單元5任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料能量衡算

*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算1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(guò)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(guò)程中空氣過(guò)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(guò)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算2任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算☆硫磺制酸工藝過(guò)程簡(jiǎn)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(guò)熱器;4-第2過(guò)熱器;5-轉(zhuǎn)化器;6-第1換熱器;7,8-第1,2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)S+O2==SO2SO3+H2O==H2SO4

*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算3任務(wù)2硫磺制酸過(guò)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：

1m

h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(guò)程如圖5-30所示。Q吸熱=H硫磺=

H1+

H2+

H3

*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算4任務(wù)2硫磺制酸過(guò)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=n

hv

查有關(guān)手冊(cè)可得：cp,s=14.90+29.12

10

3TkJ/(kmol

K)

hv=1727kJ/kmolcp,l=45.032

16.636

10

3TkJ/(kmol

K)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(guò)程工藝計(jì)算5任務(wù)2硫磺制酸過(guò)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=n

hv=31.25

1727=5.397

104kJ

H硫磺=∑

Hi=7.321

104+5.397

104+2.528

104=15.246

104kJ蒸汽消耗量m為：

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

76.11

10

3

1.8397

104=1.4002

103kg/h一、計(jì)算熔硫釜的蒸汽消耗量對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(guò)程工藝計(jì)算7二、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(guò)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(5-9) 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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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=32

10.204=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=18

10.204=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=1.5

10.204=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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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)通常氣體的數(shù)量采用標(biāo)準(zhǔn)立方米表示，故：Vair=22.4nair=22.4

72.866=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)4

105，即：硫磺用量：326.53

4

105

10

6=130.6千噸空氣用量：1632.65

4

105=6.531

108m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))純水用量：183.67

4

105

10

6=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(guò)程有所不同，會(huì)存在一定的差別，需具體對(duì)待。如空氣過(guò)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算10三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)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)

=3.762

mol反應(yīng)后爐氣中各組分的量列于表5-2。

☆在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,為了充分利用原料硫磺,都采用空氣過(guò)剩的生產(chǎn)方法,即硫磺為限制反應(yīng)物,空氣為過(guò)量反應(yīng)物?！羁諝膺^(guò)量的程度通常用空氣過(guò)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(guò)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)

13.762

14.762

mol%(

1)/(4.762

)3.762

/(4.762

)=79.001/(4.762

)100.00任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算11三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系(1)空氣過(guò)剩系數(shù)與爐氣組成的關(guān)系air過(guò)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算12三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系(1)空氣過(guò)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(guò)Excel繪成如圖5-32所示的關(guān)系線。

任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算13三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)剩系數(shù)與爐氣組成、溫度之間的關(guān)系(2)空氣過(guò)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算14三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)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(guò)剩系數(shù)

與爐氣溫度Tg之間的關(guān)系。

①

H1的計(jì)算:此過(guò)程的計(jì)算剛好是圖5-30所示的相反過(guò)程,由例5-3知,

H1=–15.246

105kJ/1000kg硫磺=–4.879

103J/mol硫磺②

H2的計(jì)算:兩部分構(gòu)成,

molO2、3.762

molN2,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+4.184

10

3T

1.674

105T

2J/(mol

K)N2：cp=27.87+4.268

10

3TJ/(mol

K)=

1.0507

104

J/mol硫磺

任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算15三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)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②

H2的計(jì)算也可將

H2整理成含入爐空氣溫度Ta、空氣過(guò)剩系數(shù)

的函數(shù)式:

H2=(41652.95-134.80Ta-1.012

10

2Ta2-1.6740

105Ta

1)

J/molS③

HR0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/mol

HR0=

296.830

0.2971=

297.1271kJ/mol硫磺④

H3的計(jì)算:由三部分構(gòu)成,分別是(

1)molO2、3.762

molN2、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+1.063

10

2T

5.941

105T

2J/(mol

K)任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算16三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)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④

H3的計(jì)算經(jīng)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

103J/mol硫磺

任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算17三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)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=1.012

10

2

+3.223

10

3

A2=134.80

+13.47A3=-1.0612

104-297127.1

-(134.80Ta+1.012

10-2Ta2+1.6740

105Ta-1)

