现代化工计算单元5典型化工过程工艺计算教材

*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：1mh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+H3101,sdTpTHncTH2=nhv213,ldTpTHncT查有关手册可得：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+H310392.05341,s298.15d31.25(14.9029.1210)d7.32110kJTpTHncTTTH2=nhv=31.251727=5.397104kJ21413.15343,l392.05d31.25(45.03216.63610)d2.52810kJTpTHncTTTH硫磺=∑Hi=7.321104+5.397104+2.528104=15.246105kJ蒸汽消耗量m为：4115.2461076.11kg2108.50.95Hmh硫磺蒸汽*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：76.111031.8397104=1.4002103kg/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334400101110321.839710kg/h980.9950.9960.99530024*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:223,1SOOSO2CatalystTp22243S+OHO=HSO2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=MSns=3210.204=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=1810.204=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=1.510.204=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=22.472.866=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4105，即：硫磺用量：326.534105106=130.6千吨空气用量：1632.654105=6.531108m3(标准状态)纯水用量：183.674105106=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)=3.762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炉气组份O2N2SO2合计各组份mol数13.76214.762mol%(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+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。①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=–15.246105kJ/1000kg硫磺=–4.879103J/mol硫磺②H2的计算两部分构成,molO2、3.762molN2,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+4.184103T1.674105T2J/(molK)N2：cp=27.87+4.268103TJ/(molK)0022222O,ON,N298.15352373.15298.153373.15dd(29.964.184101.67410)d3.762(27.874.26810)daaTTppTTHncTncTTTTTT=1.0507104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②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-1.012102Ta2-1.6740105Ta1)J/molS③HR0的计算查得SO2(g),S(单斜)标准生成焓分别为:296.830kJ/mol、0.2971kJ/molHR0=296.8300.2971=297.1271kJ/mol硫磺④H3的计算由三部分构成,分别是(1)molO2、3.762molN2、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+1.063102T5.941105T2J/(molK)2000,SO(g),SRffHhh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④H3的计算经整理后得：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2222220003O,ON,NSO,SO352298.153298.15252ddd(1)(29.964.184101.67410)d3.762(27.874.26810)d(43.431.063105.941