42. Методика расчета материального баланса циклонной печи.

Составляем расчетную схему:

S (г) +О₂ (г) = SO₂ (г) Баланс на 1 т серы.

Найти: Vвозд. -?; V техн.газа - ?

Цель расчета: определить кол-во воздуха требуемого для сжигания серы, определить кол-во техн. газа и его состав по остальным компонентам.

Расчет:

1). Определить массу и объем образующегося SO₂ по ур-ю р-ии:

2). Объем технологического газа если конц-ия SO₂ 12 об.%:

3). Рассчитаем содержание О₂ в технологич. газе:

4). Масса О₂ в печном газе и объем:

5). Содержание N₂ в технологич. газе:

6). Объем сухого воздуха необходимого для сжигания серы:

7). Определим количество О₂ поступающего в печь с воздухом:

8). Рассчитаем коэф. избытка воздуха:

Для этого определим объем O₂ треб-ся по стехиометрии реакции для сжигания S

(V треб. О₂).

Vвозд. = V треб. О₂ / Со₂

К = Vсух.возд. / Vвозд.

Заполняем таблицу МБ циклонной печи и делаем выводы.

42. Методика расчета теплового баланса циклонной печи.

Условие ТБ: Qприх. = Qрасх.

Уравнение ТБ: Q1+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q6+Q7

Входит: Сера(Q₁)t=140, воз-х (Q₂)t=40. Выходит: техн газ (Q₄)t_вых-?, потери (Q₇, 0,05от прих)

S_ж S_т- Q₆. Циклон-я печь: S+O₂=SO₂- Q₃. S_t-140 t_кип=444,6⁰С- Q₅

Схема:

Цель расчета: определение температуры техн-го газа на выходе из печи.

Q1 – теплота потока жидкой серы; Q2 – теплота потока входящего воздуха; Q3 – теплота реакции горения серы;

Q4 – теплота технологического газа; Q5 – теплота необходимая для горения серы до тем-ры кипения;

Q6 – теплота затраченная на испарения серы; Q7 – тепловые потери в окр. среду.

Расчет:

1).

2).

3). Q3 - ?

0,5 S₂ (г) + О₂ = SО₂ (г)

4). Qприх = Q1+Q2+Q3

5). Q4 = Vт.г. т.г. t вых

Переводим кДж/ кг * К в кДж/ м³ * К ( надо разделить на 22,4)

t вых = х

6). Q5 = Gs ∙ s ∙ (t кип - ts)

7). Q6 = Gs ∙ ΔΗ исп

8). Q7 = 0,05 ∙Q прих

9). Q4 = Q прих – (Q5+Q6+Q7)

Находим х (t вых). Заполняем таблицу ТБ циклонной печи и делаем выводы.

47. Равновесие и кинетика процесса окисления диоксида серы

а) Равновесие

После стадии сжигания серы и утилизации тепла технологический газ с содержанием диоксида серы (SO₂) 12 % об. и температурой 420°С поступает на следующую технологическую стадию контактного окисления SO_2. Процесс проводится в контактном аппарате. Химизм процесса: SO₂+0,5О₂↔ SO₃, ∆Н<0

Реакция экзотермическая. С повышением температуры ∆Н реакции уменьшается, константа равновесия так же уменьшается, равновесие смещается в сторону исходных веществ. С увеличением давления равновесие смещается в сторону SO_3. Избыток кислорода так же приводит к смещению равновесия реакции в сторону SO_3. Инерты в системе не желательны т.к. равнозначны снижению давления.

Константа равновесия реакции: , [давление^-0,5]

, – это формула для расчета равновесной степени превращения SO₂ в SO₃

Константа равновесия может быть определена по формуле:

,

Для технических расчетов есть упрощенное уравнение:

,

При понижении температуры и повышении давления контактного газа равновесная степень превращения возрастает, что согласуется с принципом Ле-Шателье. В то же время при постоянной температуре и давлении равновесная степень превращения тем больше, чем больше содержание кислорода в газе, то есть чем больше отношение С_О2/С_SO2. Это отношение зависит от обжигаемого сырья и избытка воздуха. На этом основана операция корректирования состава печного газа т.е. разбавления его воздухом для снижения содержания диоксида серы. Степень окисления диоксида серы возрастает с увеличением времени контактирования приближаясь к равновесию по затухающей кривой, следовательно время контактирования должно быть таким, чтобы обеспечивать достижение равновесия в системе.

Х1<Х2

Т1>Т2

1< 2

Из рисунка следует, что чем выше температура, тем скорее достигается равновесие, но тем меньше равновесная степень превращения.

