1、 四川理工学院毕业设计（论文） 800 层板包扎式氨合成塔设计 （波纹板式换热器） 学 生： 学 号： 专 业：过程装备与控制工程 班 级： 2009.1 指导教师：周 敏 四川理工学院机械工程学院 二 O 一三 年六月 四 川 理 工 学 院 毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 800 层板包扎式氨合成塔设计（波纹板式换热器） 学院： 机械工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 学号： 学生： 指导教师： 周 敏 接受任务时间 2013 年 3 月 1 日 系主任 （签名） 院长 （签名） 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 1 设计（论文）的要求 完成：装配图 1 张（
2、0 号），零件图 2 张（ CAD 与手工制图各 1 张），设计说明书 1 份 2 设计（论文）的原始数据 给定： 800， 8 万吨 /年，年工作日 310 天，内件：换热器用波纹板式 新鲜气 ： CH4： 0.70% 入塔气 ： NH3： 4.0%， Ar+CH4： 16%， 30 C 出塔气 ： NH3： 17% 出水冷器温度 ： 35 C 设计压力： 32MPa 触媒： 自选 2指定查阅的主要参考文献及说明 1 氨合成塔，石油化学工业出版社 2 机械设计手册，机械工业出版社 3 机 械制图，清华大学出版社 4 高压容器设计，上海人民出版社 5 GB 150 98钢制压力容器以及相关标准
3、 期刊主要有：中氮肥、化工设计通讯、化工机械、化肥工业 3进度安排 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 1 资料收集，阅读文献，完成开题报告 3 月 1 日至 3 月 20 日 2 完成所有 结构设计和设计计算工作 3 月 21 日至 4 月 21 日 3 完成 所有图纸绘制 4 月 22 日至 5 月 22 日 4 完成 设计说明书 5 月 23 日至 6 月 1 日 5 完成 图纸和说明书 的修改，答辩的准备和毕业答辩 6 月 2 日至 6 月 10 日 I 摘 要 氨 气 是重要的无机化工产品 ， 氨合成塔是生产合成氨的 核心 设备。 本设计进行了氨合成塔的工艺 计算，对 内件和筒体
4、的 材料选择进行了论证。采用常规设计方法，对 氨合成塔 进行了 结构设计 与强度校核 ， 探讨 了氨合成塔的制造、安装、维护方法。根据操作工艺的要求，选用 单管并流 式触媒筐， 波纹 板式换热器，外筒采用层板包扎式筒体结构。 关键词： 层板 ； 包扎式 ；氨合成塔；工艺 设计； 结构设 计 II ABSTRACT Ammonia is important inorganic chemical products, ammonia synthesis tower is the core equipment of producing synthetic ammonia. This design pr
5、ocess calculation of ammonia synthesis tower, the internal parts and cylinder selection of materials are discussed. the conventional design method of ammonia synthesis tower, the structure design and strength check in ammonia synthetic tower, discusses the manufacture, installation, maintenance meth
6、od. According to the operation process requirements, choose single pipe and streaming catalyst baskets,corrugated plate heat exchanger, outside tube using layer board bandage type cylinder structure. Keywords: Layer board, Bandage type, Ammonia synthesis tower, Process design, Structure design. 目 录
7、摘要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 设计任务 . 1 1.2 合成塔在合成氨生产工艺中的地位 . 1 1.3 合成氨工业的发展简史 . 1 1.3.1 国内合成氨的发展概况 . 1 1.3.2 国外合成氨的发展概况 . 2 1.4 合成氨在国民经济中的作用 . 2 第 2 章 化工工艺计算 . 3 2.1 原料特性 . 3 2.2 产品特性 . 3 2.2.1 氨的物理性质 . 3 2.5.1 物料衡算 . 7 2.5.2 热量衡算 . 9 2.6 工艺技术特性一览表 .12 第 3 章 设备类型的选择与论证 . 14 3.1 氨合成塔的总体结构及基本要求 .
