Выбор реактора для проведения реакции окисления оксида серы (IV)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Выбор реактора для проведения реакции окисления оксида серы (IV)



Содержание

реактор промышленность оксид сера

Введение

1. Общие сведения о протекании реакции окисления оксида серы (IV) и ее оптимальные характеристики в промышленности

2. Описание реакторов

3. Тепловой и материальный баланс адиабатических РИВ и РПС

3.1 Материальный баланс РИВ

3.2 Тепловой баланс РИВ

3.3 Материальный баланс РПС

3.4 Тепловой баланс РПС

4. Программный код

4.1 Выбор реактора

4.2 Изменение скорости реакции при изменении температуры

4.3 Изменение скорости реакции при изменении давления

Вывод

Список литературы



Введение

По масштабам производства серная кислота занимает одно из первых мест в мире. Оно составляет свыше 160 млн. тонн в год (на нач. 1990-х гг.).

И это не случайно. Она находит широкое применение в различных отраслях промышленности:

а) целлюлозно-бумажной, пищевой, легкой промышленности (получение крахмала, патоки, отбеливание тканей и др.)

б) цветной и черной металлургии;

в) очистка нефти;

г) производство минеральных удобрений, пластмасс, красителей, искусственных волокон, моющих средств и др.

Производство серной кислоты из серосодержащего сырья включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Это может быть представлено в виде следующей схемы:

где I - стадия получения печного газа (оксида серы (IV)),

II - стадия каталитического окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI) и абсорбции его (переработка в серную кислоту).

В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа и другие механические и физико-химические операции.

Вторая стадия этой схемы наиболее важна в химическом производстве, так как только от правильно выбранного метода и оборудования зависит дальнейший выход необходимого продукта. В этой работе мы постарались подобрать оптимальные условия и тип реактора, чтобы обеспечить лучший тип производства.



1. Общие сведения о протекании реакции окисления оксида серы (IV) и ее оптимальные характеристики в промышленности

Реакция окисления оксида серы (IV) в оксид серы (IV), лежащая в основе процесса контактирования обжигового газа, представляет собой гетерогенно-каталитическую, обратимую, экзотермическую реакцию и описывается уравнением:

SО₂+ 0,5О₂ <=> SО₃ - ДН.

Тепловой эффект реакции зависит от температуры и равен 96,05 кДж при 25 ^оС и около 93 кДж при температуре контактирования. Система «SО₂ - О₂ - SО₃» характеризуется состоянием равновесия в ней и скоростью окисления оксида серы (IV), от которых зависит суммарный результат процесса.

Степень превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI) или степень контактирования, достигаемая на катализаторе, зависит от активности катализатора, температуры, давления, состава контактируемого газа и времени контактирования.

С понижением температуры и повышением давления контактируемого газа равновесная степень превращения возрастает, что согласуется с принципом Ле-Шателье. В то же время, при постоянных температуре и давлении равновесная степень превращения тем больше, чем меньше содержание оксида серы (IV) в газе, то есть чем меньше соотношение SО₂: О₂. Это отношение зависит от вида обжигаемого сырья и избытка воздуха. На этой зависимости основана операция корректирования состава печного газа, то есть разбавление его воздухом для снижения содержания оксида серы (IV).

Степень окисления оксида серы (IV) возрастает с увеличением времени контактирования, приближаясь к равновесию по затухающей кривой.

Следовательно, время контактирования должно быть таким, чтобы обеспечить достижение равновесия в системе. Чем выше температура, тем скорее достигается равновесие (t₁ < t₂), но тем меньше степень превращения (Х₁ < Х₂ при Т₁ > Т₂). Таким образом, выход оксида серы (IV) зависит как от температуры, так и от времени контактирования. При этом, для каждого времени контактирования зависимость выхода от температуры выражается соответствующей кривой, имеющей максимум.

От скорости окисления зависит количество оксида серы (IV), окисляющееся в единицу времени, и, следовательно, объем контактной массы, размеры реактора и другие характеристики процесса. Организация этой стадии производства должна обеспечить возможно более высокую скорость окисления при максимальной степени контактирования, достижимой в данных условиях.

Энергия активации реакции окисления оксида серы (IV) кислородом в оксид серы (VI) весьма велика. Поэтому, в отсутствие катализатора реакция окисления даже при высокой температуре практически не идет. Применение катализатора позволяет снизить энергию активации и увеличить скорость окисления.

В производстве серной кислоты в качестве катализатора применяют контактные массы на основе оксида ванадия (V) марок БАВ и СВД, названные так по начальным буквам элементов, входящих в их состав.

