【正文】 礎(chǔ)上進(jìn)行合成塔的催化劑層設(shè)計(jì)，依據(jù)已給定參數(shù)設(shè)計(jì)確定催化劑用量及幾何尺寸等工藝參數(shù)，然后再按照一定的操作條件計(jì)算催化劑層溫度、濃度和產(chǎn)量。本設(shè)計(jì)采用“近似計(jì)算法”進(jìn)行設(shè)計(jì)。（1） 基本數(shù)據(jù)：進(jìn)塔氣成分 H2 ，N2 ，CH4 ，Ar , NH3 ：V1=無惰性氣體分解基流量：yNH3,1=y0,1=,1=V1(1y0,1) x[1+yNH3,1/(1 y0,1)]=()[1+()]= m3/h將整個(gè)催化劑床層分成三段，各段尺寸見下表：n123小計(jì)⊿Ln,mm1500250035007500⊿Vkn,m3An,n,x106()/m3Ef(2)分段計(jì)算： ①第一段絕熱層溫度分布計(jì)算（n=1）,首先假定催化劑層溫度tk,0=412℃設(shè)出第一段氣體溫度 tk,1=447℃：第一段平均溫度 t平k,1=(tk,0+tk,1)/2=（412+417)/2=℃由t平k,1=℃，yNH3,1= 查C平pk,1=(Kmol.℃) ⊿HT1=54340KJ/KmolNH3由聯(lián)立方程式 A1=⊿Vk/V01=(1/rNH3)平n/ Ef = (y186。NH3,1 y186。NH3,0)其中 ⊿Vk表示第n1段至n段催化劑用量 V01為入塔氨分解基無惰性氣體體積流量 Ef為催化劑活性系數(shù)y186。NH3,1， y186。NH3,0為扣除了惰性氣體的第n段催化劑進(jìn)出計(jì)算氨含量，（1/rNH3)平n為第n段進(jìn)出口反應(yīng)速度倒數(shù)：令氣體第一段焓升（反應(yīng)熱）⊿I1⊿I1=Mk,0 C平pk,1 (tk,1 tk,0)=⊿M1 x⊿HT1∴⊿M1 = Mk,0 C平pk,1 (tk,1 tk,0)/⊿HT1=(447412)/54340= Kmol/h⊿I1=⊿M1x⊿HT1==： 由公式y(tǒng)186。NH3,1/（1+y186。NH3,1)=⊿M1/ V01+ y186。NH3,0/（1+ y186。NH3,0）= + y186。NH3,0/（1+ y186。NH3,0）=+ y186。NH3,0/（1+ y186。NH3,0）由公式y(tǒng)186。NH3,0= yNH3,0/（1 yNH3,0）=（）=，y186。NH3,0/（1+ y186。NH3,0）=上式=+=，∴ y186。NH3,1=實(shí)際出口氨含量：yNH3,1= y186。NH3,1（1 y0,0 Mk,0 / Mk,1）=（,1）式中 Mk,1 = Mk,0⊿M1 ∴ Mk,1== Kmol/h y186。NH3,1=（）=,1(反算tk,1) 由A106催化劑活性曲線查(1/rNH3)1，(1/rNH3)2當(dāng) tk,0=412℃, y186。NH3,0= (1/rNH3)0 =()/m3當(dāng) tk,1=447℃, y186。NH3,1= (1/rNH3)1 =()/m3(1/rNH3)平1=[(1/rNH3)0 +(1/rNH3)1]/2=()/m3A1,1 = (1/rNH3)平1 x(y186。NH3,1 y186。NH3,0)/ Ef =()/= x105()/m3與假定第一段常數(shù)A1相符，故假定溫度求tk,1=447℃正確本段單位長度反應(yīng)熱 Q1=⊿I1/⊿L1 =()第一段催化劑用量⊿Vk，1= A1,1 V01= = m3②第二絕熱床層的計(jì)算 進(jìn)第二絕熱床層摩爾流量 ：Mk2= Mk1+ Mk0=+=無惰性氣體氨分解基流量：V0,?= V2(1 y0,2)[1+ yNH3,2/(1 y0,2)] ()(1+())=%,則第二絕熱床層無惰性氣體進(jìn)出口氨含量：y0NH3,2=()= y0NH3,1=氨生成量：ΔM2=Vo,2/(yoNH3,2/(1＋yoNH3,2) yoNH3,21/(1＋yoNH3,21))ΔM2=((1+)(1+))=假設(shè)第二段出口溫度為458℃,查得Cpk,2平= KJ/(Kmol. ℃), ΔHT1=55732KJ第二段出口溫度核算：tk,2 =⊿M2x⊿HT2/( Mk1Cpk,2平)+ tk,1=()+447=℃與假定值相同，計(jì)算有效由A106催化劑活性曲線查(1/rNH3)n1, (1/rNH3)n當(dāng)tk,1=447℃時(shí)，y186。