Курсовая работа / Расчет окисления SO2 - Sokol - 2006 / курсач по охт

Российский химико-технологический университет им.Д.И. Менделеева Кафедра общей химической технологии

Курсовая работа

по теме :

«Расчет контактного аппарата окисления SO₂ в SO₃»

Выполнил: студент гр П-43

Соколов Виктор

Проверил: Семенов Г.М.

Москва 2006

Исходные данные

Вариант 26

SO₂ в газе – 11 об.дол

O₂ в газе – 10 об.дол

расход газа V = 13 000 м³/ч

конечная степень превращения 0,5

общее давление 1 атм

температура Т= 595 °С

скорость газа w= 1,15 м/с

энергия активации Е= 85 000 кДж/кмоль

коэффициент запаса φ= 1,2

константа скорости k= 14,3 при Т= 585 °С

Физико-химические основы окисления SO₂

В производстве серной кислоты контактным методом окисление SO₂ по реакции SO₂ + 1/2О₂ = SO₃ происходит в присутствии катализатора. Для этого газ приводят в соприкосновение с катализатором, находящимся в стационарном или в псевдоожиженном состоянии. Количество окисленного SO₂ харак­теризуют долей общего содержания диоксида серы в газе или в процентах (к общему первоначальному количеству SO₂ в га­зе). Эту величину называют степенью превращения, или сте­пенью окисления.

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.

Реакция окисления SO₂ 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 —9.26Т или 24 205 — 2,21Т (в ккал/моль)

где Т — температура, К.

Реакция окисления SO₂ в SO₃ обратима. Константа равно­весия этой реакции (в Па~^0.5) описывается уравнением

где Pso₃, Pso₂, Po₂—равновесные парциальные давления SO₃, SO₂ и O₂, Па.

Величина Кр зависит от температуры. Значения K_р в интервале

390—650°С могут быть вычислены по формуле

lgK_p = 4905/T – 4,6455

Степень превращения SO₂, 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

В производственных условиях существенное значение имеет скорость окисления SO₂. От скорости этой реакции зависит ко­личество диоксида серы, окисляющегося в единицу времени на единице массы катализатора, и, следовательно, расход катали­затора, размеры контактного аппарата и другие технико-эконо­мические показатели процесса. Процесс стремятся вести так, чтобы скорость окисления SO₂, а также степень превращения были возможно более высокие.

Скорость окисления SO₂ характеризуется константой скоро­сти

где k₀—коэффициент; Е — энергия активации, Дж/моль; R—уни­версальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль-К); Т — абсолютная температура, К.

Из кинетической теории газов известно, что доля молекул, обладающих энергией, достаточной для того, чтобы при их столкновении произошла реакция, составляет в первом прибли­жении e~^E/RT. Таким образом, этот член в уравнении скорости реакции характеризует долю эффективных столкновений, при­водящих к образованию молекул SO₃. Показатель степени в вы­ражении e~^ElRT отрицателен; следовательно, с повышением тем­пературы скорость реакции возрастает, а с увеличением Е уменьшается.

Энергия активации Е реакции окисления SO₂ в SO₃ очень велика, поэтому без катализатора реакция гомогенного окисле­ния практически не идет даже при высокой температуре. В при­сутствии твердых катализаторов энергия активации понижает­ся, следовательно, скорость гетерогенной каталитической реак­ции возрастает. Таким образом, роль катализатора состоит в понижении энергии активации Е.

Процесс катализа состоит из нескольких этапов

1. диффузия реагирующих компонентов из ядра газового потока к зернам, а затем в порах контактной массы.

2. Сорбция кислорода катализатором (передача электронов от катализатора к атомам кислорода).

3. Сорбция молекул диоксида серы с образованием комплекса SO2-O-катализатор.

4. Перегруппировка электронов с образованием комплекса SO3-катализатор.

5. Десорбция SO3

6. Диффузия SO3 из пор контактной массы и от поверхности зерен.

Расчет контактного аппарата

Требуемый объем контактной массы для каждого слоя находим по уравнению

υ=φVτ

Так как значение φ известно, а величина V дается по условию, то для определения контактной массы необходимо установить время контакта τ,

Скорость реакции окисления SO₂ на ванадиевом катализаторе определяется уравнением Борескова-Иванова:

Из уравнения Аррениуса находим константу скорости для 595°С:

Константа скорости К=16,4 при Т= 595 °С

Константа равновесия описывается уравнением

lgK_p = 4905/T – 4,6455

lgK_p = 4905/(595+273) – 4,6455= 1, 005

K_p= 10, 13

Находим равновесную степень превращения из уравнения:

Подставляем свои значения константы равновесия и концентраций находим равновесную степень превращения x=0,799. Тогда:

Упрощаем:

Для построения графика и решения интеграла строим таблицу

Ха	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
r(x)	0	21,00	10,04	5,88	3,65	2,25
1/r(x)	0	0,048	0,100	0,170	0,274	0,444

Фиктивное время соприкосновения газа с контактной массой ∑τ = 0,00836 с

Объем контактной массы

υ=φVτ=1,2*13000*0,00836 /3600= 0,036 м³

Площадь поперечного сечения реактора

F= V/3600*w = 13000/3600*1,15= 3,14 м²

Диаметр реактора

Высота слоя контактной массы

h= τ *w= 0,00836*1,15= 0,96 см

Схема контактного аппарата

1- ванадиевая контактная масса 2- внутренний теплообменник 3- выносной теплообменник 4- корпус