Дипломдыќ жоба мыс өндірісінде күкірт қышқылын автоматтандыру

21 

 

1.3

 

SO

2 

каталитикалық  тотығу  процесінің  физика-химиялық 

негіздері 

    Контактілік әдісімен күкірт қышқылын өндіруде  SO

2 

тотығуы төмендегі 

реакция бойынша катализатор қатысуы арқылы жүреді. 

 

SO

2

+1/2 O

2 



 

SO

3

+Q 

 

Ол  үшін  газ  тұрақты  күйдегі  катализатормен  әсерлеседі.  Ванадий 

катализаторының  каталитикалық  белсенділігі  жоғары.  Ол  катализатор  калий 

немесе  натрий  пиросульфатты  V

2

O

5

  ванадий  бестотығының  қоспасы  - 

белсенді зат қойылған ұсақ саңылаулы қатты жинақтағыш.  

 

Тотығу реакциясының механизмі катализатор жұмысы кезінде белсенді 

сыңар  жинақтағыштың  беті  бойынша  біркелкі  таралып,  ерігіш  күйде  

болатынын көрсетеді. Сонымен қатар, ол сорғыш катализатор ретінде жұмыс 

істеп,  SO

2

-нің

 

SO

3

-ке  тотығу  процесінде  белсенді  сыңардың  ішкі  қабатында 

жүреді.  Процестің  сұлбасы  келесідей  қалыптастырылуы  мүмкін.  Күкіртті  газ 

газ қоспасында бесвалентті ванадийді төртвалентті етіп қалпына келтіреді, ал, 

газ қоспасындағы оттегі төрттотықты бестотыққа дейін тотықтырады: 

 

2V

5+

+O

2+

+ SO

2 



 2V

4+

+ SO

3

, 

 

1/2 O

2

+2V4

+ 



 2V

5+

+O

2-

. 

 

Бірінші  кезең  жылдам  өтеді,  ал,  екінші  кезең  барлық  процестің 

жылдамдығын  анықтауы  есебінен  жай  жүреді.  SO

2 

тотығу  реакциясы 

экзотермиялық  болады.  400-700

о

С  аралығында  оның  жылу  эффектісі 

жеткілікті дәлдікпен мына формула бойынша есептеліп шығарылуы мүмкін:  

 

Q=24205-221T (ккал/моль) 

мұндағы Т - температура, К. 

 

 

SO

2

-нің

 

SO

3

-ке  тотығу  реакциясы  қайтымды  болады.  Массалардың  

әрекеттесу  заңына  сәйкес,  бұл  реакцияның  тепе-теңдік  тұрақтысы  келесі 

теңдеумен сипатталады. 

 

5

,

0

2

2

3

P

P

Р

K

SO

SO

p



 

мұндағы 

2

2

3

,

,

O

SO

SO

P

P

P

- SO

3

, SO

2

, O

2

 үшін тепе-тең үлестік қысымдар, Па.  

 

 

K

p 

тепе-теңдік тұрақтысының температураға тәуелділігі келесі теңдікпен 

анықталады: 

 

22 

 

2

lg

RT

Q

dT

K

d

p

p





 

мұндағы R - универсал газ тұрақтысы, оның мәні - 8,3 Дж/

о

С моль. 

 

400-700

о

С аралығындағы K

p

 мәні келесі теңдеуден табылады: 

 

81

,

4

81

,

5074

lg





Т

K

p

 

немесе нақтырақ 

 

23

,

2

10

197

,

1

10

012

,

7

10

284

,

2

lg

825

,

2

2

,

4812

lg

3

10

2

7

3

1



























T

T

T

T

T

K

p

 

 

 

Жоғарыдағы  теңдеулерден  температураның  өсуінен  тепе-теңдік 

тұрақтысының  шамасы  кемитінін  көреміз.  Тотыққан  SO

2 

мөлшерінің  оның 

бастапқы  газ  қоспасына  қатынасы  айналу  дәрежесі  немесе  тотығу  дәрежесі 

деп аталады. Нақты жағдайларда (температурада және сыңарларға әсер ететін 

бастапқы  концентрацияларда)  ең  жоғарғы  айналу  дәрежесі  тепе-теңдік 

жағдайларда  алынады  және  айналудың  тепе-тең  дәрежесі  деп  аталады. 

