DN2600变换炉设计说明书

南华大学机械工程学院毕业设计第1页共46页1.前言变换炉是化肥生产过程中的关键设备，其变换的机理概括如下：在变换过程中，其主要反应方程式：222COHOCOH热量，在变换炉中来自饱和塔并经体温到3500C的半水煤气在一定得压力下，借助催化剂的作用，使其中的CO和水蒸汽反应转化为2CO和2H，并放出热量。变换的主要目的是制取2H，变换过程中产生的副产品二氧化碳将在变换工段后的气体净化工段分离出来，从而得到用于合成氨所需的氢气（有时含有少量的氮气，甲烷等）以及用于合成尿素所需的二氧化碳。转换气CO在催还剂的作用下进行转换，反应的温度以催化剂类型的不同可分为高温变换（350～500℃），低温变换（180～220℃）。压力由常压到8.5aMP。就目前的相关资料显示变换工艺较多的在高压下进行，变换后氢气的分压较高。在高温高压下对设备的材料要求较高，设备造价昂贵，为了降低生产的成本进来发展了一种一次低温等温变换工艺来取代传统的高变和低变两次变换，省去了相关的换热和热能回收设备，使工艺流程得到简化。变换炉有轴向变换炉和轴径向变换炉等结构形式。传统的轴向变换炉，流体流速大，为保证变换反应所需的催化剂装填量较多，催化剂床层较多，因此压力降较大。轴径向变换炉则是通过改变反应流体的方向，使反应流体的速度降低，反应流体通过催化剂的距离缩短，压力降减少，同时可降低催化剂段筒体的温度。本设计是在工作压力为0.85aMP，操作温度为450℃，物料为半水煤气、变换气，腐蚀余量4mm，塔径为2600mm，塔高为6.6m的条件下进行设计。设计中主要包括变换炉整体结构的设计以及筒体、封头的材料选择，厚度计算，应力计算、校核和制造的一些过程的设计。在裙座的设计中主要介绍了裙座的结构和选材，基础环的设计，地脚螺栓的选择以及裙座与炉体的连接形式。文中对密封装置的设计只进行了简单的概括。对于接管部分重点做了开孔和开孔补强的设计包括与封头相连接的进气管，与筒体连接的人孔，卸料口、排污口、测温口。南华大学机械工程学院毕业设计第2页共46页还有对焊接结构设计，热处理，无损检测，压力试验，表面处理，油漆，包装的简单介绍。最后对本设计进行总结.2.设计内容2.1设计参数工作压力（aMP）：0.85aMP操作温度（℃）：450℃物料名称：半水煤气、变换气腐蚀余量（mm）4塔径（mm）：2600塔高（m）：6.62.2变换炉的整体结构变换炉整体结构如下图所示南华大学机械工程学院毕业设计第3页共46页变换炉的主要部件有：1----裙座2----封头3----筒体4----卸料口5----人孔6----触媒7----进口管8----测温点9----支承板10----出口管11----排污口南华大学机械工程学院毕业设计第4页共56页图1.1变换炉的整体结构示意图南华大学机械工程学院毕业设计第5页共56页2.3筒体的设计筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内径和容积往往需由工艺计算确定。圆柱形容器是最常见的一种压力容器结构形式，具有结构简单、易于制造、便于在内部装设附件等优点，被广泛用于反应器、换热器、分离器个中小容积储存容器。圆筒形容器的容积主要由圆柱形筒体（以下简称圆筒）提供。考虑到容器较长、钢板幅面尺寸的限制，制造中先用钢板卷焊成若干段通体，再由两个或两个以上的筒节组焊成所需的长度的筒体。筒体与筒体之间、筒体与端部封头之间的连接焊缝用环焊缝。图1.2筒体示意图2.3.1材料的选择考虑到低合金钢在强度、韧性、成形性、高温性能、焊接性能、耐腐性能方面都适合制造压力容器，并且还可以减少质量，节省材料，提高安全可靠性并能延长使用寿命等特点，本设计筒体材料选用16MnR，交货状态为热轧和正火，其力学性能表示如下：南华大学机械工程学院毕业设计第6页共56页表1.1材料16MnR力学性能表钢种技术标准规格/mm拉伸试验冲击试验16MnRGB6654-96抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率5/%温度/0C()kvA横向/J06~16510~640345213116~36490~62032536~60470~66030560~100460~59028520100~120450~5802752.3.2筒体厚度计算通根据工作压力来确定计算压力常设计压力可取为最高工作压力的1.05-1.10倍所以计算压力(1.051.10)cwpp=（1.05-1.10）×0.85=（0.8925-0.935)aMP取计算压力cp=0.90aMP低压容器的圆筒厚度计算式为：CtiCpDp2查【1】表16MnR的许用应力在设计温度为450℃，筒体壁厚为16～36时，16MnR的许用应力为t=66aMP，焊接接头系数通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹焊、未溶透、裂纹、气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所下降，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。南华大学机械工程学院毕业设计第7页共56页影响焊接接头的系数大小的因素较多，但主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比例有关。中国钢制压力容器的焊接接头系数可按下表选取表1.2焊接接头系数表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。将t、值代入上式得=90.01662260090.0=17.85mm圆筒设计厚度CC式中21CCC2C为腐蚀裕量，24cmm。