0013-3124平方甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)（CAD圖+論文+翻譯）,平方,甲醇,合成,反應(yīng)器,設(shè)計(jì),cad,論文,翻譯 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū) 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 題 目：3124平方甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制造 設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求： 一、 已知設(shè)計(jì)參數(shù)： 操作壓力：殼程3.9Mpa 管程6.0Mpa 操作溫度：255℃ 物料：殼程 水 管程 氮?dú)? 氫氣 甲烷 甲醇 一氧化碳 二氧化碳 換熱面積： 3124m2 二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)工作量要求： （1）按所給設(shè)計(jì)參數(shù)完成甲醇合成反應(yīng)器的施工圖設(shè)計(jì)； （2）繪制設(shè)計(jì)圖紙總計(jì)3張零號(hào)以上，其中要求手工繪圖1張壹號(hào)以上； （3）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)字?jǐn)?shù)不少于1.5萬(wàn)字，并要求統(tǒng)一用A4紙打?。? （4）翻譯3千左右漢字量的與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的英文資料； （5）撰寫(xiě)相當(dāng)于3百漢字的英文摘要。 三、主要參考資料： 《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)（換熱器）》 GB151-1999《管殼式換熱器》 GB150-1998《鋼制壓力容器》 指導(dǎo)老師： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目3124平方甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制造 學(xué)院名稱 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題目 3124平方甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制造 設(shè)計(jì)（論文）題目來(lái)源 自選 設(shè)計(jì)（論文）題目類型 工程設(shè)計(jì) 起止時(shí)間 一、 設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義： 甲醇反應(yīng)器是甲醇生產(chǎn)的重要設(shè)備，歷經(jīng)多年發(fā)展，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)日臻成熟且趨于大型化。國(guó)內(nèi)甲醇合成反應(yīng)器歷經(jīng)引進(jìn)、模仿、改進(jìn)到自主研發(fā)取得了較大成就，同時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)件改進(jìn)與研制方面也得到了較快發(fā)展，產(chǎn)生了一批有較強(qiáng)研發(fā)實(shí)力的科研單位。國(guó)內(nèi)多選用低壓甲醇合成技術(shù)，主要以冷管型氣氣換熱為主的低壓甲醇塔，由傳統(tǒng)塔型改進(jìn)而成，具有產(chǎn)能達(dá)、阻力小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與研究，有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。 二、 設(shè)計(jì)（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)（技術(shù)方案、路線）： 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：3124m2甲醇合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核；設(shè)備制造過(guò)程中所使用的焊接材料和焊接方法的選擇；設(shè)備制造的流程及注意事項(xiàng)。 設(shè)計(jì)技術(shù)方案及路線：1、資料收集整理；2、根據(jù)所提供的工作參數(shù)完成設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核；3、設(shè)備主題部分的制造工藝的編制。 