Понятие химического реактора (стр. 9 из 11)

В настоящее время в промышленности в основном применяют контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью. Так как в наш век все процессы и производства стараются делать с максимальной интенсификацией, то можно вполне осознанно остановится именно на контактном окислении.

Я отдаю предпочтение контактному аппарату с выносным теплообменником, который представлен на рисунке 10, исходя из простоты его конструкции и из современных предпочтений. Кроме простоты и надежной работы достоинство такого аппаратов заключается в том, что в нем легко создаются оптимальные условия для осуществления процесса окисления сернистого ангидрида на катализаторе. В выносных теплообменниках создаются оптимальные условия для процесса теплопередачи.

Кроме того, в аппаратах с выносными теплообменниками газ после каждого слоя хорошо перемешивается по пути следования к теплообменникам и внутри них, что имеет большое значение для достижения высокой степени превращения.

4.5 Термодинамика реакции окисления сернистого газа

Составим термодинамический расчет реакции SO₂+0,5O₂→SO₃.

Расчет теплового эффекта реакции проводим, используя следствие из закона Гесса. На основе его же проводим расчет энтропии. При расчете используем зачения теплоемкостей, как функций от температуры.

Данные термодинамические расчеты обуславливают возможность протекания реакции в заданных условиях.

4.6 Материальный баланс

4.6.1 Материальный расчет 1-ого слоя

Для реакции окисления диоксида серы:

(16)

а b c

где а, b, c – количество (моль) компонентов исходной смеси SО₂, О₂ и N₂

(а + b+ c = 1).

Количество каждого компонента (моль) при достижении равновесной степени превращения х_А,е составит

SО₂ О₂ N₂ SО₃

а – а · х_А,е b – 0,5а · х_А,еc а · х_А,е

(17)

Константа равновесия

(18)

может быть рассчитано по уравнению (стр. 502, [5]):

(19)

Из таблиц значений степеней превращения и соответствующих им оптимальным температурам выберем Т_опт=807К

При температуре 807К константа равновесия равна:

(19а)

Состояние равновесия реакции можно характеризовать значениями равновесной степени превращения

(20)

Обозначив общее давление через р, выразим равновесные давления компонентов:

(21)

Тогда

(21а)

Отсюда

(22)

Учтем, что р = 0,1 МПа:

(22а)

Откуда методом итераций находим

и, следовательно, в равновесной смеси содержится:

;

;

;

;

SО₃ – 7,1 % (об.), SО₂ – 0,145 % (об.), О₂ – 7,8 % (об.), N₂ – 84,9 % (об.);

Практическая степень превращения равна:

;

Суммарное уравнение окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI) и абсорбции оксида серы (VI) с образованием серной кислоты:

Исходя из уравнения реакции, по формуле Менделеева-Клапейрона:

;

;

С учетом рассчитанной степени превращения, практически необходимо оксида серы (IV):

;

;

Пересчитаем объемный состав газа в массовый.

Общее количество моль газовой смеси равно

;

Количество компонентов исходной смеси равно:

;

;

;

;

Количество компонентов полученного газа:

;

;

Общее количество моль газовой смеси равно

;

;

;

;

;

кмоль;

;

Результаты расчетов материальных балансов представлены на таблицах 10-13 [6].

Таблица 10 - Материальный баланс 1-ого слоя

Приход				Расход
Статья	кмоль/ч	об. %	кг/ч	Статья	кмоль/ч	об.%	кг/ч
SО2О2N2	404,8636,14742	71182	25907,220355,6132774,5	SО2SО3О2N2Потери	8,1396,56435,664742200,58	0,17,17,885	5183172513941,12132774,578,68
Всего	5782,9	100	179037,3	Всего	5782,9	100	179037,3

4.6.2 Материальный расчет 2-ого слоя

Во второй слой поступают газы из первого слоя и охлаждающий их воздух ( в кг/ч)

m_SO3=31725 кг; m_SO2=518 кг

Из расчета на 2467 кг O₂ необходимо дополнительно ввести 1248 кг кислорода. В нашем случае на 13941 кг будет введено 9799 кг О₂.

m_О2=13941+9799=23740 кг

Из расчета на 21145 кг N₂ необходимо дополнительно ввести 5739 кг азота. В нашем случае будет введено 36036,5 кг N₂.

m_N2=132774,5+36036,5=168811 кг

Степень контактирования, достигаемая во втором слое 0,912. Следовательно Изменение SO2 составит:

m_SO2,прих*0,912=518*0,912=472,4 кг

Расчет расхода веществ:

m_SO2= m_SO2,прих- m_SO2,изм=518-472,4=45,6 кг;

Изменение SO3 составит: m_SO3,изм*f_SO3/SO2=472,4*1,2497=590,4 кг;

m_SO3= m_SO3,прих+ m_SO3,изм=31725+590,4=32315,4 кг;

Изменение О₂ составит: m_O2,изм= m_SO3,изм- m_SO2,изм=590,4-472,4=118 кг;

m_O2= m_O2,прих- m_O2,изм=23740-118=23622 кг

Таблица 11 - Материальный баланс 2-ого слоя

Приход			Расход
Статья	кг/ч	м3/ч	Статья	кг/ч	м3/ч	об.%	масс.%
SО3SО2О2N2	3172551813941132774,5	8883181,39758,7106219,6	SО3SО2О2N2	32315,445,623622168811	9048,315,9616535,4135048,8	5,630,0110,384,06	14,370,0210,5175,1
Всего	178958,5	125042,6	Итого	224794	160648,5	100	100
ВоздухО2N2	979936036,5	6859,328829,2	Потери	82,64
Итого	224794	160731,1

4.6.3 Материальный расчет 3-ого слоя

В третий слой поступают газы из второго слоя и охлаждающий их воздух ( в кг/ч)

m_SO3=32315,4 кг; m_SO2=45,6 кг

С учетом ввода воздуха: m_О2= m_O2,прих+ m_O2,изм= 23622+4984=28606 кг

С учетом ввода воздуха: m_N2= m_N2,прих+ m_N2,изм=168811+17475=186286 кг