Tehnološki procesi hemijske industrije i životna sredine (inlove)2

Izvori zagađenja pri proizvodnji sumpurne kiseline

Aleksandra Vučkovic 21/08/11

Sadržaj

Uvod ..................................................................................................................... 2

Tehnološki procesi hemijske industrije i životna sredine........................................ 3

Tehnološki proces proizvodnje sumporne kiseline ................................................. 4

Proizvodnja sumporne kiseline .............................................................................. 7

Zaključak .............................................................................................................. 15

Literatura ............................................................................................................. 16

1



Uvod U cilju smanjenja rizika zagađivanja životne sredine potrebno je izvršiti analizu pojedinih tehnoloških procesa hemijske industrije i njihove kritične tačke u cilju minimizacije otpadnih materija i oslobođene energije, odnosno sprečavanja zagađivanja i adekvatnog upravljanja tehnološkim procesima. Pored hemijskih polutanata kao što su , recimo, gasovi, pare velikog broja hemijskih materija, u ovim tehnološkim procesima javlja se povišena temperatura vazduha i toplog zračenja, visoka relativna vlažnost, intezivna buka i vibracije, opasnost od mehaničkih i hemijskih povreda ( opekotine ) i dr.

2



Tehnološki procesi hemijske industrije i životna sredine Hemijska industrija je jedna od najvažnijih grana industrije, jer daje veliki broj proizvoda koji se korste kao sirovine u tehnološkim procesima ostalih industrija. Prema prirodi proizvoda koji se dobijaju, hemijska industrija se deli na:  Neorgansku i  Organsku U karakteristične tehnološke procese neorganske hemijske industrije, pri kojima dolazi do ugrožavanja životne sredine, ubrajamo proizvodnju: sumporne kiseline, azotne kiseline, fosforne kiseline, hlorovodonične kiseline, natrijumkarbonata, amonijak, veštačkih đubriva, natrijumtripolofosfata, neorganskih malternih veziva, stakala i drugih. U karakteristične tehnološke procese organske hemijske industrije, pri kojima dolazi do ugrožavanja životne sredine, ubrajamo proizvodnju: sapuna i deterdženata, boja i lakova, celuloze i papira, orkanskih kiselina, ftalanhidrida, polivinilhlorida, polistirena, polipropilena, štamparskih boja, sintetičkih vlakana, sintetičke gume, organskih jedinjenja, farmaceutskih sirovina, rastvarača i mnogih drugih. Mnoge od ovih industrija stvaraju određene otpadne materije koje zagađuju atmosferu, vodu i tlo, pa samim tim predstavljaju zagađivače radne i životne sredine. Ove materije se nalaze u manjim ili

3



vedim koncetracijama, a sve u zavisnosti od vrste tehnološkog procesa i preduzetih mera zaštite.

Tehnološki proces proizvodnje sumporne kiseline Sumporna kiselina je jedna od najvažnijih proizvoda hemijske industrije odlikuje se visokom hemijskom aktivnošdu. Energično reaguje sa metalima, potiskuje druge kiseline iz njihovih soli, a i veoma dobro se jedini sa vodom. Sva meka tkiva, pri kontaktu iz njihovih soli, se brzo razaraju i pri tome postaju crna. Zbog toga rad sa njom treba da bude oprezan. Visoka hemijska aktivnost sumporne kiseline daje mogudnost da se iz nje dobijaju novi proizvodi. Koriste se, bukvalno, u svim granama hemijske industrije i služi kao jedan od glavnih hemijskih prpizvoda koji određuju razvoj hemijske industrije, pa se ne bez razloga i naziva „ hlebom hemije“. U hemijskoj industriji najviše se koristi za proizvodnju veštačkih đubriva, ali je neophodnai za dobijanje boja, plastičnih masa, hemijskih vlakana, farmaceutskih preparata, naftnih produkata ( tečnih goriva, ulja za podmazivanje), eksploziv i dr. Upotreba sumporne kiseline ne iscrpljuje se samo hemijskom industrijom. Probijanje metala iz ruda u metalurgiji, nagrizanje metala u metaloprerađivačkoj industriji, obrada vlakana i tkanina koje su razređene rastvorima sumporne kiseline pre bojenja u tekstilnoj industriji, dobijanje celuloe i papira, dobijanje sirupa ( melasa ) i špiritusa u prehrambenoj industriji – ovo je nepotpun otisak oblasti korišdenja sumporne kiseline u raznim granama industrije. Suporna kiselina koja se koristi u industriji naziva se tehničkom. Ona predstavlja rastvorenu sumpornu kiselinu u vodi. Sadržaj ( koncetracija ) sumporne kiseline u tim rastvorima može biti različit: 4



