课程设计硫酸物料及热量衡算

1、本设计生产能力10万吨年，按年开车7200h计算，可知硫酸车间每小时硫酸的生产量为：10×100007200=13.89t/h 本次设计采用以每小时的生产产量为基准进行计算。物料衡算以每小时硫酸的生产量为基准。热量衡算以0作为计算的温度基准。炉气成分SO2：10.40% ； O2 ：7.30%； N2 ：82.30%。 炉气水分含量0.183mol干炉气进酸浓度干燥塔进酸浓度93%；出酸浓度92.5%。吸收塔进酸浓度98%；出酸浓度98.3%。转化率及吸收率一次转化率92%；二次转化率99%； 吸收率99%。干燥塔及循环槽的物料衡算(1) 进干燥塔气体成分SO2: 13.87

2、5;100098×10.99×0.99=144.40 kmol/hO2: 144.40×7.3010.40=101.36 kmol/hN2: 144.40×82.3010.40=1142.70 kmol/hH2O: 0.183×144.40+101.36+1142.70=254.09 kmol/h进干燥塔气体成分如表3.1所示。表3.1 进干燥塔炉气成分项目kmol/hkg/hm3/h%SO2144.409241.663242.6710.40O2101.363243.52 2268.207.30N21142.70 31995.6025596.4

3、882.301388.4644480.7231107.34100.00H2O254.094573.626212.35(2)干燥塔出口气体含水量设出干燥塔气体中含水量为0.1g/cm3，则干燥塔出口气体含水量为：0.1×31107.341000=3.11kg/h(3)吸收塔循环酸与干燥塔循环酸对串酸量设：93%硫酸98%硫酸串酸量x(kg/h)；98%硫酸93%硫酸串酸量为y(kg/h)。由平衡得：4573.62+20%y=24.08%x (3-1)由平衡得：80%y=75.92%x (3-2)x=0.80.7592=1.054y (3-3) 将式(3-3)代入式(3-1)：4573.

4、62+20%y=24.08%×1.054yy=85006.47kg/hx=89596.81kg/h(4)循环酸量由于塔直径未确定，故而按酸浓度差计算循环酸量。入塔酸浓度：93% H2SO4，比重：1.7974g/cm3，温度：50，酸量：X m3/h，出塔酸浓度：92.5%干燥塔吸水量=4573.62-3.11= 4570.51 kg/h由物料平衡得X×1.7974×1000×93%=(X×1.7974×1000+4570.51)×92.5%解得X=470.21m3/h 采用481m3/h的酸泵，分两个240.5的泵并联使用

5、。表3.2 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92.5%H2SO4 846594上塔循环93%H2SO4 85117098%硫酸93%硫酸串酸量 85006.4793%硫酸98%硫酸串酸量 89596.81 931600 940767干燥塔及其循环槽的热量衡算(1)干燥塔的热量衡算炉气带入热量Q1SO2带入热量：q1=144.40×42×40.49=245563.75 kJ/h Q=n*t差*CpO2带入热量：q2=101.36×42×29.48=25499.90 kJ/hN2带入热量：q3=1142.70&

6、#215;42×29.14=1398527.68 kJ/hH2O带入热量：q4=254.09×42×33.7=359638.99 kJ/hQ1= q1+ q2+ q3+ q4= 2129230.31 kJ/h水的冷凝热Q2 42时水的冷凝热为2406 kJ/kgQ2=4573.62×2406=11004130kJ/h入塔酸带入热Q3 5093% H2SO4的热焓为I1=78.7 kJ/kgQ3=470.21×1.7974×1000×78.7=66513734 kJ/h93%酸稀释热Q4 式中：稀释热，kJ/kmol H2SO

