1500td合成氨工艺低温甲醇洗工段第一换热器设计毕业设计.doc

1500t/d合成氨工艺低温甲醇洗工段第一换热器设计毕业设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：1 设计要求毕业设计的主要目的是培养和训练学生综合运用所学知识独立进行过程设备设计、控制方案制定及和制造中技术问题处理的能力。毕业设计环节要求学生完成以下任务： 了解合成氨生产工艺，掌握低温甲醇洗工段的工艺流程及控制方法。 使用国家最新压力容器和换热器设计标准、规范进行设计。掌握最新化工容器及设计的全过程。 查阅翻译综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。 设计计算以手算、电算相结合，要求设计思路新颖、计算数据准确、可靠、且正确掌握计算机操作和专业软件使用。 采用CAD绘制所设计的工程图纸。 毕业设计全部工作由设计者独立完成。2 设计数据见附表第2页毕业设计（论文）主要内容：具体内容包括：1 合成氨生产工艺中低温甲醇洗工段的工艺流程及控制方法设计；2 评述所设计的换热器在生产中的地位、作用及设备选型（附工艺流程图）；3 单体设备工艺计算及初选设备轮廓尺寸（如：管径、管长、管子数、管壳程数、壳径等）；4 设备结构设计；5 设备强度计算；6 编制制造、检验、安装、运输等技术条件；7 绘制设备总装配图及零件图；8 编制设计说明书。学生应交出的设计文件（论文）：1 设计说明书一份。2 合成氨生产工艺方块流程图一张(A1)、低温甲醇洗工段工艺物料流程图一张(A1)、设备总装配图和零部件图不少于四张（折合 A1 图纸）3 相关题目中文文献综述一篇，译文一篇。第3页主要参考文献（资料）：1 天津大学化工原理教研室，化工原理上册，天津科技出版社，1992年 2 国家技术监督局，钢制管壳式换热器（GB151-99），1999年 3 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册（上、下册），化学工业出版社，1987 4 国家压力容器标准化委员会，钢制压力容器（GB150-2000），学苑出版社，2000 5 燕山石化总公司设计院化工设计院，钢制列管式固定管板换热器结构设计手册，化工部设备设计技术中心站，1985 6 化工部第六设计院，化工设备图样技术要求（上、下册），化工部设备设计技术中心站，2000 7 石油化学工业部化工设计院，小氮肥厂工艺设计手册，石油化学工业出版社，1979 8 化学工业部设备技术中心站，全国压容器标准化技术委员会，化工设备标准手册（共4册）19979过程装备成套设计，化学工业出版社，200210过程装备成套技术课程设计指南，化学工业出版社，2002年工业出版社，200211 国家压力容器标准化委员会，钢制焊接压力容器及标准释义（JB/T4735 1997）12 国家压力容器标准化委员会，压力容器用锻件、压力容器用镍铜合金（JB47264728、JB47414743-2000）13 国家压力容器标准化委员会，钢制管法兰、垫片、紧固件（HG 2059220635-2009）14 国家压力容器标准化委员会，钢制压力容器焊接工艺评定、钢制压力容器焊接规程、钢制压力容器产品焊接试板的力学性能测试（JB4708、JB/T4709、JB4744-2000）15 国家压力容器标准化委员会，压力容器法兰（GB47004707-2000）16 国家压力容器标准化委员会，压力容器波形膨胀节及标准释义（GB16749-1997）17 国家压力容器标准化委员会，容器支座（JB/T4712、4713、4724、4725-92）18 国家压力容器标准化委员会，换热器基本参数（JB/T47144720、JB4721、JB/T47224723-92）19 国家压力容器标准化委员会，补强圈、钢制压力容器用封头（JB/T4736、4746-2002）20 国家压力容器标准化委员会，固定式压力容器安全技术监察规程，2010专业班级 学生 要求设计（论文）工作起止日期 指导教师签字 日期 教研室主任审查签字 日期 系主任批准签字 日期 第4页附表 换热器设计原始数据设备名称第一换热器设备位号W-500单台设备性能流体位置流体名称脱硫煤气冷煤气流体流量总kg/h气体 62672.062672.0液体蒸汽水不凝物温度 (进/出)C-3.929.9373密度kg / m322.54119.52421.649?粘度centipoise0.01240.01380.0141?分子量,气体分子量, 不凝物比热kcal/kg C0.40060.40330.404?