Для чего используется контактный аппарат в химии
Контактные аппараты
Химические реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов называют контактными аппаратами.
Главной характеристикой, по которой могут быть классифицированы рассматриваемые реакционные аппараты, является способ осуществления теплообмена в реакционной зоне: с теплообменом через стенку; с теплообменом при непосредственном контакте с катализатором или при смешении с теплоносителем (адиабатические реактора).
Независимо от способа осуществления теплообмена, реакторы различаются по состоянию катализатора, который может располагаться неподвижным слоем или находиться в движении.
1. Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора.
Все трубчатые реакторы обеспечивают хороший тепловой режим, что обусловлено высоким отношением поверхности теплоотдачи к объему катализатора. Возможность достижения значительных линейных скоростей потоков газа в трубках обуславливает эффективную массо- и теплопередачу. К принципиальным недостаткам трубчатых реакторов относится трудность поддержания оптимального температурного режима по длине трубки.
Для реакторов с неподвижным слоем катализатора характерны следующие общие недостатки:
• периодичность работы (из-за необходимости регенерации катализатора);
• для обеспечения непрерывной работы установки необходимо применение батареи из нескольких реакторов (сильно усложняет и удорожает оборудование);
• неравномерность условий процесса (неудовлетворительное распределение температур и потоков по сечению и высоте реакционной зоны);
• различие условий в каждом реакционном цикле.
Все это приводит к нестандартности получаемых продуктов и снижению эффективности работы оборудования.
Этих недостатков в значительной степени лишены контактные аппараты с подвижным катализатором.
2. Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора Основным принципом работы реакторов с движущимся слоем катализатора является непрерывное перемещение последнего в реакционной зоне при постоянном реакционном объеме. Катализатор непрерывно поступает в контактный аппарат и также непрерывно и с такой же скоростью выходит из него.
Установки с движущимся катализатором являются установками непрерывного действия.
Все контактные аппараты с движущимся катализатором относятся к группе реакторов с теплообменом при непосредственном контакте с катализатором (предварительно нагретым или охлажденным).
Реакторы с движущимся слоем катализатора существенно различаются по конструкции и закономерностям процессов в зависимости от размеров частиц применяемого катализатора. Катализатор может использоваться в виде зерен размером 3-5 мм (гранулированный катализатор) или в виде пыли с размером частиц 0.01-0.1 мм (пылевидный катализатор).
Размер частиц катализатора в контактном аппарате определяет способ перемещения катализатора. Гранулированный катализатор перемещают в плотном слое, пылевидный — в виде псевдоожиженной газопылевой системы.
Показатели работы контактного аппарата.
1. Время контакта – время соприкосновения реагентов с катализатором:
Vkat _ объем катализатора.
2. Объемная скорость – объем реакционной смеси, проходящей через единицу объема катализатора в единицу времени:
Производство серной кислоты
Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита (серного колчедана) FeS2.
Основные стадии получения серной кислоты :
Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):
| Аппарат | Назначение и уравнения реакций | ||||||
| Печь для обжига | 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое«. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800 о С | ||||||
| Циклон | Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз. | ||||||
| Электрофильтр | Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра). | ||||||
| Сушильная башня | Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота. | ||||||
| Теплообменник | Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. | ||||||
| Контактный аппарат | 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3): Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню. Получение H2SO4 протекает в поглотительной башне. Однако, если для поглощения оксида серы использовать воду, то образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты. Для того, чтобы не образовывался сернокислотный туман, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3. Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.
Общие научные принципы химического производства: Добавить комментарий Отменить ответЭтот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев. Для чего используется контактный аппарат в химииРепетитор по Химии и Биологии Главная • Биология • Химия • Резюме • Цены • Контакты
| ||||||
Репетитор по Химии
Конспекты
С уважением,
доктор биологических наук,
ведущий научный сотрудник НИИ акушерства и гинекологии им. Д.О.Отта
репетитор по химии и биологии
Соколов Дмитрий Игоревич
Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.
Контактный способ производства серной кислоты.
Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах.
I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты:
Пирит (серный колчедан) FeS2
II. Подготовка сырья.
Разберём производство серной кислоты из пирита FeS2.
1) Измельчение пирита. Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
III. Химизм производства.
Производство серной кислоты из пирита состоит из трёх стадий.
Уравнение реакции первой стадии
4FeS2 + 11O2 
2Fe2O3 + 8SO2 + Q
Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в «подвешенном состоянии» из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.
За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.
 |
Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.
 |
Протекает в контактном аппарате.
Уравнение реакции этой стадии: 2SO2 + O2 
2SO3 + Q
Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3).
 |
Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О 2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.
Температура 400-500 °С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3.
Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.
Протекает в поглотительной башне.
Уравнение реакции этого процесса nSO3 + H2SO4 H2SO4·nSO3
Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.
Нитрозный способ производства серной кислоты.
Технологическая схема производства серной кислоты контактным путём хорошо известна из школьных учебников. В нашей стране используется и другой, так называемый нитрозный, способ её получения.
