现代化工计算单元典型化工过程工艺计算教材PPT课件

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1、2:411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、 计算熔硫釜的蒸汽消耗量二、 根据生产任务计算原料硫磺、空气、水的消耗量三、 计算焚硫过程中空气过剩系数与炉气组成、炉气温度之间的关系四、 计算废热锅炉的产汽量五、 计算SO2的实际转化率和平衡转化率六、 计算空气过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口温度之间的关系任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第1页/共80页2:412任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算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

2、-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 第2页/共80页2:413任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量 例5-3 加入熔硫釜中的硫磺温度为常温t0,熔硫采用0.5MPa的饱和蒸汽,最终将硫磺加热至140的液态,假设熔硫釜的热 效 率 1为 9 5 % , 试 计 算 处 理 1 0 0 0 k g 硫 磺 需 多 少kg0.5MPa的饱和蒸汽?

3、解：以1000kg硫磺为计算基准，以整个熔硫釜为体系 假设蒸汽消耗量为mkg，则由稳流体系能量平衡方程可得： 1m h蒸汽+ H硫磺=0 由水蒸气查得： h蒸汽= 2108.5 kJ/kg 硫磺由常温(取t0=25)加热至140液态,经历过程如图7-7所示。 Q吸热吸热= H硫磺硫磺= H1+ H2+ H3 第3页/共80页2:414任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量 Q吸热吸热= H硫磺硫磺= H1+ H2+ H3 101,sdTpTHncT H2=n hv 213,ldTpTHncT查有关手册可得：查有关手册可得：cp, s=14.90+29.12 10 3T k

4、J/(kmol K) hv=1727kJ/kmolcp, l=45.032 16.636 10 3T kJ/(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： 第4页/共80页2:415任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量 Q吸热吸热= H硫磺硫磺= H1+ H2+ H3 10392.05341,s298.15d31.25(14.9029.12 10)d7.321 10 kJTpTHncTTT H2=n hv=31.25 1727=5.397 104 kJ 21413.15343,l392.

5、05d31.25(45.032 16.636 10)d2.528 10 kJTpTHncTTT H硫磺硫磺= Hi=7.321 104+5.397 104+2.528 104=15.246 105 kJ 蒸汽消耗量蒸汽消耗量m为：为： 4115.246 1076.11 kg2108.5 0.95Hmh硫磺蒸汽第5页/共80页2:416任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算蒸汽消耗量为： 76.11 10 3 1.8397 104=1.4002 103 kg/h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,可根据硫酸产量、硫磺纯度、SO2的转化率、SO3的吸收率等数据进行计算。 如

6、：年产400kt纯硫酸装置，若硫磺纯度、SO2的转化率、SO3的吸收率分别为0.995、0.996、0.995，一年按300天计，则该硫酸装置每小时原料硫磺消耗量为： 返回返回334400 101110321.8397 10 kg/h980.995 0.996 0.995300 24第6页/共80页2:417二、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 在整个硫磺制酸过程中,所涉及的化学反应较少,主要反应如下:(1)焚硫炉中的反应 S+O2=SO2(5-7) (2)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:22

7、3,1SOOSO2CatalystT p22243S+OH O=H SO2任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第7页/共80页2:418二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量解：以1000kg纯硫酸为计算基准 由硫平衡可得所需硫磺的物质的量数(ns)为：ns=1000/98=10.204kmol 折合为硫磺质量数(ms)为： ms=MS ns=32 10.204=326.53kg 由式(5-10)得所需的纯水的物质的量数与硫磺的物质的量数相同，故所需的水的质量数(m水)为：m水=M水 ns=18 10.204=183.67kg 由式(5-10)得所需理论耗氧量为硫磺物质的量的1.5倍,

8、即：n氧=1.5ns=1.5 10.204=15.306kmol折合成纯空气理论量(nair)为：nair =n氧/0.21=15.306/0.21=72.866kmol 例5-4 试计算年产400千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水的理论消耗量。 任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第8页/共80页2:419二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量解：以1000kg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： Vair =22.4nair=22.4 72.866=1632.65m3(标准状态) 对于一个年产400千吨纯硫酸的工厂,以上各原料理论消耗量只需乘系数4 105，即

9、：硫磺用量：326.53 4 105 10 6=130.6千吨空气用量：1632.65 4 105=6.531 108 m3(标准状态)纯水用量：183.67 4 105 10 6=73.47千吨对于以上各原料的实际消耗量,不同的生产厂家由于具体的生产工艺和生产过程有所不同，会存在一定的差别，需具体对待。如空气过剩量的不同，实际空气的消耗量也就不同。 例5-4 试计算年产400千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水的理论消耗量。 返回返回任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第9页/共80页2:4110三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系 以1mol纯硫磺为计算基准，则： 理论

10、用O2量：n氧,理=ns=1 mol实际用O2量：n氧, ,实= ns= mol 实际带入N2量：n氮, ,实=(0.79/0.21) =3.762 mol 反应后炉气中各组分的量列于表7-1。 在实际生产过程中,为了充分利用原料硫磺,都采用空气过剩的生产方法,即硫磺为限制反应物,空气为过量反应物。空气过量的程度通常用空气过剩系数( )表示，其值为实际空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 炉气组份O2N2SO2合计各组份mol数 13.762 14.762 mol%( 1)/(4.762 )3.762 /(4.762 )=79.001/(4.762 )100.00

11、任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第10页/共80页2:4111三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系(1)空气过剩系数与炉气组成的关系 air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4.7625.7146.6677.6198.5719.52410.00010.47610.95211.429N2(mol%)79.00%79.00%7

12、9.00%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100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第11页/共80页2:4112三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间

13、的关系(1)空气过剩系数与炉气组成的关系 将上述数据中SO2的mol%浓度与O2的mol%浓度之间的关系可通过Excel绘成如图7-9所示的关系线。 任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第12页/共80页2:4113三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系(2)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。 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2

14、 硫磺制酸过程物料、能量衡算第13页/共80页2:4114三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例计算空气过剩系数 与炉气温度Tg之间的关系。 H1的计算 此过程的计算刚好是图5-30所示的相反过程,由例5-3知, H1=15.246 105 kJ/1000kg硫磺=4.879 103 J/mol硫磺 H2的计算 两部分构成, mol O2、3.762 mol N2,都由Ta=373.15K降到298.15K时放出的热量。查得O2、N2的cp=f(T)数据如下： O2：cp=29.96+4.184 10 3T 1.674 105T 2 J/(mol K) N2：

15、cp=27.87+4.268 10 3T J/(mol K) 0022222O,ON,N298.15352373.15298.153373.15dd (29.964.184 101.674 10)d 3.762(27.874.268 10)daaTTppTTHncTncTTTTTT= 1.0507 104 J/mol硫磺硫磺 任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第14页/共80页2:4115三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例 H2的计算也可将 H2整理成含入炉空气温度Ta、空气过剩系数 的函数式: : H2=(41652.95-134.80Ta-1.012

16、10 2Ta2-1.6740 105Ta 1) J/molS HR0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: 296.830 kJ/mol、0.2971 kJ/mol HR0= 296.830 0.2971= 297.1271 kJ/mol硫磺硫磺 H3的计算的计算 由三部分构成由三部分构成,分别是分别是( 1) mol O2、3.762 mol N2、1mol SO2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

17、105T 2 J/(mol K) 2000,SO (g),SRffHhh 任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第15页/共80页2:4116三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例 H3的计算经整理后得： 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 103 J/mol硫磺硫磺 2222220003O,ON,NSO,SO352298.153298.15252ddd (1)(29.964.184 101.674 10)d 3

18、.762(27.874.268 10)d (43.43 1.063 105.941 10gggggTTTpppTTTTTHncTncTncTTTTTTTT298.15)dgTT任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第16页/共80页2:4117三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应( =100%)为例 将上述各项计算结果代入 H= H1+ H2+ HR+ H3=0, ,经整理后得含有Tg的一元三次非线性方程: :A1Tg3+A2Tg2+A3Tg+A4=0 A1=1.012 10 2 +3.223 10 3 A2=134.80 +13.47 A3=-1.0612 104

19、-297127.1 -(134.80Ta+1.012 10-2Ta2+1.6740 105Ta-1) A4=1.6740 105 +4.267 105 将Ta=373.15K、焚硫过程绝热条件下不同的 值代入上式，计算所得结果列于表7-3中。 空气过剩系数 11.21.41.61.822.22.4炉气出口温度Tg(K)2048.21821.01647.91511.81401.91311.31235.41170.8炉气出口温度tg()1774.81547.51374.51238.41128.51038.0962.1897.5第17页/共80页2:4118三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成

