Реферат: Понятие химического реактора

Для получения серной кислоты контактным способом сернистый ангидрид необходимо окислить до серного ангидрида (1), а затем соединить его с водой (6).

Однако сернистый ангидрид непосредственно с кислородом не реагирует даже при высоких температурах. В присутствии же катализаторов скорость окисления кислородом увеличивается и в отдельных случаях становится весьма большой.

3.1 Влияние основных параметров на скорость процесса

Реакция окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI)-(1), лежащая в основе процесса контактирования обжигового газа, представляет собой гетерогенно-каталитическую, обратимую, экзотермическую реакцию.

Тепловой эффект реакции зависит от температуры и равен 96,05 кДж при 25 ^о С и около 93 кДж при температуре контактирования. Система «SО₂ – О₂ – SО₃ » характеризуется состоянием равновесия в ней и скоростью окисления оксида серы (IV), от которых зависит суммарный результат процесса.

Слева направо реакция протекает с выделением тепла и с уменьшением числа молекул (из 2 молекул и 1 молекулы образуются 2 молекулы ). Так как грамм-молекулы различных газов занимают одинаковые объемы, равные при нормальных условиях 22,4 л, то из суммы трех объемов сернистого ангидрида и кислорода получаются два объема серного ангидрида, т. е. реакция протекает с уменьшением объема.

Особенностью обратимых реакций является то, что при данных температуре и давлении они протекают до известного предела, называемого состоянием подвижного равновесия. Вначале между и будет происходить прямая реакция, т. е. направленная вправо в сторону образования ; но по мере образования постепенно усиливается обратимая реакция, т. е. реакция разложения до и . Наступит, наконец, такой мо­мент, когда количество , образующегося в единицу времени в результате прямой реакции, будет равняться количеству , разлагающемуся в результате обратимой реакции. Это и будет состоянием подвижного равновесия. Если изменить давление и температуру, то система выйдет из состояния равновесия и реак­ция в зависимости от изменения условий будет протекать в ту или иную сторону. Но и для новых условий наступит свое со­стояние подвижного равновесия.

По принципу Ле Шателье следует, что для обратимых реакций понижение температуры будет стимулировать реакцию, идущую в сторону выделения тепла, а повышение давления — реакцию, едущую в сторону уменьшения объема. Следовательно, для рассматриваемой реакции понижение температуры и повышение давления будут благоприятно влиять на полноту окисления в .

Если для проведения процесса окисления в взять определенные условия, то очевидно, что максимальное окисление будет достигнуто в момент, когда наступит состояние подвижного равновесия. Эта предельная для данных условий степень окисления называется теоретически возможной, или теоретической степенью окисления. В практических условиях теоретическая степень окисления в обычно не достигается, но реакция очень близко подходит к состоянию подвижного равновесия.

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 Х_р от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе представлена в таблице 4 и на рисунке 1.

Таблица 4 – Зависимость Х_р от температуры, давления и содержания оксида серы (IV) в обжиговом газе

Температура, о С (при давлении 0,1 МПа и содержании SО2 0,07 об. долей)			Давление, МПа (при температуре 400 о С и содержании SО2 0,07 об. долей)			содержание SО2 об. 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 Х_р 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].