现代化工计算单元5典型化工过程工艺计算教材-课件

*单元5 典型化工过程工艺计算1任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算任务任务3 计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图任务任务4 CO变换炉催化剂用量计算变换炉催化剂用量计算任务任务5 空气性质与典型过程物料、能量衡算空气性质与典型过程物料、能量衡算任务任务6 精馏设计与严格模拟精馏设计与严格模拟单元单元5 典型化工过程工艺计算典型化工过程工艺计算*单元5 典型化工过程工艺计算2知识目标：熟悉硫磺制酸的步骤、原理。技能目标：能用Excel核算硫磺制酸过程中的典型工艺参数和主要消耗指标。一、一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量计算熔硫釜的蒸汽消耗量二、二、根据生产任务计算原料硫磺、空气、水的消耗量根据生产任务计算原料硫磺、空气、水的消耗量三三、计计算算焚焚硫硫过过程程中中空空气气过过剩剩系系数数与与炉炉气气组组成成、炉炉气气温度之间的关系温度之间的关系四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化的实际转化率和平衡转化率率六六、计计算算空空气气过过剩剩系系数数、SO2转转化化率率和和转转化化炉炉一一段段出出口口温度之间的关系温度之间的关系任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算3任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算硫磺制酸工艺过程简介硫磺制酸工艺过程简介图图5-29硫磺制酸生产流程图硫磺制酸生产流程图1-焚硫炉；焚硫炉；2-废热锅炉；废热锅炉；3-省煤省煤-过热器；过热器；4-第二过热器；第二过热器；5-转化转化器；器；6-第一换热器；第一换热器；7-第一吸收塔；第一吸收塔；8-第二吸收塔；第二吸收塔；9，10，14-冷却器；冷却器；11，12，15-酸贮槽；酸贮槽；13-干燥塔；干燥塔；16-鼓风机鼓风机*单元5 典型化工过程工艺计算4任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量例例5-3加加入入熔熔硫硫釜釜中中的的硫硫磺磺温温度度为为常常温温t0,熔熔硫硫采采用用0.5MPa的的饱饱和和蒸蒸汽汽,最最终终将将硫硫磺磺加加热热至至140的的液液态态,假假设设熔熔硫硫釜釜的的热热效效率率 1为为95%,试计算处理试计算处理1000kg硫磺需多少硫磺需多少kg0.5MPa的饱和蒸汽的饱和蒸汽?解：以解：以1000kg硫磺为计算基准，以整个熔硫釜为体系硫磺为计算基准，以整个熔硫釜为体系假设蒸汽消耗量为假设蒸汽消耗量为mkg，则由稳流体系能量平衡方程可得：，则由稳流体系能量平衡方程可得：1m h蒸汽蒸汽+H硫磺硫磺=0由水蒸气查得：由水蒸气查得：h蒸汽蒸汽=2108.5kJ/kg硫磺由常温硫磺由常温(取取t0=25)加热至加热至140液态液态,经历过程如图经历过程如图7-7所示。所示。Q吸热吸热=H硫磺硫磺=H1+H2+H3*单元5 典型化工过程工艺计算5任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量Q吸热吸热=H硫磺硫磺=H1+H2+H3 H2=n hv查有关手册可得：查有关手册可得：cp,s=14.90+29.12 10 3TkJ/(kmol K)hv=1727kJ/kmolcp,l=45.032 16.636 10 3TkJ/(kmol K)n=1000/32=31.25kmol 将上述数据代入将上述数据代入 H1、H2、H3的计算式得：的计算式得：*单元5 典型化工过程工艺计算6任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量Q吸热吸热=H硫磺硫磺=H1+H2+H3 H2=n hv=31.25 1727=5.397 104kJ H硫磺硫磺=Hi=7.321 104+5.397 104+2.528 104=15.246 105kJ蒸汽消耗量蒸汽消耗量m为：为：*单元5 典型化工过程工艺计算7任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算蒸汽消耗量为：蒸汽消耗量为：76.11 10 3 1.8397 104=1.4002 103kg/h一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量对于实际生产过程中熔硫釜蒸汽消耗量对于实际生产过程中熔硫釜蒸汽消耗量,可根据硫酸产量、可根据硫酸产量、硫磺纯度、硫磺纯度、SO2的转化率、的转化率、SO3的吸收率等数据进行计算。的吸收率等数据进行计算。如：年产如：年产400kt纯硫酸装置，若硫磺纯度、纯硫酸装置，若硫磺纯度、SO2的转化率、的转化率、SO3的吸收率分别为的吸收率分别为0.995、0.996、0.995，一年按，一年按300天计，则天计，则该硫酸装置每小时原料硫磺消耗量为：该硫酸装置每小时原料硫磺消耗量为：返回返回*单元5 典型化工过程工艺计算8二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量(3)吸收塔中的反应吸收塔中的反应在整个硫磺制酸过程中在整个硫磺制酸过程中,所涉及的化学反应较少所涉及的化学反应较少,主要反应如下主要反应如下:(1)焚硫炉中的反应焚硫炉中的反应S+O2=SO2(5-7)(2)转化器中的反应转化器中的反应SO3+H2O=H2SO4将上述三个反应合成一个总反应将上述三个反应合成一个总反应:任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算9二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量解：以解：以1000kg纯硫酸为计算基准纯硫酸为计算基准由硫平衡可得所需硫磺的物质的量数由硫平衡可得所需硫磺的物质的量数(ns)为：为：ns=1000/98=10.204kmol折合为硫磺质量数折合为硫磺质量数(ms)为：为：ms=MS