БАВ (барий, алюминий, ванадий) состава:

V₂О₅ (7 %) + К₂SО₄ + ВаSО₄ + Аl₂(SО₄)₃ + SiО₂ (кремнезем)

катализатор активатор носитель

СВД (сульфо-ванадато-диатомовый) состава:

V₂О₅ (7 %) + К₂S₂О₇ + диатомит + гипс

катализатор активатор носитель

Скорость окисления зависит от константы скорости реакции, сильно возрастающей при повышении температуры. Однако при этом уменьшается константа равновесия. Также скорость окисления оксида серы (IV) тем больше, чем меньше достигаемая в этом процессе степень превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Вследствие этого для каждой степени превращения зависимость скорости реакции от температуры будет выражаться индивидуальной кривой, имеющей максимум. Скорость реакции окисления достигает максимума при определенных значениях температур, которая тем выше, чем меньше эта степень превращения, и представляют, очевидно, оптимальные температуры.

Для достижения наилучших результатов процесс контактирования следует начинать при высокой температуре, обеспечивающей большую скорость процесса (на практике около 600^оС), а затем для достижения высокой степени превращения снижать температуру, выдерживая температурный режим.

Таким образом, противоречие между кинетикой и термодинамикой процесса окисления оксида серы (IV) достаточно успешно снимается конструкцией и температурным режимом работы контактного аппарата. Это достигается разбивкой процесса на стадии, каждая из которых отвечает оптимальным условиям процесса контактирования. Тем самым определяются и начальные параметры режима контактирования.



2. Описание реакторов

При выборе конструкции и определении размеров реактора необходимо принимать во внимание различные факторы и, прежде всего, располагать данными о скорости протекающих химических реакций, а также о скорости массо- и теплопередачи. Обычно задаются производительностью установки и степенью превращения, а концентрацию реагентов, температурный режим и другие показатели технологического процесса рассчитывают на основе опытных и теоретических данных. Наиболее важным показателем, отражающим совершенство химического реактора, является интенсивность протекающего в нем процесса. Но интенсивность тем выше, чем меньше время, затраченное на получение единицы заданного продукта, поэтому главной задачей при изучении химических процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от разных факторов.

Реактор идеального вытеснения (РИВ) представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы к ее диаметру достаточно велико. В реактор непрерывно подаются исходные реагенты, которые превращаются в продукты реакции по мере перемещения их по длине реактора.

Гидродинамический режим в РИВ характеризуется тем, что любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора, обратное (продольное) перемешивание отсутствует; отсутствует также перемешивание по сечению реактора. Предполагается, что распределение вещества по этому сечению равномерное, т.е. значения параметров реакционной смеси одинаковые. Каждый элемент объема реакционной массы движется по длине реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема, и ведет себя как поршень в цилиндре, вытесняя все, что находится перед ним. Поэтому такой режим движения реагентов называется иногда поршневым или режимом полного вытеснения.

Состав каждого элемента объема последовательно изменяется по длине реактора вследствие протекания химической реакции. Концентрация исходного реагента постепенно меняется по длине реактора от начального значения 0 до конечного. Следствием такого режима движения реакционной смеси является то, что время пребывания каждой частицы в реакторе одно и то же.

Реактор постоянного смешения (РПС) представляет собой аппарат с мешалкой, в который непрерывно подаются реагенты, и также непрерывно выводятся из него продукты реакции. В РПС наблюдается резкое изменение концентрации исходного реагента при входе в реактор в результате мгновенного смешения поступающей смеси с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, где концентрация исходного реагента значительно ниже, чем концентрация исходного реагента в поступающей смеси. Благодаря тому, что в РПС реакционная смесь мгновенно перемешивается, во всем объеме реактора одинакова концентрация исходного реагента, и она тем ниже, чем больше время пребывания реагентов в реакторе. По этой же причине по всему объему реактора одинакова и степень превращения и скорость реакции.



3. Тепловой и материальный баланс адиабатических РИВ и РПС

3.1 Материальный баланс РИВ

Реактор идеального вытеснения - такой реактор, в котором отсутствуют продольное, радиальное перемещение, а осуществляется только диффузия, концентрация реагентов изменяется в результате химического превращения.

Рассмотрим реакцию aA+ bB=cC+dD, за начальные условия примем V=const, zА°= const, хА=0, через некоторое время степень превращения в реакторе станет равной хА+dxA, тогда

GFPA = V zA°xA MA/22.4,

где GFPA - физический приход, кг/с; V-объем смеси, мі/с; 22.4-молярный объем, мі/кмоль;

MA - масса молярная вещества А, кг/кмоль; zA°(1-xA) - концентрация оставшегося реагента, кг/кмоль; zA°хА- концентрация прореагировавшего реагента, кг/кмоль.

GFRA= V zA°(1-xA) dxA MA/22.4 - физический расход, кг/с

GCRA= UdVMA -количество вещества А, которое прореагировало в результате химической реакции, где U -скорость реакции, кмоль/ міс; dV-изменение объема смеси, мі/с.

