1500td合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计

太原理工大学

毕业设计（论文）任务书

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1500t/d合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换

热交换器设计

摘要

本次设计在安全前提下，以经济实用为原则，从原始数据开始经工艺计算、机械设计和强度校核三步详尽地阐述了本台换热器的设计过程。

此设计过程有五个部分：绪论，工艺计算，机械设计，强度校核和技术条件的编制。

在绪论中主要叙述了合成氨生产生产中的变换工段在本次这个天脊集团合成氨装置增产节能改造项目中的作用及简单介绍。控制方案的设计主要是通过对整体设备的综合分析，确定设备的控制方案，达到自动控制目的；工艺计算主要是通过对热量负荷的计算得到换热器的传热面积、初步确定换热器的基本尺寸，为下一步提供依据；机械设计主要任务是在设计条件下，从主体到部件，进行材料和零部件的设计入手，设计合理的结构；强度校核是在满足工艺条件的要求下，对所设计的设备进行强度校核，以便生产可以顺利的进行。

关键词：换热器，工艺计算，机械设计

A Design of 1500t / d of crude ammonia process gas shift

conversion section third heat exchanger

Abstract

The premise of the design in a safe, economical and practical principle to begin the process calculated from the raw data by the mechanical design and strength check-step detailed exposition of this station heat exchanger design process.

This design process has five parts: the preparation of the introduction, process calculations, mechanical design, strength check and technical conditions.

Described in the introduction the main role in the production of ammonia production in the second section of this transformation Tianji Group ammonia unit increase in energy-saving projects and brief. Control scheme designed primarily through a comprehensive analysis of the whole device to determine device control solutions, to achieve automatic control purposes; process calculation is mainly through the calculation of the heat load to get the heat exchanger heat transfer area of the heat exchanger initially

identified the basic dimensions provide the basis for the next step; mechanical design of the main tasks is under design conditions, from the body to the parts, and materials and components designed to start, well-designed structures; strength check is to meet the requirements under process conditions, equipment designed for the strength check, in order to produce a smooth conduct.

Key words: Heat Exchanger;Process calculation;Mechanical Design

目录

1.绪论彗睬技鹑 (10)

1.1变换工段的说明彗睬技鹑 (10)

2 工艺设计彗睬技鹑 (12)

2.1 确定设计方案彗睬技鹑 (12)

2.1.1 选择换热器的类型两流体的温度变化情况 (12)

2.1.2 管程安排彗睬技鹑 (12)

2.2 确物性数据彗睬技鹑 (12)

2.3 估算传热面积彗睬技鹑 (13)

2.3.1 热流量（忽略热损失）彗睬技鹑 (13)

2.3.2 粗煤气用量（忽略热损失）彗睬技鹑 (13)

2.3.3 平均传热温差彗睬技鹑 (13)

2.3.4 初算传热面积 (13)

2.4 工艺结构尺寸彗睬技鹑 (13)

2.4.1 管径和管内流速彗睬技鹑 (13)

2.4.2 管程数和传热管数彗睬技鹑 (13)

2.4.3 平均传热温差校正及壳程数彗睬技鹑 (13)

2.4.4 传热管排列和分程方法彗睬技鹑 (14)

2.4.5 壳体直径彗睬技鹑 (14)

2.4.6 折流板彗睬技鹑 (14)

2.5 换热器核算彗睬技鹑 (15)

2.5.1 传热面积校核彗睬技鹑 (15)

2.5.2 换热器内内压降核算彗睬技鹑 (17)

3 .机械结构设计彗睬技鹑 (19)

3.1 设计压力彗睬技鹑 (19)

3.2 设计温度彗睬技鹑 (20)

3.3 管壁温度彗睬技鹑 (20)

3.3.1 符号彗睬技鹑 (20)

3.3.2 管程壁温彗睬技鹑 (20)

3.3.3 壳程壁温彗睬技鹑 (20)

3.4 筒体壁厚彗睬技鹑 (21)

