现代化工计算单元5典型化工过程工艺计算教材.ppt

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1、*,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4 CO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

2、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

3、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：1mh蒸汽+H硫磺=0 由水蒸气查得：h蒸汽=2108.5 kJ/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+H3,H2=nhv,查有关手册可得：cp,s=14.90+29.121

4、03T kJ/(kmolK)hv=1727kJ/kmolcp,l=45.03216.636103T kJ/(kmolK)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+H3,H2=nhv=31.251727=5.397104 kJ,H硫磺=Hi=7.321104+5.397104+2.528104=15.246105 kJ 蒸汽消耗量m为：,*,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：7

5、6.111031.8397104=1.4002103 kg/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,*,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

6、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,*,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=MS ns=3210.204=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=1810.204=183.67kg 由式(5-10)得所需理论耗氧量为硫磺物质的量的

7、1.5倍,即：n氧=1.5ns=1.510.204=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=22.472.866=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

8、数4105，即：硫磺用量：326.534105106=130.6千吨空气用量：1632.654105=6.531108 m3(标准状态)纯水用量：183.674105106=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

9、论用O2量：n氧,理=ns=1 mol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,*,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

10、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+HR+H3=0 若考虑热损失，则：H=H1+H2+HR+H3=Q损或 H

11、=H1+H2+HR+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。,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=15.246105 kJ/1000kg硫磺=4.879103 J/mol硫磺H2的计算 两部分构成,mol O2、3.762 mol N2,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+4.184103T1.674105T2

12、J/(molK)N2：cp=27.87+4.268103T J/(molK),=1.0507104 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-1.012102Ta2-1.6740105Ta1)J/molS,HR0的计算,查得SO2(g),S(单斜)标准生成焓分别为:296.830 kJ/mol、0.2971 kJ/molHR0=296.8300.2971=297

13、.1271 kJ/mol硫磺H3的计算 由三部分构成,分别是(1)mol O2、3.762 mol N2、1mol SO2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+1.063102T5.941105T2 J/(molK),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H3的计算,经整理后得：,H3=(134.80Tg+1.012102Tg2+1.674105Tg1)41652.95+13.47Tg+3.223103Tg2+

14、4.267105Tg15.7337103 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,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=0 A1=1.012102+3.223103 A2=134.80+13.47 A3=-1.0612104-297127.1-(134.80Ta+1.01210-2Ta2+1.6740105Ta-1)A4=1.6740105+4.267105

15、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。,*,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=165.333+1158.723051.2+3829.1,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,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。

16、,由Excel回归可得：tg=164.173+1150.423028.4+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12.4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,*,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

17、程可得:H水+H气=Q损、H水=m(hghl),或,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,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=1008.3 kJ/kg、hg=2804 kJ/kgH水=m(hghl)=m(28041008.3)=1795.7m kJ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,*,单元5 典型化

18、工过程工艺计算,23,四、计算废热锅炉的产汽量,例5-4,=1.959105 J=1.959102 kJ,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,24,四、计算废热锅炉的产汽量,例5-4,H气=1.959105 J=1.959102 kJ 当锅炉绝热，即热效率为100%时，锅炉产汽量：m=1.959102/1795.7=0.10907 kg/mol硫磺 折合成小时产汽量：mT=0.109071.8397104103/32=6.271104 kg/h 若考虑热损失，如取热效率为90%时，则折合成小时产汽量：mT=6.27110490%=5.644104kg/h,返回

19、,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,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=TT*(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1015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

20、 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,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,*,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,*,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

21、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,*,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,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Dim X0,ESP,KP,A1,A2,A3,A4,p0 As Double

22、 X0=0.7 ESP=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,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

23、:lgKp=4812.3/T-2.8245lgT+2.28410-3T-7.02107T2+1.19710-10T3+2.23(5-13A)当反应温度在400700时,可采用简化经验方程式,如式(5-13B)。lgKp=4905.5/T4.6455(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,*,单元5 典型化工过程工艺计算,31,五、计算SO

24、2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,*,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

25、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1mol SO2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,*,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

26、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+2.35210-2T-43.78410-6T2+26.88410-9T3-6.90010-12T4 kJ/mol-hR=101.342-9.25103T kJ/mol(400700),*,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+2.352102693.15-43.784106693.152+26.884109693.153-6.9001012693.154=94.880kJ/

27、mol H1=-94.880 x kJ）H2的计算 查得N2、O2、SO2的恒压摩尔热容数据,先分别计算1mol N2、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,*,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+1715.37x J 由HR=H1+H2=0得:-94880

