Скачиваний:
562
Добавлен:
07.01.2014
Размер:
261.63 Кб
Скачать

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

кафедра общей химической технологии

ОТЧЁТ

по лабораторной работе:

" Окисление SO2 в SO3 "

выполнили : Горбатенко Е.

Костин А.

Хлопов Д.

Ярмолюк Ю.

группа : O-42

МОСКВА

2005

1. Цель работы

Изучение основных закономерностей гетерогенно-каталититического процесса с обратимой экзотермической реакцией на примере окисления диоксида серы.

Анализ и выбор оптимальных условий функционирования химико-технологиче-

ской системы.

Исследование включает следующие этапы:

Определение равновесной степени превращения.

Определение скоpости pеакции W(T) пpи заданном X.

Определение оптимальной темпеpатуpы Tоpt (X)

Определение вpемени контакта в слое t (X) (pежимы ИС и ИВ)

2. Общие сведения

Скорость реакции

SO2 + 0,5O2 = SO3 (2.1)

описывается уравнением Борескова-Иванова :

, (2.2)

где - парциальные давления SO2, SO3 и O2;

k, KP - константы скорости реакции и равновесия.

Используя степень превращения SO2 - x, уравнение (2.2) преобразуется:

, (2.3)

где a, b - начальные концентрации SO2 и O2, об.доли.

Р - общее давление;

Константа равновесия KP зависит от температуры T [K]:

lg KP = 4905/T - 4,6455 (2.4)

Зависимость констаны скорости реакции k от T в аррениусовских координатах "lnK - 1/T" приведен на рис.2.1.

В реакционной среде фазовое состояние и химический состав активного компонента ванадиевого катализатора изменяется с температурой. Поэтому зависимость k(T) будет различна в разных температурных областях. На аррениусовском графике “ln k - 1/T” это представлено ломаной линией (рис.2.1), каждый из участков которой характеризуется своим значением энергии активации (E1, E2, E3)

Рис. 2.1. Зависимость константы скорости k реакции окисления SO2 на ванадиевом катализаторе от температуры Т.

Пояснения в тексте

Алгоритм расчета. При значениях температур от Тн шагом Т по формуле (2.3) рассчитываются значения W(х). Если температура превышает Тр ( при этом W(х) < 0), то расчет прекращается.

Pавновесные степени пpевpащения xp(T)

Равновесие в реакции (2.1) определяется уравнением

(2.5)

Здесь ()равн - парциальные давления компонентов в равновесии

Перейдя к равновесной степени превращения SO2 xр, получим

(2.6)

Алгоритм расчета. Для каждого значения температуры Т из (2.4) рассчитывют КP и решают уравнение (2.6) относительно xр методом половинного деления. Первоначальный интервал поиска xр 0  1 или 0 2b/a, если 2b/a < 1. Точность расчета xр - 10-5

Оптимальные темпеpатуpы Tопт(х)

Для каждого значения степени превращения х существует температура Топт, при которой скорость реакции максимальна и

dW(х,T)/dT = 0 (2.7)

Представим W(х,T) и входящие в нее КP(Т) и k(Т) в таком виде, как следует из (2.3)-(2.5):

W(x,T) = К f(x) [1 - (x)/]

; КP = К exp(Q/RT); k = kо exp(-E/RT)

Из условия (2.7) определения оптимальной температуры получим

(2.8)

Алгоритм расчета. При значениях степеней превращения от xн с шагом x до xк по формуле (2.8) расcчитываются значения Топт

Вpемя контакта в слое (х)(pежимы идеального смешения и вытеснения)

Математически процесс описывается уравнениями:

в слое идеального вытеснения: dx/d = W(x,T), при  = 0: x = xн (2.9)

в слое идеального смешения: (x - xн)/ = W(x,T) (2.10)

В адиабатическом режиме :

T = Tн + Tад(x - xн), (2.11)

В изотермическом режиме T = Const, что получим, задавая T = Тн и Tад = 0.

