Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Лабораторный практикум

Окисление диоксида серы (процессы и реакторы)



Задачи лабораторного практикума

1. Исследование физико-химических закономерностей окисления диоксида серы

2. Расчет и анализ процесса в слое катализатора

3. Расчет реактора окисления диоксида серы



Общие пояснения к лабораторной работе

1. Физико-химические основы окисления диоксида серы

Химическое равновесие

Равновесие в реакции окисления диоксида серы

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃ (1)

определяется уравнением

(2)

где (pSO3, pSO2, pO2)_равн ? парциальные давления компонентов в равновесии.

Перейдя к равновесной степени превращения SO₂ x_р, получим:

(3)

где Р - константа равновесия [ат^?0,5], зависящая от температуры T [K}:

lg K_P = 4905/T ? 4,6455; (4)

а, b - исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, ат.

Вид зависимости x_р(Т) показан ниже на рис. 3.

Кинетика окисления диоксида серы

Окисление диоксида серы протекает на ванадиевом катализаторе. Скорость r реакции (1) описывается уравнением Борескова-Иванова:

(5)

Где pSO2, pSO3, pO2 ? парциальные давления SO₂, SO₃ и O₂ соответственно;

k, K_P ? константы скорости реакции и равновесия.

Используя степень превращения SO₂ x, уравнение (5) преобразуется:

(6)

Особенностью реакции окисления SO₂ на ванадиевом катализаторе является изменение энергии активации Е констаны скорости реакции k в разных температурных интервалах. В аррениусовских координатах зависимость K(T) приведен на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость константы скорости k реакции окисления SO₂ на ванадиевом катализаторе от температуры Т

Здесь Е₁, Е₂, Е₃ ? энергии активации для трех участков;

T₁₂, и T₂₃ ? температуры границ участков.

Т* ? температура, при которой в стандартных испытаниях определяется активность катализатора - константа скорости реакции k*.

Если задать значения Е₁ = Е₂ = Е₃, получим "классическую" константу скорости, для которого энергия активации Е ? величина постоянная во всем температурном интервале, что показано пунктиром на рис. 1.

Теоретическая оптимальная температура

Зависимость скорости реакции от температуры имеет вид, характерный для обратимой экзотермической реакции и показанный на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость скорости реакции r от температуры Т при разных степенях превращения х оксида серы

Вследствие ступенчатого изменения энергии активации Е с температурой зависимость r(T) может быть представлена кривой с изломами.

Рис. 3. Зависимость равновесной степени превращения х_равн от температуры Т и изменение оптимальной температуры Т_опт со степенью превращения х

Температура, при которой скорость реакции максимальная, есть оптимальная температура Т_опт для соответствующей степени превращения х. Она зависит от х и представлена на рис. 3.

Вследствие ступенчатого изменения энергии активации Е с температурой Т_опт имеет вид сплошной ломанной кривой на рис. 3. В случае "классической" зависимости константы скорости от температуры Т_опт(х) - гладкая пунктирная кривая на рис. 3.

Если по мере протекания реакции с изменением степени превращения х температуру поддерживать, равной Т_опт, то окисление будет протекать с наибольшей интенсивностью - это будет теоретический температурный режим. Конечно, реализовать его практически не удается, в промышленном аппарате можно приближаться к нему.

2. Процессы и реакторы окисления SO₂

Процесс в слое катализатора

Окисление SO₂ проводят в неподвижном слое катализатора, процесс в котором описывается моделью идеального вытеснения:

(7)

где х, х_н - текущая и начальная степени превращения SO₂;

Т - температура в слое катализатора;

ф = v_к/V₀ ? условное время реакции:

v_к - объем слоя катализатора,

V₀ - объемный расход реакционной смеси при нормальных условиях.

В изотермическом режиме температура Т постоянная. В адиабатическом режиме

где Т_н - начальная температура на входе в слой катализатора;

?T_ад = Q_рa/с_р - величина адиабатического разогрева;

Q_р ? тепловой эффект реакции; с_р ? теплоемкость реакционной смеси.

Процесс в псевдоожиженном слое катализатора описывается моделью идеального смешения:

(8)

Обычно температуру в слое Т задают. При осуществлении процесса в адиабатическом режиме температуру входящего газа Т_н можно определить из уравнения (7).

Процесс в реакторе

Рис. 4. Схемы многослойных реакторов окисления диоксида серы с адиабатическими слоями катализатора (к): а - с промежуточными теплообменниками (т); б - с вводом холодного газа (х.г.) после первого слоя и теплообменниками (т) после остальных; в - с вводом холодного воздуха (х.в.)