3.4.1 筒体选材彗睬技鹑 (21)

3.4.2 筒体壁厚计算彗睬技鹑 (21)

3.5 管箱厚度彗睬技鹑 (22)

3.5.1 管箱选材彗睬技鹑 (22)

3.5.2 筒体壁厚计算彗睬技鹑 (22)

3.6 管箱法兰彗睬技鹑 (23)

3.6.1 材料选择彗睬技鹑 (23)

3.6.2 法兰尺寸彗睬技鹑 (23)

3.6.3 法兰型式彗睬技鹑 (24)

3.6.4 法兰垫片彗睬技鹑 (24)

3.7 封头的设计彗睬技鹑 (26)

3.7.1 封头选材彗睬技鹑 (26)

3.7.2 封头壁厚计算彗睬技鹑 (26)

3.7.3 封头尺寸彗睬技鹑 (27)

3.8 液压实验彗睬技鹑 (27)

3.9 拉杆设计彗睬技鹑 (28)

3.9.1 拉杆选材彗睬技鹑 (28)

3.9.2 拉杆参数彗睬技鹑 (28)

3.9.3 拉杆的布置彗睬技鹑 (28)

3.10 管板设计彗睬技鹑 (29)

3.10.1 材料的选择彗睬技鹑 (29)

3.10.2 管板结构彗睬技鹑 (29)

3.10.3 管板布管彗睬技鹑 (29)

3.10.4 管孔设计彗睬技鹑 (29)

3.10.5 拉杆孔设计彗睬技鹑 (29)

3.10.6 管板尺寸彗睬技鹑 (30)

3.11 实际布管彗睬技鹑 (31)

3.12 换热管设计彗睬技鹑 (31)

3.13 接管设计彗睬技鹑 (32)

3.13.1 管程接管设计彗睬技鹑 (32)

3.13.2 壳程接管设计彗睬技鹑 (32)

3.13.3 排气管与降液管设计彗睬技鹑 (33)

3.13.4 各接管法兰和垫片的设计彗睬技鹑 (33)

3.14 保温层的设计彗睬技鹑 (35)

3.15 各接管尺寸设计彗睬技鹑 (35)

3.15.1 接管的外伸长度彗睬技鹑 (35)

3.15.2壳程接管位置彗睬技鹑 (35)

3.15.3管程接管位置彗睬技鹑 (36)

3.16 防冲挡板彗睬技鹑 (37)

3.16. 1管程彗睬技鹑 (37)

3.16.2 壳程彗睬技鹑 (37)

3.17折流板与支持板彗睬技鹑 (38)

3.17.1材料彗睬技鹑 (38)

3.17.2折流板设计彗睬技鹑 (38)

3.17.3折流板和支持板管孔彗睬技鹑 (39)

3.17.4 折流板布置彗睬技鹑 (39)

3.17.5 折流板重量计算彗睬技鹑 (40)

3.18 管箱设计彗睬技鹑 (41)

3.18.1 管箱结构形式彗睬技鹑 (42)

3.18.2 管箱长度彗睬技鹑 (43)

3.19 吊耳与顶丝彗睬技鹑 (43)

3.19.1 左管箱质量彗睬技鹑 (43)

3.19.3 吊耳彗睬技鹑 (44)

3.20 支座设计彗睬技鹑 (44)

3.20.1 支座所承受的载荷彗睬技鹑 (44)

3.20.2 支座尺寸彗睬技鹑 (45)

3.20.3 支座材料彗睬技鹑 (46)

3.20.4 支座安装尺寸彗睬技鹑 (46)

4.焊缝设计彗睬技鹑 (47)

5 强度校核彗睬技鹑 (50)

彗睬技鹑 .................................................................................................................... 错误！未定义书签。

6 技术条件编制彗睬技鹑 (77)

6.1 技术条件说明彗睬技鹑 (77)

6.1.1 钢材彗睬技鹑 (77)

