Реакция окисления диоксида серы
Характеристика реакции окисления диоксида серы. Реакции процесса производства серной кислоты из элементарной серы, определение его себестоимости. Установление равновесной температуры, давления, степени превращения реакции конверсии угарного газа с паром.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.04.2012 |
| Размер файла | 52,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- Получение H2SO4 из серы
- Контактное окисление SO2 в SO3
- Технологические показатели
- Расчеты, построение графиков
- Выводы по работе
Введение
В данной контрольной работе рассматривается реакция окисления SO2.
Целью работы является:
1. Установление равновесной температуры, давления, степени превращения реакции конверсии угарного газа с паром;
2. Рассчитать реактор размером 10 м3
3. Определение себестоимости производства по средствам расчета сырьевой и эксплуатационной компонент с помощью построения графика зависимости данных переменных от степени превращения;
Получение H2SO4 из серы
Процесс производства серной кислоты из элементарной серы состоит из следующих основных реакций:
подготовка сырья: очистка и плавление серы; очистка, сушка и дозировка воздуха;
сжигание серы: S + O2 = SO2 (1). Процесс ведут с избытком воздуха;
контактное окисление SO2 в SO3: SO2 + 0,5O2 = SO3 (2). Процесс идет на ванадиевом катализаторе при температуре 420-550?C.
Получение серной кислоты включает несколько этапов. Первым этапом является получение диоксида серы окислением (обжигом) серосодержащего сырья (необходимость в этой стадии отпадает при использовании в качестве сырья отходящих газов, так как в этом случае обжиг сульфидов является одной из стадий других технологических процессов). Следующий этап - превращение оксида серы (IV) в оксид серы (VI). Этот окислительный процесс характеризуется очень высоким значением энергии активации, для понижения которой необходимо, как правило применение катализаторов. В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SO2 в SO3, различают два основных метода получения серной кислоты.
В контактном методе получения серной кислоты процесс окисления SO2 в SO3 проводят на твердых катализаторах.
Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SO2 в SO3. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы - снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SO2. Повышение степени превращения SO2 может быть достигнуто разными путями. Наиболее распространенный из них - создание схем двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА).
Рассмотрим подробнее контактное окисление SO2 в SO3.
Контактное окисление SO2 в SO3
Контактное окисление диоксида серы является типичным примером гетерогенного окислительного экзотермического катализа.
Это один из наиболее изученных каталитических синтезов
Реакция окисления диоксида серы:
SO2 + 0,5 O2 = SO3
характеризуется очень высоким значением энергии активации и поэтому практическое ее осуществление возможно лишь в присутствии катализатора.
В промышленности основным катализатором окисления SO2 является катализатор на основе оксида ванадия V2O5 (ванадиевая контактная масса).
Каталитическая активность в этой реакции проявляют и другие соединения, прежде всего платина. Однако, платиновые катализаторы чрезвычайно чувствительны даже к следам мышьяка, селена, хлора и других примесей и поэтому постепенно были вытеснены ванадиевым катализатором.
Скорость реакции повышается с ростом концентрации кислорода, поэтому процесс в промышленности проводят при его избытке.
Так как реакция окисления SO2 относится к типу экзотермических, температурный режим ее проведения должен приближаться к линии оптимальных температур. На выбор температурного режима дополнительно накладываются два ограничения, связанные со свойствами катализатора. Нижним температурным пределом является температура зажигания ванадиевых катализаторов, составляющая в зависимости от конкретного вида катализатора и состава газа 400 - 440*С. верхний температурный предел составляет 600 - 650*С и определяется тем, что выше этих температур происходит перестройка структуры катализатора, и он теряет свою активность.
В диапазоне 400 - 600*С процесс стремятся провести так, чтобы по мере увеличения степени превращения температура уменьшалась.
Чаще всего в промышленности используют полочные контактные аппараты с наружным теплообменом. Схема теплообмена предполагает максимальное использование теплоты реакции для подогрева исходного газа и одновременное охлаждение газа между полками.
Одна из важнейших задач, стоящих перед сернокислотной промышленностью, увеличение степени превращения диоксида серы и снижение его выбросов в атмосферу. Эта задача может быть решена несколькими методами.
Один из наиболее рациональных методов решения этой задачи, повсеместно применяемой в сернокислотной промышленности, - метод двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА). Для смещения равновесия вправо и увеличения выхода процесса, а также для увеличения скорости процесса процесс проводят по этому методу. Его сущность состоит в том, что реакционную смесь, в которой степень превращения SO2 составляет 90 - 95%, охлаждают и направляют в промежуточный абсорбер для выделения SO3. В оставшемся реакционном газе соотношение O2: SO2 существенно повышается, что приводит к смещению равновесия реакции вправо. Вновь нагретый реакционный газ снова подают в контактный аппарат, где на одном-двух слоях катализатора достигают 95% степени превращения оставшегося SO2. суммарная степень превращения SO2 составляет в таком процессе 99,5% - 99,8 %.