Окисление SO₂ проводят в многослойном реакторе с адиабатическими слоями катализатора и охлаждением между ними реагирующего потока. Охлаждение может осуществляться в теплообменниках, добавлением части холодного исходного газа или добавлением холодного воздуха. В промышленности используют схемы реакторов (Рис. 4):

Процесс в слое катализатора описывается уравнениями (6) и (7).

Если охлаждение газа после i-го слоя осуществляется в теплообменнике, то степень пре- вращения не меняется (х_iк = х_i+1,н), а температура изменяется от Т_iк до Т_i+1,н. В реакторе 6 в первый слой подается доля в всего потока. После ввода холодного газа (его доля 1 ? в) после первого слоя температура Т_2н и степень превращения х_2н изменяться:

(9)

Где Т_хг - температура холодного газа.

Если охлаждение газа после i-го слоя осуществляется добавлением холодного воздуха, то степень превращения не меняется (х_iк = х_i+1,н), но изменятся температура до Т_i+1,н, а также объем V_i+1, состав (содержание SO₂ ? a_i+1 и O₂ ? b_i+1) и величина адиабатического разогрева ?Т_ад, приведенные к состоянию непревращенной смеси:

(10)

где Т_хв - температура холодного воздуха; V_i - объем газа в i-м слое, отнесенный к объему исходного газа (V₁ = 1).

В реакторе с промежуточными теплообменниками (а на рис. 4) используют также псевдоожиженные слои катализатора, процесс в которых описывается уравнением (8).

В описанных схемах реакторов степень превращения SO₂ не превышает 98%, что ограничено равновесием реакции окисления. Для уменьшения выбросов неокисленного SO₂ используют систему «двойное контактирование ? двойная абсорбция» (ДК/ДА) ? рис. 5.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рис. 5. Схема получения серной кислоты в системе ДК/ДА ? «двойное контактирование ? двойная абсорбция»

В первой ступени контактирования (I к.а.) степень окисления SO₂ составляет около 90%. Далее газ поступает в первую абсорбцию (I абс.), где удаляется образовавшийся SO₃ с получением продукта ? серной кислоты. Далее газ направляется во вторую ступень контактирования (II к.а.) и последующую вторую абсорбцию (II абс.). Удаление продукта обратимой реакции (1) позволяет провести более глубокое окисление SO₂, так что его общая степень превращения достигает 99,8% ? выбросы неокисленного SO₂ сокращаются в 10 раз по сравнению с процессом одинарного кон- тактирования. На каждой стадии контактирования используют реактор с адиабатическими слоями катализатора и промежуточными теплообменниками.

Оптимизация процесса в реакторе

Задано: состав газа (a и b) и температура Т_1н перед реактором, конечная степень превращения х_к, число слоев катализатора n.

Определить режим процесса, обеспечивающий его максимальную интенсивность, т.е. минимальные затраты на катализатор (Уvкi = min) для получения заданного превращения х_к.

Оптимизация [1] сводится к нахождению значений конечных степеней превращения x_iк (i = 1,…, n ? 1) и начальных температур Т_iн (i = 2,…, n) в каждом слое, обеспечивающих выполнение условия оптимизации Уv_кi = min.

Для реактора с промежуточными теплообменниками (а на рис.4) критерий Уv_кi = min эквивалентен условию Уфi = min;

Для реактора с вводом холодного газа после первого слоя и теплообменниками после остальных (6 на рис.4) критерий Уv_кi = min эквивалентен условию..

Для реактора с вводом холодного воздуха между слоями (на рис.4) критерий Уv_кi = min эквивалентен условию УViфi = min.

Как пример, вид оптимального режима в координатах «Т?х» для реактора с промежуточными теплообменниками, приведен на рис. 5.

Рис. 5. График «Т?х» процесса в реакторе окисления SO₂ с адиабатическими слоями катализатора и промежуточными теплообменниками: ломаная линия - оптимальный режим, х_р - равновесная степень превращения, Т_опт - теоретический оптимальный режим

Изменение температуры в слоях катализатора следует линии оптимальных температур Т_опт ? уменьшается от слоя к слою по мере увеличения степени превращения.

Постановка задачи оптимизации реактора второй ступени контактирования в системе ДК/ДА несколько отличается от оптимизации реактора первой ступени или в системе одинарного контактирования. При оптимизации режима второй ступени контактирования температура Т_1н перед реактором не задается, а определяется для выполнения условия оптимизации Уv_кi = min.

Программный комплекс «Окисление диоксида серы (процессы и аппараты)»

Назначение программного комплекса ? расчет процесса и реактора окисления диоксида серы на ванадиевом катализаторе.

Программа предоставляет возможность выполнить следующие расчеты:

1. Pавновесные степени пpевpащения х_p(T).

2. Скоpость pеакции W(T) пpи заданном х.

