物料衡算及热量衡算

第二章硫酸干吸系统设计的计算2.1 干燥塔物料计算[16]
2.1.1 干燥塔入口炉气成分
表2.1 转化气进口气体成分
表2.2 电除雾器出口气体成分
2419.05
2.1.2 干燥塔入口炉气含水量
设补加空气全部在电除雾器之后加入，空气温度20摄氏度、相对湿度75%，由湿含图查得水含量为103
干空气，则补加空气带水量为：
g/m
2419.05×0.01=24.19kg/h=1.34kmol/h=30.8m3/h
2.1.3 干燥塔入口气体带水
设出塔气体中含水量为3
0.1g/m，则干燥后气体带水量为：
(0.1÷1000)×19372.98=1.94kg/h
2.1.4 循环酸量
决定循环酸量的方法一般有两种，一种是根据进出口酸浓度差决定，酸浓度差一般选在0.2%~0.4%范围内，第二个是根据塔的喷淋密度来决定，喷淋密度一般选在14~20m3/(m2·h)的范围内。

在这里采用浓度差计算循环酸量。

H SO比重 1.7993
入塔酸：浓度93.00%
24
m/h
温度50O C 酸量x3
出塔酸：浓度92.7%
干燥塔吸收水量=(1115.81＋24.19)－1.94=1138.06kg/h
由物料平衡得：X×1.7993×1000×93%=(X×1.7993×1000＋1146)×92.7%
X=195.44m3/h
所以采用扬量为200m3/h酸泵,型号为IHIHF125-100-250酸泵。

2.2 干燥塔热量衡算
2.2.1 炉气带入热量Q1
t=40O C时
SO2带入热量：q1=76.98×40×41.57=127997.80KJ/h
O2带入热量：q2=69.28×40×29.37=81389.60KJ/h
N 2带入热量： q 3=709.05×40×28.45=806894.52KJ/h
H 2O 带入热量： q 4=（1.34+61.94）×40×32.716=82810.74KJ/h
式中41.57，29.37，28.45，32.716分别为0~40O C 时SO 2、O 2、N 2、H 2O 的摩尔热熔KJ/(mol·K) 。

Q 1=q 1+q 2 +q 3+q 4=1099092.66KJ/h
2.2.2 水的冷凝热Q 2
水在40O C 时冷凝热为2406KJ/kg
Q 2=（1115.81+24.19－1.94）×2406=2738177.35KJ/h 2.2.3 入塔酸带入热Q 3
50O C 时93%H 2SO 4的热焓 I 1=78.7KJ/kg Q 3=195.44×1.7993×1000×78.7=27675734.96KJ/h 2.2.4 93%酸稀释热Q 4
n 17860
Q 4.18
n +1.7983
⨯=
⨯ 式中：Q —稀释热，J/mol
n —对于1molH 2SO 4所用水的mol 数 对于浓度为1C 的硫酸，当稀释到浓度为2C 时，放出的热量按下式计算：
212121n 17860n 17860Q Q 4.1868n 1.793n 1.793⎡⎤
⨯⨯-=-⨯⎢⎥++⎣⎦
93%24H SO →92.7%24H SO ，1122n 0.41 Q 13900 n 0.429 Q 14394 ====
21Q Q 493.8KJ/kmol -=
4195.441.79931000
493.8
1771941.75
/
98
Q KJ h ⨯⨯=
⨯=
2.2.5 炉气带出热Q 5
SO 2带出热量： q 1=76.98×45×41.64=144245.12KJ/h O 2带出热量： q 2=69.28×45×29.395=91641.852KJ/h N 2带出热量： q 3=709.05×45×28.51=909675.70KJ/h H 2O 带出热量： q 4=0.11×45×32.74=162.06KJ/h
式中41.64，29.395，28.51，32.74分别为0~450C 时2SO 、2O 、2N 、2H O 的摩尔热熔KJ/(mol·K)。

Q 5=q 1＋q 2＋q 3＋q 4=1143475.48KJ/h
2.2.6 出塔酸带出热Q 6和酸温
Q 6=Q 1＋Q 2＋Q 3＋Q 4－Q 5=32141471.24KJ/h
则出塔酸的热焓232141471.24
91.1/351655.19+1138.06
I KJ kg =
=
查表得：92.7%H 2SO 4 I 2=91.1KJ/kg 时的温度为t= 57.2O C 2.3 干燥塔循环酸槽的物料衡算
表2.3 干燥塔循环槽物料衡算表
上塔循环= X=195.44m 3/h*1.7993kg/m3=351655.19kg/h
2.4 干燥塔酸循环槽热量衡算
如干燥塔循环系统的流程图所示
干燥塔循环系统流程图
2.4.1 从干燥塔冷却器来到92.7%H2SO4带入热 Q 1=35279
3.25×IKJ/h
2.4.2 从98%酸循环系统串来到98.5%H2SO4带入热 Q 2=1924
3.27×79.34=1526760.91KJ/h 式中：79.34为98.5%H 2SO 4的热焓， KJ/kg 。