Катализаторда алынатын SO

2 

айналу дәрежесі катализатордың белсенділігіне, 

газ  құрамына,  температураға  және  т.б.  тәуелді  болады.  Осы  құрамдағы  газ 

үшін айналудың тепе-тең дәрежесі келесі теңдеумен өрнектеледі: 

 

2

2

3

SO

SO

SO

p

P

P

Р

Х



 

 

немесе тепе-теңдік тұрақтысының теңдеуін есепке алғанда: 

 

2

1

O

P

P

P

P

K

K

X





 

 

Егер  оттегінің  тепе-тең  үлестік  қысымын  күкірт  қостотығы  және 

оттегінің бастапқы концентрациялары арқылы өрнектесек: 

 

P

P

aX

aX

в

P

PO

5

,

0

100

)

5

,

0

(

2







 

 

Онда X

P

-ді анықтау үшін теңдеу келесі түрге ие болады: 

 

23 

 

)

5

,

0

(

5

,

0

100

P

P

P

P

P

aX

в

P

aX

K

K

X









 

 

мұндағы Р - газдың жалпы қысымы, Па;  

                а және в - бастапқы қоспадағы SO

2

 мен SO

3

-тің сәйкесінше                       

бастапқы концентрациялары, % (көлем). 

 

 

Бұл  теңдеу  бойынша  айналудың  тепе-тең  дәрежесін  анықтау  тізбектік 

жақындатулар  әдісі  арқылы  жүзеге  асырылады.  Теңдеудің  оң  жағына  Х

р

 

күтілетін мәндерін қойып, есептеулерді жүргіземіз. Егер табылған мән алдын-

ала қабылданған мәндерден ерекшеленсе, онда есептеулер қайталанады. 

 

Температураның  төмендеуіне  байланысты  Х

р

  мәні  артады.  Тепе-тең  Х

р 

және  нақты  Х

ф

  айналу  дәрежесінің  температураға  тәуелділігі  1.1  суретте 

көрсетілген. 

 

Практикада  газ  құрамының  Х

р

  мәніне  әсері  газдағы  оттегі  мен  SO

2 

қатынастары  арқылы  көрінеді:  яғни,  ол  жоғары  болған  сайын,  соғұрлым 

айналу  дәрежесі  жоғары.  Өндірістік  жағдайларда  SO

2 

тотығу  жылдамдығы 

маңызды  мәнге  ие.  Бұл  реакцияның  жылдамдығына  уақыт  бірлігінде 

катализатордың  бір  массасына  тотығатын  күкірт  диоксиді  мөлшері  тәуелді 

болады, осыдан катализатор шығыны, контактілік аппаратының мөлшері және 

процестің басқа да техника-экономикалық көрсеткіштері тәуелді болады. 

 

Ванадий катализаторында (қозғалыссыз қабатта)  SO

2

-нің

 

SO

3

-ке  тотығу 

процесінің жылдамдығы келесі теңдеумен өрнектеледі: 

 





























2

2

2

)

1

(

2

,

0

1

1

x

PK

x

x

x

a

kP

d

dx

p





 

)

2

/

(

1

)

2

/

(

ах

ах

в









 

мұндағы х - айналу дәрежесі;  

               



 - контактілік уақыты; с; 

               к - реакцияның жылдамдығының тұрақтысы;  

               а - SO

2 

бастапқы концентрациясы;  

               в - оттегінің бастапқы концентрациясы;  

               Р - жалпы қысым, Па. 

