Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Кафедра общей химической технологии

Курсовая работа

на тему :

«Расчет контактного аппарата окисления so2 в so3»

Выполнил: студент гр К-41

Одиасе Носа

Проверил: Кабанов А.Н.

Москва 2005

Исходные данные

производительность H₂SO₄ 10 т/ч

SO₂ в газе – 0,074 об.дол

O₂ в газе – 0,1 об.дол

расход газа V = 30 000 м³/ч

конечная степень превращения 0,98

общее давление 1 атм

температура газа на входе

I	II	II	IV
440	453	435	429

степень превращения

I	II	III	IV
0,72	0,92	0,97	0,98

коэффициент запаса катализатора

I	II	III	IV
4	2	1,3	1,35

Технология серной кислоты

Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья.

Следующий этап — превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Этот окислительный процесс характеризуется очень высоким значением энергии активации, для понижения которой необходимо, как правило, применение катализаторов. В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SО₂ в SО₃, различают два основных метода получения серной кислоты.

В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SО₂ и SО₃ 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.

Контактный метод получения серной кислоты.

Рассмотрим процесс получения серной кислоты контактным методом из серного (железного) колчедана. Первой стадией процесса является окисление серного колчедана с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы.

Обжиг колчедана (пирита) является сложным физико-химическим процессом и включает в себя ряд последовательно или одновременно протекающих реакций:

Термическая диссоциация 2FeS₂ = 2FeS + S₂;

Парофазное горение серы S₂ + 2О₂ = 2SО₂;

Горение пирротина 4FeS + 7О₂ = 2Fе₂О₃ + 4SО₂.

Суммарная реакция: 4FеS₂ + 11O₂ = 2Fе₂О₃ + 8SО₂. (I)

При небольшом избытке или недостатке кислорода образуется смешанный оксид железа:

3FеS₂ + 8О₂ = Fе₃О₄ + 6SО₂.

Термическое разложение пирита начинается уже при температуре около 200 ^оС и одновременно воспламеняется сера. При температурах выше 680 °С интенсивно протекают все три реакции. В промышленности обжиг ведут при 850 - 900 °С. Лимитирующей стадией процесса становится массоперенос продуктов разложения в газовую фазу и окислителя к месту реакции. При тех же температурах твердый компонент размягчается, что способствует слипанию его частиц.

Таким образом, при протекании реакции (I) помимо газообразного продукта реакции SО₂ образуется твердый продукт Fе₂О₃, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Колчедан содержит различные примеси, в частности соединения 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 направлен на стадию подготовки к контактному окислению (вторая стадия), которая помимо очистки от каталитических ядов включает выделение паров воды (осушку), а также получение побочных продуктов (Sе и Те).

На третьей стадии протекает обратимая экзотермическая химическая реакция контактного окисления диоксида серы:

SO₂ + 1/2O₂ ↔ SO₃

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 – 7,1479

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.

Последняя стадия процесса — абсорбция триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом.