现代化工计算单元5典型化工过程工艺计算教材ppt课件

1、*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、 计算熔硫釜的蒸汽消耗量二、 根据生产任务计算

2、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*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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡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

3、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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算一、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 加入熔硫釜中的硫磺温度为常温加入熔硫釜中的硫磺温度为常温t0,熔硫采用熔硫采用0.5MPa的饱和的饱和蒸汽蒸汽,最终将硫磺加热至最终将硫磺加热至140的液态的液态,假设熔硫釜的热效率假设熔硫釜的热效率1为为95%,试计算处理试计算处理1000kg硫磺需

4、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： 1mh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= 2108.5 kJ/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、能量衡算硫磺制酸过程物料、

5、能量衡算一、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 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+29.12103T kJ/(kmolK)hv=1727kJ/kmolcp, l=45.03216.636103T kJ/(kmolK)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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算一、计算熔硫釜的蒸汽消

6、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 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,l392.05d31.25(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 0.95

7、Hmh硫磺蒸汽*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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算蒸汽消耗量为：蒸汽消耗量为： 76.1176.1110103 31.83971.8397104=1.4002104=1.4002103 kg/h103 kg/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

8、、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334400 101110321.8397 10 kg/h980.995 0.996 0.995300 24*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

9、)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:223,1SOOSO2CatalystT p22243S+OH O=H SO2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*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=100

10、0/98=10.204kmol 折合为硫磺质量数折合为硫磺质量数(ms)为：为： ms=MS ns=3210.204=326.53kg 由式由式(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，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故所需的水的质量数(m水水)为：为：m水水=M水水 ns=1810.204=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=1.510.204=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

11、氧/0.21=15.306/0.21=72.866kmol 例例5-4 5-4 试计算年产试计算年产400400千吨纯硫酸的装置，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。 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*单元5 典型化工过程工艺计算10二、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 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=22.472.866=16

12、32.65m3(标准状态标准状态) 对于一个年产对于一个年产400千吨纯硫酸的工厂千吨纯硫酸的工厂,以上各原料理论消耗量只需以上各原料理论消耗量只需乘系数乘系数4105，即：，即：硫磺用量：硫磺用量：326.534105106=130.6千吨千吨空气用量：空气用量：1632.654105=6.531108 m3(标准状态标准状态)纯水用量：纯水用量：183.674105106=73.47千吨千吨对于以上各原料的实际消耗量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，需具体对产工艺和生产过程有所不同，会存在一定的差别，

13、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。待。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 5-4 试计算年产试计算年产400400千吨纯硫酸的装置，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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*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1mol1mol纯硫磺为计算基准，那么：纯硫磺为计算基准，那么： 理论用理论用O2O2量：量：n n氧氧, ,理理

14、=ns=1 mol=ns=1 mol实际用实际用O2O2量：量：n n氧氧, ,实实= =ns=ns= mol mol 实际带入实际带入N2N2量：量：n n氮氮, ,实实=(0.79/0.21)=(0.79/0.21)=3.762=3.762 mol 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7-17-1。 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(

15、)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13.76214.762mol%(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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*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

16、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

17、.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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*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

18、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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*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，那么：若

19、反应系统绝热良好，不考虑热损失，那么： H=H=H1+H1+H2+H2+HRHR+ +H3=0 H3=0 若考虑热损失，那么：若考虑热损失，那么： H=H=H1+H1+H2+H2+HRHR+ +H3=QH3=Q损损或或 H=H=H1+H1+H2+H2+HRHR+ +H3=0H3=0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*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TgTg之间的关之间的关系。系

20、。 H1的计算的计算 此过程的计算刚好是图此过程的计算刚好是图5-30所示的相反过程所示的相反过程,由例由例5-3知知, H1=15.246105 kJ/1000kg硫磺硫磺=4.879103 J/mol硫磺硫磺H2的计算的计算 两部分构成两部分构成, mol O2、3.762 mol N2,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+4.184103T1.674105T2 J/(molK) N2：cp=27.87+4.268103T J/(molK) 0022222O,ON,N

21、298.15352373.15298.153373.15dd (29.964.184 101.674 10)d 3.762(27.874.268 10)daaTTppTTHncTncTTTTTT= 1.0507104 J/mol硫磺硫磺 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*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H2H2的计算的计算也可将也可将H2H2整理成含入炉空气温度整理成含入炉空气温度TaTa、空气过剩系数、空气过剩系数的函数式的

22、函数式: : H2=(41652.95-134.80Ta-1.012H2=(41652.95-134.80Ta-1.01210102Ta2-2Ta2-1.67401.6740105Ta105Ta1)1) J/molS J/molSHR0HR0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: 296.830 kJ/mol、0.2971 kJ/molHR0= 296.8300.2971= 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

23、.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+1.063102T5.941105T2 J/(molK) 2000,SO (g),SRffHhh 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*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H3H3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)4

24、1652.95 +13.47Tg+3.223 10 3Tg2+4.267 105Tg 1 5.7337 103 J/mol硫硫磺磺 2222220003O,ON,NSO,SO352298.153298.15252ddd (1)(29.964.184 101.674 10)d 3.762(27.874.268 10)d (43.43 1.063 105.941 10gggggTTTpppTTTTTHncTncTncTTTTTTTT298.15)dgTT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*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

25、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%)=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=H=H1+H1+H2+ H2+ HRHR+ +H3=0,H3=0,经整理后得含有经整理后得含有TgTg的一元三次非线性方程的一元三次非线性方程: :A1Tg3+A2Tg2+A3Tg+A4=0 A1Tg3+A2Tg2+A3Tg+A4=0 A1=1.012A1=1.01210102 2+3.223+3.22310103 3 A2=134.80A2=134.80+13.47 +13.47 A3=-1.0612A3=-1.061210

26、4-297127.1104-297127.1 -(134.80Ta+1.012 -(134.80Ta+1.01210-10-2Ta2+1.67402Ta2+1.6740105Ta-1)105Ta-1) A4=1.6740A4=1.6740105105+4.267+4.267105 105 将将Ta=373.15KTa=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，计值代入上式，计算所得结果列于表算所得结果列于表7-37-3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 1821.0 164

27、7.9 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5-345-34的曲线由的曲线由ExcelExcel回归可得回归可得: :tg= tg= 165.3

28、3165.333+1158.73+1158.72 23051.23051.2+3829.1 +3829.1 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*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、温度之间的关系取热损失为反应热的取热损失为反应热的1%(=99%)时，空气过剩系数与炉气出时，空气过剩系数与炉气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= 164.173 + 1150.423028.4+3798.8 由表由表5-4、5-5的数据

29、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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*单元5

30、 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 5-5 试计算以硫磺为原料试计算以硫磺为原料, ,年产年产400kt400kt纯硫酸的生产装置中废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热锅炉的产汽量。假设锅炉给水压力为3MPa3MPa的饱和水。取表的饱和水。取表5-35-3、5-55-5中空气过剩系数为中空气过剩系数为2.12.1、热损失为标准反应热的、热损失为标准反应热的1%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

31、,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(hghl) 21,dggTpTHncT气气气213,1dggTip iTiHncT 气或或任务任务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*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5-45-4由水蒸气表查得由水蒸气表查得3MPa3MPa饱和水、饱和蒸汽的焓饱和水、饱和蒸汽的焓: :hl =1008.3 kJ/kg hl =1008.3 kJ/kg 、hg =2804 kJ/kghg =2804 kJ/kgH H水水=m(hg=m(hghl)= m(28

32、04hl)= m(28041008.3)=1795.7m kJ1008.3)=1795.7m kJ计算炉气温度由计算炉气温度由990.11990.11降至降至420420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molmol分率、分率、cp,icp,i中的各项系数值列于表中的各项系数值列于表5-65-6中，利用中，利用ExcelExcel计算出炉计算出炉气的气的cp,cp,气再进行计算。气再进行计算。 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*单元5 典型化工过

33、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5-45-4 = 1.959105 J= 1.959102 kJ 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+04021693.15342,1263.26d10(29.6564.895 107.782 10)dggTpTHncTTTT气气气

34、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*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5-45-4 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，如取热效率为90%时，则折合成小时产汽

35、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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*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*

36、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=TT*(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。 考虑考虑: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、能量衡算硫磺制酸过程物料

37、、能量衡算*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:2SO1000.5TTaaxppax2O0.51000.5TTbaxppax3SO1000.5TTaxppax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*单元5 典型化工过程工艺计算27五、五

38、、 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KpKp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

39、衡算*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: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

40、pK 23 (2000.5 )(0.52 )pAa ccab apK2224100pAca bpK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*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平衡转化率的计算函数数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