ns=32 10.204=326.53kg由由式式(5-10)得得所所需需的的纯纯水水的的物物质质的的量量数数与与硫硫磺磺的的物物质质的的量量数数相相同同，故所需的水的质量数故所需的水的质量数(m水水)为：为：m水水=M水水 ns=18 10.204=183.67kg由式由式(5-10)得所需理论耗氧量为硫磺物质的量的得所需理论耗氧量为硫磺物质的量的1.5倍倍,即：即：n氧氧=1.5ns=1.5 10.204=15.306kmol折合成纯空气理论量折合成纯空气理论量(nair)为：为：nair=n氧氧/0.21=15.306/0.21=72.866kmol例例5-4试计算年产试计算年产400千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水的千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水的理论消耗量。理论消耗量。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算10二、二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量解：以解：以1000kg纯硫酸为计算基准纯硫酸为计算基准通常气体的数量采用标准立方米表示，故：通常气体的数量采用标准立方米表示，故：Vair=22.4nair=22.4 72.866=1632.65m3(标准状态标准状态)对对于于一一个个年年产产400千千吨吨纯纯硫硫酸酸的的工工厂厂,以以上上各各原原料料理理论论消消耗耗量量只只需需乘系数乘系数4 105，即：，即：硫磺用量：硫磺用量：326.53 4 105 10 6=130.6千吨千吨空气用量：空气用量：1632.65 4 105=6.531 108m3(标准状态标准状态)纯水用量：纯水用量：183.67 4 105 10 6=73.47千吨千吨对对于于以以上上各各原原料料的的实实际际消消耗耗量量,不不同同的的生生产产厂厂家家由由于于具具体体的的生生产产工工艺艺和和生生产产过过程程有有所所不不同同，会会存存在在一一定定的的差差别别，需需具具体体对对待待。如空气过剩量的不同，实际空气的消耗量也就不同。如空气过剩量的不同，实际空气的消耗量也就不同。例例5-4试计算年产试计算年产400千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水的理论消耗量。的理论消耗量。返回返回任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算11三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以以1mol纯硫磺为计算基准，则：纯硫磺为计算基准，则：理论用理论用O2量：量：n氧氧,理理=ns=1mol实际用实际用O2量：量：n氧氧,实实=ns=mol实际带入实际带入N2量：量：n氮氮,实实=(0.79/0.21)=3.762 mol反应后炉气中各组分的量列于表反应后炉气中各组分的量列于表7-1。在实际生产过程中在实际生产过程中,为了充分利用原料硫磺为了充分利用原料硫磺,都采用空气过剩的都采用空气过剩的生产方法生产方法,即硫磺为限制反应物即硫磺为限制反应物,空气为过量反应物。空气为过量反应物。空气过量的程度通常用空气过剩系数空气过量的程度通常用空气过剩系数()表示，其值为实际空表示，其值为实际空气用量与理论空气用量的比值。气用量与理论空气用量的比值。(1)空气过剩系数与炉气组成的关系空气过剩系数与炉气组成的关系炉气组份炉气组份O2N2SO2合计合计各组份各组份mol数数 13.762 14.762 mol%(1)/(4.762)3.762/(4.762)=79.001/(4.762)100.00任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算12三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系(1)空气过剩系数与炉气组成的关系空气过剩系数与炉气组成的关系air过剩系数过剩系数11.21.41.61.822.12.22.32.4N2(mol)3.7624.5145.2676.0196.7717.5247.9008.2768.6529.029O2(mol)00.20.40.60.811.11.21.31.4SO2(mol)1111111111mol合计合计4.7625.7146.6677.6198.5719.52410.00010.47610.95211.429N2(mol%)79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%O2(mol%)0.00%3.50%6.00%7.88%9.33%10.50%11.00%11.45%11.87%12.25%SO2(mol%)21.00%17.50%15.00%13.13%11.67%10.50%10.00%9.55%9.13%8.75%mol%合计合计100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算13三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系(1)空气过剩系数与炉气组成的关系空气过剩系数与炉气组成的关系 将上述数据中将上述数据中SO2的的mol%浓度与浓度与O2的的mol%浓度之间的关系浓度之间的关系可通过可通过Excel绘成如图绘成如图7-9所示的关系线。所示的关系线。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算14三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系(2)空气过剩系数与炉气温度之间的关系空气过剩系数与炉气温度之间的关系 为便于计算，设计如下图所示的计算途径。为便于计算，设计如下图所示的计算途径。