3. Оптимальные темпеpатуpы T_опт(х)

4. Вpемя контакта в слое ф(х) (pежимы идеального вытеснения и смешения).

5. Степень пpевpащения в слое х(ф) (pежимы идеального вытеснения и смешения).

6. Оптимизация многослойного pеактоpа с промежуточными теплообменниками (слои катализатора идеального вытеснения или смешения).

7. Оптимизация многослойного pеактоpа с вводом холодного газа после 1-го слоя и теплообменниками после остальных.

8. Оптимизация многослойного pеактоpа с пpомежуточным вводом холодного воздуха.

9. Оптимизация pеактоpа второй стадии в системе «двойное контактирование ? двойная абсорбция» (ДК/ДА)

Инструкция пользователя

Перед началом работы выясните варианты расчета и для каждого из них ? требуемые параметры и рассчитайте их.

Важно! Сoблюдайте размерности исходных величин и параметров!. При запуске программы появляется меню ? список вариантов расчета.

Выбрать программу расчета и кликом на кнопку «Начнем, пожалуй…» перейти в окно варианта для ввода исходных данных, расчету и выводу результатов расчета.

В левой части окна варианта ? «Исходные данные» ? надо ввести указанные программой и заранее вычисленные параметры, а также параметры кинетического уравнения.

О параметрах кинетического уравнения: Т*, *, Е₁, Е₂, Е₃, T₁₂, T₂₃, ? см. раздел “Кинетика окисления диоксида серы” и рис. 1.

В выпадающем списке “Катализатор” можно выбрать:

? промышленный катализатор СВД или ИК-4 с заданными кинетическими параметрами;

? катализатор “Классический”, для которого энергия активации есть величина постоянная во всем температурном интервале (Е₁ = Е₂ = Е₃);

? катализатор “Новый” и ввести все параметры кинетического уравнения.

Расчет выполняется кликом на кнопку «Пуск!». В правой части окна будет выведена таблица результата расчета.

Кнопка «График» ? вывод результата расчета на график. Будет запрос: «Обновить график?». Ответ «Да» ? в окне графика будет выведен результат расчета.

Можно выводить в одно окно графика результаты расчетов, полученных по разным программам или по одной программе при разных исходных данных (если, конечно, координаты графиков совпадают). Например, результаты расчета x_равн, Т_опт и оптимального режима реактора можно представить на одном графике в координатах «Т ? x» как на рис. 5. Для этого после очередного расчета при запросе «Обновить график?» ответить «Нет». Результаты последнего расчета будут наложены на предыдущий график.

Полученные в одном экране графики результатов разных расчетов служат для наглядного представления и экспресс?анализа результатов при проведении серии расчетов. Для отчета по работе таблицы надо переписать, и результаты использовать для их дальнейшей количественной обработки и построения графиков в отчете.

Кнопка «В начало» в окне варианта расчета ? возврат из этого окна в окно меню программы. Кнопка «SOS!» ? вызов описания программы и инструкции пользователя.

Кнопка «Выход» ? завершение работы с программой.

Предусмотрена защита от ввода неправильных данных или несанкционированных действий. В этих случаях появляется соответствующее предупреждение.



Программы комплекса

1. Pавновесные степени пpевpащения x_p(T)

Программа рассчитывает равновесные степени превращения в заданном интервале температур

Исходные данные:

SO2, O2 ? исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

Т_н, Т_к ? интервал температур, в котором рассчитываются x_р;

Шаг по Т ? шаг по температуре.

Расчет константы равновесия при задаваемой температуре предусмотрен программой.

Результаты расчета (кнопка «ПУСК!») .

В таблице выводятся значения Т, x_р, _P через каждый шаг по Т в заданном интервале температур и на график в координатах «Т ? x» по кнопке «График».



2. Скоpость pеакции W(T) пpи задаваемой степени превращения x

Программа рассчитывает скорости реакции при задаванной степени превращения в заданном интервале температур.

х ? степень превращения реакционной смеси;

Т_н, Т_к ? интервал температур, в котором рассчитывается скорость реакции;

Шаг по Т ? шаг по температуре.

Исходные данные:

SO2, O2 ? исходные концентрации, соответственно, SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

Результаты расчета.

В таблице выводятся значения Т и W через шаг по Т в заданном интервале температур и на график в координатах «T ? W» по кнопке «График».

Примечание. Если при какой-то температуре скорость реакции становится отрицательной (заданное х превышает х_равн), расчет прерывается с указанием причины.

3. Оптимальные темпеpатуpы T_опт(х)

В задаваемом интервале степеней превращения х рассчитываются оптимальные температуры T_опт, т.е. температуры, при которой скорость реакции будет максимальна для каждой степени превращения.