三、設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)： 由于，本次設(shè)計(jì)的甲醇合成反應(yīng)器為三類壓力容器，所以，本次設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)是甲醇合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核及相關(guān)制造工藝的編制。難點(diǎn)是甲醇合成反應(yīng)器塔筒體、封頭板料屬于中厚板，材料為13MnNiMoNbR屬低合金高強(qiáng)度鋼；放映管材料為SAF2205雙相不銹鋼管，管板安裝在長(zhǎng)為1000mm和1300的管箱筒體內(nèi)部，設(shè)備結(jié)構(gòu)特殊，制造公差要求嚴(yán)，給制造工程的成型、焊接、組裝、熱處理等帶來(lái)一定困難，當(dāng)然結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核肯定是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。 四、設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）： 1月6日至2月15日：網(wǎng)上查詢有關(guān)設(shè)計(jì)資料； 2月16日至2月28日：專門(mén)進(jìn)行AutoCAD有關(guān)專項(xiàng)練習(xí)； 3月1日至3月20日：查閱資料，找設(shè)計(jì)依據(jù)，理出設(shè)計(jì)思路； 3月21日至4月10日：進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)器的分析與計(jì)算； 4月11日至5月10日：繪制零件圖、裝配圖； 5月11日至5月20日；整理圖紙，進(jìn)行打印。寫(xiě)出設(shè)計(jì)明書(shū)并校核。 5月21日至5月31日：準(zhǔn)備答辯。 五、進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）所需條件： 要完成本次設(shè)計(jì)，不僅要有基本的設(shè)計(jì)繪圖能力（包括計(jì)算機(jī)CAD繪圖與手工繪圖能力），更要懂得單獨(dú)查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及明白相關(guān)的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)范。 當(dāng)然，還需要指導(dǎo)老師悉心地指導(dǎo)?？傊?，要完成好本次設(shè)計(jì)需要我們好好復(fù)習(xí)大學(xué)里所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，綜合運(yùn)用我們所學(xué)的專業(yè)知識(shí)。 六、指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 簽名： 年 月 日 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘要： 本設(shè)計(jì)論文主要介紹了3124平方甲醇合成反應(yīng)器的主要技術(shù)參數(shù)選定反應(yīng)管、管板、殼體材料及焊接材料的選用，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管箱筒體、殼程筒體、球形封頭、管板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算以及設(shè)備制造過(guò)程中筒體、封頭、管板的成形和設(shè)備制造、主要熱處理工藝等。 關(guān)鍵詞：甲醇合成反應(yīng)器、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、制造工藝流程、無(wú)損檢測(cè)、熱處理 Abstract: This thesis has introduced a methanol synthesis reactor‘s main technical parameters selected, The methanol synthesis has 3124 square meters’ heat-exchange area. Meanwhile it has also introduced the selection of reaction tubes, tube sheet, shell material and welding materials 、the theme of structural design、the design and control box shell, shell-shell, spherical head, tube plate and checking strength of the design、 calculation of opening reinforcement、manufacturing process of cylinder, head, tube plate and assembly sequence and the main heat treatment process. Keywords: methanol synthesis reactor、 Structural design 、strength check;、Manufacturing Process、Nondestructive Testing、heat treatment craft    目錄 前言 1 第一章 主體材料選取及相關(guān)要求 6 1.1反應(yīng)管選材 6 1.2管板的選材 8 1.3殼體選材 8 1.4焊接材料的選用 9 第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算 11 2.1工藝參數(shù) 11 2.