1. негізгі бөлім. 11 Мыс зауытында күкірт қЫШҚылын өндіруге арналған шикізаты 11

1.6 SO2 каталитикалық тотығу процесінің физика-химиялық негіздері

SO2+1/2 O2 SO3+Q

Ол үшін газ тұрақты күйдегі катализатормен әсерлеседі. Ванадий катализаторының каталитикалық белсенділігі жоғары. Ол катализатор калий немесе натрий пиросульфатты V2O5 ванадий бестотығының қоспасы - белсенді зат қойылған ұсақ саңылаулы қатты жинақтағыш. Тотығу реакциясының механизмі катализатор жұмысы кезінде белсенді сыңар жинақтағыштың беті бойынша біркелкі таралып, ерігіш күйде болатынын көрсетеді. Сонымен қатар, ол сорғыш катализатор ретінде жұмыс істеп, SO2-нің SO3-ке тотығу процесінде белсенді сыңардың ішкі қабатында жүреді. Процестің сұлбасы келесідей қалыптастырылуы мүмкін. Күкіртті газ газ қоспасында бесвалентті ванадийді төртвалентті етіп қалпына келтіреді, ал, газ қоспасындағы оттегі төрттотықты бестотыққа дейін тотықтырады:

2V5++O2++ SO2 2V4++ SO3,

1/2 O2+2V4+ 2V5++O2-.

Бірінші кезең жылдам өтеді, ал, екінші кезең барлық процестің жылдамдығын анықтауы есебінен жай жүреді. SO2 тотығу реакциясы экзотермиялық болады. 400-700оС аралығында оның жылу эффектісі жеткілікті дәлдікпен мына формула бойынша есептеліп шығарылуы мүмкін:

Q=24205-221T (ккал/моль) мұндағы Т - температура, К.

SO2-нің SO3-ке тотығу реакциясы қайтымды болады. Массалардың әрекеттесу заңына сәйкес, бұл реакцияның тепе-теңдік тұрақтысы келесі теңдеумен сипатталады.

РSO3 PSO2 P20,5

мұндағы PSO3 , PSO2 , PO2 - SO3, SO2, O2 үшін тепе-тең үлестік қысымдар, Па.

Kp тепе-теңдік тұрақтысының температураға тәуелділігі келесі теңдікпен анықталады:

d lg K p Q p

Жоғарыдағы теңдеулерден температураның өсуінен тепе-теңдік тұрақтысының шамасы кемитінін көреміз. Тотыққан SO2 мөлшерінің оның бастапқы газ қоспасына қатынасы айналу дәрежесі немесе тотығу дәрежесі деп аталады. Нақты жағдайларда (температурада және сыңарларға әсер ететін бастапқы концентрацияларда) ең жоғарғы айналу дәрежесі тепе-теңдік жағдайларда алынады және айналудың тепе-тең дәрежесі деп аталады. Катализаторда алынатын SO2 айналу дәрежесі катализатордың белсенділігіне, газ құрамына, температураға және т.б. тәуелді болады. Осы құрамдағы газ үшін айналудың тепе-тең дәрежесі келесі теңдеумен өрнектеледі:

Егер оттегінің тепе-тең үлестік қысымын күкірт қостотығы және оттегінің бастапқы концентрациялары арқылы өрнектесек:

мұндағы Р - газдың жалпы қысымы, Па; а және в - бастапқы қоспадағы SO2 мен SO3-тің сәйкесінше бастапқы концентрациялары, % (көлем).

Бұл теңдеу бойынша айналудың тепе-тең дәрежесін анықтау тізбектік жақындатулар әдісі арқылы жүзеге асырылады. Теңдеудің оң жағына Хр күтілетін мәндерін қойып, есептеулерді жүргіземіз. Егер табылған мән алдын- ала қабылданған мәндерден ерекшеленсе, онда есептеулер қайталанады. Температураның төмендеуіне байланысты Хр мәні артады. Тепе-тең Хр және нақты Хф айналу дәрежесінің температураға тәуелділігі 1.1 суретте көрсетілген. Практикада газ құрамының Хр мәніне әсері газдағы оттегі мен SO2 қатынастары арқылы көрінеді: яғни, ол жоғары болған сайын, соғұрлым айналу дәрежесі жоғары. Өндірістік жағдайларда SO2 тотығу жылдамдығы маңызды мәнге ие. Бұл реакцияның жылдамдығына уақыт бірлігінде катализатордың бір массасына тотығатын күкірт диоксиді мөлшері тәуелді болады, осыдан катализатор шығыны, контактілік аппаратының мөлшері және процестің басқа да техника-экономикалық көрсеткіштері тәуелді болады. Ванадий катализаторында (қозғалыссыз қабатта) SO2-нің SO3-ке тотығу процесінің жылдамдығы келесі теңдеумен өрнектеледі:

SO2 тотығу реакциясы жылдамдығының температурадан тәуелділігін толық зерттеу, оның әсерінің қарама-қайшы екендігін көрсетті. Белгілі бір уақытқа дейін температураның өсуіне байланысты реакция жылдамдығы артты, сонан соң төмендеді. Реакция жылдамдығы теңдеуінен алынған х айналу дәрежесі төмен болған сайын, SO2 тотығу реакциясының жылдамдығының жоғары болатындығын көріп отырмыз. Сол себепті, әрбір х мәні үшін реакция жылдамдығының температураға тәуелділігі ең жоғары мәнге ие болатын сәйкес қисықпен өрнектеледі. Бұл ең жоғарғы мән реакцияның ең жоғары жылдамдығы алынатын температураға сәйкес келеді. Мұндай қисықтар тобы 1.3 суретте көрсетілген. Әртүрлі айналу дәрежелеріүшін реакцияның ең жоғары жылдамдықтарына сәйкес келетін нүктелер, яғни, оптималды температуралармен барлық аралық айналу дәрежелері үшін процесті енгізудің оптималды жағдайларын анықтауға болатын АА қисығымен қосылған. ВВ және СЕ сызықтары реакция жылдамдығы 0,8-ден кем болмайтын шектерінде температураның мүмкін болатын толқулары аймағын шектейді. Бұл аймақ процесті жүргізудің практикалық зонасы деп аталады. Дегенмен, реакция жылдымдығы температура және айналу дәрежесіне ғана емес, сондай-ақ, газ қоспасының құрамына да тәуелді. Сол себепті газдың түрлі құрамында тотығудың бір деңгейі үшін оптималды температуралары әртүрлі. Осылайша, күкіртті ангидрид тотығу процесі үшін тұрақты оптималды температура болмайды. Тотығу практикасында айналу дәрежесінің өсуі бойынша АА сызығына сәйкес, температураның төмендеуіне байланысты бірнеше кезеңдер жүргізіледі. SO2-нің көп бөлігі контактілік аппаратының бірінші қабатында тотығады. Бұл қабатта ең жоғарғы орта температура алынады (1.2 суретке қара). Катализатордың келесі қабаттарындағы газ қоспасының әрі қарай тотығуы SO2-нің SO3-ке айналуының ең тереңіне жететіндей және өнім көп шығатындай етіп жүргізіледі. Көрсетілген айналуларды жүзеге асыру үшін катализатордың қажетті көлемін келесі формула бойынша есептейді:

мұндағы Vk - катализатор көлемі, м3;