【正文】 由于合成氨的變 換工段是成熟工藝，參考文獻(xiàn)資料較多，在本設(shè)計(jì)中，主要參考了《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《 3000 噸 合成氨廠工藝和設(shè)備計(jì)算》這兩本書。 = （ 2）中變爐第一段催化床層的阻力降 : 第一段 催化床層變換氣的平均溫度： ℃ 第一段催化床層變換氣的壓力 :1750kp 第一段催化床層變換氣的平均分子量： M=∑ YiMi=第一段催化床層變換氣的重度： r=1750273 ??? = 氣體重度流量 (濕 )G： G=??? = kg/m3 *h 第一段催化床層的高度 : L= ? = 第一段催化劑床層阻力降 : △ P = LE Edpv Gf ??????? ? =（ 3） 中變爐第二段催化床層的阻力降 : 第二段催化床層變換氣的平均溫度 359℃ 第二段催化床層變換氣的平均分子量 :M=∑ YiMi=第二段催化床層變換氣的重度 : r = 15 .983 4273 353 .5 101 .3322 .4 273 175 0??? =氣體重度流量 (濕 )G G=21 8 3 4 1 5 4 8 9 .7 42 2 .4 4????????? = kg/m3 *h 第二段催化床層的高度 : L= 2 ? = 第二段催化劑床層阻力降 : △ P = LE Edpv Gf ??????? ? = 中變爐催化劑的總阻降： △ P 總 =+ = kgf/m3 = 所以計(jì)算得中變爐催化劑的總阻降符合要求，中變爐催化劑床層直徑 . (4) 中變爐進(jìn)口直徑的計(jì)算： 查《化工原理》得到氣體的組分在 0℃， 時(shí)的密度如下表 組分 O2 N2 H2 CO CO2 CH4 密度（ kg/m3） ? ? 4 7 7 9 6 0 ??? ? iim y ?? kg/m3 對(duì)密度進(jìn)行校核得在 330℃， 1750kP 時(shí)密度為： ? 1 17 127 333 027 3 ???? kg/m3 查《化工原理》得到 H2O 的組分在 330℃， 時(shí)的密度為 kg/m3 對(duì) 水的密度進(jìn)行校核得在 330℃， 1750kP 時(shí)密度為： 18 879 17 0 ??? kg/m3 所以氣體密度為： + ?? kg/m3 Vs=?Ws= =取氣體流速為 50m/s d= ??? = (5) 中變爐出 口直徑的計(jì)算 查《化工原理》得到氣體的組分在 0℃， 時(shí)的密度如下表 組分 N2 H2 CO CO2 CH4 密度（ kg/m3） ? ? 3 4 2 4 0 6 ??? ? iim y ?? kg/m3 對(duì)密度進(jìn)行校核得在 365℃， 1015kP 時(shí)密度為： ? 365273 ???? kg/m3 查《化工原理》得到 H2O 的組分在 365℃， 時(shí)的密度 為 kg/m3 對(duì)水的密度進(jìn)行校核得在 365℃， 1015kP 時(shí)密度為： ??? kg/m3 所以氣體密度為： + ?? kg/m3 Vs=?Ws= =取氣體流速為 50m/s d= ??? = （ 6） 中間冷 凝水進(jìn)口直徑： 查《化工原理》得到 H2O 的組分在 20℃， 1750kP 時(shí)的密度為 998 kg/m3 此時(shí)壓力對(duì)水的影響不大，不需要校核 Vs=?Ws= ? =取氣體流速為 5m/s d= ??? = 已知條件： 水進(jìn)主換 熱器的溫度： 20℃ 水出主換熱器的溫度： 90℃ 變換氣進(jìn)主換熱器的溫度： 365℃ 變換氣進(jìn)主換熱器的溫度： 250℃ 以水的吸熱來(lái)計(jì)算 從前面主換熱器的計(jì)算中可知水吸熱為： Q4Q2 則實(shí)際轉(zhuǎn)熱量為： Q= (Q4Q2)*=平均溫差： tm=1222ln tttt????? =℃ 取 K=250 kJ/(m2*h*℃ ) 傳熱面積： S=Q/(K*tm)= 設(shè)富裕傳熱面積為： 30% S 實(shí) =*= 選擇固定管板式換熱器： 公稱直徑： 600 mm ,公稱面積： 120 M2,管子總數(shù)： 254，管長(zhǎng)： 6m 管程數(shù)： 2，殼程數(shù)： 1，管子： ￠ 25? ，管子排列方式：三角形 管板直徑的計(jì)算公式： D=(n/? ) n—— 管數(shù) ? —— 管板填充系數(shù)，取 t—— 管子中 心距，取 所以 D= ? = 官板直徑選用 ￠ ，設(shè)備外徑為 ￠ 管內(nèi)給熱系數(shù)的計(jì)算公式如下： a 內(nèi) = Re=G*d/u Pr=u*Cm/? ? u= i i iiiy u MyM???? 粘度的計(jì)算： 查《化工原理》在 ℃時(shí)，各氣體的 u值如下： 組分 CO2 CO H2 CH4 N2 H2O u(mp*s) 根據(jù)公式得： i i im iiy u Mu yM??? ?? =*s=(m*h) 導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算： 查《化工原理》在 ℃時(shí)，各氣體的導(dǎo)熱系數(shù)值如下： 組分 CO2 CO H2 CH4 N2 H2O ? 