Раствор нитрозиллерной кислоты в серной кислоте, называемый нитрозой, орошает башни 1 и 2, куда противотоком поступает SO 2 и добавляется вода. В результате гидролиза нитрозиллерной кислоты образуется азотная кислота:
Охрана окружающей среды,
связанная с производством серной кислоты.
Основным сырьем для производства серной кислоты, является сера. Она относится к числу наиболее распространенных числу химических элементов на нашей планете.
Особое значение имеет очистка газов от фторсодержащих примесей, которые даже в незначительной концентрации вредно влияют на растительность. Если в газах содержится фтороводород и фтор, то их пропускают через колоны с насадкой противотоком по отношению к 5-10% раствору гидроксида натрия. В течени и одной минуты протекают следующие реакции:
Образующийся фторид натрия обрабатывают для регенерации гидроксида натрия:
48.Производство серной кислоты контактным способом
Исходным сырьём для производства серной кислоты могут быть сера, сероводород, сульфиды металлов.
Мы рассмотрим производство серной кислоты контактным способом, при котором исходным сырьём является пирит FeS2
Принципиальная схема получения серной кислоты.
Процесс состоит из трех стадий:
1.Обжиг пирита, Получение оксида серы (II). Очистка печного газа. Уравнение реакции первой стадии:
4FeS2 + 11O2=2Fe2O3 + 8SO2 + Q
Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800 0 С. Пирит раскаляется до красна и находится в «подвешенном состоянии» из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.
За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.
Образовавшийся оксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом — сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).
Таким образом выполняется принцип химического производства — безотходность производства.
Очистка печного газа
Из печи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.
Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа — в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.
Осушку печного газа проводят в сушильной башне — снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2.
2 стадия. Окисление SO2 в SO3 кислородом. Протекает в контактном аппарате.
Уравнение реакции этой стадии:
2SO2 + O2⇔ 2SO3 + Q
Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3):
Прямая реакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3 является температура 400-500 0 С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия(V) V2O5.
Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO2 и 1V O2), а справа — 2V SO3. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.
Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.
Температура 400-500 0 С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3.
Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.
3.Получение H2SO4
Протекает в поглотительной башне.
А почему оксид серы SO3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде:
SO3 + H2O= H2SO4.
Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды — это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3
Уравнение реакции этого процесса
Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.
Контактный аппарат
Изобретение относится к конструкциям контактных аппаратов, применяемых для проведения каталитических реакций, например, для окисления диоксида серы до триоксида серы при производстве серной кислоты, и позволяет повысить экономичность и облегчить эксплуатацию аппарата путем упрощения и ускорения замены катализатора. Контактный аппарат для проведения каталитической гетерогенной реакции газообразных реагентов с радиально-спиральным ходом газа через слой катализатора, содержащий преимущественно цилиндрический корпус с крышкой, патрубки входа и выхода газа, размещенную в корпусе кольцеобразную катализаторную катализаторную коробку, включающую внутреннюю и наружную перфорированные обечайки, внутри которой по всей высоте установлены спиральные перегородки, пространство между которыми заполнено катализатором, имеющие каналы, объединенные коллекторами входа и выхода газа, перед катализаторной каробкой по ходу газа концентрично ей и оси аппарата расположена кольцеообразная корзина, заполненная катализатором, внутренняя и наружная стенки которой выполнены перфорированными. Кроме того,кольцеобразная корзина выполнена съемной и снабжена стропочными устройствами, а крышка съемной корзины герметично закреплена на крышке катализаторной коробки. Корпус снабжен наружным теплоизоляционным слоем. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к конструкциям контактных аппаратов, применяемых для проведения каталитических реакций, например, для окисления диоксида серы до триоксида серы при производстве серной кислоты, и может быть использовано в химической промышленности.
Целью изобретения является повышение экономичности и облегчение эксплуатации путем упрощения и ускорения замены катализатора.
На фиг. 1 изображен контактный аппарат для проведения каталитической гетерогенной реакции газообразных pеагентов, общий вид; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вариант узла выгрузки катализатора из катализаторной коробки.
Контактный аппарат содержит корпус 1, теплоизоляционную футеровку 2, съемную корзину 3 с защитным слоем катализатора и катализаторную коробку 4 с основным слоем катализатора, наружную 5 и внутреннюю 6 перфорированные обечайки, днище 7 и крышку 8 съемной корзины с защитным слоем катализатора, наружную 9 и внутреннюю 10 перфорированные обечайки, днище 11 и крышку 12 катализаторной коробки с основным слоем катализатора, патрубки входа 13 и выхода 14 газовой смеси, патрубок 15 холодного байпаса, спиральные перегородки 16, вертикальные коллекторы входа 17 и выхода 18 теплоносителя, в частности исходного сырья, и катализатор 19. На крышках 8 и 12 съемной корзины и катализаторной коробки имеются строповочные устройства 20. Катализаторная коробка 4 может быть выполнена съемной (снабжена строповочным устройством 20) (см. фиг.1), при этом она может быть снабжена узлом выгрузки катализатора (см. фиг. 3), расположенным в ее нижней части и представляющим собой, например, коническую камеру 21, соединенную патрубками 22 с днищем 11 катализаторной коробки 4. Коническая камера 21 заканчивается патрубком 23 для выгрузки катализатора из аппарата.
