Trong điều kiện sản xuất, áp suất làm việc và nồng độ ban đầu của HH khí đã được quy định trước và xem như không đổi. Như vậy, khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng từ khi tăng đến lúc bằng không phải qua giá trị cực đại. Kết luận này có ý nghĩa quan trọng khi chọn chế độ nhiệt độ làm việc của tháp chuyển hóa SO2.
2.5.3.2.1.Nhiệt độ thích hợp
Nhiệt độ thích hợp - ứng với mỗi mức chuyển hóa xác định là nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng đạt giá trị cực đại. Nhưng nhiệt độ thích hợp lại thay đổi trong quá trình oxy hóa SO2. Vì vậy, trong thực tế chỉ có thể tiến hành phản ứng oxy hóa SO2 ở nhiệt độ dao động xung quanh đường nhiệt độ thích hợp. Muốn thế, người ta chia quá trình oxy hóa SO2 thành nhiều đoạn (lớp), sau mỗi đoạn có làm nguội HH khí (gián tiếp hoặc trực tiếp).
Do quá trình oxy hóa SO2 trong từng lớp xúc tác là quá trình đoạn nhiệt nên mức chuyển hóa càng lớn thì nhiệt độ sau lớp xúc tác càng cao, đến một lúc nào đó hệ sẽ đạt trạng thái cân bằng và tốc độ phản ứng bằng không. Vì vậy, trước khi phản ứng đạt mức chuyển hóa cân bằng, người ta tiến hành làm nguội HH khí để quá trình tiếp theo làm việc ở nhiệt độ gần với nhiệt độ thích hợp hơn.
Khi làm nguội HH khí trong TB làm nguội trung gian, nhiệt độ HH khí giảm nhưng mức chuyển hóa không đổi – tương ứng với đoạn nằm ngang trên đồ thị “T – x”.
Sau đó HH khí lại được đưa vào lớp xúc tác thứ hai. Qua lớp xúc tác này, mức chuyển hóa và nhiệt độ HH khí tăng, lại được đưa sang làm nguội… quá trình cứ tiếp diễn cho đến khi đạt mức chuyển hóa cần thiết.
2.5.3.2.2. Mức chuyển hóa
Trong quá trình oxy hóa SO2, khi tăng mức oxy hóa (còn gọi là mức chuyển hóa hoặc mức tiếp xúc) sẽ:
− Giảm được hàm lượng SO2 trong khí thải.
− Tăng được mức sử dụng lưu huỳnh do đó giảm giá thành sản phẩm. Nhưng để đạt được mức chuyển hóa cao phải kết thúc quá trình oxy hóa SO2 ở nhệt độ thấp, mà tại những điều kiện gần với cân bằng, hằng số tốc độ phản ứng giảm rất nhanh, do đó tốc độ phản ứng rất nhỏ. Mức chuyển hóa càng cao thì thời gian tiếp xúc cần thiết càng lớn, tức lượng xúc tác cần dùng (cho 1 tấn axit sản phẩm) càng nhiều.
Theo tính toán, khi tăng mức chuyển hóa, đầu tiên giá thành axit sunfuric giảm và đạt giá trị cực tiểu tại x = 0,98 và sau đó lại tăng. Như vậy, về mặt giá thành sản phẩm thì mức chuyển hóa cuối cùng bằng 0,98 là thích hợp nhất, nhưng về mặt vệ sinh công nghiệp thì không đảm bảo do trong khí thải còn chứa nhiều SO2.
Có thể giải quyết mâu thuẫn này bằng 2 cách: hoặc dùng dung dịch hấp thụ hết lượng SO2 còn lại trong HH khí trước khi thải ra ngoài trời (đồng thời thu được sản phẩm phụ là muối sunfit), hoặc dùng phương pháp tiếp xúc kép để đạt mức chuyển hóa cao khoảng 0,995.
2.5.3.2.3. Nồng độ thích hợp
Nồng độ SO2 có ảnh hưởng đến rất nhiều chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật như năng suất các TB (tháp sấy, quạt khí, tháp chuyển hóa, hấp thụ, truyền nhiệt…), tiêu hao điện năng, chất xúc tác, chế độ nhiệt…
Ở đây chỉ xét ảnh hưởng của nồng độ SO2 đến một số chỉ tiêu của tháp chuyển hóa.
Trong quá trình làm việc, trở lực của các lớp xúc tác tăng dần, nhất là ở lớp đầu. Vì vậy, định kỳ (2 – 3 năm một lần) phải thay xúc tác.
Việc thay xúc tác không chỉ do tăng trở lực mà chủ yếu do giảm hoạt tính xúc tác trong quá trình sử dụng. Khi thay xúc tác, thường để xúc tác cũ (đã sàng bỏ các hạt rạn vỡ) vào các lớp giữa, còn lớp đầu và lớp cuối phải
chất xúc tác mới để giữ nhiệt độ hoạt tính lớp đầu thấp và mức chuyển hóa lớp cuối cao.
