现代化工计算单元5典型化工过程工艺计算(教材).ppt

11 25 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 11 25 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 11 25 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 11 25 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 11 25 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 H3 H2 n hv 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 11 25 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 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 105kJ蒸汽消耗量m为 11 25 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 11 25 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 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 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 11 25 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 11 25 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 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 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 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 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 11 25 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 HR H3 0若考虑热损失 则 H H1 H2 HR H3 Q损或 H H1 H2 HR H3 0 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 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 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 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 1 0507 104 J mol硫磺 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 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 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 molS 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 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 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 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 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 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 18 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 100 为例将上述各项计算结果代入 H H1 H2 HR H3 0 经整理后得含有Tg的一元三次非线性方程 A1Tg3 A2Tg2 A3Tg A4 0A1 1 012 10 2 3 223 10 3A2 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将Ta 373 15K 焚硫过程绝热条件下不同的 值代入上式 计算所得结果列于表7 3中 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 19 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 以绝热反应为例利用Excel将表5 4中数据之间关系绘制成曲线 如图5 34所示 图5 34的曲线由Excel回归可得 tg 165 33 3 1158 7 2 3051 2 3829 1 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 20 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 取热损失为反应热的1 99 时 空气过剩系数与炉气出口温度的关系如表7 4所示 由Excel回归可得 tg 164 17 3 1150 4 2 3028 4 3798 8 由表5 4 5 5的数据可看出 当热损失取标准反应热的1 时 空气过剩系数从1 2 4之间 炉气出口温度平均下降10 左右 返回 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 21 四 计算废热锅炉的产汽量 例5 5试计算以硫磺为原料 年产400kt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3MPa的饱和水 取表5 3 5 5中空气过剩系数为2 1 热损失为标准反应热的1 的数据为计算基准 解 以整个废热锅炉为计算体系 以1mol进入焚烧炉的硫磺为计算基准 由能量平衡方程可得 H水 H气 Q损 H水 m hg hl 或 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 22 四 计算废热锅炉的产汽量 例5 4 由水蒸气表查得3MPa饱和水 饱和蒸汽的焓 hl 1008 3kJ kg hg 2804kJ kg H水 m hg hl m 2804 1008 3 1795 7mkJ计算炉气温度由990 11 降至420 