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 11 2.2.1計(jì)算壓力Pc的確定 11 2.2.2計(jì)算溫度的確定 11 2.2.3液壓試驗(yàn)壓力PT確定 12 2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2.3.1封頭類型的選擇 13 2.3.2管板結(jié)構(gòu)的確定 13 2.3.3換熱管的選擇 14 2.3.4具體結(jié)構(gòu)尺寸 14 2.4甲醇合成反應(yīng)器的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 16 2.4.1管箱筒體的計(jì)算厚度和應(yīng)力校核 16 2.4.1.1設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的計(jì)算厚度 16 2.4.1.2壓力試驗(yàn)前管箱筒體應(yīng)力校核 17 2.4.1.3 設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的應(yīng)力計(jì)算 18 2.4.2殼程筒體的計(jì)算厚度和應(yīng)力校核 18 2.4.2.1設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 18 2.4.2.2壓力試驗(yàn)前殼程筒體應(yīng)力校核 19 2.4.2.3 設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算應(yīng)力 20 2.4.3殼程筒體的計(jì)算厚度和應(yīng)力校核 20 2.4.3.1設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 20 2.4.3.2壓力試驗(yàn)前球形封頭應(yīng)力校核 21 2.4.3.3 設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的計(jì)算應(yīng)力 21 2.4.4管板的厚度選擇與強(qiáng)度校核 22 2.4.5危險(xiǎn)工況的組合 28 2.4.5.1校驗(yàn)僅有殼程壓力Ps作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），不計(jì)溫差應(yīng)力 28 2.4.5.2校驗(yàn)僅有殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），計(jì)溫差應(yīng)力 29 2.4.5.3校驗(yàn)僅有管程壓力Pt作用下的危險(xiǎn)組合工況（Ps=0），不計(jì)溫差應(yīng)力 31 2.4.5.4校驗(yàn)僅有管程壓力Pt作用下的危險(xiǎn)組合工況（Ps=0），計(jì)溫差應(yīng)力 32 2.4.6開(kāi)孔接管與補(bǔ)強(qiáng) 34 2.4.6.1接管a與其中心線垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 34 2.4.6.2接管m1、m2與其中心線垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 36 第三章 設(shè)備的制造要求和檢驗(yàn)要求 38 3.1筒體的制造要求和檢驗(yàn)要求 38 3.2封頭的制造要求和檢驗(yàn)要求 39 3.3管板的制造要求和檢驗(yàn)要求 39 3.4設(shè)備制造與組裝順序： 40 3.5管板與加強(qiáng)筒體的組件與筒體組焊 40 3.6管子組裝及管子管板焊接 41 3.7封頭組件與筒體組件組焊 42 3.8不見(jiàn)的成形、加工和組裝要求 42 3.9甲醇合成塔的熱處理工藝 43 3.10甲醇合成塔的檢驗(yàn) 44 3.11壓力試驗(yàn) 46 謝辭 48 參考文獻(xiàn) 49 參考的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 50 外文翻譯 51 vii 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 前言 甲醇是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的飽和一元醇，化學(xué)式 又稱“木醇”或“木精”，是無(wú)色有酒精氣味易揮發(fā)的液體，有毒，誤飲5～10毫升能雙目失明，大量飲用會(huì)導(dǎo)致死亡，是基本有機(jī)原料之一。