1.5. ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА ВИРОБНИЦТВА СІРЧАНОЇ КИСЛОТИ

1.6. ХІМІЧНА СХЕМА

4FeS2 + 11O2 > 8SO2 + 2FeO3 + Q1

2SO2 + O2 ↔ 2SO2 + Q2

SO3 + H2O ↔ H2SO4 + Q3

1. Аналіз процесу випалення колчедану

4FeS2 + 11O2 → 8SO2 + 2FeO3 + Q1

Тип процесу: необоротний екзотермічний з виділенням енергії, гетерогенний процес, система газ – тв|. тіло.

Всі гетерогенні процеси це багатостадійні процеси. Процес є певною послідовністю стадій:

1 – дифузія молекул кисню до поверхні частинок;

2 – дифузія кисню через шар огарка;

3 – ХР| на межі FeS2;

4 – дифузія мол. SO2 через шар огарка назовні частинки

5 – дифузія мол. SO2 в потік

Швидкість процесу визначається швидкістю найповільнішої стадії. Збільшення швидкості процесу випалення полягає в знаходженні найповільнішої стадії і збільшенні її швидкості. Для досягнення високої швидкості потрібно подрібнити колчедан, забезпечити високу швидкість обтікання частинки потоком і збільшити температуру проведення процесу.

2. Окислення діоксиду сірі

2SO2 + O2 ↔ 2SO2 + Q2

Тип процесу: оборотний, екзотермічний процес протікає із зменшенням об'єму

T↓ → Pso2↓ → Тso2↓ → Xso2↑

Пониження температури обмежене температурою запалення каталізатора Тзаж.кат. = 430 °С

Кисень береться з надміром 15-20%

Vo2↑ → Po2↑ (Kp = const) → Pso2↓ → Xso2↑

Зменшення змісту SO3

Vso3↓ → Xso2↑

Це досягається системою подвійного контакту (ДКДА|).

3. Абсорбція SO3

SO3 + H2O ↔ H2SO4 + Q3

Гетерогенний процес газ – рідина. Процес протікає на поверхні розділу фаз.

1 – дифузія мол. SO3 до поверхні рідкої фази;

2 – абсорбція з протіканням хім|. реакції;

3 – дифузія мол. H2SO4 в рідину.

Найповільніша стадія 1. Для досягнення високого ступеня уловлювання SO3 встановлюються 2 абсорбери.

1.7. КОНТАКТНЕ ОКИСЛЕННЯ SO2В SO3

Контактне окислення діоксиду сірки є типовим прикладом гетерогенного окислювального екзотермічного каталізу.

Це один з найбільш вивчених каталітичних синтезів. У СРСР найбільш грунтовні роботи по вивченню окислення SO2 в SO3 і розробці каталізаторів були проведені Г.К. Бореськовим. Реакція окислення діоксиду сірі

SO2 + 0,5 O2 = SO3

характеризується дуже високим значенням енергії активації і тому практичне її здійснення можливе лише у присутності каталізатора.

У промисловості основним каталізатором окислення SO2 є каталізатор на основі оксиду ванадію V2O5 (ванадієва контактна маса). Каталітичну активність в цій реакції проявляють і інші з'єднання, перш за все платина. Проте, платинові каталізатори надзвичайно чутливі навіть до слідів миш'яку, селену, хлора і інших домішок і тому поступово були витиснені ванадієвим каталізатором.

Реакція окислення діоксиду сірі – оборотна екзотермічна. Тепловий ефект реакції складає при 500 °С 94,23 кДж/моль; залежно від температури він описується рівнянням H = -101420+26бЕ Дж/моль.

Швидкість реакції підвищується із зростанням концентрації кисню, тому процес в промисловості проводять при його надлишку.

Оскільки реакція окислення SO2 відноситься до типу екзотермічних, температурний режим її проведення повинен наближатися до лінії оптимальних температур. На вибір температурного режиму додатково накладаються два обмеження, пов'язані з властивостями каталізатора. Нижньою температурною межею є температура запалення ванадієвих каталізаторів, складова залежно від конкретного виду каталізатора і складу газу 400 – 440 °С верхня температурна межа складає 600 – 650 °С і визначається тим, що вище за ці температури відбувається перебудова структури каталізатора, і він втрачає свою активність.

У діапазоні 400 – 600 °С процесу прагнуть провести так, щоб у міру збільшення ступеня перетворення температура зменшувалася.

Найчастіше в промисловості використовують поличні контактні апарати із зовнішнім теплообміном. Схема теплообміну припускає максимальне використання теплоти реакції для підігріву початкового газу і одночасне охолоджування газу між полицями.

Одне з найважливіших завдань, що стоять перед сірчанокислотною| промисловістю, - збільшення ступеня перетворення діоксиду сірі і зниження його викидів в атмосферу. Це завдання може бути вирішене декількома методами.

Один з найбільш раціональних методів рішення цієї задачі, повсюдно вживаної в сірчанокислотній| промисловості, - метод подвійного контакту і подвійної абсорбції (ДКДА|). Для зсуву рівноваги управо і збільшення виходу процесу, а також для збільшення швидкості процесу процес проводять по цьому методу. Його суть полягає в тому, що реакційну суміш, в якій ступінь перетворення SO2 складає 90 – 95%, охолоджують і направляють в проміжний абсорбер для виділення SO3. У реакційному газі, що залишився, співвідношення O2 : SO2 істотно підвищується, що приводить до зсуву рівноваги реакції управо. Знов нагрітий реакційний газ знову подають в контактний апарат, де на одном-двух| шарах каталізатора досягають 95% ступені перетворення SO2 суммарний, що залишився, ступінь перетворення SO2 складає в такому процесі 99,5% - 99,8 %.

2. Розрахункова частина

2.1. Початкові дані