导热系数kcal/h m C0.0490.05410.05450.073潜热kcal/kg进口压力kgf/cm2 (abs)24.41227.125速度m/s压力降 , 允许 /计算kgf/cm2污垢系数 (最小)h m2 C/kcal0.00020.0002热负荷kcal/hC换热系数, 使用结垢干净kcal/h m2 C单个壳体结构简图(管束/管口方位)壳侧管侧设计/试验压力kgf/cm2 (g)设计温度C每壳体程数腐蚀裕度接管进口尺寸 &出口等级中间.管数 外径mm厚度mm长度mm管间距mm管子类型光管材质壳体内径外径mm壳盖(整体.)(可拆.)管箱或封头管箱盖固定管板 浮动管板浮头盖防冲保护横向折流板数类型% 切割率 间距 中心/中心进口mm纵向折流板数密封型式支撑-管子U-弯头型式旁路密封布置管子管板联接膨胀节型式V2 进口接管管束入口管束出口垫片 壳侧管侧 浮头标准和规范要求TEMA 类型重量/壳体充水管束kg换热面积 m2太 原 理 工 大 学毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目 ： 1500t/d 合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料） ： 1 设计要求毕业设计的主要目的是培养和训练学生综合运用所学知识独立进行过程设 备设计、控制方案制定及和制造中技术问题处理的能力。毕业设计环节要求学生 完成以下任务： 了解合成氨生产工艺，掌握粗煤气变换工段的工艺流程及控制方法。 使用国家最新压力容器和换热器设计标准、规范进行设计。掌握最新化工容 器及设计的全过程。 查阅翻译综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和 论证。 设计计算以手算、电算相结合，要求设计思路新颖、计算数据准确、可靠、 且正确掌握计算机操作和专业软件使用。 采用 CAD 绘制所设计的工程图纸。 毕业设计全部工作由设计者独立完成。 2 设计数据 物 料 温度（进口/出口） 438.7 / 319.3 200.0 / 325.0 操作压力(MPa) 2.87 2.97 流量 (kg/h) 210943.8 228564 变换煤气 粗煤气 毕业设计（论文）主要内容： 具体内容包括： 1 合成氨生产工艺、粗煤气变换工段工艺流程及控制方法设计； 2 评述所设计的换热器在生产中的地位、作用及设备选型（附工艺流程图） ； 3 单体设备工艺计算及初选设备轮廓尺寸（如：管径、管长、管子数、管壳程数、 壳径等） ； 4 设备结构设计； 5 设备强度计算； 6 编制制造、检验、安装、运输等技术条件； 7 绘制设备总装配图及零件图； 8 编制设计说明书。 学生应交出的设计文件（论文） ： 1 设计说明书一份。 2 合成氨生产工艺方块流程图一张(A1)、 粗煤气变换分离工段工艺物料流程图一 张(A1)、设备总装配图和零部件图不少于四张（折合 A1 图纸） 3 相关题目中文文献综述一篇，译文一篇。 主要参考文献（资料） ： 1 天津大学化工原理教研室， 化工原理上册，天津科技出版社， 1992 年 2 国家技术监督局， 钢制管壳式换热器 （ GB151-99） ，1999 年 3 国家医药管理局上海医药设计院， 化工工艺设计手册 （上、 下册） ， 化学工业出版社， 1987 4 国家压力容器标准化委员会， 压力容器 （ GB150-2011） ，2011 5 燕山石化总公司设计院化工设计院， 钢制列管式固定管板换热器结构设计手册 ，化 工部设备设计技术中心站，1985 6 化工部第六设计院， 化工设备图样技术要求 （上、下册） ，化工部设备设计技术中心 站，2000 7 石油化学工业部化工设计院， 小氮肥厂工艺设计手册 ，石油化学工业出版社，1979 8 化学工业部设备技术中心站， 全国压容器标准化技术委员会， 化工设备标准手册 （共 4 册）1997 9过程装备成套设计 ，化学工业出版社， 2002 10过程装备成套技术课程设计指南 ，化学工业出版社， 2002 年工业出版社，2002 11 国家压力容器标准化委员会， 钢制焊接压力容器及标准释义 （ JB/T4735 1997） 12 国家压力容器标准化委员会， 压力容器用锻件、 压力容器用镍铜合金 （ JB47264728、 JB47414743-2000） 13 国家压力容器标准化委员会， 钢制管法兰、垫片、紧固件 （ HG 2059220635-2009） 14 国家压力容器标准化委员会， 钢制压力容器焊接工艺评定、钢制压力容器焊接规程、 钢制压力容器产品焊接试板的力学性能测试 （ JB4708、JB/T4709、JB4744-2000） 15 国家压力容器标准化委员会， 压力容器法兰 （ GB47004707-2000） 