它被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、塑料、醫(yī)藥、林產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。它與現(xiàn)實(shí)中使用的液體燃料具有極為相似的燃燒性能，它既具有燃燒性能好、辛烷值高、抗爆性能好等特點(diǎn)，又具有生產(chǎn)原料非常廣泛的優(yōu)勢(shì),預(yù)期深加工后作為一種新型潔凈燃料和加入汽油摻燒，其燃燒熱的值及燃燒方程式為： 中國(guó)甲醇產(chǎn)量及消費(fèi)量持續(xù)快速增長(zhǎng)，甲醇技術(shù)發(fā)展很快，主要趨勢(shì)為： 1. 煤炭是我國(guó)甲醇生產(chǎn)最重要的原料，以煤炭為原料生產(chǎn)甲醇的比 例在逐步上升； 2. 生產(chǎn)規(guī)模大型化，可降低單位產(chǎn)品的投資成本； 3. 充分回收系統(tǒng)的熱量。實(shí)現(xiàn)了熱能的綜合利用； 4. 采用新型副產(chǎn)中壓蒸汽的合成塔，降低能耗； 5. 采用節(jié)能技術(shù)，如氫回收技術(shù)、預(yù)轉(zhuǎn)化、工藝?yán)淠猴柡图夹g(shù)等降低甲醇的消耗。 甲醇反應(yīng)器是甲醇生產(chǎn)的重要設(shè)備，歷經(jīng)多年發(fā)展，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)日臻成熟且趨于大型化。國(guó)內(nèi)甲醇合成反應(yīng)器歷經(jīng)引進(jìn)、模仿、改進(jìn)到自主研發(fā)取得了較大成就，同時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)件改進(jìn)與研制方面也得到了較快發(fā)展，產(chǎn)生了一批有較強(qiáng)研發(fā)實(shí)力的科研單位。在琳瑯滿目的設(shè)備面前，如何選擇一種合適的反應(yīng)器成為甲醇裝置投資建設(shè)必須面對(duì)解決的首要問(wèn)題。 國(guó)外主要反應(yīng)器 1.主流反應(yīng)器 (1)ICI冷激型反應(yīng)器 ICI冷激型甲醇合成塔是針對(duì)51-1型銅基催化劑的時(shí)空產(chǎn)率低、催化劑用量大、床層控溫困難，催化劑易失活等缺陷而開(kāi)發(fā)的一種絕熱型軸向流動(dòng)的低壓合成反應(yīng)器，由塔體、噴頭、菱形分布器等組成。合成氣預(yù)熱到230-250℃，進(jìn)入反應(yīng)器，段間用菱形分布器將冷激氣噴入床層中間降溫。根據(jù)規(guī)模大小，一般有3-6個(gè)床層，典型的是4個(gè)，上面3個(gè)為分開(kāi)的軸向流床，最下面1個(gè)為軸-徑向流床。在5MPa、230-270℃條件下合成甲醇。ICI低壓反應(yīng)器與高壓反應(yīng)器 與高壓反應(yīng)器相比，該類反應(yīng)器的特點(diǎn)是：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔內(nèi)未設(shè)置電加熱器或換熱器，催化劑利用效率較高。由于采用菱形分布器，保證了反應(yīng)氣體和冷激氣體的均勻混合；②適于大型化甲醇裝置，易于安裝維修；③高活性、高選擇性催化劑選擇余地大，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的催化劑如美國(guó)的UCI C79-2、G106催化劑、ICI生產(chǎn)的ICI51-1、51-2、51-3催化劑、西南化工研究院開(kāi)發(fā)的C302和蘭化院生產(chǎn)的NC系列催化劑等均能應(yīng)用。 缺點(diǎn)是：①床層溫度隨其高度的變化而不同，不同高度的催化劑活性不同，整體活性不能有效發(fā)揮，也容易因溫度控制不好，導(dǎo)致催化劑局部過(guò)熱而影響催化劑的使用壽命；②反應(yīng)器結(jié)構(gòu)松散，出口的甲醇濃度低，導(dǎo)致大部分原料氣不能參與合成反應(yīng)，必須保持10倍左右的循環(huán)氣量，壓縮能耗高(約占總能耗的24%)，同時(shí)相同產(chǎn)能的反應(yīng)器體積比魯奇反應(yīng)器大，其一次性投資也較魯奇的多；③能源利用不合理，不能回收反應(yīng)熱，產(chǎn)品綜合能耗較高；④催化劑時(shí)空產(chǎn)率不高，用量大。 迄今為止，有50多套裝置采用該反應(yīng)器，其中最大的是1999年在智利投產(chǎn)的2850t/d甲醇裝置。四川維尼綸廠在上世紀(jì)70年代初引進(jìn)該反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)10多年的運(yùn)行，始終難以達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。