年产合成氨2万吨小合成氨厂变换工段水加热器的设计.doc

化工原理课程设计
年产合成氨2万吨小合成氨厂变换工段水加热器的设计

指导教师：张婕

设计背景
本换热器的设计来自于以煤为原料的中小型氨厂，大都采用多段中变的方法；由于半水煤气中不含水蒸汽，为了完成变换反应，需添加大量外供蒸汽，构成了氨厂的高能耗工序之一。此换热器既是回收湿变换气（变换炉出）的显热，以预热入口的半水煤气，借以节约能量，使热能回收。

设计条件
1、 湿变换气的组成：
成分
CO2
H2
N2
H2O
mol %
18.55
32.73
10.75
37.79
2、 湿变换气的进口温度：T1 = 229 ℃
3、 去离子水的出口温度：t2 ≦ 140 ℃

工艺参数：
1、 操作压力：9 kg(f)/cm2（湿变换气）
2、 湿变换气通过水加热器的压力降ΔP ≦100 kPa

注意事项：
1、 物性计算中单位的换算（mol与kg）；
2、 换热器设计中管、壳程的选择。附：混合物料的物性计算（气体）

一、 密度：

其中：rM：混合气体的密度（kg/m3）；
P：操作压力（Pa）；
：混合气体的分子量，
yi：i组分的摩尔分率；
Mi：i组分的分子量；
R：气体常数（J/kmol×K）；
T：操作温度（K）

二、 粘度：
采用Herning-Zipper法（《化学工程手册》（第一卷），P1-386）

其中：mm：混合气体的粘度（Pa×s）；
mi：i组分的粘度（Pa×s）；
注：气体的粘度一般不随压力而变，只有当P > 4´106 Pa（即40.8 kg(f)/cm2）时才考虑（略为增大）（教材P24）。

三、 比热容：
混合气体的比热容可通过质量分率加和进行计算：

其中：CpM：混合气体的比热容（kJ/kg×K）；
Cpi：i组分的比热容（kJ/kg×K）

四、 导热系数：

其中：l M：混合气体的导热系数（W/m×K）；
li：i组分的导热系数（W/m×K）
注：气体的导热系数与压力无关（当P介于2.7 kPa～200 kPa之间），气体的l介于0.006～0.4 W/m×K。
分组情况

No.
姓名
湿变换气处理量
（kmol/h）
T2（℃）
（变换气出口温度）
t1（℃）
（水进口温度）
1

805
149
110
2

805
149
120
3

805
149
130
4

805
159
110
5

805
159
120
6

805
159
130
7

805
169
110
8

805
169
120
9

805
169
130
10

815
149
110
11

815
149
120
12

815
149
130
13

815
159
110
14

815
159
120
15

815
159
130
16

815
169
110
17

815
169
120
18

815
169
130
19

825
149
110
20

825
149
120
21

825
149
130
22

825
159
110
23

825
159
120
24

825
159
130
25

825
169
110
26

825
169
120
27

825
169
130
28

835
149
110
29

835
149
120
30

835
149
130
31

835
159
110
32

835
159
120
33

835
159
130
34

835
169
110
35

835
169
120
36

835
169
130
37

845
149
110
38

845
149
120

一、工艺计算
依据物料的属性及进出口压力和温度变化要求，综合预选择材料的在物料中的换热系数，计算出需要换热器的换热面积。
二、机械计算
依据物料特性选择合适的换热器形式：
1、预先假设换热器公称直径
2、选择管子大小尺寸
3、布管
4、计算出换热管长度
5、评估，管束长度与直径比例合适的话就定型，否则依据结果重新假设
6、强度计算
7、出图