16 国家压力容器标准化委员会， 压力容器波形膨胀节及标准释义 （ GB16749-1997） 17 国家压力容器标准化委员会， 容器支座 （ JB/T4712、4713、4724、4725-92） 18 国家压力容器标准化委员会， 换热器基本参数 （ JB/T47144720、 JB4721、 JB/T4722 4723-92） 19 国家压力容器标准化委员会， 补强圈、钢制压力容器用封头 （ JB/T4736、4746-2002） 20 国家压力容器标准化委员会， 固定式压力容器安全技术监察规程 ， 2010 专业班级 过程装备与控制工程 学生 宫金良 要求设计（论文）工作起止日期 指 导 教 师 签 字 教研室主任审查签字 系 主 任 批 准 签 字 日期 日期 日期 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 5 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 . 10 1.1 变换工段的说明 . 10 2 工艺设计 . 12 2.1 确定设计方案 . 12 2.1.2 管程安排 . 12 2.2 确物性数据 . 12 2.3 估算传热面积 . 12 2.3.1 热流量（忽略热损失） . 12 2.3.2 粗煤气用量（忽略热损失） . 13 2.3.3 平均传热温差 . 13 2.4 工艺结构尺寸 . 13 2.4.1 管径和管内流速 . 13 2.4.2 管程数和传热管数 . 13 2.4.3 平均传热温差校正及壳程数 . 13 2.4.4 传热管排列和分程方法 . 14 2.4.5 壳体直径 . 14 2.4.6 折流板 . 14 2.5 换热器核算 . 15 2.5.1 传热面积校核 . 15 2.5.2 换热器内内压降核算 . 17 3机械结构设计 . 19 3.1 设计压力 . 19 3.2 设计温度 . 20 3.3 管壁温度 . 20 3.3.1 符号 . 20 3.3.2 管程壁温 . 20 3.3.3 壳程壁温 . 20 3.4 筒体壁厚 . 21 3.4.1 筒体选材 . 21 3.4.2 筒体壁厚计算. 21 3.5 管箱厚度 . 22 3.5.1 管箱选材 . 22 3.5.2 筒体壁厚计算 . 22 3.6 管箱法兰 . 23 3.6.1 材料选择 . 23 3.6.2 法兰尺寸 . 23 3.6.3 法兰型式 . 24 3.6.4 法兰垫片 . 24 3.6.5 法兰螺柱螺母 . 25 3.7 封头的设计 . 26 3.7.1 封头选材 . 26 3.7.2 封头壁厚计算 . 26 3.7.3 封头尺寸 . 27 3.8 液压实验 . 27 3.9 拉杆设计 . 28 3.9.1 拉杆选材 . 28 3.9.2 拉杆参数 . 28 3.9.3 拉杆的布置 . 28 3.10 管板设计 . 29 3.10.1 材料的选择 . 29 3.10.2 管板结构 . 29 3.10.3 管板布管 . 29 3.10.4 管孔设计 . 29 3.10.5 拉杆孔设计 . 29 3.10.6 管板尺寸 . 30 3.11 实际布管 . 31 3.12 换热管设计 . 31 3.13 接管设计 . 32 3.13.1 管程接管设计 . 32 3.13.2 壳程接管设计 . 32 3.13.3 排气管与降液管设计 . 33 3.13.4 各接管法兰和垫片的设计 . 33 3.14 保温层的设计 . 35 3.15 各接管尺寸设计 . 35 3.15.1 接管的外伸长度 . 35 3.15.2 壳程接管位置 . 35 3.15.3 管程接管位置 . 36 3.16 防冲挡板 . 37 3.16. 1 管程 . 37 3.16.2 壳程 . 37 3.17 折流板与支持板 . 38 3.17.1 材料 . 38 3.17.2 折流板设计 . 38 3.17.3 折流板和支持板管孔 . 39 3.17.4 折流板布置 . 39 3.17.5 折流板重量计算 . 40 3.18 管箱设计 . 41 3.18.1 管箱结构形式 . 42 3.18.2 管箱长度 . 43 3.19 吊耳与顶丝 . 43 3.19.1 左管箱质量 . 43 3.19.2 右管箱质量 . 43 3.19.3 吊耳 . 44 3.20 支座设计 . 44 3.20.1 支座所承受的载荷 . 44 3.20.2 支座尺寸 . 45 3.20.3 支座材料 . 46 3.20.4 支座安装尺寸 . 46 4. 焊缝设计 . 47 5 强度校核 . 50 6技术条件编制 . 77 6.1 技术条件说明 . 77 6.1.1 钢材 . 