kiselina po nitroznom postupku sadrži 75-78% H2SO4 i 22-25% H2O. Proizvedena u velikim količinama „kontaktna“ kiselina je koncentrovanija i čišda od kiseline po nitroznom postupku, u njoj je 92,5% H2SO4 i 7,5% H2O. Dosta se koriste i rastvori anhidrida sumporne kiseline ( SO3 ) u sumpornoj kiselini koji se nazivaju oclumi. U oleumu sadržaj SO3 18-20%; a ostalo je H2SO4. Osnovne sirovine za proizvodnju sumporne kiseline su vazduh, voda i sumpordioksid. Kao sirovina za dobijanje sumpordioksida, pa prema tome i sumporne kiseline, koristi se sumpor ili materijali u čiji sastav ulati sumpor. Sumpor se u prirodi nalazi u takozvanim sumpornim rudama, u kojima je pomešan sa drugim materijalima. Pri zagrevanju sumporne rude sumpor, topedi se, izlazi iz nje. Na tom principu zasnovana je jedna od metoda izdvajanja sumpora iz sumpornih ruda. Sumporni pirit je žudkasto siv kamen sa sjajnim legama. U sastav pirita ulazi mineral pirit FeS2. Sadržaj sumpora u piritu se krede od 35 do 50%, a govžđa 30 do 43% . Ostalo čine primese jedinjenja bakra, cinka, olova, arsena, selena i dr. Sem toga, sumpor se može dobiti iz ruda bakra, koje se upotrebljavaju za proizvodnju bakra i koje imaju u svom sastavu FeS2. Pri preradi rude bakra i flotacioni ostaci bogati sumporom koji predstavljaju najvažniju sirovinu za proizvodnju sumporne kiseline. Takođe, gasovi metalurških pedi, u kojima se prerađuju rude bakra, cinka i drugih obojenih metala, sadrže sumpordioksid. Ovi fasovi izlaze iz pedi, zagađuju životnu sredinu i štetno deluje na zdravlje ljudi. Iz njih se sumpor može dobiti prema slededim reakcijama: 2H2S+O2 2CS2+2SO2 4CO+2S02

S2+2H2O 3S2+2CO2 S2+4CO2

5



Na taj način se vrši reciklaža otpadnih gasova, a to ima dvostruki značaj – ekonomski i ekološki. Sumpordioksid i elementarni sumpor se mogu dobiti i oksidacijom sumporvodonika, koji se izdvaja prilikom dobijanja nafte i uglja. Hemizam dobijanja se može predstaviti slededim reakcijama: 2H2S+3O2 2H2S+O2

2SO2 +2H2O 2S+2H2O

Za dobijanje sumpordioksida koristi se elementarni sumpor koji se pali u prisustvu vazduha. Pri tome dolazi do reakcije: S+O2

SO2

Reakcija se izvodi u tzv. pedima za spaljivanje . Tom prilikom se dobija sumpordioksid koji nije zagađen štetnim primesama. Ped za spaljivanje sumpora obvijena je čeličnim cilindrom , Koji je obložen vatrostalnom ciglom . Istopljeni elementarni sumpor prenosi se vazduhom kroz rasprašivač u ped. Sumpor se zagreva na visokoj temperaturi u pedi uz pojavu plamena sumpora koji gori. Topljenje sumpora se završava u komorama obrazovanim pregradama , gde se prenosi dodatna količina vazduha. Iz komora izlazi vreo pedni gas koji sadrži sumpordioksid. Dobijanje sumpordioksida iz pirita može se opisati slededom reakcijom: 4FeS2+11O2