Контактный аппарат работает следующим образом.
При проведении технологического процесса окисления диоксида серы до триоксида серы газовую смесь через патрубок 13 и вертикальные коллекторы входа 17 теплоносителя направляют в каналы спиральных перегородок 16 основного слоя, откуда она собирается в вертикальные коллекторы 18 и направляется через внутреннюю 6 перфорированную обечайку корзины 3 защитного слоя катализатора на катализатор 19, пройдя который, газовая смесь через наружную 5 перфорированную обечайку корзины 3, кольцевой зазор между корзиной 3 и катализаторной коробкой 4, внутреннюю 10 перфорированную обечайку катализаторной коробки поступает на катализатор 19 основного слоя. Катализатор засыпан между спиральными перегородками 16. На катализаторе осуществляется процесс окисления диоксида серы до триоксида серы. При этом тепло реакции через стенки (теплообменные поверхности) спиральных перегородок 16 передается газу, поступающему на окисление. Выйдя из катализаторного слоя, газ через наружную перфорированную обечайку 9 катализаторной коробки и патрубок 14 выводится из контактного аппарата.
Регулирование температуры газа, идущего на окисление диоксида серы, осуществляется холодным байпасом через патрубок 15 перед защитным слоем катализатора.
При работе контактного аппарата первые по ходу газа гранулы катализаторного слоя довольно быстро спекаются, что уменьшает активность и увеличивает гидравлическое сопротивление катализатора. Использование съемной корзины с защитным слоем катализатора перед основным слоем катализатора значительно упрощает и ускоряет процесс замены катализатора защитного слоя, предотвращает спекание катализатора основного слоя. При этом для основного слоя создаются оптимальные условия проведения процесса, заключающиеся в том, что отвод тепла осуществляется по мере его выделения благодаря развитой теплообменной поверхности, созданной внутри аппарата.
Замену катализатора в катализаторной коробке 4 производят следующим образом.
В а р и а н т 1. Катализаторная коробка съемная. В этом случае катализаторную коробку 4 отсоединяют от патрубка 13 входа газа и, используя строповочные устройства 20, извлекают ее из корпуса 1 аппарата. Замена катализатора производится вне аппарата. При этом возможна ее замена резервной катализаторной коробкой, заранее заполненной свежим катализатором.
В а р и а н т 2 (фиг.3). Катализаторная коробка 4 установлена в корпусе 1 стационарно. В этом случае загрузку в нее катализатора производят через патрубки 24, присоединенные к крышке 12 катализаторной коробки 4, а выгрузку отработавшего катализатора производят через патрубки 22, размещенные верхним концом в днище 11, а нижние концы патрубков 22 соединены с конической камерой 21, заканчивающейся патрубком 23, через который катализатор выводят из аппарата. Для предотвращения проскока газовой смеси мимо защитного слоя катализатора крышка 8 корзины 3 с защитным слоем катализатора герметично закреплена на крышке 12 катализаторной коробки 4.
Сочетание радиального слоя в корзине с защитным слоем катализатора с радиально-спиральным в катализаторной коробке обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление контактного аппарата наряду с простотой замены катализатора защитного слоя.
Применение наружной теплоизоляции также сокращает объем строительно-монтажных работ, повышает степень заводской готовности аппарата, исключает необходимость сборки его на монтажной площадке. При этом снижаются затраты в связи с возможностью применения более дешевого теплоизоляционного материала, так как он не подвергается воздействию агрессивной среды.
Использование предлагаемого контактного аппарата обеспечивает по сравнению с известными повышение экономичности за счет создания оптимальных условий для проведения процесса и снижение гидравлического сопротивления. За счет более рационального использования объема, включая применение наружной теплоизоляции аппарата, повышается надежность его эксплуатации, уменьшается объем сборочных работ, облегчается и ускоряется замена катализатора.
1. КОНТАКТНЫЙ АППАРАТ для проведения каталитической гетерогенной реакции газообразных реагентов с радиально-спиральным ходом газа через слой катализатора, содержащий преимущественно цилиндрический корпус с крышкой и днищем, патрубки входа и выхода газа, размещенную в корпусе кольцеобразную катализаторную коробку, включающую внутреннюю и наружную перфорированные обечайки, внутри которой по всей высоте установлены спиральные перегородки, пространство между которыми заполнено катализатором, имеющие каналы, объединенные коллекторами входа и выхода газа, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и облегчения эксплуатации путем упрощения и ускорения замены катализатора, он снабжен установленной перед катализаторной коробкой по ходу газа концентрично расположенной по оси кольцеобразной съемной корзиной, заполненной катализатором, внутренняя и наружная стенки которой выполнены перфорированными.
2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что крышка съемной корзины герметично закреплена на крышке катализаторной коробки.
3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что катализаторная коробка закреплена в корпусе аппарата, при этом ее крышка снабжена патрубками загрузки катализатора, а днище патрубками выгрузки катализатора, объединенными в коническую камеру, заканчивающуюся патрубком вывода катализатора из аппарата.