現(xiàn)代化工計(jì)算單元5典型化工過程工藝計(jì)算教材課件

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算1任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖任務(wù)4CO變換爐催化劑用量計(jì)算任務(wù)5空氣性質(zhì)與典型過程物料、能量衡算任務(wù)6精餾設(shè)計(jì)與嚴(yán)格模擬單元5典型化工過程工藝計(jì)算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算1任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能*單元5典型化工過程工藝計(jì)算2知識(shí)目標(biāo)：熟悉硫磺制酸的步驟、原理。技能目標(biāo)：能用Excel核算硫磺制酸過程中的典型工藝參數(shù)和主要消耗指標(biāo)。一、

計(jì)算熔硫釜的蒸汽消耗量二、

根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)計(jì)算原料硫磺、空氣、水的消耗量三、

計(jì)算焚硫過程中空氣過剩系數(shù)與爐氣組成、爐氣溫度之間的關(guān)系四、

計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率六、

計(jì)算空氣過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口溫度之間的關(guān)系任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算2知識(shí)目標(biāo)：熟悉硫磺制酸的步驟*單元5典型化工過程工藝計(jì)算3任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算☆硫磺制酸工藝過程簡介圖5-29硫磺制酸生產(chǎn)流程圖1-焚硫爐；2-廢熱鍋爐；3-省煤-過熱器；4-第二過熱器；5-轉(zhuǎn)化器；6-第一換熱器；7-第一吸收塔；8-第二吸收塔；9，10，14-冷卻器；11，12，15-酸貯槽；13-干燥塔；16-鼓風(fēng)機(jī)*單元5典型化工過程工藝計(jì)算3任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能*單元5典型化工過程工藝計(jì)算4任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算一、計(jì)算熔硫釜的蒸汽消耗量

例5-3加入熔硫釜中的硫磺溫度為常溫t0,熔硫采用0.5MPa的飽和蒸汽,最終將硫磺加熱至140℃的液態(tài),假設(shè)熔硫釜的熱效率1為95%,試計(jì)算處理1000kg硫磺需多少kg0.5MPa的飽和蒸汽?解：以1000kg硫磺為計(jì)算基準(zhǔn)，以整個(gè)熔硫釜為體系假設(shè)蒸汽消耗量為mkg，則由穩(wěn)流體系能量平衡方程可得：1mh蒸汽+H硫磺=0由水蒸氣查得：h蒸汽=2108.5kJ/kg硫磺由常溫(取t0=25℃)加熱至140℃液態(tài),經(jīng)歷過程如圖7-7所示。Q吸熱=H硫磺=H1+H2+H3

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算4任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能*單元5典型化工過程工藝計(jì)算5任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算一、計(jì)算熔硫釜的蒸汽消耗量

Q吸熱=H硫磺=H1+H2+H3

H2=nhv

查有關(guān)手冊(cè)可得：cp,s=14.90+29.12103TkJ/(kmolK)hv=1727kJ/kmolcp,l=45.03216.636103TkJ/(kmolK)n=1000/32=31.25kmol

將上述數(shù)據(jù)代入H1、H2、H3的計(jì)算式得：

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算5任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能*單元5典型化工過程工藝計(jì)算6任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算一、計(jì)算熔硫釜的蒸汽消耗量

Q吸熱=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為：

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算6任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能*單元5典型化工過程工藝計(jì)算7任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算蒸汽消耗量為：

76.111031.8397104=1.4002103kg/h一、計(jì)算熔硫釜的蒸汽消耗量對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過程中熔硫釜蒸汽消耗量,可根據(jù)硫酸產(chǎn)量、硫磺純度、SO2的轉(zhuǎn)化率、SO3的吸收率等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。如：年產(chǎn)400kt純硫酸裝置，若硫磺純度、SO2的轉(zhuǎn)化率、SO3的吸收率分別為0.995、0.996、0.995，一年按300天計(jì)，則該硫酸裝置每小時(shí)原料硫磺消耗量為：

返回*單元5典型化工過程工藝計(jì)算7任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能*單元5典型化工過程工藝計(jì)算8二、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算原料硫磺、空氣、水的消耗量

(3)吸收塔中的反應(yīng)在整個(gè)硫磺制酸過程中,所涉及的化學(xué)反應(yīng)較少,主要反應(yīng)如下:(1)焚硫爐中的反應(yīng)

