【文章內(nèi)容簡介】 度 二氧化硫的催化氧化反應為一可逆放熱反應。從平衡轉(zhuǎn)化率角度看，溫度愈低，平衡轉(zhuǎn)化率愈高；從反應速度角度看，對于一定氣體組成下，在某一溫度下反應速率達到極大值，該最大反應速率對應的溫度稱為最佳溫度 [2]。在設計反應器時，所選擇的操作溫度應處于催化劑的活性溫度范圍內(nèi)，并在盡量高的反應速率下進行轉(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)反應的動力學方程用求極值的方法所導出的最佳溫度和最佳溫度的計算公式如下 ［ 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、逆反應活化能， J/mol。 對于 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 項目 第一段 第二段 第三段 第四段 進口壓力（ 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 ?????? ? 由前面的計算可知，進口氣體的組成：二氧化硫 a=%, 氧氣 b=% 根據(jù)公式計算不同轉(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） 青海大學本科畢業(yè)設 計： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設計 14 化工學院化學工程系 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 按照本征動力學 方程計算出的不同轉(zhuǎn)化率下的平衡溫度和最佳溫度，理想的反應過程是按最佳溫度曲線進行的。文獻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口溫度，然后假設第一段出口轉(zhuǎn)化率，再用第一類條件式iiii XX ?????? , 000 ?? 確定二段進口狀態(tài)點。當二段進口狀態(tài)點確定后，用第二類條件式 0,0 ???? i i?確定二段出口狀態(tài)點。依次交替使用第一類條件式（確定各段進口點）和第二類條件式（確定各段出口轉(zhuǎn)化率），直至第四段為止。對于 SO2 的轉(zhuǎn)化反應，在高溫和低轉(zhuǎn)化率時， 內(nèi)擴散的影響是不能忽略的，并且氣體在床層內(nèi)的流動并不是呈理想置換流型，若用以上的微觀動力學方程求解的催化劑用量與實際用量差距較大 [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)反應器的宏觀動力學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)實際上也就不是最佳參數(shù)。因此，本設計不采用上述介紹的方法確定操作參數(shù)。應燮堂 提出了平衡轉(zhuǎn)化率的對比率 R的概念 ［ 10］ ，即 R=X/XT，用實際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率的比值來判斷達到 要求轉(zhuǎn)化率的難易。該方法確定的操作參數(shù)比較理想，因此本設計采用平衡轉(zhuǎn)化率對比率的方法來確定各段參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，平衡轉(zhuǎn)化率對比率 R 應取 — 。 計算 0℃反應得反應熱 [11]： 設計以下反應途徑 322213222982125210SOOSOCHHSOOSOCHH R?? ?????????? ??????　　　　　　　　　　　　　　 因為反映為絕熱操作，故 0??H 即 022981 ?????? HHH 化工學院化學工程系 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℃的反應熱為 ? 轉(zhuǎn)化器一段床層操作參數(shù)的確定 假設一段出口轉(zhuǎn)化率為 72%，以 1小時進料量為基準，對一段床層做物料衡算 (以 1h 小時的進料量為基準 ,下同 )： 進一段氣體量及組成： 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，一段進口溫度取 410℃， 對第一段作熱量衡算 （以 0℃ 為基準，下同） ： 由 文獻 [3]查得 0～ 410℃ 時 SO O N2 的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )： 、 、 設以下反應途徑： 青海大學本科畢業(yè)設 計： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設計 16 化工學院化學工程系 CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021410322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 反應為絕熱操作，故 0??H ，即 0321 ?????? HHH 進口物料帶入的焓： kJtCnCnCnH pSOSOpNNpOO)( 2222221???????????????）（）（ 反應生成焓： kJso nHH SOR 061 332 3 ?????????? ? 根據(jù)催化劑的活性溫度范圍 ， 假設出口溫度為 580℃ ， 由 文獻 [3]查得 0~580℃時 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， ??? TXXR則對比轉(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 假設二段出口溫度為 510℃，由 平衡曲線查得：eT tX ? % ?? TXC 時， , 2 ??????? TRXXRR ，則取因為 化工學院化學工程系 17 Ctt ?????? 11 解得可由一段絕熱溫升 ? 對二段作物料衡算： 進口物料量： 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 二段進口溫度取 475℃， 對第二段作熱量衡算： 由文獻 [3]查得 0~475℃時 SO SO O N2的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )： 、 、 、 設計以下反應途徑： CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021475322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 進口物料所帶入的焓： ? ? ? ?? ?kJtpCnH ii1?????????????????????? ? ? kJso nHH SOR 284 51 3323 ??????????? ? 出口溫度為 510℃ ， 由 文獻 [3]查得 0~510℃ 時 SO SO O N2的平均熱容分別為 kJ/(kmol℃ )：青海大學本科畢業(yè)設 計： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工藝初步設計 18 化工學院化學工程系 、 、 、 出口物料的焓： ? ?? ?tttpCnH ii3???????????????????? 又 0321 ?????? HHH Ct ?? ： 平衡曲線查得：由 eT tX ? ?? TXC 時， ??? TXXR則 12 ??????? XX tt? 轉(zhuǎn)化器三段床層操作參數(shù)的確定 假設三段出口溫度為 460℃，由 平衡曲線查得：eT tX ? % ?? TXC 時， , 2 ??????? TRXXRR ，則取由于 對第三段作物料衡算：以 1h 的進料量為計算基準 進口物料量： 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 ? 化工學院化學工程系 19 kmoln ?總 Ctt ?????? 11 解得可由 ? 第三段進口溫度取 446℃， 對第三段作熱量衡算： 由 文獻 [3]查得 0~446℃ 時 SO SO O N2的平均熱 容分別為 kJ/(kmol℃ )： 、 、 、 設以下反應途徑： CSOOSOCHHtSOOSOCHH??? ????????? ??????021021446322313222 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 進口物料的焓： ? ?kJtpCnH ii)4460(1????????????????反應的焓： ? ? kJso nHH SOR 32 3 ??????????? ? 三段出口溫度為 460℃ ， 由 文獻 [3]查得 0~460℃ 時 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， ??? TXXR則 12 ??????? XX tt? 青海大學本科畢業(yè)設 計： 西寧地區(qū)年產(chǎn) 3 萬噸 100%硫酸轉(zhuǎn)化工序工