Понятие химического реактора (стр. 4 из 11)
Константа равновесия реакции окисления оксида серы (IV) равна:
(12)где
– равновесные парциальные давления оксида серы (VI), оксида серы (IV) и кислорода соответственно.Степень превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI) или степень контактирования, достигаемая на катализаторе, зависит от активности катализатора, температуры, давления, состава контактируемого газа и времени контактирования и описывается уравнением:
(13)где
– те же величины, что и в формуле (12)Из уравнений (12) и (13) следует, что равновесная степень превращения оксида серы (IV) связана с константой равновесия реакции окисления:
(14)Зависимость Хр от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе представлена в таблице 4 и на рисунке 1.
Таблица 4 – Зависимость Хр от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе
| Температура, оС (при давлении 0,1 МПа и содержании SО2 0,07 об. долей) | Давление, МПа(при температуре 400 оС и содержании SО2 0,07 об. долей) | содержание SО2об. долей | ||||||
| 1000 | 700 | 400 | 0,1 | 1,0 | 10 | 0,02 | 0,07 | 0,10 |
| 0,050 | 0,436 | 0,992 | 0,992 | 0,997 | 0,999 | 0,971 | 0,958 | 0,923 |
(об.дол.)
а б в
Рисунок 1– Зависимость равновесной степени превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI) от температуры (а), давления (б) и содержания оксида серы (IV) в газе (в)
Из уравнения (14) следует, что с понижением температуры и повышением давления контактируемого газа равновесная степень превращения Хр возрастает, что согласуется с принципом Ле-Шателье. В то же время, при постоянных температуре и давлении равновесная степень превращения тем больше, чем меньше содержание оксида серы (IV) в газе, то есть чем меньше соотношение SО2:О2. Это отношение зависит от вида обжигаемого сырья и избытка воздуха. На этой зависимости основана операция корректирования состава печного газа, то есть разбавление его воздухом для снижения содержания оксида серы (IV) [1].
Рассмотрим влияние отдельных факторов на процессе окисления
. Как следует из принципа Ле Шателье, с повышением температуры процент окисления
в 
уменьшается.Для достижения высокого процента превращения
в следовало бы реакцию окисления вести при температуре около 400 °С. Но при этой температуре, даже если применен катализатор, скорость реакции мала, что невыгодно для ведения процесса в заводских условиях. С повышением температуры скорость реакции окисления в (как и скорость подавляющего большинства известных реакций) возрастает, но при этом степень перехода в понижается из-за обратимости этой реакции. Получается противоречивое положение: если вести процесс окисления при низкой температуре, уменьшается скорость процесса, но увеличивается степень превращения в ; если же вести процесс окисления при высокой температуре, то получается обратная картина.В таблице 5 приведены данные, показывающие изменение скорости окисления сернистого ангидрида и теоретического (равновесного) процента контактирования в зависимости от температуры (во сколько раз увеличивается скорость окисления с повышением температуры, если принять за единицу скорость окисления при 440°С).
Таблица 5 – Зависимость показателей реакции от температуры
| Показатели | Температура в °С | ||||||
| 440 | 460 | 480 | 500 | 520 | 540 | 560 | |
| Скорость окисления | 1,0 | 3,1 | 6,0 | 14,0 | 20,0 | 40,0 | 80,0 |
| Изменение теоретического процента контактирования | 98,1 | 97,2 | 95,6 | 93,8 | 91,5 | 88,1 | 83,9 |
Из сопоставления приведенных в таблице 5 данных видно, что скорость окисления
в с повышением температуры от 440 до 560 °С быстро возрастает, в то время как теоретический процент контактирования снижается сравнительно медленно [1]. Отсюда следует, что с повышением температуры для окисления определенного количества сернистого газа потребуется меньше катализатора, т. е. его производительность будет возрастать. Этим пользуются при проведении процесса окисления в заводской практике. Вначале процесс контактного окисления ведут при высокой температуре и тем самым выигрывают в скорости реакции, а затем, по мере прохождения газовой смеси через контактную массу, постепенно снижают температуру, доводя ее на выходе из контактного аппарата примерно до 460°С. Этим обеспечивается достаточно высокая конечная степень превращения в . Повышение давления благоприятно влияет на степень окисления
в , что видно из данных таблицы 6.Таблица 6 – Влияние давления на скорость реакции
| Температурав °С | Степень окисления в % при давлении в атм | |||||
| 1 | 5 | 10 | 25 | 50 | 100 | |
| 400 | 99,2 | 99,6 | 99,7 | 99 9 | 99,9 | 99,9 |
| 450 | 97,5 | 98,9 | 99,2 | 99,5 | 99,'6 | 99,7 |
| 500 | 93,5 | 96,9 | 97,8 | 98,6 | 99,0 | 99,3 |
| 550 | 85,6 | 92,0 | 94,9 | 96,7 | 97,7 | 98,3 |
| 600 | 73,7 | 85,8 | 89,5 | 93,3 | 95,0 | 96,4 |
Из правила Ле Шателье следует, что повышение давления будет благоприятно сказываться как на равновесии реакции окисления
в – оно будет смещаться в сторону образования , так и на увеличении ее скорости, ибо повышение давления данном случае равносильно повышению концентрации и 
, участвующих в реакции. С увеличением давления объем аппаратов в контактной системе может быть значительно меньшим. Однако повышенное давление при контактном способе производства серной кислоты не получило применения. Это объясняется тем, что с увеличением давления возникают трудности в подборе катализатора и в аппаратурном оформлении процесса, в то время как и при атмосферном давлении можно получить достаточно высокие степень контактирования и скорость течения процесса. Кроме того, при применении давления приходится сжимать газ, в котором содержится много азота, не принимающего участия в реакции, т. е. на сжатие его будет непроизводительно расходоваться энергия.3.1.3 Влияние начального состава газов
Теоретическая степень окисления
в изменяется в зависимости от начального состава печных газов (при давлении 1 атм и температуре 475 °С) следующим образом:Из данных на таблице 7 видно, что при повышении концентрации кислорода в печных газах и связанном с этим понижении содержания в них
процент окисления в повышается.