20、、温度之间的关系以绝热反应为例 利用Excel将表5-4中数据之间关系绘制成曲线,如图5-34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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第18页/共80页2:4119三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系取热损失为反应热的1%( =99%)时，空气过剩系数与炉气出口温度的关系如表7-4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

21、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11.21.41.61.822.22.4炉气出口温度Tg(K)2033.61808.11636.51501.41392.51302.71227.41163.4炉气出口温度tg()1760.11534.71363.01228.01119.11029.3954.1890.1任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第19页/共80页2:4120四、 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

22、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) 21,dggTpTHncT气气气213,1dggTip iTiHncT 气或或任务2

23、硫磺制酸过程物料、能量衡算第20页/共80页2:4121四、 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 =1008.3 kJ/kg 、hg =2804 kJ/kg H水水=m(hg hl)= m(2804 1008.3)=1795.7m kJ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

24、，利用中，利用Excel计算出炉计算出炉气的气的cp,气气再进行计算。再进行计算。 任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第21页/共80页2:4122四、 计算废热锅炉的产汽量 例例5-4 = 1.959 105 J= 1.959 102 kJ 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100.00%29.6564.895E-03-7.782E+04021693.15342,

25、1263.26d10(29.6564.895 107.782 10)dggTpTHncTTTT气气气任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第22页/共80页2:4123四、 计算废热锅炉的产汽量 例例5-4 H气气= 1.959 105 J= 1.959 102 kJ 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=0.10907 kg/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=6.271 104 kg/h 若考虑热损失，如取热效率为若考虑热损失，如

26、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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第23页/共80页2:4124五、 计算SO2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

27、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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第24页/共80页2:4125五、 计算SO

28、2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:2SO1000.5TTaaxppax2O0.51000.5TTbaxppax3SO1000.5TTaxppax任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第25页/共80页2:4126五、 计算SO2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

29、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 2O0.51000.5TTbaxppax333232323SOSOSOSOSOSOSOSOSOTnypxnnyypp3223222222SO0.5SOOSOSO0.50.50.5OSOOSOO11000.5(0.5)ppTTppTpppKKxppaxKKpppppp bax任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第26页/共80页2:4127五、 计算SO2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

30、开以上表达式:1000.5(0.5)pTTpTKxaxKp bax2322220.5 (1)100()(0.52 )0pTpTpTpa pKxab pKxab pK xbpK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 3212340TTTA xA xA xA3210.5(1)pAapK222100()pAacab pK 23 (2000.5 )(0.52 )pAa ccab apK2224100pAca bpK任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第27页/共80页2:4128五、 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算

31、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Public Function H2SO4XT(A, B, C, T, p) As Double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Dim X0, ESP, KP, A1, A2, A3, A4, p0 As Double X0 = 0.7 ESP = 0.0001 p0 = p / 0.101325 KP = H2SO4KP(

32、T) A1 = 0.5 * A 3 * (KP 2 * p0 - 1) A2 = A 2 * (100 - C - (A + B) * KP 2 * p0) A3 = A * (C * (200 - 0.5 * C) + A * KP 2 * p0 * (0.5 * A + 2 * B) A4 = 100 * C 2 - A 2 * B * KP 2 * p0 H2SO4XT = Newton3(X0, ESP, A1, A2, A3, A4)End Function任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第28页/共80页2:4129五、 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算

33、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O2N2SO2SO3合计一段进口气体%11.00%79.00%10.00%0100.00%一段

34、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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第29页/共80页2:4130五、 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算 例5-6解解:以以100kmol进口气体为基准

35、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: 22N ,N ,100 0.7996.70 kmol0.8170n yny入入出出出口气体中出口气体中SO3量量: 33SOSO96.70 0.06836.60 kmolnn y出因因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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第30页/共80页2:4131五、 计算SO2的实际转化率和平衡转

36、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：此题中分析：此题中SO2转化率的计算实际上属于热量衡算，此转化率转化率的计算实际上属于热量衡算，此转化率通常是将反应视为在绝热条件下进行时对应的最高转化率

37、。通常是将反应视为在绝热条件下进行时对应的最高转化率。解：以解：以1mol SO2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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第31页/共80页2:4132五、计算SO2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

38、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。 组分一段入口一段出口mol数mol%mol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-

