Исследование кинетики реакции каталитического окисления SO2 в SO3 на новом и регенерированном катализаторе СВД

М. Ю. Лазарев, Ф. Ш. Шарафисламов,

И. А. Махоткин

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ SO2 В SO3 НА НОВОМ И РЕГЕНЕРИРОВАННОМ КАТАЛИЗАТОРЕ СВД

Ключевые слова: регенерированный катализатор, отработанный катализатор, окисление SO2 в SO3,

Выполнено обобщение закономерностей кинетики процесса окисления SO2 в SO3 на основе нового и регенерированного катализатора СВД. Показано влияние концентрации SO2 в газе, влияние температуры и скорости газового потока на закономерности кинетики химической реакции. Показано, что скорость реакции каталитического окисления SO2 в SO3 описывается уравнением первого порядка по SO2. Величина энергии активации процесса соответствует диффузионной области.

Keywords: the recycled catalyst, the fulfilled catalyst, oxidation SO2 in SO3.

Generalization of laws kinetics process of oxidation SO2 in SO3 on the basis of new and recycled catalyst SVD is executed. Influence of concentration SO2 in gas, influence of temperature and speed of a gas stream on laws kinetics is shown chemical reaction. It is shown that speed of reaction of catalytic oxidation SO2 in SO3 is described by the equation of the first order on SO2. The size of energy of activation ofprocess corresponds to diffusive area.

В производстве серной кислоты основными химическими реакциями являются следующие [1]:

2SO2 + O2

2SO,

SO3 + H2O = H2SO4

Процесс окисления БО2 в БОз протекает на катализаторе. Наиболее распространенным отечественным катализатором является катализатор марки СВД, содержащий У2О5. Пентоксид ванадия нанесен на пористый носитель - диатомит. Срок службы катализатора СВД находится в пределах от одного года до трех лет. Снижение активности катализатора происходит по ряду причин:

- отравление катализатора примесями;

- закупоривание пор катализатора;

- спекание и разрушение частиц катализатора.

На некоторых предприятиях накоплено более тысячи тонн отработанного катализатора, который наносит значительный экологический ущерб [2]. Поэтому задача утилизации или регенерации отработанного катализатора является актуальной научно-технической проблемой.

Методика регенерации отработанного катализатора СВД в лабораторных условиях

Для приготовления 100г нового образца катализатора отработанный катализатор СВД измельчается. Полученный порошок просеивается и отбирается фракция порошка с размером частиц не более 0,2мм в количестве 90г. К нему приливается 15мл стеариновой кислоты в качестве пластификатора и вода. Полученная масса перемешивается до однородного тестообразного состояния. После этого добавляется 3,5г У2О5, что вдвое меньше чем содержание его в 100г свежего СВД и содержимое вновь перемешивается до однородного состава. Из полученной массы формуются цилиндрические гранулы диаметром

5мм и длиной 15мм. Гранулы просушиваются при 100°С в сушилке в течение 1 часа, затем прокаливаются в муфельной печи при 500°С в течение 3 часов.

На базе лабораторной установки исследования катализаторов, собранной на кафедре «Оборудование химических заводов» КНИТУ были проведены исследования эффективности регенерированного катализатора в процессе окисления БО2 в БО3 и проведена сравнительная характеристика данного катализатора со свежим катализатором СВД.

Экспериментальные исследования

проводили:

- при разной температуре и постоянном расходе газа(1 л/мин);

- при разном расходе и постоянной температуре (450оС);

- при разной входной концентрации БО2, постоянной температуре (450оС) и постоянном расходе газа(1 л/мин).

«V, м/с

Рис. 1 - Зависимость степени каталитического окисления БОг от скорости газового потока при температуре 450°: 1 - новый катализатор СВД; 2 - регенерированный катализатор СВД

П» °/о

90

250 300 350 400 450 500 550

т, С

Рис. 2 - Зависимость степени каталитического окисления БОг от температуры при скорости газового потока 0,1 м/с: 1 - новый катализатор СВД; 2 - регенерированный катализатор СВД

Из представленных рис. 2, 3 видно, что регенерированный катализатор получился работоспособным. Максимум эффективности регенерированного катализатора достигается при той же температуре 450-500°С. Существование максимума эффективности объясняется

обратимостью химической реакции.

Скорость реакции каталитического окисления БO2 в БO3 описывается уравнением:

= кх[БО2]

с1т 2

где к - константа скорости реакции.

На рис. 3 представлена зависимость

константы скорости реакции от температуры в аррениусовских координатах.

1/Т-10'3, к

Рис. 3 - Зависимость константы скорости

реакции каталитического окисления БОг от температуры в аррениусовских координатах: 1 -новый катализатор СВД; 2 - регенерированный катализатор СВД

Из графика видно, что константа скорости реакции увеличивается при повышении температуры до 450°С. При дальнейшем увеличением температуры до 500°С величина константы скорости остается постоянной.

Зависимость константы скорости реакции в диапазоне температуры от 300°С до 450°С имеет вид:

|пк = 1.74-5600

РТ

Из уравнения (4) видно, что величина энергии активации равна 5,6КДж/Моль, что характерно для процессов протекающих в диффузионной области. Это подтверждает рис. 4 на котором изображена зависимость константы скорости процесса от скорости газового потока.

2 -----------1-I--1---------------------1-1-1-1

0:05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

м/с

Рис. 4 - Зависимость константы скорости

процесса каталитического окисления БОг от

скорости газового потока, при температуре 450°С: 1 - новый катализатор СВД; 2 -

регенерированный катализатор СВД

Из этого графика видно что с увеличением скорости газа в диапазоне от 0,1 до 0,35 м/с величина константы скорости процесса увеличивается.

Зависимость константы скорости процесса от скорости газа в диапазоне скорости газа от 0,2 до

0,35 м/с описывается уравнением:

к = а-Ш08.

В области скорости газа от 0,1 до 0,2 м/с константа скорости процесса практически не зависит от скорости газа.

Следовательно, для интенсификации процесса каталитического окисления 802 необходимы катализаторы, работающие при высокой скорости газового потока относительно поверхности катализатора. Для этой цели нами изготовлены образцы сотовых катализаторов. Оптимизация сотовых катализаторов по величине максимальной площади поверхности показала, что существует оптимальное соотношение толщины стенки сотового катализатора и размера ячейки для прохода газа [4].

Известно, что изготовление сотовых

катализаторов остается сложной проблемой.

Однако, преимущества сотовых катализаторов говорят о том, что эта проблема в перспективе будет решена.

Литература

1. Малин К.М. Технология серной кислоты / К.М. Малин, Н.Л. Аркин, Г.К. Боресков, М.Г. Слинько; под общ. ред. проф. К.М. Малина. - М.: Госхимиздат, 1950. - 569 с.

2. Обзор рынка катализаторов промышленных в России -отчет от 6 августа 2010г.

3. ГрошевА.П. Технический анализ / А.П. Грошев. — М.: Химия, 1953. - 432 с.

4. Репин В.Б. Оптимизация площади поверхности сотового катализатора / Репин В.Б., Балыбердин А.С., Шарафисламов Ф.Ш., Махоткин И.А.// Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, №18. - С.249-254.

© М. Ю. Лазарев - асп. каф. оборудования химических заводов КНИТУ, nospoon@yandex.ru; Ф. Ш. Шарафисламов - канд. техн. наук, зав. лаб. той же кафедры; И. А. Махоткин - канд. техн. наук, ст. преп. той же кафедры.