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1、南华大学机械工程学院毕业设计1前言 本次毕业设计主要是直径为2800mm的变换炉的设计，变换炉是合成氨工厂生产一氧化碳工段的一个核心的必备的设备，而变换炉的结构随着现代技术的发展和现代氨生产量需求一直在不断的发展中，为此在此设计的变换炉主要是更加高效更加安全更加经济的生产一氧化碳。 1.1课题设计内容、设计参数1.1.1设计内容1.塔板直径、厚度计算；2.塔内件及有关附件计算；3.筒体选材及壁厚计算；4.上下封头型式、材料的确定以及厚度的计算与校核；5.顶部和底部空间计算；6.裙座设计及校核；7.塔总高的计算；8.载荷分析及强度校核。1.1.2操作参数工作压力(Mpa）： 1.2MPa操作温度
2、（）： 530物料名称： 半水煤气、变换气腐蚀余量（mm） 4塔径（mm）： 2800塔高（m）： 14基本风压（Mpa）： 350地震烈度 7 1.2课题来源及变换炉的应用及结构 变换炉是合成氨厂一氧化碳变换工段的可核心设备，它的结构能否满足工艺要求与计算设备、可靠性直接影响到产量、能耗、转化率、触媒用量和投资费用等。在合成氨生产中，一氧化碳有高温变换、中温变换和低温变换之分，对于低温变换，由于在这一过程中一氧化碳转化量少，催化床层温升小，仅需 图1.1 变换炉的整体结构 一段绝热催化剂反应即能满足工艺生产要求，因而低温变换炉的结构型式单一，而对于高温、中温变换，由于一氧化碳转化量多，催化床
3、层温升大，相应的中文工艺有所不同，一般来说，工业生产中采用的中变炉结构型式随合成按生产原料的不同而有差异，近十几年，在传统的固定床反应器基础上，又出现了轴径变换炉和列管式等温变换炉等新的结构型式。多段高温、中温变换炉的结构多段高温、中温变炉通常指两段或三段绝热反应段，两段式高温、中温变炉壳体是用钢板制成的圆筒，内部以钢板隔成上、下两段。上段装两层催化剂，下段装一层催化剂。催化剂靠支架支承，支架上铺上箅子板、钢丝网及耐火球，然后装填催化剂，上部在装一层耐火球，在催化床层内设有热电偶。炉体内壁砌有耐热混凝土衬里，以降低炉壁温度和减少热损失。炉体上配置有人孔和卸催化剂口。多段高温、中温变炉工艺多段高
4、温、中温变炉适用于以煤或重油为原料的合成氨生产装置。以煤为原料制取的半水煤气中含一氧化碳25-34，重油气化制得的水煤气中含一氧化碳44-49,经中温变化炉使一氧化碳降至3。为了有利于反应平衡应尽可能在低的出口温度下操作。因此通常使用二至三段绝热催化剂层，并采用中间换热式、喷水冷激式和蒸汽过热式进行降温，中间换热式是采取预热入口半水煤气的方法，降低变换气温度。喷水冷激式是向反应气内喷入冷激水，既降低反应气温度，有增加水蒸气含量，有利于变换气反应进行，冷激水通常为变换系统的冷凝液。蒸汽过热式是利用导入的饱和蒸汽来冷却反应气体，并使蒸汽过热。以上三种降温方式可以混合使用。多段高温、中温变流程一般包
5、括：（1）多段变换炉及其段间冷却设备；（2）回收变换炉出口变换气的先热以预热入口半水煤气的热交换器；（3）回收过量反应蒸汽潜热的热水饱和塔及其附属的水加热器；（4）加热脱碳溶液的再沸腾器。一段中变炉结构与多段高温、中温变炉相比，一段高温、中温变换炉的结构简单。炉内没有分段隔板，仅有支承催化剂层的箅子板和铁丝网。铁丝网上铺一层氧化铝球，用来支承催化剂，避免漏出。为减少气流和压力波动所造成的冲击以及保证气体均匀分布，在催化床层顶部再铺上一层氧化铝球，通常装填一层或二层催化剂。轴径向变换炉轴径向变换炉内部没有进口分布器和出口分布器，分布器为壳侧不满小孔的钢制圆筒体，催化剂填充在进口分布器和出口分布器
