1、22:54单元5 典型化工过程工艺计算1任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡算硫磺制酸过程物料、能量衡算任务任务3 计算并绘制合成氨厂计算并绘制合成氨厂CO变换反应的变换反应的t-x图图任务任务4 CO变换炉催化剂用量计算变换炉催化剂用量计算任务任务5 空气性质与典型过程物料、能量衡算空气性质与典型过程物料、能量衡算任务任务6 精馏设计与严格模拟精馏设计与严格模拟单元单元5 典型化工过程工艺计算典型化工过程工艺计算22:54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、一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量计算
2、熔硫釜的蒸汽消耗量二、二、根据生产任务计算原料硫磺、空气、水的消耗量根据生产任务计算原料硫磺、空气、水的消耗量三、三、计算焚硫过程中空气过剩系数与炉气组成、炉气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温度之间的关系四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化的实际转化率和平衡转化率率六、六、计算空气过剩系数、计算空气过剩系数、SO2转化率和转化炉一段出转化率和转化炉一段出口温度之间的关系口温度之间的关系任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算3任务任务2 硫磺制酸过程物
3、料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算硫磺制酸工艺过程简介硫磺制酸工艺过程简介 图图5-29 硫磺制酸生产流程图硫磺制酸生产流程图1-焚硫炉；焚硫炉；2-废热锅炉；废热锅炉；3-省煤省煤-过热器；过热器；4-第二过热器；第二过热器；5-转化转化器；器；6-第一换热器；第一换热器；7-第一吸收塔；第一吸收塔；8-第二吸收塔；第二吸收塔；9，10，14-冷却器；冷却器；11，12，15-酸贮槽；酸贮槽；13-干燥塔；干燥塔；16-鼓风机鼓风机 22:54单元5 典型化工过程工艺计算4任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量
4、 例例5-3 加入熔硫釜中的硫磺温度为常温加入熔硫釜中的硫磺温度为常温t0,熔硫采用熔硫采用0.5MPa的饱和的饱和蒸汽蒸汽,最终将硫磺加热至最终将硫磺加热至140的液态的液态,假设熔硫釜的热效率假设熔硫釜的热效率 1为为95%,试计算处理试计算处理1000kg硫磺需多少硫磺需多少kg0.5MPa的饱和蒸汽的饱和蒸汽?解：以解：以1000kg硫磺为计算基准，以整个熔硫釜为体系硫磺为计算基准，以整个熔硫釜为体系 假设蒸汽消耗量为假设蒸汽消耗量为mkg，则由稳流体系能量平衡方程可得：，则由稳流体系能量平衡方程可得：1m h蒸汽蒸汽+H硫磺硫磺=0 由水蒸气查得：由水蒸气查得：h蒸汽蒸汽=2108.
5、5 kJ/kg 硫磺由常温硫磺由常温(取取t0=25)加热至加热至140液态液态,经历过程如图经历过程如图7-7所示。所示。Q吸热吸热=H硫磺硫磺=H1+H2+H3 22:54单元5 典型化工过程工艺计算5任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量 Q吸热吸热=H硫磺硫磺=H1+H2+H3 101,sdTpTHncT H2=n hv 213,ldTpTHncT查有关手册可得：查有关手册可得：cp,s=14.90+29.12 10 3T kJ/(kmol K)hv=1727kJ/kmolcp,l=45.032 16.636
6、 10 3T kJ/(kmol K)n=1000/32=31.25kmol 将上述数据代入将上述数据代入 H1、H2、H3的计算式得：的计算式得：22:54单元5 典型化工过程工艺计算6任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量 Q吸热吸热=H硫磺硫磺=H1+H2+H3 10392.05341,s298.15d31.25(14.9029.12 10)d7.321 10 kJTpTHncTTT H2=n hv=31.25 1727=5.397 104 kJ 21413.15343,l392.05d31.25(45.032
7、16.636 10)d2.528 10 kJTpTHncTTT H硫磺硫磺=Hi=7.321 104+5.397 104+2.528 104=15.246 105 kJ 蒸汽消耗量蒸汽消耗量m为：为：4115.246 1076.11 kg2108.5 0.95Hmh硫磺蒸汽22:54单元5 典型化工过程工艺计算7任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算蒸汽消耗量为：蒸汽消耗量为：76.11 10 3 1.8397 104=1.4002 103 kg/h一、计算熔硫釜的蒸汽消耗量一、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对于实际生产过程中熔硫釜蒸汽消耗
8、量,可根据硫酸产量、可根据硫酸产量、硫磺纯度、硫磺纯度、SO2的转化率、的转化率、SO3的吸收率等数据进行计算。的吸收率等数据进行计算。如：年产如：年产400kt纯硫酸装置，若硫磺纯度、纯硫酸装置，若硫磺纯度、SO2的转化率、的转化率、SO3的吸收率分别为的吸收率分别为0.995、0.996、0.995，一年按，一年按300天计，则天计，则该硫酸装置每小时原料硫磺消耗量为：该硫酸装置每小时原料硫磺消耗量为：返回返回334400 101110321.8397 10 kg/h980.995 0.996 0.995300 2422:54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