77 6.1.2 冷热加工成型 . 77 6.1.3 焊接条件 . 78 6.1.4 热处理 . 78 6.1.5 无损探伤 . 78 6.2 装配图的技术条件 . 78 6.3 零件图的技术条件 . 78 6.3.1 管箱部件图的技术条件编制 . 78 6.3.2 管板零件图技术条件 . 79 6.3.3 折流板技术条件 . 79 结束语 . 80 参考文献 . 81 致 谢 . 821.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-V 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 H2 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 CO2、H2S，除去 CO2、H2S 的合成气再进入液氮洗工序，脱 除 CO 的同时将 N2 和 H2 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+ H2O=CO2+H2+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 CO2，H2，CO，CH4，H2S，N2，O2 及碳化物等。除 N2、H2 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-100C 以下到 1100C 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 T? 438.7 ? 319.3 ? 379 2 200 ? 325 ? 262.5 2 3 1 管程流体的定性温度为 T? 已知变换煤气在 379下的有关物性数据如下： ? ? 10.979kg ? m ；c1 =4.9118kJ/kg ? ? 0.1480W / (m ?); u1 ? 2.221?10?5 Pa ? s 1 已 知 粗 煤 气 在 262.5 下 的 有 关 物 性 数 据 如 下 ： ?2 ? 13.838kg ? m3 ： cp.2 ? 4.3401kJ / (kg ?) ; ?2 ? 0.1267W / (m ?); ?2 ? 2.094 ?10?5 Pa ? s 。 2.3 估算传热面积 、2.3.1 热流量（忽略热损失） QT ? qm,hcp.1?T ? 210943.8 ? 4.9118 ? ? 438.7 ? 319.3? ? 34444.44 ? kW? 12 2.3.2 粗煤气用量（忽略热损失） QT 34444.44 ?103 qm,c ? ? ? 228564kg / h cp ,c ?t 4.3401?103 ? （325-200） 2.3.3 平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 (319.3 ? 200) ? (438.7 ? 325) ?tm ? ? 116.48 319.3 ? 200 ln 438.7 ? 325 2.3.4 初算传热面积 先假设 K ? 550W / (m2 ?)，则估算的传热面积为： S 估= QT 34444.44 ?103 ? ? 538(m2 ) K ?tm 550 ?116.48 2.4 工艺结构尺寸 2.4.1 管径和管内流速 选用 ? 25mm ? 2.5mm 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 A 538 N s= ? ? 1142 l d.0 3.14 ? 0.025 ? 6 取换热管根数为 1200 根. 按单管程计算，所需的传热管长度为 L= S估 538 ? ? 5.7(m) ? do N s 3.14 ? 0.025 ?1200 按单管程设计，取传热管长 l ? 6m 。 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： P= t2 ? t1 325 ? 200 ? ? 0.5237 T1 ? t1 438.7 ? 200 T1 ? T2 438.7 ? 319.3 ? ? 0.9552 t2 ? t1 325 ? 200 R= 按单壳程，单管程结构，查图 ?3, 90? 表 4-4 得 13 ?t ? 0.84 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 对应的换热管中心距 S ? 32mm 。 2.4.5 壳体直径 采用多管程结构，壳体直径可由 ?3,92? 式 4-15 估算。取管板利用率 ? ? 0.75 ，则 壳体