S+O2==SO2 (5-7)(2)轉(zhuǎn)化器中的反應(yīng)SO3+H2O==H2SO4

將上述三個(gè)反應(yīng)合成一個(gè)總反應(yīng):任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算8二、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算原料硫*單元5典型化工過程工藝計(jì)算9二、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算原料硫磺、空氣、水的消耗量解：以1000kg純硫酸為計(jì)算基準(zhǔn)由硫平衡可得所需硫磺的物質(zhì)的量數(shù)(ns)為：ns=1000/98=10.204kmol折合為硫磺質(zhì)量數(shù)(ms)為：ms=MSns=3210.204=326.53kg由式(5-10)得所需的純水的物質(zhì)的量數(shù)與硫磺的物質(zhì)的量數(shù)相同，故所需的水的質(zhì)量數(shù)(m水)為：m水=M水

ns=1810.204=183.67kg由式(5-10)得所需理論耗氧量為硫磺物質(zhì)的量的1.5倍,即：n氧=1.5ns=1.510.204=15.306kmol折合成純空氣理論量(nair)為：nair=n氧/0.21=15.306/0.21=72.866kmol例5-4試計(jì)算年產(chǎn)400千噸純硫酸的裝置，原料硫磺、空氣、水的理論消耗量。

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算9二、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算原料硫*單元5典型化工過程工藝計(jì)算10二、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算原料硫磺、空氣、水的消耗量解：以1000kg純硫酸為計(jì)算基準(zhǔn)通常氣體的數(shù)量采用標(biāo)準(zhǔn)立方米表示，故：Vair=22.4nair=22.472.866=1632.65m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))對(duì)于一個(gè)年產(chǎn)400千噸純硫酸的工廠,以上各原料理論消耗量只需乘系數(shù)4105，即：硫磺用量：326.534105106=130.6千噸空氣用量：1632.654105=6.531108m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))純水用量：183.674105106=73.47千噸☆對(duì)于以上各原料的實(shí)際消耗量,不同的生產(chǎn)廠家由于具體的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程有所不同，會(huì)存在一定的差別，需具體對(duì)待。如空氣過剩量的不同，實(shí)際空氣的消耗量也就不同。例5-4試計(jì)算年產(chǎn)400千噸純硫酸的裝置，原料硫磺、空氣、水的理論消耗量。

返回任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算10二、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算原料*單元5典型化工過程工藝計(jì)算11三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系以1mol純硫磺為計(jì)算基準(zhǔn)，則：

理論用O2量：n氧,理=ns=1mol實(shí)際用O2量：n氧,實(shí)=ns=mol實(shí)際帶入N2量：n氮,實(shí)=(0.79/0.21)=3.762mol反應(yīng)后爐氣中各組分的量列于表7-1。

☆在實(shí)際生產(chǎn)過程中,為了充分利用原料硫磺,都采用空氣過剩的生產(chǎn)方法,即硫磺為限制反應(yīng)物,空氣為過量反應(yīng)物?！羁諝膺^量的程度通常用空氣過剩系數(shù)()表示，其值為實(shí)際空氣用量與理論空氣用量的比值。(1)空氣過剩系數(shù)與爐氣組成的關(guān)系爐氣組份O2N2SO2合計(jì)各組份mol數(shù)13.76214.762mol%(1)/(4.762)3.762/(4.762)=79.001/(4.762)100.00任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算11三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算12三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系(1)空氣過剩系數(shù)與爐氣組成的關(guān)系air過剩系數(shù)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合計(jì)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%合計(jì)100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算12三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算13三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系(1)空氣過剩系數(shù)與爐氣組成的關(guān)系將上述數(shù)據(jù)中SO2的mol%濃度與O2的mol%濃度之間的關(guān)系可通過Excel繪成如圖7-9所示的關(guān)系線。

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算13三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算14三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系(2)空氣過剩系數(shù)與爐氣溫度之間的關(guān)系為便于計(jì)算，設(shè)計(jì)如下圖所示的計(jì)算途徑。

若反應(yīng)系統(tǒng)絕熱良好，不考慮熱損失，則：

H=H1+H2+HR?+H3=0若考慮熱損失，則：

H=H1+H2+HR?+H3=Q損或H=H1+H2+HR?+H3=0任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算14三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算15三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系☆以絕熱反應(yīng)為例計(jì)算空氣過剩系數(shù)與爐氣溫度Tg之間的關(guān)系。

①H1的計(jì)算此過程的計(jì)算剛好是圖5-30所示的相反過程,由例5-3知,H1=–15.246105kJ/1000kg硫磺=–4.879103J/mol硫磺②H2的計(jì)算兩部分構(gòu)成,molO2、3.762molN2,都由Ta=373.15K降到298.15K時(shí)放出的熱量。查得O2、N2的cp=f(T)數(shù)據(jù)如下：

O2：cp=29.96+4.184103T1.674105T2J/(molK)N2：cp=27.87+4.268103TJ/(molK)=1.0507104J/mol硫磺

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算15三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算16三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系☆以絕熱反應(yīng)為例②H2的計(jì)算也可將H2整理成含入爐空氣溫度Ta、空氣過剩系數(shù)的函數(shù)式:

H2=(41652.95-134.80Ta-1.012102Ta2-1.6740105Ta1)J/molS③HR0的計(jì)算查得SO2(g),S(單斜)標(biāo)準(zhǔn)生成焓分別為:

