Н.А. Маркичев
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
по дисциплинам: «технология и оборудование отрасли»,
«макрокинетика и расчет реакторов»
Иваново
2009
Стр.1
Федеральное агенство по образованию
ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический
университет»
Н.А. Маркичев
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
по дисциплинам технология и оборудование отрасли,
макрокинетика и расчет реакторов
Учебное пособие
Иваново 2006
Стр.2
УДК 66.02 (076.5)
Н.А. Маркичев Н.А. Лабораторный практикум по дисциплинам технология
и оборудование отрасли, макрокинетика и расчет реакторов: Учеб. пособие/
ГОУВПО; Иван. гос. хим.- технол. ун-т. Иваново, 2006. 68 с. ISBN
Лабораторный практикам содержит 3 лабораторных работы по курсу
«Технология и оборудование отрасли» и 4 работы
по дисциплине
«Макрокинетика и расчет реакторов». Пособие включает в себя основные
теоретические положения и расчетные зависимости по каждой работе. Даны
варианты заданий для выполнения работ с помощью имитатора, примерный
вид таблиц опытных и расчетных величин, изложены требования к
содержанию и оформлению отчета и примерные вопросы к коллоквиуму.
Приложение содержит описание имитатора каждой работы.
Предназначено для студентов обучающихся по направлению 655400
«Энерго- и ресурсосберегающие процессы химической технологии,
нефтехимии и биотехнологии» по специальности «Основные процессы и
аппараты химических производств и химическая кибернетика»,
Печатается
по
решению редакционно-издательского
совета
Ивановского государственного химико-технологического университета.
Рецензент:
доцент кафедры общей химической технологии Кунин Б. Т. (Ивановский
государственный химико-технологический университет)
Стр.3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ………..…………………………………………………………………4
Лабораторная работа №1 часть 1………………………………………………..5
Лабораторная работа №1 часть 2………………………………………………10
Лабораторная работа №2 часть 1………………………………………………15
Лабораторная работа №2 часть 2………………………………………………19
Лабораторная работа №3 часть 1 ……………………………………………...24
Лабораторная работа №3 часть 2………………………………………………28
Лабораторная работа №3 часть 3………………………………………………33
Приложения……………………………………………………………………..38
Лабораторная работа №1 часть 1 Основные элементы……………………….39
«Мановакууметр»………………………………………………………….39
«Термометр»……………………………………………………………….44
«Концентратомер»…………………………………………………………47
Кнопка «Ok»………………………………………………………………50
Кнопка «Сброс»……………………………………………………...…...55
Таблица данных…………………………………………..………….…...56
Лабораторная работа №1 часть 2………………………………………………57
Лабораторная работа №2 часть 1………………………………………………60
Лабораторная работа №2 часть 2………………………………………………63
Лабораторная работа №3 часть 1 ……………………………………………...65
Лабораторная работа №3 часть 2………………………………………………67
Лабораторная работа №3 часть 3………………………………………………71
Стр.4
ВВЕДЕНИЕ
Одним этапов обучения студентов специальности “Основные процессы
химических производств и химическая кибернетика” (ОПХП и ХК) является
прохождение ими лабораторного практикума с целью закрепления
теоретических основ курсов
«Технология и оборудование отрасли»,
«Макрокинетика и расчет реакторов». В связи со сложностью изучаемых
процессов, высокими температурами и давлениями, токсичными веществами
создание лабораторных стендов не представляется возможным. Для целей
практического изучения реальных технологических процессов созданы
виртуальные лабораторные работы в основе которых лежат имитаторы
рассматриваемых процессов и соответствующие математические модели.
Практикум содержит 7 лабораторных работ, сгруппированных по трем
разделам: контактное окисление диоксида серы; конверсия оксида углерода в
диоксид; синтез аммиака на железном катализаторе. В каждом разделе
изучается термодинамика и кинетика процесса.