NH3,1=,(1/rNH3)1=()/m3(標(biāo))當(dāng) tk,2=℃時(shí)，y186。NH3,2=, (1/rNH3)2=()/m3(標(biāo))(1/rNH3)2平=（(1/rNH3)2＋(1/rNH3)1）＝ ()/m3(標(biāo))第二絕熱床層催化劑用量：ΔVk2= V0,?x(1/rNH3) 2平/Ef(y0NH3,2 y0NH3,1)= x()/= m3設(shè)冷激后溫度降為380℃，查表得Cpk2,`= KJ/(Kmol. ℃)出塔氣摩爾流量：Mk,2= 已知冷激氣溫度：tk,0=℃,查得Cpk,0= KJ/(Kmol. ℃)據(jù)Mkn*Cpk,n平tk,n+ Mk,0+ Cpk,0* tk,0=tk,n`Cpk,n`(Mkn+Mk0)代入數(shù)據(jù)+ Mk,=(Mk,0+)解得冷激氣量：Mk,0＝ Kmol/h冷激后氨含量：yNH3,n`=( Mkn*yNH3,n+ Mk0*yNH3,0) /( Mkn+ Mk0)yNH3,2`=(+)/(+)=③第三段絕熱層溫度分布計(jì)算（n=3）,首先假定催化劑層溫度tk,0=487℃由出第二段氣體溫度 tk,2=℃：第一段平均溫度 t平k,31=(tk,3+tk,2)/2=（487+)/2=℃由t平k,1=℃，yNH3,2= 查C平pk,3=(Kmol.℃) ⊿HT3=65437KJ/KmolNH3由聯(lián)立方程式 A3=⊿Vk/V03=(1/rNH3)平n/ Ef = (y186。NH3,3 y186。NH3,2)：令氣體第三段焓升（反應(yīng)熱）⊿I3⊿I3=Mk,2 C平pk,3 (tk,3 tk,2)=⊿M3 x⊿HT3∴⊿M3 = Mk,2 C平pk,3 (tk,3 tk,2)/⊿HT3=()/65437= Kmol/h⊿I3=⊿M3x⊿HT3==： 由公式y(tǒng)186。NH3,3/（1+y186。NH3,3)=⊿M3/ V03+ y186。NH3,2/（1+ y186。NH3,2）= + y186。NH3，2/（1+ y186。NH3,2）=+ y186。NH3,2/（1+ y186。NH3,2）由公式y(tǒng)186。NH3,2= yNH3,2/（1 yNH3,2）=，y186。NH3,2/（1+ y186。NH3,2）=上式=+=，∴ y186。NH3,3=實(shí)際出口氨含量：yNH3,3= y186。NH3,3（1 y2,2 Mk,2 / Mk,3）=（,3）式中 Mk,3 = Mk,2⊿M3 ∴ Mk,3==y186。NH3,3=（）≈,3(反算tk,3) 由A106催化劑活性曲線查(1/rNH3)3，(1/rNH3)32當(dāng) tk,2=412℃, y186。NH3,2= (1/rNH3)2 =()/m3當(dāng) tk,3=447℃, y186。NH3,3= (1/rNH3)3 =()/m3(1/rNH3)平3=[(1/rNH3)2+(1/rNH3)3]/2=()/m3A3,3 = (1/rNH3)平3 x(y186。NH3,3 y186。NH3,2)/ Ef =()/= x105()/m3與假定第一段常數(shù)A3相符，故假定溫度求tk,3=487℃正確本段單位長度反應(yīng)熱 Q3=⊿I3/⊿L3 =()y0,3= （y186。NH3,3 yNH3,3）/ y186。NH3,3=（）/=V0,3= V3(1 y0,3)[1+ yNH3,3/(1 y0,3)]= ()(1+())= 第三段催化劑用量⊿Vk，3= A3,3 V03= = m3各段計(jì)算結(jié)果如下表段數(shù)n名稱123進(jìn)口溫度tk,n1,℃412出口溫度tk,n, ℃447487進(jìn)口氨含量yNH3,n1,％出口氨含量yNH3,n,％氨產(chǎn)量⊿M3n,Kmol/h催化劑單位反應(yīng)熱，KJ/()：（1）選型 選螺旋板換熱器，外殼216。800x8,螺旋板頭數(shù)為2，通道寬4m螺旋板厚=3mm，板間距b=4mm, （2） 換熱負(fù)荷=(521365)= KJ 熱氣從內(nèi)旋，冷氣從外經(jīng)內(nèi)向外。