合成氨生产工艺中的冷冻工段氨冷却器(W-556)的设计说明书毕业论文.doc

1 绪论本次设计是对天脊集团合成氨生产工艺中的冷冻工段氨冷却器(W-556)的设计。天脊煤化工集团有限公司，现位于山西省潞城市。它的前身是山西化肥厂，1977年，山西化肥厂整体改制为天化工集团有限公司。换热器在工业生产中， 尤其是在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要补低温流体加热或把高温流体冷却，把液体气化或把蒸气冷凝。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来实现完成。可以说换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。本次设计的换热器就是将气氨的热量传递给冷却水以达到生产的要求。1.1 合成氨的工艺流程合成氨生产工艺过程示意图：造气粗煤气低温甲醇洗及冷冻系统液氨洗系统氨合成氨库造气即原煤经处理系统产生煤与空气中分离的氮气在加压气化流中反应。氨由H和N两种元素组成。合成氨是以H2和N2在一定条件下全盛的。H2是从煤中获得的，而N2是从空气中分离得到的。原煤经过筛选，粉碎等过程后，在200#工段加压气化系统的燃烧炉内与高温水蒸气反应得到水煤气，反应的一系列方和如下：燃烧层： C+O2CO2+Q C+O2CO+Q CO+O2CO2+Q 气化层： C+ H2OCO2+H2 Q C+ H2OCO+ H2Q C+ H2CH4+Q CO+ H2OCO2+ H2+Q粗煤气继续在200# 经过洗涤降温，分离等程序最后进入300#，粗煤气变换系统的主要成分有CO2、CO、H2、H2S、CH4等。到300#的粗煤气洗涤变换后进入400#，在300#的变换炉内发生的主要反应有：C+ H2OCO2+ H2 +Q。进入400#变换气冷却系统的变换气主要成分是CO2、H2，还有少量的CO、N2、H2S、CH4等。400#2段的主要作用是冷却变换气，气体的成分基本没有变化。CO2、H2S等有害物质和各种杂质的作用会影响合成氨的质量，还可能造成设备仪器的损坏等，因此，在合成氨之前必须将这些有害物质和杂质去除。500#低温甲醇洗涤系统和600#液氮洗系统是用物理方法吸收，沉淀这些物质。500#主要吸收CO2 和H2S，从500#流出的净化气还有少量的CO、N2、CH4等。600#主要吸收CO，从1800#、5800#空气分离得到的N2 也进入600#，并和H2混合，得到比例大约为1：3的N2和H2混合气体。此混合气体进入900#氨全盛系统合成，反应方程式如下： N2+3 H22NH3 经氨合成系统合成的氨经处理后进入氨库。1.2 冷冻工段工艺说明冷却工段即为气氨的液化。气氨的液化包括气氨的压缩和冷凝，气氨在常压常温下冷凝温度为33.35。因此，在常压常温下，气氨不能用常温水使其冷却成液氨。氨的冷凝温度随压力的提高而升高，当压力提高1.6MPa时，冷凝温度为40，高于一般冷却水温度，因此可以用2535的常温水冷却，使之液化。工艺流程：气氨冷凝为液氨，是靠冷冻循环来完成的，冷冻循环主要由压缩、冷却、冷凝、节流膨胀、蒸发五个过程组成的。气氨冰机压缩提压后，进入氨冷却器，冷却后的气氨进入冷凝器，由冷却水把气氨冷凝为液氨，由冷却水将气氨放出的热量带走，冷凝后的液氨通过节流阀由冷凝压力降至蒸发压力。节流膨胀后的氨在氨冷器中蒸发吸收被冷却水的热量，此时液氨又变为气氨送入冰机进口，如此构成一个循环，这个循环周而复始的进行，被冷却物质的温度便于降低达到工艺要求。1.3 氨冷却器(W-556)的设计说明W-556的主要作用是通过来自南塔的冷却水冷却经氨分离器后被压缩机压缩后的气氨，从而满足工艺要求。2 控制方案的确定2.1 工艺过程及控制参数的选取1被控变量的选择：本过程主要是冷却气氨，使气氨出口温度达到一定值来达到下道工段的要求。因而选择其出口温度为被控变量。2操纵变量：冷却水进口流量。被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后 时间越小越好。3干扰因素：（1）气氨进口温度,压力及流量的变化； （2）冷却水进口温度,压力及流量的变化； （3）周围环境的影响。最终确定参数如下：被控变量：气氨出口温度。给定值：气氨出口给定温度。测量值：由检测元件测得的气氨的实际出口温度值。被控对象：气氨出口管。操纵变量：冷却水进口流量。2.2 控制方案的设计采用单回路控制系统。图2-1氨冷却器温度简单控制方框图图2-2氨冷却器温度控制方案流程图2.3 确定自动化装置2.3.1 各仪表的作用方式对于系统而言，当发生故障时，应保证气氨出口温度不要太高，即在考虑安全及节能方面，应选用气开阀。各仪表的作用方式为：1.气开阀：正作用“+”；2.变送器：正作用“+”；3.当阀关小时，气氨出口温度升高，“-” “-”=“+”，取反，故调节器为反作用“-”。验证： 阀开大 2.3.2 检测元件选型温度测量仪的选取：选择智能温度测量仪产品型号：XMT8018C1。