2200整体锻焊式氨合成塔设计解析
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2200整体锻焊式氨合成塔设计
（固定管板式换热器）
摘要
氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。氨合成塔是生产合成氨的关键设备。
本设计进行了氨合成塔的工艺设计，及其筒体和内件的选型、选材、结构设计，并提出了氨合成塔的制造、安装、维护方法。绘制了氨合成塔装配图和零件图。对其焊接应力作了专题讨论。
图1-2天然气（轻油）蒸汽转化法制氨的示意流程
3．重油部分氧化法制合成氨的流程：
重油造气又有热法净化和冷法净化两类流程。前者为我国以重油为原料的中型氨厂所普通采用。但目前中型氨厂的热法净化流程用于重油造气并不合理，原料气要经过两次变换、两次脱碳、三次脱硫和多次加热冷却，不但流程太长而且能量损耗很大。比较合理的是冷法净化流程，该流程将空分、氮洗、低温甲醇洗三个低温工序结合在一起，使冷量得到合理利用，气体精制度高，氮洗后精制气不含甲烷，还可大大减少合成吹出气损失。
2.1.1合成原理5
2.1.2典型工艺流程5
2.2合成塔操作条件与说明6
2.3物料衡算8
2.3.1计算依据8
2.3.2物料衡算8
2.4能量衡算11
2.4.1全塔的总热量衡算11
2.4.2触媒筐热量衡算12
2.4.3热交换器热量衡算13
2.5工艺技术特性一览表15
第3章设备类型的选择及论证16
3.1氨合成塔的结构特点及基本要求16
1901年吕·查得利（Le Chatelier）第一个提出氨的合成条件是高温、高压，并采用一定的催化剂。1912年第一个日产30吨的合成氨装置在德国奥堡（Oppau）建成，并在1913年开始运转，1914年满负荷生产，这样合成氨工业进入了一个新的时代。
合成氨法的研究成功，不仅为获取化合态氮开辟了广阔的道路，而且也促进了许多科学技术部门（例如高压技术、低温技术、催化、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等）的发展。
关键词：氨；氨合成塔；工艺设计；结构设计；专题讨论
ABSTRACT
Ammonia is one of important inorganic chemical industry product,which occupyimportant position in national economy.And ammonia converter is the key equipment in the process of compound-ammonia production.
上世纪初，人们研究成功并在工业上实现了三种固定氮的方法：电弧法、氰氨法和合成氨法。由于电弧法和氰氨法在能耗和经济性方面都有较大欠缺，因此，从1913年工业上实现氨的合成以后，合成氨法发展很快，到三十年代已成为固定氮生产中的最主要方法。
本次设计是在合成氨工业的基础上，对合成氨工业中的核心设备——氨合成塔进行设计。要求设计的氨合成塔，直径为2200毫米，筒体为整体锻焊式，内部换热器类型为固定管板式换热器。本次设计的最大特点为在常规设计的基础上筒体采用分析设计的方法，更好的节约了材料，降低了生产成本，且更加安全可靠。
第6章电加热器设计36
6.1电加热器的作用及其结构36
6.1.1电加热器设计的一般要求36
6.1.2电加热器结构型式选择36
6.2电加热器材料的选择37
6.2.1电热元件材料的一般要求37
6.2.2电加热器材料的选择37
6.3电加热器功率的确定38
6.4电热元件的电气计算40
6.4.1电加热器端电压的选择40
3.5.1换热器设计的一般要求22
3.5.2换热器的类型选择及论证22
第4章主要设备材料的选择及论证24
4.1氨合成塔材料的选择原则24
4.2外筒材料的选择与论证24
4.2.1筒体材料的选择与论证24
4.2.2端部法兰材料的选择与论证25
4.2.3上下封头材料的选择与论证25
4.2.5螺母、螺栓及密封件材料的选择与论证26
Keywords:ammonia; ammonia converter; technical design; structural design;seminar
任务书
摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
第1章绪论1
1.1氨的发现与合成1
1.2合成氨生产的发展1
1.3氨的性质和用途3
第2章氨合成塔工艺计算5
2.1合成原理及典型工艺流程5
4.3内件材料选择及论证26
4.3.1内件用材的基本要求26
4.3.2内件各零部件材料的选择及论证27
4.3.3内件焊接材料的选择28
4.3.4保温铁皮材料的选择28
4.3.5保温层材料的选择28
第5章触媒的选择及触媒筐设计30
5.1触媒的选择30
5.1.1触媒选择的基本要求30
5.1.2触媒的类型选择30
This design has carried on the technical design ofammonia converter; it relates to the selection of type and material of the bowl and the internal part,and also shows the design of the whole structure of the process.Not onlyThis design has drawn ammonia convertor assembling picture and part picture,but has alsowritten a seminar to whose welding strain.
