6. Контрольные вопросы

1. Каковы основные стадии получения серной кислоты в про­мышленных условиях?

2. Особенности стадии окисления SO₂ в SO_3.

3. Какие аппараты и катализаторы применяются в промышлен­ности для этой стадии?

4. Какими путями можно достичь повышения степени превра­щения SO₂?

5. Что такое линия оптимальных температур?

6. Назовите способы осуществления оптимального температурного режима.

Лабораторная работа № 2. Исследование процесса восстановления двуокиси углерода углем

2.1 Цель работы

Целью данной работы является определение области протекания гетерогенного процесса восстановления двуокиси углерода на угле.

2.2 Краткие теоретические сведения

Газификация производится для получения из малоценного твердого топлива генераторных газов, которые являются беззольным, транспортабельным топливом и сырьем для химических синтезов.

Различают:

- газификацию при помощи воздуха CО₂ + C 2CO - Q;

- газификацию водяным паром С + H₂O_(пар) CO + H₂ – Q.

Этот обратимый, эндотермический, гетерогенный процесс может быть осложнён как внешним, так и внутридиффузионным торможением. Для правильного выбора технологического режима этого процесса необходимо знать, какая стадия определяет скорость процесса –химическая кинетика или подвод реагентов к поверхности раздела фаз. При низких и средних температурах процесс газификации идет в кинетической области, т.е. лимитируется скоростью химических реакций. При увеличении температуры коэффициент скорости химической реакции возрастает в несколько раз быстрее, чем коэффициент диффузии, поэтому при определенной для данных условий температуре (примерно 900 ^оС) скорость реакции уравнивается со скоростью диффузии (а при более высоких температурах превышает последнюю). При температуре выше 1000 ^оС процесс протекает в диффузионной области.

Поэтому так же, как и в ряде других случаев взаимодействия газа с твердым материалом, скорость газификации зависит в основном от поверхности газификации, диффузии активного газового компонента (углекислого газа, водяного пара) к углероду топлива и от интенсивности перемешивания фаз.

Задача определения области протекания процесса может быть облегчена, если известны его кинетические закономерности. В этом случае результаты эксперимента необходимо сопоставить с теоретически­ми расчетами, проведенными по уравнению, описывающему химическую кинетику процесса.

2.3 Описание кинетики процесса

Уравнение химической кинетики восстановления двуокиси углерода, найденное на основании представлений о механизме реакции при отсутствии диффузионных торможений и с учетом неоднородности поверхности, имеет вид:

(2.1)

где т – число молей СО₂, поступающих в реактор за время t;

– удельная поверхность угля, м²/кг;

g – масса угля, кг;

t – время, ч;

– степень превращения С0₂;

, – парциальные давления СО₂ и СО, атм.

Константы прямой и обратной скоростей реакции зависят от тем­пературы процесса и определяются по уравнениям:

(2.2)

Уравнение кинетики дает возможность рассчитать скорость реакции восстановления двуокиси углерода при заданной температуре опыта в интервале парциальных давлений СО₂:

[атм.]

Для численного решения уравнения (2.1) преобразуем его таким образом, чтобы в него была введена независимая переменная – время пребывания.

Подставим в уравнение (2.1) выражение для dg:

dg= dV, (2.3)

где – насыпная масса угля, кг/м³;

dV – изменение объема массы g угля в процессе реакции, м³.

Объем реакционной массы связан с временем пребывания в реак­ционной зоне следующим соотношением:

dV=v_o d , (2.4)

где v₀ – объемный расход газа через слой угля, м³/ч.

Таким образом, изменение массы угля как функции времени выразится зависимостью:

dg= v_o d . (2.5)

После подстановки выражения (2.5) в уравнение (2.1) получим:

(2.6)

У читывая, что величины m, t, , ,v₀ постоянны для выбранных условий опыта, обозначим . Если в уравнении (2.6) выразить концентрации компонентов газовой смеси через степень превращения

(2.7)

то получим:

. (2.8)

Решая уравнение (2.8) численным методом, можно найти зависи­мость или . Исследование процесса восстановления СО₂ с помощью уравнения (2.8) необходимо провести для случая с не­подвижным слоем твердого реагента, в качестве которого применяется активированный уголь марки БАУ с характеристиками: насыпная плотность р =260 кг/м³, удельная поверхность =57 ^.10³ м²/кг. Процесс проводится при температуре Т = 1000 К. Принять .

При определении времени пребывания для достижения заданной степени превращения задача сводится к вычислению интеграла вида:

, (2.9)

где f(x) – правая часть уравнения (2.8).