 

 

SO

2 

тотығу  реакциясы  жылдамдығының  температурадан  тәуелділігін 

толық  зерттеу,  оның  әсерінің  қарама-қайшы  екендігін  көрсетті.  Белгілі  бір 

уақытқа  дейін  температураның  өсуіне  байланысты  реакция  жылдамдығы 

артты,  сонан  соң  төмендеді.  Реакция  жылдамдығы  теңдеуінен  алынған  х  

айналу  дәрежесі  төмен  болған  сайын,  SO

2 

тотығу  реакциясының 

жылдамдығының жоғары болатындығын көріп отырмыз. Сол себепті, әрбір х 

24 

 

мәні  үшін  реакция  жылдамдығының  температураға  тәуелділігі  ең  жоғары 

мәнге  ие  болатын  сәйкес  қисықпен  өрнектеледі.  Бұл  ең  жоғарғы  мән 

реакцияның  ең  жоғары  жылдамдығы  алынатын  температураға  сәйкес  келеді. 

Мұндай  қисықтар  тобы  1.3  суретте  көрсетілген.  Әртүрлі  айналу  дәрежелері 

үшін реакцияның ең жоғары жылдамдықтарына сәйкес келетін нүктелер, яғни, 

оптималды  температуралармен  барлық  аралық  айналу  дәрежелері  үшін  

процесті  енгізудің  оптималды  жағдайларын  анықтауға  болатын  АА 

қисығымен  қосылған.  ВВ  және  СЕ  сызықтары  реакция  жылдамдығы  0,8-ден  

кем  болмайтын  шектерінде  температураның  мүмкін  болатын  толқулары  

аймағын  шектейді.  Бұл  аймақ  процесті  жүргізудің  практикалық  зонасы  деп 

аталады.  

 

Дегенмен,  реакция  жылдымдығы  температура  және  айналу  дәрежесіне 

ғана  емес,  сондай-ақ,  газ  қоспасының  құрамына  да  тәуелді.  Сол  себепті  

газдың  түрлі  құрамында  тотығудың  бір  деңгейі  үшін  оптималды 

температуралары әртүрлі.  

Осылайша,  күкіртті  ангидрид  тотығу  процесі  үшін  тұрақты  оптималды 

температура болмайды.  

Тотығу практикасында айналу дәрежесінің өсуі бойынша АА сызығына 

сәйкес,  температураның  төмендеуіне  байланысты  бірнеше  кезеңдер 

жүргізіледі.  

SO

2

-нің  көп  бөлігі  контактілік  аппаратының  бірінші  қабатында 

тотығады.  Бұл  қабатта  ең  жоғарғы  орта  температура  алынады  (1.2  суретке 

қара).  Катализатордың  келесі  қабаттарындағы  газ  қоспасының  әрі  қарай 

тотығуы  SO

2

-нің

 

SO

3

-ке  айналуының  ең  тереңіне  жететіндей  және  өнім  көп 

шығатындай етіп жүргізіледі. 

Көрсетілген  айналуларды  жүзеге  асыру  үшін  катализатордың  қажетті 

көлемін келесі формула бойынша есептейді: 

 



2

cV

V

k



 

 мұндағы V

k 

- катализатор көлемі, м

3

;   

                с - қор коэффициенті; 

                V

2 

- катализатор арқылы өтетін газ көлемі, м

3

/c; 

                          



 - катализатор мен газдың әсерлесуінің шартты уақыты, с.  

 

Әсерлесудің шартты уақыты мына теңдеуден анықтылады: 

 

)

,

(

T

X

d

dx







,    

  

немесе 

 

25 

 





K

n

X

X

T

X

dx

)

,

(





 

мұндағы Х

n

, X

k 

- бастапқы және соңғы айналу дәрежелері; 

     



(X,T) реакция жылдамдығы теңдеуінен анықталады. 

