Выбор реактора для проведения реакции окисления сернистого ангидрида в серный ангидрид (стр. 2 из 4)

Механизм и кинетика окисления серы[5].

Катализаторы окисления диоксида серы в триоксид имеют различный состав. Так, в СВД установлено присутствие трех соединений: 3K₂S₂O₇*V₂O₅, 2K₂S₂O₇*V₂O₅ и K₂S₂O₇*V₂O₅, разлагающихся при температурах соответственно 315 – 330, 365 – 380 и 405 – 400 ⁰С. Активный компонент ванадиевых катализаторов в температурной области их применения находится в расплавленном состоянии, возникает специфическая особенность в механизме их действия. Катализаторы работают как абсорбционные и процесс окисления протекает внутри слоя активного компонента. В области высоких значений поверхности реакция протекает во всем объеме расплава вследствие его малой величины, со снижением поверхности катализатора толщина пленки расплава увеличивается и скорость реакции лимитируется диффузией газообразных компонентов в объеме расплава.

Схема процесса может быть сформулирована следующим образом:

1) 2V⁵⁺ + O^2- + SO₂ 2V⁴⁺ + SO₃

2) 2V⁴⁺ + 1/2O₂ 2V⁵⁺ + O^2-А

В первой стадии достигается равновесие, вторая стадия является медленной и определяет скорость процесса.

В области температур выше 420⁰С скорость каталитической реакции много больше скорости восстановления катализатора. В связи с этим вероятен механизм, в котором процесс протекает по пути, не связанному с изменением валентного состояния ванадия. Схематакогопроцесса:

1) V₂O₅*nSO₃ + SO₂ V₂O₅*(n - 1)SO₃*SO₂ + SO₃

2) V₂O₅*(n - 1)SO₃*O₂ V₂O₄*nSO₃Б

3) V₂O₅*(n - 1)SO₃*SO₂ + O₂ + SO₂ V₂O₅*nSO₃ + SO₃

В случае Б скорость каталитической реакции пропорциональна доле активного компонента в окисленной форме. По этому механизму реакция протекает в присутствии триоксида серы в газовой фазе.

Скорости окисления ванадия (IV) кислородом и каталитической реакции в присутствии SO3 близки и при малых степенях превращения процесс протекает по окислительно-восстановительному механизму, который может быть представлен схемой:

1) V₂O₄*nSO₃ V₂O₄*(n - 2)SO₃ + 2SO₂

2) V₂O₄*(n - 2)O₃ + 1/2O₂ V₂O₅*(n - 2)SO₃В

3) V₂O₅*(n - 2)SO₃ + SO₂ + SO₃ V₂O₄*nSO₃

Скорость реакции определяет стадия (2).

Таким образом, кинетические закономерности достаточно сложны.

На скорость реакции влияет также внутренняя диффузия. В реальных условиях контактного процесса влияние внешнедиффузионных факторов составляет менее 3%. Диффузионное сопротивление уменьшается с ростом массовой скорости газового потока при высоких парциальных давлениях реагентов, при малых значениях скоростей реакции и размера зерна катализатора.

Влияние давления на процесс окисления диоксида серы.

Повышение давления влияет как на скорость процесса, так и на состояние равновесия. Скорость реакции и выход продукта с повышением давления увеличиваются за счет повышения действующих концентраций SO2 и O2 и увеличения движущей силы процесса. Начальная температура (температура газа на входе в I слой катализатора) понижается с увеличением давления.

Температура газа на входе в I слой:

Давление, МПа	Концентрация SO₂, %
Давление, МПа	8	9	10	11
0,5	440	383	364	348
0,7	400	378	359	342
1,0	398	375	353	336

Значения температур, соответствующих равновесной степени превращения 0,998 при давлении в системе 1,0 МПа:

Сso₂,%	8	9	10	11	12
t,⁰C	400	393	386	379	372

Технологическое оформление процесса окисления диоксида серы.

Технологическая схема и аппаратура контактного узла зависит от вида применяемого сырья, способов отвода тепла реакции, производительности установки и других факторов.

На рис. представлена схема контактного узла с одинарным контактированием, включая 4-слойный аппарат с промежуточными теплообменниками. Очищенный и осушенный сернистый газ подается газодувкой, нагревается во внешнем и промежуточных теплообменниках и поступает на I слой контактного аппарата. Пройдя все слои катализатора с промежуточным охлаждением в теплообменниках, прореагировавший газ покидает контактный аппарат, охлаждается во внешних теплообменниках и поступает на абсорбцию образовавшегося SO₃. оптимальный температурный режим поддерживается с помощью байпасных газоходов с задвижками на теплообменниках, которые обычно устанавливают последовательно по ходу газа, иногда – параллельно перед двумя последними слоями. Максимальная степень превращения в контактном аппарате 98,0 – 98,5%.

При двойном контактировании после первой стадии катализа из газовой смеси поглощается образовавшийся SO₃ и на вторую стадию катализа поступает неокисленная часть исходного SO₂. Степень превращения 99,5 – 99,8%.

В современном сернокислотном производстве наиболее широко применяются контактные аппараты с горизонтальными стационарными слоями катализатора и отводом тепла в выносных теплообменниках. Применяются также контактные аппараты с внутренними теплообменниками либо с поддувом воздуха или газа.

При работе по короткой схеме на газах от сжигания серы или сероводорода применяется охлаждение газа между слоями в пароперегревателях, в газовоздушных теплообменниках или поддувом воздуха, что значительно упрощает конструкцию контактного узла.

Для устойчивой работы контактного аппарата необходимо равномерное распределение газа и температур по сечению аппарата, достаточная мощность теплообменников, надежная схема регулирования, простота обслуживании и ремонта и др. Наибольшая равномерность температур и концентраций газа в аппарате достигнута при использовании выносных теплообменников.

Использование аппарата ОТС – с отводом тепла серой позволяет путем использования высокотемпературного теплоносителя увеличить степень конверсии по сравнению с традиционными методами конверсии на 1,5 – 1,8% вследствие снижения градиента температур между стенками трубок и серединой слоя. Рабочая температура охлаждающего агента в ОТС совпадает с температурой зажигания катализатора, что позволяет исключить возможность инактивации катализатора при возрастании скорости газов. При этом в два раза меньше, чем у ПНР, расход металла.

Также используются кассетные аппараты (катализатор помещен в кассеты из проволоки).

По условиям осуществления процесса окисления SO2 и принципу теплоотвода контактные аппараты можно разделить на:

аппараты со стационарными слоями катализатора и промежуточным теплообменом (наиболее широко применяемые);

аппараты со стационарными слоями катализатора и непрерывным теплообменом;

аппараты с кипящими слоями катализатора и непрерывным теплообменом;

аппараты с нестационарным режимом окисления и теплоотвода в слоях катализатора.

2. Математические модели химических реакторов

Центральным аппаратом в любой химико-технологической системе, включающей целый ряд машин и аппаратов, соединенных между собой различными связями, является химический реактор - аппарат, в котором протекает химический процесс. Выбор типа, конструкции и расчет химического реактора, создание системы управление его работой – одна из важных задач химической технологии.