41、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(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

42、* C 2 - A 2 * B * KP 2 * p0 H2SO4XT = Newton3(X0, ESP, A1, A2, A3, A4)End Function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*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+2.28410-3T-7.02107T2+1.19710-10T3+2.23 (5-13A)当反应

43、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/T4.6455(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

44、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、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*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: 22N ,N ,100 0.799

45、6.70 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*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

46、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。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1m

47、ol 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*单元5 典型化工过程工艺计算33五、计算五、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

48、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/(10.000.5x)O21.1011.001.100.5x( 1 . 1 00 . 5 x ) / (10.000.5x)SO21.0010.001.00 x(1.00 x)/(10.000.5x)SO300 xx/(10.000.5x)合计合计10.00100.0010.000.5x100.00考虑考虑:设计此途径的条件是什么设计此途径的条件是什么?- -hR=92.

49、253+2.352hR=92.253+2.35210-2T-43.78410-2T-43.78410-6T2+26.88410-6T2+26.88410-9T3-6.90010-9T3-6.90010-10-12T4 kJ/mol12T4 kJ/mol- -hR=101.342-9.25hR=101.342-9.2510103T kJ/mol (400700)3T kJ/mol (400700)*单元5 典型化工过程工艺计算34五、计算五、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

50、）H1的计算的计算- -hR=92.253+2.352hR=92.253+2.35210102 2693.15-693.15-43.78443.78410106 6693.152693.152 +26.884 +26.88410109 9693.153-693.153-6.9006.90010101212693.154 693.154 =94.880kJ/mol =94.880kJ/mol H1= -94.880 x kJ H1= -94.880 x kJ ）H2H2的计算的计算 查得查得N2N2、O2O2、SO2SO2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

51、N21mol N2、O2O2、SO2SO2、SO3SO3由由t1=420t1=420升温至升温至t2=610t2=610的焓变的焓变h2ih2i，再乘，再乘上各自的物质的量数相加，由上各自的物质的量数相加，由ExcelExcel计算之值如表计算之值如表5-85-8所示。所示。 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*单元5 典型化工过程工艺计算35五、计算五、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

52、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5934.437.9046881.97 0.00O2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14508.000.000.001.0014508.00 63434.79 1715.37任务任

53、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*单元5 典型化工过程工艺计算36五、计算五、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

54、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N27.9079.00221.27.9081.78221.20O21.1011.0035.21.10.5x=0.75967.8624.31SO21.0010.00641.00 x=0.31913.3020.42SO3000 x=0.68097.0554.47合计合计10.00100.00320.4100.5x=9.6596100.00320.40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*单元5 典型化工过程工艺计算37五、计算五、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

55、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的摩尔分率可计算出对应的气体分压应的气体分压,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

56、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=TT=T* *T2=890.91T2=890.91883.15=7.76K883.15=7.76K考虑考虑: :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、计算五、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

57、合工艺要求,一般要求在一般要求在1015,因此出口因此出口610 偏高偏高,重新假设重新假设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0.6623,0.6623,平衡温距平衡温距19.11,19.11,比较合适。比较合适。 *单元5 典型化工过程工艺计算39六、计算空气过剩系数、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。

58、中。表表7-10 含有含有、x项的一段进项的一段进出口气体中各组分的物质的量出口气体中各组分的物质的量明细表明细表 (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N23.763.76O211 0.5xSO211xSO30 x合计合计4.764.760.5x若忽略反应过程热损失若忽略反应过程热损失,那么那么: HR=H1+H2=0 若考虑反应过程热损失若考虑反应过程热损失,那么那么: HR=H1+H2=Q损损或或 H1+H2=0 任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算*单元5 典型化工过程

59、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的计的计算算 ）H2H2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(T2T1)+3.223103(T22T12)+4.267105(T21T11) +134.80(T2T1)+1.012102(T22T12)+1.674105(T21T11) +1.09(T2T1)+7.609103(T2

60、2T12)+6.272105(T21T11)x由由H1+H2=0经整理后得经整理后得:(101342-9.25T1)+1.09(T2-T1)-7.60910-3(T22-T12)-6.272105(T2-1-T1-1)x= 13.47(T2T1)+3.223103(T22T12)+4.267105(T21T11) +134.80(T2T1)+1.012102(T22T12)+1.674105(T21T11)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转化转化率之间的关系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转化率一定情况下