2.
4.3 混合热
由98.5%H 2SO 4、92.7%H 2SO 4两种浓度的硫酸，混合成93%H 2SO 4
110.42917860
n 0.429 q 4.186814403KJ /kmol 0.4291.7983⨯==
⨯=+
220.08317860
n 0.083 q 4.18683295KJ /kmol
0.0831.7983⨯==⨯=+330.4117860
n 0.41 q 4.186813900KJ /kmol 0.411.7983
⨯==⨯=+
m 1=(352793.25×0.927)/98=3337.14mol/h m 2=(19243.27×0.985)/98=193.41mol/h Q 3=(3337.14+193.41)×13900－3337.14×14403－193.41×3295=372581.09KJ /h 2.4.4 上塔酸带出热
Q 4=351655.19×78.38=27562733.95KJ /h 2.4.5 串往98%酸循环槽等93%H2SO4带出热
5Q 20381.3378.38=1597488.51KJ/h =⨯ 式中：78.38为93%酸的热焓，KJ /kg 2.4.6 从干燥塔冷却器来的硫酸温度
由热量平衡得：
12345
Q +Q +Q =Q +Q I=77.27KJ/kg,J/kg 92.7%t= 43C 从表中查出热焓为77.27K 的硫酸的温度
即干燥塔冷却器出口酸温为430C ，进口酸温57.20C 。

第三章 吸收系统计算
3.1 一吸塔物料衡算
一次转化后的气体进入吸收塔，经过98%H 2SO 4，吸收率为99.95%。

3.1.1 进塔气体成分 SO 2(kmol/h)
N 2(kmol/h) O 2(kmol/h) SO 3(kmol/h) ∑(kmol/h) 5.54
709.05
33.56
71.43
819.58
3.1.2 出塔气体成分 SO 2(kmol/h)
N 2(kmol/h) O 2(kmol/h) SO 3(kmol/h)
∑(kmol/h) 5.54 709.05 33.56 0.04 748.19
3.1.3 吸收SO3量
71.43－0.04=71.39kmol/h 3.1.4 上塔酸量
为了便于管理，循环酸泵仍选用与干燥塔相同的酸泵
上塔酸量G 130m 3/h 浓度98% 比重1.8023 t=55O C G=130×1.8023×1000=234299kg/h=2928.74kmol/h 3.1.5 出塔酸量
234299＋71.39×80=240010.2kg/h 3.1.6 出塔酸浓度
出塔酸中含332342990.85711.2
SO 0.804880.48%SO 2342995711.2
⨯+=
==+
查硫酸溶液密度表，相当于出塔酸浓度为98.40%H 2SO 4,在一般生产控制中酸浓度差在0.3～0.5%H 2SO 4的范围，故此设计的循环量合适。

表3.1 一吸塔物料衡算表
进物料/kg/h 出物料/kg/h
98%H 2SO 4 234299 98.40%H 2SO 4 240010.2 进塔SO 3气体
5714.4 出塔SO 3气体
3.2 ∑ 240013.4 ∑ 240013.4
3.2 一吸收塔热量衡算
3.2.1 进塔气体带入热Q 1
t=160O C
S02带入热量： q 1=5.54×160×43.21=38301.344KJ/h N 2带入热量： q 2=709.05×160×28.876=3275924.448KJ/h O 2带入热量： q 3=33.56×160×29.852=1620293.2992KJ/h SO 3带入热量： q 4=71.43×160×55.098=629704.0224KJ/h
式中，43.21、28.876、29.852、55.098分别是S02、N 2、O 2、SO 3平均摩尔热熔KJ/(mol·k)
Q 1=q 1＋q 2＋q 3＋q 4=4104223.114KJ/h 3.2.2 入塔酸带入热Q 2
入塔酸温度55O C ，浓度98%H 2SO 4，热焓I=81.43KJ/kg 入塔酸带入热量 Q 2 =234299×81.43=19078967.57KJ/h 3.2.3 吸收反应热Q 3
319.52
Q 2928.7470134981687.757KJ/h 80.48
=⨯
⨯= 式中7013为50O C 时98%硫酸吸收气体SO 3的吸收反应热，KJ/kg 。

3.2.4 98%H 2SO 4浓为98.40%H 2SO 4的浓缩热
()()498
Q 123429937.2618.5890.40171503.54KJ/h 100
=-⨯
⨯-⨯=- 式中：37.26及18.589分别为98%及99%硫酸的积分稀释热，KJ/kgH 2SO 4。

3.2.5 出塔气体带出热Q 5
出塔气体温度t=60O C
S02带出热量：q 1=5.54×60×41.826=13902.9624KJ/h N 2带出热量： q 2=709.05×60×28.876=1228471.668KJ/h O 2带出热量: q 3=33.56×60×29.446=59292.4656KJ/h SO 3带出热量：q 4=0.04×50.978=122.3472KJ/h
式中，41.826、28.876、29.446、50.978分别是SO 2、N 2、O 2、SO 3的平均摩尔热熔，KJ/（mol·k ）
Q 5=q 1＋q 2＋q 3＋q 4=1301789.443KJ/h 3.2.6 出塔酸带出热Q 6和出塔酸温
Q 6=Q 1＋Q 2＋Q 3＋Q 4－Q 5=26724842.4KJ/h 出塔酸温 出塔酸热焓26724842.4/240010.2111.35/I
KJ kg ==，则出塔温为68O C 。