296.830kJ/mol、0.2971kJ/molHR0=296.8300.2971=297.1271kJ/mol硫磺④H3的計(jì)算由三部分構(gòu)成,分別是(1)molO2、3.762molN2、1molSO2都由T0=298.15K升溫到Tg

時(shí)吸收的熱量。查得SO2的cp=f(T)數(shù)據(jù)如下：

SO2：cp=43.43+1.063102T5.941105T2J/(molK)任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算16三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算17三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系☆以絕熱反應(yīng)為例④H3的計(jì)算經(jīng)整理后得：

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

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

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算17三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算18三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系☆以絕熱反應(yīng)(=100%)為例將上述各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果代入H=H1+H2+

HR?+H3=0,經(jīng)整理后得含有Tg的一元三次非線性方程: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

將Ta=373.15K、焚硫過程絕熱條件下不同的值代入上式，計(jì)算所得結(jié)果列于表7-3中。

空氣過剩系數(shù)11.21.41.61.822.22.4爐氣出口溫度Tg(K)2048.21821.01647.91511.81401.91311.31235.41170.8爐氣出口溫度tg(℃)1774.81547.51374.51238.41128.51038.0962.1897.5*單元5典型化工過程工藝計(jì)算18三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算19三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系☆以絕熱反應(yīng)為例利用Excel將表5-4中數(shù)據(jù)之間關(guān)系繪制成曲線,如圖5-34所示。圖5-34的曲線由Excel回歸可得:tg=165.333+1158.723051.2+3829.1℃

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算19三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算20三、計(jì)算焚硫過程中air過剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系☆取熱損失為反應(yīng)熱的1%(=99%)時(shí)，空氣過剩系數(shù)與爐氣出口溫度的關(guān)系如表7-4所示。由Excel回歸可得：tg=164.173+1150.423028.4+3798.8℃由表5-4、5-5的數(shù)據(jù)可看出,當(dāng)熱損失取標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的1%時(shí),空氣過剩系數(shù)從1~2.4之間,爐氣出口溫度平均下降10℃左右。返回空氣過剩系數(shù)11.21.41.61.822.22.4爐氣出口溫度Tg(K)2033.61808.11636.51501.41392.51302.71227.41163.4爐氣出口溫度tg(℃)1760.11534.71363.01228.01119.11029.3954.1890.1任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算20三、計(jì)算焚硫過程中air過*單元5典型化工過程工藝計(jì)算21四、

計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量

例5-5試計(jì)算以硫磺為原料,年產(chǎn)400kt純硫酸的生產(chǎn)裝置中廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量。假設(shè)鍋爐給水壓力為3MPa的飽和水。取表5-3、5-5中空氣過剩系數(shù)為2.1、熱損失為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的1%的數(shù)據(jù)為計(jì)算基準(zhǔn)。

解:以整個(gè)廢熱鍋爐為計(jì)算體系,以1mol進(jìn)入焚燒爐的硫磺為計(jì)算基準(zhǔn),由能量平衡方程可得:

H水+H氣=Q損、H水=m(hghl)或任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算21四、計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量*單元5典型化工過程工藝計(jì)算22四、

計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量

例5-4由水蒸氣表查得3MPa飽和水、飽和蒸汽的焓:hl=1008.3kJ/kg、hg=2804kJ/kgH水=m(hghl)=m(28041008.3)=1795.7mkJ計(jì)算爐氣溫度由990.11℃降至420℃的焓變。若采用將爐氣作為整體計(jì)算的方法，則為了便于計(jì)算，可先將爐氣中各組分的mol分率、cp,i中的各項(xiàng)系數(shù)值列于表5-6中，利用Excel計(jì)算出爐氣的cp,氣再進(jìn)行計(jì)算。

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算22四、計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量*單元5典型化工過程工藝計(jì)算23四、

計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量

例5-4=1.959105J=1.959102kJ組分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合計(jì)100.00%29.6564.895E-03-7.782E+040任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算23四、計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量*單元5典型化工過程工藝計(jì)算24四、

計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量

例5-4H氣=1.959105J=1.959102kJ當(dāng)鍋爐絕熱，即熱效率為100%時(shí)，鍋爐產(chǎn)汽量：

m=1.959102/1795.7=0.10907kg/mol硫磺

折合成小時(shí)產(chǎn)汽量：

mT=0.109071.8397104103/32=6.271104kg/h若考慮熱損失，如取熱效率為90%時(shí)，則折合成小時(shí)產(chǎn)汽量：

mT=6.27110490%=5.644104kg/h返回任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算24四、計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量*單元5典型化工過程工藝計(jì)算25五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆平衡溫距:就是指反應(yīng)器實(shí)際出口溫度(T)與實(shí)際組成所對(duì)應(yīng)的平衡溫度(T*)之間的差值，對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，氣體實(shí)際出口溫度小于實(shí)際組成所對(duì)應(yīng)的平衡溫度，所以平衡溫距為:T=T*T (5-11A)若為可逆吸熱反應(yīng)，則平衡溫距為:T=TT* (5-11B)☆通常情況下，為了能保證實(shí)際反應(yīng)設(shè)備有一定的反應(yīng)推動(dòng)力，從而能保證實(shí)際生產(chǎn)過程中有一定的反應(yīng)速率，一般要求反應(yīng)器最終出口處的平衡溫距在10~15℃左右，反應(yīng)器中其余各段催化劑床層出口的平衡溫距在20℃左右?！钏伎?平衡溫距大小意味著什么?任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算25五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算26五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算反應(yīng)前氣體中SO2摩爾百分比濃度為a、O2摩爾百分比濃度為b、則N2為100-a-b