6.1.2 冷热加工成型彗睬技鹑 (77)

6.1.3 焊接条件彗睬技鹑 (78)

6.1.4 热处理彗睬技鹑 (78)

6.1.5 无损探伤彗睬技鹑 (78)

6.2 装配图的技术条件彗睬技鹑 (78)

6.3 零件图的技术条件彗睬技鹑 (78)

6.3.1 管箱部件图的技术条件编制彗睬技鹑 (78)

6.3.2 管板零件图技术条件彗睬技鹑 (79)

6.3.3 折流板技术条件彗睬技鹑 (79)

结束语彗睬技鹑 (80)

参考文献彗睬技鹑 (81)

致谢彗睬技鹑 (82)

1.绪论

1.1变换工段的说明

在合成氨工艺生产过程中，变换工艺是一个重要的净化工序，通过变换工序，不尽能制取氢气为合成氨提供原料，而且还减少了CO对氨合成催化剂的毒害。这张工艺物料流程图就是天脊集团合成氨装置增产节能改造项目，针对粗煤气中的CO含量高、水碳比低的特点，对CO变换工艺进行设计与优化。

天脊煤化工集团有限责任公司是我过于20世纪80年代初从国外成套引进技术和设备而兴建的，以煤为原料生产生产硝酸磷复合肥的大型煤化工基地。其年产30万吨合成氨装置采用MARK-ⅠV型鲁奇加压气化炉气化制成的粗煤气，在一氧化碳变换

工序中经过两段钴钼系耐硫催化剂床层进一步提高H

2

含量，冷却后的变换气进入低温

甲醇洗工序除去变换气中的CO

2、H

2

S，除去CO

2

、H

2

S的合成气再进入液氮洗工序，脱

除CO的同时将N

2和H

2

配比成适当的比例经过合成气压缩机提压后送入托普索100型

合成塔进行氨合成。

一氧化碳和水蒸气在催化剂作用下反应生成二氧化碳和氢气。其反应方程式：

CO+ H

2O=CO

2+

H

2

+410894kJ/kmol

称做水煤气变换反应，简称变换反应。

变换反应为放热等分子可逆反应。因此降低反应温度和增加蒸汽用量都可降低变换气中CO的平衡浓度，若温度高，蒸汽量少，将不利于变换反应甚至还可能发生逆变换反应过程。在要求变换气中CO浓度一定的条件下，降低反应温度是降低蒸汽用量的必要手段。在不能降低温度条件下，片面追求降低CO浓度，将会造成极大的蒸汽浪费。

从300#工段出来的粗煤气的主要成分是CO

2，H

2

，CO，CH

4

，H

2

S，N

2

，O

2

及碳化物

等。除N

2、H

2

外，其他物质的存在都对合成氨的催化剂有毒害作用，和影响合成氨的

质量，还可能造成设备仪器的损害等，需要进行脱除，只至百分之几的数量级为止。

本次节能改造时先把来自200#的粗煤气用液氮洗涤，在深度冷冻（-100℃）下用液氮吸收少量CO，而且还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以下的氢氮混合气体。粗煤气经过煤气水分离器分离气体，再经过变换热交换器利用高温变换煤气与进入换热器的相对低温的粗煤气进行换热，以达到加热粗煤气同时冷却变换煤气的目的，节省了资源的利用。

2 工艺设计

2.1 确定设计方案

2.1.1 选择换热器的类型 两流体的温度变化情况：

热流体进口温度438.7℃，出口温度319.3℃;

冷流体进口温度200.0℃，出口温度325℃。

管壳式换热器的应用范围很广，适应性很强，其允许压力可以从高真空到41.5MPa ，温度可以从-100°C 以下到 1100°C 高温。此外，它还具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点，因此它在换热器中是最主要的型式,所以本次设计选用管壳式换热器。

2.1.2 管程安排

由设计任务书确定，管程走粗煤气，壳程走变换煤气。

2.2 确物性数据

定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可去流体进出、口温度的平均值。故壳程变换煤气的定性温度为

