- •Введение
- •1. Порядок выполнения и оформления лабораторных работ
- •2. Водоподготовка
- •2.1. Общие положения
- •Качество воды и требования к ней
- •2.2. Промышленная водоподготовка
- •2.3. Методика выполнения работ
- •2.3.1. Порядок выполнения работы по умягчению воды Известково-содовый метод
- •2.3.2. Порядок выполнения работы по обессоливанию воды
- •2.3.3. Порядок проведения работы по коагуляции воды
- •2.3.4. Методы анализа Определение общей жесткости воды
- •Качественное определение в воде анионов
- •Качественный анализ анионов
- •Построение калибровочной кривой
- •2.3.5. Задание к лабораторной работе
- •3. Гетерогенные процессы в системах
- •3.1. Восстановление диоксида углерода
- •3.1.1. Основные положения
- •3.1.2. Описание лабораторной установки и порядок
- •3.1.3. Расчет показателей процесса восстановления диоксида
- •3.1.4. Задание к лабораторной работе по восстановлению
- •3.2. Разложение карбонатов и синтез силикатов
- •3.2.1. Общие положения
- •3.2.2. Описание лабораторной установки и порядок
- •3.2.3. Методы анализа
- •3.2.4. Расчет показателей процесса разложения карбонатов
- •Степень разложения карбоната рассчитывают по формуле
- •Выход со2 определяют по формуле
- •Скорость разложения карбонатов находим по формуле
- •3.2.5. Задание к лабораторной работе
- •3.3. Обжиг сульфидных руд
- •3.3.1. Общие положения
- •3.3.2. Описание лабораторной установки и порядок
- •3.3.3. Расчет показателей процесса обжига сульфидных руд
- •3.3.4. Задание к лабораторной работе
- •3.4. Система твердое - твердое
- •3.4.1. Спекание соды с оксидом железа. Общие положения
- •3.4.2. Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Методы анализа
- •3.4.5. Задание к лабораторной работе
- •4. Гетерогенные процессы в системе газ - жидкость
- •4.1. Общие положения
- •4.2. Абсорбция диоксида серы
- •Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы
- •4.2.3. Расчет показателей процесса абсорбции диоксида серы
- •4.2.4. Задание к лабораторной работе
- •5. Гетерогенно-каталитические процессы
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Каталитическое окисление диоксида серы
- •5.2.1. Описание лабораторной установки и порядок
- •5.2.2. Методика определения содержания so2 в газовой смеси
- •5.2.3. Расчет показателей процесса каталитического окисления
- •Условное время контактирования определяют по формуле
- •5.2.4. Задание к лабораторной работе
- •6. Химические реакторы
- •6.1. Общие положения
- •6.2. Периодический реактор идеального смешения
- •Описание лабораторной установки и порядок выполнения
- •Порядок выполнения работы
- •6.2.2. Расчет показателей процесса омыления эфира в периодическом реакторе
- •6.2.3. Задание к лабораторной работе
- •Кордиков Василий Дмитриевич Редактор
- •Тираж ______ экз. Заказ
- •220050. Минск, Свердлова, 13а. Лицензия лв № 276 от 15.04.03.
5.2. Каталитическое окисление диоксида серы
Цель работы изучение влияния технологических параметров (температуры, состава реакционной смеси, объемной скорости газового потока) на основные показатели каталитического процесса (степени превращения и производительности катализатора).
Типичным примером гетерогенного каталитического процесса является процесс каталитического окисления диоксида серы. Этот процесс широко используется в промышленности основного неорганического синтеза, в частности для получения серной кислоты и описывается следующим уравнением реакции:
SO2 + 1/2O2 SO3; Н = 96,7 кДж.
Как видно из уравнения, реакция окисления диоксида серы является обратимой, экзотермической. Основными параметрами, влияющими на равновесие химических реакций, являются температура, давление и концентрация реагирующих веществ.
Равновесное состояние характеризуется константой равновесия, выраженной через равновесные парциальные давления компонентов следующим образом: ___
КР = PSO3 / (PSO2 PO2), (56)
где PSO3, PSO2, PO2 равновесные парциальные давления соответствующих компонентов.
Значения КР в интервале 400-700 С могут быть вычислены по эмпирической формуле
lgКР = 4905 / Т = - 7,1552, (57)
где Т температура окисления, С.
Другой важной величиной, используемой для оценки равновесного состояния системы является равновесная степень превращения Хр
Хр = PSO2 / (PSO2 + PSO3). (58)
Решая совместно уравнения 54 и 56 получают следующее выражение для Хр:
, (59)
где Р общее давление газа, Па.
Определение равновесной степени превращения (контактирования) по данной формуле выполняется с высокой степенью точности с использованием ЭВМ, в частности, программного комплекса MathCad.
В соответствии с принципом Ле-Шателье, для рассматриваемой реакции значение Хр возрастает с повышением давления, так как реакция протекает с уменьшением объема и уменьшением температуры, поскольку реакция экзотермическая.
Ниже приведены значения Хр при различных температурах и давлении 0,1 МПа для газовой смеси, содержащей 7 % SO2, 11 % O2 и 82 % N2.
