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1、普通高等学校“十一五”国家级规划教材过程设备制造检测 课程设计指导书 陕西科技大学机电教研室 编著 过控专业系主任 审化学工业出版社教材出版中心1. 课设选题1.1加氢反应器一、 设计题目加氢反应器筒体制造工艺设计二、加氢反应器的设计背景工程科学是关于工程实践的科学基础，现代过程装备与控制工程是工程科学的一个分支，因此，生产实习是工科学习的重要环节。在兰州兰石集团实习期间，对化工设备的发展前景和各种化工容器如反应釜、换热器、储罐、分液器和塔器等的有所了解和学习。生产实习的主要任务是学习化工设备的制造工艺和生产流程，将理论知识与生产实践相结合，理论应用于实际。因此，过程装备与检测的课程设计的设置
2、是十分必要的。由于我们实习的加工车间正在进行加氢反应器的生产，而加氢反应器是石油化工行业的关键设备，其生产工艺和设计制造在化工设备中具有显著的代表性，为此，选择加氢反应器这一典型的化工设备作为课程设计的设计题目。三设备介绍及其发展石油工业中常用的加氢反应器有两类：一类用于高沸点液体或固体（固体需先溶于溶剂或加热熔融）原料的液相加氢过程，如油脂加氢、重质油品的加氢裂解等。另一类反应器用于气相连续加氢过程。反应器的类型可以是列管式或塔式。根据化工生产的实际情况，相应选择合理的结构形式。加氢反应器是石油化工行业的关键设备，通常是在高温(350-480)、高压(0一25MPa)、临氢、有硫化氢等腐蚀介
3、质的恶劣工作条件下运行。早期由于冶金水平和制造工业水平有限，多采用冷壁结构形式的加氢反应器。所谓冷壁一般指设计金属壁温在300以下的加氢反应器，为保持温度，一般在反应器壳体内壁装焊保温钉增设一定厚度的隔热内衬层。20世纪70年代以来，随着冶金、轧制、锻造工艺技术的不断提高，已能够生产出既严格控制化学成分又能保证良好综合力学性能的优质、大厚度加氢用钢板或大型锻件，且先进的可保证特殊技术要求的不锈钢堆焊材料和堆焊技术、工艺技术也已经成熟，近30年来，加氢技术发展迅速，热壁加氢反应器的应用更加广泛。热壁加氢反应器与冷壁加氢反应器相比具有以下显著优点:(1)在相同外形尺寸条件下，增大了反应器内部的有效
4、容积，提高了生产能力;(2) 由于无内衬隔热层，避免了内衬板易破坏造成壳体局部超温导致局部鼓泡破坏;(3) 避免了上述原因造成设备频繁停车修复所造成经济和产量上的损失。因此，热壁加氢反应器逐步取代了冷壁加氢反应器，且具有越来越大型化的趋势。四设计相关内容4.1引用的主要标准及规范 国家质量技术监督局颁发的压力容器安全技术监察规程（99）版GB150-1998 钢制压力容器GB6654-1996 压力容器用钢板（含1、2号修改单）JB4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定JB/T4709-2000 钢制压力容器焊接规程JB4744-2000 钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验JB/T4
5、730-2005 承压设备无损检测JB4726-2000 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件JB4728-2000 压力容器用不锈钢锻件GB/4237-2007 不锈钢热轧钢板和钢带GB/T3280-2007 不锈钢冷轧钢板和钢带GB/T3077-1999 合金结构钢GB/T14976-2002 流体输送用不锈钢无缝钢管JB/T4711-2003 压力容器涂敷与运输包装4.2主要技术参数表一设计压力5.750.1MPa设计温度375177最高工作压力4.88MPa最高工作温度343容器类别三类容器容积立方米腐蚀裕量0水压试验立式7.47卧式7.55MPa盛装介质石脑油、油气、氢气、硫化氢主体材质1
6、5CrMoR4.3.结构特点该加氢精制反应器为板焊结构，其内径，壁厚，由2节组成；封头内半径，壁厚，总重量。整个容器位于裙座圈上，总高度约14011，容器内壁（包括封头、筒体、法兰以及接管和弯管）全部堆焊309L+347 不锈钢，反应器设有油气进出口、催化剂卸料口、冷氢进口、热电偶口、人孔等接管孔，所有接管均采用整体补强结构，裙座采用对接结构，各接管密封采用八角垫结构，设备上下各有一个弯管。容器内部焊有凸台（一周），安装有冷氢盘、分配盘等内件。4.4.使用特点及需解决的问题由于热壁加氢反应器是在高温、高压、临氢及硫和硫化氢介质条件下使用的，因此决定了该设备在使用过程中将会出现：氢腐蚀、氢脆、高
7、温高压硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、堆焊层的剥离、CrMo五钢的回火脆性破坏等问题。五方案论证过程条件：加氢反应是可逆、放热和分子数减少的反应，根据吕查德里原理，低温、高压有利于化学平衡向加氢反应方向移动。加氢过程所需的温度决定于所用催化剂的活性，活性高者温度可较低。对于在反应温度条件下平衡常数较小的加氢反应（如由一氧化碳加氢合成甲醇），为了提高平衡转化率，反应过程需要在高压下进行，并且也有利于提高反应速度。采用过量的氢，不仅可加快反应速度和提高被加氢物质的转化率，而且有利于导出反应热。过量的氢可循环使用。 筒体直径系列25002800300032003400360038004000筒体厚度
8、mm7882859095959898半球形封头厚度7072757880808082计算半球形封头R？1.2 精馏塔制造工艺设计多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。 多晶硅具有半导体性质，是极为重要的半导体材料。但微量的杂质即可大大影响其导电性。在电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等基础材料。多晶硅是是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料，被称为“微电子大厦的基石”。当前，晶体硅材料（包括
