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2硫磺制酸过程物料、能量衡算任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图任务4CO变换炉催化剂用量计算任务5空气性质与典型过程物料、能量衡算任务6精馏设计与严格模拟单元5典型化工过程工艺计算*单元5典型化工过程工艺计算1任务2硫磺制酸过程物料、能*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*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*单元5典型化工过程工艺计算3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5-29硫磺制酸生产流程图1-焚硫炉；2-废热锅炉；3-省煤-过热器；4-第二过热器；5-转化器；6-第一换热器；7-第一吸收塔；8-第二吸收塔；9，10，14-冷却器；11，12，15-酸贮槽；13-干燥塔；16-鼓风机*单元5典型化工过程工艺计算3任务2硫磺制酸过程物料、能*单元5典型化工过程工艺计算4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95%,试计算处理1000kg硫磺需多少kg0.5MPa的饱和蒸汽?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：1mh蒸汽+H硫磺=0由水蒸气查得：h蒸汽=2108.5kJ/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=H硫磺=H1+H2+H3

*单元5典型化工过程工艺计算4任务2硫磺制酸过程物料、能*单元5典型化工过程工艺计算5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=H硫磺=H1+H2+H3

H2=nhv

查有关手册可得：cp,s=14.90+29.12103TkJ/(kmolK)hv=1727kJ/kmolcp,l=45.03216.636103TkJ/(kmolK)n=1000/32=31.25kmol

将上述数据代入H1、H2、H3的计算式得：

*单元5典型化工过程工艺计算5任务2硫磺制酸过程物料、能*单元5典型化工过程工艺计算6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=H硫磺=H1+H2+H3

H2=nhv=31.251727=5.397104kJH硫磺=∑Hi=7.321104+5.397104+2.528104=15.246105kJ蒸汽消耗量m为：

*单元5典型化工过程工艺计算6任务2硫磺制酸过程物料、能*单元5典型化工过程工艺计算7任务2硫磺制酸过程物料、能量衡算蒸汽消耗量为：

76.111031.8397104=1.4002103kg/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：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*单元5典型化工过程工艺计算7任务2硫磺制酸过程物料、能*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

(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:任务2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8二、根据生产任务，计算原料硫*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=MSns=3210.204=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=1810.204=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,即：n氧=1.5ns=1.510.204=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*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*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=22.472.866=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4105，即：硫磺用量：326.534105106=130.6千吨空气用量：1632.654105=6.531108m3(标准状态)纯水用量：183.674105106=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。

返回任务2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*单元5典型化工过程工艺计算11三、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：

理论用O2量：n氧,理=ns=1mol实际用O2量：n氧,实=ns=mol实际带入N2量：n氮,实=(0.79/0.21)=3.762mol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13.76214.762mol%(1)/(4.762)3.762/(4.762)=79.001/(4.762)100.00任务2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air过*单元5典型化工过程工艺计算12三、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%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*单元5典型化工过程工艺计算12三、计算焚硫过程中air过*单元5典型化工过程工艺计算13三、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*单元5典型化工过程工艺计算13三、计算焚硫过程中air过*单元5典型化工过程工艺计算14三、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：

H=H1+H2+HRӨ+H3=0若考虑热损失，则：

H=H1+H2+HRӨ+H3=Q损或H=H1+H2+HRӨ+H3=0任务2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air过*单元5典型化工过程工艺计算15三、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。

①H1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=–15.246105kJ/1000kg硫磺=–4.879103J/mol硫磺②H2的计算两部分构成,molO2、3.762molN2,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+4.184103T1.674105T2J/(molK)N2：cp=27.87+4.268103TJ/(molK)=1.0507104J/mol硫磺

任务2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air过*单元5典型化工过程工艺计算16三、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②H2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-1.012102Ta2-1.6740105Ta1)J/molS③HR0的计算查得SO2(g),S(单斜)标准生成焓分别为:

296.830kJ/mol、0.2971kJ/molHR0=296.8300.2971=297.1271kJ/mol硫磺④H3的计算由三部分构成,分别是(1)molO2、3.762molN2、1molSO2都由T0=298.15K升温到Tg

时吸收的热量。查得SO2的cp=f(T)数据如下：

SO2：cp=43.43+1.063102T5.941105T2J/(molK)任务2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air过*单元5典型化工过程工艺计算17三、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④H3的计算经整理后得：

