Расчет контактного аппарата окисления

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Кафедра общей химической технологии

Курсовая работа

по теме:

«Расчет контактного аппарата окисления SO2 в SO3»

Выполнил: студент гр П-43

Соколов Виктор

Проверил: Семенов Г.М.

Москва 2006

Исходные данные

Вариант 26

SO2 в газе - 11 об.дол

O2 в газе - 10 об.дол

расход газа V = 13 000 м3/ч

конечная степень превращения 0,5

общее давление 1 атм

температура Т= 595 °С

скорость газа w= 1,15 м/с

энергия активации Е= 85 000 кДж/кмоль

коэффициент запаса ц= 1,2

константа скорости k= 14,3 при Т= 585 °С

Физико-химические основы окисления SO2

В производстве серной кислоты контактным методом окисление SO2 по реакции SO2 + 1/2О2 = SO3 происходит в присутствии катализатора. Для этого газ приводят в соприкосновение с катализатором, находящимся в стационарном или в псевдоожиженном состоянии. Количество окисленного SO2 характеризуют долей общего содержания диоксида серы в газе или в процентах (к общему первоначальному количеству SO2 в газе). Эту величину называют степенью превращения, или степенью окисления.

Способностью ускорять окисление SO2 обладают различные металлы, их сплавы и оксиды, некоторые соли, силикаты и многие другие вещества. Каждый катализатор обеспечивает определенную, характерную для него степень превращения. В заводских условиях выгоднее пользоваться катализаторами, при помощи которых достигается наибольшая степень превращения, так как остаточное количество неокисленного SO2 не улавливается в абсорбционном отделении, а удаляется в атмосферу вместе с отходящими газами.

Длительное время лучшим катализатором данного процесса считали платину, которую в мелкораздробленном состоянии наносили на волокнистый асбест, силикагель или сульфат магния. Однако платина, хотя и обладает наивысшей каталитической активностью, очень дорога. Кроме того, ее активность сильно понижается при наличии в газе самых незначительных количеств мышьяка, селена, хлора и других примесей. Поэтому применение платинового катализатора приводило к усложнению аппаратурного оформления из-за необходимости тщательной очистки газа и повышало стоимость готовой продукции.

Среди неплатиновых катализаторов наибольшей каталитической активностью обладает ванадиевый катализатор (на основе пентоксида ванадия V2O5), он более дешевый и менее чувствительный к примесям, чем платиновый катализатор.

Реакция окисления SO2 экзотермична; тепловой эффект ее, как и любой химической реакции, зависит от температуры. В интервале 400--700 °С тепловой эффект реакции окисления (в кДж/моль) с достаточной для технических расчетов точностью может быть вычислен по формуле

Q= 10 142 --9.26Т или 24 205 -- 2,21Т (в ккал/моль)

где Т -- температура, К.

Реакция окисления SO2 в SO3 обратима. Константа равновесия этой реакции (в Па~0.5) описывается уравнением

где Pso3, Pso2, Po2--равновесные парциальные давления SO3, SO2 и O2, Па.

серный окисление реакция катализ

Величина Кр зависит от температуры. Значения Kр в интервале

390--650°С могут быть вычислены по формуле

lgKp = 4905/T - 4,6455

Степень превращения SO2, достигаемая на катализаторе, зависит от его активности, состава газа, продолжительности контакта газа с катализатором, давления и др. Для газа данного состава теоретически возможная, т. е. равновесная степень превращения, зависит от температуры и выражается уравнением

В производственных условиях существенное значение имеет скорость окисления SO2. От скорости этой реакции зависит количество диоксида серы, окисляющегося в единицу времени на единице массы катализатора, и, следовательно, расход катализатора, размеры контактного аппарата и другие технико-экономические показатели процесса. Процесс стремятся вести так, чтобы скорость окисления SO2, а также степень превращения были возможно более высокие.

Скорость окисления SO2 характеризуется константой скорости

где k0--коэффициент; Е -- энергия активации, Дж/моль; R--универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль-К); Т -- абсолютная температура, К.

Из кинетической теории газов известно, что доля молекул, обладающих энергией, достаточной для того, чтобы при их столкновении произошла реакция, составляет в первом приближении e~E/RT. Таким образом, этот член в уравнении скорости реакции характеризует долю эффективных столкновений, приводящих к образованию молекул SO3. Показатель степени в выражении e~ElRT отрицателен; следовательно, с повышением температуры скорость реакции возрастает, а с увеличением Е уменьшается.

Энергия активации Е реакции окисления SO2 в SO3 очень велика, поэтому без катализатора реакция гомогенного окисления практически не идет даже при высокой температуре. В присутствии твердых катализаторов энергия активации понижается, следовательно, скорость гетерогенной каталитической реакции возрастает. Таким образом, роль катализатора состоит в понижении энергии активации Е.

Процесс катализа состоит из нескольких этапов

1) диффузия реагирующих компонентов из ядра газового потока к зернам, а затем в порах контактной массы.

2) Сорбция кислорода катализатором (передача электронов от катализатора к атомам кислорода).

3) Сорбция молекул диоксида серы с образованием комплекса SO2-O-катализатор.

4) Перегруппировка электронов с образованием комплекса SO3-катализатор.

5) Десорбция SO3

6) Диффузия SO3 из пор контактной массы и от поверхности зерен.

Расчет контактного аппарата

Требуемый объем контактной массы для каждого слоя находим по уравнению

х=цVф

Так как значение ц известно, а величина V дается по условию, то для определения контактной массы необходимо установить время контакта ф,

Скорость реакции окисления SO2 на ванадиевом катализаторе определяется уравнением Борескова-Иванова:

Из уравнения Аррениуса находим константу скорости для 595°С:

Константа скорости К=16,4 при Т= 595 °С

Константа равновесия описывается уравнением

lgKp = 4905/T - 4,6455

lgKp = 4905/(595+273) - 4,6455= 1, 005

Kp= 10, 13

Находим равновесную степень превращения из уравнения:

Подставляем свои значения константы равновесия и концентраций находим равновесную степень превращения x=0,799. Тогда:

Упрощаем:

Для построения графика и решения интеграла строим таблицу

Фиктивное время соприкосновения газа с контактной массой ?ф = 0,00836 с

Объем контактной массы

х=цVф=1,2*13000*0,00836 /3600= 0,036 м3

Площадь поперечного сечения реактора

F= V/3600*w = 13000/3600*1,15= 3,14 м2

Диаметр реактора

Высота слоя контактной массы

h= ф *w= 0,00836*1,15= 0,96 см

Схема контактного аппарата

1- ванадиевая контактная масса 2- внутренний теплообменник
3- выносной теплообменник 4- корпус

Размещено на Allbest.ru