5.1.3触媒颗粒大的选择32
5.2触媒筐设计32
5.2.1触媒筐工艺指标的选择32
5.2.2触媒筐的直径和高度33
5.2.3绝热层高度34
5.2.4冷管的选型和配置34
5.2.5中心管的选择34
5.2.6温度计套管的设计34
5.2.7折流头高度34
5.2.8保温型式及其厚度35
5.2.9触媒筐筒体壁厚的计算35
7.3换热器工艺结构设计48
7.3.1初算换热面积48
7.3.2工艺结构尺寸49
7.4换热器主要结构尺寸51
第8章氨合成塔的强度计算53
8.1筒体的设计计算53
8.1.1设计条件53
8.1.2筒体厚度计算53
8.2底部封头的设计计算54
8.2.1封头型式选择54
8.2.2封头厚度计算54
8.3密封件的设计计算55
8.3.1双锥环结构尺寸55
8.3.2主螺栓的计算56
8.4筒体上下端部平盖设计58
8.4.1筒体下端部平盖设计58
8.4.2筒体下端部平盖设计60
8.5筒体端部法兰的设计计算61
8.5.1法兰型式及尺寸的确定61
8.5.2法兰强度校核62
8.6四通的结构设计64
8.7水压试验64
8.8热膨胀量计算65
今年来合成氨工业发展很快，大型化、低耗能、清洁生产是合成氨工业发展的主流，技术改进的主要方向是以降低合成氨工业能耗，提高能量效率为目的而提出的各种新工艺流程，新型合成塔以及新型合成氨催化剂；降低氨合成压力；开发新的原料气净化方法；回收和合理利用低位热能等方面。
1.3氨的性质和用途
氨在常温、常压下为无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味，较易液化。氨有强烈的毒性，空气中含有0.5%（评积）的氨，就能使人在几分钟内窒息死亡。在标准条件下，l摩尔气氨体积为22.05升，比重为0.5971（空气为1）。当温度25℃、压力1MPa时气态氨可液化为无色的液氨。氨极易溶于水，可生产含氨15~30%（重量）的商品氨水，氨溶解时放出大量的热。氨的水溶液是弱碱姓，易挥发。液氨或干燥的氨气对大部分物质不腐蚀，但在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨是一种可燃性气体，自燃点为630℃，在空气中燃烧分解为氮和水。氨空气遇火能爆炸、常压室温下爆炸范围为15.5~28%，或13.5~82%（在氧气中）。
9.4.2列管式换热器的制造70
9.5氨合成塔的检验71
9.6氨合成塔试压72
9.7氨合成塔的安装73
9.7.1施工前的准备73
9.7.2氨合成塔的安装74
9.7.3安装安全技术77
9.8氨合成塔的维护和检修79
9.8.1氨合成塔的维护79
9.8.2氨合成塔的检查80
第10章专题讨论82
10.1本设计遇到的问题82
1.1氨的发现与合成
氨，是1754年由普里斯特利（Priestly）加热氯化铵和石灰时发现的。1784年，伯托利（C.L.BerthoHet）通过分析，确定氨是由氮和氢组成的。随后一百多年人们在试验室内进行直接合成氮的研究工作，但都未能成功。到十九世纪末叶，物理化学得到蓬勃发展，建立了化学热力学、反应动力学的概念，大力开展基础理论研究后，才使氨的合成在正确的理论指导下进行。
3.2外筒结构型式的选择及论证17
3.3密封结构型式的选择及论证18
3.3.1高压容器的密封机理及结构分类18
3.3.2氨合成塔密封结构形式的选择及论证19
3.4触媒筐结构设计及论证20
3.4.1触媒筐设计的一般要求20
3.4.2触媒筐的分类20
3.4.3触媒筐的类型选择及论证21
3.5塔内换热器总体结构设计及论证22
图1-3重油造气冷法净化流程示意图
我国合成氨工业是在建国后才发展起来的，解放前我国只有两座合成氨厂，一是1937年建立的南京永利宁厂，为美国设备；另一座是1935年建立的大连化学厂，为日本和德国的设备，这两座厂解放前最高年产量（1941年）仅为4.8万吨。
