【正文】 由于本人水平有限，生產(chǎn)實習(xí)的經(jīng)驗較少，設(shè)計會有不少缺點(diǎn)與不足，熱切期望得到各位老師的批評指正。本次畢業(yè)設(shè)計是一個理論與實際相結(jié)合的過程。本設(shè)計主要參考了《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》這本書，查閱和參考了許多合成氨方面的相關(guān)資料。表37 其他主設(shè)備表名稱規(guī)格數(shù)量材料廢熱鍋爐1 00022L=8 287mmF=130m2換熱管38390根2521Cr16 Ni32溫水調(diào)節(jié)器400換熱面積：25m2管子排列方式：三角形1碳鋼第4章 設(shè)備一覽表根據(jù)前面的工藝和設(shè)備計算，將主要設(shè)備的規(guī)格列于表41。安全系數(shù)：100%=%。平均溫差： tm= = ℃。由《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》可知總傳熱系數(shù)的計算公式為[16]：則： K= kcal/(.℃) = kJ/(.℃)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。熱容：Cm= kJ/(kg℃)。水的物性數(shù)據(jù)水的溫度為：（20+150）/2=85 ℃。計算結(jié)果如表36所示。 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)= （37）Re=Gd/u （38）Pr=uCm/ （39） u= （310）粘度的計算：查《化工原理》 ℃時，各氣體的u值如表34所示[13].表34 ℃時的粘度值組分CO2COH2CH4N2H2Ou()根據(jù)公式得： = = kg/()導(dǎo)熱系數(shù)的計算：查《化工原理》 ℃時，各氣體的導(dǎo)熱系數(shù)值如表35所示[15]。表33 固定管板式換熱器參數(shù)公稱直徑/mm800公稱面積/m2200管數(shù)/根444管長/mm6000管程數(shù)/個6殼程數(shù)/個1管子排列方式三角形 設(shè)備直徑與管板的確定管板直徑的計算公式：D=(n/) (36)注：n——管數(shù)；——管板填充系數(shù)，；t——管子中心距。設(shè)富裕傳熱面積為20%，則S實=(1+)= m2。取K=250 kJ/(.℃)。則實際轉(zhuǎn)熱量為：Q= (Q4Q2)= kJ/h。變換氣出主換熱器的溫度：250 ℃。水出主換熱器的溫度：150 ℃。(4) 中變爐進(jìn)口直徑的計算：Vs== m/s取氣體流速為50m/s d== m(5) 中變爐出口直徑的計算 Vs== m/s取氣體流速為50m/s d== m（6） 中間冷凝水進(jìn)口直徑查《化工原理》得到H2O的組分在20 ℃，1750 kPa時的密度為998 kg/m3此時壓力對水的影響不大，不需要校核。第二段催化床層變換氣的平均分子量:M=∑YiMi= kg/ kmol。SpVp=()2=107Sp =2()2+=104則： dp=103所以：E=+103247。Dt——觸媒層直徑,米。L——觸媒床高度,米。r ——?dú)怏w在操作狀態(tài)下的重度, 公斤/米3。f ——摩擦系數(shù),。 觸媒直徑的計算（1） m。由《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 》得到在359 ℃時反應(yīng)平衡常數(shù)Kp=則： W==U=(+)+(+=V==q== = h所以： V02=T0*V0 == m3 備用系數(shù)?。?所以：V02 == m3中溫變換爐觸媒用量：V= V01+V02=+= m3C6型觸媒堆重度: kg/L觸媒堆重量： Nm3 /h。表32 進(jìn)中變爐二段的變換氣各組分含量組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％100m3(標(biāo))koml出中變爐二段床層的CO組分：%。平均溫度為：（353℃+365℃）/2=359 ℃由《小型型合成氨廠工藝和設(shè)備計算》得到在375 ℃時反應(yīng)速度常數(shù)k1=4600，在317 ℃時反應(yīng)速度常數(shù)k2=2130。 第二段床層觸媒用量已知條件：第二段床層變換氣進(jìn)口溫度：353 ℃?！鏁r，查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》Kp=[13]。出第一段床層變換氣中CO%=%進(jìn)第一段床層的變換氣濕組分如表31所示。進(jìn)第一段床層變換氣中N2%=%。第一段床層變換氣出口溫度為：415 ℃。計算基準(zhǔn)： t/h。標(biāo)準(zhǔn)接觸時間的計算公式如下： （32）注：式中 W=Kp1；U=Kp(A+B)+(C+D)；V=KP(ABCD)；q= Kp——反應(yīng)平衡常數(shù)；k1——反應(yīng)速度常數(shù)；n——變換的CO的量，分子分率。T0 ——標(biāo)準(zhǔn)接觸時間， /M3(標(biāo))。得： Q2=454= kJ設(shè)備及管道損失?。骸Ｓ嬎憬Y(jié)果如表247所示。變換氣帶入的熱量：Q1= kJ。出設(shè)備的變換氣溫度：181 ℃。所以得： Q3=523= kJ水的帶出熱Q4：水在150℃時Cp= kJ/（）得： Q4=X(150+273)=熱損失Q5：。計算結(jié)果如表245所示。表244 變換氣各組分在683K時的熱熔組分COH2CO2H2ON2CH4Cp故：Cpm=∑YiCp= kJ/（）。 