Исходные данные:

SO2, O2 ? исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

x_н, x_к ? границы интервала степеней превращения определения Т_опт;

Тx ? шаг по степени превращения.

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

Результаты расчета.

Выводятся значения степеней превращения х, оптимальных температур Т_опт и скоростей реакции

W(Т_опт) в виде таблицы и на график в координатах «Т ? x» по кнопке «График».

На приведенном выше изображении экрана расчета Т_опт график оптимальных температур выведен на график результата предыдущего расчета x_р(Т).

4. Вpемя контакта в слое ф (х) (pежим идеального вытеснения или смешения)

Рассчитывается время контакта ф для заданного превращения в слое катализатора в адиабатическом режиме (задается соответствующее значение ?T_ад) или в изотермическом режиме, задавая ?T_ад = 0.

Исходные данные:

SO2, O2 ? исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

x_н, Т_н ? степень превращения и температура на входе в слой;

x_к ? степень превращения на выходе из слоя;

?Т_ад ? величина адиабатического разогрева.

Режим процесса - идеальное вытеснение (ИВ) или идеальное смешение (ИС);

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

Результаты расчета.

Выводятся промежуточные и конечные значения ф, x и T (для слоя идеального смешения ? конечные значения) в виде таблицы и на график в координатах «ф ? x, Т» по кнопке «График».

На приведенном выше изображении экрана расчета Т_опт график оптимальных температур выведен на график результата предыдущего расчета x_р(Т).

Примечание. Если заданное x_к превышает равновесное значение, выдается сообщение об ошибке.

5. Степень пpевpащения в слое x(ф) (pежим идеального вытеснения или смешения)

Рассчитывается степень превращения x в слое катализатора при задаваемом времени контакта ф в адиабатическом режиме (задается соответствующее значение ?T_ад) или в изотермическом режиме, задавая ?T_ад = 0.



Исходные данные:

SO2, O2 ? исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

х_н, Т_н ? степень превращения и температура на входе в слой;

ф ? время контакта в слое;

?Т_ад ? величина адиабатического разогрева.

Режим процесса - идеальное вытеснение (ИВ) или идеальное смешение (ИС);

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

Результаты расчета

Выводятся промежуточные и конечные значения ф, x и T (для слоя идеального смешения ? ко- нечные значения) в виде таблицы и на график в координатах «ф ? x,Т» по кнопке «График».

На приведенном выше изображении экрана расчет x(ф) в режиме ИС выведен на график предыдущего расчета ф(х) в режиме ИВ.

Примечание. Если задано большое ф, т.е. в начале слоя возможен большой градиент по х или Т, то расчет прерывается.

кинетика окисление диоксид сера реактор

6. Оптимизация многослойного pеактоpа с промежуточными теплообменниками (слои катализатора идеального вытеснения или смешения)

Рассчитывается оптимальный режим, обеспечивающий минимальное время контакта в многослойном реакторе окисления SO₂ с адиабатическими слоями катализатора и промежуточными теплообменниками (рис. 4а).

Исходные данные.

SO2, O2 ?- исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

?Т_ад ? величина адиабатического разогрева;

Режим процесса - идеальное вытеснение (ИВ) или идеальное смешение (ИС);

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

n ? число слоев катализатора.

х_1н, Т_1н ? степень превращения и температура на входе первого слоя;

х_к ? степень превращения после реактора;

Результаты расчета:

Выводятся оптимальные координаты режима х_iн, Т_iн, х_iк, Т_iк (для режима ИС ? только температура в слоях Т_i) и время контакта Т_i в слоях в виде таблицы и на график в координатах «Т ? х» по кнопке «График».

На приведенном выше изображении экрана режим процесса в реакторе выведен на график результата предыдущих расчетов x_р(Т) и T_опт(х).

Примечание. Вследствие кусочно-непрерывной зависимости константы скорости k от температуры Т при некоторых условиях (n и х_к) использованный алгоритм расчета не позволяет найти решение. В этом случае надо прервать выполнение программы.



7. Оптимизация многослойного pеактоpа с вводом холодного газа после 1-го слоя и теплообменниками после остальных

Рассчитывается оптимальный режим в многослойном реакторе окисления SO₂ с адиабатическими слоями катализатора, вводом холодного газа после 1-го слоя и промежуточными теплообменниками после остальных (рис. 6).

Исходные данные:

SO2, O2 ?- исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

?Т_ад ? величина адиабатического разогрева;

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

n ? число слоев катализатора.

х_1н, Т_1н ? степень превращения и температура на входе первого слоя;

х_к ? степень превращения после реактора;

T_х.г. ? температура холодного газа;

Результаты расчета:

Выводятся оптимальные координаты режима х_iн, Т_iн, х_iк, Т_iк,, время контакта V_i в слоях и объемы газа V_i в слоях (в в первом и V_i = 1 в остальных) в виде таблицы и на график в координатах «Т ? х» по кнопке «График».

