8萬(wàn)噸年合成氨變換工段低溫變換熱交換器要點(diǎn)

1、第1章緒論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題來(lái)源于臨汾化肥廠，重點(diǎn)進(jìn)行了三分廠合成氨變換工段低 溫變換熱交換器的設(shè)計(jì)，該廠氮肥生產(chǎn)的任務(wù)是進(jìn)行合成氨與尿素的生產(chǎn)。 1.1工藝流程簡(jiǎn)述 1.1.1合成氨的工藝流程 合成氨生產(chǎn)工藝過(guò)程示意圖： 造氣f粗煤氣f低溫甲醇洗及冷凍系統(tǒng)f液氨洗系統(tǒng)f氨合成f氨庫(kù) 造氣即原煤經(jīng)處理系統(tǒng)產(chǎn)生煤與空氣中分離的氮?dú)庠诩訅簹饣髦蟹磻?yīng)。 氨由H和N兩種元素組成。合成氨是以 H2和N2在一定條件下全盛的。H2是 從煤中獲得的，而N2是從空氣中分離得到的。 原煤經(jīng)過(guò)篩選，粉碎等過(guò)程后，在200#工段加壓氣化系統(tǒng)的燃燒爐內(nèi)與高溫水 蒸氣反應(yīng)得到水煤氣，反應(yīng)的一系列方和如下： 燃燒層：

2、C+O2f CO2+Q C+O2f CO+Q CO+O2f CO2+Q 氣化層： C+ H2Of CO2+H2 Q C+ H2Of CO+ H2 Q C+ H2f CH4+Q CO+ H2Of CO2+ H2+Q 粗煤氣繼續(xù)在200#經(jīng)過(guò)洗滌降溫，分離等程序最后進(jìn)入 300#，粗煤氣變換系 統(tǒng)的主要成分有 CO2、CO、H2、H2S、CH4等。至V 300#的粗煤氣洗滌變換后進(jìn)入 400#,在300#的變換爐內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)有：C+ H2Of CO2+ H2 +Q。進(jìn)入400#變 換氣冷卻系統(tǒng)的變換氣主要成分是 CO2、H2,還有少量的CO、N2、H2S、CH4等。 400#2段的主要作用是冷

3、卻變換氣，氣體的成分基本沒有變化。CO、HS等有害物 質(zhì)和各種雜質(zhì)的作用會(huì)影響合成氨的質(zhì)量，還可能造成設(shè)備儀器的損壞等，因此， 在合成氨之前必須將這些有害物質(zhì)和雜質(zhì)去除。500#低溫甲醇洗滌系統(tǒng)和600#液氮 洗系統(tǒng)是用物理方法吸收，沉淀這些物質(zhì)。500#主要吸收CQ和HS,從500#流出的 凈化氣還有少量的CO 2、CH4等。600#主要吸收CQ從1800#、5800#空氣分離得到 的N也進(jìn)入600#，并和H2混合，得到比例大約為1： 3的N和H混合氣體。此混合 氣體進(jìn)入900#氨全盛系統(tǒng)合成，反應(yīng)方程式如下： N+3出2NH經(jīng)氨合成系統(tǒng)合成的氨經(jīng)處理后進(jìn)入氨庫(kù) 1.1.2半水煤氣配氣工藝流

4、程簡(jiǎn)介 由造氣車間來(lái)的半水煤氣壓力為9.81KPa、HSv 20mg/Nrm經(jīng)低壓機(jī)加壓到 2.06MPQ進(jìn)入本崗位的油水分離器，除去夾帶的油水后，進(jìn)入預(yù)脫硫槽，上部氧 化鐵吸收部分無(wú)機(jī)硫，下部活性碳吸收部分有機(jī)硫，然后進(jìn)入第一熱交換器與第三 熱交換器來(lái)的變換氣進(jìn)行換熱，使半水煤氣的溫度由35r提高到220r左右，進(jìn)入 氧化鋅脫硫槽，將半水煤氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)硫，同時(shí)被氧化鋅吸收至總硫含 量為微量。脫硫后的半水煤氣進(jìn)入第二熱交換器與變換爐二段出口的變換氣換熱， （在第二熱交換器半水煤氣入口加入 2.45MPa 390E的過(guò)熱蒸汽，汽/氣0.7 0.9 ） 使入變換爐氣體溫度達(dá)到330E左右

