2.11. Теплота реакции. Адиабатический разогрев. Х-Т диаграмма и ее использование для анализа процесса. Пример производства серной кислоты

Теплота реакции – это количество энергии, которое выделяется или поглощается системой во время реакции. Реакции протекающие с выделением энергии называются экзотермическими, а с поглощением энергии эндотермическими.

Адиабатический разогрев

Адиабатическое сжатие (метод импульсного сжатия), используют для осуществления и исследования хим. реакций в газовой фазе при высоких давлениях и температурах. Основан на том, что при сжатии газа в цилиндре свободно летящим поршнем со скоростью порядка 10-20 м/с теплопередача к стенкам цилиндра не успевает происходить, и газ адиабатически нагревается.

Перспективность применения адиабатического сжатия метод в хим. технологии обусловлена возможностями: а) совмещения в одном аппарате нагревателя и реактора (при сжатии газовой смеси), а также закалочного устройства (при ее расширении); б) достижения большей, чем при использовании др. методов, производительности в расчете на единицу реакц. объема; в) работы при относительно низкой температуре ( < 400 °С) стенок рабочих цилиндров, что исключает их высокотемпературную коррозию.

 Адиабатические реакторы – при спокойном (без перемешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, хорошая теплоизоляция. Все тепло экзотермической реакции собирается (накапливается) потоком реагирующих веществ, то есть затрачивается на изменение температуры в реакторе.

Теплоту реакции используют для выработки пара путем помещения в зону реакции теплообменных элементов, которые подают воду, а получают пар.

Показатели эффективности химического процесса: 1) средняя скорость реакции 2) выход целевого продукта 3) степень превращения (конверсия)

Х-Т диаграмма: Для обратимых экзотермических процессов с повышением температуры снижается равновесный выход продуктов. Так как несмотря на повышение скорости прямой реакции, выход ограничивается равновесием, а при дальнейшем повышении температуры равновесие  сдвигается влево (интенсивно идет обратная реакция ). То есть необходимо подбирать для каждого конкретного случая оптимальную температуру. Так как одним из основных показателей процесса является выход продукта.

 Производства серной кислоты

 Основные стадии получения серной кислоты:

1) обжиг сырья с получением SO₂;

Пример:

Сжигание серы S + O₂ → SO₂

Обжиг пиритов FeS₂ +O₂ → Fe₃O₄ +SO₂

2) окисление SO₂ до SO₃ (конверсия);

SO₂ + ½ O₂ = SO₃ + 99кДж/моль

Катализатор (V₂O₅ + K₂S₂O₇)/SiO₂

адиабатический разогрев

T = T₀ + ΔT_ад ∙ x

ΔT_ад = QC_SO2/C_P      (≈30°C на 1% об. SO₂)

3) абсорбция SO₃.

SO₃ + H₂O → H₂SO₄ + Q

Для получения серной кислоты контактным способом на современных  заводах применяют ванадиевые катализаторы, низкоплавкие пиросульфованадаты (3К₂S₂О₇ · V₂О₅, 2К₂S₂O₇ · V₂O₅ и K₂S₂O₇·V₂O₅, разлагающихся соотв. при 315-330, 365-380 и 400-405 °С). Активный компонент в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.