产品相关技术指标： 输出方式： 0-5V控制信号输出；报警方式： 上限报警；控制对象： 温度控制；测量精度： 0.2；仪表量程： -50-150；开孔尺寸： 152(宽)mm*76(高)mm；仪表外形尺寸(宽*高*深)： 160(宽)mm*80(高)mm；工作电源： DC24V；控制方式：PID控制。 仪表简介：本仪表由单片机控制，具有热电阻、热电偶、电压、电流等多种信号自由输入，六种输出方式只须插上相应模块即可，正反控制任意设置；提供了六种报警方式；手动自动切换，主控方式除常规两位式外,在传统PID控制算法基础上，结合模糊控制理论创建了新的人工智能调节PID控制算法，在各种不同的系统上，经仪表自整定的参数大多数能得到满意的控制效果，具有无超调，抗扰动性强等特点。 此外仪表还具有良好的人机界面，仪表能根据设置自动屏蔽不相应的参数项，使用户更觉简洁易接受。 技术规格：输入规格：热电阻CU50；线性电压：0-5V；线性电流（需外接分流电阻）：4-20mA；测量范围：CU50（-50+150）；响应时间：0.5秒(设置数字滤波参数FILT=0时)； 调节方式：模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法，控制精度可达0.2。由余姚市腾辉温控仪表厂提供。2.3.3 变送器选型气氨出口温度给定值为45，气氨进口温度为124，因此选择Cu50热电阻温度变送器。其型号为SBWZ-2160，S表示DDZ-S系列电动单元组合仪表，B表示变送单元，W表示温度，Z表示热电阻，2表示输出与对应温度呈线性，1表示热电阻为Cu50，6表示一体化安装，0表示普通型。此型号变送器的最大量程规定为-50150。输入为Cu50，在量程范围内输出420mA直流信号可与热电阻的温度计的输出电阻信号呈线性。产品相关技术指标：基本误差：0.1；传送方式：二线制；工作电源电压最低12V，最高35V，稳定工作电压24V；额定负载250；环境温度影响0.05%1；正常工作环境：环境温度为-25+80，相对湿度5%95%，机械振动55Hz，振幅0.15mm。由江苏瑞科仪表有限公司提供。2.3.4 调节器选型ZMA(B)P型气动薄膜单座调节阀是自动控制系统中最常用的执行器，它由气动薄膜执行机构和低流阻调节阀组成。单座适用于对泄露量求严格、阀前后压差低及有一定粘度和含纤维介质的场合；双座阀不平衡力小、允许压差大、流通能力大等特点，适用于泄露量要求不严格的场合；套筒阀具有稳定性好，不易产生震动，噪音低，对温度敏感小，适用于压差较大及泄露量要求不严格场合。本设计选择ZMA(B)P型气动薄膜单座调节阀。其主要技术指标： 基本误差：带定位器1.0%；回差：带定位器1.0%；死区：带定位器0.4%；允许泄漏量L/h：110-3阀额定容量。规格与技术参数：公称通径：200mm；阀座直径：200mm；额定流量系数Kv（等百分比）：630；公称压力：6.4Mpa；行程：60mm；流量特性：等百分比；介质温度：-15200(常温型)； 法兰尺寸：铸钢法兰尺寸按JB79；法兰形式：符合JB78-59、JB79-59标准；阀体材质PN6.4(MPa) ： WCB(ZG230-450)、阀体型式：直通单座铸造球型阀；阀芯材质：1Cr18Ni9；上阀盖形式：普通式(常温型)； 可调比R：30：1；气源接头：M161.5。 型号ZHA(B)-1ZHA(B)-2ZHA(B)-3ZHA(B)-4ZHA(B)-5ZHA(B)-6有效面积cm220028040063010001600行程mm10162540601000弹簧范围KPa20100(标准)；40200；80240；2060；60100供气压力MPa 弹簧压力KPa 公称通径20202020253240506580100125150200250300阀座直径101215202532405065801001251502002503000.1420-100允许压差MPa5.33.72.31.30.80.50.50.30.250.20.120.120.080.050.050.0350.2440-2006.46.45.53.11.81.21.10.70.650.450.180.180.100.100.100.07表2-1执行机构主要技术参数表2-2允许压差 DNDPN(MPa)HH11.64.06.4常 温型中温型12549541042544012861498245150495450460475130615182552004955505605701381159327525062067074075214551645380表2-3外形尺寸图2-3调节器结构图零件名称材料温度范围阀 体上阀盖HT200-20200ZG230-450-40450ZG1Cr18Ni9Ti-250550阀芯、阀座、阀杆1Cr18Ni9-250550上下膜片A3钢板支架、顶盖HT200压缩弹簧60Si2Mn波纹薄膜5806胶夹480D尼龙66网眼布填 料聚四氟乙烯-40200碳纤维-120350柔性石墨-40600表2-4主要零件材料温度范围由上海泵阀制造有限公司提供。