假設(shè)開始反應(yīng)時(shí)系統(tǒng)中不存在SO3

各氣體的平衡分壓為:任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算26五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算27五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

假設(shè)開始反應(yīng)時(shí)系統(tǒng)中不存在SO3

或由Kp表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo),將各分壓表達(dá)式代入即可得

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算27五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算28五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

假設(shè)開始反應(yīng)時(shí)系統(tǒng)中不存在SO3

展開以上表達(dá)式:

假設(shè)開始反應(yīng)時(shí)系統(tǒng)中存在SO3，設(shè)其摩爾百分比濃度為c

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算28五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算29五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

假設(shè)開始反應(yīng)時(shí)系統(tǒng)中存在SO3時(shí)SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算函數(shù)PublicFunctionH2SO4XT(A,B,C,T,p)AsDouble'二氧化硫氧化為三氧化硫平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算'A,B,C分別表示入口氣體中二氧化硫,氧氣,三氧化硫的摩爾百分率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任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算29五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算30五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

平衡常數(shù)Kp的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

展開以上表達(dá)式:lgKp=4812.3/T-2.8245lgT+2.28410-3T-7.02107T2+1.19710-10T3+2.23(5-13A)當(dāng)反應(yīng)溫度在400~700℃時(shí),可采用簡化經(jīng)驗(yàn)方程式,如式(5-13B)。lgKp=4905.5/T4.6455 (5-13B)例5-6已知轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)、出氣體的各組分mol%如下

組分O2N2SO2SO3合計(jì)一段進(jìn)口氣體%11.00%79.00%10.00%0100.00%一段出口氣體%7.96%81.70%3.52%6.83%100.00%試計(jì)算轉(zhuǎn)化爐一段中SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率？分析：此類型的計(jì)算屬于物料衡算,可假設(shè)某一進(jìn)口氣體量,再由聯(lián)系組分即N2的摩爾組成計(jì)算出出口氣體量,然后由出口氣體中SO3的含量計(jì)算出反應(yīng)掉SO2的含量。任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算30五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算31五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-6解:以100kmol進(jìn)口氣體為基準(zhǔn)則由聯(lián)系組分即N2的摩爾組成得一段出口氣量為:出口氣體中SO3量:因SO2反應(yīng)生成等量的SO3,故反應(yīng)掉的SO2量也為6.6kmol,則一段催化劑床層中SO2的轉(zhuǎn)化率為:x=6.6/10.00=0.6600=66.00%任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算31五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算32五、

計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-7以表5-3中空氣過剩系數(shù)為2.1時(shí)的數(shù)據(jù)為例,計(jì)算當(dāng)床層一段進(jìn)口氣體溫度為420℃、出口溫度不得超過610℃時(shí),試計(jì)算:(1)該段催化劑中SO2的轉(zhuǎn)化率和一段出口氣體組成?(2)對(duì)應(yīng)實(shí)際反應(yīng)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率和平衡溫距?分析：此題中SO2轉(zhuǎn)化率的計(jì)算實(shí)際上屬于熱量衡算，此轉(zhuǎn)化率通常是將反應(yīng)視為在絕熱條件下進(jìn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)化率。解：以1molSO2為計(jì)算基準(zhǔn)

(1)計(jì)算該段催化劑中SO2的轉(zhuǎn)化率和一段出口氣體組成假設(shè)一段轉(zhuǎn)化率為x

①物料衡算

此過程計(jì)算較簡單，現(xiàn)將進(jìn)出口物料量列于表5-7中。

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算32五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化*單元5典型化工過程工藝計(jì)算33五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-7表5-7反應(yīng)器一段進(jìn)出口物料明細(xì)表

②熱量衡算(方法一先反應(yīng)后升溫)

為便于計(jì)算,現(xiàn)設(shè)計(jì)如圖5-36所示的計(jì)算途徑。組分一段入口一段出口mol數(shù)mol%mol數(shù)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)合計(jì)10.00100.0010.000.5x100.00思考:設(shè)計(jì)此途徑的條件是什么?-hR=92.253+2.35210-2T-43.78410-6T2+26.88410-9T3-6.90010-12T4kJ/mol-hR=101.342-9.25103TkJ/mol(400~700℃)*單元5典型化工過程工藝計(jì)算33五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率*單元5典型化工過程工藝計(jì)算34五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-7②熱量衡算即：HR=H1+H2=0Ⅰ）H1的計(jì)算-hR=92.253+2.352102693.15-43.784106693.152+26.884109693.153-6.9001012693.154