5、。在變換爐第一、二層之間有冷激煤氣和蒸汽 加入管。上段變換氣出口溫度達(dá) 429C進(jìn)入第二熱交換器管內(nèi)與半水煤氣換熱，溫 度降到400C，進(jìn)入淬冷器，溫度降至360r左右，并提高下段汽/氣比，用低變氣 冷凝液淬冷后，進(jìn)入下段變換爐繼續(xù) CO變換反應(yīng)，使出口 COC3%氣體溫度升到 405 r進(jìn)入第三交換器管內(nèi)與堿洗氣換熱，出第三熱交換器的變換氣溫度降到 365r，然后進(jìn)入第一熱交換器與半水煤氣換熱，溫度降到280r左右，進(jìn)入舊系統(tǒng) 氧化鋅脫硫槽和焦?fàn)t氣系統(tǒng)并氣生產(chǎn)。 1.2換熱器的選型與評(píng)述 換熱器是在生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過(guò)程的一種設(shè)備。換熱器按傳熱 面的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為管殼式換熱器

6、，板式換熱器，板翅式換熱器和螺旋板式換 熱器。后三者是較新型的換熱器，具有設(shè)備緊湊，材料耗量少及傳熱效果好等優(yōu)點(diǎn)， 是現(xiàn)代換熱器的發(fā)展方向。但它們也具有不少缺點(diǎn)，板式換熱器的處理量小，適應(yīng) 的操作壓力也小，一般w 15kgf/cm2,最高為20kgf/cm2。板翅式換熱器的設(shè)備流道小， 易堵，從而使壓降升高，清洗困難，且要求介質(zhì)對(duì)鋁不腐蝕。螺旋式換熱器操作溫 度低，操作壓力低，僅適用于P 20am,T 365 C 堿洗氣 250 C- 300 C t1=40Ct2=50C3, 223 選 In -.-=t1 ：t2 =ti 50-40 .50 In - 40 = 44.82 2.3.3初選總傳

7、熱系數(shù)K(W/m2C) Ko=80 2.3.4初算所需傳熱面積S(mf) Q K tm = 371 2.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 2.4.1換熱管的選取 選用碳鋼。目前我國(guó)換熱器標(biāo)準(zhǔn)中僅為 19mm 2mm和 25mm 2.5mm兩種規(guī) 格子。3,277 1 本次設(shè)計(jì)選用 do = 25 mmdi=20mm 換熱管總長(zhǎng)L= = 4728m 兀d。 在標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)系列中選取6m。換 熱管數(shù)L = 788根 I 2.4.2殼體內(nèi)徑Di的確定： 橫過(guò)管束中心線的管數(shù)nc 外加10根拉桿 管子按正三角形排列時(shí) n c=1.V.n=1.1 788 = 30.87 Di =t nc -11 2 d 7 ，62 tT管中

8、心距，mm管子與管板連接采用焊接時(shí)t =1.25 do。3, 277 t =1.25 25mm=32mm 按標(biāo)準(zhǔn)取為32 mm 。6, 22 Dj=32 30.87 -125 mm=980mm,與按正為殼體標(biāo)準(zhǔn)系列取為 1000 mm。2, 278 2.5折流板形式的選擇 安裝折流板的目的是為了增大殼程流體的流速，使湍流程度加劇，以提高殼程 對(duì)流傳熱系數(shù)。 最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度 h約為外殼內(nèi)徑的10% 40% 一般取 20%： 25 %過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱。本次設(shè)計(jì)取h= 20%Di =25% 1200 mm=250 mm 兩相鄰擋板的距離B為殼體內(nèi)徑的（0.2 ： 1）倍。

9、系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的值為：固 定管板式的有150, 300和600三種，單位mm本次設(shè)計(jì)取B= 0.5Di =600 mm可取 B 為 600mm3，277 折流板數(shù)Nb = L-1 乞-1=9 （塊） B 0.6 第3章?lián)Q熱器的機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算兩部分。參考?jí)毫θ萜靼踩夹g(shù)監(jiān)察規(guī)程， 本次設(shè)計(jì)的換熱器為二類容器。 3.1設(shè)計(jì)條件 3.1.1設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)壓力根據(jù)最高工作壓力確定。設(shè)有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)壓力取最高工作壓力的 1.051.10倍。本設(shè)計(jì)取1.1倍。 殼程設(shè)計(jì)壓力=1.7mpa, 液柱壓力-gh 0.95 =993.25 9.8 0.6 0.95Pa =5548.29

10、45Pa ： 5% 巳 則可忽略液柱壓力，計(jì)算壓力R =Pd，取高于其一個(gè)等級(jí)的公稱等級(jí) 2.5mpa。 管程設(shè)計(jì)壓力P1.1Pw=1.11.834 一 0.1 =1.90mpa,忽略液柱壓力，則取高出 其一個(gè)壓力等級(jí)為2.5 MPa。 3.1.2設(shè)計(jì)溫度 設(shè)計(jì)溫度指容器在正常情況下，設(shè)定的元件金屬溫度，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件 金屬在工作溫度狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度。8，124 管程設(shè)計(jì)溫度的確定，由于變換氣最高操作溫度為 405C，故取設(shè)計(jì)溫度為 300 C，故取設(shè)計(jì)溫度為 405C。 殼程設(shè)計(jì)溫度的確定，由于殼程堿洗氣最高操作溫度為 300 C。 3.2筒體壁厚 3.2.1筒體選材 由于筒體設(shè)