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mol分率 cp i中的各项系数值列于表5 6中 利用Excel计算出炉气的cp 气再进行计算 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 23 四 计算废热锅炉的产汽量 例5 4 1 959 105J 1 959 102kJ 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 24 四 计算废热锅炉的产汽量 例5 4 H气 1 959 105J 1 959 102kJ当锅炉绝热 即热效率为100 时 锅炉产汽量 m 1 959 102 1795 7 0 10907kg mol硫磺折合成小时产汽量 mT 0 10907 1 8397 104 103 32 6 271 104kg h若考虑热损失 如取热效率为90 时 则折合成小时产汽量 m T 6 271 104 90 5 644 104kg h 返回 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 25 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 平衡温距 就是指反应器实际出口温度 T 与实际组成所对应的平衡温度 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 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 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10 15 左右 反应器中其余各段催化剂床层出口的平衡温距在20 左右 思考 平衡温距大小意味着什么 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 26 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算反应前气体中SO2摩尔百分比浓度为a O2摩尔百分比浓度为b 则N2为100 a b 假设开始反应时系统中不存在SO3 各气体的平衡分压为 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 27 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算 假设开始反应时系统中不存在SO3 或由Kp表达式进行推导 将各分压表达式代入即可得 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 28 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算 假设开始反应时系统中不存在SO3 展开以上表达式 假设开始反应时系统中存在SO3 设其摩尔百分比浓度为c 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 29 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算 假设开始反应时系统中存在SO3时SO2平衡转化率的计算函数 PublicFunctionH2SO4XT A B C T p AsDouble 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 氧气 三氧化硫的摩尔百分率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 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 30 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算 平衡常数Kp的计算经验公式 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400 700 时 可采用简化经验方程式 如式 5 13B lgKp 4905 5 T 4 6455 5 13B 例5 6已知转化炉一段进 出气体的各组分mol 如下 试计算转化炉一段中SO2的实际转化率 分析 此类型的计算属于物料衡算 可假设某一进口气体量 再由联系组分即N2的摩尔组成计算出出口气体量 然后由出口气体中SO3的含量计算出反应掉SO2的含量 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 31 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算例5 6 解 以100kmol进口气体为基准则由联系组分即N2的摩尔组成得一段出口气量为 出口气体中SO3量 因SO2反应生成等量的SO3 故反应掉的SO2量也为6 6kmol 则一段催化剂床层中SO2的转化率为 x 6 6 10 00 0 6600 66 00 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 32 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算 例5 7以表5 3中空气过剩系数为2 1时的数据为例 计算当床层一段进口气体温度为420 出口温度不得超过610 时 试计算 1 该段催化剂中SO2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 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1molSO2为计算基准 1 计算该段催化剂中SO2的转化率和一段出口气体组成假设一段转化率为x 物料衡算此过程计算较简单 现将进出口物料量列于表5 7中 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 33 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算例5 7表5 7反应器一段进出口物料明细表 热量衡算 方法一先反应后升温 为便于计算 现设计如图5 36所示的计算途径 思考 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 12T4kJ mol hR 101 342 9 25 10 3TkJ mol 400 700 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 34 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算例5 7 热量衡算即 HR H1 H2 0 H1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 xkJ H2的计算查得N2 O2 SO2的恒压摩尔热容数据 先分别计算1molN2 