=94.880kJ/molH1=-94.880xkJⅡ）H2的計(jì)算

查得N2、O2、SO2的恒壓摩爾熱容數(shù)據(jù),

先分別計(jì)算1molN2、O2、SO2、SO3由t1=420℃升溫至t2=610℃的焓變h2i，再乘上各自的物質(zhì)的量數(shù)相加，由Excel計(jì)算之值如表5-8所示。

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算34五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率*單元5典型化工過程工藝計(jì)算35五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-7②熱量衡算表5-8由Excel計(jì)算的N2、O2、SO2、SO3由t1=420℃升溫至t2=610℃的焓變

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數(shù)2列×3列含x值2列×5列N2焓變5934.437.9046881.97

0.00O2焓變6266.991.106893.69-0.50-3133.50SO2焓變9659.131.009659.13-1.00-9659.13SO3焓變14508.000.000.001.0014508.00

63434.79

1715.37任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算35五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率*單元5典型化工過程工藝計(jì)算36五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-7②熱量衡算將x值代入表5-7計(jì)算得一段出口氣體組成列于表5-9中。

(2)計(jì)算對(duì)應(yīng)實(shí)際反應(yīng)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率和平衡溫距實(shí)際生產(chǎn)過程中,硫酸轉(zhuǎn)化通常在常壓下進(jìn)行,此處取p=1.1atm,此處利用自定義函數(shù)H2SO4XT計(jì)算。組分一段入口一段出口mol數(shù)mol%g數(shù)mol數(shù)mol%g數(shù)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合計(jì)10.00100.00320.4100.5x=9.6596100.00320.40任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算36五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率*單元5典型化工過程工藝計(jì)算37五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-7(2)計(jì)算對(duì)應(yīng)實(shí)際反應(yīng)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率和平衡溫距①利用自定義函數(shù)H2SO4XT計(jì)算平衡轉(zhuǎn)化率

xT=0.7036

②由表5-9一段出口氣體SO2、O2、SO3的摩爾分率可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的氣體分壓,代入式(5-8)對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)計(jì)算式得：由式(5-13B)得對(duì)應(yīng)的平衡溫度為:平衡溫距為：T=T*T2=890.91883.15=7.76K思考:此平衡溫距是否符合工藝要求?!

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算37五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率*單元5典型化工過程工藝計(jì)算38五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率

☆SO2平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算例5-7(2)計(jì)算對(duì)應(yīng)實(shí)際反應(yīng)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率和平衡溫距結(jié)論:T=T*T2=7.76K不符合工藝要求,一般要求在10~15℃,因此出口610℃偏高,重新假設(shè)t2=605℃,重復(fù)表7-7以下內(nèi)容。

返回實(shí)際轉(zhuǎn)化率為0.6623,平衡溫距19.11℃,比較合適。

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算38五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率*單元5典型化工過程工藝計(jì)算39六、計(jì)算空氣過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口溫度之間的關(guān)系

(1)物料衡算以1molSO2為計(jì)算基準(zhǔn)，將轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口氣體中各組分的物質(zhì)的量列于如表7-10中。表7-10含有、x項(xiàng)的一段進(jìn)出口氣體中各組分的物質(zhì)的量明細(xì)表

(2)熱量衡算為便于計(jì)算,采用與圖7-12相同的計(jì)算途徑

組分入口出口N23.763.76O2110.5xSO211xSO30x合計(jì)4.764.760.5x若忽略反應(yīng)過程熱損失,則:HR=H1+H2=0若考慮反應(yīng)過程熱損失,則:HR=H1+H2=Q損或H1+H2=0任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算39六、計(jì)算空氣過剩系數(shù)、SO*單元5典型化工過程工藝計(jì)算40六、計(jì)算air過剩系數(shù),SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口T之間的關(guān)系(2)熱量衡算Ⅰ）H1的計(jì)算

Ⅱ）H2的計(jì)算

將出口氣體的cp,i查出,將ni、cp,i代入上式經(jīng)積分整理后得: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經(jīng)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轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口溫度一定情況下,空氣過剩系數(shù)與SO2轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系②轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)口溫度、SO2轉(zhuǎn)化率一定情況下,空氣過剩系數(shù)與一段出口溫度之間的關(guān)系

H1=(101342+9.25T1)xJ任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算40六、計(jì)算air過剩系數(shù),S*單元5典型化工過程工藝計(jì)算41六、計(jì)算air過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口T之間關(guān)系①轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口T一定,Air過剩系數(shù)與SO2轉(zhuǎn)化率之間關(guān)系函數(shù)1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于計(jì)算SO2的轉(zhuǎn)化率。函數(shù)2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于計(jì)算空氣過剩系數(shù)。函數(shù)3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)計(jì)算反應(yīng)熱的利用率。