8、14 3.2 外筒结构型式的选择与论证 .15 3.3 密封结构形式的选择与论证 .16 3.4 触媒筐的结构设计与论证 .18 3.5.1 换热器设计的基本要求 . 19 3.5.2 换热器的选择与论证 .20 第 4 章 设备 主要材料的选型与论证 .21 4.1 氨合成塔材料的选择原则 .21 4.2 外筒材料的选择与论证 .21 4.2.1 筒体材料的选择与论证 .21 4.2.2 上下封头及端部法兰材料的选择与论证 .22 4.2.3 螺母、螺栓及密封件材料的选择及论证 .22 4.3 内件材料的选择及论证 .22 4.3.1 内件用材的基本要求 .22 5.1 氨合成塔内换热器的设
9、计条件 .25 5.2 确定设计方案 .25 5.2.1 流程安排 .25 5.2.2 物性数据的确定 .25 5.3 换热器工艺结构设计 .29 5.3.1 初算换热面积 .29 5.3.2 工艺结构尺寸 .29 第 6 章 氨合成塔触媒的选择及触媒筐 设计 .31 6.1 合成氨触媒的选用 .31 6.1.1 触媒选用的基本要求 .31 6.2 触媒筐设计 . 错误 !未定义书签。 6.2.1 触媒 筐工艺指标的选择 . 错误 !未定义书签。 6.2.2 触媒筐的直径和高度 . 错误 !未定义书签。 6.2.3 绝热层高度 .33 第 7 章 电加热器的设计 . 错误 !未定义书签。 7.
10、1 电加热器的作用及常用结构形式 . 错误 !未定义书签。 7.1.1 电加热器设计的一般要求 . 错误 !未定义书签。 7.1.2 电加热器的结构型式 . 错误 !未定义书签。 7.2 电加热器材料的选择 . 错误 !未定义书签。 7.2.1 电热元件材料的一般要求 . 错误 !未定义书签。 7.2.2 电加热器材料的选择 . 错误 !未定义书签。 7.3 电加热器功率的确定 . 错误 !未定义书签。 7.4 电热元件的电气计算 . 错误 !未定义书签。 7.4.1 电加热器功率的计算 . 错误 !未定义书签。 7.4.2 电加热器端电压的选择 . 错误 !未定义书签。 7.5 电加热器端盖
11、设计 .35 7.5.1 端盖密封设计 .35 7.5.3 端盖设计 . 错误 !未定义书签。 第 8 章 氨合成塔的强度计算 . 错误 !未定义书签。 8.1 氨合成塔外筒的结构特点 . 错误 !未定义书签。 8.1.1 氨合成塔外筒的结构特点 . 错误 !未定义书签。 8.1.4 高压容器的密封 . 错误 !未定义书签。 8.2 筒体的设计和计算 . 错误 !未定义书签。 8.2.1 设计条件 . 错误 !未定义书签。 8.2.2 筒体厚度的确定 . 错误 !未定义书签。 8.3 密封件的设计计算 . 错误 !未定义书签。 8.3.1 密封件的类型确定 . 错误 !未定义书签。 8.3.2
12、 密封件的材料选择 . 错误 !未定义书签。 8.3.6 螺母的计算 . 错误 !未定义书签。 8.4.1 法兰型式及尺寸的确定 . 错误 !未定义书签。 8.4.2 法兰强度校核 .36 8.5.1 结构设计 . 错误 !未定义书签。 8.5.4 a-a 环向断面的应力校核 . 错误 !未定义书签。 8.6 筒体底封头的的设计计算 . 错误 !未定义书签。 8.6.1 封头型式及材料的选择 . 错误 !未定义书签。 8.6.4 耐压试验 . 错误 !未定义书签。 第 9 章 氨合成塔的制造 . 错误 !未定义书签。 9.1 原材料的检验 . 错误 !未定义书签。 9.2.1 矫形 . 错误
13、!未定义书签。 9.2.2 净化 . 错误 !未定义书签。 9.3 氨合成塔外筒的制造 . 错误 !未定义书签。 9.3.1 简介 . 错误 !未定义书签。 9.4.3 波纹板式换热器的制造 . 错误 !未定义书签。 9.5 氨合成塔的检验 . 错 误 !未定义书签。 9.6 氨合成塔的试压 . 错误 !未定义书签。 第 10 章 氨合成塔的安装和维护检查 . 错误 !未定义书签。 10.1 氨合成塔的安装 . 错误 !未定义书签。 10.1.1 施工前的准备 . 错误 !未定义书签。 10.1.2 氨合成塔的安装 . 错误 !未定义书签。 10.1.3 安装安全技术 . 错误 !未定义书签。
14、 10.1.4 交工验收技术文件 . 错误 !未定义书签。 10.2.1 氨合成塔的维护 . 错误 !未定义书签。 10.2.2 氨合成塔的检查 . 错误 !未定义书签。 第 11 章 专题讨论 . 错误 !未定义书签。 11.1 采用两进两出两次合成新工艺 . 错误 !未定义书签。 11.4 降低阻力，改善气体分布的均匀性 . 错误 !未定义书签。 11.6 延长触媒使用寿命的措施 . 错误 !未定义书签。 11.8 延长氨触媒筐使用寿命的措施 .38 第 12 章 结论 .40 参考文献 .41 致 谢 .87四川理工学院毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 设计任务 本次设计任务为
