一． 计要求：
1. 进行工段工艺流程设计，绘制带主要控制点的工艺流程图。 2. 进行工段物料计算、热量计算，并绘制物料衡算表、热量衡算表 。 3. 进行工段设备设计、选型，制备设备一览表。 4. 编写工段工艺初步设计说明书。 5. 绘制主要设备结构图。 二． 设计原始数据：
年产5万吨（7万吨、11万吨、17万吨、35万吨）合成氨，按照一年连续生产300天（330天）计算。 原始数据1
组 分 含量，％ CO2 9.60 CO 11.44 H2 53.79 N2 24.46 O2 0.33 CH4 0.38 合计 100 原始数据2
组 分 含量，％ CO2 9.60 CO 10.44 H2 54.22 N2 25.03 O2 0.33 CH4 0.38 合计 100 原始数据3
组 分 含量，％ 9 CO2 CO 10.11 H2 55.25 N2 24.93 O2 0.33 CH4 0.38 合计 100
目录
说明书………………………………………………………………………4
前言…………………………………………………………………………………4
1.工艺原理…………………………………………………………………………4 2. 工艺条件…………………………………………………………………………4 3. 工艺流程的选择…………………………………………………………………5 4. 主要设备的选择说明 …………………………………………………………5 5. 工艺流程的说明 ………………………………………………………………6
第一章 物料与热量衡算…………………………………………………7
1．水汽比的确定 …………………………………………………………………7 2．中变炉CO的实际变换率的求取………………………………………………8 3．中变炉催化剂平衡曲线 ………………………………………………………9 4. 最佳温度曲线的计算 …………………………………………………………10 5．中变炉一段催化床层的物料衡算……………………………………………11 6．中变一段催化剂操作线的计算 ………………………………………………17 7．中间冷淋过程的物料和热量衡算……………………………………………17 8．中变炉二段催化床层的物料与热量衡算……………………………………19 9．中变二段催化剂操作线计算 ………………………………………………23 10.低变炉的物料与热量衡算……………………………………………………24 11低变催化剂操作线计算 ………………………………………………………29 12低变炉催化剂平衡曲线………………………………………………………29 13.最佳温度曲线的计算 …………………………………………………………30 14废热锅炉的物料和热量衡算 …………………………………………………31 15.水蒸汽的加入 ………………………………………………………………34 16主换热器的物料与热量的衡算………………………………………………34 17.调温水加热器的物料与热量衡算……………………………………………36
第二章 设备的计算……………………………………………………………37
1. 中变炉的计算 …………………………………………………………………37 2. 主换热器的计算…………………………………………………………………42 设计的综述……………………………………………………………………………6 参考文献……………………………………………………………………………49 致谢…………………………………………………………………………………50
第一章 物料与热量衡算
已知条件：
组 分 含量，％ CO2 9.60 CO 11.42 H2 55.71 N2 22.56 O2 0.33 CH4 0.38 合计 100 计算基准：1吨氨
计算生产1吨氨需要的变换气量：
（1000/17）×22.4/（2×22.56）=2920.31 M3(标)
因为在生产过程中物料可能会有损失，因此变换气量取2962.5 M3(标) 年产3万吨合成氨生产能力（一年连续生产330天）： 日生产量：30000/330=90.9T/d=3.79T/h
要求出中变炉的变换气干组分中CO％小于2％。 进中变炉的变换气干组分：
组 分 含量，％ M3(标) kmol CO2 9.6 284.44 12.696 CO 11.42 338.32 15.103 H2 55.71 1650.41 73.679 N2 22.56 668.34 29.837 O2 0.33 9.78 0.436 CH4 0.38 11.26 0.503 合计 100 2962.50 132.25 假设进中变炉的变换气温度为330℃，取变化气出炉与入炉的温差为35℃，出炉的变换气温度为365℃。 进中变炉干气压力P中=1.75Mpa.
1．水气比的确定：
考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取H2O/CO=3.5 故V（水）=3.5?V水=1184.113m3(标) ，n(水)=52.862kmol 因此进中变炉的变换气湿组分
组 分 含量％ M3(标) CO2 6.86 284.42 12.69 CO 8.16 338.32 15.10 H2 39.80 1650.42 73.68 N2 16.12 668.34 29.84 O2 0.24 9.77 0.44 CH4 0.27 H2O 28.56 合计 100 4146.61 185.12 11.26 1184.12 0.50 52.86 kmol
2.中变炉CO的实际变换率的求取：
假定湿转化气为100mol，其中CO湿基含量为8.16％，要求变换气中CO含量为2％，故根据变换反应：
CO+H2O＝H2+CO2，
则CO的实际变换率公式为：
Xp％=
Ya?Ya?×100 （2-1） ?Ya?1?Ya?式中Ya、Ya'分别为原料及变换气中CO的摩尔分率（湿基） 所以：Xp=
?8.16?6.04??100
?100?2??8.16=74％
则反应掉的CO的量为：
8.16×74％=6.04
则反应后的各组分的量分别为：
H2O％=28.56％-6.04％+0.48％
=23％ CO％=8.16％ -6.04％
=2.12％
H2％ =39.8％+6.04％-0.48％
=45.36％ CO2％=6.86％+6.04％
=12.9％
中变炉出口的平衡常数：
Kp= （H2％×CO2％）/（H2O％×CO％）=12
查《 小合成氨厂工艺技术与设计手册 》可知Kp=12时温度为397℃。 中变的平均温距为397℃-365℃=32℃
根据《合成氨工艺与节能 》可知中温变换的平均温距为：30℃到50℃，中变的平均温距合理，故取的H2O/CO可用。
3．中变炉催化剂平衡曲线
根据H2O/CO=3.5，与文献《小合成氨厂工艺技术与设计手册》上的公式 XP=
U?q×100％ 2AWV=KPAB-CD q=U2?4WV
U=KP（A+B）+（C+D） W=KP-1
其中A、B、C、D分别代表CO、H2O、CO2及H2的起始浓度 计算结果列于下表：
t T Xp 300 573 0.9012 320 593 0.8737 340 613 0.8424 360 633 0.8074 380 653 0.7687 400 673 0.7058
t T Xp 420 693 0.6859 440 713 0.6416 460 733 0.5963 中变炉催化剂平衡曲线如下：
1009080706050403020100300350400温 度（℃）CO转化率 Xp450500