Каталитическое окисление диоксида серы

Цель работы - изучение влияния технологических параметров (температуры, состава реакционной смеси, объемной скорости газового потока) на основные показатели каталитического процесса (степени превращения и производительности катализатора).

Типичным примером гетерогенного каталитического процесса является процесс каталитического окисления диоксида серы. Этот процесс широко используется в промышленности основного неорганического синтеза, в частности для получения серной кислоты и описывается следующим уравнением реакции:

SO₂ + 1/2O₂ Û SO₃; DН = - 96,7 кДж.

Как видно из уравнения, реакция окисления диоксида серы является обратимой, экзотермической. Основными параметрами, влияющими на равновесие химических реакций, являются температура, давление и концентрация реагирующих веществ.

Равновесное состояние характеризуется константой равновесия, выраженной через равновесные парциальные давления компонентов следующим образом:

К_Р = , (56)

где , , - равновесные парциальные давления соответствующих компонентов.

Значения К_Р в интервале 400-700°С могут быть вычислены по эмпирической формуле

lgК_Р = 4905 / Т = - 7,1552, (57)

где Т - температура окисления, °С.

Другой важной величиной, используемой для оценки равновесного состояния системы является равновесная степень превращения Х_р:

Х_р = . (58)

Решая совместно уравнения 54 и 56, получают следующее выражение для Х_р:

, (59)

где Р - общее давление газа, Па.

Определение равновесной степени превращения (контактирования) по данной формуле выполняется с высокой степенью точности с использованием ЭВМ, в частности программного комплекса MathCad.

В соответствии с принципом Ле-Шателье, для рассматриваемой реакции значение Х_р возрастает с повышением давления, так как реакция протекает с уменьшением объема и температуры, поскольку реакция экзотермическая.

В табл. 10 приведены значения Х_р при различных температурах и давлении 0,1 МПа для газовой смеси, содержащей 7% SO₂, 11% O₂ и 82% N₂.

Равновесная степень превращения, кроме того, зависит от соотношения SO₂ и O₂ в газе. Чем больше введено воздуха, тем меньше SO₂ и больше O₂ содержится в газовой смеси и, следовательно, тем выше равновесная степень превращения.

Повышение давления также приводит к увеличению равновесной степени превращения SO₂ в SO₃. Однако на практике использование повышенного давления для увеличения степени превращения SO₂ нецелесообразно. Во-первых, влияние давления на выход продукта менее значительно по сравнению с влиянием температуры. Во-вторых, велики затраты энергии на сжатие балластного азота, являющегося основным компонентом газовой смеси обжигового газа.

Табл. 10. Зависимость равновесной степени превращения