建国后，经过三十年的艰苦努力，我国才真正有了合成氨工业。现在已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨厂一千多个，年产量已跃居世界第一位，而且有了一支从事合成氨生产的科研、设计、制造与施工的技术队伍。早在六十年代中期，我国开始引进一个以天然气为原料的中型氨厂；到七十年代初，又陆续从美国、法国、日本引进了13套以天然气、轻油以及重油和煤制氨的年产30万吨氨的大型装置；再到八十年代又建成了四套年产30万吨的合成氨装置，这不仅对增加氨的产量起了较大作用，而且也较快地提高了我国合成氨的生产技术水平。
10.2低封头与筒体连接的过渡型式解决方案82
10.3法兰与筒体焊接处的应力分析82
10.3.1应力计算82
10.3.2结果分析84
总结86
参考文献87
致谢88
第1章绪论
我们知道，空气中含有78%（体积）的氮。但是大多数植物不能直接吸收这种游离状态的氮只有当氮与其它元素化合以后，才能为植物所利用。这种使空气中游离态氮转变成化合态氮的过程，称为“氮的固定”。
1.2合成氨生产的发展
生产合成氨，首先必须制备氮、氢原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。
氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。
除电解水方法以外，不管用什么原料得到的氮、氢原料气中都台有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物都是氨合成催化剂的毒物。因此，在把氮、氢原料气送去氨合成以前，需将这些杂质彻底除去。这样，合成氨的生产过程就包括三个主要步骤：
第一步是造气，即制备含有氮、氢的原料气。
第二步是净化，无论选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氮、氢以外的杂质。
8.8.1触媒筒中心管热膨胀量估算65
8.8.2内件总膨胀量估算65
第9章典型零部件的制造安装工艺66
9.1原料的检验66
9.2原材料的矫形和净化66
9.2.1矫形66
9.2.2净化67
9.3氨合成塔外筒的制造67
9.3.1简介67
9.3wk.baidu.com2制造工艺67
9.4氨合成塔内件的制造68
9.4.1三套管式触媒筐的制造68
第三步是压缩和合成，将纯净的氮、氢混合气压缩到高压，在催化剂与高温条件下合成为氮。
基于不同的原料和不同的净化方法，可以派生出许多种合成氨生产流程。现将具有代表性的三种流程列举如下：
1．无烟煤（焦炭）制合成氨的流程：
图1-1无烟煤（焦炭）制合成氨的示意流程
2．天然气（轻油）加压蒸汽转化法制合成氨的流程：
6.4.2电加热器相数的选择40
6.4.3电加热器的温度调节方式40
6.4.4电热元件的计算40
6.5电加热器端盖设计42
6.5.1主螺栓及主螺母的设计42
6.5.2端盖设计43
第7章换热器设计46
7.1氨合成塔内换热器的设计条件46
7.2设计方案选择46
7.2.1流程安排46
7.2.2物性数据的确定46
（固定管板式换热器）
摘要
氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。氨合成塔是生产合成氨的关键设备。
本设计进行了氨合成塔的工艺设计，及其筒体和内件的选型、选材、结构设计，并提出了氨合成塔的制造、安装、维护方法。绘制了氨合成塔装配图和零件图。对其焊接应力作了专题讨论。
图1-2天然气（轻油）蒸汽转化法制氨的示意流程
3．重油部分氧化法制合成氨的流程：
重油造气又有热法净化和冷法净化两类流程。前者为我国以重油为原料的中型氨厂所普通采用。但目前中型氨厂的热法净化流程用于重油造气并不合理，原料气要经过两次变换、两次脱碳、三次脱硫和多次加热冷却，不但流程太长而且能量损耗很大。比较合理的是冷法净化流程，该流程将空分、氮洗、低温甲醇洗三个低温工序结合在一起，使冷量得到合理利用，气体精制度高，氮洗后精制气不含甲烷，还可大大减少合成吹出气损失。
2.1.1合成原理5
2.1.2典型工艺流程5
2.2合成塔操作条件与说明6
2.3物料衡算8
2.3.1计算依据8
2.3.2物料衡算8
2.4能量衡算11
2.4.1全塔的总热量衡算11
2.4.2触媒筐热量衡算12
2.4.3热交换器热量衡算13
2.5工艺技术特性一览表15
第3章设备类型的选择及论证16
3.1氨合成塔的结构特点及基本要求16