6、筒体之间。轴径向变化炉的主要特点如下:气体轴径向通过催化床层，催化剂利用率高，床层压降小。在轴径向催化床中，气体通过催化剂的径向满级大大增加，90的气体径向穿过床层，这样床层中的催化剂得到充分利用；10的气体沿轴向向下通过床层，与传统的轴向床层相比，压降小得多。（2）使高温、中温催化剂免受转化气随二段热回收时夹带来的水滴侵蚀。（3）可采用粒度更小，活性更高的催化剂。轴径向变换炉也适合于改造现有的高温、中温和低温变换炉，并适合采用中变串低变工艺，应用于以天然或石脑油为原料的合成氨装置中。列管式等温变换炉列管式等温变换炉有ICI公司设计，并应用于LIC合成氨新工艺中。列管式等温变换炉为一列管式换热
7、催化反应设备，将诶够型式反应器内，管内装ICI新型催化剂，管间为锅炉给水或工期冷凝液和汽化的蒸汽，能有效控制炉温，设备可用锅炉钢板制造、管壳间温差不大，图0.1所示为应用列管式等温变换炉的工艺流程。出口变换气CO含量为0.4-0.5，经变换炉锅炉给水加热器饱和塔；2-列管式等温变换炉；3-锅炉给水加热器图0.1列管式等温变换炉工艺流程图和脱碳溶液再沸器后去脱碳装置。CO变换反应热由列管式等温变换炉壳侧的热水移走，使热水加热和汽化产生蒸汽，供饱和原料天然气，以满足蒸汽转化用大部分蒸汽工艺.2变换炉载荷分析及强度校核2.1筒体和封头厚度计算 根据工作压力来确定计算压力通常设计压力可取为最高工作压力
8、的1.05-1.10倍所以计算压力 =（1.05-1.10）1.2=（1.26-1.32）Mpa取计算压力 =1.3Mpa低压容器的圆筒厚度计算式为：查【1】表16MnR的许用应力在设计温度为350时，16MnR的许用应力为=125，查【1】表4-3 钢制压力容器的焊接接头系数值，在制造中采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头，故焊接接头系数值取1.0。将、 值代入上式得=15.35mm圆筒设计厚度式中 为腐蚀裕量，mm。为钢材负偏差，使用中钢板厚度超过5mm时（如20R、16MnR和16MnDR等）可取=0，故=4+0=4mm圆筒设计厚度=15.35+4=19.35mm圆整并根据【
9、2】附表4-1取圆筒名义厚度为=20mm,则圆筒有效厚度=-=20-4=16mm 图1.2 圆筒的结构封头厚度计算公式为：=14.60 mm封头设计厚度=+=14.60+4=18.60mm封头名义厚度与圆筒一样，取为20mm封头有效厚度=-=20-4=16mm图1.3 椭圆封头的结构2.2载荷分析2.2.1塔设备质量载荷计算塔设备的操作质量:塔设备的最大质量:塔设备的最小质量:塔体总质量 筒体质量塔设备总高为13940 mm，底部为高为990 mm的裙座和封头的高度，上为接管的外深高为350 mm，封头为高度为650 mm筒体总高H=13940-990-350-650=11850mm=11.8
10、5m。查【2】附表4-1 根据公称直径为2800mm厚度为20 mm查得一米高筒节理论质量为1390筒体质量=139011.85=16472封头质量查【2】附表4-3得公称直径为2800mm厚度为20mm的椭圆封头的质量为1367.8。查【2】附表4-2 以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸得曲边高度为 712mm封头质量=21367.8=2736裙座质量取裙座高度为990mm，裙座材料选Q235-B，一米高裙座理论质量为1531裙座质量=13900.99=1377所以塔体总质量=筒体质量+封头质量+裙座质量 即=+=16472+2736+1377=20585塔段内件质量：由于变换炉的结构是