若反应系统绝热良好，不考虑热损失，则：若反应系统绝热良好，不考虑热损失，则：H=H1+H2+HR+H3=0若考虑热损失，则：若考虑热损失，则：H=H1+H2+HR+H3=Q损损或或 H=H1+H2+HR+H3=0任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算15三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例计算空气过剩系数以绝热反应为例计算空气过剩系数 与炉气温度与炉气温度Tg之间的关系。之间的关系。H1的计算的计算此此过程的程的计算算刚好是好是图5-30所示的相反所示的相反过程程,由例由例5-3知知,H1=15.246 105kJ/1000kg硫磺硫磺=4.879 103J/mol硫磺硫磺 H2的计算的计算两部分构成两部分构成,molO2、3.762 molN2,都由都由Ta=373.15K降到降到298.15K时放出的热量。查得时放出的热量。查得O2、N2的的cp=f(T)数据如下：数据如下：O2：cp=29.96+4.184 10 3T 1.674 105T 2J/(mol K)N2：cp=27.87+4.268 10 3TJ/(mol K)=1.0507 104 J/mol硫磺硫磺任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算16三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例以绝热反应为例 H2的计算的计算也可将也可将 H2整理成含入炉空气温度整理成含入炉空气温度Ta、空气过剩系数、空气过剩系数 的函数式的函数式:H2=(41652.95-134.80Ta-1.012 10 2Ta2-1.6740 105Ta 1)J/molS HR0的计算的计算查得查得SO2(g),S(单斜单斜)标准生成焓分别为标准生成焓分别为:296.830kJ/mol、0.2971kJ/mol HR0=296.830 0.2971=297.1271kJ/mol硫磺硫磺 H3的计算的计算由三部分构成由三部分构成,分分别是是(1)molO2、3.762 molN2、1molSO2都由都由T0=298.15K升温到升温到Tg时吸收的热量。时吸收的热量。查得查得SO2的的cp=f(T)数据如下：数据如下：SO2：cp=43.43+1.063 10 2T 5.941 105T 2J/(mol K)任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算17三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例以绝热反应为例 H3的计算的计算经整理后得：经整理后得：H3=(134.80Tg+1.012 10 2Tg2+1.674 105Tg 1)41652.95 +13.47Tg+3.223 10 3Tg2+4.267 105Tg 1 5.7337 103J/mol硫磺硫磺任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算18三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应以绝热反应(=100%)为例为例 将上述各项计算结果代入将上述各项计算结果代入 H=H1+H2+HR+H3=0,经整经整理后得含有理后得含有Tg的一元三次非线性方程的一元三次非线性方程:A1Tg3+A2Tg2+A3Tg+A4=0A1=1.012 10 2+3.223 10 3A2=134.80+13.47A3=-1.0612 104-297127.1 -(134.80Ta+1.012 10-2Ta2+1.6740 105Ta-1)A4=1.6740 105+4.267 105将将Ta=373.15K、焚硫过程绝热条件下不同的、焚硫过程绝热条件下不同的 值代入上式，计算值代入上式，计算所得结果列于表所得结果列于表7-3中。中。空气过剩系数空气过剩系数 11.21.41.61.822.22.4炉气出口温度炉气出口温度Tg(K)2048.2 1821.0 1647.9 1511.8 1401.9 1311.3 1235.4 1170.8炉气出口温度炉气出口温度tg()1774.8 1547.5 1374.5 1238.4 1128.5 1038.0962.1897.5*单元5 典型化工过程工艺计算19三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例以绝热反应为例利用利用Excel将表将表5-4中数据之间关系绘制成曲线中数据之间关系绘制成曲线,如图如图5-34所示。所示。图图5-34的曲线由的曲线由Excel回归可得回归可得:tg=165.33 3+1158.7 2 3051.2+3829.1任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算20三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系取取热热损损失失为为反反应应热热的的1%(=99%)时时，空空气气过过剩剩系系数数与与炉炉气气出出口温度的关系如表口温度的关系如表7-4所示。所示。由由Excel回归可得：回归可得：tg=164.17 3+1150.4 2 3028.4+3798.8由表由表5-4、5-5的数据可看出的数据可看出,当热损失取标准反应热的当热损失取标准反应热的1%时时,空空气过剩系数从气过剩系数从12.4之间之间,炉气出口温度平均下降炉气出口温度平均下降10左右。左右。返回返回空气过剩系数空气过剩系数11.21.41.61.822.22.4炉气出口温度炉气出口温度Tg(K)2033.6 1808.1 1636.5 1501.4 1392.5 1302.7 1227.4 1163.4炉气出口温度炉气出口温度tg()1760.1 1534.7 1363.0 1228.0 1119.1 1029.3954.1890.1任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算21四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量例例5-5试计算以硫磺为原料试计算以硫磺为原料,年产年产400kt纯硫酸的生产装置中废热纯硫酸的生产装置中废热锅炉的产汽量。