7、4； n对于1molH2 O所用水的摩尔水。对于浓度为C1的硫酸，当稀释到浓度为C2时，放出的热量按下式计算： 式中：每mol H2SO4放出的热量，kJ/kmol；浓度分别为C2、C1时每mol H2SO4所含水的摩尔数。93% H2SO492.5% H2SO4Q4= 851170×0.9398×816=6591182.55kJ/h 炉气带出热Q5(t=47)SO2带出热量：q1=144.40×47×40.66=275951.29 kJ/h O2带出热量：q2=101.36×47×29.52=140630.92 kJ/hN2带出热量

8、：q3=1142.70×47×29.15=1565556.14 kJ/hH2O带出热量：q4=3.11×47×33.73=4930.31 kJ/hQ5= q1+ q2+ q3+ q4=1987068.66 kJ/h出塔酸带出热Q6和酸温=2129230.31+11004130+66513734+6591182.55-1987068.66=84251207.6KJ/h则：出塔酸的热焓I=84251207.6 851170+4576=98.4KJ/kg查表3.3通过内插法得：93% H2SO4 I=98.4kJ/kg时的温度为t=60。表3.3 硫酸的热含量

9、表硫酸浓度%(质量)热含量(kJ/kg)4060809263.296.3130.29362.4951299858.289.21219957.487.9118.9(2)干燥塔循环酸槽的热量衡算从干燥塔冷却器来的92.5% H2SO4带入热Q1Q1=846594×I kJ/h从98%酸循环系统串来的98.3% H2SO4带入热Q2Q2=85006×79.34=744376 kJ/h式中：79.34为98.3% H2SO4的热焓(kJ/kg)。混合热Q3由98.5% H2SO4、92.5% H2SO4两种浓度的硫酸，混合成93% H2SO4。 m1=846594×0.9

10、25×198=7991 kmol/hm2=85006×0.985×198=854.4 kmol/h=(7991+854.4×13883-7991×14699-854.4×3299=2522313.6kJ/h上塔酸带出热Q4Q4=857710×78.38=66714704.6 kJ/h串往98%酸循环槽的93% H2SO4带出热Q5Q5=89596.8×78.38=7022597 kJ/h式中：78.38为93% H2SO4的热焓(kJ/kg)。从干燥塔冷却器来的硫酸温度由热量平衡得：846594×I +6

11、744376+2522313.6=66714704.6+7022597846594×I=64470612 I=76.15 kJ/kg 查表3.3通过内插法得：92.5% H2SO4的温度为t=47。即干燥塔冷却器出口酸温为47，进口酸温60。干燥塔的热量衡算及循环酸槽的热量衡算结果分别见表3.4和表3.5。表3.4 干燥塔热量衡算表项目进口热kJ/h项目出口热kJ/h炉气带入热Q12129230.31炉气带出热Q51987068.66水的冷凝热Q211004130出塔酸带出热Q684251207.6入塔酸带入热Q366513734.3 93%硫酸稀释热Q46591182.55入塔总热

12、量86238276.3出塔总热量86238276.3表3.5 干燥塔循环酸槽的热量衡算表项目带入热kJ/h项目带出热kJ/h92.5%H2SO4带入热Q164468133.1上塔酸带出热Q466714704.698.5% H2SO4带入热Q2674437693% H2SO4带出热Q57022597混合热Q32522313.6带入总热量73737301.6带出总热量73737301.6吸收塔及其循环槽的物料衡中间吸收塔物料衡算(1)进塔气体成分SO2:144.40×1-92%=11.55kmol/hSO3:144.40×92%=132.85kmol/hO2:101.36 -1

13、32.852=34.94kmol/hN2:1142.70kmol/h中间吸收塔进出气体成分分别见表3.6和表3.7。表3.6 进中间吸收塔气体成分项目kmol/hkg/hm3/hSO211.55739.33285.87SO3132.8510627.842976.99O234.941117.95781.78N21142.7031995.6025596.481322.0444480.7229641.12(1) 吸收SO3量132.85×99%=131.52kmol/h(3)出塔SO3量 132.85-131.52=1.33kmol/h表3.7 出塔气体成分项目SO2SO3O2N2kmol