Примечание. Вследствие кусочно-непрерывной зависимости константы скорости k от температуры Т при некоторых условиях (n и х_к) использованный алгоритм расчета не позволяет найти решение. В этом случае надо прервать выполнение программы.

8. Оптимизация многослойного pеактоpа с пpомежуточным вводом холодного воздуха

Рассчитывается оптимальный режим в многослойном реакторе окисления SO₂ с адиабатическими слоями катализатора и охлаждением реакционной смеси путем ввода холодного воздуха между ними (рис. 4в).

Исходные данные.

SO2, O2 ?- исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

?Т_ад ? величина адиабатического разогрева;

Режим процесса - идеальное вытеснение (ИВ) или идеальное смешение (ИС);

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

n ? число слоев катализатора.

х_1н, Т_1н ? степень превращения и температура на входе первого слоя;

х_к ? степень превращения после реактора;

T_х.в. ? температура холодного воздуха.

Результаты расчета:

Выводятся оптимальные координаты режима х_iн, Т_iн, х_iк, Т_iк, объемы катализатора v_кi и объемы газа

V_i в слоях (V₁ = 1) в виде таблицы и на график в координатах «Т ? х» по кнопке «График».

Примечание. Вследствие кусочно-непрерывной зависимости константы скорости k от температуры Т при некоторых условиях (n и х_к) использованный алгоритм расчета не позволяет найти решение. В этом случае надо прервать выполнение программы.

9. Оптимизация pеактоpа второй стадии в системе «двойное контактирование ? двойная абсорбция» (ДК/ДА)

Рассчитывается оптимальный режим в многослойном реакторе окисления SO₂ с адиабатическими слоями катализатора и промежуточными теплообменниками. Возможен расчет однослойного адиабатического реактора.

Исходные данные:

SO2, O2 ?- исходные концентрации соответственно SO₂ и O₂, об. доли;

P - давление, атм;

?Т_ад ? величина адиабатического разогрева;

Параметры кинетического уравнения (см. “Инструкция пользователя”)

n ? число слоев катализатора.

х_1н ? степень превращения на входе первого слоя;

х_к ? степень превращения после реактора;

Результаты расчета:

Выводятся оптимальные координаты режима х_iн, Т_iн, х_iк, Т_iк и время контакта ф_i в слоях в виде таблицы и на график в координатах «Т ? х» по кнопке «График».



Пример выполнения лабораторной работы

Задание

Рассчитать контактный аппарат окисления SO₂ в SO₃ для производства серной кислоты при атмосферном давлении для условий:

Производительность, тыс т 100% Н₂SO₄ в год 60

Число слоев катализатора 3

Катализатор ИК-4

Температура на входе, ⁰С 420

Серусодержащее сырье сжигание серы в воздухе

Начальное содержание SO₂, % 8

Степень превращения SO₂, % 98

Процесс проводится при давлении близком к атмосферному.

Определить расходы сырья (серы и воздуха), необходимое количество катализатора и его оптимальное распределение по слоям.

В координатах «Т - х» на одном графике представить равновесные степени превращения, оптимальные температуры и профиль температуры по слоям катализатора в заданном реакторе.

Попробуйте сделать выводы из полученных результатов

Выполнение задания

Для данного задания надо провести расчеты: оптимального режима реактора, равновесных степеней превращения и оптимальных температур. Требуемые исходные данные и их размерности приведены в описании программы.

1) Подготовка исходных данных

Определяем параметры перерабатываемого газа, полученного смешением SO₂ с воздухом. Концентрация SO₂ а = 8% (задано) = 0,08 об. доли (пересчитано в размерность, используемой в программе).

Концентрацию O₂ получим из стехиометрического уравнения сжигания серы S + O₂ = SO₂. Из него следует, что кислород воздуха, затраченный на сжигание серы замещается диоксидом серы. Концентрация оставшегося O₂ b = 0,21 ? а = 0,13 об доли (0,21 ? содержание кислорода в воздухе).

Величина адиабатического разогрева ?T_ад = Q_рa/с_р. В приложении приведены физико- химические свойства: Q_р = 94,4 кДж/моль, с_р = 0,252 кал/(г град), плотность газа с = 1,4 г/л, ? и пересчетные коэффициенты для расчета ?T_ад в нужной размерности [град]: 1 кал = 4,187 Дж, 1 моль = 22,4 л газа, 1 кДж = 10³ Дж. Рассчитываем:

Проверить размерность рассчитываемой величины ?T_ад можно, если привести размерности соответствующих физико-химических свойств и пересчетных коэффициентов, использованных при расчете ?T_ад, как показано в выражении. под расчетной формулой.