2.4 调节规律的确定比例调节P：能较为迅速的克服干扰的影响，使系统稳定下来，但会产生余差。积分调节I：能消除余差，但会使系统不稳定。积分时间越小，积分作用越强。微分调节D：微分调节的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差是否存在关且 微分调节不能单独使用。微分时间越大，微分作用越强。微分调节能抑制振荡的作用，提高稳定性，有预见性。对工艺要求无余差的，则选用比例积分微分（PID）调节规律，如温度，成分，PH值等参数的控制。所以本次温度控制选用PID调节规律。参数的整定：温度系统其对象容量滞后较大，被控变量受干扰作用后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较大的积分时间，同时要加入微分作用，微分时间是积分时间的四分之一。 1，353 工艺计算3.1 原始数据物 料温度（进口/出口）操作压力(MPa)流量 (Kg/hr)气氨124/451.421169水32/420.4表3-1换热器原始数据表3.2 类型选择固定管板式换热器是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成的。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，传热面积比浮头式换热器大20%-30%，旁路漏流较小，锻件使用较少，成本低20%以上，没有内漏；壳体和管子壁温差一般宜小于等于50，大于50时则应在壳体上设置膨胀节。 2，5 本次设计中选用此种换热器。不需考虑热补偿。3.3 流体流径的选择考虑逆流时换热效率高，故选择逆流传热。综合考虑各种因素影响选择壳程：水管程：气氨 3，275-2763.4 工艺参数的计算3.4.1 确定冷热流体的定性温度工程上大多以流体的平均温度作为定性温度。 3，240 =84.5=37, 热流体进出口温度, , 冷流体进出口温度, 定性温度下的物性参数水：=993.25 =4.174 =62.894 3，336 =0.6947 3，337 =2700 3，358-359 气氨：=8.684475631 5，477 =11.16672.750161151 5，50 =794.95=33.2829666 5，88 =1248.2434P=1.2482434 5，142 1=4.1868J 3，330 1=4.18681p=0.1 3，329 3.4.2 计算热负荷和冷却水流量 3，218=计算平均温度 逆流：气氨 12445 水 4232 =82 =13 3，223 3.4.3 初选总传热系数 =2103.4.4 初算所需传热面积S（） 3，223 3.4.5 换热器结构设计3.4.5.1 换热管的选取选用碳钢。目前我国换热器标准中仅为和两种规格的管子。 3，277 本次设计选用 = 19 =15换热管总长=在标准管长系列中选取6。 6，19 换热管根数=横过管束中心线的管数外加4根拉杆 管子按正三角形排列时=1.1=23.54102801 3.4.5.2 壳体内径的确定 7，62 管中心距，mm。管子与管板连接采用焊接时=1.25。 3，277 =1.2519=23.75按标准取为25 。 6，22 =25(24-1)+19=594,与按正为壳体标准系列取为600。 2，278 3.4.5.3 折流板形式的选择安装折流板的目的是为了增大壳程流体的流速，使湍流程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10%40%，一般取20%25 %，过高或过低都不利于传热。本次设计取=20%600 mm =120 mm。两相邻挡板的距离为壳体内径的（0.21）倍。系列标准中采用的值为：固定管板式的有150，300和600三种，单位mm。本次设计取=mm=300 mm，可取为300mm。 3，277 折流板数=（块），实际机械设计时为18块。3.4.6 核算总传热系数 3.4.6.1 管程对流传热系数管程流速=88121.48225=当液体被加热时=0.4；当液体被冷却时=0.3；当其体被加热或冷却时=0.4。 2，32 =466.97991213.4.6.2 壳程对流传热系数壳程当量直径=17.28897083 3，247流体通过管间最大截面积 3，283流体管间流速=46.104203 3，247 令=， 当液体被加热时=1.05；当液体被冷却时=0.95；对于气体不论加热还是冷却，可忽略此项不计，取=1.0。 2，33 本次设计壳程水被加热故取=1.05，则3.4.6.3 污垢热阻()查表,对管程气氨=0.8598=3.137956，对壳程冷却水=1.7197=6.276277 。 3，365 3.4.6.4 管壁温度的估算管外流体平均温度,管内流体平均温度,管壁平均温度,已知各参数代入式中求得，=51.42283031。查表，利用插值法，管子材料为不锈钢，求得管壁导热系数为=16.87569021。 