Пособие имеет характер практического руководства. Излагается
необходимый теоретический материал, после чего
приводятся варианты
заданий, которые выполняют студенты, пользуясь соответствующим
имитатором и пояснениями к нему. Результаты работ представляются в виде
таблиц и обрабатываются в виде графических зависимостей, вид которых
студенты должны объяснить на основании теории данного процесса и
сделать соответствующие выводы. Приводятся основные вопросы на
коллоквиум.
4
Стр.5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Исследование равновесия и кинетики реакции контактного окисления
SO2 в SO3 в производстве серной кислоты
Часть первая. Исследование равновесия
Теоретическое введение
По объему промышленного производства серная кислота занимает
одно из первых мест среди продуктов, производимых химической
промышленностью.
В основе всех технологических схем производства серной кислоты
лежит обратимая реакция окисления диоксида серы в триоксид кислородом
воздуха:
SO2 + 0,5O2 = SO3 + Q
выражается уравнением:
Q = 92323,7 + 23,359Т - 43,8902·10-3Т2 + 26,905·10-6Т3 – 6,905·10-9Т4
упрощенным уравнением:
Q = 101419 - 9,26Т (кДж/кмоль)
(1.1)
Зависимость теплового эффекта реакции от температуры (кДж/кмоль)
(1.2)
В интервале температур 400÷700 оС можно пользоваться
(1.3)
Согласно принципа Ле-Шателье, равновесие реакции (1) сдвигается в
сторону продуктов реакции при понижении температуры и повышении
давления. И то и другое в ощутимых пределах трудно осуществимо, так как
при температурах ниже 400 0С скорость реакции мала даже в присутствии
катализаторов, а повышение давления, которое вызвало бы видимый эффект,
сопряжено со значительными техническими трудностями.
На практике реакцию окисления SO2 в SO3 проводят при
атмосферном давлении и температурах 400÷650 оС.
Константа скорости реакции,
давления компонентов, определяется из уравнения:
K =
p
PSO3
PSO2 ´ Po 2
(1.4.)
выраженная через парциальные
5
Стр.6
Равновесная степень превращения сернистого газа в серный
ангидрид:
X =
p
PSO3
PSO2 + PSO 3
Из уравнения константы равновесия следует, что:
PSO2
=
PSO3
K ´
p
Po 2
Подставляем полученное значение РSO 2
равновесной степени превращения:
PSO3
X =
p
PSO3
+
PSO3
Kp
PO2
=
P 3SO Kp
KP
PSO3
PO2 + PSO3
PO2
=
p
в выражение для
Kp
K +
1
PO 2
При общем давлении смеси Р, начальном содержание SO2 «а» об. % и
начальном содержании O2 «b» об. %, парциальное давление кислорода в
равновесной газовой смеси составит:
PO2 = -
b
100 0,5
0,5
-
X =
p
aXp
aX p
Отсюда равновесная степень превращения:
KP
K +
p
100 0,5aXp
P(b
-
-
p
0,5aX )
Размерность и численное значение константы равновесия зависит от
размерности парциальных давлений компонентов в выражении (1.6).
Зависимость константы равновесия от температуры определяется
уравнением:
2,3d gK -=
l
P
dT
RT
Q
2 ,
(1.10)
где Q – тепловой эффект реакции (1.1) при постоянном давлении,
отнесенный к 1 кмолю окисляемого SO2, кДж; R = 8,31 кДж/моль –
универсальная газовая постоянная.