假设锅炉给水压力为锅炉的产汽量。假设锅炉给水压力为3MPa的饱和水的饱和水。取表。取表5-3、5-5中空气过剩系数为中空气过剩系数为2.1、热损失为标准反应热的、热损失为标准反应热的1%的数据为的数据为计算基准。计算基准。解解:以整个废热锅炉为计算体系以整个废热锅炉为计算体系,以以1mol进入焚烧炉的硫磺为计进入焚烧炉的硫磺为计算基准算基准,由能量平衡方程可得由能量平衡方程可得:H水水+H气气=Q损损、H水水=m(hg hl)或或任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算22四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量例例5-4由水蒸气表查得由水蒸气表查得3MPa饱和水、饱和蒸汽的焓饱和水、饱和蒸汽的焓:hl=1008.3kJ/kg、hg=2804kJ/kg H水水=m(hg hl)=m(2804 1008.3)=1795.7mkJ计算炉气温度由计算炉气温度由990.11降至降至420的焓变。若采用将炉气作为的焓变。若采用将炉气作为整体计算的方法，则为了便于计算，可先将炉气中各组分的整体计算的方法，则为了便于计算，可先将炉气中各组分的mol分率、分率、cp,i中的各项系数值列于表中的各项系数值列于表5-6中，利用中，利用Excel计算出炉气计算出炉气的的cp,气气再进行计算。再进行计算。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算23四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量例例5-4=1.959 105J=1.959 102kJ组分组分mol%cp=a0+a1T+a2T-2+a3T2a0a1a2a3N279.00%27.874.268E-0300O211.000%29.964.184E-03-1.674E+050SO210.000%43.431.063E-02-5.941E+050合计合计100.00%29.6564.895E-03-7.782E+040任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算24四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量例例5-4 H气气=1.959 105J=1.959 102kJ当锅炉绝热，即热效率为当锅炉绝热，即热效率为100%时，锅炉产汽量：时，锅炉产汽量：m=1.959 102/1795.7=0.10907kg/mol硫磺硫磺折合成小时产汽量：折合成小时产汽量：mT=0.10907 1.8397 104 103/32=6.271 104kg/h若考虑热损失，如取热效率为若考虑热损失，如取热效率为90%时，则折合成小时产汽量：时，则折合成小时产汽量：m T=6.271 104 90%=5.644 104kg/h返回返回任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算25五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率平衡温距平衡温距:就是指反应器实际出口温度就是指反应器实际出口温度(T)与实际组成所对应的与实际组成所对应的平衡温度平衡温度(T*)之间的差值，对于可逆放热反应，气体实际出口温之间的差值，对于可逆放热反应，气体实际出口温度小于实际组成所对应的平衡温度，所以平衡温距为度小于实际组成所对应的平衡温度，所以平衡温距为:T=T*T(5-11A)若为可逆吸热反应，则平衡温距为若为可逆吸热反应，则平衡温距为:T=T T*(5-11B)通常情况下，为了能保证实际反应设备有一定的反应推动力，通常情况下，为了能保证实际反应设备有一定的反应推动力，从而能保证实际生产过程中有一定的反应速率，一般要求反应器从而能保证实际生产过程中有一定的反应速率，一般要求反应器最终出口处的平衡温距在最终出口处的平衡温距在1015左右，反应器中其余各段催化左右，反应器中其余各段催化剂床层出口的平衡温距在剂床层出口的平衡温距在20左右左右。思考思考:平衡温距大小意味着什么平衡温距大小意味着什么?任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算26五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算反应前气体中反应前气体中SO2摩尔百分比浓度为摩尔百分比浓度为a、O2摩尔百分比浓度为摩尔百分比浓度为b、则则N2为为100-a-b假设开始反应时系统中不存在假设开始反应时系统中不存在SO3各气体的平衡分压为各气体的平衡分压为:任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算27五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算假设开始反应时系统中不存在假设开始反应时系统中不存在SO3或由或由Kp表达式进行推导表达式进行推导,将各分压表达式代入即可得将各分压表达式代入即可得任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算28五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算假设开始反应时系统中不存在假设开始反应时系统中不存在SO3展开以上表达式展开以上表达式:假设开始反应时系统中存在假设开始反应时系统中存在SO3，设其摩尔百分比浓度为，设其摩尔百分比浓度为c任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算29五