9、气、水的消耗量二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量(3)吸收塔中的反应吸收塔中的反应 在整个硫磺制酸过程中在整个硫磺制酸过程中,所涉及的化学反应较少所涉及的化学反应较少,主要反应如下主要反应如下:(1)焚硫炉中的反应焚硫炉中的反应 S+O2=SO2(5-7)(2)转化器中的反应转化器中的反应 SO3+H2O=H2SO4将上述三个反应合成一个总反应将上述三个反应合成一个总反应:223,1SOOSO2CatalystT p 22243S+OH O=H SO2任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54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
10、硫磺、空气、水的消耗量二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量解：以解：以1000kg纯硫酸为计算基准纯硫酸为计算基准 由硫平衡可得所需硫磺的物质的量数由硫平衡可得所需硫磺的物质的量数(ns)为：为：ns=1000/98=10.204kmol 折合为硫磺质量数折合为硫磺质量数(ms)为：为：ms=MS ns=32 10.204=326.53kg 由式由式(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，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故所需的水的质量数(m水水)为：为：m水水=M水水 ns=18 10.204=183.67kg 由式由式(5-
11、10)得所需理论耗氧量为硫磺物质的量的得所需理论耗氧量为硫磺物质的量的1.5倍倍,即：即：n氧氧=1.5ns=1.5 10.204=15.306kmol折合成纯空气理论量折合成纯空气理论量(nair)为：为：nair=n氧氧/0.21=15.306/0.21=72.866kmol 例例5-4 试计算年产试计算年产400千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水的理论消耗量。的理论消耗量。任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算10二、二、根据生产任务，计算原料硫磺、空气、水的消耗量根据生产任务，计算原料
12、硫磺、空气、水的消耗量解：以解：以1000kg纯硫酸为计算基准纯硫酸为计算基准 通常气体的数量采用标准立方米表示，故：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(标准状态标准状态)对于一个年产对于一个年产400千吨纯硫酸的工厂千吨纯硫酸的工厂,以上各原料理论消耗量只需以上各原料理论消耗量只需乘系数乘系数4 105，即：，即：硫磺用量：硫磺用量：326.53 4 105 10 6=130.6千吨千吨空气用量：空气用量：1632.65 4 105=6.531 108 m3(标准状态标准状态)纯水用量：纯水用量：183.67 4 10
13、5 10 6=73.47千吨千吨对于以上各原料的实际消耗量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。待。如空气过剩量的不同，实际空气的消耗量也就不同。例例5-4 试计算年产试计算年产400千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水千吨纯硫酸的装置，原料硫磺、空气、水的理论消耗量。的理论消耗量。返回返回任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算11三、计
14、算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系 以以1mol纯硫磺为计算基准，则：纯硫磺为计算基准，则：理论用理论用O2量：量：n氧氧,理理=ns=1 mol实际用实际用O2量：量：n氧氧,实实=ns=mol 实际带入实际带入N2量：量：n氮氮,实实=(0.79/0.21)=3.762 mol 反应后炉气中各组分的量列于表反应后炉气中各组分的量列于表7-1。在实际生产过程中在实际生产过程中,为了充分利用原料硫磺为了充分利用原料硫磺,都采用空气过剩的都采用空气过剩的生产方法生产方法,即硫磺为限制反应物即硫磺为限制反应物,空气为过量反应物。
15、空气为过量反应物。空气过量的程度通常用空气过剩系数空气过量的程度通常用空气过剩系数()表示，其值为实际空表示，其值为实际空气用量与理论空气用量的比值。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空气过剩系数与炉气组成的关系 炉气组份炉气组份O2N2SO2合计合计各组份各组份mol数数 13.762 14.762 mol%(1)/(4.762)3.762/(4.762)=79.001/(4.762)100.00任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算12三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温
16、度之间的关系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空气过剩系数与炉气组成的关系 air过剩系数过剩系数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合计合计4.7625.7146.6677.6198.5719.52410.00010.47610.95211.429N2(mol%)79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%7