 

 

 

1.1 сурет - Түрлену дәрежесінің температураға тәуелділігі 

 

 

 

                      1.2 сурет - Түрлену дәрежесі мен температураның өзгеруі 

 

0

20

40

60

80

100

120

400

440

480

520

560

600

640

Xp

 

t,C 

Xф 

Xp

t,C 

Хр 

Xф 

Xp

26 

 

 

 

1.3 сурет - Газдың әртүрлі құрамында SO

2 

айналу дәрежесінің оптималды 

температураға тәуелділігі 

 

1.4 Жабдықтар сипаттамасы 

 

1.4.1  Қысымдауыш  құрылмасы  мен  әрекет  принципін  қысқаша   

сипаттау 

ЖМЗ-ға газды жылжыту үшін 64800 м

3

/сағ өнімділікке ие Э-1050-13-4   

типті  қысымдауыштар  орнатылған.  Қысымдауышқа  түсетін  газ  суытылған 

және  коррозия  тудыратын,  сондай-ақ,  қысымдауыш  жұмысын  бұзатын 

қоспалардан тазартылған. 

Э-1050-13-4 типті қысымдауышының техникалық сипаттамасы (газ  

тығыздығы ρ = 1,4 кг/м

3

, кірісіндегі сиретілген қысымы 4,9 кПа): 

а)

 

көлем бойынша өнімділік  

 

 

 

     1680 м

3

/мин;  

б)

 

жалпы қысым  

 

 

 

 

 

     2800 мм.су ст.;  

в)

 

электроқозғалтқыш қуаты  

 

 

 

     630 кВт; 

г)

 

қысымдауыш валдың айналу жиілігі   

 

     2975 айн/мин; 

д)

 

кірістегі газдың температурасы   

 

 

      50

о

С; 

е)

 

өлшемдері: іргетастың ұзындығы 

 

 

     5000 мм; 

ж)

 

іргетастың ені  

 

 

 

 

 

      3000 мм. 

Қысымдауышты электроқозғалтқыш айналдырады.  Ротордың  айналу 

бағыты сағат тіліне қарсы болады. 

 

Қысымдауыштың болат корпусның ішінен подшипниктерге орнатылған 

болат  вал  өтеді.  Оған  жұмыс  дөңгелегі  отырғызылған.  Газ  cорғыш  құбыр 

бойынша  қысымдауыштың  абсорбциялық  камерасына  (кіріс  құбырына) 

келеді, сонан соң жұмыс дөңгелегі қалақшалармен түзілген арналар бойынша 

айналмалы жұмыс дөңлегінің ортасына түсіп сығылады да, газ ағынын жинау 

үшін  және  оны  қысымдауыш  құбырғы  әкелу  үшін  корпусқа  бағыттылады. 

Лабиринттік  нығыздау  есебінен  қысымдауыш  атмосфералық  ылғалды  ауаны 

сормайды және ортаға SO

2

 шығарылмайды. Қысымдауыш корпуспен өткізуші 

380

420

460

500

540

580

620

70

75

80

85

90

95

27 

 

құбыр  арқылы  жалғанған.  Ол  құбыр  арқылы  лабиринттік  нығыздауға  аз 

көлемде газ беріледі. Ол ауаны соруды азайтады. Өткізгіш құбырда монометр 

орнатылған,  оның  көрсеткіштері  бойынша  осы  құбырда  краннның  ашылуы 

реттеледі. 

 

Вал  подшипниктері  арнайы  құбыр  майымен  үнемі  жағылады  және 

салқындатылады.  Ол  май  қысымдауыш  валдан  жеткізілетін  насос  арқылы 

беріледі.  Жағылытын  май  өз  кезегінде  май  жинағышта  орналастырылған 

змиевиктерде айналатын су арқылы суытылады. 

 

Қысымдауыш  беретін  газ  көлемін  реттеу  үшін  сорғыш  және 

қысымдауыш 

құбыр 

өткізгіштерінде 

задвижкалар 

орнатылған. 

Қысымдауышты  қосқанда  абсорбциялық  сызығындығы  задвижка  жабылады 

және толу сызығындағы задвижкалар ашылады. Электродвигателдің қалыпты 

айналу санына жеткен соң қысымдауыш газдың қажетті  көлемін бермейінше 

абсорбциялық линиясындағы задвижка біртіндеп ашылады. Газдың жылжуын 

одан  әрі  реттеу  абсорбциялық  линиясындағы  задвижка  көмегімен  жүзеге 

асырылады.  Берілісті  азайту  үшін  қысымдауыш  линиядағы  газдың  бір  бөлігі 

байпас ашылатын клапаны арқылы абсорбциялық құбырына қайтадан түседі. 