2) Расчет процесса в реакторе

Для расчета оптимального реактора окисления SO₂ в окне меню выбираем программу «Реактор с промежуточными теплообменниками». (слои катализатора идеального смешения и вытеснения). Подготавливаем исходные данные для расчета:

SO2 = 0,08

O2 = 0,13

P = 1 атм

?Т_ад = 230 град

Катализатор - ИК-4

Режим процесса в слоях - ИВ (идеальное вытеснение)

n = 3

х_1н = 0

Т_1н = 693 К

х_к = 0,98

После ввода этих данных выполняем расчет (кнопка «Пуск!») и в таблице получим результаты):

Слой	хн	хк	Тн, К	Тк, К	ф, с
1	0,000	0,735	693	862	0,524
2	0,735	0,931	724	769	0,781
3	0,931	0,980	692	703	1,473

Переписываем результаты расчета

Результаты расчета выводим на график "Т ? х" ? кнопка «График». Режим процесса в реакторе будет представлен ломанной линией.

3) Расчет равновесных степеней превращения.

Возвращаемся в окно меню программы ? кнопка «В начало». Выбираем программу «Равновесие». Кнопкой «Начнем, пожалуй…» переходим в окно варианта. Вводим исходные данные:

SO2 = 0,08

O2 = 0,13

P = 1 атм Т_н = 680 К Т_к = 880 К

?Т = 20 град

После ввода этих данных выполняем расчет (кнопка «Пуск!») и получим таблицу «Т ? x_p», которую переписываем.

Просмотрим результат на графике ? кнопка «График». При запросе «Обновить график?» ответить «Нет». На график режима реактора добавится кривая равновесных степеней превращения.

4) Расчет оптимальных температур

Возвращаемся в окно меню программы ? кнопка «В начало». Выбираем программу «Оптимальные температуры». Кнопкой «Начнем, пожалуй…» переходим в окно варианта.

Вводим исходные данные:

SO2 = 0,08

O2 = 0,13

P = 1 атм Катализатор - ИК-4 x_н = 0,5

x_к = 0,99

?x = 0,02

После ввода этих данных выполняем расчет (кнопка «Пуск!») и получим таблицу «х ? T_опт», которую переписываем.

Просмотрим результат на графике ? кнопка «График». При запросе «Обновить график?» ответить «Нет». На график режима реактора и равновесных степеней превращения добавится линия оптимальных температур.

Выходим из программы ? кнопка «Выход». Расчеты на компьютере закончены.

5) О6ра6отка результатов расчета

Записанные результаты расчета представляем на графике "Т ? х":

Графики х?Т:

Реактор ? режим реактора окисления SO₂ (;1, 2, 3 - слои катализатора; т.о. - теплообменники); х_р ? равновесные степени превращения; Т_опт ? оптимальные температуры.

Рассчитываем расход исходных компонентов. Следующие реакции превращают S в H₂SO₄:

S + O₂ = SO₂

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃

SO₃ + H₂O = H₂SO₄,

т.е. из 1 моля S образуется 1 моль H₂SO₄.

Расход серы:

Здесь 60000 [т/г] - заданная производительность по серной кислоте;

8000 - число дней работы производства в течение года (исключается время на ремонт и профилактику);

32 и 98 - соответственно, молекулярные массы S и H₂SO₄;

0,98 - степень окисления SO₂ в SO₃ (степень использования сырья).

Расход воздуха:

Здесь 2500 [кг/ч] - расход S;

22,4 [нм³/моль] - мольный объем; 32 ? молекулярная масса серы;

0,08 [об. доля] - содержание SO₂ в исходной реакционной смеси (на 1 моль сжигаемой серы расходуется 1 моль кислорода воздуха).

Рассчитываем количество катализатора.

Объему реакционной смеси V₀ равен объему воздуха V_возд, т.е.

V₀ = = 19000/3600 = 5,28 нм³/с =

Объем слоя катализатора v_к находим из определения условного времени реакции ф = v_к/V₀, откуда v_к = ф?V₀. Используя полученное значение V₀ и рассчитанные ф_i по слоям, находим:

v_к1 = 5,28 0,524 = 2,77 м³

v_к2 = 5,28 0,781 = 4,12 м³

v_к3 = 5,28 1,473 = 7,78 м³

Общее количество катализатора v_к = 2,77 + 4,12 + 7,78 = 14,67 м³.

Выводы

Получено: x_p уменьшается с увеличением температуры, T_опт уменьшается с увеличением степени превращения х. Такие зависимости характерны для обратимой экзотермической реакции, какой является окисление SO₂.

Температура в реакторе уменьшается от слоя к слою катализатора по мере прохождения реакционной смеси, что отвечает полученной зависимости T_опт(х). Соответственно, увеличивается количество катализатора в слоях.