17、9.00%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%合计合计100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算13三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air
18、过剩系数与炉气组成、温度之间的关系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空气过剩系数与炉气组成的关系 将上述数据中将上述数据中SO2的的mol%浓度与浓度与O2的的mol%浓度之间的关系浓度之间的关系可通过可通过Excel绘成如图绘成如图7-9所示的关系线。所示的关系线。任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算14三、计算焚硫过程中三、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空气过剩系数与炉气温度之间的关系 为便于计算
19、，设计如下图所示的计算途径。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：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：若考虑热损失，则：H=H1+H2+HR+H3=Q损损或或 H=H1+H2+HR+H3=0任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算15三、计算焚硫过程中三、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以绝热反应为例计算空气过剩系数 与炉气温度与炉气温度Tg之间的关系。之间的
20、关系。H1的计算的计算 此过程的计算刚好是图此过程的计算刚好是图5-30所示的相反过程所示的相反过程,由例由例5-3知知,H1=15.246 105 kJ/1000kg硫磺硫磺=4.879 103 J/mol硫磺硫磺 H2的计算的计算 两部分构成两部分构成,mol O2、3.762 mol N2,都由都由Ta=373.15K降到降到298.15K时放出的热量。查得时放出的热量。查得O2、N2的的cp=f(T)数据如下：数据如下：O2：cp=29.96+4.184 10 3T 1.674 105T 2 J/(mol K)N2：cp=27.87+4.268 10 3T J/(mol K)00222
21、22O,ON,N298.15352373.15298.153373.15dd (29.964.184 101.674 10)d 3.762(27.874.268 10)daaTTppTTHncTncTTTTTT=1.0507 104 J/mol硫磺硫磺 任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算16三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例以绝热反应为例 H2的计算的计算也可将也可将 H2整理成含入炉空气温度整理成含入炉空气温度Ta、空气过剩系数、空气过
22、剩系数 的函数式的函数式:H2=(41652.95-134.80Ta-1.012 10 2Ta2-1.6740 105Ta 1)J/molS HR0的计算的计算查得查得SO2(g),S(单斜单斜)标准生成焓分别为标准生成焓分别为:296.830 kJ/mol、0.2971 kJ/mol HR0=296.830 0.2971=297.1271 kJ/mol硫磺硫磺 H3的计算的计算 由三部分构成由三部分构成,分别是分别是(1)mol O2、3.762 mol N2、1mol SO2都由都由T0=298.15K升温到升温到Tg 时吸收的热量。时吸收的热量。查得查得SO2的的cp=f(T)数据如下：
23、数据如下：SO2：cp=43.43+1.063 10 2T 5.941 105T 2 J/(mol K)2000,SO(g),SRffHhh 任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算17三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例以绝热反应为例 H3的计算的计算经整理后得：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
24、 5.7337 103 J/mol硫磺硫磺 2222220003O,ON,NSO,SO352298.153298.15252ddd (1)(29.964.184 101.674 10)d 3.762(27.874.268 10)d (43.43 1.063 105.941 10gggggTTTpppTTTTTHncTncTncTTTTTTTT298.15)dgTT任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算18三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应以绝热反
25、应(=100%)为例为例 将上述各项计算结果代入将上述各项计算结果代入 H=H1+H2+HR+H3=0,经整经整理后得含有理后得含有Tg的一元三次非线性方程的一元三次非线性方程:A1Tg3+A2Tg2+A3Tg+A4=0 A1=1.012 10 2+3.223 10 3 A2=134.80+13.47 A3=-1.0612 104-297127.1 -(134.80Ta+1.012 10-2Ta2+1.6740 105Ta-1)A4=1.6740 105+4.267 105 将将Ta=373.15K、焚硫过程绝热条件下不同的、焚硫过程绝热条件下不同的 值代入上式，计算值代入上式，计算所得结果列
