合成氨合成工段设计--毕业设计

总Q进 4336939.715 总Q出 4336939.715

4.2.7 水冷器热量计算

由题知,水冷器出口热气体温度t2=35℃,设气体先冷却至35℃后,氨再冷凝。 (1) 热气体带入热量Q1由热交换器热平衡计算Q1=1244214.427kJ/tNH3 (2)氨冷凝热

查≤小氨肥厂工艺设计手册≥得35℃时氨冷凝热I=-1705.607KJ/kg

Q冷=V2×INH3=830.54/22.4×16769×1705.607=1060465.072KJ/tNH3 式中16.769----液氨平均分子量 (3)热气体带出热量Q2

查t2=35℃, P=29.0 MPa得混合气体的比热容：

表4-35 各组分含量，分压及比热容

气体含量 各组分分压

N2 0.181 52.38 31.35

H2 0.542 157.037 29.511

CH4 0.141 41.007 39.919

Ar 0.043 12.398 21.318

NH3 0.094 27.177 82.764

Cp

Cp2=35.955KJ/(Kmol℃) 热气体带出热量

Q2=V2×Cp2×t2=9218.94/22.4×35955×35=517918.797KJ/tNH3 (4)液氨带出热量

查35 ℃液氨比热容,CpL=4.849kJ/(kmol℃) Q液=V2L/22.4×M×CpL×t2

=830.5/22.4×16.769×4.849×35 =105516.327KJ/tNH3 (5) 冷却水量计算

设需要冷却水量为W,冷却上水ta=30℃ ,冷却下水tb=38℃,取冷却水比热容

CpL=4.18KJ/Kg 则冷却水吸收量为

ΔQ=Q进-Q出=(Q1+Q冷)-(Q2+Q液)=1681244.376KJ/tNH3 ΔQ=W×Cp×(tb-ta)×1000

W=ΔQ/(1000×Cp×(tb-ta))

=1681244.376/(1000×4.18×(38-30))=50.276m3 冷却上水带入热量

Q上水=50.276×1000×4.18×30=6304666.410KJ/tNH3 冷却下水带入热量

Q下水=ΔQ+Q上水=1681244.376+6304666.41=7985910.786KJ/TNH3

表4-36 水冷器热量汇总表

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入

热气带入热量 氨冷凝热 冷却上水带入热

总Q进

1244214.427

出

热气带出热量 液氨带出热量 冷却下水带出热

总Q出

517918.797 105516.327 7985910.786 8609345.91

4.2.8 氨分离器热量核算

氨分离器进出口温度没有发生变化,由气体热量平衡, 氨分离器收入热,则Q1=517918.797 kJ/tNH3 氨分离器支出热 气体放空气带走热量

Q3=V3×Cp3×t3=137.62/22.4×35.955×35=7731.336KJ/tNH3 冷交换器带入热量,由冷交换器热平衡计算得： Q4=510189.464KJ/tNH3

Q1=Q3+Q4=7731.336+510189.464=517920.8KJ/tNH3

误差=(517920.8-517918.797)/517920.8=0.0004% 假设成立

氨分离器液氨带入热量等于液氨带出热量即Q1L=Q5L=105516.327kJ/tNH3

5 主要设备选型

5.1 废热锅炉设备工艺计算

5.1.1 计算条件

(1) 选卧式U型换热管

(2) 高压管尺寸 Φ24×4.5 ,d外 = 0.024 m,d内 = 0.015,d = 0.0195 m. (3) 热负荷: Q=2493203.5211 kJ/tNH3 (4) 产量: W=10.75 tNH3/h (5) 气体压力 P平均 =29.89 MPa (6) 气体入口温度 t=370 ℃ (7) 气体出口温度 t出= 220 ℃ (8) 软水入口温度 t水= 30 ℃ (9) 副产蒸汽压力 p=1.247 MPa (10) 进气量 V =108058.92 m/h (11) 进水量 W =10081.35 kg/h 3