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算41六、計(jì)算air過剩系數(shù)、S*單元5典型化工過程工藝計(jì)算42六、計(jì)算air過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口T之間關(guān)系①轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口T一定,Air過剩系數(shù)與SO2轉(zhuǎn)化率之間關(guān)系函數(shù)1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于計(jì)算SO2的轉(zhuǎn)化率。函數(shù)2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于計(jì)算空氣過剩系數(shù)。函數(shù)3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)計(jì)算反應(yīng)熱的利用率。

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算42六、計(jì)算air過剩系數(shù)、S*單元5典型化工過程工藝計(jì)算43六、計(jì)算air過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口T之間關(guān)系①轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口T一定,Air過剩系數(shù)與SO2轉(zhuǎn)化率之間關(guān)系函數(shù)1:Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)用于計(jì)算SO2的轉(zhuǎn)化率。函數(shù)2:SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)用于計(jì)算空氣過剩系數(shù)。函數(shù)3:JS_SO2EX(A,X,T1,T2)計(jì)算反應(yīng)熱的利用率。

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算43六、計(jì)算air過剩系數(shù)、S*單元5典型化工過程工藝計(jì)算44六、計(jì)算air過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口T之間關(guān)系②轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)口T、SO2轉(zhuǎn)化率一定,air過剩系數(shù)與一段出口T之間的關(guān)系A(chǔ)1T23+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),計(jì)算在不同轉(zhuǎn)化率、熱利用率、空氣過剩系數(shù)情況下的出口溫度列于表7-12中。

返回空氣過剩系數(shù)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*單元5典型化工過程工藝計(jì)算44六、計(jì)算air過剩系數(shù)、S*單元5典型化工過程工藝計(jì)算45任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖知識(shí)目標(biāo)：熟悉合成氨廠CO變換反應(yīng)原理，掌握t-x圖的構(gòu)成。技能目標(biāo)：能用Excel計(jì)算CO變換率和氣體溫度，計(jì)算絕熱反應(yīng)操作線方程、平衡線方程和最佳反應(yīng)溫度線方程。能用Excel繪制CO變換反應(yīng)的t-x圖。一、CO變換工藝簡介二、

確定變換爐一段出口溫度和一段變換率三、

計(jì)算計(jì)算絕熱反應(yīng)操作線方程、平衡線方程和最佳反應(yīng)溫度線方程四、

采用Excel繪制CO變換爐一段t-x圖返回*單元5典型化工過程工藝計(jì)算45任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算46任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖一、CO變換工藝簡介(1)合成氨生產(chǎn)總體步驟:①原料氣制造②原料氣凈化③壓縮,合成(2)典型流程①以固體煤為原料的中小型合成廠流程*單元5典型化工過程工藝計(jì)算46任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算47任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖一、CO變換工藝簡介(1)合成氨生產(chǎn)總體步驟:①原料氣制造②原料氣凈化③壓縮,合成(2)典型流程②以天然氣、輕烴為原料的大型合成廠流程*單元5典型化工過程工藝計(jì)算47任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算48任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖一、CO變換工藝簡介(2)典型流程③以重油為原料的合成廠流程*單元5典型化工過程工藝計(jì)算48任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算49任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖一、CO變換工藝簡介(3)CO變換原理①CO變換反應(yīng):CO+H2O(g)?CO2+H2h298=－41.19kJ/mol☆特點(diǎn):可逆,放熱,等容,需Cat☆由于Cat具有優(yōu)良的選擇性,其它副反應(yīng)可忽略不計(jì)!☆反應(yīng)熱和平衡常數(shù)隨反應(yīng)溫度的升高都減少,故低溫有利于反應(yīng)平衡向正方向移動(dòng)!②實(shí)際變換率(x):反應(yīng)掉的CO量與反應(yīng)前的CO量(a=mol)的比值,此值的大小說明了反應(yīng)的程度。x=(a-b)/a☆實(shí)際生產(chǎn)中是根據(jù)變換前后干氣中CO的體積分率(mol分率)進(jìn)行計(jì)算*單元5典型化工過程工藝計(jì)算49任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算50一、CO變換工藝簡介(3)CO變換原理☆實(shí)際變換率x,采用干基為計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)△當(dāng)原料氣中不含O2時(shí)

CO+H2O(g)?CO2+H2惰性氣體干總濕總反應(yīng)前ya

b

yc

yd1-ya-yc-yd11+b反應(yīng)后ya-yax

b-yax

yc+yax

yd+yax1-ya-yc-yd1+yax1+b△當(dāng)原料氣中含O2時(shí)

