【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 氧化硫的催化氧化反應(yīng)為一可逆放熱反應(yīng)。從平衡轉(zhuǎn)化率角度看，溫度愈低，平衡轉(zhuǎn)化率愈高；從反應(yīng)速度角度看，對(duì)于一定氣體組成下，在某一溫度下反應(yīng)速率達(dá)到極大值，該最大反應(yīng)速率對(duì)應(yīng)的溫度稱為最佳溫度 [2]。在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，所選擇的操作溫度應(yīng)處于催化劑的活性溫度范圍內(nèi)，并在盡量高的反應(yīng)速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以減少催化劑的用 量，而且使轉(zhuǎn)化率盡可能的高。根據(jù)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程用求極值的方法所導(dǎo)出的最佳溫度和最佳溫度的計(jì)算公式如下 ［ 2］ ： 平衡溫度： ??? ???? Paxb axxxT e （ 41） 最佳溫度：1212ln1 EEEE RTTeemT??? （ 42） 式中： Tm 最佳溫度， K。 Te 平衡 溫度， K。 R 氣體常數(shù)， 。 E1,E2 正、逆反應(yīng)活化能， J/mol。 對(duì)于 3+1 式轉(zhuǎn)化器各段壓力如下 表所示 ： 表 4 轉(zhuǎn)化器各段壓力 項(xiàng)目 第一段 第二段 第三段 第四段 進(jìn)口壓力（ mmH2O） 1800 1510 1330 750 出口壓力（ mmH2O） 1590 1410 1230 650 一轉(zhuǎn)的平均壓力： OmmH215152 12301800 ?? 二轉(zhuǎn)的平均壓力： Om m H27002 650750 ?? 西寧地區(qū)的年平均大氣壓為 580mmHg,則 一轉(zhuǎn)的絕壓 a t mP 9 1 2 0 1 3 8 0109 6 7 5 1 5 4 ?????? ? 二轉(zhuǎn)的絕壓 a tmP 8 3 3 0 1 3 6 7 4 ?????? ? 由前面的計(jì)算可知，進(jìn)口氣體的組成：二氧化硫 a=%, 氧氣 b=% 根據(jù)公式計(jì)算不同轉(zhuǎn)化率下的平衡溫度和最佳溫度如下表所示： 表 5 不同轉(zhuǎn)化率下的平衡溫度和最佳溫度 一 X Te（ K） 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 14 化工學(xué)院化學(xué)工程系 轉(zhuǎn) te（ ℃ ） Te（ K） Te（ ℃ ） 二 轉(zhuǎn) X Te(K) te(℃ ) Tm(K) tm(℃ ) 各段操作參數(shù)的確定 按照本征動(dòng)力學(xué) 方程計(jì)算出的不同轉(zhuǎn)化率下的平衡溫度和最佳溫度，理想的反應(yīng)過(guò)程是按最佳溫度曲線進(jìn)行的。文獻(xiàn)介紹了求取最佳操作參數(shù)的方法 [9]，是根據(jù)催化劑的活性溫度選一段進(jìn)口溫度，然后假設(shè)第一段出口轉(zhuǎn)化率，再用第一類條件式iiii XX ?????? , 000 ?? 確定二段進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)。當(dāng)二段進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)確定后，用第二類條件式 0,0 ???? i i?確定二段出口狀態(tài)點(diǎn)。依次交替使用第一類條件式（確定各段進(jìn)口點(diǎn)）和第二類條件式（確定各段出口轉(zhuǎn)化率），直至第四段為止。對(duì)于 SO2 的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在高溫和低轉(zhuǎn)化率時(shí)， 內(nèi)擴(kuò)散的影響是不能忽略的，并且氣體在床層內(nèi)的流動(dòng)并不是呈理想置換流型，若用以上的微觀動(dòng)力學(xué)方程求解的催化劑用量與實(shí)際用量差距較大 [8]。因此用上述方法所確定的參數(shù)并不是最佳參數(shù)，即使用工業(yè)反應(yīng)器的宏觀動(dòng)力學(xué)方程按上述方法確定最佳操作參數(shù)，由于考慮到催化劑失活、老化、中毒等因素，往往計(jì)算的催化劑條件需要校正，使按上述方法確定的最佳操作參數(shù)實(shí)際上也就不是最佳參數(shù)。因此，本設(shè)計(jì)不采用上述介紹的方法確定操作參數(shù)。應(yīng)燮堂 提出了平衡轉(zhuǎn)化率的對(duì)比率 R的概念 ［ 10］ ，即 R=X/XT，用實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率的比值來(lái)判斷達(dá)到 要求轉(zhuǎn)化率的難易。該方法確定的操作參數(shù)比較理想，因此本設(shè)計(jì)采用平衡轉(zhuǎn)化率對(duì)比率的方法來(lái)確定各段參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，平衡轉(zhuǎn)化率對(duì)比率 R 應(yīng)取 — 。 計(jì)算 0℃反應(yīng)得反應(yīng)熱 [11]： 設(shè)計(jì)以下反應(yīng)途徑 322213222982125210SOOSOCHHSOOSOCHH R?? ?????????? ??????　　　　　　　　　　　　　　 因?yàn)榉从碁榻^熱操作，故 0??H 即 022981 ?????? HHH 化工學(xué)院化學(xué)工程系 15 m o lkJm o lJtCnCnH pOOpSOSO025)()( 22221???????????? ）（ m o lkJHHH f S Of S O )297( ??????????? m o lkJm o lJtCnH pSO ??????????? ? ）（m o lkJHHHH R ???????????? 即 0℃的反應(yīng)熱為 ? 轉(zhuǎn)化器一段床層操作參數(shù)的確定 假設(shè)一段出口轉(zhuǎn)化率為 72%，以 1小時(shí)進(jìn)料量為基準(zhǔn)，對(duì)一段床層做物料衡算 (以 1h 小時(shí)的進(jìn)料量為基準(zhǔn) ,下同 )： 進(jìn)一段氣體量及組成： 總氣體量： kmo ln ?