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算假设开始反应时系统中存在假设开始反应时系统中存在SO3时时SO2平衡转化率的计算函数平衡转化率的计算函数PublicFunctionH2SO4XT(A,B,C,T,p)AsDouble二氧化硫氧化为三氧化硫平衡转化率计算二氧化硫氧化为三氧化硫平衡转化率计算A,B,C分别表示入口气体中二氧化硫分别表示入口气体中二氧化硫,氧气氧气,三氧化硫的摩尔百分率三氧化硫的摩尔百分率DimX0,ESP,KP,A1,A2,A3,A4,p0AsDoubleX0=0.7ESP=0.0001p0=p/0.101325KP=H2SO4KP(T)A1=0.5*A3*(KP2*p0-1)A2=A2*(100-C-(A+B)*KP2*p0)A3=A*(C*(200-0.5*C)+A*KP2*p0*(0.5*A+2*B)A4=100*C2-A2*B*KP2*p0H2SO4XT=Newton3(X0,ESP,A1,A2,A3,A4)EndFunction任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算30五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算平衡常数平衡常数Kp的计算经验公式的计算经验公式展开以上表达式展开以上表达式:lgKp=4812.3/T-2.8245lgT+2.284 10-3T-7.02 10 7T2+1.197 10-10T3+2.23(5-13A)当反应温度在当反应温度在400700时时,可采用简化经验方程式可采用简化经验方程式,如式如式(5-13B)。lgKp=4905.5/T 4.6455(5-13B)例例5-6已知转化炉一段进、出气体的各组分已知转化炉一段进、出气体的各组分mol%如下如下组分组分O2N2SO2SO3合计合计一段进口气体一段进口气体%11.00%79.00%10.00%0100.00%一段出口气体一段出口气体%7.96%81.70%3.52%6.83%100.00%试计算转化炉一段中试计算转化炉一段中SO2的实际转化率？的实际转化率？分析：此类型的计算属于物料衡算分析：此类型的计算属于物料衡算,可假设某一进口气体量可假设某一进口气体量,再由再由联系组分即联系组分即N2的摩尔组成计算出出口气体量的摩尔组成计算出出口气体量,然后由出口气体中然后由出口气体中SO3的含量计算出反应掉的含量计算出反应掉SO2的含量。的含量。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算31五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-6解解:以以100kmol进口气体为基准进口气体为基准则由联系组分即则由联系组分即N2的摩尔组成得一段出口气量为的摩尔组成得一段出口气量为:出口气体中出口气体中SO3量量:因因SO2反应生成等量的反应生成等量的SO3,故反应掉的故反应掉的SO2量也为量也为6.6kmol,则一段催化剂床层中则一段催化剂床层中SO2的转化率为的转化率为:x=6.6/10.00=0.6600=66.00%任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算32五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7以表以表5-3中空气过剩系数为中空气过剩系数为2.1时的数据为例时的数据为例,计算当床层一计算当床层一段进口气体温度为段进口气体温度为420、出口温度不得超过、出口温度不得超过610时时,试计算试计算:(1)该段催化剂中该段催化剂中SO2的转化率和一段出口气体组成的转化率和一段出口气体组成?(2)对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距?分析：此分析：此题中中SO2转化率的化率的计算算实际上属于上属于热量衡算，此量衡算，此转化率化率通常是将反通常是将反应视为在在绝热条件下条件下进行行时对应的最高的最高转化率。化率。解：以解：以1molSO2为计算基准为计算基准(1)计算该段催化剂中计算该段催化剂中SO2的转化率和一段出口气体组成的转化率和一段出口气体组成假设一段转化率为假设一段转化率为x物料衡算物料衡算此过程计算较简单，现将进出口物料量列于表此过程计算较简单，现将进出口物料量列于表5-7中。中。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算33五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7表表5-7反应器一段进出口物料明细表反应器一段进出口物料明细表热量衡算热量衡算(方法一先反应后升温方法一先反应后升温)为便于计算为便于计算,现设计如图现设计如图5-36所示的所示的计算途径。计算途径。组分组分一段入口一段入口一段出口一段出口mol数数mol%mol数数mol%N27.9079.007.907.90/(10.00 0.5x)O21.1011.001.10 0.5x(1.10 0.5x)/(10.00 0.5x)SO21.0010.001.00 x(1.00 x)/(10.00 0.5x)SO300 xx/(10.00 0.5x)合计合计10.00100.0010.00 0.5x100.00思考思考:设计此途径的条件是什么设计此途径的条件是什么?-hR=92.253+2.352 10-2T-43.784 10-6T2+26.884 10-9T3-6.900 10-12T4kJ/mol-hR=101.342-9.25 10 3TkJ/mol(400700)*单元5 典型化工过程工艺计算34五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7热量衡算热量衡算即：即：HR=H1+H2=0）H1的计算的计算-hR=92.253+2.352 10 2 693.15-43.784 10 6 693.152+26.884 10 9 693.153-6.900 10 12 693.154=94.880kJ/mol H1=-94.880 xkJ）H2的计算的计算查得查得N2、O2、SO2的恒压摩尔热容数据的恒压摩尔热容数据,先分别计算先分别计算1molN2、O2、SO2、SO3由由t1=420升温至升温至t2=610的焓变的焓变 h2i，再乘上，再乘上各自的物质的量数相加，由各自的物质的量数相加，由Excel计算之值如表计算之值如表5-8所示。