CO+H2O(g)?CO2+H2O2干總濕總反應(yīng)前ya

b

yc

ydyO211+b反應(yīng)后ya-yax

b-yax+2yO2

yc+yax

yd+yax-2yO201+yax-3yO21+b*單元5典型化工過程工藝計(jì)算50一、CO變換工藝簡介(3)*單元5典型化工過程工藝計(jì)算51任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖一、CO變換工藝簡介(3)CO變換原理②實(shí)際變換率(x)計(jì)算舉例:已知干半水煤氣流量為2000kmol/h,其mol%組成如下表:成份COH2CO2N2變換前26401321100變換后干變換氣中CO為2.10%,求變換率及干變換氣量和組成?解:n變=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檢驗(yàn):yCO2+yH2+yCO2+yN2=0.021+0.5138+0.2950+0.1702=1*單元5典型化工過程工藝計(jì)算51任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算52一、CO變換工藝簡介思考:

實(shí)際變換率最大能否達(dá)到100%?受什么限制?不能達(dá)100%,受反應(yīng)平衡限制,最大變換率等于反應(yīng)條件下的平衡變換率!③平衡變換率:平衡時(shí)反應(yīng)掉的CO量與反應(yīng)前CO量的比值x*△原料氣中不存在O2時(shí)

CO+H2O?CO2+H2其它干濕開始ya

yb

yc

yd1yaybycyd1yb1平衡yax*ya

ybx*ya

yc+x*ya

yd+x*ya1yaybycyd1+x*yayb1展開上式得:(Kp1)ya2(x*)2[Kp(ya+yb)+(yc+yd)]yax*+(Kpyaybycyd)=0任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖*單元5典型化工過程工藝計(jì)算52一、CO變換工藝簡介思考:*單元5典型化工過程工藝計(jì)算53一、CO變換工藝簡介③平衡變換率(x*)△原料氣中不存在O2時(shí)展開上式得:(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平衡常數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.6781410-6T2-36.72508當(dāng)t=300~520℃:lnKp=4575/Te-4.33 (5-20)任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖*單元5典型化工過程工藝計(jì)算53一、CO變換工藝簡介③平衡*單元5典型化工過程工藝計(jì)算54一、CO變換工藝簡介③平衡變換率(x*)△原料氣中不存在O2時(shí)展開上式得:(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平衡常數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.67814106T2-36.72508

計(jì)算步驟:步驟1:由T(K)求出Kp步驟2:由入口半水煤氣濕基組成分別求出W,U,V步驟3:由計(jì)算式求出x*

任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖*單元5典型化工過程工藝計(jì)算54一、CO變換工藝簡介③平衡*單元5典型化工過程工藝計(jì)算55一、CO變換工藝簡介③平衡變換率(x*)△原料氣中存在O2時(shí)展開上式得:(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干濕開始yaybycyd1yb1平衡yax*yaybx*ya+2yoyc+x*yayd+x*ya2yo1+x*yayb3yo1yo任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖*單元5典型化工過程工藝計(jì)算55一、CO變換工藝簡介③平衡*單元5典型化工過程工藝計(jì)算56任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖③平衡變換率(x*)上例中H2O/CO=3(mol比),變換爐出口溫度為360℃,求對(duì)應(yīng)的平衡變換率和平衡溫距?(變換爐出口實(shí)際組成對(duì)應(yīng)的平衡溫度與實(shí)際出口溫度之間的差值)

解:對(duì)應(yīng)1mol干氣,加入的水蒸氣量為:30.26=0.78mol將進(jìn)口干基組成化為濕基組成如下:如CO濕基組成:ya=0.26/(1+0.78)=0.14607成份COH2CO2N2H2O干濕干組成0.260.400.130.21/1.00

濕組成

0.146070.224720.073030.117980.438200.561801.00lgKp=3994.704/T+12.220227lgT0.004462T+0.67814106T236.72508將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*單元5典型化工過程工藝計(jì)算56任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算57任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖③平衡變換率(x*)變換爐出口實(shí)際組成對(duì)應(yīng)的平衡溫度與實(shí)際出口溫度之間的差值Jp=0.35623×0.20454/(0.01456×0.30669)=16.3177370.55℃平衡溫距:370.55-360=10.55℃☆平衡溫距一般設(shè)計(jì)時(shí)大于20℃,實(shí)際生產(chǎn)中一般控制在16~20℃左右;☆平衡溫距大,說明催化劑活性好;☆平衡溫距大,說明反應(yīng)器推動(dòng)力大,尚有反應(yīng)余力;☆最佳反應(yīng)溫度Tm:可逆放熱反應(yīng)速度最快時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度*單元5典型化工過程工藝計(jì)算57任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算58任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖(4)實(shí)際變換反應(yīng)設(shè)備——變換爐實(shí)際生產(chǎn)過程中,當(dāng)干原料氣中yCO＞11%時(shí),變換爐必須分段,目前大多采用2~3段中溫變換。如圖A為兩段段間用冷激水直接冷激降溫中變爐,圖B為兩段段間采用間接冷卻方式降溫的中變爐。一、CO變換工藝簡介*單元5典型化工過程工藝計(jì)算58任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算59任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖二、

