охт (6sem) / методички митхт / GCT practicum 2013

91

400°С. Для обеспечения и высокой интенсивности процесса, и высокого выхода необходимо проводить окисление оксида серы (IV) при переменных условиях (режим работы по Линии Оптимальных Температур - ЛОТ).

На рис.2.3.3 приведен график зависимости равновесного и практического выхода от температуры при различных временах контактирования. С увеличением времени контактирования максимум на кривых смещается в сторону более низких температур. Кривую, соединяющую максимумы на различных кривых, называют линией оптимальных температур.

ЛОТ – в данном случае это режим проведения процесса с понижением температуры и увеличением времени контактирования. При проведении процесса по линии оптимальных температур окисление оксида серы(IV) протекает с максимально возможными скоростями в каждый момент. Понижение температуры к концу процесса с 600 до 400°С позволяет получить высокий выход продукта при достаточной производительности процесса. Схема организации этого процесса приведена на рис.2.3.4

92

Соотношение исходных компонентов. Состав исходной газовой смеси также влияет на величину равновесного выхода и скорость окисления (Табл. 2.3.2). Процесс ведут с избытком кислорода относительно стехиометрического. При этом возрастает скорость процесса и увеличивается равновесный выход продукта.

Таблица 2.3.2 Зависимость равновесного выхода η* от состава исходной газовой смеси.

Газ, поступающий в реакционный аппарат, предназначенный для окисления SO2, имеет примерный состав: 7% SO2, 11% О2 и 82% N2. При таком соотношении О2 и SO2 окисление оксида серы(IV) протекает достаточно полно и автотермично за счет тепла, выделяющегося в ходе окисления, что облегчает создание оптимального температурного режима в первом слое катализатора; при более высокой концентрации SO2 (8 - 8,5%) перегрев катализатора может привести его к дезактивации. Дальнейшее увеличение отношения О2 к SO2 путем разбавления газа воздухом при незначительном увеличении выхода приводит к снижению концентрации

93

SO2 в газе и к увеличению объема поступающего на контактирование газа.

Объемное отношение О2 к SO2 может быть увеличено путем разбавления поступающего (из

воздухом, обогащенным кислородом. Это значительно интенсифицирует процесс, но удорожает и усложняет его.

Давление. В зависимости от выбранной температуры эффективность воздействия давления различна. При низких температурах, когда равновесные степени превращения оксида серы(IV) высоки, давление незначительно сказывается на смещении равновесия (Табл.2.3.3). При высоких

из решающих факторов, обеспечивающих высокую

уменьшаются объемы перерабатываемых газов и, следовательно, размеры аппаратов; увеличивается степень превращения и улучшается кинетика процесса; снижается металлоемкость и сокращаются производственные площади; появляется возможность концентрирования энергии и ее утилизации. Все это имеет большое значение для агрегатов большой единичной мощности.

Но применение повышенного давления ведет к усложнению аппаратуры, более высоким энергетическим затратам. Поэтому выбор давления определяется оптимизацией на основе экономических критериев эффективности процесса.

Внастоящее время в промышленности процесс

окисления SO2 в SO3 проводится при атмосферном давлении.

94

Организация проведения процесса по ЛОТ.

Конструкция контактного аппарата должна обеспечивать возможность проведения каталитического окисления оксида серы(IV) в условиях оптимального технологического режима.

Вданном случае особенно важно обеспечить

снижение температуры по высоте аппарата от первого слоя к последнему в соответствии с линией оптимальных температур (рис.2.3.4).

t,oC

Рис.2.3.4 Диаграмма η – t пятиступенчатого процесса контактирования с промежуточным теплообменом.

95

Исходный газ, поступающий в контактный аппарат, нагревают до температуры, несколько превышающей температуру зажигания ванадиевого катализатора (400 - 440°С) и направляют в первый катализаторный слой. Процесс окисления проводится как в первом слое, так и в последующих, в адиабатическом

зависимости. Угол наклона прямой при этом зависит от концентрации SO2, поскольку с увеличением концентрации SO2 выделяется больше тепла и, следовательно, в большей степени повышается температура. В первом слое (прямая 1) процесс окисления ведут таким образом, чтобы температура газовой смеси на выходе не превышала предельную температуру активности катализатора. Затем, перед поступлением на второй и последующие слои

Выход при этом остается постоянным. На рис. 2.3.4 видно, что при проведении процесса в неподвижном слое катализатора наблюдается значительное отклонение состояния системы от линии оптимальных температур, которое допускается в промышленности

возрастает. Движение в кипящем слое не только потока газов, но и твердых частиц дополнительно способствует выравниванию температуры по всему слою. Это позволяет проводить реакцию в каждом слое при практически постоянной температуре, т.е. при более «правильном» температурном режиме, чем

вслучае неподвижного слоя. Соответственно и

отклонения от линии оптимальных температур меньше.

96

Газ, поступая из одного слоя в другой, быстро принимает температуру данного слоя. Избыточное тепло - тепло реакции и физическое тепло поступающего газа - отводится помещенными в слои катализатора теплообменниками. Однако, эти аппараты не нашли широкого применения из-за большого уноса катализатора и запыления газа.

2.3.5. Расчетная часть.

Исходные данные

Расход воздуха при лабораторных

97

Порядок расчета.

1.По заданному расходу воздуха и значению

серы(IV) (Х) при заданных температурах.

4.Для наибольшего значения степени

(Табл. 2.3.7).

2.3.6. Расчет материального баланса.

Базис для составления материального баланса задается преподавателем. Количество поступающих веществ можно рассчитать, зная расходы воздуха и оксида серы (IV). Количество полученных веществ рассчитывают по уравнению реакции с учетом степени превращения (приложение).

2.3.7.Задание.

1.Рассчитать степень превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI).

2.Построить графические зависимости от

(IV).

3. Рассчитать материальный баланс и основные технологические показатели процесса.

98

Таблица 2.3.6

Материальный баланс контактного аппарата для окисления оксида серы (IV)

Базис расчета______

Таблица 2.3.7

Показатели процесса окисления оксида серы (IV)

99

соответственно а и b, а степень превращения Х, то число молей SO3, образовавшегося из 1 моля газовой смеси, поступающей на контактирование, равно аХ, а число молей непрореагировавшего SO2 а(1-Х). При этом в соответствии со стехиометрией реакции число

aХ

молей прореагировавшего кислорода составит 2 .

Количество газовой смеси, остающейся после контактирования, в молях:

1 a2Х

Следовательно, мольная доля SO2 в газовой смеси после контактирования

Поскольку в реальных условиях исходная концентрация SO2 не превышает 10%, величина

100

изменения числа молей не превышает 0,05 и для

приблизительных расчетов ею можно пренебречь. В этом случае уравнение (2.3.7) преобразуется к обычному виду (см. гл. I), характерному для процессов при постоянном объеме:

Аналогичное уравнение справедливо и при использовании объемных процентов оксида серы(IV) в исходном газе и в газе после контактирования:

=

−

Библиографический список 1. Васильев В.Т., Отвагина М.И. Технология

серной кислоты. М.: Химия. 1985. - 385 с.

2.Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. Учебник для вузов.3-е изд. – М.: ИКЦ

«Академкнига», 2003. - 528 с.

3.Кутепов А.М. и др. Общая химическая

технология. Учебник для технических вузов. 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1990 - 520 с.