2Fe2O3+8SO2+3324 kJ

6



Proizvodnja sumporne kiseline Prilikom izajamnog dejstva FeS2 i kiseonika iz vazduha izdvaja se znatna količina toplote, a kao rezultat toga temperatura u pedi se povedava do 700-800 . Kao produkt pečenja pirita javlja se pedni gas koji sadrži približno 8-10% SO2, oko 10-11% O2, a ostalo je N2, koji je dospeo u ped sa vazduhom, i ostatak spaljenog pirita ( crveno-mrki produkt koji se uglavnom sastoji od oksida gvožđa). Pečenje pirita se vrši u pedima razlidite konstrukcije na temperaturi od oko 800 . Najrasprostranjenije su pedi sa „kipudim“ slojem . Ona predstavlja šuplju vertikalnu komoru , u čijem se donjem delu nalai ložište , nalik na rešetku. Na rešetku neprekidno dolazi sitno izdrobljen pirit, a ispod nje se uduvava vazduh. Vazduh prolazi kroz otvore rešetke velikom brzinom, podiže i meša pirit koji se nalazi na rešetki. Sloj pirita podseda, po spoljašnjem igledu, na tečnost koja vri ( odatle i naziv ped „kipudim“ slojem ). Iz gornjeg dela pedi izlazi spaljeni gas, a nešto niže ostatke, zgura . Gas koji izlazi iz pedi, nosi sa sobom sitne delove spaljene zgure. Kako ne bi zaprljali kiselinu koju dobijamo i aparaturu, spaljeni gas je potrebno očistiti. To se najbolje može postidi elektrofilterima. Očišden od prašine, spaljen gas sadrži oko 9% SO2, 9-10% O2 i oko 90%N2. Nastala zgura pri pečenju sadrži oko 50% fe. Na jednu tonu sumporne kiseline dobija se oko 0,6t zgure. Na taj način, količina zgure u toku godine dostiže milione tona i može biti iskorišdena za proizvodnju livenog fvožđa. Ipak, zgura koja se odstranjuje iz pedi nepodesna je za neposrednu primenu u visokoj pedi – ona je veoma sitna i sadržaj obojenih metala u njoj nadmašuje norme, koje dopušta proces u visokoj pedi. Zbog togam pre nego što se unese u proces

7



topljenja u visokoj pedi, zgura se podvrgava predhodnoj obradi. Takođe se koristi u proizvodnji cementa, za dobijanje mineralnih boja i dr. Postupak dobijanja sumporne kiseline iz sumpornog gasa sastoji se u njegovom uzajamnom dejstvu sa kiseonikom koji se nalazi u gasu dobijenom topljenjem. Kao rezultat toga dobija se sumpordioksid, koji zatim reaguje sa vodom, pri čemu nastaje sumporna kiselina. Prva reakcija u normalnim uslovima protiče jako sporo. U zavisnosti od načina oksidacije SO2 u SO3, sumpornu kiselinu možemo dobiti nitroznim i kontaktnim postupkom. Nitrozni postupak proizvodnje sumporne kiseline podrazumeva korišdenje oksida azota za oksidaciju sumpordioksida. Reakcije koje karakterišu ova postupak su sledede: SO2+NO2

SO3+NO

3.8.

SO3+H2O

H2SO4

3.9.

NO+0,5O2

NO2

3.10.

Reakcija 3.8. opisuje oksidaciju azotdioksida i sumpordioksida do sumportrioksida, koji, zatim, prema rekciji 3.9. asporbuje voda, pri čemu se stvara sumporna kiselina. Dobijeni oksid azota preka reakciji 3.8., oksiduje se kiseonikom iz gasa u pedi do azotdioksida ( reakcija 3.10. ), a ovaj vrada ponovo u proces. Na taj način, oksidi azota se teoretski ne troše u procesu. Jednačine 3.8. i 3.10. opisuju procese koji se odvijaju u gasnoj fazi. Kako su pokayala istraživanja, vedi deo SO2 oksiduje se u tečnoj fazi. Ovaj proces se odvija kroz niz faza. Pre svega, okside apsobuje sumporna kiselin, pri čemu se dobija nitrosumporna kiselin: 2H2SO4+NO+NO2

2O=N-O-SO2OH+H2O

3.11.