H3=(134.80Tg+1.012102Tg2+1.674105Tg1)41652.95

+13.47Tg+3.223103Tg2+4.267105Tg15.7337103J/mol硫磺

任务2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air过*单元5典型化工过程工艺计算18三、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+

HRӨ+H3=0,经整理后得含有Tg的一元三次非线性方程:A1Tg3+A2Tg2+A3Tg+A4=0A1=1.012102+3.223103

A2=134.80+13.47A3=-1.0612104-297127.1

-(134.80Ta+1.01210-2Ta2+1.6740105Ta-1)

A4=1.6740105+4.267105

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*单元5典型化工过程工艺计算18三、计算焚硫过程中air过*单元5典型化工过程工艺计算19三、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5-34的曲线由Excel回归可得:tg=165.333+1158.723051.2+3829.1℃

任务2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19三、计算焚硫过程中air过*单元5典型化工过程工艺计算20三、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Excel回归可得：tg=164.173+1150.423028.4+3798.8℃由表5-4、5-5的数据可看出,当热损失取标准反应热的1%时,空气过剩系数从1~2.4之间,炉气出口温度平均下降10℃左右。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*单元5典型化工过程工艺计算20三、计算焚硫过程中air过*单元5典型化工过程工艺计算21四、

计算废热锅炉的产汽量

例5-5试计算以硫磺为原料,年产400kt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3MPa的饱和水。取表5-3、5-5中空气过剩系数为2.1、热损失为标准反应热的1%的数据为计算基准。

解:以整个废热锅炉为计算体系,以1mol进入焚烧炉的硫磺为计算基准,由能量平衡方程可得:

H水+H气=Q损、H水=m(hghl)或任务2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21四、计算废热锅炉的产汽量*单元5典型化工过程工艺计算22四、

计算废热锅炉的产汽量

例5-4由水蒸气表查得3MPa饱和水、饱和蒸汽的焓:hl=1008.3kJ/kg、hg=2804kJ/kgH水=m(hghl)=m(28041008.3)=1795.7mkJ计算炉气温度由990.11℃降至420℃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mol分率、cp,i中的各项系数值列于表5-6中，利用Excel计算出炉气的cp,气再进行计算。

任务2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、计算废热锅炉的产汽量*单元5典型化工过程工艺计算23四、

计算废热锅炉的产汽量

例5-4=1.959105J=1.959102kJ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+040任务2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23四、计算废热锅炉的产汽量*单元5典型化工过程工艺计算24四、

计算废热锅炉的产汽量

例5-4H气=1.959105J=1.959102kJ当锅炉绝热，即热效率为100%时，锅炉产汽量：

m=1.959102/1795.7=0.10907kg/mol硫磺

折合成小时产汽量：

mT=0.109071.8397104103/32=6.271104kg/h若考虑热损失，如取热效率为90%时，则折合成小时产汽量：

mT=6.27110490%=5.644104kg/h返回任务2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、计算废热锅炉的产汽量*单元5典型化工过程工艺计算25五、

计算SO2的实际转化率和平衡转化率

☆平衡温距:就是指反应器实际出口温度(T)与实际组成所对应的平衡温度(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: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，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10~15℃左右，反应器中其余各段催化剂床层出口的平衡温距在20℃左右。☆思考: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*单元5典型化工过程工艺计算25五、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算26五、

计算SO2的实际转化率和平衡转化率

☆SO2平衡转化率的计算反应前气体中SO2摩尔百分比浓度为a、O2摩尔百分比浓度为b、则N2为100-a-b

假设开始反应时系统中不存在SO3

各气体的平衡分压为:任务2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26五、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算27五、

计算SO2的实际转化率和平衡转化率

☆SO2平衡转化率的计算

假设开始反应时系统中不存在SO3

或由Kp表达式进行推导,将各分压表达式代入即可得

任务2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、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算28五、

计算SO2的实际转化率和平衡转化率

☆SO2平衡转化率的计算

假设开始反应时系统中不存在SO3

展开以上表达式:

假设开始反应时系统中存在SO3，设其摩尔百分比浓度为c

任务2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28五、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算29五、

计算SO2的实际转化率和平衡转化率

☆SO2平衡转化率的计算

假设开始反应时系统中存在SO3时SO2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'A,B,C分别表示入口气体中二氧化硫,氧气,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*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*p0H2SO4XT=Newton3(X0,ESP,A1,A2,A3,A4)EndFunction任务2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、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算30五、