11、塔，且内部装有变换触媒，属于填料塔。塔段内件即为填料加筒体内部附件。其填料为的密度为250Kg/,因此塔段填料质量为 =3.14/4250(1810+1450+1100)=6710对于其他的诸如隔板、工字钢、支撑盖板等则可大致取为填料质量的0.5倍，所以有=1.5=1.56710=10065保温层质量：取保温层厚度为=250mm查【2】表5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表得 保温层质量载荷为200，查【2】附表4-2 以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸 得封头的容积为3.1198,以保温层外径为公称直径的椭圆型封头的容积为3.6197。所以：= （3.6197-3.1189）200=65
12、75（式中为封头保温层质量） 偏心质量（）（平台、扶梯质量）（）：查【2】表5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表得 平台质量，式扶梯质量塔设备总高=筒体总高+单个封头曲边高度+裙座高度=11850+712+940=13502mm=13.502m塔设备总高取为14m, 笼式扶梯总高取为HF14m，平台数量n取3则= =3027操作时塔内物料质量（）：=0人孔、接管、法兰等附件质量按经验取附件质量为=0.25=0.2520585=5147充液质量 因为变换炉内进行的是气体反应，密度很小，所以可以忽略不计。即=0塔设备的操作质量=20585+10065+6575+3027+5147=45399塔设备
13、的最大质量=20585+10065+6575+3027+5147=45399塔设备的最小质量=20585+0.210065+6575+3027+5147=373472.2.2自振周期的计算在动载荷（风载荷和地震载荷）作用下，塔设备各截面的变形及内力与塔的自由震动周期及振型有关，分析塔设备的振动时，一般情况下不考虑平台及外部接管的限制作用以及地基变形的影响，而将塔设备看成是顶端自由，底部刚性固定，质量沿高度连续分布的悬臂梁，其基本震型的自振周期按【2】5.3.14.3有(s): 塔体内径,mm 2800塔体有效厚度,mm 16塔设备高度H,mm 14000操作质量,Kg 45399将数据代入有：
14、=0.13 s2.2.3地震载荷与地震弯矩的计算地震起源于地壳的深处，地震时所产生的地震波，通过地壳的岩石或土壤向地球表面传播。当地震波传到地面时，引起地面的突然运动，从而迫使地面上的建筑物和建设被发生震动。地震发生时，地面运动是一种复杂的空间运动，可以分解为三个平动分量和三个转动分量。鉴于转动分量的实测数据很少，地震载荷计算时一般不予考虑。地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的震动，危害很大。而垂直方向（纵向）的危害较横向震动要小，所以只有当地震烈度为8度或9度地区的设备才考虑纵向震动的影响。当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形。安装在七度或七度以上地震烈度
15、地区的塔设备必须考虑它的抗震能力，计算出它的地震载荷。（1）水平地震力所谓的振力是地震时地面运动对于设备的作用力。对于底部刚性固定在基础设备，如其简化趁单质点的弹性体系。则地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力，此力为-集中于单质点的质量,Kg;g-重力加速度， m/;-地震影响系数。地震影响系数由确定。由【1】表7-9取第二组类场地土的特性周期为=0.3由【2】7-10取设防烈度为7时地震影响系数最大值为=0.23。地震影响系数根据场地土的特性周期及塔的自振周期由分析设计方法确定 且不得小于=0.230.2=0.046即=0.53 实际上塔设备是一多质点的体系，具有多个振型。根据振型叠加原理，可将多质点体系算转换成多个单质点体系想叠加。因此，对于实际塔设备水平地震力的计算，可在前述单点体系计
