目录。一、设计任务书 3
二、合成氨方法简介 5
三、工艺计算 8
3.1 列管式换热器类型的选择 8
3.1.1 固定管板式换热器 8
3.1.2 浮头式换热器 8
3.1.3 u形管换热器 8
3.1.4 滑动管板式换热器 8
3.2 流体流动通道的选择 8
3.3浮头式换热器简图 9
3.4 热平衡计算 10
3.5 估算传热面积 10
四、换热器核算 12
4.1传热系数 12
4.1.1管程换热系数 12
4.1.2壳程换热系数 13
4.2 对数平均温差 13
4.3传热面积 14
4.4计算压强降 14
五、热换器工艺结构尺寸 16
5.1壳体内径的确定 16
5.2 换热器壁厚设计与液压试验 16
5.3 封头 17
5.4 管板 17
5.5 容器法兰 18
5.6 接管尺寸 18
5.6.1 壳程进出口接管 18
5.6.２管程接管 18
5.7 接管法兰 19
5.8 管箱长度 19
5.9 折流板 19
六、换热器主要结构尺寸和计算结果 20
七、设计评述 21
八、参考文献 22
九、附图 23
附图1 列管式换热器设计方案 23
附图2 列管式换热器尺寸图 24
一、设计任务书。
一)、目的。
锻炼学生查阅资料、选择设计参数的能力，要求学生能进行典型设备的设计计算，掌握化工设计的过程和方法。以下方面将得到培养和训练：
1. 查阅资料和收集数据的能力：设计任务给出后，有许多数据需要设计者去收集，有些物性参数要查取或估算，计算公式也由设计者自行选用。
这就要求设计者运用各方面的知识，详细而全面地考虑后方能确定。
2. 正确选择设计参数：树立技术上可行和经济上合理的工程观点，同时还须考虑到操作和维修的方便和环境保护的要求，要求设计的结果不仅计算正确，还应综合考虑工程的各种因素，力求从总体上得到较佳的设计结果。
3. 正确、迅速地进行计算：设计计算需要反复试算，计算的工作量较大，需要强调计算的正确与迅速。
4. 掌握化工设计的基本过程和方法：学会用简洁的文字和适当的图表表示自己的设计思想。
二)、课程设计的内容。
1. 设计方案的选定：对给定或选定的工艺流程、主要设备的选型作简要的论述。
2. 工艺设计：选定工艺参数，进行物料衡算、能量衡算、单元操作的工艺计算，绘制相应的工艺流程图。
3. 设备设计：设备的结构尺寸和工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。
4. 设计说明书的内容应包括：设计任务书、目录、设计方案简介、工艺计算、主要设备设计，工艺流程图和主要设备的工艺条件图，辅助设备的计算和选型，设计结果汇总，设计评述，参考资料。
5. 整个设计由论述、计算和图表三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确，计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须标明出处，图表应能简要表达计算的结果。
1. 概论：产品的生产工艺简介，绘制其生产工艺流程方框图。
2. 工艺计算：进行相关计算，得出设备的主要尺寸参数（传热面积、管子数、管间距、管子排列方式、折流挡板形式、板间距等）；进行设备选型和设计校核。
换热器换热面积的计算，参考夏清编化工原理上册p284-288；
3.根据计算结果绘制换热器的设备图，参见课本化工原理上册p208-209,p274，注意主要附件的选择，包括封头的类型，冷热流体的进出管管径尺寸，壳体直径、换热器的型号、管程和壳程数、管长的尺寸等的选择。折流挡板的高度、板间距等可通过换热器绘制局部剖面图表达。
4. 管子排列图：排列方式包括三角形或正方形旋转45o等，参见p252,p253,附图，注意在实际的管子排列数要与设计数目相吻合，所设计的管子数应小于你绘制的管子排列图中示出的管子数，注意有折流挡板，要预留空缺位置。
四)、设计条件。
混合气体主要组成：nh317%，n218%，h2 65%，进出口温度220和375 ℃，流量范围为2000~4000㎏/h，采用煤油作为冷却剂，其进出口温度为95和197℃，流量自定，每人不同。尽量采用卧式列管式换热器。
流量和组成自定，每人不同。物性参数可采用常压状态的数值。
要求了解合成氨的工艺流程图，绘制合成氨车间的工艺流程图。
二、合成氨方法简介。
氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。
德国化学家哈伯2023年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：
n2+3h2=2nh3
合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。
1.合成氨的工艺流程。
1)原料气制备将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。
2)净化对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。
一氧化碳变换过程。
在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有co，其体积分数一般为12%~40%。合成氨需要的两种组分是h2和n2，因此需要除去合成气中的co。变换反应如下：
co+h2o→2co2 =-41.2kj/mol 0298hδ
由于co变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于**反应热，并控制变换段出口残余co含量。第一步是高温变换，使大部分co转变为co2和h2；第二步是低温变换，将co含量降至0.3%左右。
因此，co变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。
脱硫脱碳过程。
各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法(rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(selexol)等。
粗原料气经co变换以后，变换气中除h2外，还有co2、co和ch4等组分，其中以co2含量最多。co2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中co2的脱除必须兼顾这两方面的要求。
一般采用溶液吸收法脱除co2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(selexol)，碳酸丙烯酯法。
一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化mdea法，mea法等。
气体精制过程。
经co变换和co2脱除后的原料气中尚含有少量残余的co和co2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定co和co2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。
目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(<-100℃)条件下用液氮吸收分离少量co，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量co、co2与h2反应生成ch4和h2o的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.
7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(co+co2)含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分h2，并且增加了惰性气体ch4的含量。甲烷化反应如下：
co+3h2→ch4+h2o =-206.2kj/mol 0298hδ
co2+4h2→ch4+2h2o =-165.1kj/mol 0298hδ
3)氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。
氨合成反应式如下：
n2+3h2→2nh3(g) =92.4kj/mol
2.合成氨的催化机理。
热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。
接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—nh、—nh2和nh3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为：
xfe + n2→fexn
fexn +〔h〕吸→fexnh
fexnh +〔h〕吸→fexnh2
fexnh2 ＋〔h〕吸fexnh3xfe+nh3
在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335 kj/mol。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126 kj/mol～167 kj/mol，第二阶段的反应活化能为13 kj/mol。
由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。
3.催化剂的中毒。
催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一旦制成一批催化剂之后，便可以永远使用下去。
实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。接着，催化剂活性在一段时间里保持稳定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。
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