物料、热量及设备的计算 ---合成硫酸.doc

3物料、热量及设备的计算3.1 设计计算条件连续生产时间为335天，年产80万t/a硫酸。 冶炼烟气的主要成分：SO2：9.0%，O2：8.0%，N2：83.0%。工序采用一转一吸，转化率99%，吸收率99.95%。3.2 干吸工序工艺计算进入吸收塔成为H2SO4的SO3量=1026.1099%99.95%=1015.33kmol/h硫酸产量=1015.33（98/1000）=99.502（t/h）（100%H2SO4）或8105t/a (100%H2SO4)干燥塔处理的气体量：Vd= （m3/h）式中：QH2SO4的产量（100%H2SO4计） b气体中SO2的浓度 （%） y硫的利用率 （%）由Q=99.502（t/h），b=9.0%，y=99%X99.95%,得Vd=255383.7（m3/h）气体含水量：B=18/22.4（kg/t 100%H2SO4）式中：Pw在一定温度下饱和水蒸汽压（Pa）； Pi干燥塔入口的操作压力（Pa） P大气压力（Pa） Vd处理的干燥气体量（m3/h）（kg/t 100%H2SO4）表3-1电除雾出口气体成分项目Kmol/hKg/hm3/h%SO21026.1065670.422984.539.0O2912.0829186.562043.708.0N29462.88264960.64211968.4783.011401.06359817.60255383.70100.0H2O958.8717259.6621478.69表3-2 转化进口气体成份项目Kmol/hKg/hm3/h%SO21026.1065670.4022984.537.9O21091.0469826.7524439.258.4N210871.47695773.73243519.6483.712988.61831270.89290943.42100.0H2O1.616290936.203.3 干燥塔及其循环槽的物料衡算3.3.1 干燥塔入口炉气成分1 净化工序补加空气量：干燥塔入口补加空气量=290943.42-255383.70=35559.72（m3/h）2 干燥塔入口炉气含水量：设补加空气全部在电除雾之后加入，空气温度20，相对湿度50%。由湿气图查得含水量6.7（g）/干空气（m3），则补加空气带水量：35559.720.0067=238.25（kg/h）干燥塔入口炉气总含水量：17259.66+238.25=17497.91（kg/h）（或972.11kmol/h）3.3.2 干燥塔出口气体带水量干燥后指标：水分0.1g/m3则干燥后气体含水量=（kg/h）3.3.3 循环酸量由于塔径还未确定，故按酸浓度差计算。入塔酸：浓度：93.00%，比重：1.7993，温度：50，酸量：（m3/h）。出塔酸：92.7%干燥塔的吸水量=17497.9129.09=17468.82（kg/h）由物料平衡得：解得：2999.983.3.4干燥系统各塔串酸量1 吸收塔循环酸与干燥塔循环酸对串酸量。设：93%硫酸98%硫酸为（kg/h）；98%硫酸93%硫酸串酸量为1（kg/h）由H2O平衡得： 17468.82+19.59%1=24.08% （3-1）由SO3平衡得： 80.41%1=75.92% （3-1） = 1.0551 （3-3）将（3-3）式代入（3-1）17468.82+19.59%1=0.24081.0551得： 1=300440.63（kg/h） =316964.86（kg/h）2 吸收塔循环酸与104.5%H2SO4塔循环酸对串酸量104.5%吸收SO3量=1015.3330%=304.60（kmol/h）（或=24368kg/h）产品104.5H2SO4为29850.8kg/h，其中：SO3：24368kg/h，H2O：4197.77kg/h设： 105%酸98%酸串酸量为（kg/h） 98%酸105%酸串酸量为2（kg/h）由H2O平衡得：0.19592=0.1469+4197.77 （3-4）由SO3平衡得：0.80412+24368=0.8531+24368 （3-5） 2=1.061 （3-6）将（3-6）代入（3-4）式得：0.19591.06=0.1469+4197.77=69094.55（kg/h） 2=1.0669094.55=73240.22（kg/h）3.3.5干燥塔循环酸槽的物料衡算干燥塔循环酸槽的物料衡算见表3-3表3-3干燥塔循环酸槽物料衡算表进物料（kg/h）出物料（kg/h）从干燥塔冷却器来92.7%H2SO4 5337387.63上塔循环93%H2SO4 5320863.4098%串来98.5%H2SO4 300440.63去98%酸循环酸 316964.865637828.265637828.263.4 干燥塔及其循环槽的热量衡算3.4.1干燥塔的热量衡算1. 