1901年吕·查得利（Le Chatelier）第一个提出氨的合成条件是高温、高压，并采用一定的催化剂。1912年第一个日产30吨的合成氨装置在德国奥堡（Oppau）建成，并在1913年开始运转，1914年满负荷生产，这样合成氨工业进入了一个新的时代。
合成氨法的研究成功，不仅为获取化合态氮开辟了广阔的道路，而且也促进了许多科学技术部门（例如高压技术、低温技术、催化、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等）的发展。
关键词：氨；氨合成塔；工艺设计；结构设计；专题讨论
ABSTRACT
Ammonia is one of important inorganic chemical industry product,which occupyimportant position in national economy.And ammonia converter is the key equipment in the process of compound-ammonia production.
上世纪初，人们研究成功并在工业上实现了三种固定氮的方法：电弧法、氰氨法和合成氨法。由于电弧法和氰氨法在能耗和经济性方面都有较大欠缺，因此，从1913年工业上实现氨的合成以后，合成氨法发展很快，到三十年代已成为固定氮生产中的最主要方法。
本次设计是在合成氨工业的基础上，对合成氨工业中的核心设备——氨合成塔进行设计。要求设计的氨合成塔，直径为2200毫米，筒体为整体锻焊式，内部换热器类型为固定管板式换热器。本次设计的最大特点为在常规设计的基础上筒体采用分析设计的方法，更好的节约了材料，降低了生产成本，且更加安全可靠。
第6章电加热器设计36
6.1电加热器的作用及其结构36
6.1.1电加热器设计的一般要求36
6.1.2电加热器结构型式选择36
6.2电加热器材料的选择37
6.2.1电热元件材料的一般要求37
6.2.2电加热器材料的选择37
6.3电加热器功率的确定38
6.4电热元件的电气计算40
6.4.1电加热器端电压的选择40
3.5.1换热器设计的一般要求22
3.5.2换热器的类型选择及论证22
第4章主要设备材料的选择及论证24
4.1氨合成塔材料的选择原则24
4.2外筒材料的选择与论证24
4.2.1筒体材料的选择与论证24
4.2.2端部法兰材料的选择与论证25
4.2.3上下封头材料的选择与论证25
4.2.5螺母、螺栓及密封件材料的选择与论证26
Keywords:ammonia; ammonia converter; technical design; structural design;seminar
任务书
摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
第1章绪论1
1.1氨的发现与合成1
1.2合成氨生产的发展1
1.3氨的性质和用途3
第2章氨合成塔工艺计算5
2.1合成原理及典型工艺流程5
4.3内件材料选择及论证26
4.3.1内件用材的基本要求26
4.3.2内件各零部件材料的选择及论证27
4.3.3内件焊接材料的选择28
4.3.4保温铁皮材料的选择28
4.3.5保温层材料的选择28
第5章触媒的选择及触媒筐设计30
5.1触媒的选择30
5.1.1触媒选择的基本要求30
5.1.2触媒的类型选择30
This design has carried on the technical design ofammonia converter; it relates to the selection of type and material of the bowl and the internal part,and also shows the design of the whole structure of the process.Not onlyThis design has drawn ammonia convertor assembling picture and part picture,but has alsowritten a seminar to whose welding strain.
