Выбор реактора для окисления диоксида серы
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
?ической реакции находится в равновесии. Стадия 2 является сложной и определяет скорость протекания реакции. Порядок этой реакции по кислороду равен 1. Стадия 3 проходит с большой скоростью, что практически приводит к полному восстановлению ванадия.
Таким образом, кинетические закономерности достаточно сложны. Исследованию кинетики окисления диоксида серы на ванадиевых катализаторах посвящено большое число работ, в которых предложены различные уравнения для расчета массы катализатора, загружаемого в контактные аппараты.
В СССР применяют уравнение Института катализа:
(1)
Постоянная А изменяется в пределах 0,8-1,0 в зависимости от типа катализатора и температуры.
Область условий протекания реакции в промышленных аппаратах: концентрация диоксида серы 4-12%, кислорода 6-13%. При двойном контактировании их содержание на второй стадии снижается примерно до 1 и 4% соответственно. Температурный интервал 400-600 С. Обычно процесс ведут до степени превращения диоксида серы 98,0% при одинарном и 99,8% при двойном контактировании.
Подробное изучение зависимости скорости реакции от концентрации S02, S03 и 02 показало, что в области температур выше 470 С во всем интервале степеней превращения наблюдается первый порядок реакции по кислороду. Скорость реакции является функцией отношения PSO3 : PSO2 . С повышением,
концентрации кислорода может наблюдаться порядок реакции ниже первого.
Понижение температуры существенно усложняет зависимость скорости реакции от концентрации. В области низких температур и степеней превращения скорость реакции пропорциональна концентрации кислорода, не зависит от концентрации S02 и сильно тормозится S03.
Работа всех слоев катализатора в промышленных аппаратах описывается кинетическим уравнением (1), кроме начала первого слоя, где применимо уравнение, предлагаемое Институтом катализа, описывающее процесс при допущении, что весь ванадий находится в четырехвалентном состоянии:
(2)
Применение кинетических уравнений к расчету необходимого времени соприкосновения для достижения заданной степени конверсии проводится при учете работы катализатора в контактном аппарате в адиабатических условиях, т. е. без отвода выделяемой теплоты реакции. Это приводит к непрерывному нагреванию слоя по мере продвижения газа. Степень нагрева пропорциональна степени превращения и концентрации диоксида серы в газе.
2. ТЕПЛОВОЙ И МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС АДИАБАТИЧЕСКИХ РИВ И РПС
.1 Материальный баланс РИВ
Реактор идеального вытеснения (РИВ) - такой реактор, в котором отсутствуют продольное и 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 = VzA(1-xA)MA/22.4, где
GFPA - физический приход, кг/с; V-объем смеси, м/с; 22.4-молярный объем, м/кмоль; MA -молярная масса вещества А, кг/кмоль; zA(1-xA) - концентрация оставшегося реагента, кг/кмоль.= VzA(1-xA)dxAMA/22.4 -физический расход, кг/с= UdVMA -количество вещества А, которое прореагировало в результате химической реакции, где U -скорость реакции, кмоль/ мс; dV-изменение объема смеси, м/с.
По закону сохранения действующих масс - приход равен расходу вещества в ходе реакции:= GFRA + GCRA, илиzA/22.4 - VzAхА /22.4 = UdV + VzA/22.4 - VzA хА/22.4 - VzA dхА/22.4,
сократим и получим уравнение материального баланса для реактора идеального вытеснения:zA dхА/22.4 = UdV.
Обозначим, что Vr- объем реактора, м; тогда Vr = Vt, где V-расход смеси, м/с; t-время, с.
Изменение объема реактора: dVr = Vdt, т.к. V=const, то zA dxA/22.4 = Udt, преобразуем и получим /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:
2.2 Тепловой баланс РИВ
Рассмотрим реакцию, протекающую без изменения числа молей:
+ 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, м/с; zA - концентрация вещества А, кг/кмоль и удельная теплоемкость Cp, Дж/(м3град), также постоянные величины, тогда
HFP-энергия, приносимая исходной газовой смесью в объем реактора, кДж/с:
= VCp(T-273),
= VCp(T+dT-273) - энергия(теплота) на выходе из реактора, кДж/с;СR = UHUCRdV -тепловой эффект химической реакции, кДж/с.скорость реакции, кмоль/мс; HUCR - удельный тепловой эффект реакции, кДж/кмоль; dV- изменение расхода смеси, м/с.
Тогда теплота прихода равна: HP = HFP + HСR, кДж/с.
Теплота расхода будет равна: HR = HTO + HFR, кДж/с.
HTO = KF?TdV - энергия теплообмена, кДж/с, где К-коэффициент теплопередачи, кДж/(мградс); F- удельная поверхность в единице реакционного объема, м/м; ?T- изменение температуры, град; dV- элементарный реакционный объем, м.
По закону сохранения энергии: HP= HR, т.е энергия прихода равна энергии расхода, тогдаCpT - VCp273 + UHUCRdV = VCpT + VCpdT - VCp273 + KFdTdV, сократив, получим:HUCRdV = VCpdT + KFdTdV - уравнение политермы, показывающее, что количест?/p>