11、計(jì)溫度為 300C，設(shè)計(jì)壓力為1.7 MPa，參考GB150-199 焊接接頭系數(shù)。 PCD 2- PC 1.7 1000 2 144 1-1.7 =5.92mm 由表可知-mn =6mm 取=11mm 、d C2=13mm 、n = d C1=13mm (取C2=2mm在無(wú)特殊腐蝕情況下，對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，不小于 1mm) GB6654壓力容器用鋼板和 GB3531低溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定壓力容 器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于 0.25 mm，因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過(guò) 5mm時(shí) ( 如 20R,16 MnR 和16Mn DR)等， 可 取 C1=0 8，125 由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取“

12、 =13mm e= n-( C1 + C2 ) =11mm( C=C1+C) 3.2.3筒體的強(qiáng)度校核 8 -PcDe J.7 1。00 11 =78.12mpt 2 2 11 122 式中-e 有效厚度，：e=：n-C, mm； -n 名義厚度，mm ； ；J設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力，MPa ； C 厚度附加量，mm。 汀=133 1.0=144 MPa 汀 故校核其滿足強(qiáng)度要求。 因此，圓筒的最大工作壓力Pw為 PW=3.13mpa Di 3.3管箱設(shè)計(jì) 3.3.1管箱選材 管程設(shè)計(jì)壓力為1.9MPa,溫度為405C，參考GB150-1998故選16MnR 3.3.2管箱筒體厚度計(jì)算 PC

13、D： PcD 2 4- Pc 2汀-PC 1.9 1000 小 =7.6mm 2 125 1-1.7 由表可知、：min =6mm，取=11mm 、n =13mm GB6654壓力容器用鋼板和 GB3531低溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定壓力容 器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于 0.25 mm,因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過(guò) 5mm時(shí) ( 如 20R,16 MnR 和16Mn DR)等， 可 取C1=0 8，125 由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取n =13mm e = n-( G+C2)( C=C1+C2) =11mm 333管箱選擇 10 ，168 8 ，122 本次設(shè)計(jì)選擇D型管箱，其結(jié)構(gòu)型式見管箱零件圖。 3

14、.3.4筒體的強(qiáng)度校核 一 PcD e9 1000 11 =87.31mpaJ 21 式中、e 有效厚度,：e=r-C, mm； 、；n 名義厚度，mm ； t 二設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力，MPa ； C 厚度附加量，mm。 ；汀 =125 1.0=125 MPa c 二t 故校核其滿足強(qiáng)度要求。 因此，圓筒的最大工作壓力Pw為 Pv=2.72mpa Di ； 3.4管箱法蘭 3.4.1材料選擇 管程設(shè)計(jì)壓力為1.9MPa溫度為405C，參考JB1157-1164,故選16MnR 13， 法蘭材料及其質(zhì)量列表如下: 公稱 直徑 DN mm 法蘭，mm 螺柱 D D1 D2 D3 D4 5 H

15、a 印 d 規(guī) 格 數(shù) 量 1000 1195 1140 1098 1088 1085 68 170 42 21 18 30 M27 36 表3.1長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭 JB/T 4703-2000 13, 39 公稱直徑 DN 6 0 R mm 1000 20 32 15 壓緊面形式的選擇 本設(shè)備采用凹凸面壓緊形式，可以有效防止墊片被擠壓出壓緊面。 根據(jù)容器的使用介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及封頭的公稱尺寸來(lái)確定。官箱上 的設(shè)備法蘭規(guī)定，公稱直徑400mm按JB1158-82甲型平焊法蘭，JB1159-82乙型 平焊法蘭和JB1160-82長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。由4-19可知選用長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，材料選用 16Mn

16、R 凹凸面對(duì)焊鋼制法蘭 表 3.2 法蘭質(zhì)量表 公稱法蘭質(zhì)量，kg 直徑DN 平 凸 凹 榫 槽面 mm 面 面 面 面 205 199.7 324法蘭型式 根據(jù)公稱壓力等級(jí)以及介質(zhì)性質(zhì)選擇法蘭型式為長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭 3.5管箱法蘭墊片 選擇非金屬墊片：墊片1000-2.50,石棉橡膠板GB/T3985。13，63 墊片結(jié)構(gòu)圖見零件圖。 表 3.3 墊片尺寸 JB/T4704-2000 公稱壓力PN， mm 2.5 公稱直徑DN， mm D d t 1000 1087 1037 3 3.6管箱法蘭螺柱螺母 對(duì)于PN =2.5 MPa的螺柱應(yīng)當(dāng)選用40Cr，對(duì)應(yīng)的螺母為35。JB/T4707-200