A4=1.6740

105

+4.267

105

將Ta=373.15K、焚硫過(guò)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5-4中。

空氣過(guò)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(guò)程工藝計(jì)算18三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)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=

165.33

3+1158.7

2

3051.2

+3829.1℃

任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算19三、計(jì)算焚硫過(guò)程中air過(guò)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(guò)剩系數(shù)與爐氣出口溫度的關(guān)系如表5-5所示。由Excel回歸可得：tg=

164.17

3+1150.4

2

3028.4

+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(guò)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(guò)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算20四、

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(guò)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(hg

hl)或任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算21四、

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/kg

H水=m(hg

hl)=m(2804

1008.3)=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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算22四、

計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量

例5-4=

1.959

105J=

1.959

102kJ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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算23四、

計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量

例5-4

H氣=

1.959

105J=

1.959

102kJ當(dāng)鍋爐絕熱，即熱效率為100%時(shí)，鍋爐產(chǎn)汽量：

m=1.959

102/1795.7=0.10907kg/mol硫磺

折合成小時(shí)產(chǎn)汽量：

mT=0.10907

1.8397

104

103/32=6.271

104kg/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：

m

T=6.271

104

90%=5.644

104kg/h返回任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算24五、

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=T

T* (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(guò)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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

☆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(kāi)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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

假設(shè)開(kāi)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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(kāi)始反應(yīng)時(shí)系統(tǒng)中不存在SO3

展開(kāi)以上表達(dá)式:任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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(kāi)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

展開(kāi)以上表達(dá)式:任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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(kāi)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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(kāi)以上表達(dá)式:lgKp=4812.3/T-2.8245lgT+2.284

10-3T-7.02

10

7T2+1.197

10-10T3+2.23(5-13A)當(dāng)反應(yīng)溫度在400~700℃時(shí),可采用簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)方程式,如式(5-13B)。lgKp=4905.5/T

4.6455 (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(lèi)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程計(jì)算較簡(jiǎn)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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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/(10.00

0.5x)O21.1011.001.10

0.5x(1.10

0.5x)/(10.000.5x)SO21.0010.001.00

x(1.00

x)/(10.000.5x)SO300xx/(10.00

0.5x)合計(jì)10.00100.0010.00

0.5x100.00思考:設(shè)計(jì)此途徑的條件是什么?-

hR=92.253+2.352

10-2T-43.784

10-6T2+26.884

10-9T3-6.900

10-12T4kJ/mol-

hR=101.342-9.25

10

3TkJ/mol(400~700℃)*單元5典型化工過(guò)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+2.352

10

2

693.15-43.784

10

6

693.152+26.884

10

9

693.153-6.900

10

12

693.154

=94.880kJ/mol

H1=-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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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5-8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(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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(guò)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)N27.9079.00221.27.9081.78221.20O21.1011.0035.21.1

0.5x=0.75967.8624.31SO21.0010.00641.00

x=0.31913.3020.42SO3000x=0.68097.0554.47合計(jì)10.00100.00320.410

0.5x=9.6596100.00320.40任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)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=890.91

883.15=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(guò)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5-8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(guò)程工藝計(jì)算39六、計(jì)算空氣過(guò)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5-10中。表5-10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5-36同的計(jì)算途徑

組分入口出口N23.76

3.76

O2

1

1

0.5xSO211

xSO30x合計(jì)4.76

4.76

0.5x若忽略反應(yīng)過(guò)程熱損失,則:

HR=

H1+

H2=0若考慮反應(yīng)過(guò)程熱損失,則:

HR=

H1+

H2=Q損或

H1+

H2=0任務(wù)2硫磺制酸過(guò)程物料、能量衡算*單元5典型化工過(guò)程工藝計(jì)算40六、計(jì)算air過(guò)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(T2

T1)+3.223

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

H1+

H2=0經(jīng)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)+[134.80(T2

T1)+1.012

10

2(T22

T12)+1.674

105(T2

1

T1

1)]

①轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口溫度一定情況下,空氣過(guò)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(guò)剩系數(shù)與一段出口溫度之間的關(guān)系

H1=

(

1013