炉气带入热量 Q1（t=40）SO2带入热量：q1=1026.104041.57=1706199.08 （KJ/h）O2带入热量： q2=1091.044029.37=1281753.80 （KJ/h）N2带入热量：q3=10871.474028.45=123717.86 （KJ/h）H2O蒸汽带入热量：q4=972.114032.716=1272142.03 （KJ/h）式中： 41.57，29.37，28.45，32.716分别为040时SO2,O2,N2,H2O的摩尔热容，KJ/(kmol k)Q1= q1 +q2 +q3 +q4=16631827.77（KJ/h）2. 水的冷凝热Q2水在40时冷凝热为24.6（KJ/kg）Q2=(17497.9129.094) 24.6=429732.87（KJ/h）3. 入塔酸带入热量Q350 93% H2SO4的热焓I1=78.7（KJ/kg）Q3=2999.981.7993100078.7=4248118984. 93%酸稀释热Q4Q=式中：Q稀释热（J/mol H2SO4） n对于1mol硫酸所用水的摩尔数对于浓度为C1的硫酸，当稀释到浓度为C2时，放出热量按下式计算：Q2Q1=4.1868式中：Q2Q1每摩尔H2SO4放出的热量（J） n2 n1浓度分别为C2 C1时每摩尔H2SO4所含水的摩尔数93.00% H2SO492.70% H2SO4=0.41Q1=（KJ/kmol）=Q2=（KJ/kmol）Q2Q1=1440313900=503（KJ/kmol）Q4=（KJ/h）5. 炉气带出热量Q5（t=45）SO2带出热量：q1=1026.104541.64=1922706.18（KJ/h）O2带出热量：q2=1091.044529.295=1438290.76（KJ/h）N2带出热量：q3=10871.474528.5=13942660.28（KJ/h）H2O蒸汽带出热量：q4=972.114532.74=1432209.66（KJ/h）式中：41.64，29.395，28.51，32.74分别为045时SO2，O2，N2，H2O的摩尔热容，KJ/(kmol k)Q5=q1+q2+q3+q4=18735866.88（KJ/h）6. 出塔酸带出热量Q6和酸温Q6=Q1+Q2+Q3+Q4Q5=450842954.76（KJ/h）则出塔酸的热焓：I2=84.45（KJ/kg）查表知：92.7% H2SO4 I2=84.45（KJ/kg）时的温度t=72.763.5干燥塔循环槽的热量衡算1) 从干燥塔冷却器来的92.7% H2SO4带入热量Q1=5337387.63I （kg/h）2) 从98%酸循环系统串来98.5% H2SO4带入热量Q2=300440.6379.34=23836959.58（KJ/h）3) 混合热由98.5% H2SO4，92.7% H2SO4两种浓度的H2SO4，混合成93% H2SO4。n1=，q1=（KJ/kmol） n2=，q2=（KJ/kmol）n3=， q3=（KJ/kmol）m1=5337387.630.9271/98=50487.33m2=300440.630.9851/98=3019.73Q3=（m1+m2）13900m1q1m2q2=6629109.66（KJ/h）4)上塔酸带出热Q4Q4=5337387.6378.38=418344442.44（KJ/h）5) 串往98%酸循环槽的93% H2SO4带入热Q5=25091087.99 （KJ/h）6) 从干燥塔冷却器来的硫酸温度由热量平衡得： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5即：5337387.63I+23836959.58+6629109.66=418344442.44+25091087.99所以 I=77.37（KJ/kg）从表中查出，92.7%的硫酸热焓为77.37（KJ/kg）的温度t=49.283.6 发烟硫酸塔及其循环槽的物料平衡1) 105%塔物料计算从转化出口气体成分：SO2：10.26 kmol/h， O2：583.12 kmol/h SO3：1015.84 kmol/h，N2：10871.47 kmol/h进塔气量为总气量，吸收率：40%60%进塔气温：160，进塔酸温：50，出塔气温：60，进塔酸浓：104.5%H2S进塔气量合计：12480.69（kmol/h）2) 105%塔吸收SO3的量，设105%塔吸收率为46%，则：1015.8446%=467.29（kmol/h）（或=37382.9 kg/h）3) 出塔气体成分SO2：10.26 kmol/h，O2：583.12 kmol/hSO3：548.55 kmol/h，N2：10871.47 kmol/h4) 循环酸量104.5% H2SO4，比重：1.876，含SO3=85.31% ，设循环酸量为（kg/h），酸浓度差一般为0.1%0.3%，本设计取0.12%，即出塔酸浓度为104.62%。