 

Қысымдауыштың  жұмысын  сипаттайтын  негізгі  шамала  -  өнімділік, 

беріліс (Q) және қысымның құлауы (



 Р). 

Q  (



Р)  тәуелділігінің  графикалық  өрнегі  қысымдауыштың  қысымдық 

сипатамасы деп аталады. Тұрақты және белгілі бір жұмыс дөңгелегінің айналу 

санымен  (n)  жұмыс  істейтін  әрбір  нақты  машина  үшін  қысымдық  сипаттама 

зауыттық  сынақтар  негізінде  тәжірибелік  түрде  алынады  және  техникалық 

құжатқа жатқызылады. 

1.5  суретте  келтірілген  диаграмамдан  қысымдауыш  өнімділігінің 

артуымен пайдаланылатын қуаттың артатынын көреміз және алдымен артады, 

сонан  соң 



  пайдалы  әсер  коэффициенті  төмендейді.  Егер  жүйенің  жалпы 

гидравикалық кедергісін төмендетсек, қысымдауыш өнімділігі жоғары болуы 

мүмкін. 

 

 

0

100

200

300

400

500

600

700

Пайдаланылатын куат N, кВт 

3 

28 

 

1.5 сурет - 3 



Р қысымның көтерілуі 

 

 

 

 

 

 

 

           

2 – пайдалы 28екет коэффициенті 

 

 

1.5 сурет – Қысымдауыштың сипаттамасы 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - пайдаланынатын қуат 

 

 

 

 

2.2 сурет - Қысымдауыштың сипаттамасы 

 

1.4.2  Контактілік  аппаратының  құрылмасы  мен  әрекет  принципін 

қысқаша сипаттау 

ЖМЗ-дағы 

SO

2

-нің

 

SO

3

-ке 

тотығуы 

реакциялық 

құрылғыда 

катализаторының  төрт  көлденең  тұрақты  қабаты  бар  және  жылу 

алмастырғыштарында  жылу  бөлінетін  К-39-4  контактілі  аппаратында 

жүргізіледі.  

К-39-4 контактілі аппаратының техникалық сипаттамасы: 

- өнімділік   

 

 

 

 

 

 

305 т/с; 

- SO

2 

концентрациясы   

 

 

 

 

6,5 %; 

- айналу дәрежесі     

 

 

 

 

 

          96 % 

- газ көлемі  

 

 

 

 

 

 

65 мың м

3

;

 

0,9 

0,8 

0,7 

2 

3200 

 

3000 

 

2800 

 

2600 

 

2400 

 

2200 

 

2000 

 

1800 

 

1600 

 

500    600   700   800   900  1000  1100  1200 1300  1400  1500  1600 

1 

29 

 

- өлшемдері (диаметр, биіктік) 

 

 

 

 

6,8 х 18 м. 

Аппараттың  корпусы  тік  цилиндр  тәрізді.  Төменгі  жағы  кеңейтілген 

(контактілік  массасының  төменгі  қабаттарының  гидравликалық  кедергісін 

азайту үшін) болып келеді. Аппараттың ішкі диаметрі 6 м, жалпы биіктігі 18 

м.  Контактілік  массасы  апппарат  қабырғаларына  бекітілген  торларда 

орналасқан. 

Контактілік  массасының  бірінші,  екінші  және  төртінші  қабаттарынан 

кейін газ шығарылған жылуалмастырғыштарды суытады. Жылуалмастырғыш 

болат  құбырлар  жоғарғы  және  төменгі  торлары  бар  тікболат    цилиндрден 

тұрады.  Контактілік  аппаратынан  ыстық  газ  жылу  алмастырғыш  құбырлар 

бойымен  төменгі  жақтан  құбыраралық  кеңістікке  түсетін  (немесе  керісінше) 

суық  газға  қарама-қарсы  бағытта  жоғардан  төменге  қарай  жүреді. 

