【正文】 t XP Te 714 727 739 751 760 770 805 T t 將以上數(shù)據(jù)作圖即得最適宜溫度曲線如下圖： t03060901201501802102402703000 1CO轉(zhuǎn)化率Xp溫度（℃）t 操作線計(jì)算 由中變催化劑變換率及熱平衡計(jì)算結(jié)果知： 中變爐人口氣體溫度 330℃ 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 中變爐出口氣體溫度 415℃ 中變爐入口 CO 變換率 0 中變爐出口 CO 變換率 60% 由此可作出中變爐催化劑反應(yīng)的操作線如下 010203040506070330 415溫度 （℃）轉(zhuǎn)化率 Xp操作線 中間冷淋過程的物料和熱量衡算 此過程采用水來對(duì)變換氣進(jìn)行降溫。 計(jì)算結(jié)果如下如下： 表 320 變換氣中各組分的生成焓 組分 H2 H2O CO CO2 Ht（ kcal/kmol） Ht（ kJ/kmol） 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 放熱： CO +H2O=CO2+H2 △H1=（ ∑Hi） 始 －（ ∑Hi） 末 = kJ/kg 所以得： Q1==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(jì)算 熱容。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計(jì)算熱容， 結(jié)果同 3–11 則在 T=632K 時(shí)，計(jì)算結(jié)果如下： 表 321 T=632K 各組分的 Cp 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 所以得： Cpm=∑Yi*Cp= 故： Q2=(365353) = J/kg 熱損失： Q3=Q1Q2= J/kg 低變爐的物料和熱量計(jì)算 低變爐的物料衡算 已知進(jìn)低變爐的濕組分如下： 表 322 進(jìn)低變爐的濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 所以 進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分如下： 表 323 進(jìn)低變爐催化床層的變換氣干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 要將 CO％ 降到 ％ （濕基）以下，則 CO 的實(shí)際變換率為： 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 X p％ = ? ?aaaa YY YY ?? ??1 100=％ 則反應(yīng)掉的 CO 的量為： ％ = Nm3= kmol 出低溫變換爐 CO 的量： = Nm3 = 出低溫變換爐 H2 的量： += Nm3= kmol 出低溫變換爐 H2O 的量： = Nm3= kmol 出低溫變換爐 CO2 的量 : += Nm3= kmol 出低變爐催化床層的變換氣干組分的體積： V 總（干） =++++= Nm3= 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％ = =% 出低變爐的干組分 如下： 表 324 出低變爐的干組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 出低變爐催化床層的變換氣濕組分的體積： V 總（干） =+++++ =(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： CO2％ = ? =% H2％ = ? =% N2％ = .668 ? =% 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 CH4％ = 100 ?=% H2O％ = 100 ?=% 所以出低變爐的濕組分如下： 表 325 出低變爐的濕組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 H2O 合計(jì) 含量 ％ 100 M 3(標(biāo) ) kmol 對(duì)出低 變爐的變換氣溫度進(jìn)行估算： 根據(jù)： Kp=（ H2％ CO2％） /（ H2O％ CO％） 計(jì)算得 Kp= 查《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》知當(dāng) Kp= 時(shí) t=223℃ 設(shè) 平均溫距為 20℃ ，則出低變爐 一段催化床層的變換氣溫度為： t=22320=203℃ 低變爐的熱量衡算 已知條件：進(jìn)低變爐催化床層的變換氣溫度為： 181℃ 出低變爐催化床層的變換氣溫度為： 203℃ 變換氣反應(yīng)放熱 Q1: 在 203℃ 時(shí) ， T=476K， 計(jì)算變換氣中各組分 的生成焓原理與計(jì)算中變爐一段床層一樣，使用公式及表36 計(jì)算平均溫度為 476K 時(shí)的生成焓。熱容的單位為 kJ/（ ） ，結(jié)果同 3–10。 計(jì)算結(jié)果列于下表： 表 328 不同溫度下 XP 值 t 160 180 200 220 240 260 280 T 433 453 473 493 513 533 553 XP 低變爐催化劑平衡曲線如下： 0102030405060708090100100 150 200 250 300溫 度（℃）CO轉(zhuǎn)化率 Xp 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 最佳溫度曲線的計(jì)算 由于低變爐選用 B302 型催化劑。 熱量衡算： （ 1） 入熱： 水的帶入熱 Q1 查表得：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 來計(jì)算熱容。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計(jì)算熱容，計(jì)算結(jié)果同上表 3–11。熱容 的單位為 kJ/（ ） 。 CH4 可用公式： Cp=a+b+cT2+dT3 來計(jì)算熱容，計(jì)算結(jié)果同上表 3–11。 = kmol 主換熱器的物料與熱量的計(jì)算 已知條件： 進(jìn)出設(shè)備的變換氣的量： kmol 進(jìn)出設(shè)備的水的 量： X kmol 物料的量在設(shè)備中無變化。熱容的單位為 kJ/（ ），結(jié)果同表 3–10。 當(dāng) T=638K 時(shí)，計(jì)算結(jié)果如下： 表 334 T=638K 各組分熱容 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 故： Cpm=∑Yi*Cp=（ ） 所以： Q1=（ 365+273） = 水的帶入熱 Q2: 水在 20℃ 時(shí) Cp= kJ/（ ） 所以得： Q2=X*(20+273)*=*X 出熱： 變換氣在出口溫度為 250℃， T=523K 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 來計(jì)算熱容。 熱容的單位為 kJ/（ ）， 結(jié)果同 表 310 CH4 可用公式： Cp=a+b+CT2+dT3 來計(jì)算熱容， 結(jié)果同 311 當(dāng) T=454K 時(shí)， 計(jì)算結(jié)果如下： 表 337 T=454K 各組分 Cp 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp 29 Cpm=∑Yi*Cp=（ ） 得： Q2=454 = 設(shè)備及管道損失?。? 變換氣放出的熱量： Q=Q1Q2Q3= 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 第四章 設(shè)備的計(jì)算 低溫變換爐計(jì)算 已知條件 ： 平均操作壓力 . 氣體進(jìn)口溫度 180℃ 氣體出口溫度 220℃ 氣體流量（干） =濕氣流量 = Nm3/h 進(jìn)低變爐催化劑氣體（干）組分 組 分 CO2 CO H2 N2 CH4 合計(jì) 含量％ 100 低變爐出口干氣中 CO 含量： CO%=% 入催化劑蒸汽比 R= 催化劑用量計(jì)算 B302 型低變催化劑的宏觀動(dòng)力學(xué)方程為： r=1822exp 2420 .6 ?????????? ?? HCOOHco yyyyRT (1 OycoyHyHyco222 ) 根據(jù)低變催化劑的選用原則，故選 B302 型國產(chǎn)低變催化劑，當(dāng)變換氣中 CO（干）為 %時(shí)，計(jì)算得催化劑床層空速為 2120/（ m3.． h）． 對(duì)于 B204 因動(dòng)力學(xué)方程式 中催化劑按體積計(jì) ,計(jì)算出的催化劑床層空速是以體積為單位的“空速” . 因此 ,催化劑理論用量： V 低 36 7 3 5 6 .0 9 3 1 .7 72120 m?? 在采用中變串低變的流程中，低變催化劑條件較好，故可以不考慮催化劑備用系數(shù)。 ，取其平均值為 5 =，即轉(zhuǎn)化 為球形粒徑，即φ ， dp== 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 設(shè)催化劑床層直徑為 , 則： E=+ 3 7 8 0 4 0 7 ????Dd p （ 1）催化劑床層阻力 氣體平均分子量 M= 氣體在進(jìn)入低變催化劑層中的重度γ γ =1273 ???= 式中： 200 為氣體的平均溫度值 氣體質(zhì)量流量 G=? ? 2 4 5 6??? =() （ 2）催化劑層高 L=）（??= m 所以：Δ P= ? ? ? ? ??????? ? =628kgf/m2=(628mmH2O) 計(jì)算結(jié)果符合要求Δ P＜ , 故假設(shè)正確，取催化劑直徑 中變換熱器計(jì)算 已知條件 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℃ 變換氣出主換熱器的溫度： 250℃ 傳熱面積的計(jì)算 以水的吸熱來計(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： 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 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： 20% S 實(shí) =*= 選擇固定管板式換熱器： 表 41 固定管板式換熱器 參數(shù) 公稱直徑 /mm 900 公稱 面積 /m2 管數(shù) /根 588 管長(zhǎng) /mm 4 500 管程數(shù) /個(gè) 2 殼程數(shù) /個(gè) 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(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= ? = 管板直 徑選用 φ ，設(shè)備外徑為 φ [17]。熱容的單位為 kJ/（ ） 計(jì)算結(jié)果如下： 表 44 ℃ 時(shí)各組分熱容 組分 CO H2 CO2 H2O N2 CH4 Cp Cpm=∑Yi*Cp=（ ） = kJ/（ kmol*℃ ） ∑M=∑YiMi=Cp=(kg.℃ ) 雷諾系數(shù)的計(jì)算： Re=G*d/? =(1 )/=12549 Pr=(? *Cp)/? =()/= 則： ? 內(nèi) = /d? 齊魯工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 =（ ） （ 12549） （ ） =(m? h? ℃ )=(m? h? ℃ ) 殼側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 殼側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算公式如下： ? 外 =*(/do)*(de)*(do*Gu/? )*(Cp*? /? )1/3*(? /? w) 在本設(shè)計(jì)中由于溫度對(duì)氣體粘度變化影響不大，故校正項(xiàng) (? /? w) 可以忽略不計(jì) 。同時(shí)也要注意以下幾方面的內(nèi)容： (1) 最大限度地滿足工藝生產(chǎn)包括設(shè)備維修的要求。 (3) 要為車間的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、先進(jìn)合理以及節(jié)能等要求創(chuàng)造條件