5.1.2 官内给热系数α计算

α=0.023

?d×Re0.8×Pr0.4

式中λ ---------导热系数kJ /(mh ℃)

34

α ---------给热系数kJ /(mh ℃) 式中各数据均取之平均温度290℃ t=(360+220)/2 =290 ℃

压力p=29.89MPa (305kg/cm3)之值。

（1）压缩系数Z 查氮肥工艺设计手册表1-1 气体的临界常数：

表5-1 气体的临界常数

NH3

13.2 405.6 11.395

CH4

15.2 190.7 4.639

Ar

3.754 151 4.862

H2

50.8845 33.3 1.296

N2

16.9615 126.2 3.393

y1

Tc1,K

Pc1, MPa

Tcm=

?yiTci?yi Pci=0.132×405.6+0.152×190.7+0.03754×151+0.508845×

33.3+0.169615×126.2=135.44K

Pcm==0.132×11.395+0.152×04.639+0.03754×4.826+0.508845×

1.296+0.169615×3.393=3.889MPa

对比压力Pr=对比温度Tr=

p平均PcmTTcm=29.89/3.889=7.686

= （290+ 273）/135.44=4.156

查氮肥工艺设计手册图

由Pr = 7.559 ,Tr =4.156 查Z = 1.13

（2）混合分子量M=?yi Mi=0.132×17+0.152×16+0.03754×40+0.508845×2+0.169615×28=12.126 （3）气体比热Cp： 表5-2 气体的比热容

Cp1,kJ/kmol.℃

NH3

48.488

CH4

51.414

Ar

21.234

H2

29.427

N2

30.514

Cp=?yi Cpi=0.132×48.488+0.152×51.414+0.03754×21.234+0.508845×29.427+0.169615×30.514= 35.36 kJ /(kmo×°C)

（4）导热系数高压下含氨混合气体的导热系数，用氮的对比导热系数图进行计算

表5-3 气体的临界常数

NH3

13.2

CH4

15.2

35

Ar

3.754

H2

50.8845

N2

16.9615

y1

T11,K Pc1,MPa

405.5 18.030 0.6696

239 23.196 0.4469

151.2 4.862 0.1068

33.3 1.568 0.3687

126.2 3.393 0.12866

?'c1kJ/(m.h. ℃)

Tcm’=

?yiTci'=0.132×405.5+0.152×239+0.03754×151.2+0.508845×

33.3+0.169615×126.2=141.76K

P’cm?yi P'ci=0.132×18.03+0.152×23.196+0.03754×4.826+0.508845×

1.568+0.169615×3.393=7.544Mpa

求假对比参数

Pr’=p/ P’cm=29.89/7.554=3.957 Tr’=T/T’cm=(290+273)/141.76=3.972 由 Pr′，Tr′查氮肥工艺设计手册, 得?r= 1.25 ?=?r.?'cm=1.25×0.3784=0.473kJ/(mh ℃)

（5）气体的粘度 查氮肥工艺设计手册各组分气体压力下的粘度。 高压下含氨混合气体的粘度由下式计算???yiMiCi?iyiMi?

?yiMi=0.132×4.12+0.152×4+0.03754×6.32+0.508845×1.41+0.169615

×5.29=3.035

?=0.132×4.12×0.97×0.0806/3.035+0.152×4×1.04×0.0774/3.035+

0.03754×6.32×1×0.1469/3.035+0.508845×1.41×1×0.0498/3.035+ 0.169615×5.29×0.92×0.106/3.035=0.0833kg/(mh)

(6) 雷诺准数

重量流量=VM/22.4=108058.92×12.126/22.4=58496.54kg/h 管道截面积，设管道数量 182 根

F = 0.785× 0.0152 ×182 =0.03m2 则重量流速 G=W/F=58496.54/0.03=1819728.54kg/(m2h) Re=d0G/?=0.015×1819728.54/0.0838= 327682.21 Re0.8=25844.15 （7）普兰特准数

Pr=Cp?/?M=0.0833×35.36/(0.473×12.126)= 0.51 Pr0.4= 0.77 管内给热系数α0

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