1997年技術(shù)改造時(shí)，將該反應(yīng)器改為MRF-Z反應(yīng)器。 (2)魯奇管殼型甲醇合成塔 該反應(yīng)器也是一種軸向流動(dòng)的低壓反應(yīng)器，采用管殼式結(jié)構(gòu)。操作條件是：5.2-7MPa、230-255℃，列管內(nèi)裝催化劑，管外為沸騰水。反應(yīng)熱被沸水移走。兩種氣體分別呈軸向流動(dòng)，合成塔殼程的鍋爐水是自然循環(huán)的，通過(guò)控制沸騰水的蒸汽壓力，可以保持恒定的反應(yīng)溫度。該塔使用高含量銅催化劑時(shí)，可得到較高的單程轉(zhuǎn)化率，其最大生產(chǎn)能力為1500t/d。根據(jù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用的情況來(lái)看，大部分催化劑均可使用，對(duì)生產(chǎn)影響不大。 與ICI反應(yīng)器相比，該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：①熱量利用合理，每噸甲醇副產(chǎn)4MPa蒸汽1.4t，副產(chǎn)的蒸汽可用于驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，也可用于天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化，裝置正常運(yùn)行時(shí)不需外供蒸汽；②合成反應(yīng)幾乎是在等溫條件下進(jìn)行，副反應(yīng)少，粗甲醇雜質(zhì)少，用雙塔精餾即可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；③催化劑床層溫度易控制，床層的溫差較小，操作平穩(wěn)；④出口甲醇濃度較高(甲醇含量約7%)，總循環(huán)氣量比ICI幾乎少一半；⑤相同產(chǎn)能下，催化劑用量較少。 缺點(diǎn)是：①殼體和管板、反應(yīng)管之間用焊接結(jié)構(gòu)，為消除熱應(yīng)力，對(duì)塔體的制造、材料的要求均比較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，維護(hù)成本高；②列管占用了反應(yīng)器大量的空間，催化劑的裝填量?jī)H占反應(yīng)器的30%；③由于管內(nèi)外傳熱溫差較小，所需傳熱面積大，比冷面達(dá)125m2/m3；④因用副產(chǎn)蒸汽從催化劑床層移熱，受蒸汽壓力限制，在催化劑壽命后期難以提高反應(yīng)溫度；⑤限于列管長(zhǎng)度，擴(kuò)大生產(chǎn)時(shí)，只能增加列管數(shù)量，擴(kuò)大反應(yīng)器的尺寸，生產(chǎn)操作彈性小。 一般認(rèn)為該反應(yīng)器不適用于大型甲醇裝置，魯奇經(jīng)過(guò)改進(jìn)，將合成壓力提高到7-10MPa，第一套2000t/d的甲醇裝置在馬來(lái)西亞建成，2003年以來(lái)采用該反應(yīng)器建成的甲醇裝置多達(dá)21套，產(chǎn)能在1000-2500t/d。即將在伊朗建成的5000t/d甲醇裝置則采用兩套反應(yīng)器串聯(lián)，該反應(yīng)器可適用于石油和天然氣原料。山東齊魯?shù)诙蕪S及河南安陽(yáng)甲醇廠(原料為煤)、四川維尼綸廠、陜西榆林及河南濮陽(yáng)三化的天然氣甲醇裝置均采用該類反應(yīng)器。國(guó)內(nèi)已能設(shè)計(jì)，產(chǎn)能可達(dá)30萬(wàn)t/a，應(yīng)用效果也不錯(cuò)。 (3)日本東洋公司MRF反應(yīng)器 MRF(Multi-stage-indirect-cooling Type Radial Folw)反應(yīng)器是日本東洋公司與三井化學(xué)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種多段、間接冷卻的徑向反應(yīng)器，由殼體、催化劑床層、催化劑筐、列管及集氣盒組成。反應(yīng)器內(nèi)裝有一直徑較小的內(nèi)膽，以改變物料流向，在其中心軸向安裝一個(gè)帶外殼的集束管，用于收集反應(yīng)后的氣體，外殼開(kāi)有直徑小于催化劑顆粒的小孔，收集的反應(yīng)氣沿徑向從外殼上的小孔流入，管束內(nèi)通過(guò)反應(yīng)后的高溫氣體。反應(yīng)器內(nèi)還有冷卻管束和催化劑托架，沿軸心均勻布置。冷卻管束為雙層同心管，沸水從內(nèi)管導(dǎo)入內(nèi)外管間的環(huán)隙，吸收反應(yīng)熱后生成高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽透平。催化劑填裝在冷卻管束外面，垂直地安裝在催化劑床層，與水平徑向流動(dòng)的合成氣垂直。鍋爐給水從爐底通入冷卻管，產(chǎn)生的蒸汽匯集在蒸汽室內(nèi)。冷卻管的排列是MRF反應(yīng)器的專利。其外型為圓筒狀，有上下兩個(gè)端蓋，下端蓋可以拆卸，便于將中心集氣管抽出，以方便催化劑裝填和內(nèi)部設(shè)施檢修。 