14、/h11.551.33 34.941142.701190.52(4)上塔酸量G为了便于管理，循环酸泵仍选用与干燥塔相同的酸泵(260 m3/h)。酸浓：98%，比重：1.8023g/cm3，温度：54 G=481×1.8023×1000=866906.3kg/h(5)出塔酸量866903+131.52×80=877427.9kg/h(6)出塔酸浓出塔酸中含SO3=866906.3×0.8+131.52×80877427.9×100%=80.24%相当于出塔酸浓98.3% H2SO4。中间吸收塔物料衡算结果如表3.8所示。表3.8 中间

15、吸收塔物料平衡表进物料 (kg/h)出物料 (kg/h)98% H2SO4 46859898.54% H2SO4 479119进塔SO3气体 10627.84出塔SO3气体 106.4 479225.84 479225.4 最终吸收塔物料衡算(1)进塔气体成分SO2:144.40×1-99%=1.44kmol/hSO3:144.40×（99%-92%）=10.11kmol/hO2:34.936 -132.852=29.88kmol/hN2:1142.70kmol/h最终吸收塔进出气体成分分别见表3.9和表3.10。表3.9 进最终吸收塔气体成分项目kmol/hkg/hm3/

16、hSO21.4492.4232.36SO310.11808.64226.50O229.88956.22668.69N21142.7031995.6025596.481184.1333852.8826523.93(2) 吸收SO3量(吸收率为99%)10.108×99%=10.0kmol/h(3)出塔SO3量 10.108-10.00692=0.10kmol/h表3.10 出最终吸收塔气体成分项目SO2SO3O2N2kmol/h1.440.1029.881142.701174.12(4)上塔酸量G为了便于管理，吸收塔仍采用481 m3/h酸泵，上塔酸量同中间吸收塔。酸浓：98%，比重：

17、1.8023g/cm3，温度：54。G=481×1.8023×1000=866906.3kg/h (5)出塔酸量866906.3+10.0×80=867706.3kg/h(6)出塔酸浓出塔酸中含SO3=866906.3×0.8+10.0×80857706.3=80.10%相当于出塔酸浓98.12% H2SO4。最终吸收塔物料衡算结果如表3.11所示。表3.11 最终吸收塔物料平衡表进物料 (kg/h)出物料 (kg/h)98% H2SO4 866906.398.12% H2SO4 867706.3进塔SO3气体 808.64出塔SO3气体 8.

18、0 867714.94 867714.3吸收循环槽物料衡算吸收循环槽物料衡算结果如表3.12所示。表3.12 吸收循环槽物料衡算表进物料(kg/h)出物料(kg/h)中吸塔排管98.3%H2SO4877427.9上中间吸收塔98%H2SO4866906.3吸收塔排管98.12%H2SO4867706.3上最终吸收塔98H2SO4866906.393%塔串来93% H2SO485057.1串去93%塔98% H2SO480717.5产成品98% H2SO424534.0183019118390643.4.1 中间吸收塔热量衡算(1)进塔气体带入热量Q1（160）SO2带入热量：q1=11.552

19、×100×43.21= 49907.55 KJ/h Q=n*t差*CpSO3带入热量：q2=132.848×100×55.10= 731992.48 KJ/hO2带入热量：q3=34.936×100×29.85=104283.96 KJ/hN2带入热量：q4=1142.70×100×28.87= 3298974.90 KJ/h式中43.21、55.098、29.852、28.876分别为0100温度内SO2、SO3、O2、N2的平均热容(kJ/(kmol·K)。Q1= q1+ q2+ q3+ q4= 41