计算SO2的实际转化率和平衡转化率

☆SO2平衡转化率的计算

平衡常数Kp的计算经验公式

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)当反应温度在400~700℃时,可采用简化经验方程式,如式(5-13B)。lgKp=4905.5/T4.6455 (5-13B)例5-6已知转化炉一段进、出气体的各组分mol%如下

组分O2N2SO2SO3合计一段进口气体%11.00%79.00%10.00%0100.00%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SO2的实际转化率？分析：此类型的计算属于物料衡算,可假设某一进口气体量,再由联系组分即N2的摩尔组成计算出出口气体量,然后由出口气体中SO3的含量计算出反应掉SO2的含量。任务2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、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算31五、

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:以100kmol进口气体为基准则由联系组分即N2的摩尔组成得一段出口气量为:出口气体中SO3量:因SO2反应生成等量的SO3,故反应掉的SO2量也为6.6kmol,则一段催化剂床层中SO2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*单元5典型化工过程工艺计算31五、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算32五、

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5-7以表5-3中空气过剩系数为2.1时的数据为例,计算当床层一段进口气体温度为420℃、出口温度不得超过610℃时,试计算:(1)该段催化剂中SO2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?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1molSO2为计算基准

(1)计算该段催化剂中SO2的转化率和一段出口气体组成假设一段转化率为x

①物料衡算

此过程计算较简单，现将进出口物料量列于表5-7中。

任务2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、计算SO2的实际转化*单元5典型化工过程工艺计算33五、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5-7表5-7反应器一段进出口物料明细表

②热量衡算(方法一先反应后升温)

为便于计算,现设计如图5-36所示的计算途径。组分一段入口一段出口mol数mol%mol数mol%N27.9079.007.907.90/(10.000.5x)O21.1011.001.100.5x(1.100.5x)/(10.000.5x)SO21.0010.001.00x(1.00x)/(10.000.5x)SO300xx/(10.000.5x)合计10.00100.0010.000.5x100.00思考:设计此途径的条件是什么?-hR=92.253+2.35210-2T-43.78410-6T2+26.88410-9T3-6.90010-12T4kJ/mol-hR=101.342-9.25103TkJ/mol(400~700℃)*单元5典型化工过程工艺计算33五、计算SO2的实际转化率*单元5典型化工过程工艺计算34五、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5-7②热量衡算即：HR=H1+H2=0Ⅰ）H1的计算-hR=92.253+2.352102693.15-43.784106693.152+26.884109693.153-6.9001012693.154

=94.880kJ/molH1=-94.880xkJⅡ）H2的计算

查得N2、O2、SO2的恒压摩尔热容数据,

先分别计算1molN2、O2、SO2、SO3由t1=420℃升温至t2=610℃的焓变h2i，再乘上各自的物质的量数相加，由Excel计算之值如表5-8所示。

任务2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34五、计算SO2的实际转化率*单元5典型化工过程工艺计算35五、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5-7②热量衡算表5-8由Excel计算的N2、O2、SO2、SO3由t1=420℃升温至t2=610℃的焓变

由表7-7得:H2=63434.79+1715.37xJ由HR=H1+H2=0得:-94880x+63434.79+1715.37x=0解得：x=0.6809T1~T2J/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2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SO2的实际转化率*单元5典型化工过程工艺计算36五、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5-7②热量衡算将x值代入表5-7计算得一段出口气体组成列于表5-9中。

(2)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,硫酸转化通常在常压下进行,此处取p=1.1atm,此处利用自定义函数H2SO4XT计算。组分一段入口一段出口mol数mol%g数mol数mol%g数N27.9079.00221.27.9081.78221.20O21.1011.0035.21.10.5x=0.75967.8624.31SO21.0010.00641.00x=0.31913.3020.42SO3000x=0.68097.0554.47合计10.00100.00320.4100.5x=9.6596100.00320.40任务2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SO2的实际转化率*单元5典型化工过程工艺计算37五、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5-7(2)计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距①利用自定义函数H2SO4XT计算平衡转化率

xT=0.7036

②由表5-9一段出口气体SO2、O2、SO3的摩尔分率可计算出对应的气体分压,代入式(5-8)对应的平衡常数计算式得：由式(5-13B)得对应的平衡温度为:平衡温距为：T=T*T2=890.91883.15=7.76K思考: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37五、计算SO2的实际转化率*单元5典型化工过程工艺计算38五、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5-7(2)计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距结论:T=T*T2=7.76K不符合工艺要求,一般要求在10~15℃,因此出口610℃偏高,重新假设t2=605℃,重复表7-7以下内容。

