МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ИНЖЕНЕРНОЙ  ЭКОЛОГИИ

Кафедра      «Техника экологических чистых производств»

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по учебной  дисциплине

 «Математические методы инженерной экологии»

Тема:  «Каталитическое окисление диоксида серы в производстве серной кислоты контактным способом ДКДА (первая ступень контактирования)»

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва  2009 
 

Расчет  аппарата каталитического  окисления диоксида серы

в производстве серной кислоты контактным способом 

   Проблема  очистки отходящих газов промышленных предприятий от диоксида серы в настоящее время не имеет универсального решения. Применение того или иного метода зависит от концентрации диоксида серы в газе. Для очистки разбавленных газов с концентрацией от до используются жидкофазные и полусухие методы с получением гипса и жидкого . Для переработки газов с более высокой концентрацией диоксида серы более эффективно и экономично получать серную кислоту методом двойного контактирования с двойной абсорбцией (ДКДА).

   Каталитическое  окисление диоксида серы осуществляется в многослойных контактных аппаратах  с промежуточным теплообменом. Процесс  протекает в рабочей зоне (изменения температуры), обеспечивающей наилучшее приближение к линии оптимальных температур. Для роста степени превращения необходимо повышать концентрацию кислорода, отводить получаемый продукт – триоксид серы, понижать температуру (по мере нарастания степени превращения) и увеличивать давление (при давлении выше атмосферного работает ряд зарубежных промышленных схем). Таким образом достигается оптимальный температурный профиль, соответствующий снижению температуры по мере роста степени превращения .

   Гомогенное  окисление диоксида серы практически  невозможно, поэтому его приводят в присутствии катализатора, находящегося в подвижном (кипящем) состоянии или в неподвижном (стационарном, фильтрующем) слое. В состав промышленной контактной массы входит пентоксид ванадия  - непосредственно катализатор, активатор и носитель. Примерный состав контактной массы СВД (сульфованадат (калия) на диатомите):

, в котором содержится до  .

Рис. 1. Схема  контактного узла с четырехслойным контактным

аппаратом: 1 – газодувка; 2 – теплообменники, 3 – контактный аппарат 

   Обжиговый газ после сухой и мокрой очистки  с помощью газодувки 1 через теплообменники 2, в которых он нагревается, на вход в контактный аппарат 3 - его верхнюю часть. Байпасная линия с вентилем предназначена для регулировки температуры на входе в контактный аппарат. Далее газ проходит сверху вниз в контактном аппарате последовательно через 4 слоя, охлаждаясь после каждого из них в теплообменниках 2. Степень превращения диоксида серы при такой схеме контактного отделения не очень высокая - приблизительно  . Но если после четвертого слоя контактной массы газ направить в абсорбер, а затем дополнительно еще на слоя контактной массы и после них на вторую ступень абсорбции, то такая схема организации потоков носит название ДКДА: двойное контактирование с двойной абсорбцией.

   При использовании схемы ДКДА степень  превращения диоксида серы составляет , что позволяет выбрасывать газ в атмосферу без санитарной очистки.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Задание

   1. Определить степень превращения  на выходе из контактного аппарата;

   2. Составить таблицу материальных  потоков по слоям;

   3. Определить количество контактной  массы по слоям (без учета  коэффициента

   запаса).

   Исходные  данные

   Степень абсорбции                                                                                       

   Количество  слоев катализатора,                                                                    

   Тип реактора – полочный;

   Контактный  аппарат с выносными теплообменниками 

   Давление  в аппарате,                                                                   

   Состав  газа на входе в аппарат, :

                                                                                                                     

                                                                                                                    

                                                                                                                    

   Температура на входе в контактный аппарат,                                        

   Производительность  системы по моногидрату,                           
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Определение степени превращения  диоксида серы

после двух слоев контактной массы 

   Диоксид серы взаимодействует с кислородом по реакции

     

   При проведении данной реакции в промышленных условиях скорость ее должна быть максимальной. Скорость окисления диоксида серы определяется по уравнению Борескова-Иванова которое, если обозначить концентрацию диоксида серы в мольных долях буквой « », а концентрацию кислорода « » и степень превращения диоксида серы - , может быть преобразовано к виду:

    ,

где - условное время контакта, ; - общее давление, ; - константа скорости прямой реакции; - константа равновесия.

   Для контактной массы СВД (гранулы  ):

    , при  .

   Значения  константы равновесия могут быть вычислены по уравнению:

    .  
 
 
 
 
 
 

 

Рис. 2. Зависимость  относительной скорости окисления  диоксида серы

от температуры  при различных степенях превращения: ЛОТ – линия 

оптимальных температур 

Рис. 3. Зависимость  степени превращения диоксида серы от температуры 

  При адиабатическом процессе на каждом слое катализатора температура возрастает с увеличением степени превращения диоксида серы. Если пренебречь зависимостью теплоемкости газа от температуры, то последняя будет связана со степенью  превращения линейной зависимостью

   ,

где - начальная и конечная степени превращения в одном слое контактной массы; - начальная температура при ; - максимальный нагрев в адиабатических условиях (в градусах) при измерении степени превращения от 0 до 1 (адиабатический разогрев). В результате обработки данных методом наименьших квадратов получено регрессионное уравнение

    ,

где мольная (объемная) доля в исходной газовой смеси. Коэффициент корреляции при этом составляет 0,99994.

   Для находим

   В координатах  (рис. 3) строим график линейной зависимости (адиабату)

  

(для  первого слоя контактной массы  ). Температуру на выходе из первого слоя контактной массы определяем как проекцию на ось абсцисс точки пересечения адиабаты с верхней границей рабочей зоны. Через точку пересечения двух указанных линий проводим горизонтальную прямую, отражающую охлаждение газов в промежуточном теплообменнике, до пересечения с нижней границей рабочей зоны. Выполнив данные построения получаем рабочую линию процесса на первом слое контактной массы.

   Продолжая аналогичные построения с проведением  через  последнюю точку пересечения  двух линий прямой, параллельной предыдущей адиабате, получаем рабочую линию  процесса на втором слое контактной массы. Определяем степени превращения  на выходе из каждого слоя: