Решение задачи 9.5 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова

Решение задачи 9.5 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова

 

9.5. В вертикальный адсорбер диаметром 3 м со стальной трубой диаметром 0,35 м поступает 170 м³/мин парогазовой смеси, содержащей C₀ = 0,02 кг/м³ паров этилового спирта. Концентрация этилового спирта в отходящем газе С₁ = 0,0002 кг/м³; высота слоя активного угля в адсорбере Н = 1,5 м; насыпная плотность угля р_нас = 500 кг/м³; продолжительность одного периода поглощения 4 ч 37 мин. Определить количество теплоты, выделяющейся в адсорбере за первый период,

Купить эту задачу за 400 рублей онлайн

 

 

Прошу обратить внимание, что при покупке решений задач по ПАХТ на сайте

Вам в почту приходит не сам файл решения, а ссылка на файл решения, который нужно скачать по этой ссылке СНАЧАЛА НА ЖЕСТКИЙ ДИСК своего компьютера.

Открывать и просматривать решения задач нужно с жесткого диска своего компьютера.

Файл решения приходит к Вам в трёх вариантах:

1 - ссылка - это формат ПДФ.

2 - ссылка - это архив, который нужно распаковать и уже там будет решение в ворде.

3 - ссылка - это архив, который нужно распаковать и уже там будет решение в ПДФ.

Если у Вас нет опыта оплаты и получения заказа через платежную систему «Робокасса», то Вы можете посмотреть видеролик на этой странице, где эта процедура подробно рассмотрена.

Если у Вас возникли вопросы и что-то не получается

Вы всегда можете задать вопрос через форму обратной связи задать вопрос

 

 

 

Для низкотемпературных катализаторов, выпускаемых разными производителями, химический состав и методы их приготовления существенно различаются. Содержание меди (в пересчете на СuО) меняется в пределах от 25 до 50%. В промышленных катализаторах в исходном состоянии медь находится в виде оксида или соединений шпинельного типа. При восстановлении образуется значительное количество металлической меди. Было сделано предположение, что ответственной за каталитическую активность является нольвалентная медь в мелкодисперсном состоянии. Поэтому медь должна быть хорошо застабилизирована, чтобы не рекристаллизовываться во время эксплуатации. С этой целью вводятся стабилизирующие добавки. Высокой активностью обладают катализаторы, в которых размер кристаллов меди составляет (80-150)×10^-8 м.Роль стабилизирующих добавок выполняют оксиды цинка, хрома, алюминия, магния, титана и др., хорошими стабилизаторами являются также соединения шпинельного типа; высокой устойчивостью обладает медь, входящая в состав твердого раствора со стабилизирующим компонентом. Необходимо, чтобы стабилизирующие добавки были устойчивы и не рекристаллизовывались в процессе конверсии.

С этой точки зрения наилучшей добавкой является оксид алюминия. Кроме того, при выборе добавок следует исходить из того, чтобы они связывали вредные примеси газа, защищая тем самым активный компонент от отравления. Такую роль в НТК играет оксид цинка, который поглощает соединения серы и хлора. Небольшие количества оксида хрома помимо стабилизирующего действия повышают прочность катализатора. Высокую удельную каталитическую активность при низкой температуре (200—250°С) в реакции конверсии оксида углерода проявляют смешанные хромиты меди, в которых в результате восстановления Си (II) переходит в Cu(I), оставаясь в решетке шпинели, и высокая активность катализатора связывается с ионами Cu⁺¹, находящимися в определенном координационном окружении. Таким образом, однозначных данных о том, что является активным компонентом катализатора, в литературе не имеется. Можно полагать, что и металлическая медь, и медь, находящаяся в решетке шпинели, вносят свой вклад в каталитическую активность.

В процессе приготовления катализаторов обязательно должна быть достигнута высокая степень гомогенизации и диспергирования компонентов катализаторной массы.

В табл. 7 приведены данные о составе наиболее распространенных промышленных катализаторов.

В табл. 8 приводятся основные характеристики промышленных катализаторов.

Решение задачи 9.5 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова

Из приведенных данных видно, что резервом для повышения активности является увеличение степени использования таблетки, чего можно достичь за счет изменения пористой структуры катализатора, в частности заменой таблетирования формованием, или созданием таблеток новой геометрической формы с развитой геометрической поверхностью.

Основными свойствами низкотемпературного катализатора, от которых зависят показатели работы промышленных аппаратов, являются активность, стабильность и механическая прочность. Эти свойства предопределяются технологией приготовления катализатора. Однако для сохранения высокой активности при эксплуатации катализатор должен быть правильно восстановлен, от условий восстановления зависит и его стабильность. Чем при более низкой температуре проведено восстановление катализатора, тем выше его первоначальная активность и тем больше срок службы.

Активность катализатора и его стабильность могут изменяться в процессе эксплуатации под воздействием реакционной среды и температуры, а также вредных примесей, содержащихся в газе и паре.

Механическая прочность катализатора определяется условиями его формования. В отличие от активности и стабильности она сильно зависит от условий хранения, транспортировки и загрузки его в конверторы и может существенно снизиться до начала эксплуатации и даже до загрузки в аппараты. Решение задачи 9.5 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова

 

 

Стойкость к каталитическим ядам

Типичными ядами для катализатора низкотемпературной конверсии оксида углерода являются соединения серы и хлора, которые вводятся с природным газом и/или технологическим воздухом.

Отравление серой. Еще до входа в реактор низкотемпературной конверсии соединения серы конвертируются в сероводород, который хемосорбируется на свободной поверхности частиц меди, а затем мигрирует и поглощается частицами оксид цинка. Как только наступает насыщение по оксиду цинка, сероводород начинает взаимодействовать с кристаллитами меди, что приводит к их блокированию и сильному падению активности. Лабораторные испытания и анализ выгруженного отправленного катализатора подтверждает линейную зависимость между площадью удельной поверхности и емкостью катализатора по сере. Большая площадь удельной поверхности частиц оксида цинка катализатора KATALCO 83-3К и высокая доступность пор обеспечивают крутой профиль концентраций сероводорода, что приводит к его задерживанию верхней частью катализаторного слоя.

Отравление хлором. Хлор отравляет катализатор низкотемпературной конверсии другим образом: его соединения реагируют с медью с образованием CuCl₂, который имеет низкую температуру плавления. Это означает, что частицы образующегося хлорида меди будут легко сливаться друг с другом и удельная поверхность, а, следовательно, и активность, будут, таким образом, падать. Этот эффект является основной причиной того, что отравление хлором оказывается гораздо более серьезным, чем серой. Ухудшение качества катализатора в этом случае уже не носит характер простого блокирования поверхности, как в случае серы. Более того, хлор проявляет большее сродство к свободным кристаллитам меди, а не к кристаллитам, уже содержащим хлорид меди. Хлор лучше связывается с медью и, поэтому, не мигрирует на цинк. При высоком содержании в синтез-газе каталитических ядов рекомендуется использовать катализатор KATALCO 83-3К, позволяющий свести к минимуму эффект отравления. Этот катализатор производится по оригинальной технологии совместного осаждения, в результате чего получается губчатая структура. Кристаллиты меди располагаются в щелях этой структуры, чем создается физический барьер между кристаллитами меди, не позволяющий им сливаться. Поэтому данный катализатор сохраняет свою активность практически неизменно в течение длительного периода времени.

Анализ образцов выгруженного катализатора низкотемпературной конверсии свидетельствует о том, что, яды в основном, поглощаются внешней поверхностью таблеток катализатора, т.е. поглощение ядов протекает в диффузионной области, и таблетки меньшего размера катализатора KATALCO 83-3 будут иметь повышенную емкость по сере и хлору. . В вертикальный адсорбер диаметром 3 м со стальной трубой диаметром 0,35 м поступает 170 м³/мин парогазовой смеси, содержащей C₀ = 0,02 кг/м³ паров этилового спирта. Концентрация этилового спирта в отходящем газе С₁ = 0,0002 кг/м³; высота слоя активного угля в адсорбере Н = 1,5 м; насыпная плотность угля р_нас = 500 кг/м³; продолжительность одного периода поглощения 4 ч 37 мин. Определить количество теплоты, выделяющейся в адсорбере за первый период

 

Влияние добавок на стойкость катализатора к отравлению хлором

Специальные катализаторы 83-3К разрабатывались с целью подавить образование побочного метанола.

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что более селективные катализаторы имеют и большую способность к поглощению хлора.

Термодинамика образования хлоридов позволяет определить, какие хлориды образуются легче, а какие труднее. На рис. 2 приводятся константы равновесия образования хлоридов из карбонатов различных металлов. Чем выше значение константы, тем легче образуется хлорид. Например, карбонаты кадмия и бария в этом смысле незначительно отличаются от карбоната цинка, следовательно, добавление в катализатор этих металлов не приведет к существенному увеличению емкости по хлору. Наилучшей добавкой является цезий, следующий (из наиболее доступных и недорогих металлов) идет калий. Очевидно, что карбонаты цезия и калия связывают хлор лучше, чем кадмия, бария и цинка.

 

 

Попадание капельной влаги на катализатор

Конденсация на катализаторе НТК капельной влаги является одной из серьезных проблем в работе агрегата аммиака и крайне нежелательна, так как приводит к ряду отрицательных последствий, в частности:

¨ К вымыванию каталитических ядов (в первую очередь хлора) из верхнего слоя катализатора, из-за чего происходит преждевременное отравление и выход из строя ниже лежащего активного катализатора.

¨ К разрушению катализатора, образованию большого количества пыли и резкому возрастанию гидравлического сопротивления потоку технологического газа.

¨ К уносу разрушенного катализатора из аппарата НТК и накоплению пыли ниже по технологической схеме.

В отдельных случаях конденсация может вызвать необходимость временной остановки всего агрегата (или временного вывода из эксплуатации стадии НТК) для перегрузки катализатора.

Использование защитных слоев, связывающих каталитические яды, содержащиеся в технологическом газе, в случае конденсации на катализаторе НТК влаги оказывается неэффективным, так как практически все неорганические хлориды хорошо растворяются в воде (кроме хлорида серебра). Данные по растворимости некоторых неорганических хлоридов приводятся в таблице. Решение задачи 9.5 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова

С точки зрения предохранения катализатора от разрушения использование защитного слоя также абсолютно неэффективно. При попадании на катализатор капельной влаги она не задерживается в верхнем (или защитном слое), а увлекается вниз потоком технологического газа и орошает довольно большой объем катализатора, приводя к его разрушению и одновременно размывая хлориды.

 

Выводы из анализа состава катализатора

• Отравление хлором приводит к слиянию отдельных кристаллитов меди, в результате чего уменьшается площадь удельной поверхности меди и подавляется активность катализатора.
• Добавки калия и цезия гораздо более эффективны, чем добавки кадмия или бария. Данный вывод подтверждается и термодинамическими соображениями.
• Таблетки меньшего размера поглощают большее количество хлора.
• Увеличение количества бария или кадмия по сравнению с небольшими количествами калия и/или цезия в целом неэффективно, так как сильно уменьшит активность по основной реакции конверсии оксида углерода.
• Хлориды всех упомянутых выше металлов водорастворимы, поэтому при увлажнении будут размываться вниз по слою. Для случаев попадания капельной влаги на поверхность катализатора исключительно важно, чтобы катализатор имел высокую механическую прочность и разрушался в минимальной степени. Катализаторы 83-3К имеют наиболее высокую прочность из всех применяемых в настоящее время катализаторов низкотемпературной конверсии.

 

4.4.Оптимальные условия конверсии оксида углерода

Давление

По принципу Ле-Шателье изменение давления не вызывает смещения равновесия. Несмотря на это применение давления дает ряд преимуществ: увеличивается скорость реакции, экономится энергия на последующее сжатие газа, уменьшаются размеры аппаратов и т. д. В связи с этим экономически целесообразен процесс конверсии при повышенных давлениях. Большинство аммиачных агрегатов работают в условиях строгих ограничений давления, поэтому этот параметр вряд ли может свободно использоваться.