Технологические показатели
Моль вещества - совокупность числа Авагадро (6,02*1023 моль-1) структурных элементов (молекул, атомов). Объем 1 моля идеального газа = 22,4 м3 при нормальных условиях.
серная кислота окисление диоксид
Молярная масса - отношение массы вещества к количеству вещества. То есть это масса одного киломоля, которую можно рассчитать с помощью таблицы Д.И. Менделеева.
Степень превращения - отношение количества прореагировавшего вещества к тому веществу, которое было подано в реактор.
Мольная доля вещества - отношение мольного потока вещества к мольному потоку смеси (отношение числа молей компонента к общему числу молей в смеси).
Стационарный режим работы реактора - режим, при котором все параметры процесса во времени не изменяются. Условие стационарности заключается в том, что алгебраическая сумма скоростей подвода и отвода каждого из веществ равна нулю. Количество уравнений в системе равно количеству веществ, принятых в расчет, в том числе и инертных. Система уравнений условия стационарности:
NA1 - ae - NA2 = 0; N01 = NA1 + NB1 + NC1 + Ni1;
NB1 - be - NB2 = 0; N02 = NA2 + NB2 + NC2 + Ni2;
NC1 + ce - NC2 = 0; M01 = AMA1 + BMB1 + CMC1 + iMi1;
Ni1 - Ni2 = 0; M02 = AMA2 + BMB2 + CMC2 + iMi2;
; ; ; ; ;
22,4N02 = V02.
Селективность - отношение количества конечного продукта к количеству продукта, который получился из всего прореагировавшего вещества с учетом стехиометрических коэффициентов.
Производительность:
мольная Пс = NC2 - NC1 = ce;
массовая Пс = MC2 - MC1 = c (NC2 - NC1) =c ce;
объемная Пс = VC2 - VC1 = 22,4 (NC2 - NC1) = 22,4 ce.
Интенсивность - отношение производительности к объему реактора.
Основные этапы расчета материального баланса:
· формализация условий (упрощение);
· определения перечня и количества неизвестных;
· составление системы линейных уравнений;
· расчет корней этой системы;
· проверка и оформление результатов.
Правильность расчета материального баланса:
· нет отрицательных чисел;
· выполняется закон сохранения массы вещества;
· при подстановке выполняются все условия.
Расчеты, построение графиков
Построение кинетических кривых
Процесс окисления SO2 протекает по следующему уравнению реакции:
SO2+0.5O2=SO3 или А+0.5В=С
Скорость окисления описывается следующим уравнением:
Где U - скорость реакции
k - константа скорости реакции
Kp - константа равновесия химической реакции
PSO2, PO2, PSO3 - парциальные давления диоксида серы, кислорода, оксида серы, соответственно.
Рекомендуемая температура смеси на входе в реактор 813 К, давление 1 атм, рекомендуемый состав исходной газовой смеси: концентрация диоксида серы составляет 12% (об.), кислорода 09% (об.)
Введем стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением реакции. Рассчитаем изменение числа киломолей в ходе реакции.
Введем значение предэкспоненты и энергии активации для прямой реакции.
Определим функцию Аррениуса и функцию для расчета константы равновесия.
Подключаем модуль с определениями всех основных функций.
Определяем функции для расчета прямой, обратной и наблюдаемой скоростей реакции. Выражение для прямой и обратной скоростей получим из уравнения скорости окисления диоксида серы, раскрыв скобки.
Символьно рассчитаем равновесную температуру.
Для проверки полученного значение Тр найдем также значение равновесной температуры численным способом. Для расчета воспользуемся функцией root. В результате получим практически то же значение равновесной температуры.
Определяем частные вспомогательные функции u1 (T,P), u2 (T,P), u (T,P) из общих функций, приняв степень превращения равной 0,3.
Строим объемный график с тремя поверхностями u1, u2, u.
Символьно рассчитываем равновесное давление. Оно получается равным нулю. Это свидетельствует о том, что реакция протекает без изменения объема.
Строим плоский график зависимости скорости реакции от давления.
Оптимальное давление не подлежит численному расчету.
Символьно рассчитываем равновесную степень превращения. Получаем вектор трех корней. Выбираем тот из них, который соответствует минимальному значению равновесной степени превращения. Степени превращения равной 1,5 и - 3,9 быть не может, выбираем степень превращения, равную 0,987. Рассчитываем равновесную степень превращения численным способом, сравниваем два результата.