返回实际转化率为0.6623,平衡温距19.11℃,比较合适。

*单元5典型化工过程工艺计算38五、计算SO2的实际转化率*单元5典型化工过程工艺计算39六、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)物料衡算以1molSO2为计算基准，将转化炉一段进出口气体中各组分的物质的量列于如表7-10中。表7-10含有、x项的一段进出口气体中各组分的物质的量明细表

(2)热量衡算为便于计算,采用与图7-12相同的计算途径

组分入口出口N23.763.76O2110.5xSO211xSO30x合计4.764.760.5x若忽略反应过程热损失,则:HR=H1+H2=0若考虑反应过程热损失,则:HR=H1+H2=Q损或H1+H2=0任务2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39六、计算空气过剩系数、SO*单元5典型化工过程工艺计算40六、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Ⅰ）H1的计算

Ⅱ）H2的计算

将出口气体的cp,i查出,将ni、cp,i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(T22T12)+6.272105(T21T11)]x由H1+H2=0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)]①转化炉一段进出口温度一定情况下,空气过剩系数与SO2转化率之间的关系②转化炉一段进口温度、SO2转化率一定情况下,空气过剩系数与一段出口温度之间的关系

H1=(101342+9.25T1)xJ任务2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40六、计算air过剩系数,S*单元5典型化工过程工艺计算41六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系①转化炉一段进出口T一定,Air过剩系数与SO2转化率之间关系函数1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于计算SO2的转化率。函数2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于计算空气过剩系数。函数3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)计算反应热的利用率。

*单元5典型化工过程工艺计算41六、计算air过剩系数、S*单元5典型化工过程工艺计算42六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系①转化炉一段进出口T一定,Air过剩系数与SO2转化率之间关系函数1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于计算SO2的转化率。函数2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于计算空气过剩系数。函数3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)计算反应热的利用率。

任务2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42六、计算air过剩系数、S*单元5典型化工过程工艺计算43六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系①转化炉一段进出口T一定,Air过剩系数与SO2转化率之间关系函数1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于计算SO2的转化率。函数2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于计算空气过剩系数。函数3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)计算反应热的利用率。

任务2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43六、计算air过剩系数、S*单元5典型化工过程工艺计算44六、计算air过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系②转化炉一段进口T、SO2转化率一定,air过剩系数与一段出口T之间的关系A1T23+A2T22+A3T2+A4=0

A1=3.223103+1.012102+7.609103x

A2=13.47+134.801.09x

A4=4.267105+1.674105+6.272105xA3=[A1T12+A2T1+(1013429.25T1)x+A4/T1]

SO3T2_AT1X(A,T1,X,Ex),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7-12中。

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,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44六、计算air过剩系数、S*单元5典型化工过程工艺计算45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*单元5典型化工过程工艺计算45任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算46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:①原料气制造②原料气净化③压缩,合成(2)典型流程①以固体煤为原料的中小型合成厂流程*单元5典型化工过程工艺计算46任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算47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:①原料气制造②原料气净化③压缩,合成(2)典型流程②以天然气、轻烃为原料的大型合成厂流程*单元5典型化工过程工艺计算47任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算48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③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48任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算49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①CO变换反应:CO+H2O(g)⇌CO2+H2h298=－41.19kJ/mol☆特点:可逆,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!②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*单元5典型化工过程工艺计算49任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算50一、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反应后ya-yax

b-yax

yc+yax

yd+yax1-ya-yc-yd1+yax1+b△当原料气中含O2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+b*单元5典型化工过程工艺计算50一、CO变换工艺简介(3)*单元5典型化工过程工艺计算51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②实际变换率(x)计算举例:已知干半水煤气流量为2000kmol/h,其mol%组成如下表:成份COH2CO2N2变换前26401321100变换后干变换气中CO为2.10%,求变换率及干变换气量和组成?解:n变=n半(1+xyco)=2000(1+0.90030.26)=2468.2kmol/h

