制氢有关计算.docx

第五章 生产有关计算5.1 烃类蒸汽转化制氢的原料的选择适用于蒸汽转化的烃类原料大体分为气态和液态5.1.1 气态烃包括自然气、液化石油气和各种炼厂气自然气一般包括油田伴生气和气田气自然气主要成分是甲烷、乙烷、丙烷等低级烃类，含有确定的氮的二氧化碳等惰性气体和有害杂质硫化氢，其中气田自然气是以甲烷为主含微量杂质的气体液体石油气是由丙烷、丁烷为主要成分的烃类，来源有两种，一种是油田和自然气油伴生出来的自然液化气，另一种是炼油厂和石油化工厂生产的液化石油气炼厂气是指原油加工过程中副产的各种尾气，包括催化裂化气、焦化干气、热裂解气、高压加氢裂化尾气等，其组成变化较大，其中含有烯烃的炼厂气不宜直接应用，一般需经过环烷化或除掉烯烃才能做制氢原料而不含烯烃的加氢干气可以作为蒸汽转化制氢原料，但由于氧气含量一般＞60%故单位产氢率小5.2 原料物料的计算5.2.1 原料烃的虚拟分子式的计算烃类的虚拟分子式：由于烃类原料都是有多种有机物和一些杂质组成为了便于进展工艺的物料衡算，人们把烃类混合物用一种所谓虚拟分子式 C H 代m n替，即代表混合物一个分子所含碳原子的平均数，m 为混合物一个分子所含的平均氢原子数，而分子量也即是混合物的一个分子的平均分子量，有了虚拟分子式后，对以后工艺的计算就简化，便利多了。

以加裂干气为例，求法如下： 加裂干气的 n, mn=∑C=∑ViCi=(17.87×1+2.03×2+4.58×3+5.46×4+2.23×4+0.417×5+0.13×5)÷100=0.6916 m=∑Hi=(66.75×2+17.87×4+2.03×6+4.58×8+5.46×10+0.417×120.13×12)÷100=3.373故加裂干气虚拟分子式为：C0.6916H3.3735.2.2 原料总碳：烃类混合物每一分子所含的碳元素的平均个数我们例如中加裂干气的总碳 n=0.6916，由于加裂干气虚拟分子式为：C总碳∑C=n=0.69165.2.3 氢碳化H/C=m/n=3.373/0.6916=4.8770.6916H3.373加裂干气虚拟分子式为：C0.6916H3.373平均分子量 M=0.6916×12.01+3.373×2.016/2=11.706总碳∑C=n=0.6916 H/C=m/n=3.373/0.6916=5.4755.2.4 什么是确定碳原〔总碳〕？碳原的定义是指 100Nm 3原料气中所含的烃类中的碳都折算成气态 C1时所占有的体积立方米数，写作∑C，也叫做总碳。

如原料气的总碳∑C=120%，进料流量为10000 Nm 3 /h，则进料碳元素〔碳流量〕为：10000 Nm 3 /h×1.2=12023 Nm 3 /h可见该碳原的定义对自然气转化制氢来说，使用起来是很便利的5.3 计算例题5.3.1 脱硫剂使用时间的估算例如，每小时产工业氢制氢装置，需要石脑油流量为 4500kg/h，含量为 50ppm(重量)取硫容为 20，求装填为 8000kg 脱硫剂是估量可用多长时间？每小时吸取硫量为 4500kg×50×10 6 =0.225kg使用小时数 8000×0.2/0.225=7111h假设每年按 3000h 计可用为 7111/3000=2.37 年5.3.2 硫容计算5.3.3 硫容计算已用过氧化锌脱硫剂分析其硫含量是 18，求按脱硫剂计算的硫容解：在脱硫过程中 ZnO 变成 ZnS 一个氧原子变为一个硫原子，二者的原子量各为16 及 32已用过的脱硫剂每 100kg 硫 18kg,相当于脱硫剂为 9kg,所以使用前脱硫剂重量是 100-9=91kg.18所以硫容： =20%91这说明白氧化锌变成硫化锌了重量是有变化的由于按脱硫剂或使用过的脱硫剂计算硫容是不同的，本例说明白这一点。

5.3.4 PSA 氢回收率的计算用 PSA 法从中变迁中分别出纯氢时，由于工艺的缘由，总有一些氢气进入废气中， 因而使得氢回收率小于百分之百PSA 的产品氢气量和进料中变迁所含氢气量的比值即氢回收路，氢回收率的凹凸主要打算于吸附塔个数和原设计承受的把握工艺，在运转中氢回收率受中变气组成的影响，当吸附剂受到损害时氢回收率亦随之降低① 数据PSA 废气组成〔%〕CH =14, CO=7.1, CO4 2=56.7, H2=22.0废气中总碳∑C=14+7.1+56.7=78〔%〕废② PSA 氢回收率计算公式的推导（a） 说明：PSA 单元产品氢的纯度在 99.9%以上，产品氢中所含的 CO、CO 、2和 CH4都是 ppm 级的，故氢纯度可以认为是 100%，而轻油中的全部碳元素反响生成的含碳化合物全都进入废气中b） 依据碳平衡原理计算出废气量由于中变气中的含碳化合物全部进入了废气中，而它们在中变气和废气中所占的百分比也已经知道，即：中变气∑C=30%，设为 A，废气∑C中 废=78%，设为 B则中变气·A=废气·B废气量= 中变气· AB（c） 计算 PSA 氢回收率PSA 氢回收率= 产品氢量=中变气中氢气量- 废气中氢气量中变气中氢含量 中变气中氢气量=1-废气中氢气量=1-废气量·〔1 - B)中变气中氢气量 中变气量 ·〔1 - A)中变气量· A B(1 - B) A · (1 - B) B - A=1- =1- =中变气量·〔1 - A) B · (1 - A) B · (1 - A)由于前面设∑C=A，∑C = B中 废故计算氢回收率的公式为åC - åCPSA 氢回收率= å 废 å 中 〔3〕代入数据C ·〔1 - C 〕废 中PSA 氢回收率= 0.78 - 0.30 =0.879=87.9%0.7〔8 1 - 0.3〕〔3〕式也可推导成H - HPSA 氢回收率= 2中 2废 H ·〔1 - H 〕2中 2废式中 H即中变气中氢气百分比，H2中 2废即废气中氢气的百分比③ PSA 氢回收率图解法④ 利用η= x - y 〔式中 x=中变气中 H %; y=解吸气中 H%〕作图，氢收 x(1 - y) 2 2见图 5—1。