Khi năng suất và đường kính tháp chuyển hóa không đổi, nếu tăng nồng độ SO2 thì lượng xúc tác cần dùng sẽ tăng nhanh, do đó tăng chiều cao lớp xúc tác, dẫn đến việc tăng trở lực. Mặt khác, nếu giảm nồng độ SO2 thì thể tích hỗ hợp khí sẽ tăng, do đó tốc độ khí đi trong tháp tăng. Điều này cũng dẫn đến việc tăng trở lực của lớp xúc tác.
Tóm lại, khi tăng nồng độ SO2 thì thể tích HH khí giảm và như vậy cũng làm tăng năng suất của các TB chính khác trong nhà máy và giảm điện năng tiêu thụ để vận chuyển khí…
2.5.3.3.Một số chỉ tiêu quan trọng đánh giá hoạt tính của xúc tác
Bảng 2.2. Nồng độ thích hợp của các nguồn nguyên liệu có chứa lưu huỳnh
Nguồn nguyên liệu ban đầu SO2 100% S FeS2 H2S Pyrit lẫn than
Nồng độ thích hợp % 14 8.5 7 6.3 4.9
2.5.3.3.1. Nhiệt độ đượm cháy
Là nhiệt độ mà hoạt tính của chất xúc tác được phát huy, chất xúc tác được nóng lên rất mạnh. Nếu nhiệt độ đượm cháy thấp tạo ra khả năng để tháp tiếp xúc làm việc được với khí có nồng độ cao.
Nhiệt độ đượm cháy phụ thuộc vào chất xúc tác và nồng độ SO2 trong HH khí. Nồng độ O2 càng cao, nhiệt độ đượm cháy càng thấp và ngược lại.
2.5.3.3.2. Nhiệt độ tắt
Là nhiệt độ tối thiểu của khí vào lớp xúc tác để duy trì được chế độ làm việc.
Nhiệt độ tắt nhỏ hơn nhiệt độ đượm cháy do phản ứng oxy hóa SO2
thành SO3 tỏa nhiệt mạnh nên nhiệt độ trên bề mặt xúc tác có thể cao hơn nhiệt độ khí.
Trong sản xuất nhiệt độ tắt là nhiệt độ tối thiểu của khí và nhiệt độ đượm cháy là nhiệt độ trên mặt xúc tác.
Theo thời gian làm việc, trở lực của lớp xúc tác tăng dần nhất là các lớp đầu và hoạt tính xúc tác vanadi oxit giảm dần, sau 3 – 5 năm phải thay một phần hoặc toàn bộ xúc tác, nếu tinh chế tốt và chế độ làm việc trong máy ổn định thì sau 10 – 15 năm mới thay hoàn toàn.
Khi thay thế, trước khi lấy xúc tác ra, phải thổi khí bằng KKK nóng hơn 4000C, sau khi hết SO3 hạ dần nhiệt độ xuống 30 – 500C rồi mở tháp tiếp xúc ra để lấy xúc tác. Và khi thay xúc tác thường lấy xúc tác cũ thay vào lớp giữa, còn lớp đầu và lớp cuối thì thay mới để giữ nhiệt độ hoạt tính lớp đầu thấp và mức chuyển hóa lớp cuối cao.
2.5.3.3.3.Các yếu tố ảnh hưởng khác
Nồng độ SO2:
Khi tăng nồng độ SO2 lượng xúc tác cần dùng tăng do đó tăng chiều cao lớp xúc tác dẫn đến tăng trở lực. Khi giảm nồng độ SO2 thể tích HH tăng nên tốc độ khí trong tháp tăng làm tăng trở lực cho nên cần sử dụng SO2 với nồng độ thích hợp. Nồng độ SO2 thích hợp thu được trong HH khí khi đốt các loại nguyên liệu khác nhau.
Nhưng trong thực tế thường dùng SO2 ở nồng độ cao hơn nồng độ thích hợp (vì khi nồng độ SO2 tăng lên từ 6,5 – 9% thì năng suất tháp tiếp xúc chỉ thay đổi 5%).
Đường kính xúc tác:
Trong quá trình sản xuất, quá trình chuyển chất từ dòng khí đến bề mặt ngoài xúc tác (quá trình khuếch tán ngoài) thường không ảnh hưởng đến tốc độ oxy hóa. Giai đoạn chậm nhất là quá trình khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ bề mặt ngoài của hạt xúc tác đến bề mặt trong của nó (các mao quản). Vì vậy, bề mặt bên trong của các hạt xúc tác không được sử dụng hoàn toàn, nhất là các lớp đầu.
Hạt xúc tác càng nhỏ thì mức sử dụng bề mặt bên trong của nó càng lớn – lượng xúc tác càng ít, nhưng trở lực lớp tiếp xúc càng tăng cho nên tiêu hao năng lượng vận chuyển càng tăng do đó cần chọn đường kính thích hợp cho
xúc tác để bảo đảm cho quá trình oxy hóa SO2 xảy ra trong miền trung gian giữa vùng động học và khuếch tán.
Nhưng nói chung đường kính thích hợp của lớp xúc tác ở lớp sau thường nhỏ hơn lớp đầu.