3，344 3.4.6.5 总传热系数的计算 3，220 0.004 =250）,在1.151.25的范围内,则初选合理。 3，280 3.5 核算压力降3.5.1 管程压力降 ,分别为直管和弯管中因摩擦阻力引起的压强降,结垢校正系数,无因次,对的管子取为1.5壳程数管程数 3，279 3.5.1.1 的求取= 3，279 =0.0056+ 上式适用范围为 =33。 3，52 =0.0056+ =0.0056+ =0.018678075 =2313.119893.5.1.2 的求取=0=（2313.11989+0）1.511=3469.679835壳程压力降=（+）流体横过管束的压力降，流体通过折流缺口的压力降，壳程压强降的结垢校正系数，无量纲，液体可取1.15壳程数 管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列=0.5壳程流体的摩擦系数，当500时，横过管束中心线的管子数折流挡板数折流板间距，按壳程流通面积计算的流速，=（-） 3，280=（-）=0.3（0.6-240.019）=0.0432=0.713326422=5.0=0.537203321 =0.50.537203321（19+1）=1357.512662 =19 (3.5 ) =16324.41843=（+）=(1357.512662+16324.41843) 1.151 =20334.220763.6 壁温计算3.6.1 管程壁温热流体侧的壁温 6，126 = =64.44055012冷流体侧的壁温 = =45.746623787 管壁温度 = =55.0935869535 3.6.2 壳程壁温当壳体温度接近环境温度时或传热条件使得圆筒壁温接近介质温度时，壳体壁温取壳程流体的平均温度。故取=37。4 机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分。参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。4.1 结构设计4.1.1 设计条件4.1.1.1 设计压力 设计压力根据最高工作压力确定。设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.051.10倍。本设计取1.1倍。 壳程设计压力，液柱压力 = 则可忽略液柱压力， 计算压力，取高于其一个等级的公称等级。 管程设计压力，忽略液柱压力，则取高出其一个压力等级为2.5。4.1.1.2 设计温度设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温度状态可能达到的最高温度。 8，124 管程设计温度的确定 ，由于气氨最高操作温度为124，故取设计温度为130。壳程设计温度的确定，由于壳程水最高操作温度为42，故取设计温度为50。 4.1.2 筒体壁厚4.1.2.1 筒体选材 由于筒体设计温度为50，设计压力为0.4，参考GB150-1998，故选20R。4.1.2.2 筒体壁厚的计算 式中 计算厚度，； 计算压力，； 焊接接头系数。由表可知，故令=。(取=2在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢，不小于1) GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25，因此使用该标准中钢板厚度超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取=0 8，125由钢材标准规格，取 =-(+) ( C=+) =8-(0+2) =64.1.2.3 筒体的强度校核 8，122 式中 有效厚度， =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量， 。=1331.0=133故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为4.1.3 管箱设计4.1.3.1 管箱选材管程设计压力为1.43MPa，温度为130，参考GB150-1998，故选20R。4.1.3.2 管箱筒体厚度计算 由表可知，故令=。GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25，因此使用该标准中钢板厚度超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取=0 8，125由钢材标准规格，取 =-(+) ( C=+) =8-(0+2) =64.1.3.3 管箱选择本次设计选择D型管箱，其结构型式见管箱零件图。10，1684.1.3.4 筒体的强度校核 8，122 式中 有效厚度, =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量，。