Dobijena nitrosuporna kiselina nalazi se u sumpornoj u rastvorenom stanju. Rastvor nitro kiseline u sumpornoj naziva se 8



nitroza. Dalje, nitrosumporna kiselina reaguje sa vodom i taj proces se naziva denitracija. O=N-O-SO2OH+H20

H2SO4+HNO2

3.12.

Sumpordioksid koji se nalazi u gasu pedi reaguje sa vodom i obrazuje sumporastu kiselinu: SO2+H2O

H2SO3

3.13.

koju zatim oksiduje azotasta kiselina nastala po reakciji 3.12., pri čemu se dobija sumporna kiselina, koncentracije 75%: H2SO3+2HNO2

H2SO4+2NO+H2O

3.14.

Oksid azota dobijen prema reakciji 3.8. oksiduje sa kiseonikom gasaiz pedi do azotdioksida koji se koristi za dobijanje nitroze prema reakciji 3.11. Na taj način, teoretski, oksidi azota se ne troše. Praktično dolazi do delimičnog gubitka azota sa gasovima koji se izdvajaju, a koji se kompezuju uvođenjem u sistem azotne kiseline. Nitrozni gasovi koji nastaju, obojen oksidima azota u mrko smeđu boju, izuzetno zagađuju životnu sredinu. Reakcije od 3.10 do 3.13 odigravaju se u tornjevima pa se i uređaj koji rade prema nitroznom postupku nazivaju toranjskim. To su cilindrični aparati prečnika 2-6m i visine 10-20m koji sa dodnje strane imaju dno,a sa gornje poklopac . U proizdovnji sumporne kiseline kupola ima čeličnu košuljicu . Sumporna kiselina razara metal košuljice pa je kupola iznutra obložena pločicama koje su otporne na kiselinu. Na dnu tornja nalazi se rešetka , od materijala koji je otporan na kiselinu, na koju je pričvršdena kupola , koju čine keramički cilindri. Kako se vidi sa slike, gas se dovodi sa donje,a ltečnost sa gornje strane, tj. kredu se suprotnostrujno. Kiselina se izdvaja sa donje, gas sa gornje strane torna.

9



Kontaktni postupak proizvodnje sumporne kiseline može se opisati kroz dve hemiske reakcije : 2SO2 + O2 → 2SO3

3.15.

SO3 + H2O → H2SO4

3.16.

Oksidacija sumpordioksida u sumportrioksid u normalnim uslovima se ne događa, pošto se ta reakcija odvija veoma malom brzinom. Za njeno ubrzavanje koristi se katalizator vanadijumentoksid (V2O5), koji se naziva „kontaktnim“ , pa otuda i nativ kontaktni postupak proizvodnje sumporne kiseline. Prečišdavanje nastalog gasa počinje odstranjivanjem prašine u elektrofilteru.Zatim,gas dolazi u kupole (cilindre) za ispiranje ,koji se orosavaju razblazenom sumpornom kiselinom.Kiselina hladi gas i rastvara jedinjenja arsena i selena,delimicno oslobadjajuci iz njih gas.Pri ispiranju gasa razblazenom sumprornom kiselinom stvara se sumporna kiselina u obliku magle,koja sadrzi As2O3.Ako cestice magle dodju u kontakt sa katolizatorom,onda ga one zagadjuju i katalizator ce ispasti iz uredjaja.Zato se cestice magle odstranjuju u takozvanom vlaznom elektrofilteru ,ciji je princip rada isti kao i kod elektrofiltera za talozenje prasine-cestice magle u polju visokog napona joniziraju se i gomilaju na elektrodama.Prošavši vlažan elektrofilter,gas se oslobađa vodene pare u cilindru za sušenje , koji se rasprskava koncertovanom sumpornom kiselinom.Nakon toga gas se prenosi kroy raymenjivac toplote . U kontaktnom aparatu vrši se oksidacija SO2 u SO3,reakcija koja se odvija uz izdvajanje toplote: 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + 190 kJ

3.17.

