Курсовая работа / Расчет контактного аппарата окисления SO2 в SO3 - Семенов - Кочуров - 2005 / лохматый

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-42

Кочуров Константин

Проверил: Семенов Г.М.

Москва 2005

Исходные данные

SO₂ в газе – 0,11 об.дол

O₂ в газе – 0,1 об.дол

расход газа V = 15 000 м³/ч

конечная степень превращения 0,51

общее давление 1 атм

температура Т= 590 °С

скорость газа w= 1,45 м/с

энергия активации Е= 80 000 кДж/кмоль

коэффициент запаса φ= 1,3

константа скорости k= 14,5 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.

Ванадиевая контактная масса БАВ

Ванадиевая контактная масса представляет собой пористую основу, на которую нанесено активное комплексное соединение, содержащее пентоксид ванадия. В производстве серной кислоты применяются в основном отечественные контактные массы (катализатор): масса БАВ, названная так по начальным буквам элементов, входящих в ее состав (барий, алюминий, ванадий), и контактная масса СВД (сульфо-ванадато-диатомовая), а также новые контактные массы ИК (Институт катализа) и СВС (сульфованадат на силикате).

Для приготовления контактной массы БАВ смешивают в реакторе щелочной раствор ванадата калия (КVО₃) с жидким калиевым стеклом К₂Si0₃ и при непрерывном перемешивании нагревают до 70°С. После добавления в смесь (при перемешивании) солянокислого раствора АIСI₃ и водного раствора ВаС1 контактная масса осаждается. Ее отфильтровывают на фильтрпрессе, затем отжимают с помощью гидравлического пресса. Полученный осадок (влажность 40—45%) формуют, придавая контактной массе вид гранул, таблеток или колец. Затем контактную массу сушат не менее 30 ч при температуре от 60 (в начале) до 115°С (в конце сушки).

Контактная масса БАВ до насыщения — белого или слегка розового цвета, она имеет примерно следующий состав: V₂0₅ * 12 Si0₂ * 0,5 А1₂0₃ * 2 К₂0₃ * 3 ВаО * 2 КСI. Влажность массы БАВ около 15%. Насыпная плотность гранулированного катализатора БАВ равна 480 г/л. В сухой массе содержится 8,0 масс. % ванадия в пересчете на V₂0₅. После обработки ванадиевой массы диоксидом серы катализатор приобретает желтую окраску и его насыпная плотность возрастает до 650 г/л. Изменение окраски и увеличение насыпной плотности катализатора объясняются тем, что на нем происходит окисление S0₂ до S0₃, который поглощается контактной массой. В результате образуются поливанадаты или свободная V₂0₅ и выделяется хлор.

Каталитическая активность массы БАВ в стандартных условиях (при 485 ‘С и объемной скорости 4000 ч^-1) составляет не менее 86%. Средний диаметр гранул катализатора БАВ равен 5 мм, длина 7—15 мм.. Контактная масса БАВ, изготовленная в виде колец, имеет два размера d_н=10 мм; d_вн=З мм; h=10 мм.

Расчет контактного аппарата

Требуемый объем контактной массы для каждого слоя находим по уравнению

υ=φVτ

Так как значение С известно, а величина V дается по условию, то для определения контактной массы необходимо установить время контакта τ, а=0,11; b= 0,1

,

где

Константа скорости

Константа скорости при Т= 590 °С

Константа равновесия

lgK_p = 4905/T – 4,6455

lgK_p = 4905/(590+273) – 4,6455= 1, 038

K_p= 10, 91

Общее время ∑τ = 0,06544 с

Объем контактной массы

υ=φVτ=1,3*15000*0,06544 /3600= 0,354 м³

Площадь поперечного сечения реатора

F= V/3600*w = 15000/3600*1,45= 2,87 м²

Диаметр реактора

Высота слоя контактной массы

h= υ/ F= 0,354/2,87= 12,3 см

Схема контактного аппарата

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