1C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1C=0，故21CCC=4+0=4mm圆筒设计厚度dC=17.85+4=21.85mm圆整并根据【2】附表4-1取圆筒名义厚度为n=22mm,则圆筒有效厚度e=n-C=22-4=18mm2.3.3圆筒的应力计算和校核：圆壁上的经向应力,=4PDt,周向应力，2PDt对于薄壁壳体，可南华大学机械工程学院毕业设计第8页共56页近似认为内直径iD等于壳体的中面直径D，此处t=14mm,所以=4PDt=59.26224260090.0t，ttPD18.53224260090.02筒壁的应力校核：ttCtCtDP45.6514222422260090.02222.3.4筒体的制造1.备料筒节展开长按下列计算：(2)iHLDY式中HY为中性层至筒节内半径的距离，mm,查表2-1中得HY=13.2mm则mmYDLHi9.82462.132260014.322.成形由于钢板的厚度在设备的允许的范围内，所以采用冷卷，一般在冷态弯卷时，最终的外圆周伸长率3%%CSR为圆周的伸长率，S为板厚，C为系数，对于高强度低合金钢，可取C=65,R为弯卷后的平均半径;6514%%0.7%1300CSR3%为了防止冷卷是产生脆性破坏，应进行预热，另外，钢板边缘的硬化层应予以去除，以防止气割边缘产生裂纹。当筒节拼接时，拼缝应先进行退火。3.焊接坡口的加工压力容器的承压壳体上的A/B类焊缝均为全焊透焊缝。都要进行无损检测。为了保证焊缝质量就必须制备焊接坡口南华大学机械工程学院毕业设计第9页共56页2.4封头的设计根据《压力容器安全技术监察规程》中的分类方法可知，本容器属于低压容器。考虑到椭圆封头易于冲压成形的优点，本设计中采用椭圆形封头2.4.1封头的结构形式以内径为公称直径的封头结构形式如下图图1.3封头结构示意图2.4.2封头材料的选择：本设计材料选为16MnR,查【1】表16MnR的许用应力在设计温度为450℃，筒体壁厚为16～32时，16MnR的许用应力为t=66aMP，2.4.3封头的厚度计算封头厚度计算公式为：ctichpDP5.02=90.05.01662260090.0=17.79mm封头设计厚度hc=h+C=17.79+4=21.79mm封头名义厚度hn，取为22mm封头有效厚度he=hn-C=22-4=18mmeietWKDP5.02=185.0260018662=0.91aMp南华大学机械工程学院毕业设计第10页共56页查表3标准椭圆形封头几何尺寸得下表表1.3标准椭圆形封头几何尺寸表公称直径DN/mm曲面高度1h/mm直边高度2h/mm厚度范围/mm内表面积A/2m容积V/3m26006502597.53192.43344010-187.65452.51315020-257.73612.5662选直边高度2h=50mm2.4.4封头的应力计算和校核椭圆形封头的薄膜应力,在壳体上个点都是变化的，在顶点的经向应力和环向应力相等即22pasb,则aMpsbpa656501821300130090.022＜[]t在椭圆封头底边的应力2pas，22(1)2paasbaMpspa5.32182130090.02＜[]t，taMpbaspa36650650213001300118130090.021222.4.5封头的制造1.椭圆形封头毛坯尺寸的计算：对于2ab(即14db)的标准椭圆形封头0101.22322DdhK式中a、b分别表示椭圆的半长轴半短轴，h为直南华大学机械工程学院毕业设计第11页共56页边高度，0K为封头的冲压成形时的拉伸系数，通常可取为0.75，为封头边缘的加工余量取为4mm，于是22223.110hkdD=1.2232600+2500.75+24=3262.8aMp2.封头的成形本设计中椭圆形封头采用冲压成形，封头的整体成形是借助于冲压模具在水压机上完成，其工艺过程如下：（1）坯料准备由于坯料的直径较大，需采用拼接，拼缝距封头中心不得大于1/4公称直径，为避免在冲压过程中坯料从焊缝缺陷处撕裂，拼接焊缝可预先经100%无损检测合格（2）坯料加热为保证封头的质量，封头冲压过程中，为了提高材料的变形能力，采用热冲压的办法。封头用钢的热成形加热温度见下表表1.4封头用钢的热成形加热温度表钢号热成形/0C正火/0C回火/0C热作终压/0C消除应力/0C16MnR950~1000900~930600~640800600~640由于在高温下加热，钢板会发生氧化，随着加热温度的升高，加热时间的延长，氧化也加剧，钢板表面会脱落，为了尽量减少低合金钢加热的时间，采取0850C装炉，均热后保温时间为1.0～2.0min/mm,此外，为减少表面氧化带来的不良影响，板坯预先经表面清理后涂刷保护涂料（3）冲压成形椭圆形热压封头的压边范围为：020iDdS式中0D为封头毛坯的直径，id为封头内径，S为封头壁厚则020iDSd=3040mm南华大学机械工程学院毕业设计第12页共56页为避免出现鼓包皱褶现象，封头采用两次成形法。第一次冲压成形采用比上冲模直径小200mm左右的下拉环，将毛坯冲压成碟形将也2～3块毛坯钢板重叠起来进行成形；第二次采用与封头规格相配合的上下模具，最后冲压成形2.5开口和开孔补强设计由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体或封头和接管的连接处，因结构的连续性破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔后的补强问题。补强结构压力容器接管补强结构通常采用局部补强，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整体煅件补强三种形式。补强圈补强补强圈补强是中低压容器应用最多的补强结构，补强圈贴焊在壳体与接管连接处。它结构