Строим плоский график зависимости скорости реакции от степени превращения, вводим значение равновесной степени превращения хр в слот на абсциссе.
ВЫВОД: В результате проведенных действий мы получили представление о кинетике реакции окисления диоксида серы.
Равновесие в процессе окисления диоксида серы. Расчет конечной степени превращения при заданном объеме реактора.
Построим на одном графике три кривые - равновесную степень превращения и 2 конечные степени превращения в реакторе полного смешения с разным временем пребывания от температуры.
Порядок действий при расчете конечной степени превращения реакции окисления диоксида серы.
Введем стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением реакции. Рассчитаем изменение числа киломолей в ходе реакции. Глобально определим мольные доли веществ в исходной смеси.
Определяем функции для константы равновесия kp, константы скорости реакции kc.
Подключаем модуль с определениями всех основных функций.
Определяем функции для расчета прямой и наблюдаемой скоростей реакции.
Для расчета равновесной степени превращения определим функцию: Внутри скобок функции root через запятую запишем сначала исследуемую функцию скорости, а затем введем аргумент х, меняя который нужно найти такое значение аргумента хр, при котором функция обращается в ноль.
Для расчета конечной степени превращения в РПС, используя уравнение материального баланса РПС, записываем функцию F. С ее помощью будем искать такое значение х, при котором F станет равной нулю.
Чтобы построить объемный график поверхности, определим частную функцию от 2 аргументов Xp (T,P). При этом задается первое приближение.
Определим функцию XAK, способную с помощью стандартной функции root рассчитать значение конечной степени превращения.
Для построения поверхности конечной степени превращения в РПС определим частную функцию XAK1 (T,P).
Аналогично предыдущему пункту для построения конечной степени превращения используем частную функцию XAK2 (T,P).
Построим зависимость степени превращения от температуры. В рабочую область вставим шаблон плоского X-Y графика. В слот на абсциссе вставим технический аргумент Тm. Добавим на ординату через запятую выражения Xp (Tm,1, 0.3, ZA1, ZB1, ZC1, ZD1), XАК1 (Tm,1, 0.3, ZA1, ZB1, ZC1, ZD1,), XАК2 (Tm,1, 0.3, ZA1, ZB1, ZC1, ZD1). В результате будет построен требуемый график. Из графика видно, что равновесная степень превращения уменьшается с увеличением температуры.
Построим объемный график зависимости равновесной степени превращения, а также конечных степеней превращения при времени и.
Расчет объема адиабатического реактора по степени превращения.
Время пребывания в РПС рассчитывается по формуле:
, в РИВ - по формуле. Знание времени пребывания газовой смеси внутри ректора позволяет рассчитать объем реактора по заданному объемному расходу смеси и наоборот, объемный расход по заданному объему ректора. Рассчитаем, как степень превращения будет изменяться при увеличении времени пребывания в адиабатическом реакторе.
Порядок расчета:
Введем стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением реакции. Рассчитаем изменение числа киломолей в ходе реакции.
Глобально определим мольные доли веществ в исходной смеси.
Определяем функции для константы равновесия Kp, константы скорости реакции kc.
Подключаем модуль с определениями всех основных функций.
Определяем функцию адиабатического разогрева.
Определяем функции прямой, обратной и наблюдаемой скоростей реакции. В функциях константы скорости вместо температуры ставим обращение к функции адиабаты T (t, x).
Для расчета равновесной степени превращения вводим функцию: xp (t, P, x, ZA1, ZB1, ZC1, ZD1).
Определяем функции для расчета времени превращения в РПС и РИВ.
Задаем начальные температуры , . Используя функцию для расчета равновесной степени превращения, рассчитываем значение равновесной степени превращения для начальной температуры газовой смеси, равной . Аналогично рассчитываем значение степени превращения близкое к равновесной степени превращения для начальной температуры газовой смеси .
Для построения графика определяем функции, ,, а также определяем коэффициент адиабатического разогрева. Строим график зависимости степеней превращения от времени пребывания в реакторе.
ВЫВОД: конечная степень превращения наблюдаемой скорости реакции стремится к бесконечности при увеличении времени пребывания смеси в реакторе. Время пребывания смеси в адиабатическом РИВ больше времени пребывания смеси в адиабатическом РПС.
Расчет себестоимости.
Опираясь на предыдущие расчеты, построим график зависимости себестоимости процесса конверсии угарного газа с паром, а также ее сырьевой и эксплуатационной компоненты от степени превращения.
11. Глобально зададим цены на сырье и эксплуатацию.