yH2=(yH2+xyco)/(1+xyco)=(0.40+0.90030.26)/(1+0.90030.26)=0.5138yCO2=(yCO2+xyco)/(1+xyco)=(0.13+0.90030.26)/(1+0.90030.26)=0.2950yN2=yN2/(1+xyco)=0.21/(1+0.90030.26)=0.1702检验:yCO2+yH2+yCO2+yN2=0.021+0.5138+0.2950+0.1702=1*单元5典型化工过程工艺计算51任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算52一、CO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!③平衡变换率: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

yd1yaybycyd1yb1平衡yax*ya

ybx*ya

yc+x*ya

yd+x*ya1yaybycyd1+x*yayb1展开上式得:(Kp1)ya2(x*)2[Kp(ya+yb)+(yc+yd)]yax*+(Kpyaybycyd)=0任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图*单元5典型化工过程工艺计算52一、CO变换工艺简介思考:*单元5典型化工过程工艺计算53一、CO变换工艺简介③平衡变换率(x*)△原料气中不存在O2时展开上式得:(Kp1)ya2(x*)2[Kp(ya+yb)+(yc+yd)]yax*+(Kpyaybycyd)=0令:W=(Kp1),U=Kp(ya+yb)+(yc+yd),V=Kpyaybycyd

Wya2(x*)2Uyax*+V=0平衡常数计算经验公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.6781410-6T2-36.72508当t=300~520℃:lnKp=4575/Te-4.33 (5-20)任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图*单元5典型化工过程工艺计算53一、CO变换工艺简介③平衡*单元5典型化工过程工艺计算54一、CO变换工艺简介③平衡变换率(x*)△原料气中不存在O2时展开上式得:(Kp1)ya2(x*)2[Kp(ya+yb)+(yc+yd)]yax*+(Kpyaybycyd)=0令:W=(Kp1),U=Kp(ya+yb)+(yc+yd),V=Kpyaybycyd

Wya2(x*)2Uyax*+V=0平衡常数计算经验公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.67814106T2-36.72508

计算步骤:步骤1:由T(K)求出Kp步骤2:由入口半水煤气湿基组成分别求出W,U,V步骤3:由计算式求出x*

任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图*单元5典型化工过程工艺计算54一、CO变换工艺简介③平衡*单元5典型化工过程工艺计算55一、CO变换工艺简介③平衡变换率(x*)△原料气中存在O2时展开上式得:(Kp1)ya2(x*)2[Kp(ya+yb)+(yc+yd)+2yo(Kp1)]yax*+(Kpyaybycyd+2Kpyayo+2ycyo)=0令:W=(Kp1),U=Kp(ya+yb)+(yc+yd)+2yo(Kp1),V=Kpyaybycyd+2yo(Kpya+yc)Wya2(x*)2Uyax*+V=0

CO+H2O⇌CO2+H2干湿开始yaybycyd1yb1平衡yax*yaybx*ya+2yoyc+x*yayd+x*ya2yo1+x*yayb3yo1yo任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图*单元5典型化工过程工艺计算55一、CO变换工艺简介③平衡*单元5典型化工过程工艺计算56任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图③平衡变换率(x*)上例中H2O/CO=3(mol比),变换炉出口温度为360℃,求对应的平衡变换率和平衡温距?(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)

解:对应1mol干气,加入的水蒸气量为:30.26=0.78mol将进口干基组成化为湿基组成如下:如CO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

0.146070.224720.073030.117980.438200.561801.00lgKp=3994.704/T+12.220227lgT0.004462T+0.67814106T236.72508将T=360+273.15=633.15代入上式得:lgKp=1.265957Kp=18.44834W=Kp1=17.44834、U=Kp(ya+yb)+(yc+yd)=11.07656、V=Kpyaybycyd=1.164412*单元5典型化工过程工艺计算56任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算57任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图③平衡变换率(x*)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Jp=0.35623×0.20454/(0.01456×0.30669)=16.3177370.55℃平衡温距:370.55-360=10.55℃☆平衡温距一般设计时大于20℃,实际生产中一般控制在16~20℃左右;☆平衡温距大,说明催化剂活性好;☆平衡温距大,说明反应器推动力大,尚有反应余力;☆最佳反应温度Tm:可逆放热反应速度最快时对应的温度*单元5典型化工过程工艺计算57任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算58任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图(4)实际变换反应设备——变换炉实际生产过程中,当干原料气中yCO＞11%时,变换炉必须分段,目前大多采用2~3段中温变换。如图A为两段段间用冷激水直接冷激降温中变炉,图B为两段段间采用间接冷却方式降温的中变炉。一、CO变换工艺简介*单元5典型化工过程工艺计算58任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算59任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图二、