5.1.3触媒颗粒大的选择32
5.2触媒筐设计32
5.2.1触媒筐工艺指标的选择32
5.2.2触媒筐的直径和高度33
5.2.3绝热层高度34
5.2.4冷管的选型和配置34
5.2.5中心管的选择34
5.2.6温度计套管的设计34
5.2.7折流头高度34
5.2.8保温型式及其厚度35
5.2.9触媒筐筒体壁厚的计算35
7.3换热器工艺结构设计48
7.3.1初算换热面积48
7.3.2工艺结构尺寸49
7.4换热器主要结构尺寸51
第8章氨合成塔的强度计算53
8.1筒体的设计计算53
8.1.1设计条件53
8.1.2筒体厚度计算53
8.2底部封头的设计计算54
8.2.1封头型式选择54
8.2.2封头厚度计算54
8.3密封件的设计计算55
8.3.1双锥环结构尺寸55
8.3.2主螺栓的计算56
8.4筒体上下端部平盖设计58
8.4.1筒体下端部平盖设计58
8.4.2筒体下端部平盖设计60
8.5筒体端部法兰的设计计算61
8.5.1法兰型式及尺寸的确定61
8.5.2法兰强度校核62
8.6四通的结构设计64
8.7水压试验64
8.8热膨胀量计算65
今年来合成氨工业发展很快，大型化、低耗能、清洁生产是合成氨工业发展的主流，技术改进的主要方向是以降低合成氨工业能耗，提高能量效率为目的而提出的各种新工艺流程，新型合成塔以及新型合成氨催化剂；降低氨合成压力；开发新的原料气净化方法；回收和合理利用低位热能等方面。
1.3氨的性质和用途
氨在常温、常压下为无色气体，比空气轻，具有特殊的刺激性臭味，较易液化。氨有强烈的毒性，空气中含有0.5%（评积）的氨，就能使人在几分钟内窒息死亡。在标准条件下，l摩尔气氨体积为22.05升，比重为0.5971（空气为1）。当温度25℃、压力1MPa时气态氨可液化为无色的液氨。氨极易溶于水，可生产含氨15~30%（重量）的商品氨水，氨溶解时放出大量的热。氨的水溶液是弱碱姓，易挥发。液氨或干燥的氨气对大部分物质不腐蚀，但在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨是一种可燃性气体，自燃点为630℃，在空气中燃烧分解为氮和水。氨空气遇火能爆炸、常压室温下爆炸范围为15.5~28%，或13.5~82%（在氧气中）。
9.4.2列管式换热器的制造70
9.5氨合成塔的检验71
9.6氨合成塔试压72
9.7氨合成塔的安装73
9.7.1施工前的准备73
9.7.2氨合成塔的安装74
9.7.3安装安全技术77
9.8氨合成塔的维护和检修79
9.8.1氨合成塔的维护79
9.8.2氨合成塔的检查80
第10章专题讨论82
10.1本设计遇到的问题82
1.1氨的发现与合成
氨，是1754年由普里斯特利（Priestly）加热氯化铵和石灰时发现的。1784年，伯托利（C.L.BerthoHet）通过分析，确定氨是由氮和氢组成的。随后一百多年人们在试验室内进行直接合成氮的研究工作，但都未能成功。到十九世纪末叶，物理化学得到蓬勃发展，建立了化学热力学、反应动力学的概念，大力开展基础理论研究后，才使氨的合成在正确的理论指导下进行。
3.2外筒结构型式的选择及论证17
3.3密封结构型式的选择及论证18
3.3.1高压容器的密封机理及结构分类18
3.3.2氨合成塔密封结构形式的选择及论证19
3.4触媒筐结构设计及论证20
3.4.1触媒筐设计的一般要求20
3.4.2触媒筐的分类20
3.4.3触媒筐的类型选择及论证21