Приложение

Физико-химические данные окисления SO₂

- тепловой эффект реакции Q_р = 94,1 кДж/моль теплоемкость реакционной смеси с_р = 0,25 кал/(г град)

- плотность реакционной смеси с = 1,4 г/л при нормальных условиях Некоторые постоянные и величины пересчета:

Т К = Т⁰С + 273

1 кал = 4,18 Дж

1 моль газа = 22,4 л газа при нормальных условиях

1 год (производства) = 8000 ч содержание О₂ в воздухе - 21 об. %

Десятичная приставка: кило -10³



Окисление диоксида серы (процессы и реакторы). Задания лабораторных работ

1. Физико-химические закономерности окисления диоксида серы

Задание 1.1

Рассчитайте и постройте зависимость от температуры равновесной степени окисления х_равн

диоксида серы в интервале температур 400-600⁰С при давлении 1 ат.

1) Исходная смесь содержит 8 об.% SO₂ и получена

- при сжигании серы в воздухе;

? при обжиге колчедана в воздухе;

? смешением SO₂ с воздухом.

2) Исходная смесь содержит SO₂ [об.%] - 7; 8; 9; 10 и получена при сжигании серы в воздухе: Объясните влияние на х_равн исходного сырья и содержании SO₂ в исходном газе.

Задание 1.2

Рассчитайте и постройте зависимость от температуры равновесной степени окисления диоксида серы. Давление: 1 ат; 10 ат. Интервал температур 400?600⁰С. Исходная смесь содержит 10 % SO₂ и получена

а) при сжигании серы в воздухе;

б) при обжиге колчедана в воздухе.

Полагая, что на выходе из реактора температура прореагировавшей смеси 420⁰С и достигается равновесие, определите, как и на сколько изменится остаточное содержание SO₂ при увеличении давления процесса с 1 ат до 10 ат. Объясните полученный результат.

Рассчитайте для обоих случаев суточное количество серной кислоты, образующейся из выбрасываемого SO₂ в атмосферу, при мощности производства 360 т. тонн в год.



Задание 1.3

Рассчитайте и постройте зависимость от температуры скорости r окисления диоксида серы при давлении 1 ат и степенях превращения диоксида серы х [%]: 50; 60; 70; 80; 90; 95; 97. Интервал температур 660 - 890 К. Варианты условий процесса:

	Варианты	1	2
Получение исходного газа	А	Сжигание серы в воздухе	Обжиг колчедана в воздухе
Концентрация SO2, об. %	Б	8	10
Катализатор	в	ИК?4	СВД

Объясните полученные зависимости

Рассчитайте и постройте в координатах «Т? х» зависимость х_равн(Т) и линию оптимальных температур. Нанесите значения температур максимальных значений скорости реакции, полученных в первой части задания.

Задание 1.4

В лабораторной установке проведено измерение активности образца катализатора ИК?4 при температуре 480⁰С. В установке реализован режим ИВ. Загружено 10 мл катализатора. Реакционная смесь получена смешением SO₂ с воздухом и содержит 8 об.% SO2. Объемная скорость реакционной смеси 600 мл/мин. Получена степень превращения х = 83 %.

Рассчитайте активность катализатора - константу скорости реакции.

На другой установке реализован режим ИС. Какова будет степень окисления SO₂ на том же образце катализатора при таких же условиях измерения, как в установке ИВ? Как надо изменить объемную скорость реакционной смеси в установке ИС, чтобы степень превращения была 83 %?



2. Окисление диоксида серы в слое катализатора

Задание 2.1

В лабораторной установке проведено измерение степени превращения на катализаторе а) СВД б) ИК-4. В установке реализован изотермический режим идеального вытеснения. Реакционная смесь содержит 7 об.% SO₂ и 11,5 об.% O₂. Время контакта ф составило 0,5 с.

Как изменяется степень превращения х_к от температуры процесса (интервал температур 720?870 К)?

Для заданного состава реакционной смеси рассчитайте и постройте в координатах «Т? х» зависимость х_равн(Т) и линию оптимальных температур. Нанесите полученные значения х_к и отметьте, при какой температуре достигнуто максимальное превращение.

Задание 2.2

Окисление диоксида серы проводится в неподвижном слое катализаторе в адиабатическом режиме. Температура на входе в слой: а) 440⁰С; б) 420⁰С. Температура в слое не должна превышать 600⁰С.

Определите максимальную концентрацию SO₂ в исходном газе, полученном 1) обжигом железного колчедана; 2) сжиганием серы.