17、0 本次選用等長(zhǎng)雙頭螺柱。13，6-7 等長(zhǎng)雙頭螺柱結(jié)構(gòu)圖13，81 表3.4等長(zhǎng)雙頭螺柱的型式與尺寸 d, mm162024273036 L0, mm 40 50 60 65 70 80 C, mm 2 2.5 3 4 4 5 r, mm 5 6 6 6 6 d2, mm A 16 20 24 27 30 36 B L , mm 極限 偏差 單件質(zhì)量,kg 直邊度偏差以 不影響順利穿管為限。 (5) 對(duì)接后，應(yīng)按表5-6選取鋼球直徑對(duì)焊接接頭進(jìn)行通球檢查，以鋼球通 過(guò)為合格。 表5.5通球直徑 換熱管外徑dw dw 25 25 v dw 40 鋼球直徑 0.75 di 0.8 di 0.85

18、 di (6) 對(duì)接焊接接頭應(yīng)作焊接工藝評(píng)定。 (7) 對(duì)接焊接接頭應(yīng)進(jìn)行射線檢測(cè)，抽查數(shù)量應(yīng)不少于接頭總數(shù)的10%，且 不少于一條，以GB3323-87的III級(jí)為合格。如果有一條不合格時(shí)，應(yīng)加倍抽查；再 出現(xiàn)合格時(shí)，應(yīng)100%檢查。 (8) 對(duì)接后的換熱管，應(yīng)逐根做液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的兩倍。 535殼體制造技術(shù)要求 GB151-89鋼制管殼式換熱器中，對(duì)圓筒殼體制造的有關(guān)技術(shù)要求簡(jiǎn)介如 下。 第4章用板材卷制時(shí)，內(nèi)直徑允許偏差可通過(guò)外圓周長(zhǎng)加以控制。其外圓周長(zhǎng)允 許上偏差為10mm下偏差為零。 第5章圓筒同一斷面上，最大直徑與最小直徑之差ev0.5 % Dn ,且Dn 1200m

19、m寸，其值不大于7mm 第6章圓筒直線度允許偏差為L(zhǎng)/1000(L為圓筒總長(zhǎng))，且LW 6000mn時(shí)，其值不 大于4.5mm L6000mn時(shí)，其值不大于8mm 關(guān)于直線度的檢查，應(yīng)通過(guò)中心線的水平和垂直面，即沿圓周0、90、180、 270四個(gè)部位測(cè)量。 5.3.6換熱管與管板連接 鋼制管殼式換熱器管子與管板的連接方式有脹接、焊接和脹焊連接。 (1) 脹接 將脹接器插入到裝配在管板孔里的管口內(nèi)，加向前軸向力并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將管 子端部脹大變形直至管子端部產(chǎn)生塑性變形，管板孔產(chǎn)生彈性變形，退出脹管器則 管子在管板孔彈性變形恢復(fù)的作用下，使管子與管板孔接觸表面上產(chǎn)生很大的擠壓 力并緊密結(jié)合，既達(dá)

20、到了密封又能抗拉脫力。為保證脹接質(zhì)量，要注意控制脹管率 并注意脹接的應(yīng)用、特點(diǎn)。 脹接適用于直徑不大、管壁不厚的管子；脹接的管板材料的力學(xué)性能(如硬度) 應(yīng)比管子材料的高，使管子產(chǎn)生塑性變形時(shí)，管板仍處于彈性變形階段，以保證脹 接的強(qiáng)度，相同材料不宜脹接；脹接后管子與管板孔的間隙比焊接的小，有利于管 端得內(nèi)腐蝕性提高；脹接的強(qiáng)度和密封性不如焊接；脹接不適于管程和殼程溫差較 大的場(chǎng)合，否則影響脹接質(zhì)量；脹接時(shí)要求環(huán)境溫度不低于-10 C,以保證脹接質(zhì) 量；脹接表面要求清潔，管板孔表面粗糙度 Ra值不大于12.5 Jm。 (2) 焊接 管子與管板連接采用焊接法應(yīng)用比較廣泛。其主要特點(diǎn)是對(duì)不能脹接的管子與管板，如管子與管板材料相同、小直徑厚壁管、大直徑管及管程和殼程介質(zhì)溫差較 大的場(chǎng)合等，可以采用焊接連接；焊接連接的管子與管板孔的間隙較大，且介質(zhì)在 此流動(dòng)困難，內(nèi)腐蝕性差；焊接的強(qiáng)度較高、密封性好；管子與管板連接采用的自 動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊、效率高、質(zhì)量好。 (3) 脹焊連接 即是對(duì)同一管口進(jìn)行脹接再加焊接， 因此脹焊連接同時(shí)具備了脹接和焊接的優(yōu) 點(diǎn)。對(duì)于在高溫、高壓下工作的換熱器，由于單一的焊接或脹接