總 k m o ln SO % ??? k m o ln O % ??? k m o ln N % 8 4 ??? 出一段 氣體量及組成： k m o ln SO )( ???? km o ln SO ??? k m o ln O ???? kmolnN ? kmoln ?總 根據(jù) S107催化劑的活性溫度，一段進(jìn)口溫度取 410℃， 對(duì)第一段作熱量衡算 （以 0℃ 為基準(zhǔn)，下同） ： 由 文獻(xiàn) [3]查得 0～ 410℃ 時(shí) SO O N2 的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )： 、 、 設(shè)以下反應(yīng)途徑： 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 16 化工學(xué)院化學(xué)工程系 CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021410322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 反應(yīng)為絕熱操作，故 0??H ，即 0321 ?????? HHH 進(jìn)口物料帶入的焓： kJtCnCnCnH pSOSOpNNpOO)( 2222221???????????????）（）（ 反應(yīng)生成焓： kJso nHH SOR 061 332 3 ?????????? ? 根據(jù)催化劑的活性溫度范圍 ， 假設(shè)出口溫度為 580℃ ， 由 文獻(xiàn) [3]查得 0~580℃時(shí) SO SO O N2 的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )： 、 、 、 ? ?? ?ttttpCnH ii 7 1 3 3 1 3 2 6 3 3??????????????????? 又 0321 ?????? HHH Ct ?? ： 平衡曲線查得：由 etX ? % 8 0 ?? TXC 時(shí)， ??? TXXR則對(duì)比轉(zhuǎn)化率 絕熱溫升 [12] 12 ??????? XX tt? 轉(zhuǎn)化器二段床層操作參數(shù)的確定 假設(shè)二段出口溫度為 510℃，由 平衡曲線查得：eT tX ? % ?? TXC 時(shí)， , 2 ??????? TRXXRR ，則取因?yàn)? 化工學(xué)院化學(xué)工程系 17 Ctt ?????? 11 解得可由一段絕熱溫升 ? 對(duì)二段作物料衡算： 進(jìn)口物料量： kmolnSO ? kmolnSO ? kmolnO ? kmolnN ? kmoln ?總 出口物料量： k m o ln SO 6 0 0 2 )8 6 ( ???? k m o ln SO 6 ??? k m o ln O ???? kmolnN ? kmoln ?總 二段進(jìn)口溫度取 475℃， 對(duì)第二段作熱量衡算： 由文獻(xiàn) [3]查得 0~475℃時(shí) SO SO O N2的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )： 、 、 、 設(shè)計(jì)以下反應(yīng)途徑： CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021475322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 進(jìn)口物料所帶入的焓： ? ? ? ?? ?kJtpCnH ii1?????????????????????? ? ? kJso nHH SOR 284 51 3323 ??????????? ? 出口溫度為 510℃ ， 由 文獻(xiàn) [3]查得 0~510℃ 時(shí) SO SO O N2的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )：青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 18 化工學(xué)院化學(xué)工程系 、 、 、 出口物料的焓： ? ?? ?tttpCnH ii3???????????????????? 又 0321 ?????? HHH Ct ?? ： 平衡曲線查得：由 eT tX ? ?? TXC 時(shí)， ??? TXXR則 12 ??????? XX tt? 轉(zhuǎn)化器三段床層操作參數(shù)的確定 假設(shè)三段出口溫度為 460℃，由 平衡曲線查得：eT tX ? % ?? TXC 時(shí)， , 2 ??????? TRXXRR ，則取由于 對(duì)第三段作物料衡算：以 1h 的進(jìn)料量為計(jì)算基準(zhǔn) 進(jìn)口物料量： kmo lnSO ? kmolnSO ? kmolnO ? kmolnN ? kmoln ?總 出口物料量： k m o ln SO 0 3 5 )( ???? k m o ln SO 7 1 2 ??? k m o ln O 8 7 2 1 ???? kmolnN ? 化工學(xué)院化學(xué)工程系 19 kmoln ?總 Ctt ?????? 11 解得可由 ? 第三段進(jìn)口溫度取 446℃， 對(duì)第三段作熱量衡算： 由 文獻(xiàn) [3]查得 0~446℃ 時(shí) SO SO O N2的平均熱 容分別為 kJ/(kmol℃ )： 、 、 、 設(shè)以下反應(yīng)途徑： CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021446322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 進(jìn)口物料的焓： ? ?kJtpCnH ii)4460(1????????????????反應(yīng)的焓： ? ? kJso nHH SOR 32 3 ??????????? ? 三段出口溫度為 460℃ ， 由 文獻(xiàn) [3]查得 0~460℃ 時(shí) SO SO O N2的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )：、 、 、 出口物料的焓： ? ?tttpCnH ii3?????????????? 又 0321 ?????? HHH Ct ?? ： 平衡曲線查得：由 eT tX ? ?? TXC 時(shí)， ??? TXXR則 12 ??????? XX tt? 青海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設(shè)計(jì) 2