Kako je poznato,u tom slučaju,da bi smo pomerili ravnotežu reakcije s leva na desno,korisno je izvoditi proces na niskim temperaturama. Ipak,na niskim temperaturama reakcija de se odvijati veoma malom brzinom,pa de i stepen koverzije SO4 u SO3 biti veoma 10



mali.Polazedi od toga ,nalazi se takva temperatura na kojoj de brzina reakcije,odnosno stepen konverzije,biti velika.Takva temperatura naziva se optimalnom. Za reakciju 3.16. ona iznosi 440-4500C,a postiže se zagrevanjem gasa razmenjivačem toplote. Gas koji izlazi iz prvog sloja kontaktne mase ,dospeva u cevi gornjeg regulatora toplote ,gde se hladi gasom za kontakt koji se krede.Posle toga gas prelazi u drugi sloj kontaktne mase ,u kome se odvija reakcija 3.16.,ponovo se zagreva, a zatim vrada toplotu u drugi razmenjivač toplote itd. Na taj način stvara se neophodan temperaturni režim oksidacije sumpordioksida . Za dobijanje sumporne kiseline neophodno je apsorbovati sumportrioksid vodom (reakcija 3.15.) ili sumpornom kiselinom.Zato se vreo gas , koji izlazi iz kontaktnog aparata sa temperaturom oko 450C,hladi u cevnom razmenjivaču i dolazi u apsorber ,koji su poprskani sumpornom kiselinom. Iz kupole ističe ili koncertovana (kontaktna) kiselina ili oleum,koji se dobija kao rezultat rastvaranja sumportrioksida u sumpornoj kiselini. Možemo uporediti postupke dobijanja sumporne kiseline.Ono što se može zaključiti je da se kod kontaktnog postupka dobija koncentrovanija i čistija kiselina,ali skuplja nego kod nitroznog postupka. Kiselina dobijena u tornju primenjuje se pre svega tamo gde se ne traži kisleina visoke koncentracije, na primer,kod proizvodnje đubriva. Skladiranje sumporne kiseline.Sumporna kiselina se čuva u cisternama i rezervoarima do 3000 m3. Koncentrovana kiselina se može skladirati u čeličnim neobloženim rezervoarima jer su otporni na njeno dejstvo. Razblažena kiselina se čuva u obloženim čeličnim rezervoarima,koji su zaštideni materijalom otpornim na dejstvo kiseline. Stoprocentna kiselina i oleum se skladiraju u zatvorenim prostorijama sa grejanjem,a ostale vrste kiselina na otvorenom 11



prostoru.Ako u rezervoar uđe voda,tada se kiselina razblažuje,a čelik počinje da korodira vec sa koncentracijom kiseline ispod 85 % .

Tada dolazi do sledede reakcije: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

3.18.

Zbog sprečavanja procurenja sumporne kiseline,rezervoari se postavljaju tako da su lako dostupni za kontrolu. Zbog mogudeg, u blizini se postavljaju zaštitni rezervoari. Postoji i cev kojom se kiselina sprovodi do prihvatnog rezervoara da se ne bi kiselina prelivala. Postoje opasnosti i kod pretakanja. Prvi nacin pretakanja je kada na telu rezervoara postoji ventil. Ovaj način nije povoljan jer dihtunzi mogu da popuste,pa može dodi do izlivanja kiseline.Drugi način je da na telu nema ventila.Tada se pražnjenje vrši sifonskim putem. Treci način je putem vakumske komore kod koje se nalazi priključak za vakum pumpu. Prednost je što nema varova i može se daljinski kontrolisati. Po pravilu,sumporna kiselina se koristi na mestu proizvodnje. Međutim,za neke tehnologije potrebno je prevoziti do potrošača. Prevoz se vrši u čeličnim cisternama. Prilikom prevoza uleuma u zimskom periodu pre punjenja potrebno je podgrejati ga, a custernu izolovati kako ne bi došlo do kristalizacije. Analiza uticaja na životnu sredinu. Kao što možemo videti dobijanje sumporne kiseline pradeno je prisustvom brojnih zagađujudih materija. Tako pri sitnjenju i mlevenju pirita dolazi do stvaranja prasine koja sadrži slobodan SiO2 , kao i druge primase (arsen,olovo,cink,selen). Zbog toga je neophodno da uređaji za usitnjavanje budu zatvoreni i snadbeveni izduvnom ventilacijom,radi suzbijanja prašine u radnoj sredini. Pri pražnjenju pirita oslobađa se velika kolicina toplote što dovodi do povišenja temperature,vazduha i toplotnog zračenja.