438.7319.33792

T +==℃ 管程流体的定性温度为 200325262.52

T +==℃ 已知变换煤气在379℃下的有关物性数据如下：13

10.979kg m ρ=?；c 1 =4.9118kJ/kg ℃

1

0.1480/(W m λ=?℃);51 2.22110u Pa s -=?? 已知粗煤气在262.5℃下的有关物性数据如下：2313.838kg m ρ=?：

.2 4.3401/(p c kJ kg =?℃) ; 20.1267/(W m λ=?℃);252.09410Pa s μ-=??。

2.3 估算传热面积

2.3.1 热流量（忽略热损失）

()(),.1210943.8 4.9118438.7319.334444.44kW m h p T Q q c T =?=??-=

2.3.2 粗煤气用量（忽略热损失）

,,3

334444.4410228564/4.340110-m c p c T Q q kg h c t ?===???（325200）

2.3.3 平均传热温差

先按照纯逆流计算，得

(319.3200)(438.7325)116.48ln 438.7325

m t ---?==-℃ 2.3.4 初算传热面积

先假设2K 550/(W m =?℃)，则估算的传热面积为：

3

234444.4410538()550116.48

m T Q S m K t ?==??估= 2.4 工艺结构尺寸

2.4.1 管径和管内流速

选用25 2.5mm mm φ?的20号钢管。

2.4.2 管程数和传热管数

可依据传热管内径和流速确定单程传热管数

.05381142 3.140.0256

A N d ==??s =πl 取换热管根数为1200根.

按单管程计算，所需的传热管长度为

538 5.7()3.140.0251200

o s S m d N π==??估L= 按单管程设计，取传热管长6l m =。

2.4.3 平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数计算如下：

213252000.5237438.7200

t t T t --==--P=

1221438.7319.30.9552325200

T T t t --==--R= 按单壳程，单管程结构，查图[],903表4-4得

0.84t ??=

平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

2.4.4 传热管排列和分程方法

采用正三角形排列。换热器正三角形排列可使流体走短路的机会少，增大管外流体湍流程度，从而增大对流传热系数，节省传热面积，所以换热器的排列方式采用正三角形排列。

正三角形排列

换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，由[]5,22表12查得换热管外径25mm φ对应的换热管中心距32S mm =。

2.4.5 壳体直径

采用多管程结构，壳体直径可由[],923式4-15估算。取管板利用率0.75η=，则壳体直径为

(n 1)2b 32(38.11)2301247.2(D Pt mm c =-+=?-+?=）

其中按卷制壳体的进级档，可取1400D mm =

2.4.6 折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体直径的25%，则切去的圆缺高度为

0.251400350()h mm =?=

取折流板板间距0.7(0.2)B D D B D =<<,则

0.71400980()B mm =?=

可取B mm 为1000。

折流板数目6000-1=-1=51000

B N =

传热管长折流板间距 2.5 换热器核算

2.5.1 传热面积校核

2.5.1.1 管程传热膜系数

由[],953式4-13计算 0.80.40.80.40.023Re Pr 0.023()()i p i i i c d u d d ρλλαμλ== 式中 α——对流传热系数2/(W m ?℃)；

λ——流体的热导率/(W m ?℃)； i d ——管内径，m ；

u ——流体的流速，/m s ：

ρ——流体的密度，3/kg m ；

μ——流体的粘度，Pa s ?；

p c ——流体的比热容，/()J kg ?℃；

Re ——雷诺数；

Pr ——普朗特数。

管程流体流通截面积

220.7850.0212000.3768()i S m =??= 管程流体流速和雷诺数分别为

77577.1/0.40(/)0.0548

i u m s ?==（3600985.6） 50.0212.1813.838R e 1609812.09410

-??==? 普朗特数

35

4.340110 2.09410Pr 0.71730.1267

-???== 0.80.420.12670.023*******.71731867[/()]0.02i W m α=???=?℃