Здесь Tад = Qрa/Cр - величина адиабатического разогрева;

Qр - тепловой эффект реакции;

Ср - теплоемкость реакционной смеси.

Из (2.9) и (2.10) следуют расчетные уравнения (2.12) и (2.13) соответственно:

(2.12)

 = (x - xн)/W(x,T) (2.13)

Алгоритм расчета. Значение  для слоя идеального смешения вычисляется непосредственно по формуле (2.13). Интеграл из (2.12) вычисляется методом Симпсона с постоянным шагом х. Если f(х) = 1/W(х), то приращение интеграла i наi-м шаге

i = x/6· [f(xi) + 4f(xi + x/2) + f(xi +x)]

Принятый шаг интегрирования x = (xк - xн)/200 обеспечивает достаточную точность интегрирования (не хуже 0,1%отн.).

3.Исходные данные

Состав газа: 7% SO2,14% O2, остальное-азот.

Расход газа: 1000л/час

Степень конверсии SO2 : 0.9

Катализатор: СВД

Давление : 1 атм.

4.Расчётная часть

Рассчёт равновеcных степеней превращения в интервале от 700 до 900 К с шагом 20 К.

T,K

X*

Kp

700

0,987

229,95

720

0,9798

146,89

740

0,9696

96,13

760

0,9553

64,34

780

0,9361

43,95

800

0,9109

30,6

820

0,8792

21,69

840

0,8406

15,62

860

0,7952

11,43

880

0,7436

8,48

900

0,6872

6,38

График 4.1 X* = f(T)

График 4.2 Kp = f(T)

Расчет скорости реакции при различных степенях конверсии(Х=0,5÷0,95)

T,K

W при Х =

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,95

700

0,427

0,340

0,254

0,169

0,083

0,039

720

0,818

0,652

0,487

0,322

0,156

0,068

740

1,065

0,848

0,632

0,416

0,194

0,068

760

1,366

1,087

0,807

0,524

0,223

0,028

780

1,729

1,372

1,011

0,638

0,214

-0,118

800

2,158

1,702

1,234

0,734

0,098

-

820

2,211

1,723

1,210

0,628

-0,0238

-

840

2,175

1,658

1,088

0,384

-

-

860

2,111

1,540

0,869

-0,056

-

-

880

1,998

1,332

0,483

-

-

-

900

1,805

0,977

-0,176

-

-

-

Построение ЛОТ

Конверсия

Торт

0,5

803

0,6

803

0,7

803

0,8

803

0,9

768

0,95

730,5

График 4.3 ЛОТ

Расчёт времени контакта:

cp(SO2)=39.87 Дж/(моль·К)

cp(O2)=29.37 Дж/(моль·К)

cp(N2)=29.12 Дж/(моль·К)

ΔΤad= Qr·x/cp=94300·0.07/(0.07·39.87+0.14·29.37+0.79·29.12)=220.7K

Модель идеального вытеснения

№ слоя

Xн

Xk

τad

1

0,5

0,615

0,297

2

0,615

0,75

0,106

3

0,75

0,84

0,127

4

0,84

0,91

0,238

5

0,91

0,95

0,359

Σ τad=1,127

Расчёт объёма контактной массы(ν):

V=1000 л/час/ 3600 с/час=0,2778 л/с

νi=V· τadi

№ слоя

τad,c

νi, л

1

0,297

0,082507

2

0,106

0,029447

3

0,127

0,035281

4

0,238

0,066116

5

0,359

0,09973

Σ νi=0,313081

Вывод:

1)Понижение температуры повышает равновесную степень превращения и конс-танту равновесия.

2)Оптимальная температура снижается с ростом конверсии.

3) Суммарное время контакта растёт с увеличением степени превращения.

Суммарное время контакта 1000 л/час смеси ,состоящей из 7% диоксида серы , 14% кислорода и 79% азота при конверсии 0,95 составило 1,127 с,число слоёв катализа- тора СВД - 5,общим объёмом - 0,313081 литра

9