=1331.0=133故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为4.1.4 管箱法兰4.1.4.1 材料选择 管程设计压力为1.43MPa，温度为130，参考GB150-1998，故选20R。 13，6 4.1.4.2 法兰尺寸法兰材料及其质量列表如下： JB/T 4703-2000公称直径DN，法兰，螺柱规格数量6007607156766666635020042211827M2424 表4-1乙型平焊法兰 13，39 公称直径DN，法兰质量，kg平面凸面凹面榫面槽面PN=2.5MPa600993102.299.8101.297.3 表4-2乙型平焊法兰质量 13，40 4.1.4.3 法兰型式 根据公称压力等级以及介质性质选择法兰型式为SO型。4.1.5 管箱法兰垫片 选择非金属垫片：垫片600-2.50，石棉橡胶板GB/T3985。 13，63 垫片结构图见装配图。 13，63JB/T4704-2000公称压力， 2.5公称直径， 6006656153 表4-3垫片尺寸 13，64 4.1.6 管箱法兰螺柱螺母 对于2.5的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。JB/T4707-2000 本次选用等长双头螺柱。 13，6-7 图4-1等长双头螺柱结构图 13，81 JB/T4707-2000, 162024273036,405060657080,22.53445,56666,162024273036,极限偏差单件质量, 公称尺寸1000.1330.2081100.1470.2291200.1600.2501300.1730.2700.3901400.1870.2910.4201500.2000.3120.4501600.2130.3330.4801700.2270.3450.5101800.2400.3740.5400.6950.8531900.2530.3950.5700.7330.9012000.4160.6000.7720.9483000.6250.9001.1601.422 表4-4等长双头螺柱的型式与尺寸 13，824.1.7 封头的设计 由于管程设计压力为1.43MPa，温度为130，故封头材料选为20R。4.1.7.1 封头的壁厚计算 式中 计算厚度, ; 计算压力, ; 焊接接头系数。 8，140 由表可知,故令=.(取=2在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢,不小于1) (GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25,因此使用该标准中钢板厚度超过5时如和等,可取=0)由钢材标准规格,取=8=-(+) (=+) =8-(0+2) =84.1.7.2 封头尺寸选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下：公称直径总深度内表面积容积DNHAV6001750.43740.0353 JB4746-2002表4-5 EHA椭圆形封头内表面积，容积公称直径封头名义厚度 ，mmDN3456810121416182060010.113.517.020.427.534.641.849.256.764.271.9表4-6 EHA椭圆形封头质量 JB4746-2002 图4-2 EHA椭圆型封头结构 12，36-37-384.1.7.3 封头的强度校核 对于标准椭圆形封头，=1.0椭圆形封头的最大工作压力为 8，1404.1.8 液压试验压力试验除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中会产生各种缺陷。为考核缺陷对压力安全性的影响，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。本次设备压力试验采用水压试验。 8，192由于管程壳程压力不等，且管程压力大于壳程，故水压试验时先将壳程压力升高到与管程相等，再进行水压试验。（1）水压试验对于内压容器 8，193 在小于20,100时的应力都为133. 8，399 =1.25=1.251.43=1.7875(2) 应力校核为使液压试验时容器材料处于弹性状态,在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜应力 =90.183 =0.91.0245=220.5 8，3994.1.9 拉杆设计4.1.9.1 拉杆选材选择拉杆和定距管材料为10。4.1.9.2 拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选择： 换热管外径拉杆直径12表4-7拉杆选用表公称直径DN，拉杆直径 ，124 表4-8拉杆数量选用表 6，75-76拉杆尺寸与结构如下： 拉杆直径拉杆螺纹公称直径121215502.0 表4-9拉杆尺寸表 6 ，76图4-3拉杆结构图 6，75 4.1.9.3 拉杆的布置拉杆应尽量布置