Реакция окисления SO2 в SO3 является экзотермической обратимой реакцией. Поэтому при росте температуры константа равновесия значительно уменьшается (Рис. 1). В этом случае можно использовать многослойный адиабатический реактор с охлаждением реакционной смеси после каждого слоя, что позволит достичь необходимую степень превращения.
Рис. 1. Зависимость константы равновесия от температуры
В пакете программ COMSOL создана модель для расчета процесса окисления SO2 в SO3 в адиабатическом реакторе: SO2 – полочный реактор.mph.
Состав входной смеси задавался через мольные доли, так как в COMSOLе уравнения записаны
Через массовые доли, то они высчитываются по формуле:
 |
Для расчёта скорости реакции необходимо использовать мольные доли, поэтому мольные доли были введены в виде дополнительных переменных x i (во вкладке Variables), которые рассчитывались на каждом шаге по формуле:
Также было учтено изменение средней молярной массы и плотности смеси в каждой точке реактора. Для этого использовались переменные (во вкладке Variables):
Реакция:
SO2 + 0,5 O2 «SO3
Кинетическое выражение скорости реакции [1 ]:
где T – температура, К, PSO2, PO2 – парциальные давления веществ, атм, Kp – константа равновесия, k – константа скорости реакции, мл/(с×атм×г).
Параметры:
Значения кинетических параметров:
k0 =5мл/(с×атм×г)при 485 оС, E = 92 кДж/моль, Q1 = 95.73 кДж/моль
k0 – предэкспоненциальный множитель, E– энергия активации, Q – тепловой эффект реакции.
Входные параметры:
Температура на входе в 1-й реактор, Tin = 440оС Температура на входе во 2-й реактор, Tin = 530оС
Температуру на входе в последующие реакторы необходимо подобрать
Мольные доли веществ на входе в реактор:
xSO2_0 – варьируется (6×10-2, 9×10-2, 12×10-2) xO2_0 – 12×10-2
xSO3_0 – 0
xN2_0 – рассчитать Расход газа, G = 0.035 кг/c
Скорость потока на входе в реактор, u – рассчитывается в COMSOLе Температура стенки реактора, Tw = Tin
Давление, P0 = 1 атм
Теплофизические свойства и параметры массо- и теплопереноса:
Теплоемкость газовой смеси, Cp = 1100 Дж/(кг К) Теплоемкость зерна катализатора, Cс = 231 ккал/(м3 К) Порозность слоя, ε = 0.42
|
|
Размеры реактора и время процесса:
Радиус реактора, R = 0.5 м
Длина одного слоя реактора, L = 1 м Время процесса, t = 20000 с
Необходимо:
1. Изучить сгенерированную модель «SO2 – полочный реактор.mph».
2. Рассчитать по ней процесс окисления SO2 в SO3 в многослойном реакторе. Для первого слоя входные данные задаются (температура и концентрации веществ). В качестве входных данных для расчета второго и последующих слоев берутся выходные данные с предыдущих слоев. Для этого необходимо экспортировать рассчитанные данные в файл и выходные значения брать из этого файла. Охлаждение реакционной смеси моделируется с помощью понижения значений выходных температур.
Определить количество слоев, необходимое для получения общей степени превращения > 95 %.
Концентрация диоксида серы варьируется.
1. Построить зависимости общей степени превращения и температуры от длины слоя, а также степени превращения от температуры. Зависимости строить только по крайним точкам (по входным и выходным для всех слоев).
2. Для одного значения входной концентрации SO2 провести расчет при длине одного слоя 0.5
м.
[1] Боресков Г.К., Буянов Р.А., Иванов А.А., Исследование кинетики окисления двуокиси серы на ванадиевых катализаторах, Кинетика и катализ, 8(1) 153-154, 1967.