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

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
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CO2H2N2H2O
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：
RT
M
P M =
ρ 其中：ρM ：混合气体的密度（kg/m 3）；
P ：操作压力（Pa ）；
M ：混合气体的分子量， y i ：i 组分的摩尔分率； M i ：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）
∑∑===
n
i i
i n
i i
i
i
M M
y M
y 1
5
.01
5
.0)
()(μμ
其中：μm ：混合气体的粘度（Pa ⋅s ）；
μi ：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)/cm 2）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：
∑==n
i i i M Cp y Cp 1
其中：Cp M ：混合气体的比热容（kJ/kg ⋅K ）；
Cp i ：i 组分的比热容（kJ/kg ⋅K ）
四、 导热系数：
∑∑===
n
i i
i n
i i
i
i m M
y M
y 1
3
/113
/1)
()(λλ
其中：λ M ：混合气体的导热系数（W/m ⋅K ）；
λi ：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λ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 80
5 159 110
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。