现代化工计算单元5典型化工过程工艺计算教材.ppt
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1、*,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4 CO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,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
2、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,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,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
3、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=2108.5 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=H硫磺=H1+H2+H3,*,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+29.121
4、03T kJ/(kmolK)hv=1727kJ/kmolcp,l=45.03216.636103T kJ/(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,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=5.397104 kJ,H硫磺=Hi=7.321104+5.397104+2.528104=15.246105 kJ 蒸汽消耗量m为:,*,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:7
5、6.111031.8397104=1.4002103 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: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,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
6、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,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=MS ns=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
7、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,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
8、数4105,即:硫磺用量:326.534105106=130.6千吨空气用量:1632.654105=6.531108 m3(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,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
9、论用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,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,任务2 硫磺制酸过程物
10、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,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+HR+H3=0 若考虑热损失,则:H=H1+H2+HR+H3=Q损或 H
11、=H1+H2+HR+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,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。,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=15.246105 kJ/1000kg硫磺=4.879103 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+4.184103T1.674105T2
12、J/(molK)N2:cp=27.87+4.268103T J/(molK),=1.0507104 J/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,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-1.012102Ta2-1.6740105Ta1)J/molS,HR0的计算,查得SO2(g),S(单斜)标准生成焓分别为:296.830 kJ/mol、0.2971 kJ/molHR0=296.8300.2971=297
13、.1271 kJ/mol硫磺H3的计算 由三部分构成,分别是(1)mol O2、3.762 mol N2、1mol SO2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+1.063102T5.941105T2 J/(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,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H3的计算,经整理后得:,H3=(134.80Tg+1.012102Tg2+1.674105Tg1)41652.95+13.47Tg+3.223103Tg2+
14、4.267105Tg15.7337103 J/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,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+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=1.012102+3.223103 A2=134.80+13.47 A3=-1.0612104-297127.1-(134.80Ta+1.01210-2Ta2+1.6740105Ta-1)A4=1.6740105+4.267105
15、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。,*,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,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。
16、,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12.4之间,炉气出口温度平均下降10左右。,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,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
17、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,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=1008.3 kJ/kg、hg=2804 kJ/kgH水=m(hghl)=m(28041008.3)=1795.7m kJ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
18、工过程工艺计算,23,四、计算废热锅炉的产汽量,例5-4,=1.959105 J=1.959102 kJ,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,例5-4,H气=1.959105 J=1.959102 kJ 当锅炉绝热,即热效率为100%时,锅炉产汽量:m=1.959102/1795.7=0.10907 kg/mol硫磺 折合成小时产汽量:mT=0.109071.8397104103/32=6.271104 kg/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
19、,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1015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
20、 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,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,28,五、计算SO2的实际转化率和平
21、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,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,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Dim X0,ESP,KP,A1,A2,A3,A4,p0 As Double
22、 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*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,*,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
23、:lgKp=4812.3/T-2.8245lgT+2.28410-3T-7.02107T2+1.19710-10T3+2.23(5-13A)当反应温度在400700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,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,31,五、计算SO
24、2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,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
25、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1mol SO2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 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,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,热量衡算(方法一先反应后升温)为便于计算,现设
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