確定變換爐一段出口溫度和一段變換率例5-8已知某廠變換系統(tǒng)操作壓力為1.8MPa,采用兩段變換。變換爐一段入口干氣的溫度t1=380℃,入口氣體中H2O(g)/CO=3(mol比),入口氣體的干基組成如下:組成COH2N2CO2CH4Armol%28.3040.0021.709.300.500.20100.00若變換催化劑最高允許溫度為500℃，試確定此變換爐一段的工藝條件。

任務(wù)分析：變換爐一段工藝條件主要是指一段出口溫度、一段變換率。

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算59任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算60任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖二、確定變換爐一段出口溫度和一段變換率例5-8求解步驟步驟1:先以變換爐一段出口500℃為限,進(jìn)行熱量衡算，計(jì)算出一段出口變換率x1、一段出口氣體組成；步驟2:由一段出口組成，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平衡溫度Te1，用平衡溫距（T=Te–T2）檢驗(yàn)，若T≥15~20℃，則符合要求，繼續(xù)以下步驟，否則調(diào)整變換率，即以一較前計(jì)算值小些的x重新計(jì)算一段出口組成，直到滿足平衡溫距的要求；步驟3：計(jì)算一段操作線、平衡線、最佳反應(yīng)溫度線；

步驟4：將一段操作線、平衡線、最佳反應(yīng)溫度線繪于同一t~x圖，至此完成任務(wù)。

*單元5典型化工過程工藝計(jì)算60任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠*單元5典型化工過程工藝計(jì)算61二、

確定變換爐一段出口溫度和一段變換率例5-8解:(1)變換爐一段物料衡算以100kmol入一段干原料氣為計(jì)算基準(zhǔn),由入口氣體中H2O(g)/CO=3(mol比),可得入口濕氣組成,并將一段進(jìn)出口氣體中各組分的物質(zhì)的量列于表5-12中。表5-12變換爐一段進(jìn)出氣體中各組分的物質(zhì)的量明細(xì)表組分一段入口一段出口kmol數(shù)濕氣mol%分壓/MPakmol數(shù)濕氣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合計(jì)184.9100.00%1.80000

任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖*單元5典型化工過程工藝計(jì)算61二、確定變換爐一段出口溫*單元5典型化工過程工藝計(jì)算62二、確定變換爐一段出口溫度和一段變換率例5-8解:(2)變換爐一段熱量衡算以出口溫度500℃為計(jì)算基準(zhǔn),計(jì)算途徑如圖7-15所示。

思考:能否采用先反應(yīng)后升溫?即：HR=

H1+H2=0即：HR=H1+

H2=0①H1的計(jì)算由于變換系統(tǒng)操作壓力為1.8MPa,已非常壓,因此在顯熱計(jì)算時(shí)需考慮壓力對(duì)cp的影響,即此時(shí)的cp不僅是溫度的函數(shù),同時(shí)也是壓力的函數(shù)。若采用先反應(yīng)的方法,則產(chǎn)物的mol分率中含未知數(shù)x,這樣無法計(jì)算各組分分壓。此處推薦采用cp=f(T,p)的經(jīng)驗(yàn)公式,原料氣中各組分cp=f(T,p)的經(jīng)驗(yàn)公式如下:任務(wù)3計(jì)算并繪制合成氨廠CO變換反應(yīng)的t-x圖*單元5典型化工過程工藝計(jì)算62二、確定變換爐一段出口溫度*單元5典型化工過程工藝計(jì)算63二、確定變換爐一段出口溫度和一段變換率例5-8cp=f(T,p)的經(jīng)驗(yàn)公式注意:公式中分壓單位MPa,cp=f(T,p)單位cal/(molK),具體時(shí)還需乘換算因子4.184將單位換算為J/(molK)。∴H1=768329.10kJ*單元5典型化工過程工藝計(jì)算63二、確定變換爐一段出口溫度*單元5典型化工過程工藝計(jì)算64二、確定變換爐一段出口溫度和一段變換率例5-8②H2的計(jì)算

由式（5-21）計(jì)算出1kmolCO反應(yīng)熱為：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)出口平衡溫度和平衡溫距檢驗(yàn)將變換率x=0.7502代入表5-12一段出口kmol數(shù)和濕氣mol%組成表達(dá)式中進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果列于表5-13。

組分kmolmol%組分kmolmol%CO7.0703.823%CH40.5000.270%H261.23033.115%Ar0.2000.108%N221.70011.736%H2O63.67034.435%CO230.53016.512%合計(jì)184.900100.000%*單元5典型化工過程工藝計(jì)算64二、確定變換爐一段出口溫度*單元5典型化工過程工藝計(jì)算65二、確定變換爐一段出口溫度和一段變換率例5-8(3)出口平衡溫度和平衡溫距檢驗(yàn)組分kmolmol%組分kmolmol%CO7.0703.823%CH40.5000.270%H261.23