O2 SO2 SO3由t1 420 升温至t2 610 的焓变 h2i 再乘上各自的物质的量数相加 由Excel计算之值如表5 8所示 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 35 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算例5 7 热量衡算表5 8由Excel计算的N2 O2 SO2 SO3由t1 420 升温至t2 610 的焓变 由表7 7得 H2 63434 79 1715 37xJ由 HR H1 H2 0得 94880 x 63434 79 1715 37x 0解得 x 0 6809 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 36 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算例5 7 热量衡算将x值代入表5 7计算得一段出口气体组成列于表5 9中 2 计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距实际生产过程中 硫酸转化通常在常压下进行 此处取p 1 1atm 此处利用自定义函数H2SO4XT计算 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 37 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算例5 7 2 计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距 利用自定义函数H2SO4XT计算平衡转化率xT 0 7036 由表5 9一段出口气体SO2 O2 SO3的摩尔分率可计算出对应的气体分压 代入式 5 8 对应的平衡常数计算式得 由式 5 13B 得对应的平衡温度为 平衡温距为 T T T2 890 91 883 15 7 76K思考 此平衡温距是否符合工艺要求 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 38 五 计算SO2的实际转化率和平衡转化率 SO2平衡转化率的计算例5 7 2 计算对应实际反应条件下的平衡转化率和平衡温距结论 T T T2 7 76K不符合工艺要求 一般要求在10 15 因此出口610 偏高 重新假设t2 605 重复表7 7以下内容 返回 实际转化率为0 6623 平衡温距19 11 比较合适 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 39 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 1 物料衡算以1molSO2为计算基准 将转化炉一段进出口气体中各组分的物质的量列于如表7 10中 表7 10含有 x项的一段进出口气体中各组分的物质的量明细表 2 热量衡算为便于计算 采用与图7 12相同的计算途径 若忽略反应过程热损失 则 HR H1 H2 0若考虑反应过程热损失 则 HR H1 H2 Q损或 H1 H2 0 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 40 六 计算air过剩系数 SO2转化率和转化炉一段出口T之间的关系 2 热量衡算 H1的计算 H2的计算 将出口气体的cp i查出 将ni cp i代入上式经积分整理后得 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经整理后得 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 转化炉一段进出口温度一定情况下 空气过剩系数与SO2转化率之间的关系 转化炉一段进口温度 SO2转化率一定情况下 空气过剩系数与一段出口温度之间的关系 H1 101342 9 25T1 xJ 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 41 六 计算air过剩系数 SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系 转化炉一段进出口T一定 Air过剩系数与SO2转化率之间关系函数1 Air SO2X A T1 T2 Ex 用于计算SO2的转化率 函数2 SO2X Air X T1 T2 Ex 用于计算空气过剩系数 函数3 JS SO2EX A X T1 T2 计算反应热的利用率 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 42 六 计算air过剩系数 SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系 转化炉一段进出口T一定 Air过剩系数与SO2转化率之间关系函数1 Air SO2X A T1 T2 Ex 用于计算SO2的转化率 函数2 SO2X Air X T1 T2 Ex 用于计算空气过剩系数 函数3 JS SO2EX A X T1 T2 计算反应热的利用率 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 43 六 计算air过剩系数 SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系 转化炉一段进出口T一定 Air过剩系数与SO2转化率之间关系函数1 Air SO2X A T1 T2 Ex 用于计算SO2的转化率 函数2 SO2X Air X T1 T2 Ex 用于计算空气过剩系数 函数3 JS SO2EX A X T1 T2 计算反应热的利用率 任务2硫磺制酸过程物料 能量衡算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 44 六 计算air过剩系数 SO2转化率和转化炉一段出口T之间关系 转化炉一段进口T SO2转化率一定 air过剩系数与一段出口T之间的关系A1T23 A2T22 A3T2 A4 0A1 3 223 10 3 1 012 10 2 7 609 10 3xA2 13 47 134 80 1 09xA4 4 267 105 1 674 105 6 272 105xA3 A1T12 A2T1 101342 9 25T1 x A4 T1 SO3T2 AT1X A T1 X Ex 计算在不同转化率 热利用率 空气过剩系数情况下的出口温度列于表7 12中 返回 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 45 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 知识目标 熟悉合成氨厂CO变换反应原理 掌握t x图的构成 技能目标 能用Excel计算CO变换率和气体温度 计算绝热反应操作线方程 平衡线方程和最佳反应温度线方程 能用Excel绘制CO变换反应的t x图 一 