М.Е. Расчеты по технологии неорганических веществ / М.Е. Позин. – Л.: Химия, 1977.
8. Практикум по общей химической технологии: учебное пособие для студентов вузов / Под ред. И.П. Мухленова. – М.: Высш. шк., 1979.
9. Сборник заданий и методических указаний по расчету материального баланса химико-технологический производств. / Брук Л.Г., Егорова Е.В., Кононова Г.Н. и др. Изд. 3-е, перераб. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008.