图 5-1PSA-H 2 氢收的图解法5.4 其他5.4.1 碳流量计算转化炉的碳流量，是指在单位时间内转化进料烃类中的碳元素都以甲烷的状态存在时，在标准状况下计算所得的流量可用符号 QC计算碳流量的算式：表示，单位是 Nm 3 /h〔1〕 假定∑Ca 和进料量 Nm 3 /h,则碳流量Q =∑Ca×干气 Nm 3 /hC〔2〕假定干气中碳含量和进料流量 Nm 3 /hQ =1865×干气碳含量×进料量 Nm 3 /hC5.4.2 碳空速计算碳空速是用来描述制氢转化炉生产强度的一个专用术语，即流过单位催化剂体积的碳流量碳空速简写为 Vc,碳空速的计算通式：Vc= 碳流量〔Nm3 / h)催化剂〔m3 )5.4.3 水碳比计算水碳比是用来表示这起转化炉操作条件的一个术语，是指转化进料中水〔蒸汽〕分子的总数和碳原子总数的比值写为 H2最简计算式为：O/C H O/C= 水蒸汽流量〔Nm3 h) = QH2O2 碳流量〔Nm3 / h) QC水蒸汽的流量如以kg/h 表示时，则乘以 22.4/18 变成Nm 3 /h,再代入上式5.4.4 平衡温距计算工业生产中由化学计算平衡常数所把握的化学反响，其反响器出口物料的组成和到达平衡的物料组成总是会有确定的差距，反映这两个物料组成的平衡温度之差叫做“平衡温距”。

对于吸热反响平衡温距为负值，而放热反响为正值例：转化进料 HO/C=5.0，出口压力为 16atm,干气中 CH2=2.8% ,4CO=10.0% , CO2=15.0% ,H2=72.2%反响方程式 CH4+ H O= CO+3H2 2CO+ H2O= CO + H2 2CH + 2H4 2O= CO2+ 4H2假设以 100Nm 3 干气作为计算基准，依据 H2O/C=5.0 时，则配入的蒸汽应为〔2.8+10.0+15.0〕×5=139Nm 3反响掉水〔10+2×15〕=40 Nm 3 故剩汽量为 99 Nm 3 H[CO] [H]3 P 2 10 ´ 72.23 ´162由于 Kp=[CH4] [2O] =22.8 ´ 99 ´1992=87.77查表可知，与 kp=87.77 对应温度为 774℃，假设装置中有测温设备，我们便可依据实测转化温度 T1之值，减去依据 Kp 之值查出 T2之值，得到平衡温距⊿T= T - T1 2但往往受到测温设备的限制，没有实测温度值我们可认为水煤气反响速度很快，能到达平衡组成，故以气体组成求出变换反响常数：k = 15 ´ 72.2 =1.0942 10 ´ 99查水煤气变换的气相平衡常数表得知与 1.094 对应的温度为 780℃〔T 〕，1故平衡温距⊿T= T - T1 2=780-774=6℃5.4.5 气体体积的计算制氢装置每小时经空冷排放的二氧化碳量为 10t/h，而压力 1.2atm(确定)，温度 35℃，求排放体积为多少。

由于 CO2PV=nRT分子量为 44V= Nrt/P=[10000/44×0.082×(273+35)]÷1.2=4783m 3/h5.4.6 化学反响热的计算在一大气压和某温度时，由处于稳定状态下的单质，化合成一摩尔某化合物时之热效应，称该化合物的生成热而生成热一般通过有关物理化学手册中可以查到燃烧热：一摩尔物质完全氧化时的热效应就称为该化合物的燃烧热有机物的化学反响一般可通过燃烧热求得，反响热等于生成物的燃烧热减去反响物之差例 求 CH4+ H O= CO+3H2 2的反响热：CH 燃烧热 806.67kJ/mol4H 燃烧热 241.83kJ/mol2CO 燃烧热 282.8kJ/molQ =282.83+3×241.83-806.67=201.6 kJ/mol反5.4.7 变换率计算实例变换率定义：一氧化碳在变换反响器中变换反响掉的一氧化碳的百分数叫变换率Y - Y变换率 X = 1 2 式中：Y ´ (1 + Y )1 2Y ：变换前 CO 浓度 ，1。