Температура

В хорошо спроектированном агрегате при использовании высокоактивного катализатора НТК операторы могут поддерживать температуру на входе в слой катализатора на минимальном уровне. Это обеспечивает наиболее благоприятную равновесную концентрацию оксида углерода. Тем не менее, для предотвращения конденсации на катализаторе влаги, обычно принято работать на границе примерно на 10-15^оС выше точки росы. Для большинства аммиачных агрегатов это условие вынуждает ограничить минимальную температуру на входе до 185-190^оС.

Объемная скорость

Улучшенные характеристики современных катализаторов НТК позволяют уменьшить объем загружаемого катализатора и за счет этого увеличить объемную скорость.

Концентрация оксида углерода на входе в реактор НТК

Любые сбои в работе реактора среднетемпературной конверсии, приводящие к увеличению проскока оксида углерода, станут причиной увеличения температуры в реакторе НТК вследствие экзотермической конверсии дополнительного количества оксида углерода, что неблагоприятно скажется на равновесную концентрацию оксида углерода.

Соотношение пар/газ

Любые технологические изменения, связанные со снижением соотношения пар/газ, в целом благоприятно отражаются на работе реактора вследствие снижения энергетических затрат и перепада давлений. Однако подобные изменения приводят к увеличению содержания оксида углерода на выходе из реактора среднетемпературной конверсии, что повлечет за собой повышение температуры в реакторе НТК и обеспечит менее благоприятную равновесную концентрацию оксида углерода.

Состав исходной парогазовой смеси

Присутствующие в исходной парогазовой смеси катализаторные яды в существенной степени снижают активность катализатора, поэтому исходная смесь должна быть подвергнута предварительно тщательной очистке.

Типичными ядами для катализатора низкотемпературной конверсии оксида углерода являются соединения серы и хлора, которые вводятся с природным газом и/или технологическим воздухом.

 

. В вертикальный адсорбер диаметром 3 м со стальной трубой диаметром 0,35 м поступает 170 м³/мин парогазовой смеси, содержащей C₀ = 0,02 кг/м³ паров этилового спирта. Концентрация этилового спирта в отходящем газе С₁ = 0,0002 кг/м³; высота слоя активного угля в адсорбере Н = 1,5 м; насыпная плотность угля р_нас = 500 кг/м³; продолжительность одного периода поглощения 4 ч 37 мин. Определить количество теплоты, выделяющейся в адсорбере за первый период

Активность катализатора

Для поддержания оптимальной активности в начале желательно установить в конверторе минимально возможную температуру 200—210°С и постепенно повышать ее, ориентируясь по остаточной концентрации оксида углерода, в крупных агрегатах производства аммиака она длительное время составляет 0,1—0,2%. Увеличивать температуру целесообразно при содержании оксида углерода 0,3%. Не допускается подъем температуры в процессе эксплуатации даже кратковременный до 300 °С и выше, так как это ведет к снижению активности катализатора.

Влияние размера таблетки катализатора

Реакция конверсии при температурах 200-220^оС протекает в диффузионной области и, следовательно, активность катализатора связана с площадью его поверхности. Площадь поверхности данного типа катализатора зависит от размера тел катализатора – чем меньше их размер, тем больше площадь поверхности, и, соответственно, активность. Чем меньше размер таблетки катализатора, тем выше константа скорости. Для таблеток катализатора размером 3.1 х 3.1 мм константа скорости на 20-30% выше, чем для таблеток размером 5.2 х 3.0.

. В вертикальный адсорбер диаметром 3 м со стальной трубой диаметром 0,35 м поступает 170 м³/мин парогазовой смеси, содержащей C₀ = 0,02 кг/м³ паров этилового спирта

Чем меньше размер таблетки катализатора, тем лучше его способность удерживать хлор и, следовательно, самозащитные свойства, так как наблюдаемая скорость поглощения хлора определяется скоростью диффузии в порах (т.е. реакция протекает в диффузионной области). Так, при одинаковом количестве поглощения хлора большая степень конверсии оксида углерода сохраняется для тех таблеток, размер которых меньше. Для таблеток катализатора размером 3.1 х 3.1 мм емкость по хлору будет на 25% больше, чем для таблеток размером 5.2 х 3.0.