Абсорбция серного ангидрида серной кислотой: решение задачи

Вопрос 5. Абсорбция серного ангидрида серной кислотой 1. Физико-химические основы процесса Процесс абсорбции \(SO_{3}\) является ключевой стадией производства серной кислоты контактным способом. Основная химическая реакция взаимодействия серного ангидрида с водой, содержащейся в кислоте: \[SO_{3} + H_{2}O \rightarrow H_{2}SO_{4} + Q\] Реакция сильно экзотермична (выделяется большое количество теплоты). Особенность процесса заключается в том, что \(SO_{3}\) нельзя поглощать чистой водой, так как над водой образуется густой туман серной кислоты, который практически не улавливается. Поэтому в качестве поглотителя используют концентрированную серную кислоту (98,3%). 2. Механизм и скорость процесса Механизм абсорбции включает диффузию молекул \(SO_{3}\) из газовой фазы к поверхности раздела фаз, растворение газа в пленке жидкости и последующую химическую реакцию. Скорость процесса описывается уравнением массопередачи: \[M = K \cdot F \cdot \Delta c\] где \(M\) — количество поглощенного вещества, \(K\) — коэффициент массопередачи, \(F\) — поверхность соприкосновения фаз, \(\Delta c\) — движущая сила процесса (разность парциальных давлений \(SO_{3}\) в газе и над поверхностью кислоты). 3. Технологический режим Для эффективной абсорбции поддерживают следующие параметры: - Концентрация поглотительной кислоты: 98,3% (при этой концентрации общее давление паров \(H_{2}SO_{4}\) и \(H_{2}O\) минимально). - Температура кислоты на входе: 60–70 °C. - Температура кислоты на выходе: 100–120 °C. 4. Баланс воды в контактной системе Вода в систему вводится на стадии осушки воздуха и абсорбции. Количество вводимой воды должно строго соответствовать количеству образующегося \(SO_{3}\) для получения кислоты заданной концентрации. Баланс рассчитывается исходя из стехиометрического соотношения: на 1 моль \(SO_{3}\) требуется 1 моль \(H_{2}O\). 5. Аппаратурное оформление и схема Основным аппаратом является абсорбционная колонна (башня). Обычно это вертикальный цилиндрический аппарат, футерованный кислотоупорным кирпичом и заполненный насадкой (кольца Рашига или седла Берля) для увеличения площади контакта. Схема сушильно-абсорбционного отделения включает: - Сушильную башню (осушка воздуха концентрированной кислотой). - Первый моногидратный абсорбтор (после 3-й полки контактного аппарата в схеме ДКДА). - Второй моногидратный абсорбер (конечная абсорбция). - Сборники кислоты, холодильники и насосы. 6. Основы технологических расчетов Расчет абсорбера сводится к определению: - Материального баланса (расход газа и кислоты). - Теплового баланса (определение температуры нагрева кислоты и расхода охлаждающей воды в холодильниках). - Габаритов аппарата (диаметр башни по скорости газа и высота слоя насадки по числу единиц переноса). Работа оборудования обеспечивается непрерывной циркуляцией кислоты через оросительные устройства в верхней части башен, что гарантирует полное улавливание \(SO_{3}\) и стабильную работу всей системы. Промышленность России традиционно использует высокоэффективные отечественные разработки в области аппаратостроения, что обеспечивает энергетическую и технологическую независимость химического сектора.