變換氣在365℃時，已知CO，H2，H2O，CO2，N2的熱熔可用公式Cp=a+b+cT2來計算熱容。水出設(shè)備的溫度： 150 ℃。變換氣出設(shè)備的溫度：250 ℃。物料的量在設(shè)備中無變化。 主換熱器的物料與熱量的衡算已知條件：進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量： kmol。所以得：Q4=X（330+273）=熱損失Q5：Q5=(Q1+Q2)熱量平衡：(Q1+ Q2)= Q3+Q4 （+）=+ X= koml表243 廢熱鍋爐熱量平衡表帶入熱/kJ帶出熱/kJ熱損失/kJ轉(zhuǎn)換氣————————水————————∑Q 水蒸汽的加入要使H2O/CO=：（）247。因此： Q3=（330+273）= kJ。CO，H2，H2O，CO2，N2的熱熔可用公式：Cp=a+b+cT2來計算計算所得熱熔結(jié)果如表242所示。表241變換氣各組分在T=1193 K時的熱熔組分COH2CO2H2ON2CH4Cp 故Cpm=∑YiCp= kJ/（）。CO，H2，H2O，CO2，N2的熱熔可用公式：Cp=a+b+cT2來計算熱容。熱量衡算：入熱：水的帶入熱Q1。進(jìn)出設(shè)備的水量：X kmol。出設(shè)備的水溫：330 ℃。出廢熱鍋爐的溫度為：330 ℃。查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》C6型催化劑的正反應(yīng)活化能分別為E1=43164 kJ/kmolCO變化反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能E2為：E2E1=r(△H) （212）對于CO變換反應(yīng)r = 1，則E2=(△H) + E1。表234 低變換爐物料量平衡表組分進(jìn)低溫變換爐的物料量/m3出低溫變換爐的物料量/m3CO2COH2N2CH4H2O合計表235 低變換爐熱量平衡表反應(yīng)放熱/kJ氣體吸熱/kJ熱量損失/kJ 低變爐催化劑平衡曲線根據(jù)公式（22）（23）（24）（25）（26）計算得低變爐中CO在不同溫度下的轉(zhuǎn)化率如表236所示。表232 變換氣各組分的a、b、c常數(shù)列表物質(zhì)COH2H2OCO2N2a30b/103c/105CH4可用公式：Cp=a+b+cT2+dT3來計算熱容.表 233 甲烷的a、b、c、d常數(shù)物質(zhì)ab/103c/106b/109CH4計算結(jié)果如表234所示。表231 變換氣各組分的生成焓組分H2 H2O CO CO2Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）反應(yīng)放熱： CO +H2O=CO2+H2 （1）△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 = kJ/kg所以：Q1== kJ/kg氣體吸熱Q2：氣體吸熱時的平均溫度：（181+203）/2= ℃，T= K。變換氣反應(yīng)放熱Q：在203 ℃時，T=476 K。設(shè)平均溫距為20 ℃，則出中變爐一段催化床層的變換氣溫度為：t=223－20=203 ℃ 低變爐的熱量衡算以知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為：181 ℃。表230 變換氣出低變爐時濕氣的各組分含量表組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％100M3(標(biāo))kmol對出底變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算：根據(jù)：Kp=（H2％CO2％）/（H2O％CO％）計算得Kp=。表 227 變換氣進(jìn)低變爐時濕氣各組分含量組 分CO2COH2N2CH4H2O合計含量％100m3(標(biāo))kmol表 228 變換氣進(jìn)低變爐干氣各組分含量組 分CO2COH2N2CH4合計含量％100m3(標(biāo))kmol 低變爐的物料衡算要將CO％％（濕基）以下，則CO的實際變換率為：p ％=100=％則反應(yīng)掉的CO的量為：％= M3(標(biāo))= kmol出低溫變換爐CO的量： = M3(標(biāo))= kmol出低溫變換爐H2的量： += M3(標(biāo))= kmol出低溫變換爐H2O的量：= M3(標(biāo))= kmol出低溫變換爐CO2的量： += M3(標(biāo))= kmol出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積：V總（干）=++++= m3(標(biāo))= kmol故出低變爐催化床層的變換氣干組分中CO的含量：CO％==%同理得：CO2％==%H2％==%N2％==%CH4％==%所以出低變爐的干組分如表229所示。表 221 甲烷的的a、b、c、d常數(shù)列表物質(zhì)ab/103c/106d/109CH4計算各物質(zhì)熱熔結(jié)果如表222所示。表219 變換氣各物質(zhì)的生成焓列表組分H2H2OCOCO2Ht（kcal/kmol）Ht（kJ/kmol）反應(yīng)放熱： CO +H2O=CO2+H2 （9）△H1=（∑Hi）始－（∑Hi）末 = kJ/kg所以得： Q1== kJ/kg氣體吸熱Q2：根據(jù)《物理化學(xué)教程》知CO，H2，H2O，CO2，N2，可用公式：Cp=a+b+CT2來計算。變換氣反應(yīng)放熱Q1：計算變換氣中各組分的生成焓，原理與計算一段床層一樣，使用公式211及表210計算平均溫度為632 K時的生成焓。