По закону сохранения действующих масс - приход равен расходу вещества в ходе реакции:

GFPA= GFRA + GCRA, или

V zA°/22.4 - V zA° хА/22.4 = UdV + V zA°/22.4 - V zA° хА/22.4 - V zA° dхА/22.4



Сократим и получим уравнение материального баланса для реактора идеального вытеснения:

V zA° dхА/22.4 = UdV.

Обозначим, что Vr- объем реактора, мі; тогда Vr= Vt,

где V-расход смеси, мі/с; t-время, с. Изменение объема реактора:

dVr=Vdt,

т.к. V=const, то zA° dxA/22.4=Udt, преобразуем и получим dxA/dt=U22.4/ zA° - уравнение МБ в дифференциальной форме.

Время, необходимое для достижения заданной степени превращения найдем по формуле, отсюда следует, что чем больше скорость, тем меньше время:

3.2 Тепловой баланс РИВ

Рассмотрим реакцию, протекающую без изменения числа молей

aA+ bB=cC+dD,

Т0 - начальная температура на входе в реактор,град; хА=0 - начальная степень превращения, х-конечная степень превращения; Т-температура в реакторе, град; Т+dT- изменение температуры в ходе реакции, град; V=const - расход смеси считаем постоянным, мі/с; zA° -концентрация вещества А, кг/кмоль,и удельная теплоемкость Cp, Дж/(моль град), также постоянные величины, тогда HFP-энергия, приносимая исходной газовой смесью в объем реактора, кДж/с:

HFP =VCp(T-273),

HFR= VCp(T+dT-273) - энергия(теплота) на выходе из реактора, кДж/с;

HСR=UHUCRdV -тепловой эффект химической реакции, кДж/с.

U-скорость реакции,кмоль/міс; HUCR - удельный тепловой эффект реакции, кДж/кмоль;

dV- изменение расхода смеси, мі/с.

Тогда теплота прихода равна: HP=HFP + HСR, кДж/с.

Теплота расхода будет равна: HR=HTO + HHR, кДж/с.

HTO =KFdTdV - энергия теплообмена, кДж/с, где К-коэффициент теплопередачи, кДж/(мІград с); F- удельная поверхность в единице реакционного объема,мІ/мі; dT- изменение температуры, град; dV- элементарный реакционный объем, мі.

По закону сохранения энергии: HP= HR, т.е энергия прихода равна энергии расхода, тогда VCpT- VCp273 + UHUCRdV= VCpT + VCpdT- VCp273 + KFdTdV, сократив, получим: UHUCRdV= VCpdT + KFdTdV - уравнение политермы, показывающее, что количество выделившейся теплоты равно изменению температуры и теплоте, отобранной холодильником. В адиабатическом режиме отсутствует теплообмен с окружающей средой, теплота идет на изменение теплосодержания химической смеси, значит:

HUCRdx=22.4 CpdT/zA°, кДж/кмоль;

= zA°HUCR/(22.4 Cp) - уравнение адиабаты в интегральной форме, проинтегрируем и получим: Т=Т0 (zA°HUCR/(22.4 Cp))x - уравнение адиабаты, здесь знак «+» для реакции экзотермической, знак «-» для эндотермической реакции.

Ad=zA°HUCR/(22.4Cp) - адиабатический коэффициент, показывающий на сколько изменится температура реакции смешения, если ключевое вещество полностью прореагирует, град.

Система уравнений МБ и ТБ:

Решение системы позволит найти максимальное значение степени превращения, например, для реакции первого порядка, получим: U=kPA=kPzA=kP zA°(1-x) - кинетическое уравнение реакции 1-го порядка dx/dt= 22/4kP(1-x), , после интегрирования получим: х= 1- - уравнение степени превращения для необратимой реакции 1-го порядка.

3.3 Материальный баланс РПС

Реактор полного смешения - реактор, в котором вновь поступающая порция реагента быстро распространяется по всему объему реактора за счет перемешивания и концентрация реагента остается постоянной в любой точке реактора.

Рассмотрим реакцию aA+ bB=cC+dD, примем V=const-объем смеси, zА°= const, хА=0, хк-начальная и конечная степень превращения соответственно,Vr=const -объем реактора, тогда

GFPA = V zA°xA MA/22.4 - физический приход в реактор,кг/с;



V -расход смеси,мі/с; zA°-концентрация реагента А, кг/кмоль; Vm =22.4 - молярный объем, мі/кмоль.

GFRA= V zA°(1-xA) dxA MA/22.4 -физический расход, кг/с

GCRA= UVrMA - прореагировало в реакторе в ходе химической реакции, кг/с, где Vr-объем реактора, мі.

По закону сохранения действующих масс - приход равен расходу вещества в ходе реакции: GFPA= GFRA + GCRA, кг/с.