39、2T- -43.784 10-6T2+26.884 10-9T3- -6.900 10-12T4 kJ/mol- - hR=101.342- -9.25 10 3T kJ/mol (400700)第32页/共80页2:4133五、计算SO2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

40、/mol H1= - -94.880 x kJ ） 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1mol N2、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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第33页/共80页2:4134五、计算SO2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、S

41、O3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+1715.37x J 由由 HR= H1+ H2=0得得: -94880 x+63434.79+1715.37x=0解得：解得：x=0.6809 T1T2J/molmol数2列3列含x值2列5列N2焓变5934.437.9046881.97 0.00O2焓变6266.991.106893.69-0.50-3133.50SO2焓变9659.131.009659.13-1.00-9659.13SO3焓变14508.000.000.001.0014508.00 63434.79 1715.37任务

42、2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第34页/共80页2:4135五、计算SO2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。组分一段入口一段出口mol数mol%g数mol数mol%g数N27

43、.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10.00100.00320.410 0.5x=9.6596100.00320.40任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第35页/共80页2:4136五、计算SO2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

44、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： 332222SOSO0.50.50.5SOOSOO0.07057.255()0.0330 (0.0786 1.1)ppypJppypyp由式由式(5-13B)得对应的平衡温度为得对应的平衡温度为: *4905.5890.91 Klg7.2554.6455T 平衡温距为：平衡温距为： T=T* T2=890.91 883.

45、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?! 第36页/共80页2:4137五、计算SO2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

46、。 第37页/共80页2:4138六、计算空气过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口温度之间的关系 (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 组分入 口出 口N23.76 3.76 O2 1 1 0.5xSO211 xSO30 x合计4.76 4

47、.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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第38页/共80页2:4139六、计算air过剩系数,SO2转化率和转化炉一段出口T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 11,R THx h 2142,1dTip iTiHncT 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

48、 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.

49、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转化率转化率一定情况下一定情况下,空气空气过剩系数与过剩系数与一段出口温一段出口温度度之间的关系之间的关系 H1= ( 101342+9.25T1)x J任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第39页/共80页2:4140六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T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

50、,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。 第40页/共80页2:4141六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T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,

51、 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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第41页/共80页2:4142六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T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

52、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2 硫磺制酸过程物料、能量衡算第42页/共80页2:4143六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系 转化炉一段进口转化炉一段进口T、SO2转化率转化率一定一定,air过剩系数与过剩系数与一段出口一段出口T之间的关系之间的关系A1 T23+A2 T22+A3 T2+A4=0 A1=3.223 10 3+1.012 10 2 +7.609 10 3 x A2=13

53、.47+134.80 1.09 x A4=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

54、,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第43页/共80页2:4

55、144任务3 计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x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、 CO变换工艺简介二、 确定变换炉一段出口温度和一段变换率 三、 计算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四、 采用Excel绘制CO变换炉一段t-x图 返回返回第44页/共80页2:4145任务3 计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图一、 CO变换工艺简介(1)合成氨生产总体步骤:原料气制造 原料气净化压缩,

56、合成(2)典型流程以固体煤为原料的中小型合成厂流程第45页/共80页2:4146任务3 计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图一、CO变换工艺简介(1)合成氨生产总体步骤:原料气制造 原料气净化压缩,合成(2)典型流程以天然气、轻烃为原料的大型合成厂流程第46页/共80页2:4147任务3 计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图一、CO变换工艺简介(2)典型流程 以重油为原料的合成厂流程第47页/共80页2:4148任务3 计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图一、CO变换工艺简介(3)CO变换原理CO变换反应:CO+H2O(g) CO2+H2 h298=41.19kJ/mol特点:可逆

57、,放热,等容,需Cat由于Cat具有优良的选择性,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,故低温有利于反应平衡向正方向移动!实际变换率(x):反应掉的CO量与反应前的CO量(a=mol)的比值,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CO的体积分率(mol分率)进行计算COCOCOCO100%(1)yyxyy第48页/共80页2:4149一、CO变换工艺简介(3)CO变换原理 实际变换率x,采用干基为计算基准时当原料气中不含O2时 CO+H2O(g) CO2+H2惰性气体干总湿总反应前ya b yc yd1-ya-yc-yd11+b反应