3.3二次吸收塔物料衡算
3.3.1 进塔转化气成分
表3.2 二次吸收塔气体成分
项目
kmol
kg 3m SO 2 0.58 37.12 14.551 SO 3 5.0 400 112.00 O 2 31.08 994.56 695.983 N 2 709.05 19853.4 15882.72 ∑
745.71 21285.08
16705.254
3.3.2 出塔尾气成分
表3.3 出塔尾气成分
项目 kmol
kg 3m
SO 2 0.58 37.12 14.551 SO 3 0.003 0.216 0.0675 O 2 31.08 994.56 695.983 N 2 709.05 19853.4 15882.72 ∑
740.713 20885.296
16593.322
3.3.3吸收SO 3量 （吸收率99.95%）
5.0-0.003=4.997kmol/h 3.3.4 入塔酸量
为了管理和检修的方便，二吸塔仍采用200m 3/h 酸泵，上塔酸量同中间吸收塔，酸浓98%H 2SO 4，比重1.8023，酸温55O C 。

入塔酸量=130×1000×1.8023=234229kg/h 。

3.3.5 出塔酸量
234299+4.997×80=234698.76 kg/h 出塔酸中SO 3含量2342990.8399.76
0.8003234299399.76
⨯+=
=+
所以，出塔酸浓度为98.04%H 2SO 4。

3.4 二次吸收塔热量衡算
3.4.1入塔酸带热Q 1
入塔酸浓度98%，温度55O C ，热焓I=81.43KJ/kg Q 1=234299×81.43=19079732KJ/h 3.4.2 入塔气体带入热Q 2
t=160O C
SO 2带入热量： q 1=0. 58×160×43.21=4009.888KJ/h N 2带入热量： q 2=709.05×160×28.876=3275924.448KJ/h O 2带入热量： q 3=31.08×160×29.852=148448.0256KJ/h SO 3带入热量： q 4=5.0×160×55.098=44078.4KJ/h
式中，43.21、28.876、29.852、55.098分别是SO 2、N 2、O 2、SO 3平均摩尔热熔KJ/(mol·K)
Q 2=q 1＋q 2＋q 3＋q 4=3472460.762KJ/h 3.4.3 吸收反应热Q 3：
319.52
Q 2928.7470134981687.757KJ/h 80.48=⨯
⨯=
242498.00%H SO 98.04%H SO →4浓缩热Q
()()498
Q 123429937.2618.5890.04171504KJ/h 100
=-⨯⨯
⨯-⨯=- 3.4.5 尾气带出热Q 5
出塔气体温度t=60O C
S02带出热量：q 1=0.58×60×41.826=1455.5448KJ/h N 2带出热量： q 2=709.05×60×28.876=1234241.0928KJ/h O 2带出热量: q 3=31.08×60×29.446=54910.9008KJ/h SO 3带出热量：q 4=0.003×60×50.978=9.17604KJ/h
式中，41.826、28.876、29.446、50.978分别是SO 2、N 2、O 2、SO 3的平均摩尔热熔，KJ/（mol·k ）。

Q 5=q 1＋q 2＋q 3＋q 4=1290616.7114KJ/h
3.4.6 出塔酸带出热Q 6
Q 6=Q 1＋Q 2＋Q 3＋Q 4－Q 5=26119637.91KJ/h 3.4.7 出塔酸温
出塔酸热焓26119637.91
111.29234698.76
I =
=，则出塔酸温为t=63O C 。

3.5 吸收循环槽物料衡算
3.6 吸收循环槽热量衡算
设吸收塔冷却器出口酸温为530C 3.6.1 一吸塔冷却器来酸带入热Q 1
1Q 240013.4KJ /I h =⨯
3.6.2 二吸收塔冷却器来酸98.04%带入热Q 2
53℃ I=78.35KJ/Kg
2Q 234698.7678.33518385127.36KJ/h =⨯=
3.6.3 串酸带入热Q 3
242493%H SO 98%H SO →
3Q 20381.3378.3351596571.486KJ/h =⨯=
3.6.4 混合热Q 4
242493%H SO 98%H SO → 串酸混合热 ()()4Q 20381.33130.20937.2630.9311761757.681KJ/h
=⨯-⨯-=-
3.6.5上塔酸带出热Q 5
550C 2498%H SO I =81.43K J / 5Q 223429981.4338159463KJ/h =⨯⨯= 3.6.6 串去93%塔酸带出热Q 6 6Q 1924381.431566957.49KJ/h =⨯=
3.6.7 成产品酸带出热Q 7 7Q 6856.99281.4355836
4.8586KJ/h =⨯=
3.6.8 一吸塔冷却器来酸温度
Q =Q 进出 123456Q Q Q Q Q Q Q +++=++ 91.93KJ/kg I =
所以056.3t C =，即一次吸收塔冷却器出口温度为056.3C。