V zA°/22.4= V zA°/22.4 - V zA°хк/22.4 + UVr, сократим:

V zA°хк/22.4= UVr, учитывая, что Vr= Vt - объем реактора, мі, получим хк/t= 22.4U/ zA° - уравнение материального баланса РПС.

Из уравнения МБ следует, что чем больше скорость реакции, тем ниже время ее протекания и объем реактора.

3.4 Тепловой баланс РПС

Рассмотрим реакцию экзотермическую без изменения числа молей

aA+ bB=cC+dD

Т0 - начальная температура на входе в реактор,град; Тк-конечная температура на выходе из реактора, град; хА=0 - начальная степень превращения, хк -конечная степень превращения; Т-температура в реакторе, град; V=const - расход смеси считаем постоянным, мі/с; zA° -концентрация вещества А, кг/кмоль; Cp- удельная теплоемкость, Дж/моль град, также постоянные величины; F- поверхность теплообмена на всем объеме реактора, мІ/мі; Cp- удельная теплоемкость, Дж/(моль град), тогда

HFP =VCp(T0-273), кДж/с - теплота физического прихода;

HFR= VCp(Tк -273) - энергия(теплота) физического расхода, кДж/с;

HСR=U?HUCRVr - тепловой эффект химической реакции, кДж/с;

HTO =KF?T - энергия теплообмена, кДж/с.

По закону сохранения энергии составим уравнение теплового баланса:

HFP + HСR = HFR + HTO

VCpT0 - VCp273 + U?HUCRVr = VCpTк - VCp273 + KF?T, сократим UHUCRVr = VCp(Tк - T0) + KF?T - уравнение политермы.

U= хк zA°/(22.4 t) - скорость реакции, кмоль/(міс), Vr= Vt - объем реактора, мі, подставим в уравнение политропы:

хк zA°/(22.4 t) Vt?HUCR = VCp(Tк - T0) + KF?T

В данном случае режим адиабатический, то теплообмен с окружающей средой отсутствует, и слагаемое KF?T пропадает, тогда хк ?HUCR = 22.4 Cp(Tк - T0)/ zA°, отсюда Tк = T0 zA°?HUCR хк/(22.4 Ср)- уравнение адиабаты РПС, где знак «+» для реакции экзотермической, знак «-» для эндотермической реакции.

Cовместное решение уравнений МБ и ТБ для РПС позволяет найти конечную степень превращения: =

Рассмотрим необратимую реакцию первого порядка, тогда U=kPA=kPzA=kP zA°(1-x) -кинетическое уравнение реакции 1-го порядка, подставим в уравнение МБ и ТБ:



Для обратимой реакции первого порядка A D:

U=k1PA -k2PD=k1PzA -k2PzD=k1P zA°(1-xk)-k2P zA°xk=k1PzA°(1-(k2+k1)xk/k1)

U=0 при условии равновесия, тогда k1=(k1+k2)xr, значит U= k1P zA°(1-xk/xr), выразив хк, получим: хк= xr22.4tk1P/(xr+22.4 tk1P). Система уравнений МБ и ТБ для обратимой реакции примет вид:



4. Программный код

4.1 Выбор реактора

SO2+0.5O2=SO3-ДH

Далее:



При ф=10:



Таким образом, более удачным реактором для реакции окисления оксида серы IV является реактор полного смешения.



4.2 Изменение скорости реакции при изменении температуры

SO2+0.5O2=SO3 -ДH



Таким образом, при повышении температуры скорость реакции возрастет.



4.3 Изменение скорости реакции при изменении давления

SO2+0.5O2=SO3 -ДH



Таким образом, при увеличении давления скорость реакции увеличивается.



Вывод

Анализ данных при одном и том же времени показал, что степень превращения в РИВ больше, чем степень превращения в РПС, но температура, а значит и скорость реакции имеют меньшее значение, чем в РПС это доказано расчетами и графически. Времени для реакции в РПС потребуется больше, чем в РИВ, однако значение степени на данном временном промежутке мало, поэтому сравнивая константы скорости и температуру можно заключить, что для проведения реакции эффективнее использовать реактор полного смешения.

Проанализировав изменения скорости реакции от изменения температуры и давления, мы расчетно и графически доказали, что при увеличении температуры или давления скорость реакции также увеличится. Увеличение температуры ведет за собой изменение констант реакции, которые приводят к увеличению скорости. При повышении общего давления в реакторе увеличивается давление каждого вещества, что также приводит к увеличению скорости реакции. Данные выводы подтверждает принцип Ле-Шателье.



Список литературы

1. Васильев Б.Т., Отвагина М. И., Технология серной кислоты, М., 1985. Ю.В. Филатов.

2. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов - Изд. 2-е испр. и доп. М.: Высшая шк., 1990.-520 с.

Размещено на Allbest.ru