CO变换工艺简介二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率三 计算计算绝热反应操作线方程 平衡线方程和最佳反应温度线方程四 采用Excel绘制CO变换炉一段t x图 返回 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 46 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 一 CO变换工艺简介 1 合成氨生产总体步骤 原料气制造 原料气净化 压缩 合成 2 典型流程 以固体煤为原料的中小型合成厂流程 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 47 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 一 CO变换工艺简介 1 合成氨生产总体步骤 原料气制造 原料气净化 压缩 合成 2 典型流程 以天然气 轻烃为原料的大型合成厂流程 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 48 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 一 CO变换工艺简介 2 典型流程 以重油为原料的合成厂流程 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 49 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 一 CO变换工艺简介 3 CO变换原理 CO变换反应 CO H2O g CO2 H2 h298 41 19kJ mol 特点 可逆 放热 等容 需Cat 由于Cat具有优良的选择性 其它副反应可忽略不计 反应热和平衡常数随反应温度的升高都减少 故低温有利于反应平衡向正方向移动 实际变换率 x 反应掉的CO量与反应前的CO量 a mol 的比值 此值的大小说明了反应的程度 x a b a 实际生产中是根据变换前后干气中CO的体积分率 mol分率 进行计算 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 50 一 CO变换工艺简介 3 CO变换原理 实际变换率x 采用干基为计算基准时 当原料气中不含O2时 当原料气中含O2时 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 51 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 一 CO变换工艺简介 3 CO变换原理 实际变换率 x 计算举例 已知干半水煤气流量为2000kmol h 其mol 组成如下表 变换后干变换气中CO为2 10 求变换率及干变换气量和组成 解 n变 n半 1 x yco 2000 1 0 9003 0 26 2468 2kmol hy H2 yH2 x yco 1 x yco 0 40 0 9003 0 26 1 0 9003 0 26 0 5138y CO2 yCO2 x yco 1 x yco 0 13 0 9003 0 26 1 0 9003 0 26 0 2950y N2 yN2 1 x yco 0 21 1 0 9003 0 26 0 1702检验 y CO2 y H2 y CO2 y N2 0 021 0 5138 0 2950 0 1702 1 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 52 一 CO变换工艺简介 思考 实际变换率最大能否达到100 受什么限制 不能达100 受反应平衡限制 最大变换率等于反应条件下的平衡变换率 平衡变换率 平衡时反应掉的CO量与反应前CO量的比值x 原料气中不存在O2时 展开上式得 Kp 1 ya2 x 2 Kp ya yb yc yd yax Kpyayb ycyd 0 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 53 一 CO变换工艺简介 平衡变换率 x 原料气中不存在O2时 展开上式得 Kp 1 ya2 x 2 Kp ya yb yc yd yax Kpyayb ycyd 0令 W Kp 1 U Kp ya yb yc yd V Kpyayb ycydWya2 x 2 Uyax V 0 平衡常数计算经验公式 lgKp 3994 704 T 12 220227lgT 0 004462T 0 67814 10 6T2 36 72508当t 300 520 lnKp 4575 Te 4 33 5 20 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 54 一 CO变换工艺简介 平衡变换率 x 原料气中不存在O2时 展开上式得 Kp 1 ya2 x 2 Kp ya yb yc yd yax Kpyayb ycyd 0令 W Kp 1 U Kp ya yb yc yd V Kpyayb ycydWya2 x 2 Uyax V 0 平衡常数计算经验公式 lgKp 3994 704 T 12 220227lgT 0 004462T 0 67814 10 6T2 36 72508计算步骤 步骤1 由T K 求出Kp步骤2 由入口半水煤气湿基组成分别求出W U V步骤3 由计算式求出x 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 55 一 CO变换工艺简介 平衡变换率 x 原料气中存在O2时 展开上式得 Kp 1 ya2 x 2 Kp ya yb yc yd 2yo Kp 1 yax Kpyayb ycyd 2Kpyayo 2ycyo 0令 W Kp 1 U Kp ya yb yc yd 2yo Kp 1 V Kpyayb ycyd 2yo Kpya yc Wya2 x 2 U yax V 0 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 56 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 平衡变换率 x 上例中H2O CO 3 mol比 变换炉出口温度为360 求对应的平衡变换率和平衡温距 变换炉出口实际组成对应的平衡温度与实际出口温度之间的差值 解 对应1mol干气 加入的水蒸气量为 3 0 26 0 78mol将进口干基组成化为湿基组成如下 如CO湿基组成 ya 0 26 1 0 78 0 14607 lgKp 3994 704 T 12 220227lgT 0 004462T 0 67814 10 6T2 36 72508将T 360 273 15 633 15代入上式得 lgKp 1 265957 Kp 18 44834W Kp 1 17 44834 U Kp ya yb yc yd 11 07656 V Kpyayb ycyd 1 164412 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 