所示。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算35五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7热量衡算热量衡算表表5-8由由Excel计算的计算的N2、O2、SO2、SO3由由t1=420升温至升温至t2=610的焓变的焓变由表由表7-7得得:H2=63434.79+1715.37xJ由由 HR=H1+H2=0得得:-94880 x+63434.79+1715.37x=0解得：解得：x=0.6809T1T2J/molmol数数2列列3列列含含x值值2列列5列列N2焓变焓变5934.437.9046881.970.00O2焓变焓变6266.991.106893.69-0.50-3133.50SO2焓变焓变9659.131.009659.13-1.00-9659.13SO3焓变焓变14508.000.000.001.0014508.0063434.791715.37任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算36五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7热量衡算热量衡算将将x值代入表值代入表5-7计算得一段出口气体组成列于表计算得一段出口气体组成列于表5-9中。中。(2)计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距实际生产过程中实际生产过程中,硫酸转化通常在常压下进行硫酸转化通常在常压下进行,此处取此处取p=1.1atm,此处利用自定义函数此处利用自定义函数H2SO4XT计算。计算。组分组分一段入口一段入口一段出口一段出口mol数数mol%g数数mol数数mol%g数数N27.9079.00221.27.9081.78221.20O21.1011.0035.21.1 0.5x=0.75967.8624.31SO21.0010.00641.00 x=0.31913.3020.42SO3000 x=0.68097.0554.47合计合计10.00100.00320.410 0.5x=9.6596100.00320.40任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算37五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7(2)计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距利用自定义函数利用自定义函数H2SO4XT计算平衡转化率计算平衡转化率 xT=0.7036由表由表5-9一段出口气体一段出口气体SO2、O2、SO3的摩尔分率可计算出对应的摩尔分率可计算出对应的气体分压的气体分压,代入式代入式(5-8)对应的平衡常数计算式得：对应的平衡常数计算式得：由式由式(5-13B)得对应的平衡温度为得对应的平衡温度为:平衡温距为：平衡温距为：T=T*T2=890.91 883.15=7.76K思考思考:此平衡温距是否符合工艺要求此平衡温距是否符合工艺要求?!*单元5 典型化工过程工艺计算38五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7(2)计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距结论结论:T=T*T2=7.76K不符合工艺要求不符合工艺要求,一般要求在一般要求在1015,因因此出口此出口610偏高偏高,重新重新假设假设t2=605,重复表重复表7-7以下内容。以下内容。返回返回实际转化率为实际转化率为0.6623,平衡温距平衡温距19.11,比较合适。比较合适。*单元5 典型化工过程工艺计算39六、六、计算空气过剩系数、计算空气过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口温度之间转化率和转化炉一段出口温度之间的关系的关系(1)物料衡算物料衡算以以1molSO2为计为计算基准，将转化炉一段进出口算基准，将转化炉一段进出口气体中各组分的物质的量列于气体中各组分的物质的量列于如表如表7-10中。中。表表7-10含有含有、x项的一段进出口气项的一段进出口气体中各组分的物质的量明细表体中各组分的物质的量明细表(2)热量衡算热量衡算为便于计算为便于计算,采用与图采用与图7-12相相同的计算途径同的计算途径组分组分入入口口出出口口N23.76 3.76 O2 1 1 0.5xSO211 xSO30 x合计合计4.76 4.76 0.5x若忽略反应过程热损失若忽略反应过程热损失,则则:HR=H1+H2=0若考虑反应过程热损失若考虑反应过程热损失,则则:HR=H1+H2=Q损损或或 H1+H2=0任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算40六、计算六、计算air过剩系数过剩系数,SO2转化率和转化炉一段出口转化率和转化炉一段出口T之间的关系之间的关系(2)热量衡算热量衡算）H1的计算的计算）H2的计算的计算将出口气体的将出口气体的cp,i查出查出,将将ni、cp,i代入上式经积分整理后得代入上式经积分整理后得:H2=13.47(T2 T1)+3.223 10 3(T22 T12)+4.267 105(T2 1 T1 1)+134.80(T2 T1)+1.012 10 2(T22 T12)+1.674 105(T2 1 T1 1)+1.09(T2 T1)+7.609 10 3(T22 T12)+6.272 105(T2 