12. Определим функции для расчета сырьевой и эксплутационной компонент себестоимости, а также себестоимости в целом.
13. Строим плоский график.
ВЫВОД: эксплуатационная компонента себестоимости СЭi, которая пропорциональна объему реактора, а следовательно, и времени пребывания смеси, растет, т.к. время стремится к бесконечности. Уменьшение сырьевой компоненты объясняется тем, что на производство исходные вещества расходуются почти полностью. Суммарная себестоимость имеет минимум.
Выводы по работе
В ходе выполнения данной курсовой работы было установлено, что реакция окисления диоксида серы является экзотермической реакцией и идет без изменения объема. Мы выяснили, что скорость обратной реакции мала, и поэтому кривые прямой и наблюдаемой реакции практически совпадают на графиках зависимости скорости реакции от температуры и давления. При увеличении степени превращения скорость прямой реакции, как и скорость наблюдаемой реакции, уменьшается, скорость обратной - возрастает.
Равновесная степень превращения, равная 0,757, не изменяется при изменении давления. Но конечная степень превращения прямой реакции увеличивается при увеличении давления.
Также в ходе работы установлено, что время пребывания в адиабатическом РИВ, больше, чем в адиабатическом РПС. Конечная степень превращения наблюдаемой реакции стремится к бесконечности при увеличении времени пребывания, это обусловлено тем, что она стремится достичь своего равновесного значения. При рассмотрении графика зависимости себестоимости и ее компонент от степени превращения установлено, что рост эксплуатационной компоненты себестоимости СЭi, которая пропорциональна объему реактора, а следовательно, и времени пребывания смеси, объясняется тем, что время стремится к бесконечности. Уменьшение сырьевой компоненты объясняется тем, что на протекание реакции конверсии угарного газа с паром расходуются исходные вещества почти полностью. Суммарная себестоимость сначала убывает, а затем возрастает, то есть она имеет минимум.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Технологическая схема производства серной кислоты: краткое описание процесса, функциональная и операторная схема. Этапы сернокислого производства. Получение обжигового газа из серы. Контактное окисление диоксида серы. Материальный расчет, показатели.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 23.02.2015Характеристика производимой продукции предприятия. Характеристика сырья для получения серной кислоты. Материально-тепловой расчет контактного аппарата. Увеличение температуры при окислении двуокиси серы. Расчет контактного аппарата на ветровую нагрузку.
курсовая работа [114,2 K], добавлен 21.10.2013Обзор технологических процессов плавления серы. Классификация серы, плавильные аппараты. Анализ процесса плавления серы, система контроля температуры расплава при транспортировке в отделение плавления цеха серной кислоты ОАО "Гомельский химический завод".
дипломная работа [1,8 M], добавлен 18.06.2013Технология и химические реакции стадии производства аммиака. Исходное сырье, продукт синтеза. Анализ технологии очистки конвертированного газа от диоксида углерода, существующие проблемы и разработка способов решения выявленных проблем производства.
курсовая работа [539,8 K], добавлен 23.12.2013Определение концентрации диоксида серы на поверхности раздела в газовой и жидкой фазах по длине колонн, необходимой поверхности и высоты слоя насадки. Расчет аспирации и отопления прядильного корпуса завода, производящего шелк по центрифугальному способу.
курсовая работа [912,6 K], добавлен 01.01.2015Технологические особенности получения ферросиликомарганца в рудовосстановительных печах. Микроренгеноструктурные и петрографические исследования наличия серы в силикомарганце. Зависимость влияния кремния и титана на массовую долю серы в сплавах.
дипломная работа [4,6 M], добавлен 01.11.2010Окисление этилена с целью производства этиленоксида как одно из крупнотоннажных производств нефтехимической промышленности. Кинетические уравнения процесса окисления этилена. Зависимость основных показателей процесса окисления от времени реакции.
лабораторная работа [442,8 K], добавлен 19.10.2015Описание технологического процесса предприятия, использование сырья и готовой продукции. Примеры блок-схем окисления сероводорода, охлаждения, каплеуловителя, конденсации серы. Техника безопасности и экологическая оценка производства, охрана труда.
курсовая работа [815,3 K], добавлен 02.02.2012Назначение и технологическая схема установки гидроочистки У-1.732. Разработка и особенности расчета ее каскадной АСР регулирования температуры куба стабилизационной колонны К-201 с коррекцией по концентрации общей серы в стабильном гидрогенизате.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 16.01.2015Анализ технологической схемы производства акролеина. Установление материального баланса сложной параллельной и необратимой реакции. Расчет пропускной способности установки, конверсии, расходного коэффициента, выхода на поданное и превращенное сырье.
курсовая работа [588,7 K], добавлен 25.08.2010