Задание 3.3

Окисление SO₂ проводится в неподвижном сле катализатора ИК?4 в адиабатическом режиме. Исходное сырье получено сжиганием серы в воздухе. Концентрация SО₂ в исходной смеси 7; 8; 9; 10 об.%. Температура реакционной смеси на входе в реактор Т_н: 410, 420, 430, 440⁰С.

Установите, как влияет на выходные показатели (температуру и степень превращения) процесса а) начальная температура, б) концентрация SО₂. Полученные результаты изобразить на графике в координатах «Т?х».

Какова должна быть Т_н для каждой концентрации SО₂, чтобы температура на выходе из слоя не превышала 600⁰С?



3. Реактор окисления диоксида серы

Задание 3.1

Окисление SO₂ в SO₃ проводится в многослойном реакторе с адиабатическими слоями катализатора. Тепло между слоями снимается а) в промежуточных теплообменниках, б) вводом холодного газа после 1?го слоя и теплообменниками после остальных (температура холодного газа Т_х.г.= 220⁰С).

Варианты условий проведения процесса:

	Варианты	1	2	3
Производительность, тонн 100% Н2SO4/сутки	А	100	300	540
Число слоев катализатора	Б	3	4	5
Катализатор	в	БАВ	СВД	ИК-4
Температура на входе, 0С	Г	440	420	?
Серусодержащее сырье	д	Колчедан	Сера	?
Начальное содержание	Е	7	7,5	8
Степень превращения SO2, %	ж	97	97,5	98

В координатах «Т - х» постройте на одном графике равновесные степени превращения, оптимальные температуры и профиль температуры по слоям катализатора в указанных реакторах. Определите в реакторах необходимое количество катализатора и его оптимальное распределение по слоям. Определите часовой расход сырья и воздуха. Сопоставьте реакторы по количеству катализатора в них и объясните полученный результат.

Задание 3.2

Сравнить эффективность работы реакторов двух или трех схем из следующих вариантов:

	Варианты	1	2	3
Серусодержащее сырье	А	Колчедан	Сера	Сероводород
Начальное содержание SO2, об. %	Б	7	8	9
Катализатор	В	СВД	ИК-4	?
Температура на входе, 0С	Г	440	420	?
Число слоев катализатора	Д	3	4	5
Степень превращения SO2, %	Е	97	98	98,5
Организация теплообмена	Ж	Промежуточные теплообменники	ввод хол. реакц. смеси после 1-го слоя (Тх.г = 220 0С)	ввод хол. воздуха между слоями (Тх.в. = 50 0С)

Режим потока в слое катализатора ? идеальное вытеснение; Интервал температур ? 400^о-600^оС

Для сравнения использовать:

а) число слоев катализатора; б) вид сырья;

в) начальная концентрация SO₂;

в) катализатор;

г) организация теплообмена;

Объяснить полученные данные с точки зрения физико-химических представлений о процессе.

Задание 3.3

Рассчитать контактные аппараты окисления SO₂ в SO₃ для производства серной кислоты в системе «двойное контактирование ? двойная абсорбция» (ДК/ДА). Исходные данные:

? производительность 360 тонн 100% Н₂SO₄ в сутки;

? исходный газ получен сжиганием серы;

? начальное содержание SO₂ (об.%) ? 1) 9; 2) 10;

? температура на входе в первый слой катализатора реактора I первой ступени контактирования 420⁰С;

? степень превращения SO₂ х_к в системе (%) ? А) 99,7; Б) 99,8;

? катализатор ИК?4;

? реакторы с промежуточными теплообменниками;

? количество слоев катализатора в ступенях контактирования: А) 3+2; Б) 3+1; В) 2+2.

Определить (подобрать) степень превращения SO₂ после первой ступени контактирования х_I, при которой общее количество катализатора в реакторах системы будет минимальным. Значение х_I подобрать с точностью 0,5%.

Рассчитать объемы слоев катализатора для реактора заданной производительности.

В координатах «Т - х» для каждого реактора построить на одном графике равновесные степени превращения, оптимальные температуры и профиль температуры по слоям катализатора.

Примечания

1) После первой ступени контактирования и первой адсорбции (выделения SO₃) меняется состав и объем газа, поступающего во вторую ступень контактирования. Их следует определить, исходя из заданной величины общей степени превращения х_к и степени превращения х_I после первого реактора.

2) Также для расчета второго реактора требуется определить степень окисления х_II оставшегося SO₂ после первой ступени, исходного из содержания SO₂ в исходном газе, степени его окисления х_I в первом реакторе и заданной величины общей степени превращения х_к.

Приложение

Физико-химические данные окисления SO₂

- тепловой эффект реакции Q_р = 94,1 кДж/моль теплоемкость реакционной смеси с_р = 0,25 кал/(г град)

- плотность реакционной смеси с = 1,4 г/л при нормальных условиях

Размещено на allbest.ru

...