26、于表所得结果列于表7-3中。中。空气过剩系数空气过剩系数 11.21.41.61.822.22.4炉气出口温度炉气出口温度Tg(K)2048.2 1821.0 1647.9 1511.8 1401.9 1311.3 1235.4 1170.8炉气出口温度炉气出口温度tg()1774.8 1547.5 1374.5 1238.4 1128.5 1038.0962.1897.522:54单元5 典型化工过程工艺计算19三、计算焚硫过程中三、计算焚硫过程中air过剩系数与炉气组成、温度之间的关系过剩系数与炉气组成、温度之间的关系以绝热反应为例以绝热反应为例 利用利用Excel将表将表5-4中数据之间
27、关系绘制成曲线中数据之间关系绘制成曲线,如图如图5-34所示。所示。图图5-34的曲线由的曲线由Excel回归可得回归可得:tg=165.33 3+1158.7 2 3051.2+3829.1 任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算20三、计算焚硫过程中三、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取热损失为反应热的1%(=99%)时，空气过剩系数与炉气出时，空气过剩系数与炉气出口温度的关系如表口温度的关系如表7-4所示。所示。由由Excel回归可得：回归可得：tg=
28、164.17 3+1150.4 2 3028.4+3798.8 由表由表5-4、5-5的数据可看出的数据可看出,当热损失取标准反应热的当热损失取标准反应热的1%时时,空空气过剩系数从气过剩系数从12.4之间之间,炉气出口温度平均下降炉气出口温度平均下降10左右。左右。返回返回空气过剩系数空气过剩系数11.21.41.61.822.22.4炉气出口温度炉气出口温度Tg(K)2033.6 1808.1 1636.5 1501.4 1392.5 1302.7 1227.4 1163.4炉气出口温度炉气出口温度tg()1760.1 1534.7 1363.0 1228.0 1119.1 1029.39
29、54.1890.1任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算21四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量 例例5-5 试计算以硫磺为原料试计算以硫磺为原料,年产年产400kt纯硫酸的生产装置中废热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锅炉的产汽量。假设锅炉给水压力为3MPa的饱和水的饱和水。取表。取表5-3、5-5中空气过剩系数为中空气过剩系数为2.1、热损失为标准反应热的、热损失为标准反应热的1%的数据为的数据为计算基准。计算基准。解解:以整个废热锅炉为计算体系以整个废热锅炉为计算体系,以以1mol进入焚烧炉
30、的硫磺为计进入焚烧炉的硫磺为计算基准算基准,由能量平衡方程可得由能量平衡方程可得:H水水+H气气=Q损损、H水水=m(hg hl)21,dggTpTHncT气气气213,1dggTip iTiHncT 气或或任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算22四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量 例例5-4由水蒸气表查得由水蒸气表查得3MPa饱和水、饱和蒸汽的焓饱和水、饱和蒸汽的焓:hl=1008.3 kJ/kg 、hg=2804 kJ/kg H水水=m(hg hl)=m(2804 1008.3)=1795.7m kJ计算炉气温
31、度由计算炉气温度由990.11降至降至420的焓变。若采用将炉气作为的焓变。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、分率、cp,i中的各项系数值列于表中的各项系数值列于表5-6中，利用中，利用Excel计算出炉计算出炉气的气的cp,气气再进行计算。再进行计算。任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算23四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量 例例5-4 =1.959 105 J=1.959 102 kJ 组分组分mol%cp=a0+
32、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合计合计100.00%29.6564.895E-03-7.782E+04021693.15342,1263.26d10(29.6564.895 107.782 10)dggTpTHncTTTT气气气任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算24四、四、计算废热锅炉的产汽量计算废热锅炉的产汽量 例例5-4 H气
33、气=1.959 105 J=1.959 102 kJ 当锅炉绝热，即热效率为当锅炉绝热，即热效率为100%时，锅炉产汽量：时，锅炉产汽量：m=1.959 102/1795.7=0.10907 kg/mol硫磺硫磺 折合成小时产汽量：折合成小时产汽量：mT=0.10907 1.8397 104 103/32=6.271 104 kg/h 若考虑热损失，如取热效率为若考虑热损失，如取热效率为90%时，则折合成小时产汽量：时，则折合成小时产汽量：m T=6.271 104 90%=5.644 104kg/h 返回返回任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典