После подстановки выражения (1.2) для Q и интегрирования
получаем следующую зависимость константы равновесия от температуры:
6
(1.8)
(1.7)
(1.6)
(1.5)
(1.9)
Стр.7
lgKP = -
Ч
4812,3
T
+1,197 10 Т 2, 23
-10 3
+
С достаточной точностью для интервала температур 400÷700 оС
можно пользоваться упрощенным уравнением:
T 4, 6455
lgK 4905
P =
-
(1.12)
Размерность КР в уравнениях (1.11) и (1.12) в атм0,5. Если давление в
формуле (1.4.) выражать в Па, то значения КР, полученные по уравнениям
(1.11) и (1,12) следует умножить на коэффициент пересчета, равный:
1,0133 10
1
Ч
5
= 3,14 10
Ч
- 3
- 2,8254lgT 2,284 10 T - 7,012 10 Т +
+
Ч
-3
Ч
-7
2
(1.11)
Уравнение (1.9) определяет Хр в неявном виде и решается либо
методом последовательных приближений (обычно достаточно 2 – 3
приближения), либо с применением вычислительной техники.
Зная равновесную степень превращения, легко определить
равновесный объемный состав газовой смеси:
%SO3 = aXP; % SO2 = a(1-XP); % O2 = b(1-0,5XP);
% N2 = 100- %SO3 - %SO2 - % O2
Цель работы:
Изучить влияние температуры, давления и состава исходной смеси на
константу равновесия, равновесную степень превращения SO2 в SO3 и
содержание SO3 в равновесной газовой смеси.
Порядок выполнения работы
Запустить имитатор лабораторной работы.
Пользуясь описанием имитатора к лабораторным работам, (см.
приложение) установить, согласно заданию, значение давления, объемные
концентрации диоксида серы, кислорода и азота на расходомерах, интервал
и шаг изменения температуры на термометре. После того как все параметры
будут установлены кнопка «Ok» загорится зеленым цветом, что говорит о
готовности программы к выполнению расчетов. При наведении на нее
курсора мыши появляется соответствующее всплывающее сообщение:
7
Стр.8
Рис. 1. Панель приборов, готовая к запуску имитатора, к
лабораторной работе 1
При нажатии на кнопку «Ok», выполняется расчет заданного процесса
по установленным значениям параметров. Кнопка блокируется.
Варианты заданий приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1.
№ Состав исходного газа, об.%
SO2
9
9
9
O2
7
1
2
3
4
5
6
7
10
10
10
6
9
12
7
10
13
2
3,5
5
7
8
9
7,5
9
11,5
10
13
7
12
15
9
9
9
11
11
11
18
18
18
14
13
12
14
14
14
N2
84
81
78
83
78
75
85
82
79
81
79
76
80
78,5
77
79
79
79
78,5
77
74,5
8
Варианты заданий к лабораторной работе №1
Температура, оС
начальная конечная шаг
200
600
400
250
300
400
100
200
800
730
700
800
660
600
50
50
60
50
50
70
50
0,1
Давление,
МПА
0,2
0,3
0,08 0,16 0,32
0,1
0,2
0,3
0,09 0,11 0,14
0,1 0,12 0,14
0,1 0,15 0,2
0,1 0,12 0,14
Стр.9
Полученные расчетные значения степени превращения SO2 в SO3
t,оС Давление 0,1 МПа
*
SO3
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Состав исходной смеси (об/%) SО2 = 9; О2 = 14; N2 =77
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Состав исходной смеси (об/%) SО2 = 11,5; О2 = 14; N2 =74,5
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Примечание:
*
SO2
*
O2
*
N2
Таблица 1.2.
Таблица расчетных величин
ХР
Давление 0,125 МПа Давление 0,15 МПа
ХР
*
SO3
*
SO2
*
O2
*
N2
*
SO3
*
SO2
*
O2
Состав исходной смеси (об/%) SО2 = 7,5; О2 = 14; N2 =78,5
*
N2
ХР
и
равновесные объёмные концентрации компонентов газовой смеси заносим в
таблицу расчетных величин (таб. 1.2.)
*
SO3
,
*
SO2
,
*
O2
и *
N2
- равновесные концентрации компонентов
газовой смеси. ХР –равновесная степень превращения SО2 в SО3.
На основании данных, представленных в таблице 1.2. строятся
графические зависимости:
9
Стр.10