【導讀】蘭州交通大學畢業(yè)設計。第一章物料與熱量衡算。計算生產(chǎn)1噸氨需要的變換氣量：。因為在生產(chǎn)過程中物料可能會有損失，因此變換氣量取3000M3(標). 年產(chǎn)10萬噸合成氨生產(chǎn)能力：。要求出低變爐的變換氣干組分中CO％不大于％。假設進中變爐的變換氣溫度為370℃，取變化氣出爐與入爐的溫差為20℃，出爐的變。換氣溫度為390℃。1．水氣比的確定：?？紤]到是天然氣蒸汽轉化來的原料氣，所以取H2O/CO=. 中變爐CO的實際變換率的求取。假定濕轉化氣為100mol，其中CO濕基含量為％，要求變換氣中CO含量為％，則CO的實際變換率公式為：。則反應后的各組分的量分別為：。中變的平均溫距為424℃-390℃=34℃。根據(jù)《合成氨工藝與節(jié)能》可知中溫變換的平均溫距為：30℃到50℃，中變的平均。溫距合理，故取的H2O/CO可用。中變爐催化劑平衡曲線。其中A、B、C、D分別代表CO、H2O、CO2及H2的起始濃度。根據(jù)《小合成氨廠工藝技術與設計手冊》可知為簡化計算，擬采用統(tǒng)一基準焓（或。以P=1atm，t=25℃為基準的氣體的統(tǒng)一基準焓計算式為：

　　

【正文】 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 385℃ 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 = 273 385 101 .3322 .4 273 180 0??? 蘭州交通大學畢業(yè)設計 33 =氣體重度流量 (濕 )G G=21 6 .1 6 2 8 0 7 .5 4 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 =+ = 所以計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 可用 . 22低變爐的計算 ．觸媒用量的計算 Vr=T0*V0 式中 Vr —— 觸媒體積， M3(標 ) T0 —— 標準接觸時間， h* m3 / M3(標 ) V0—— 通過觸媒的氣體體積， M3(標 )/h 標準接觸時間的計算公式如下： ?????? ?? ????? ???? qu ququWn quWnqkKpTo ln22ln 式中： W=Kp1。 蘭州交通大學畢業(yè)設計 34 U=Kp(A+B)+(C+D)。 V=KPABCD。 q= WVu 42 ? Kp—— 反應平衡常數(shù)； k1—— 反應速度常數(shù)； n—— 變換的 CO 的量，分子分率； 其中 A、 B、 C、 D分別代表 CO、 CO CO2及 H2的起始濃度 ．床層觸媒用量 計算基 準： 已知條件： 床層變換氣進口溫度為： 180℃，第一段床層變換氣出口溫度為： 200℃ 平均溫度為：（ 180℃ +200℃） /2=190℃ 190℃時反應速度常數(shù) k1=4125，加壓時取校正系數(shù)： ，則： k1=4125*=11550 進第一段床層變換氣中 N2%=% 則： V0=（ 13890247。 17） 247。（ 2） =(標 )/h 出低變爐 變換氣中 CO%=% 進低變爐 的變換氣濕組分： 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O Ar 合計 含量％ 100 M3(標 ) 1955 Kmol n=%%=% 在 190℃時 ， Kp= 則： W== U= (+)+(+) = V= = q= 28 9 .4 5 4 2 8 5 .3 4 1 .6 7? ? ? = 蘭州交通大學畢業(yè)設計 35 ?????? ?? ????? ???? qu ququWn quWnqkKpTo ln22ln = 所以： V01 =T0*V0 = = M3 備用系數(shù)?。? 所以： V0 1= = M3 觸媒直徑的計算 （ 1）假設觸媒直徑為 計算觸媒直徑的公式 : 催化劑床層阻力降 : △ P= LE Edpv Gf ??????? ? △ P—— 氣體通過觸媒床的壓力降 。 f —— 摩擦系數(shù) ,一般取 。 G—— 氣體重量流速 ,公斤 /(米 3*小時 )。 r —— 氣體在操作狀態(tài)下的重度 , 公斤 /米 3。 dp—— 顆粒直徑 ,米 。 L—— 觸媒床高度 ,米 。 E=+ dp/ Dt Dt—— 觸媒層直徑 ,米 。 B303Q 型觸媒外型尺寸為￠ 9 8毫米球體則 : dp= 103 所以 : E=+ 103247。 = （ 2）低變爐 催化床層的阻力降 : 催化床 層變換氣的平均溫度： 190℃ 催化床層變換氣的壓力 :1800kp 催化床層變換氣的平均分子量： M=∑ YiMi=催化床層變換氣的重度： 蘭州交通大學畢業(yè)設計 36 r= 1 6 .1 72 7 3 1 9 0 1 0 1 .3 32 2 .4 2 7 3 1 8 0 0??? = 氣體重度流量 (濕 )G： G=216. 17 643 98. 22. 4 34??? = kg/m3 *h 催化床層的高度 : L= 234 ? = 催化劑床層阻力降 : △ P = LE Edpv Gf ??????? ? = 已知條件： 水進主換熱器的溫度： 20℃ 水出主換熱器的溫度： 100℃ 變換氣進主換熱器的溫度： 390℃ 變換氣進主換熱器的溫度： 250℃ 傳熱面積的計算 以水的吸熱來計算 從前面主換熱器的計算中可知水吸熱為： Q4Q2 則實際轉熱 量為： Q= (Q4Q2)*=平均溫差： 蘭州交通大學畢業(yè)設計 37 tm=1222ln tttt????? = (3 9 0 2 5 0 ) (1 0 0 2 0 )(3 9 0 2 5 0 )ln(1 0 0 2 0 )? ? ???=℃ 取 K=250 kJ/(m2*h*℃ ) 傳熱面積： S=Q/(K*tm)= 設富裕傳熱面積為： 30% S 實 =*= 選擇固定管板式換熱器： 公稱直徑： 600 mm ,公稱面積： M2,管子總數(shù)： 232，管長： 管程數(shù)： 2，殼程數(shù)： 1，管子：￠ 25，管子排列方式：三角形 設備直徑與管板的確定 管板直徑的計算公式： D=(n/? ) n—— 管數(shù) ? —— 管板填充系數(shù)，取 t—— 管子中心距，取 所以 D= ? = 管 板直徑選用￠ ，設備外徑為￠ 傳熱系數(shù)的驗算 管內(nèi)給熱系數(shù)的計算公式如下： a 內(nèi) = Re=G*d/u Pr=u*Cm/? ? u= i i iiiy u MyM???? 粘度的計算： 查《化工原理》在 320℃時，各氣體的 u值如下： 蘭州交通大學畢業(yè)設計 38 組分 CO2 CO H2 CH4 N2 H2O Ar u(mp*s) 根據(jù)公式得： i i im iiy u Mu yM??? ?? =*s=(m*h) 導熱系數(shù)的計算： 查《化工原理》在 320℃時，各氣體的導熱系數(shù)值如下： 組分 CO2 CO H2 CH4 N2 H2O Ar ? 根據(jù)公式得： ????? ?iiiii My My ?? =(h*℃ ) 熱容的計算： 變換氣在 320℃時根據(jù)《物理化學教程》知 CO, H2, H2O, CO2, N2 ，可用公式： Cp=a+b+CT2來計算熱容以及表 和 可得。 熱容的單位為 kJ/（ ） 計算結果： 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Ar Cp Cpm=∑ Yi*Cp=（ ） =（ kmol*℃） ∑ M=∑ YiMi=Cp=(kg*℃ ) 雷諾系數(shù)的計算 G=P? 0? 0 Re=G*d/u =(*3600*)/ = Pr=(u*Cm)/? =(*)/ 蘭州交通大學畢業(yè)設計 39 = 則： a 內(nèi) = /d? = （ ） （ ） =(m? h? ℃ )=(m? h? ℃ ) 殼側對流傳熱系數(shù)計算 殼側對流傳熱系數(shù)的計算公式如下： a 外 =? (do) ? (de)? (do? Gu/u)? (Cm? u/)1/3? (u/uw) 在本設計中由于溫度對氣體粘度變化影響不大，故校正項 (u/uw) 。 水的物性數(shù)據(jù) 水的溫度為：（ 20+100） /2=60℃ 導熱系數(shù)： ? = 510?? kcal/(m? h? ℃ ) 熱容： Cm=(kg? ℃ ) 粘度 u=? 105Pa? S 取 de= 所以殼側對流傳熱系數(shù)為： a 外 =*(/do)*(de)*(do*Gu/u)*(Cm*u/)1/3 =6423kcal/(m2*h*℃ ) 總傳熱系數(shù)核算 管 程 ，殼程污垢熱阻各取 由《 小合成氨廠工藝技術與 設計手冊 》可知總傳熱系數(shù)的計算公式為： K= ????? Raa 外內(nèi)111 則： K= kcal/(m2*h*℃ ) =(m2*h*℃ ) 傳熱面積的核算 以水的吸熱來計算 蘭州交通大學畢業(yè)設計 40 從前面主換熱器的計算中可知水吸熱為： Q4Q2 則實際轉熱量為： Q= (Q4Q2)*=平均溫差： tm=1222ln tttt????? =℃ ℃ 傳熱面積： S=Q/(K*tm)= 安全系數(shù)： 80 .1 62 .8 % ?