1 T1 1)x由由 H1+H2=0经整理后得经整理后得:(101342-9.25T1)+1.09(T2-T1)-7.609 10-3(T22-T12)-6.272 105(T2-1-T1-1)x=13.47(T2 T1)+3.223 10 3(T22 T12)+4.267 105(T2 1 T1 1)+134.80(T2 T1)+1.012 10 2(T22 T12)+1.674 105(T2 1 T1 1)转化炉一段进出口温度一定情况下转化炉一段进出口温度一定情况下,空气过剩系数与空气过剩系数与SO2转化率之间的关系转化率之间的关系转化炉一段进口温度、转化炉一段进口温度、SO2转化率化率一定情况下一定情况下,空气空气过剩系数与剩系数与一段出口温一段出口温度度之之间的关系的关系 H1=(101342+9.25T1)xJ任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算41六、计算六、计算air过剩系数、过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口转化率和转化炉一段出口T之间关系之间关系转化炉一段进出口转化炉一段进出口T一定一定,Air过剩系数与过剩系数与SO2转化率之间关系转化率之间关系函数函数1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于计算用于计算SO2的转化率。的转化率。函数函数2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于计算空气过剩系数。用于计算空气过剩系数。函数函数3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)计算反应热的利用率。计算反应热的利用率。*单元5 典型化工过程工艺计算42六、计算六、计算air过剩系数、过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口转化率和转化炉一段出口T之间关系之间关系转化炉一段进出口转化炉一段进出口T一定一定,Air过剩系数与过剩系数与SO2转化率之间关系转化率之间关系函数函数1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于计算用于计算SO2的转化率。的转化率。函数函数2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于计算空气过剩系数。用于计算空气过剩系数。函数函数3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)计算反应热的利用率。计算反应热的利用率。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算43六、计算六、计算air过剩系数、过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口转化率和转化炉一段出口T之间关系之间关系转化炉一段进出口转化炉一段进出口T一定一定,Air过剩系数与过剩系数与SO2转化率之间关系转化率之间关系函数函数1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于计算用于计算SO2的转化率。的转化率。函数函数2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于计算空气过剩系数。用于计算空气过剩系数。函数函数3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)计算反应热的利用率。计算反应热的利用率。任务任务2硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算*单元5 典型化工过程工艺计算44六、计算六、计算air过剩系数、过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口转化率和转化炉一段出口T之间关系之间关系转化炉一段进口转化炉一段进口T、SO2转化率化率一定一定,air过剩系数与剩系数与一段出口一段出口T之之间的关系的关系A1 T23+A2 T22+A3 T2+A4=0A1=3.223 10 3+1.012 10 2+7.609 10 3 xA2=13.47+134.80 1.09 xA4=4.267 105+1.674 105+6.272 105 xA3=A1 T12+A2 T1+(101342 9.25T1)x+A4/T1 SO3T2_AT1X(A,T1,X,Ex),计算在不同转化率、热利用率、空计算在不同转化率、热利用率、空气过剩系数情况下的出口温度列于表气过剩系数情况下的出口温度列于表7-12中。中。返回返回空气过剩系数空气过剩系数1.201.401.601.802.002.102.20=96%,x=0.60,T2/K959.27925.89899.91879.12862.12854.74847.96=96%,x=0.70,T2/K1000.82962.59932.75908.84889.25880.72872.90=98%,x=0.60,T2/K964.67930.62904.13882.93865.59858.05851.14=98%,x=0.70,T2/K1007.02968.05937.63913.24893.26884.56876.59=100%,x=0.60,T2/K970.06935.36908.35886.73869.05861.37854.32=100%,x=0.70,T2/K1013.22973.50942.50917.64897.26888.40880.27*单元5 典型化工过程工艺计算45任务任务3计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图知识目标：熟悉合成氨厂CO变换反应原理，掌握t-x图的构成。技能目标：能用Excel计算CO变换率和气体温度，计算绝热反应操作线方程、平衡线方程和最佳反应温度线方程。