20、85158.89 KJ/h(2)入塔酸带入热Q2 入塔酸温55，浓度98% H2SO4，热焓：I=81.43kJ/kgQ2=468598×81.43=38157935 KJ/h(3)吸收反应热Q3Q3=10521×2080×7013=18445943 KJ/h式中：7013为50时98% H2SO4吸收气体SO3的吸收反应热()。(4)98% H2SO4浓缩为98.3% H2SO4的浓缩热Q4Q4=866906×98100×37.26-18.589×0.3=4758684.6 KJ/h式中：37.26及18.589分别为98%及99%

21、 H2SO4的积分稀释热()。(5)出塔气体带出热量Q5(t=60)SO2带出热量：q1=11.552×60×41.826= 28985.42 KJ/h Q=n*t差*CpSO3带出热量：q2=1.33×60×50.978= 4068.04KJ/hO2带出热量：q3=34.936×60×29.446=61723.53 KJ/hN2带出热量：q4=1142.70×60×28.525=1955388.24KJ/h式中41.826、50.978、29.446、28.525分别为060温度时SO2、SO3、O2、N2的热容

22、kJ/(kmol·K)。Q5= q1+ q2+ q3+ q4=2050165.23 KJ/h(6)出塔酸带出热Q6=51468008.5 KJ/h(7)出塔酸温出塔酸热焓I=53980187.1 479119=112.7kJ/kg查表3.3，然后通过内插法得出塔酸温为77.0。中间吸收塔物料衡算结果如表3.13所示。表3.13 中间吸收塔热量衡算表项目进口热量kJ/h项目出口热量kJ/h进塔气体带入热量Q14185158.89浓缩热Q44758684.6入塔酸带入热Q238157935出塔气体带入热量Q52050165.23吸收反应热Q318445943出塔酸带出热Q65649236

23、5.7入塔总热量60789036.9出塔总热量60789036.9最终吸收塔热量衡算(1)进塔气体带入热量Q1（18）SO2带入热量：q1=1.44×100×43.21=6222.24 KJ/h SO3带入热量：q2=10.11×100×55.098= 55706.10 KJ/hO2带入热量：q3=29.88×100×29.852=89191.80 KJ/hN2带入热量：q4=1142.70×100×28.876=3298974.90 KJ/h式中43.21、55.098、29.852、28.876分别为0180温

24、度内SO2、SO3、O2、N2的平均热容(kJ/(kmol·K)。Q1= q1+ q2+ q3+ q4=3450095.04 kJ/h(2)入塔酸带入热Q2 入塔酸温55，浓度98% H2SO4，热焓：I=81.43kJ/kgQ2=866906.3×81.43=70592180 kJ/h(3)吸收反应热Q3Q3=800×2080×7013=1402600 kJ/h式中：7013为50时98% H2SO4吸收气体SO3的吸收反应热()。(4)98% H2SO4浓缩为98.12% H2SO4的浓缩热Q4Q4=866906.3×98100×

25、(37.26-18.589)×0.12=1903474 kJ/h式中：37.26及18.589分别为98%及99% H2SO4的积分稀释热()。(5)出塔气体带出热量Q5(t=60)SO2带出热量：q1=11.552×60×41.826= 28985.42 KJ/h Q=n*t差*CpSO3带出热量：q2=0.1×60×50.978= 305.87KJ/hO2带出热量：q3=34.936×60×29.446=61723.53 KJ/hN2带出热量：q4=1142.70×60×28.525=1955388.24KJ/h式中41.826、50.978、29.446、28.525分别为060温度时SO2、SO3、O2、N2的热容kJ/(kmol·K)。Q5= q1+ q2+ q3+ q4=2046403.05KJ/h (6)出塔酸带出热Q6=71494999KJ/h(7)出塔酸温出塔酸热焓I=71494999867706.3=82.39KJ/h查表3.3，然后通过内插法得出塔酸温为57.5。最终吸收塔热量衡算结果如表3.14所示。表3.14 最终吸收塔热量衡算表项目进口热量kJ/h项目出口热量kJ/h进塔气