确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5-8已知某厂变换系统操作压力为1.8MPa,采用两段变换。变换炉一段入口干气的温度t1=380℃,入口气体中H2O(g)/CO=3(mol比),入口气体的干基组成如下:组成COH2N2CO2CH4Armol%28.3040.0021.709.300.500.20100.00若变换催化剂最高允许温度为500℃，试确定此变换炉一段的工艺条件。

任务分析：变换炉一段工艺条件主要是指一段出口温度、一段变换率。

*单元5典型化工过程工艺计算59任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算60任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图二、确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5-8求解步骤步骤1:先以变换炉一段出口500℃为限,进行热量衡算，计算出一段出口变换率x1、一段出口气体组成；步骤2:由一段出口组成，计算出对应的平衡温度Te1，用平衡温距（T=Te–T2）检验，若T≥15~20℃，则符合要求，继续以下步骤，否则调整变换率，即以一较前计算值小些的x重新计算一段出口组成，直到满足平衡温距的要求；步骤3：计算一段操作线、平衡线、最佳反应温度线；

步骤4：将一段操作线、平衡线、最佳反应温度线绘于同一t~x图，至此完成任务。

*单元5典型化工过程工艺计算60任务3计算并绘制合成氨厂*单元5典型化工过程工艺计算61二、

确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5-8解:(1)变换炉一段物料衡算以100kmol入一段干原料气为计算基准,由入口气体中H2O(g)/CO=3(mol比),可得入口湿气组成,并将一段进出口气体中各组分的物质的量列于表5-12中。表5-12变换炉一段进出气体中各组分的物质的量明细表组分一段入口一段出口kmol数湿气mol%分压/MPakmol数湿气mol%CO28.315.31%0.2755028.3(1-x)28.3(1-x)/184.9H24021.63%0.3894040+28.3x(40+28.3x)/184.9N221.711.74%0.2112521.711.74%CO29.35.03%0.090549.3+28.3x(9.3+28.3x)/184.9CH40.50.27%0.004870.50.270%Ar0.20.11%0.001950.20.108%H2O84.945.92%0.8265084.9-28.3x(84.9-28.3x)/184.9合计184.9100.00%1.80000

任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图*单元5典型化工过程工艺计算61二、确定变换炉一段出口温*单元5典型化工过程工艺计算62二、确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5-8解:(2)变换炉一段热量衡算以出口温度500℃为计算基准,计算途径如图7-15所示。

思考:能否采用先反应后升温?即：HR=

H1+H2=0即：HR=H1+

H2=0①H1的计算由于变换系统操作压力为1.8MPa,已非常压,因此在显热计算时需考虑压力对cp的影响,即此时的cp不仅是温度的函数,同时也是压力的函数。若采用先反应的方法,则产物的mol分率中含未知数x,这样无法计算各组分分压。此处推荐采用cp=f(T,p)的经验公式,原料气中各组分cp=f(T,p)的经验公式如下:任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图*单元5典型化工过程工艺计算62二、确定变换炉一段出口温度*单元5典型化工过程工艺计算63二、确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5-8cp=f(T,p)的经验公式注意:公式中分压单位MPa,cp=f(T,p)单位cal/(molK),具体时还需乘换算因子4.184将单位换算为J/(molK)。∴H1=768329.10kJ*单元5典型化工过程工艺计算63二、确定变换炉一段出口温度*单元5典型化工过程工艺计算64二、确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5-8②H2的计算

由式（5-21）计算出1kmolCO反应热为：h2=–37309.24kJ/kmolH2=28.3(–37309.24)0.97x=–1024175.99x

由H1+H2=0得：768329.10=–1024175.99x,解得：x=0.7502(3)出口平衡温度和平衡温距检验将变换率x=0.7502代入表5-12一段出口kmol数和湿气mol%组成表达式中进行计算，所得结果列于表5-13。

组分kmolmol%组分kmolmol%CO7.0703.823%CH40.5000.270%H261.23033.115%Ar0.2000.108%N221.70011.736%H2O63.67034.435%CO230.53016.512%合计184.900100.000%*单元5典型化工过程工艺计算64二、确定变换炉一段出口温度*单元5典型化工过程工艺计算65二、确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5-8(3)出口平衡温度和平衡温距检验组分kmolmol%组分kmolmol%CO7.0703.823%CH40.5000.270%H261.23