34、型化工过程工艺计算25五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 平衡温距平衡温距:就是指反应器实际出口温度就是指反应器实际出口温度(T)与实际组成所对应的与实际组成所对应的平衡温度平衡温度(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，则平衡温距为若为可逆吸热反应，则平衡温距为:T=T T*(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，通常情况下，为了能保证实际
35、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最终出口处的平衡温距在1015左右，反应器中其余各段催化左右，反应器中其余各段催化剂床层出口的平衡温距在剂床层出口的平衡温距在20左右左右。思考思考:平衡温距大小意味着什么平衡温距大小意味着什么?任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算26五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算反应前气体中反应前气体中S
36、O2摩尔百分比浓度为摩尔百分比浓度为a、O2摩尔百分比浓度为摩尔百分比浓度为b、则则N2为为100-a-b假设开始反应时系统中不存在假设开始反应时系统中不存在SO3 各气体的平衡分压为各气体的平衡分压为:2SO1000.5TTaaxppax2O0.51000.5TTbaxppax3SO1000.5TTaxppax任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算27五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算假设开始反应时系统中不存在假设开始反应时系统中不存在SO3 或由或由K
37、p表达式进行推导表达式进行推导,将各分压表达式代入即可得将各分压表达式代入即可得 2O0.51000.5TTbaxppax333232323SOSOSOSOSOSOSOSOSOTnypxnnyypp3223222222SO0.5SOOSOSO0.50.50.5OSOOSOO11000.5(0.5)ppTTppTpppKKxppaxKKpppppp bax任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算28五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算假设开始反应时系统中不存在假
38、设开始反应时系统中不存在SO3 展开以上表达式展开以上表达式:1000.5(0.5)pTTpTKxaxKp bax2322220.5(1)100()(0.52)0pTpTpTpa pKxab pKxab pK xbpK假设开始反应时系统中存在假设开始反应时系统中存在SO3，设其摩尔百分比浓度为，设其摩尔百分比浓度为c 3212340TTTA xA xA xA3210.5(1)pAapK222100()pAacab pK 23(2000.5)(0.52)pAa ccab apK2224100pAca bpK任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工
39、过程工艺计算29五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算假设开始反应时系统中存在假设开始反应时系统中存在SO3时时SO2平衡转化率的计算函数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分别表示入口气体中二氧化硫,氧气氧气,三氧化硫的摩尔百分率三氧化硫的摩尔百分率Dim X0,ESP,KP,A1,A2,A3,A4,p0 As Double X0=0.7 ESP
40、=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任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算30五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡
41、转化率的计算平衡常数平衡常数Kp的计算经验公式的计算经验公式 展开以上表达式展开以上表达式:lgKp=4812.3/T-2.8245lgT+2.284 10-3T-7.02 10 7T2+1.197 10-10T3+2.23 (5-13A)当反应温度在当反应温度在400700时时,可采用简化经验方程式可采用简化经验方程式,如式如式(5-13B)。lgKp=4905.5/T 4.6455(5-13B)例例5-6 已知转化炉一段进、出气体的各组分已知转化炉一段进、出气体的各组分mol%如下如下 组分组分O2N2SO2SO3合计合计一段进口气体一段进口气体%11.00%79.00%10.00%010
42、0.00%一段出口气体一段出口气体%7.96%81.70%3.52%6.83%100.00%试计算转化炉一段中试计算转化炉一段中SO2的实际转化率？的实际转化率？分析：此类型的计算属于物料衡算分析：此类型的计算属于物料衡算,可假设某一进口气体量可假设某一进口气体量,再由再由联系组分即联系组分即N2的摩尔组成计算出出口气体量的摩尔组成计算出出口气体量,然后由出口气体中然后由出口气体中SO3的含量计算出反应掉的含量计算出反应掉SO2的含量。的含量。任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算31五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率