9、多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90%以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。其按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55%左右，太阳能级多晶硅占45%，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度已高于半导体多晶硅的速度，到2008年太阳能多晶硅的需求量已超过电子级多晶硅。 目前多晶硅主要的生产技术有（改良）西门子法（三氯氢硅氢还原法），硅烷法(硅烷热分解法)，流化床法。硅烷法是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、硅的直接氢化法等方法制取，硅烷气提纯后在热分解炉中生产纯度较高的
10、棒状多晶硅。硅烷法也有废料，也是氯化物的提纯，工艺难度大，安全要求高，每一步都有转化率，投资更大，以前只有日本小松掌握此技术，由于发生过严重的爆炸事故后，没有继续扩大生产，使得硅烷法尚不能取代西门子法。流化床法是以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内高温高压下生成三氯氢硅，在将三氯氢硅进一步歧化加氢生成二氯二氢硅，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加入小颗粒硅粉的流化床内进行连续热分解，生成大颗粒多晶硅产品。在流化床内参与反应的硅面积大，生产效率高,电耗低且成本低,适用于大规模生产太阳能多晶硅。但安全性差，危害性大，产品纯度不高。西门子法生产多晶硅的主要工序是高纯石英（经高温焦碳还原）
11、工业硅（酸洗）硅粉（加HCL）SiHCL3（经过粗馏精馏）高纯SiHCL3（和H2反应）高纯多晶硅。西门子生产工艺经过数十年的发展，几经改造，产能规模、自动化控制水平有了很大提高，生产成本不断降低，其关键技术也由敞开生产发展到闭式循环。实践证明，三氯氢硅生产多晶硅，具有安全性相对良好、沉积速率和一次转化率较高，产品纯度较高，同时可适于连续稳定运行等优点，所以成为高纯度多晶硅生产的首选生产技术。世界上主要的多晶硅工厂和我国多晶硅项目均采用了西门子法。在西门子法的生产工序中，为了满足高纯度的需要，必须进一步将工业硅提纯。在第二步中把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl)与之反应在一个流化床反应器中，生
12、成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)。其化学反应Si+HClSiHCl3+H2 反应温度为300度，该反应是放热的。同时形成气态混合物(2,1,Si13,SiC14,Si)。 产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要分解:过滤硅粉，冷凝Si13,SiC14，而气态2,1返回到反应中或排放到大气中。然后利用精馏法分解冷凝物Si13,SiC14 。SiHCL3纯度直接影响了多晶硅的纯度，因此精馏工段尤为重要。本次设计以内蒙古鄂尔多斯3000吨多晶硅项目TCS精馏塔的设计为背景，旨在对塔体进行多载荷下的强度稳定性校核。通过对兰州四方容器公司的调研了解到，目前对于大型精馏塔的设计通常采用等径变壁厚结构。在
13、保证塔体强度的基础上，此结构能减少钢材的用量，从而大大节约了成本。对于塔器，受到的外载荷较多，在风载荷，地震载荷，自重载荷以及偏心载荷的联合作用下，塔器能否满足强度和稳定性要求就显得尤为重要。目前，国内的压力容器制造公司主要利用SW6软件进行塔体的强度计算，首先按照常规内压设计出塔体及封头的壁厚，在此基础上，依据结构设计设定出每段筒节的长度，根据厂的实际加工能力，确定出相邻筒节的壁厚差，再利用软件进行强度校核。如果满足强度稳定性等要求，则再分析强度的富余量，如果富余量过大，则可在之前壁厚的基础上减少壁厚，在进行校核；若不满足强度要求，则需要增加壁厚，直到满足强度稳定性要求为止。本次设计的主要任
14、务就是对塔器进行强度稳定性计算。全部手工计算，旨在熟悉塔器强度设计的基本流程，这样就能更加深刻的理解软件计算的原理，熟悉各个参数的含义，为以后更好的应用SW6软件奠定理论基础。目前，ansys在压力容器上的应用越来越广泛，本次毕业设计除了对塔器进行强度校核外，还利用solidworks建立了塔器的三维模型。三维模型的建立，对以后更好的利用应力分析软件奠定了良好的基础。材料选择在多晶硅工艺中，所涉及的气态或液态介质大多具有腐蚀性。在三氯氢硅合成气中，无水状态下三氯氢硅对铁和不锈钢不腐蚀，但三氯氢硅遇水会发生反应，产生有毒的氯化氢。在高温条件下，三氯氢硅能被氢气还原生成硅，同时产生氯化氢气体，再加之氯化氢本身就是反应原料，因此设备的选材必须考虑到氯离子对材料的腐蚀作用。对于奥氏体不锈钢在氯离子环境下的腐蚀，各种权威的书籍均有严格的要求，氯离子含量要小于25ppm，否则就会发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀。分析氯离子对不锈钢的腐蚀，采取预防措施，延长使用寿命是很重要的。奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Si、