能用Excel绘制CO变换反应的t-x图。一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介二、二、确定变换炉一段出口温度和一段变换率确定变换炉一段出口温度和一段变换率三三、计计算算计计算算绝绝热热反反应应操操作作线线方方程程、平平衡衡线线方方程程和和最最佳反应温度线方程佳反应温度线方程四、四、采用采用Excel绘制绘制CO变换炉一段变换炉一段t-x图图返回返回*单元5 典型化工过程工艺计算46任务任务3计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介(1)合成氨生产总体步骤合成氨生产总体步骤:原料气制造原料气制造原料气净化原料气净化压缩压缩,合成合成(2)典型流程典型流程以固体煤为原料的中以固体煤为原料的中小型合成厂流程小型合成厂流程*单元5 典型化工过程工艺计算47任务任务3计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介(1)合成氨生产总体步骤合成氨生产总体步骤:原料气制造原料气制造原料气净化原料气净化压缩压缩,合成合成(2)典型流程典型流程以天然气、轻烃为原以天然气、轻烃为原料的大型合成厂流程料的大型合成厂流程*单元5 典型化工过程工艺计算48任务任务3计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介(2)典型流程典型流程以重油为原料的合成厂流程以重油为原料的合成厂流程*单元5 典型化工过程工艺计算49任务任务3计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介(3)CO变换原理变换原理CO变换反应变换反应:CO+H2O(g)CO2+H2 h298=41.19kJ/mol特点特点:可逆可逆,放热放热,等容等容,需需Cat由于由于Cat具有优良的选择性具有优良的选择性,其它副反应可忽略不计其它副反应可忽略不计!反应热和平衡常数随反应温度的升高都减少反应热和平衡常数随反应温度的升高都减少,故低温有利于反故低温有利于反应平衡向正方向移动应平衡向正方向移动!实际变换率实际变换率(x):反应掉的反应掉的CO量与反应前的量与反应前的CO量量(a=mol)的比的比值值,此值的大小说明了反应的程度。此值的大小说明了反应的程度。x=(a-b)/a实际生产中是根据变换前后干气中实际生产中是根据变换前后干气中CO的体积分率的体积分率(mol分率分率)进行计算进行计算*单元5 典型化工过程工艺计算50一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介(3)CO变换原理变换原理实际变换率实际变换率x,采用干基为计算基准时采用干基为计算基准时当原料气中不含当原料气中不含O2时时 CO+H2O(g)CO2+H2惰性气体惰性气体 干总干总湿总湿总反应前反应前yabycyd1-ya-yc-yd11+b反应后反应后ya-yaxb-yaxyc+yaxyd+yax1-ya-yc-yd1+yax1+b当原料气中含当原料气中含O2时时CO+H2O(g)CO2+H2O2干总干总湿总湿总反应前反应前yabycydyO211+b反应后反应后ya-yaxb-yax+2yO2yc+yaxyd+yax-2yO201+yax-3yO21+b*单元5 典型化工过程工艺计算51任务任务3计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介(3)CO变换原理变换原理实际变换率实际变换率(x)计算举例计算举例:已知干半水煤气流量为已知干半水煤气流量为2000kmol/h,其其mol%组成如下表组成如下表:成份成份COH2CO2N2 变换前变换前26401321100变换后干变换气中变换后干变换气中CO为为2.10%,求变换率及干变换气量和组成求变换率及干变换气量和组成?解解:n变变=n半半(1+x yco)=2000(1+0.9003 0.26)=2468.2kmol/hy H2=(yH2+x yco)/(1+x yco)=(0.40+0.9003 0.26)/(1+0.9003 0.26)=0.5138y CO2=(yCO2+x yco)/(1+x yco)=(0.13+0.9003 0.26)/(1+0.9003 0.26)=0.2950y N2=yN2/(1+x yco)=0.21/(1+0.9003 0.26)=0.1702检验检验:y CO2+y H2+y CO2+y N2=0.021+0.5138+0.2950+0.1702=1*单元5 典型化工过程工艺计算52一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介思考思考:实际变换率最大能否达到实际变换率最大能否达到100%?受什么限制受什么限制?不能达不能达100%,受反应平衡限制受反应平衡限制,最大变换率等于反应条件下的平最大变换率等于反应条件下的平衡变换率衡变换率!平衡变换率平衡变换率:平衡时反应掉的平衡时反应掉的CO量与反应前量与反应前CO量的比值量的比值x*原料气中不存在原料气中不存在O2时时CO+H2O CO2+H2其它其它干干 湿湿 开始开始yaybycyd1 ya yb yc yd1 yb1平衡平衡ya x*yayb x*yayc+x*yayd+x*ya1 ya yb yc yd1+x*ya yb1展开上式得展开上式得:(Kp 1)ya2(x*)2 Kp(ya+yb)+(yc+yd)yax*+(Kpyayb ycyd)=0任务任务3计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图*单元5 典型化工过程工艺计算53一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介平衡变换率平衡变换率(x*)原料气中不存在原料气中不存在O2时时展开上式得展开上式得:(Kp 1)ya2(x*)2 Kp(ya+yb)+(yc+yd)yax*+(Kpyayb ycyd)=0令令:W=(Kp 1),U=Kp(ya+yb)+(yc+yd),V=Kpyayb ycy