б) Кинетика

От скорости окисл-я зависит количество SO₂, превращающегося в SO₃ в единицу времени и поэтому объем контакт массы (Kat), размеры реактора и др характеристики процесса. Стремятся обесп-ть возможно более высокую ск-ть окисл-я при макс степени контактир-я. Ск-ть процесса окисл-я SO₂в SO₃ на ванадиевом катализ-ре в неподвиж слое опис-ся уравнениями

(1)

(2)

x – степень превращения;х_р – равновес степень превр-я;τ – время контакта, сек;k – конст-та скор-ти, 1/(Па*с);a – начал конц-цияSO₂, доли ед-цы;b – начал конц-цияO₂, доли ед-цы;T – темп-ра, К;P – общее давл-е, Па;K_p – конст-та равновесия, Па^-0,5.

Ск-ть окисл-я SO₂ характер-ся конст-той ск-ти реакции

Из кинетич теории газов известно, что доля молекул, облад энергией достаточна для того, чтобы при их столкновении произошла реакция составляет в 1м приближении , т.е. этот член в ур-нии характ-ет долю эффектив столкновений, приводящих к образ-ю молекул SO₃. Показатель степени – отриц, поэтому с увел-ем темп-ры скор-ть реакции увел-ся, а с увел-ем Ea – умен-ся. Ea р-ции окисл-я SO₂в SO₃очень велика, поэтому без катализ-ра р-ция гомогенного окисл-я практически не идет даже при высоких темп-рах. В присутствии твердого катализ-раЕа – умен-ся и поэтому ск-ть р-ции увел-ся. Таким образом, роль катализ-ра состоит в понижении Еа. Без катализ-ра р-цияокисл-я SO₂в SO₃протекает как р-ция 3го порядка с Еа более 280кДж/моль. В присутствии ванадиевого катализ-ра порядок р-ции пониж-ся до 1,8, а Еа = 92 кДж/моль. Процесс окисл-я на пористом катализ-ре вкл-ет послед стадии: 1) подвод SO₂и O₂ из газового потока к наружной поверхности катализ-ра, 2) диффузияSO₂и O₂в поры катализ-ра, 3) адсорбция SO₂и O₂, 4) р-ция на поверхности катализ-ра, 5) десорбция SO₃, 6) диффузия SO3 к наружной поверхности катализ-ра, 7) переход SO₃ в газовый поток.

На ск-ть процесса окисл-я SO₂противополож образом влияют конст-та скорости и конст-та равн-сия, поэтому кривая зависимости ск-ти окисл-я от темп-ры должна проходить через максимум. Ск-ть окисл-я SO₂ тем больше, чем меньше достимаемая степень превращ-я в этом процессе.

Зависимость ск-ти от темп-ры при различ степенях превращ-я

Ск-ть р-ции достигает максимум при определенных знач-ях темп-ры, которая тем выше, чем меньше степень превр-я. Линия АА , соедин точки максимумов – линия оптимал темп-р (ЛОТ) – она показывает, что для достиж-я наилучших результатов процесс контактир-я следует начинать при высокой темп-ре, обеспеч большую ск-ть процесса , а затем для достиж-я высокой степени превращ-я – снижать темп-ру, выдерживая температур режим режим по ЛОТ. Линии ВВ и СС очерчивают область допустимых колебаний темпер-р в реал технологич процессе контактир-я. Обесп-ние высок темп-ры в начале процесса окисл-я требует больших затрат энергии на подогрев газа, поступ на контактир-ние. На практике темпер-ра газа на входе в контактный аппарат на 1й слой задают лишь неск-ко выше темпер-ры зажигания (420°С). В ходе реакции выделяется большое количество тепла и т.к. процесс идет без отвода тепла, то темпер-ра газа возрастает по адиабате.

а- линия охлажд-я

После этого газ охлаждают в теплообменнике (до Т₂).Затем процесс идет по адиабате. После т/о-ка газ направляют на 2й слой катализ-ра и ведут процесс по адиабате 2. Затем снова охлаждают и продолжают процесс до тех пор, пока не будет достигнута заданная степень контактирования. Обычно для этого достаточно 4-5 слоев контактной массы. Таким образом, противоречие между кинетикой и термодинамикой процесса успешно снимается температурным режимом и конструкцией контакт аппарата. Это достигается разбивкой процесса на стадии, каждая из которого отвечает оптимальным условиям протекания процесса контактирования. Начальные параметры режима контактирования темпер-ра 400-440°С, давл-е 0,1Мпа, содержание SO₂в газе – 11%об., сод-ние О₂ – 9-10%об.