Катализатордың  ең  соңғы  қабатында  араларына  тік  спираль  ажыратқыш 

орнатылған  екі  көлденең  пластиналардан  тұратын  пластикалық  жылу 

алмастырғыштар  орналасады.  Суық  газ  спираль  арна  бойымен,  реакциялық 

қоспа  пластиналарды  біріктіретін  патрубка  бойымен  жоғарыдан  төменге 

жүреді. 

Контактілік  түйініне  тазартылған  газүрлегіш  арқылы  50-60

о

С 

температурада  беріледі.  Контактілік  аппаратында  SO

2

-нің

 

SO

3

-ке  тотығу  

процесі 

былайша 

жүреді: 

реакциялық 

газдың 

жылуы 

есебінен 

жылуалмастырғышта  контактілік  массасының  жану  температурасына  дейін 

қыздырылған  суық  күкіртті  газ  контактілік  массасының  бірінші  қабатынан 

өтеді, ол жерде жалпы SO

2 

салмағының 70 пайызына дейін тотығады.  

Процесс  реакцияның  ең  жоғарғы  жылдамдығы  сәйкес  келетін 

оптималды  температураға  жеткенше  адиабатикалық  түрде  (жылу  бөлместен) 

жүреді.  Реакция  жылу  бөлу  есебінен  бірінші  қабатағы  температура  580

о

С-ге 

дейін көтеріледі. Әсер бермеген SO

2 

жоғары жылдамдықта әрі қарай тотығуы 

үшін  газ  температурасын  төмендету  керек.  Ол  үшін  жылу  алмастырғышта 

тотығу  процесінің  температурасы  оптималды  температураға  жақын 

болатындай  етіп  жылу  бөлу  керек.  Газ  суытылғаннан  кейін  контактілік  

массасының  екінші  қабатына  келеді.  Ол  жерде  SO

2 

тотығуы  жалғасады.  

Мұнда  температура  қайта  көтеріледі.  Сол  себепті  газды  оптималды 

температураға  дейін  суыту  керек.  Әрбір  келесі  қабат  тотығы  дәрежесі 

жоғарылайды.  Оптималды  температуралық  режимін  ұстау  үшін  жылу 

алмастырғышқа  түсетін  бастапқы  газ  мөлшерін  реттейтін  задвижкалары  бар 

байпас газ өткізгіштер қолданады. 

Ванадий  катализаторындағы  контактілік  аппаратында  SO

2

  тотығу 

процесі катализатордың жану температурасына жеткенде, уақыт бойынша өз 

бетінмен  (автотермиялық),  яғни,  реакцияның  өз  жылуы  есебінен  жүреді.  Ал, 

өндірістік  жағдайларда  реакцияның  экзотермиялылығы  SO

2

-нің  SO

3

-ке 

тотығуының  экзотермиялық  реакциясы  нәтижесінде  бөлінген  жылуалмасу 

арқылы  газды жылыту  үшін  және  қоршаған ортаға  шыққан  жылуды  қайтару 

үшін жеткілікті болған жағдайда алынады. Әрбір контактілік аппараты белгілі 

бір  орнықтылыққа  ие,  яғни,  мәндердің  анықталған  арағында  кіріс 

30 

 

параметрлері  өзгергенде  тұрақты  күйді  сақтау  мүмкіндігі  бар.  Аралық 

жылуалмасу  катализаторының бір жоғарғы  қабатындағы орнықтылық  шарты 

келесі түрге ие:  

 

A

dt

dt

u

k

1

1





 

мұндағы 

u

k

dt

dt

  -  кіріс  температурасы  1

о

С-ге  өзгергендегі  қабаттың 

шығысындағы 

температураның 

қаншалықты 

өзгергенін 

көрсететін 

катализатор қабатының параметрлік сезімталдығы;  

                 А - аралық жылуалмастырғыштың параметрі. 

 

н

k

н

k

t

t

t

t

A

1

1

2

1







. 

 

жүктеу/скачать 2,89 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: