Производство серной кислоты
8. Термодинамический анализ
Расчет теплового эффекта реакции окисления SO2 в SO3:
2SO2 + O2 = 2 SO3
кДж
Q=-?Н=196,6 кДж
Реакция экзотермическая - протекает с выделением тепла.
?S=
?G=?H-T?S=-196,6-298*17,66=-5459,28
Энергия Гиббса значительно меньше нуля. Это значит, что реакция термодинамически возможна.
Расчет теплового эффекта реакции конденсации SO3:
SO3 + H2O = H2SO4
кДж
Q=-?Н=174,26 кДж
Реакция экзотермическая- протекает с выделением тепла.
?S=Дж
?G=?H-T?S=-174,26-298*-288,07=-86019,12
Энергия Гиббса значительно меньше нуля. Это значит, что реакция термодинамически возможна.
Таблица 1
Значения термодинамических величин
2SO2 + O2 = 2 SO3 |
||
?Н |
-196,6 кДж |
|
?S |
17,66 |
|
Q |
196,6 |
|
?G |
-5459,28 |
Таблица 2
Значения Кр для реакции окисления SO2 при различных температурах
Температура, 0С |
Температура, К |
Константа равновесия, Кр |
|
400 |
673 |
539,4 |
|
450 |
723 |
158,0 |
|
500 |
773 |
55,5 |
|
550 |
823 |
22,2 |
|
600 |
873 |
9,8 |
Вывод: реакция окисления SO2 наиболее полно протекает при невысоких температурах. Из этого следует, реакцию окисления SO2 целесообразно проводить при невысоких температурах. Повышение давления, по принципу Ле-Шателье, влияет положительно.
9. Кинетика процесса окисления диоксида серы
Константа скорости реакции: определяется из уравнения Аррениуса.
К=К0*е(-Еа/RT)=9,3*105*е(-79000/430*8,31)=0,13
Еа- энергия активации (79000Дж/моль)
R- газовая постоянная (8,31)
Е- температура
К0 - предэкспоненциальный множитель (9,3*105сек)
Расчет равновесной степени превращения
Таблица 3
Значения равновесной степени превращения при разных температурах
T, 0C |
T, K |
Kp |
xp % |
|
100 |
373 |
8,78 |
99,99 |
|
200 |
473 |
5,9 |
98,82 |
|
300 |
573 |
4,04 |
94,47 |
|
400 |
673 |
2,72 |
86,54 |
|
500 |
773 |
1,74 |
79,23 |
Таблица 4
Значения равновесной степени при различном содержании О2 и SO2 в газовой смеси
Т, оС |
Содержание О2 |
Содержание SO2 |
хр |
|
400 |
4 |
12 |
98,57 |
|
6 |
12 |
93,29 |
||
8 |
12 |
86,57 |
Исходя из полученных данных таблиц 3 и 4, можно сделать следующий вывод: с точки зрения равновесной степени превращения, процесс окисления диоксида серы нужно вести при низком содержании SO2 в газовой смеси и при низких температурах.
Расчет времени контактирования газовой смеси в контактном аппарате
Для того, чтобы рассчитать время контактирования, разделим слой катализатора на 5 частей.
Таблица 5
Время контактирования газа на первом слое катализатора
№ слоя |
a |
b |
t |
?, сек |
|
1 |
4 |
12 |
430 |
0,362 |
|
2 |
4 |
12 |
0,827 |
||
3 |
4 |
12 |
0,407 |
||
4 |
4 |
12 |
0,752 |
||
5 |
4 |
12 |
0,84 |
? = ??? =3,188 сек
Общее время контактирования на первом слое котализатора? =3,188 сек.
Таблица 5
Время контактирования газа на втором слое катализатора
№ слоя |
a |
b |
t |
?, сек |
|
1 |
4 |
12 |
400 |
0,953 |
|
2 |
4 |
12 |
1,124 |
||
3 |
4 |
12 |
1,352 |
||
4 |
4 |
12 |
1,448 |
||
5 |
4 |
12 |
1,503 |
? = ??? =6,38 сек
Расчет увеличения температуры
Тк= Тн + ??х=787,26 К
Тн, Тк -начальная и конечная температуры, К
? -коэффициент повышения температуры газа при изменении степени превращения на 1 % в адиабатических условиях
?х - повышение степени превращения