12



U toku tehnološkog procesa dolazi do emisije sumpordioksida,sumportrioksida,para sumporaste i sumporne kiseline,oksida azota,kao i celokupan sumpordioksid koji se dobija oksidacijom elementarnog sumpora ili prženjem rude može da se prevede u sumpornu kiselinu. To zavisi pre svega od efikasnosti katalitičke reakcije (konverzije),sumpordioksida i sumportrioksid. Što je ta konverzija neefikasnija,to je emisija SO2 u atmosferu veda. Stepen konverzije zavisi od koncentracije SO2 u gasnoj smeši koja ulazi u konvertore,zatim od temperature reakcije i konačno od količine katalizatora vanadijumpentoksida,u konvertorima.Na primer, za koncentraciju SO2 od 9% u gasnoj smeši i na temperaturi od 430 0C konverzionalna efikasnost iznosi 98%. Ostatak SO2 ako nema drugog stepena konverzije izlazi u atmosferu. Ovo je neposredan primer koji govori o tome da zaštita životne sredine od SO2 neposredno zavisi od efikasnosti postrojenja za proizvodnju sumporne kiseline. Ako se postrojenje zapusti,emisija naglo raste. U tabeli 3.1. se može očitati kolika je emisija SO2 u kilogramima po toni proizvedene sumporne kiseline,ako su uslovi rada optimalni. U procesima sa jednostrukim kontaktnim postupkom stepen konverzije ne može da pređe 95-98%. Tabela 3.1. Emisijoni faktori za SO2 iz fabrike koja proizvodi sumpornu kiselinu sa kontaktnim procesom sa dvostrukom apsorpcijom. Efikasnost konverzije SO2 u SO3 (%) 93 95 97 99 99,5 99,7 100

Emisija SO2 u kg po toni proizvoda 48 35 20 7 3,5 2 0

13



Kako se u otpadnim gasovima može nadi 0,2-1,3 % sumpordioksida,potrebno je da uvek postoji neko dodatno postojenje za njegov tretman. Jedan od načina rešavanja je amonijačna metoda i metoda neutralizacije. Ovim se može dobiti koristan proizvod,veštačko đubrivo.

14



Zaključak

Sumporna kiselina je jako bitan proizvod hemiske industrije i hemiski je veoma aktivna.Burno reaguje sa metalima, potiskuje druge kiseline iz njihovih soli, a i veoma dobro se jedini sa vodom. Sumporna kiselina koja se koristi u industriji, predstavlja rastvorenu sumpornu kiselinu u vodi. Osnovne sirovine za proizvodnju sumporne kiseline su vazduh, voda i sumpordioksid. Sumpordioksid i elementarni sumpor se mogu dobiti i oksidacijom sumporvodonika, koji se izdvaja prilikom dobijanja nafte i uglja. Za dobijanje sumporne kiseline neophodno je apsorbovati sumportrioksid vodom ili sumpornom kiselinom. Koncentrovana kiselina se može skladirati u čeličnim neobloženim rezervoarima jer su otporni na njeno dejstvo. Razblažena kiselina se čuva u obloženim čeličnim rezervoarima,koji su zaštideni materijalom otpornim na dejstvo kiseline.Dobijanje sumporne kiseline pradeno je prisustvom brojnih zagađujudih materija.

15



Literatura

Tehnološki procesi i životna sredina

16

Tehnološki procesi hemijske industrije i životna sredine (inlove)2

Recommend Documents