根據(jù)公式得： ????? ?iiiii My My ?? =(h*℃ ) 熱容的計(jì)算： 變換氣在 ℃時(shí)根據(jù)《物理化學(xué)教程》知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT2 來(lái)計(jì)算熱容以及表 和 可 得。 f —— 摩擦系數(shù) ,一般取 。 U=Kp(A+B)+(C+D)。 熱量衡算： （ 1） 入熱： 水的帶入熱 Q1 水在 20℃時(shí) Cp= kJ/（ ） 所以： Q1=X （ 20+273） = 轉(zhuǎn)化氣的帶入熱 Q2： 轉(zhuǎn)化氣在 920℃時(shí) T=1193K 根據(jù)《物理化學(xué)》知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT2 來(lái)計(jì)算熱容。 △ H=（ ∑ ni Hi） 始 － （∑ ni Hi） 末 (52) 式中 : △ H —— 過(guò)程熱效應(yīng)，其值為正數(shù)時(shí)為放熱，為負(fù)數(shù)時(shí)系統(tǒng)為吸熱，單位： kcal；（ ） 。 進(jìn)中變爐干氣壓力 中P =. 1．水氣比的確定 ： 考慮到是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化來(lái)的原料氣，所以取 H2O/CO= 故 V（水） =? V 水 =(標(biāo) ) ， n(水 )= 因此進(jìn)中變爐的變換氣濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合計(jì) 含量％ 100 M3(標(biāo) ) kmol CO 的實(shí)際變換率的求?。? 假定濕轉(zhuǎn)化氣為 100mol，其中 CO 濕基含量為 ％，要求變換氣中 CO 含量為 2％，故根據(jù)變換反應(yīng)： CO+H2O＝ H2+CO2， 則 CO 的實(shí)際變換率公式為： Xp％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100 （ 21） 式中 aY 、 39。 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 年產(chǎn)三萬(wàn)噸合成氨廠變換工段設(shè)計(jì) 作 者 系 別 材料與化學(xué)工程系 專 業(yè) 無(wú) 機(jī) 化 工 011 指 導(dǎo) 教 師 接受任務(wù)日期 2020 年 2 月 28 日 完成任務(wù)日期 2020 年 6 月 1 日 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 題 目 年產(chǎn) 3 噸合成氨廠變換工段設(shè)計(jì) 作 者 系 別 材料與化學(xué)工程系 專 業(yè) 無(wú) 機(jī) 化 工 指 導(dǎo) 教 師 接受任務(wù)日期 2020 年 2 月 28 日 完成任務(wù)日期 2020 年 6 月 1 日 四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 材 化 系 無(wú) 機(jī) 化 工 專業(yè) 01 級(jí) 1 班 題 目 年產(chǎn) 3 噸合成氨廠變換工段設(shè)計(jì) 起訖日期 2020 年 2 月 28 日起至 2020 年 6 月 1 日止 指導(dǎo)老師 教研室主任 系主任 學(xué)生姓名 批準(zhǔn)日期 2020 年 2 月 28 日 接受任務(wù)日期 2020 年 2 月 28 日 完成任務(wù)日期 2020 年 6 月 1 日 一． 計(jì)要求 ： 1. 進(jìn)行工段工藝流程設(shè)計(jì)，繪制帶主要控制點(diǎn)的工藝流程圖。aY 分別為原料及變換氣中 CO 的摩爾分率（濕基） 所以： Xp= ? ?? ? ?? ?? =74％ 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： 74％ = 則反應(yīng)后的各組分的量分別為： H2O％ =％ ％ +％ =23％ CO％ =％ ％ =％ H2％ =％ +％ ％ =％ CO2％ =％ +％ =％ 中變爐出口的平衡常數(shù)： Kp= （ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） =12 查《 小合成 氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè) 》可知 Kp=12 時(shí)溫度為 397℃。 ni —— 始態(tài)或末態(tài)氣體的千摩爾數(shù)， kmol； Hi —— 始態(tài)溫度下或末態(tài)溫度下； Hi—— 氣體的統(tǒng)一基準(zhǔn)焓， kcal/kmol，（ ） 現(xiàn)將有關(guān)氣體的計(jì)算常數(shù)列于下表中 氣體統(tǒng)一基準(zhǔn)焓（通式）常數(shù)表 分子式 a0 a1 a2 a3 a4 O2 10 3 10– 3 10– 7 10– 10 H2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 H2O 104 10－ 3 10－ 7 10－ 11 N2 103 10－ 4 10－ 7 10－ 11 CO 104 10－ 4 1