43、的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算 例例5-6解解:以以100kmol进口气体为基准进口气体为基准则由联系组分即则由联系组分即N2的摩尔组成得一段出口气量为的摩尔组成得一段出口气量为:22N,N,100 0.7996.70 kmol0.8170n yny入入出出出口气体中出口气体中SO3量量:33SOSO96.70 0.06836.60 kmolnn y出因因SO2反应生成等量的反应生成等量的SO3,故反应掉的故反应掉的SO2量也为量也为6.6kmol,则一段催化剂床层中则一段催化剂床层中SO2的转化率为的转化率为:x=6.6/10.00=0.6600=66.00
44、%任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算32五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算例例5-7 以表以表5-3中空气过剩系数为中空气过剩系数为2.1时的数据为例时的数据为例,计算当床层一计算当床层一段进口气体温度为段进口气体温度为420、出口温度不得超过、出口温度不得超过610时时,试计算试计算:(1)该段催化剂中该段催化剂中SO2的转化率和一段出口气体组成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对应实际反应条件下的平衡转化率和
45、平衡温距?分析：此题中分析：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。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：以解：以1mol SO2为计算基准为计算基准(1)计算该段催化剂中计算该段催化剂中SO2的转化率和一段出口气体组成的转化率和一段出口气体组成 假设一段转化率为假设一段转化率为x 物料衡算物料衡算 此过程计算较简单，现将进出口物料量列于表此过程计算较简单，现将进出口物料量列于表5-7中。中。任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5
46、典型化工过程工艺计算33五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算 例例5-7表表5-7 反应器一段进出口物料明细表反应器一段进出口物料明细表 热量衡算热量衡算(方法一先反应后升温方法一先反应后升温)为便于计算为便于计算,现设计如图现设计如图5-36所示的所示的计算途径。计算途径。组分组分一段入口一段入口一段出口一段出口mol数数mol%mol数数mol%N27.9079.007.907.90/(10.00 0.5x)O21.1011.001.10 0.5x(1.10 0.5x)/(10.00 0.5x)SO21.0010.0
47、01.00 x(1.00 x)/(10.00 0.5x)SO300 xx/(10.00 0.5x)合计合计10.00100.0010.00 0.5x100.00思考思考:设计此途径的条件是什么设计此途径的条件是什么?-hR=92.253+2.352 10-2T-43.784 10-6T2+26.884 10-9T3-6.900 10-12T4 kJ/mol-hR=101.342-9.25 10 3T kJ/mol(400700)22:54单元5 典型化工过程工艺计算34五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算 例例5-7热量
48、衡算热量衡算即：即：HR=H1+H2=0）H1的计算的计算-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=-94.880 x kJ）H2的计算的计算 查得查得N2、O2、SO2的恒压摩尔热容数据的恒压摩尔热容数据,先分别计算先分别计算1mol N2、O2、SO2、SO3由由t1=420升温至升温至t2=610的焓变的焓变 h2i，再乘上，再乘上各自的物质的量数相加，由各自的物质的量数相加，由Excel计算之值如表计算之值如表5-8
49、所示。所示。任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算35五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算 例例5-7热量衡算热量衡算表表5-8 由由Excel计算的计算的N2、O2、SO2、SO3由由t1=420升温至升温至t2=610的焓变的焓变 由表由表7-7得得:H2=63434.79+1715.37x J 由由 HR=H1+H2=0得得:-94880 x+63434.79+1715.37x=0解得：解得：x=0.6809 T1T2J/molmol数数2列列3列列含
50、含x值值2列列5列列N2焓变焓变5934.437.9046881.97 0.00O2焓变焓变6266.991.106893.69-0.50-3133.50SO2焓变焓变9659.131.009659.13-1.00-9659.13SO3焓变焓变14508.000.000.001.0014508.00 63434.79 1715.37任务任务2 硫磺制酸过程物料、能量衡硫磺制酸过程物料、能量衡算算22:54单元5 典型化工过程工艺计算36五、五、计算计算SO2的实际转化率和平衡转化率的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算平衡转化率的计算 例例5-7热量衡算热量衡算将将x值代入表值代入表