58、后ya-yax b-yax yc+yax yd+yax1-ya-yc-yd1+yax1+b1(1)aaaaaaaayy xyyyxy xyy 当原料气中含当原料气中含O2时时 CO+H2O(g) CO2+H2O2干总湿总反应前ya b yc ydyO211+b反应后ya-yax b-yax+2yO2 yc+yax yd+yax-2yO201+yax-3yO21+b22OO(1 3)13(1)aaaaaaaayyyyy xyxy xyyy 第49页/共80页2:4150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、CO变换工艺简介(3)CO变换原理 实际变

59、换率(x)COCOCOCO100%(1)yyxyy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COH2CO2N2 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: COCOCOCO0.260.021100%100%90.03%(1)0.26(10.021)yyxyyn变变=n半半(1+x yco)=2000(1+0.9003 0.26)=2468.2kmol/h y H2=(yH2+x yco)/(1+x yco)=(0.40+

60、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第50页/共80页2:4151一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介思考:实际变换率最大能否达到100%?受什么限制?不能达100%,受反应平衡限制,最大变换率等于反应条件下的平衡变换率!平

61、衡变换率:平衡时反应掉的CO量与反应前CO量的比值x*原料气中不存在O2时 CO+H2O CO2+H2其它干 湿 开始ya yb yc yd1 ya yb yc yd1 yb1平衡ya x*ya yb x*ya yc+x*ya yd+x*ya1 ya yb yc yd1+x*ya yb1222222*COHCOHcCOdCO*COH OCOH OaCObCO()()()()pppyyyx yyx yKppyyyx yyx y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

62、氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图第51页/共80页2:4152一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介平衡变换率(x*)原料气中不存在O2时222222*COHCOHcCOdCO*COH OCOH OaCObCO()()()()pppyyyx yyx yKppyyyx yyx y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 ycyd Wya2(x*)2 Uyax*+V=0 2*CO4 (01)2UUWVxxy W平衡常数计算经验公

63、式平衡常数计算经验公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.67814 10-6T2-36.72508当当t=300520:lnKp=4575/Te-4.33(5-20) 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图图第52页/共80页2:4153一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介平衡变换率(x*)原料气中不存在O2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=

64、Kpyayb ycyd Wya2(x*)2 Uyax*+V=0 2*CO4 (01)2UUWVxxy W平衡常数计算经验公式平衡常数计算经验公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.67814 10 6T2-36.72508 计算步骤计算步骤:步骤步骤1:由由T(K)求出求出Kp步骤步骤2:由入口半水煤气湿基组成分别求出由入口半水煤气湿基组成分别求出W,U,V步骤步骤3:由计算式求出由计算式求出x* 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图图第53页/共80页2:4154一、一、CO变换工艺简介变换工艺简介平

65、衡变换率(x*)原料气中存在O2时展开上式得展开上式得:(Kp 1)ya2(x*)2 Kp(ya+yb)+(yc+yd)+2yo(Kp 1)yax*+(Kpyayb ycyd+2Kpyayo+2ycyo)=0令令:W=(Kp 1),U =Kp(ya+yb)+(yc+yd)+2yo(Kp 1),V =Kpyayb ycyd+2yo(Kpya+yc)Wya2(x*)2 U yax*+V =0 CO+H2O CO2+H2干干 湿湿 开始开始yaybycyd1 yb1平衡平衡ya x*yayb x*ya+2yoyc+x*yayd+x*ya 2yo1+x*ya yb 3yo1 yo22222222*CO

66、HCOHcCOdCOO*COH OCOH OaCObCOO()(2)()(2)pppyyyx yyx yyKppyyyx yyx yy2*CO4 (01)2UUWVxxy W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图图第54页/共80页2:4155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图图平衡变换率(x*)上例中上例中H2O/CO=3(mol比比),变换炉出口温度为变换炉出口温度为360,求对应的平衡变换率和平求对应的平衡变换率和平衡温距衡温距?(变换炉出口实际组成对应的平衡温度与实际出口温度之间的差值变换炉出口实际组成对应的平衡温度与实际出口温度之间的差值) 解解:对应对应1mol干气干气,加入的水蒸气量为加入的水蒸气量为:3 0.26=0.78mol将进口干基组成化为湿基组成如下将进口干基组成化为湿基组成如下:如如CO湿基组成湿基组成:ya=0.26/(1+0.78)=0.14607 成份COH2CO2N2H2O干 湿 干组成0.260.400.130.21/1.00 湿组成 0.146070.22472