28、 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,*,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,*,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

29、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=890.91883.15=7.76K思考:此平衡温距是否符合工艺要求?!,*,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1015,因此出口61

30、0 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。,*,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

31、衡算,*,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(T2T1)+3.223103(T22T12)+4.267105(T21T11)+134.80(T2T1)+1.012102(T22T12)+1.674105(T21T11)+1.09(T2T1)+7.609103(T22T12)+6.272105(T21T11)x由H1+H2=0经整理后得:(101342-9.25T1)+1.09(T2-T1)-7.60910

32、-3(T22-T12)-6.272105(T2-1-T1-1)x=13.47(T2T1)+3.223103(T22T12)+4.267105(T21T11)+134.80(T2T1)+1.012102(T22T12)+1.674105(T21T11)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)x J,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,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

33、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。,*,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,

34、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,*,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,*,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、SO

35、2转化率一定,air过剩系数与一段出口T之间的关系A1 T23+A2 T22+A3 T2+A4=0 A1=3.223103+1.012102+7.609103 x A2=13.47+134.801.09 x A4=4.267105+1.674105+6.272105 xA3=A1 T12+A2 T1+(1013429.25T1)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,*,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

36、，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,*,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,*,单元5 典型化工过程工艺计算,47,

37、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,*,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,*,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

38、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,*,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,*,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

39、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+xyco)=2000(1+0.90030.26)=2468.2kmol/h yH2=(yH2+xyco)/(1+xyco)=(0.40+0.90030.26)/(1+0.90030.26)=0.5138yCO2=(yCO2+xyco)/(1+xyco)=(0.13+0.90030.26)/(1+0.90030.26)=0.2950yN2=yN2/(1+xyco)=0.21/(1+0.90030.26)=0.1702检验:yCO2+yH2+yCO2+yN2

40、=0.021+0.5138+0.2950+0.1702=1,*,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:(Kp1)ya2(x*)2Kp(ya+yb)+(yc+yd)yax*+(Kpyaybycyd)=0,任务3 计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图,*,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:(K

41、p1)ya2(x*)2Kp(ya+yb)+(yc+yd)yax*+(Kpyaybycyd)=0 令:W=(Kp1),U=Kp(ya+yb)+(yc+yd),V=Kpyaybycyd Wya2(x*)2Uyax*+V=0,平衡常数计算经验公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.6781410-6T2-36.72508当t=300520: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,*,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:(K

42、p1)ya2(x*)2Kp(ya+yb)+(yc+yd)yax*+(Kpyaybycyd)=0 令:W=(Kp1),U=Kp(ya+yb)+(yc+yd),V=Kpyaybycyd Wya2(x*)2Uyax*+V=0,平衡常数计算经验公式:lgKp=3994.704/T+12.220227lgT-0.004462T+0.67814106T2-36.72508 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,*,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

43、*)原料气中存在O2时,展开上式得:(Kp1)ya2(x*)2Kp(ya+yb)+(yc+yd)+2yo(Kp1)yax*+(Kpyaybycyd+2Kpyayo+2ycyo)=0令:W=(Kp1),U=Kp(ya+yb)+(yc+yd)+2yo(Kp1),V=Kpyaybycyd+2yo(Kpya+yc)Wya2(x*)2Uyax*+V=0,任务3 计算并绘制合成氨厂CO变换反应的t-x图,*,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

44、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:30.26=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+12.220227lgT0.004462T+0.67814106T236.72508将T=360+273.15=633.15代入上式得:lgKp=1.265957Kp=18.44834W=Kp1=17.44834、U=Kp(ya+yb)+(yc+yd)=11.07656、V=Kpyaybycyd=1.164412,*,单元5 典型化工过程工艺计算

45、,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=0.356230.20454/(0.014560.30669)=16.3177370.55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1620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,*,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

46、,当干原料气中yCO11%时,变换炉必须分段,目前大多采用23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,*,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

47、、一段变换率。,*,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=TeT2）检验，若T1520，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tx图，至此完成任务。,*,单元5

48、 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,*,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=

49、0即：HR=H1+H2=0H1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,*,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/(molK),具体时还需乘换算

50、因子4.184将单位换算为J/(molK)。H1=768329.10 kJ,*,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=1024175.99 x 由H1+H2=0得：768329.10=1024175.99 x,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。,*,单元5 典型化工过程工