104.62% H2SO4，含SO385.4%由SO3平衡得：=0.854=（kg/h）（或2909m3/h）5.105%循环槽物料平衡105%循环槽物料衡算如表3-4所示表3-4物料平衡情况表进物料（kg/h）出物料（kg/h）105%塔下来104.6%H2SO4 5495285.9上塔104.5%H2SO4 5457903.498%吸收塔串来98.5%H2SO4 73240.22串去98%塔104.5% H2SO4 69094.55产品104.5% H2SO4 29850.85568526.12 5556848.753.7 发烟硫酸塔及其循环槽3.7.1 105%塔热量衡算气体带入热Q1，进入塔气体温度 t=160SO2带入热量：q1=10.2616043.21=70933.54（KJ/h）SO3带入热量：q2=1015.8416055.06=8949144.06（KJ/h）O2带入热量：q3=583.1216029.85=2784981.12（KJ/h）N2带入热量：q4=10871.4716028.88=50234888.58（KJ/h）气体带入热量总计：Q1=62039947.30（KJ/h）式中：43.21，55.06，29.85，28.88分别为0160时SO2,SO3,O2,N2的平均摩尔热容，KJ/(kmol k)3.7.2 循环带入热Q2塔酸温度t=50，进塔酸的焓I=72.01（KJ/kg）循环酸带入热量：Q2=545790372.01=393032595（KJ/h）3.7.3 吸收反应热Q3SO3冷凝热：按式SO3（气）SO3（液），H=502（KJ/kg）则SO3冷凝放出热量为Q31=37382.9502=18766215.8（KJ/h）SO3吸收反应热：按式SO3（液）20.52%游离SO3发烟硫酸Q32=467.2923.031000=10761688.7（KJ/h）式中：23.03为60下液体SO3溶解到20.52%游离SO2发烟硫酸中放出的热量，Q3= Q31+Q32=29527904.5（KJ/h）3.7.4 气体带出塔热量Q4出塔气温t=60SO2带出热量： 10.266041.83=25750.55（KJ/h）SO3带出热量： 548.556050.978=1675864.13（KJ/h）O2带出热量： 583.126029.445=1030198.10（KJ/h）N2带出热量：10871.476028.525=18606520.91（KJ/h）气体带出热量总计：Q4= q1 +q2 +q3 +q421338333.69（KJ/h）式中：41.83，50.978，29.445，28.525分别为060时SO2,SO3,O2,N2的平均摩尔热容，KJ/(kmol k)3.7.5 酸出塔带出热Q5Q5= Q1+Q2+Q3Q4=463262113.1（KJ/h）3.7.6 出塔酸温出塔酸热焓=（KJ/h）从热焓表中查出，出塔酸温为：t=59.183.8 105%循环槽热量衡算1. 塔下来酸带入热量：Q1=463262113.1（KJ/h）2. 串入98% H2SO4带入热量Q2=73240.2279.34=5810879.06（KJ/h）式中：79.34为50时98% H2SO4的热焓（KJ/kg）3. 混合热Q31）98.5% H2SO4100% H2SO4的吸热（KJ/h）式中：27.926为98.5% H2SO4的积分稀释热（KJ/kg）100% H2SO4 浓缩到104.5% H2SO4所吸收的溶解热为：（KJ/h）式中：16.035为20%游离SO3发烟硫酸稀释到100% H2SO4时放出的热量（KJ/molSO3）。3718.8为98.5% H2SO4浓缩到游离SO3的发烟硫酸共吸收的热量。Q31=（2014626.79）+（11803.99）=2026430.78（KJ/h）2）104.62% H2SO4稀释到104.5% H2SO4稀释热Q32=（KJ/h）式中:0.419为游离SO3 20.52%发烟硫酸稀释热（KJ/mol SO3）混合热：Q3= Q31+ Q32=20431178.61（KJ/h）4.上塔酸带出热Q4Q4=275117374.2（KJ/h）5. 104.5% H2SO498%罐串酸带出热Q5=69094.5572.01=4975498.55（KJ/h）