（3）傳熱系數(shù)計(jì)算 通道截面積=6x2x2= 通道直徑de=2b== 螺旋體外徑 D0=10008x2=984mm DH=( D0+ d0)/2=(984+150)/2=567mm冷氣體對板傳熱系數(shù): 0=（1+）λ/ =(())X(())(1+)=(. ℃)注：℃，℃ t平=（+）/2=℃ yNH3= 查Cpm==(. ℃) = KJ/熱氣體對板傳熱系數(shù)：t進(jìn)=447℃ t出=487℃t平=（447+487）/2=467℃ yNH3= 查Cpm== KJ/(. ℃) = KJ/i=（1+）λ/ =(())x(())(1+)= KJ/(. ℃)總傳熱系數(shù) 取R= (. ℃)/KJ λ鋼= KJ/(. ℃)K=1/(1/+1/++)= KJ/(. ℃)（4）傳熱面積F=Q/K△tmΔtm=((487478)())/ln(487478)/ ()=F=()=：（1）選臥式U型換熱管（2） d外= d內(nèi)= d平~=（3）熱負(fù)荷Q= KJ/t NH3（4）產(chǎn)量W= t NH3/h（5）冷氣體壓力p=15Mpa（6）氣入口溫度 t入=360℃（7）氣出口溫度 t出=220℃（8）進(jìn)氣量 V==(標(biāo))/h（9）副產(chǎn)蒸氣壓力p=（10）軟水入口溫度 t入=30℃（11）蒸氣飽和溫度 t蒸=℃:α。＝。式中各物性數(shù)據(jù)取之平均溫度 t平=(360+220)=290℃ p平=15Mpa之值 (1) 壓縮系數(shù)Z查《氮肥》（理）表11氣體的臨界常數(shù)NH3CH4ArH2N2YiTci,K151Pci,MpaTcm=ΣyiTci=++++=Pcm=Σyipci=++++=對比壓力 Pr=15/=, 對比溫度 Tr=(290+273)/=查《氮肥》（理）普遍化壓縮系數(shù)之四得 Z=(2) 混合氣體平均分子量 M平=ΣyiMi=++++=(3) 氣體熱容 查氣體比熱容NH3CH4ArH2N2Pi MpaCpi KJ/Kmol. ℃Cp=∑yiCpi=++*++= KJ/ C(4) 氣體導(dǎo)熱系數(shù)λ 高溫下含氮混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，用氮的對比導(dǎo)熱系數(shù)圖進(jìn)行計(jì)算查《氮肥》（理）臨界修正參數(shù)NH3CH4ArH2N2YiTci,K239Pci,Mpa18．030,KJ/(.℃)Tcm`=∑yiTci=++++=Pcm`=∑yipci=++++ =′cm`=∑yiP′ci=++++= KJ/(. ℃)假對比參數(shù)Pr`=15/= Tr`=(290+273)/=查《氮肥》（理）導(dǎo)熱系數(shù)，r= λ=λrλcm`== KJ/(. ℃)(5) 氣體粘度μ查《氮肥》（理）圖122,23,25,30,31各組分氣體在壓力下的粘度NH3CH4ArH2N2NH3YiCi11μi Kg/()Mi1/24高壓下含氨混合氣體的粘度μ＝∑yiMi1/2Ciμi/∑yiMi1/2∑yiMi1/2=++++=μ=(++++)/=()(6) 雷諾準(zhǔn)數(shù)重量流量 W＝VM平/=管道截面積，設(shè)管道數(shù)量91根F=**91=則重量流速G=w/F=() Re=doG /μ= =（7）普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=Cpμ/(λM)=()= =管內(nèi)給熱系數(shù)0== KJ/(. ℃):i= KJ/(. ℃)式中q=Q/FQ鍋爐熱負(fù)荷，KJ/h, F鍋爐換熱面積，M2, P蒸氣壓力，Mpa設(shè)鍋爐換熱面積F= ，代入上式i=()= KJ/(. ℃ ):設(shè)氣相測污垢系數(shù)R1＝－4(. ℃)/KJ設(shè)液相側(cè)污垢系數(shù)R2=(. ℃)/KJδ= λ鋼= KJ/(. ℃)K=1/(()+()+++)=(. ℃)Δtm=[()(22030)]/ln()/ (22030)=℃F=Q/K△tm=()=實(shí)取換熱面積 F=37 m2，需列管數(shù)n=F/Лdl=37/()≈91:（1）選列管式挽熱器，冷氣走殼程，熱氣走管程（2）列管尺寸Ф14＊2無縫鋼管 d外= d內(nèi)= d平~=（3）熱負(fù)荷Q=（4）產(chǎn)量W= t NH3/h（5）冷氣體壓力p=15Mpa（6）冷氣入口溫度 t入=℃（7）冷氣出口溫度 t