Таблица 10 – Зависимость равновесной степени превращения
от температуры
T, С |
Хр, % |
t, С |
Хр, % |
|||
400 420 440 460 480 500 |
99,2 98,7 97,9 96,9 95,4 93,4 |
520 540 560 580 600 620 |
90,7 87,4 83,4 78,7 73,4 67,6 |
Равновесная степень превращения, кроме того, зависит от соотношения SO2 и O2 в газе. Чем больше введено воздуха, тем меньше SO2 и больше O2 содержится в газовой смеси и, следовательно, тем выше равновесная степень превращения.
Повышение давления также приводит к увеличению равновесной степени превращения SO2 в SO3. Однако на практике использование повышенного давления для увеличения степени превращения SO2 нецелесообразно. Во-первых, влияние давления на выход продукта менее значительно по сравнению с влиянием температуры. Во-вторых, велики затраты энергии на сжатие балластного азота, являющегося основным компонентом газовой смеси обжигового газа.
Знание равновесных параметров позволяет определить верхний предел максимально возможной при данных условиях степени превращения. Поскольку равновесное состояние характеризует реакционную систему через бесконечное время после начала реакции, то для характеристики реальных процессов и установления оптимальных технологических параметров необходимо кроме термодинамических факторов учитывать и кинетические. При этом необходимо вести процесс так, чтобы достичь высоких технологических показателей за более короткое время, т.е. скорость процесса должна быть максимальной. Проанализируем влияние технологических параметров на скорость окисления SO2.
Известно, что скорость практически всех реакций с увеличением температуры возрастает в соответствии с уравнением Аррениуса 53. Изучаемый процесс не представляет исключения, однако, влияние температуры на фактическую степень превращения имеет более сложный характер. Это связано с тем, что процесс окисления SO2 в SO3 является обратимым и экзотермическим, поэтому с увеличением температуры возрастает скорость как прямой, так и обратной реакции. В области низких степеней контактирования скорость прямой реакции превосходит скорость обратной вследствие высокой концентрации исходных реагентов и низкой продуктов реакции. В этих условиях фактическая степень превращения (Xф) с ростом температуры увеличивается. Но при достижении некоторых величин степени превращения и температуры, скорости прямой и обратной реакций выравниваются и при дальнейшем увеличении температуры Xф уменьшается.
На рисунке 8 показана зависимость равновесной и фактической степени превращения от температуры при различном времени контактирования (соприкосновения) реагирующих веществ с катализатором. Время контактирования является важной технологической характеристикой каталитического процесса, зная которое можно производить расчет реакционных аппаратов. На практике чаще всего пользуются условным временем контактирования
= Vк / V, (60)
где Vк объем катализатора, м3; V объем газа, проходящий через катализатор в единицу времени при нормальных условиях м3/час.
Зависимость равновесной и фактической степени превращения от температуры при различном времени контактирования
Рисунок 8
Как видно на рисунка 8, с увеличением времени контактирования (4 > 3 > 2 > 1), фактическая степень превращения увеличивается и положение максимума на кривых смещается в сторону более низких температур. Соединяя на этом рисунке точки, соответствующие максимальной степени превращения X, получают линию оптимальных температур (ЛОТ) или оптимальную температурную последовательность, показывающую, что по мере протекания процесса следует увеличивать время соприкосновения газа с катализатором и понижать температуру. Таким образом, оптимальным является осуществление процесса окисления SO2 в SO3 в политропном режиме (по линии оптимальных температур), позволяющем поддерживать максимальную скорость достижения заданной конечной степени превращения.
Для практического осуществления данного режима в настоящее время наиболее широко используется пятислойный контактный аппарат с неподвижным слоем катализатора. Регулирование температуры на входе в каждый слой осуществляется путём частичного отвода тепла во встроенных или выносных теплообменниках, а также путем подвода холодной реакционной газовой смеси. Слои катализатора отличаются лишь толщиной, которая возрастает от первого слоя к последнему. Это обеспечивает увеличение времени пребывания реагентов на каждом последующем слое и компенсирует снижение скорости химической реакции, вызванное уменьшением концентрации исходных реагентов в газовой смеси и понижением температуры от первого слоя к последующим. Подробнее работа контактных аппаратов рассматривается при изучении темы «Реакторы для осуществления гетерогенных каталитических процессов».
Энергия активации гомогенного окисления диоксида серы составляет свыше 250 кДж/моль, поэтому в отсутствии катализатора взаимодействие SO2 с кислородом протекает очень медленно. Каталитической активностью по отношению к данной реакции обладают многие вещества (платина, оксиды ванадия, железа, хрома и др.). Наиболее активным катализатором является платина, однако, она чрезвычайно чувствительна к каталитическим ядам, имеет высокую стоимость и поэтому не применяется. В настоящее время в промышленности для окисления SO2 применяются исключительно ванадиевые катализаторы.
В производстве серной кислоты для окисления SO2 используются различные марки ванадиевых катализаторов (СВД, СВС, ИК и др.), отличающиеся составом и свойствами. Данные катализаторы содержат в своем составе 6-8 % пентаоксида ванадия, а также другие вспомогательные вещества (носители, активаторы и др.). Носители служат для создания высокой удельной поверхности, на которую наносят катализатор. Применение носителей улучшает свойства катализаторов и удешевляет их. В качестве носителей при получении ванадиевых катализаторов используют термостойкие и инертные вещества, в частности, диатомит и силикагель. Активаторы (промоторы) вводят в состав контактной массы для повышения ее активности.
Промышленные твердые катализаторы обычно не являются индивидуальными веществами. Они представляют собой сложную смесь, называемую контактной массой.