57 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 平衡变换率 x 变换炉出口实际组成对应的平衡温度与实际出口温度之间的差值 Jp 0 35623 0 20454 0 01456 0 30669 16 3177 370 55 平衡温距 370 55 360 10 55 平衡温距一般设计时大于20 实际生产中一般控制在16 20 左右 平衡温距大 说明催化剂活性好 平衡温距大 说明反应器推动力大 尚有反应余力 最佳反应温度Tm 可逆放热反应速度最快时对应的温度 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 58 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 4 实际变换反应设备 变换炉 实际生产过程中 当干原料气中yCO 11 时 变换炉必须分段 目前大多采用2 3段中温变换 如图A为两段段间用冷激水直接冷激降温中变炉 图B为两段段间采用间接冷却方式降温的中变炉 一 CO变换工艺简介 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 59 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5 8已知某厂变换系统操作压力为1 8MPa 采用两段变换 变换炉一段入口干气的温度t1 380 入口气体中H2O g CO 3 mol比 入口气体的干基组成如下 若变换催化剂最高允许温度为500 试确定此变换炉一段的工艺条件 任务分析 变换炉一段工艺条件主要是指一段出口温度 一段变换率 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 60 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5 8求解步骤步骤1 先以变换炉一段出口500 为限 进行热量衡算 计算出一段出口变换率x1 一段出口气体组成 步骤2 由一段出口组成 计算出对应的平衡温度Te1 用平衡温距 T Te T2 检验 若 T 15 20 则符合要求 继续以下步骤 否则调整变换率 即以一较前计算值小些的x重新计算一段出口组成 直到满足平衡温距的要求 步骤3 计算一段操作线 平衡线 最佳反应温度线 步骤4 将一段操作线 平衡线 最佳反应温度线绘于同一t x图 至此完成任务 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 61 二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5 8 解 1 变换炉一段物料衡算以100kmol入一段干原料气为计算基准 由入口气体中H2O g CO 3 mol比 可得入口湿气组成 并将一段进出口气体中各组分的物质的量列于表5 12中 表5 12变换炉一段进出气体中各组分的物质的量明细表 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 62 二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5 8 解 2 变换炉一段热量衡算以出口温度500 为计算基准 计算途径如图7 15所示 思考 能否采用先反应后升温 即 HR H1 H2 0即 HR H1 H2 0 H1的计算 由于变换系统操作压力为1 8MPa 已非常压 因此在显热计算时需考虑压力对cp的影响 即此时的cp不仅是温度的函数 同时也是压力的函数 若采用先反应的方法 则产物的mol分率中含未知数x 这样无法计算各组分分压 此处推荐采用cp f T p 的经验公式 原料气中各组分cp f T p 的经验公式如下 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 63 二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5 8 cp f T p 的经验公式 注意 公式中分压单位MPa cp f T p 单位cal mol K 具体时还需乘换算因子4 184将单位换算为J mol K H1 768329 10kJ 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 64 二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5 8 H2的计算 由式 5 21 计算出1kmolCO反应热为 h2 37309 24kJ kmol H2 28 3 37309 24 0 97x 1024175 99x由 H1 H2 0得 768329 10 1024175 99x 解得 x 0 7502 3 出口平衡温度和平衡温距检验将变换率x 0 7502代入表5 12一段出口kmol数和湿气mol 组成表达式中进行计算 所得结果列于表5 13 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 65 二 确定变换炉一段出口温度和一段变换率例5 8 3 出口平衡温度和平衡温距检验 一段出口组成对应的平衡常数为 由式 5 20 得 Te 4575 lnKp 4 33 4575 ln4 1531 4 33 795 12K平衡温距 T Te T2 795 12 773 15 21 97K 15 20K 满足要求 返回 任务3计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t x图 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 66 三 计算计算绝热反应操作线方程 平衡线方程和最佳反应温度线方程 1 绝热反应操作线方程所谓绝热反应操作线方程是指在绝热条件下发生反应时转化率 变换率 与床层出口温度之间的关系 若能处理得到T1 T2之间混合气体的平均恒压摩尔热容 则其表达式为 注意 式 5 22 是采用原料气先升温后反应的处理方法 也可采用先在进口温度下反应 一段变换气再由T1 T2升温吸热的方法 绝热操作线方程为一直线方程 进出口状态点必在此直线上 具体作图时只需根据进出口状态点 即点 380 0 500 0 7502 就可直接在t x图上画出绝热操作线 如图5 43中直线AB所示 11 25 单元5典型化工过程工艺计算 67 三 计算计算绝热反应操作线方程 平衡线方程和最佳反应温度线方程 2 平衡线方程由式 5 19 计算 具体步骤如下 步骤1 假设一平衡温度Te1 由式 5 20 计算出平衡常数Kp 步骤2 由进口湿气中CO H2O CO2 H2的摩尔分率 表5 12 湿气mol 平衡常数Kp计算出式 5 19 中对应的W U V值 步骤3 由式 5 19 计算出平衡转化率xT 步骤4 重复步骤1 3 将Te xT值列表 如表5 14中第1 2 3行数据 3 最佳反应温度线方程中变最佳反应温度与转化率的关系可