15、： 800 层板包扎式氨合成塔设计（波纹板式换热器）。合成塔年产量： 8 万吨 /年，年工作日： 310 天。 1.2 合成塔在合成氨生产工艺中的地位 氨的合成是一门发展较快、研究较深、且已有六十余年生产历史的典型的高压下多相催化反应过程。在生产实践中由于劳动人民不断研究改进，努力创造，对氨的合成在理论上有了更深的理解，在技 术上得到较快的发展，使生产过程日趋完善。 氨合成塔被称为合成氨厂的心脏。它是整个合成氨厂生产过程中的主要关键设备之一。经过精致的氢氮混合气体，在高压、高温和触媒的催化作用下在合成塔内直接合成为氨。 氨合成塔工艺参数的选取以及结构设计是否合理，直接影响到整个合成氨生产能力的
16、大小和技术经济指标的好坏，而氨合成循环系统其他设备能力的好坏，又直接影响了氨合成塔的正常生产和生产能力。 因此，在氨合成塔设计时，必须在一定的工艺条件下，连同整个合成系统其它设备一齐考虑，才能达到技术先进，经济合理的提高生产能力的目的。 1.3 合成氨工业的发展简史 1.3.1 国内合成氨的发展概况 在解放之前，我国氮肥工业和其他工业一样，基础十分薄弱，技术落后，生产水平很低。全国仅有两家规模不大的氨合成厂，一家还由日本帝国主义者所经营。生产时断时续，完全处于瘫痪阶段。氨合成塔的生产技术一直停留在三十年代的落后水平。 1949 年建国以来，我国合成氨工业有了迅速发展。各种类型的合成氨厂星罗棋布
17、，遍及全国各地。氨合成塔塔型很多，并且正在不断推陈出新。短短的几年间，就设计和采用了三套管、单管并流、 U 形管、单管折流、径向、轴向 -径向、冷激、冷激 -内冷 、两次合成、卧式、球形和副产蒸汽等新型氨合成塔。塔内的换热器也采用了螺旋板式和波纹板式等高效传热设备。同时对列管式换热器进行了强化传热方面的改造。合理安排冷热交换，节省冷量，回收热能。使氨合成塔的生产能力大大提高，技术经济指标得到改善。赶上和超过了国际上同规格塔的先进水平。 第一章 绪论 21.3.2 国外合成氨的发展概况 自上世纪 20 年代到 60年代中期，合成氨工业在欧洲、美国、日本等地区已发展到相当高的技术水平。美国 Kel
18、ofgg 公司首先开发 出以天然气为原料、日产千吨的大型合成氨装置，在美国投产后，使吨氨能耗达到 42.0GJ 的先进水平。与此同时，美国 Braun 公司、丹麦 Topsoe 公司、英国 ICI 公司、日本 Toyo 公司等世界各大制氨公司也都积极从事制氨技术的开发工作，形成了各具特色的工艺路线，如丹麦 Topsoe 公司和英国 ICI 公司在以清油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位，这是合成氨工业发展史上第一次 技术变革和飞跃。 70 年代中期，由于世界石油危机，能源价格不断上涨，严重冲击着合成氨工业，造成成本上升、经济效益下降，在这种严峻形势下，世界上各合成氨大公司都以节能为目标，竞相
19、开发出各具特色的节能型新工艺流程，合成氨工业在 89 年代又经历了第二次突破性的变革。如美国 gogKell 公司、 Braun 公司、 KTI 公司、丹麦 Topsoe 公司、英国 ICI 公司、德国 Uhde 公司、意大利 Mnoet dsno 公司等都积极开发新流程及与新流程相适 应的高效催化剂和新设备，借以提高制氨技术在世界上的竞争能力。 最近几年，为了节能省耗、增加产量，在传统工艺的基础上，国内外均推出了一系列节能型氨合成工艺技术及流程，其主要改进目的是增加氨合成转化率（提高氨净值）、降低合成压力、减小合成回路压率、合理利用能量。 1.4 合成氨在国民经济中的作用 氨是非常重要的化工
20、产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是重要的化工产品之一，世界每年合成氨 产量已达到 1 亿吨以上，其中约有 80 的氨用来生产化学肥料，20 作为其它化工产品的原料。可见，合成氨工业史氮肥工业的基础，对农业增产起着十分重要的作用。 同时，氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切的关系，例如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，液氨还是常用的冷冻剂。合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了很多科学技术部门的发展，所以氨合成工 业在国民经济中具有十分重要的作用。