3.5塔内换热器总体结构设计及论证22
图1-3重油造气冷法净化流程示意图
我国合成氨工业是在建国后才发展起来的，解放前我国只有两座合成氨厂，一是1937年建立的南京永利宁厂，为美国设备；另一座是1935年建立的大连化学厂，为日本和德国的设备，这两座厂解放前最高年产量（1941年）仅为4.8万吨。
建国后，经过三十年的艰苦努力，我国才真正有了合成氨工业。现在已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小型合成氨厂一千多个，年产量已跃居世界第一位，而且有了一支从事合成氨生产的科研、设计、制造与施工的技术队伍。早在六十年代中期，我国开始引进一个以天然气为原料的中型氨厂；到七十年代初，又陆续从美国、法国、日本引进了13套以天然气、轻油以及重油和煤制氨的年产30万吨氨的大型装置；再到八十年代又建成了四套年产30万吨的合成氨装置，这不仅对增加氨的产量起了较大作用，而且也较快地提高了我国合成氨的生产技术水平。
10.2低封头与筒体连接的过渡型式解决方案82
10.3法兰与筒体焊接处的应力分析82
10.3.1应力计算82
10.3.2结果分析84
总结86
参考文献87
致谢88
第1章绪论
我们知道，空气中含有78%（体积）的氮。但是大多数植物不能直接吸收这种游离状态的氮只有当氮与其它元素化合以后，才能为植物所利用。这种使空气中游离态氮转变成化合态氮的过程，称为“氮的固定”。
1.2合成氨生产的发展
生产合成氨，首先必须制备氮、氢原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。
氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。
除电解水方法以外，不管用什么原料得到的氮、氢原料气中都台有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物都是氨合成催化剂的毒物。因此，在把氮、氢原料气送去氨合成以前，需将这些杂质彻底除去。这样，合成氨的生产过程就包括三个主要步骤：
第一步是造气，即制备含有氮、氢的原料气。
第二步是净化，无论选择什么原料，用什么方法造气，都必须对原料气进行净化处理，以除去氮、氢以外的杂质。
8.8.1触媒筒中心管热膨胀量估算65
8.8.2内件总膨胀量估算65
第9章典型零部件的制造安装工艺66
9.1原料的检验66
9.2原材料的矫形和净化66
9.2.1矫形66
9.2.2净化67
9.3氨合成塔外筒的制造67
9.3.1简介67
9.3wk.baidu.com2制造工艺67
9.4氨合成塔内件的制造68
9.4.1三套管式触媒筐的制造68
第三步是压缩和合成，将纯净的氮、氢混合气压缩到高压，在催化剂与高温条件下合成为氮。
基于不同的原料和不同的净化方法，可以派生出许多种合成氨生产流程。现将具有代表性的三种流程列举如下：
1．无烟煤（焦炭）制合成氨的流程：
图1-1无烟煤（焦炭）制合成氨的示意流程
2．天然气（轻油）加压蒸汽转化法制合成氨的流程：
6.4.2电加热器相数的选择40
6.4.3电加热器的温度调节方式40
6.4.4电热元件的计算40
6.5电加热器端盖设计42
6.5.1主螺栓及主螺母的设计42
6.5.2端盖设计43
第7章换热器设计46
7.1氨合成塔内换热器的设计条件46
7.2设计方案选择46
7.2.1流程安排46
7.2.2物性数据的确定46