該反應(yīng)器于1988年最初應(yīng)用在特立尼達(dá)-多巴哥的1200t/d甲醇裝置的改造上。該裝置采用ICI冷激反應(yīng)器。TEC為驗(yàn)證該反應(yīng)器，在該裝置合成工序改造時(shí)，安裝了一個(gè)260t/d的小型MRF反應(yīng)器并于1990年6月投運(yùn)，完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。據(jù)TEC稱，該裝置易于從現(xiàn)在的2500-2800 t/d放大到5000 t/d，國(guó)內(nèi)有四川維尼綸廠的兩套甲醇裝置及四川瀘州天然氣化工廠的40萬(wàn)t/a甲醇裝置采用該反應(yīng)器。 國(guó)內(nèi)裝置采用ICI51-7/8催化劑，目前還沒(méi)有針對(duì)MRF反應(yīng)器開(kāi)發(fā)新的催化劑，從運(yùn)行的情況來(lái)看，產(chǎn)能未受影響，基本能達(dá)到設(shè)計(jì)能力，但雜質(zhì)含量較偏高，且有甲胺和石蠟生成。 冷卻管是MRF反應(yīng)器的核心部件，表2是MRF反應(yīng)器與普通反應(yīng)器對(duì)比。 該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是： ①氣體徑向流動(dòng)，流道短，空速小，因此壓降小，約為軸向反應(yīng)器的1/10； ②合成氣垂直流經(jīng)冷卻列管，床層與冷管之間的傳熱效率較高； ③單程轉(zhuǎn)化率較高，循環(huán)氣量較小； ④由于降低了壓降和循環(huán)氣量，循環(huán)系統(tǒng)的能耗從冷激反應(yīng)器111.6MJ/t降到57.6MJ/t。 其缺點(diǎn)是：催化劑床層的溫度難控制，沿徑向位于冷卻管遠(yuǎn)端的催化劑容易出現(xiàn)局部過(guò)熱而產(chǎn)生石蠟、氨、甲胺等，使粗甲醇的雜質(zhì)含量增高。 2.其他反應(yīng)器 (1)托普索(Topsoe)管殼式反應(yīng)器 該反應(yīng)器是一種徑向復(fù)合式反應(yīng)器，一組3個(gè)。在反應(yīng)器之間移去反應(yīng)熱。由于使用了高活性、小粒度催化劑，床層壓降為0.2-0.3MPa，反應(yīng)器直徑和壁厚均比其他反應(yīng)器小，反應(yīng)器的空速和甲醇出口濃度得到提高，造價(jià)較低。1997年在挪威投產(chǎn)的2400t/d甲醇裝置采用該反應(yīng)器。 其特點(diǎn)是：①利用平衡曲線限制絕熱升溫，控制各段出口溫度，增大循環(huán)比，使各段出口溫度控制在催化劑耐熱溫度以內(nèi)；②允許使用小顆粒催化劑。 其缺點(diǎn)是：①循環(huán)氣量大，能耗和循環(huán)回路的設(shè)備費(fèi)用增加；②床層內(nèi)氣體呈軸向流動(dòng)，壓降較大；③由于氣體分布不均勻，反應(yīng)氣體的線速度與接觸時(shí)間不斷變化，造成床層各部分催化劑的利用程度不同，催化劑性能得不到充分發(fā)揮；④因采用多個(gè)反應(yīng)器，設(shè)計(jì)、制造復(fù)雜。國(guó)內(nèi)還未有使用該反應(yīng)器的報(bào)道。 第一章 主體材料選取及相關(guān)要求 甲醇合成反應(yīng)是甲醇合成氣（、CO、）在催化劑的作用下，反應(yīng)生成甲醇，其主要反應(yīng)如下： CO+2→+ +3→+ 本甲醇合成反應(yīng)器是立式管殼式固定管板換熱器。管板頂部裝有絕熱催化劑層，管內(nèi)裝催化劑，管外充滿帶走反應(yīng)熱的中壓沸騰水蒸氣。本甲醇合成反應(yīng)器是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外使用比較多的先進(jìn)塔型。其主要性能特點(diǎn)是：該塔反應(yīng)時(shí)觸媒層溫差小，合成反應(yīng)幾乎在等溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)器能有效地除去熱量，采用低循環(huán)氣流并限制最高反應(yīng)溫度，使反應(yīng)在等溫的條件下進(jìn)行，單程轉(zhuǎn)化率高，雜質(zhì)生成少，循環(huán)壓縮功能消耗低，而且合成反應(yīng)中產(chǎn)生的熱副產(chǎn)物中壓蒸汽，便于廢熱綜合利用。 甲醇合成反應(yīng)器為三類壓力容器，根據(jù)甲醇合成反應(yīng)器的工藝原理及特點(diǎn)，甲醇合成反應(yīng)器塔的筒體、封頭板料用中厚板，管程及殼程圓筒材料可選取低合金高強(qiáng)度鋼13MnNiMoNbR；，反應(yīng)管材料可選取ANDVIK SAF2205雙相不銹鋼管，管板材料可選取20MnMoⅣ級(jí)鍛件、封頭材料可選用15CrMoR板材。 1.1反應(yīng)管選材 換熱管材質(zhì)采用SANDVIK SAF2205雙相不銹鋼管，其制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收應(yīng)按ASTM的A-789M的規(guī)定。 制造前應(yīng)按下列指標(biāo)按批復(fù)驗(yàn)化學(xué)成分和力學(xué)性能。 (1) 化學(xué)成分（%） 表1.1 SAF2205換熱管化學(xué)成份 C Si max Mn max P max S max Cr Ni Mo N 標(biāo)準(zhǔn) 成分 ≤ 0.03 1.0 2.0 0.02 0.02 21.0～23.0 4.5～ 6.5 2.5～ 3.5 0.08 ～ 0.20 (2) 常溫機(jī)械性能（保證值） 表1.2 SAF2205換熱管常溫機(jī)械性能 MPa 620 MPa ≥450 MPa ≥25 布氏硬度 max 290 (3) 線膨脹系數(shù)（保證值） 表1.3 SAF2205換熱管常線膨脹系數(shù) 溫差℃ 20～100 20～200 203～00 a×10-6 mm/mm.℃ ≤13.0 ≤13.5 ≤14.0 (4) 彈性模量（保證值） 表1.4 SAF2205換熱管彈性模量 溫差℃ 20 100 200 300 彈性模量 MPa 1.99×105 1.93×105 1.86×105 1.79×105 (5) 高溫強(qiáng)度（保證值） 表1.5 SAF2205換熱管高溫強(qiáng)度 溫差℃ 100 200 300 385 354 334 617 578 558 對(duì)于反應(yīng)管材料的其他要求: (1) 反應(yīng)管必須采用整根鋼管，不允許拼接； (2) 反應(yīng)管應(yīng)每一批做一根鋼管的擴(kuò)口試驗(yàn)； (3) 反應(yīng)管金相組織：應(yīng)具有鐵素體——奧氏體兩相組織，其中鐵素體含 量范圍：40%～55%，組織中不允許有σ相出現(xiàn)； (4) 反應(yīng)管的尺寸允許偏差：外徑偏差±10%。 1.2管板的選材 管板所用20MnMo鍛件除嚴(yán)格按JB4726-2000Ⅳ級(jí)鍛件要求。 對(duì)于管板材料的其他要求: 管板加工后全表面及焊接坡口，經(jīng)磁粉檢測(cè)，符合JB/T4730-2005Ⅰ級(jí)； 進(jìn)行300℃下的高溫拉伸試驗(yàn)且高溫屈服強(qiáng)度應(yīng)符合JB/4726-2000A1要求。 1.3殼體選材 管程及殼程殼體所選用的13MnNiMoNbR、15CrMoR板材須滿足GB713-2008及第1，2號(hào)修改單的要求。 對(duì)于殼體材料的其他要求： (1) 板材逐張超聲波檢測(cè)滿足JB/T4730.3-2005Ⅱ級(jí)要求； (2) 13MnNiMoNbR鋼板測(cè)定其線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)要求見(jiàn)表1.6表 表1.6 13MnNiMoNbR鋼板線性膨脹系數(shù) 溫差℃ 線膨脹系數(shù) a×10-6mm/mm. ℃ 20～100 ≥11.53 20～200 ≥12.25 20～300 ≥12.90 1.4焊接材料的選用 甲醇反應(yīng)器制造埋弧自動(dòng)焊時(shí)，選用H08Mn2MoA+SJ101焊絲、焊劑，帶極堆焊時(shí)選用ER309L、ER308L、10SW焊條、焊絲、焊帶和焊劑；管子管板焊接時(shí)，選用ER00Cr22NiMo3N焊絲。 焊材質(zhì)量應(yīng)符合AWS A5.4、AWS A5.9、JB4747-2002，《壓力容器用鋼焊條訂貨技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)規(guī)定。各種材料選用的焊接材料見(jiàn)表1.7： 表1.7焊接材料選用表 材料種類或 接頭部位 藥皮電弧焊 焊條 埋弧焊焊絲 （帶）+焊劑 氬弧焊焊絲 備注 13MnNiMoNbR 鋼板對(duì)接焊 J607RH H08Mn2MoA+SJ101 / 筒體 13MnNiMoNbR +15CrMoR J507RH H10Mn2+J431 / 封頭與 筒體 13MnNiMoNbR +20MnMo J507RH / / 筒體與 接管 20MnMo+堆焊 過(guò)渡層：E309L 面層：E308L 過(guò)渡層：ER309L面層：ER308L 焊劑：10SW / 管板 堆焊 15CrMoR R307 E5515-B2 封頭 拼接 15CrMoR +15CrMo R307 E5515-B2 封頭與 接管 SAF2205 +20MnMo / / ER00Cr22NiMo3N 管子 管板 第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算 2.1工藝參數(shù) 殼程 管程 工作壓力MPa 3.9 6.0 工作溫度 ℃ 240 255 物料名稱 沸騰水 N2 H2 CH4 CH2OH CO CO2 腐蝕余量mm 2 3 換熱面積 3124 2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 2.2.1計(jì)算壓力Pc的確定 根據(jù)HG20580-1998表4-1設(shè)計(jì)壓力選取表要求，設(shè)備無(wú)安全泄放裝置的內(nèi)壓容器，其計(jì)算壓力Pc取1.0～1.1倍工作壓力Pw,故甲醇合成反應(yīng)器的計(jì)算壓力Pc為： 殼程：1.1×3.9MPa=4.29MPa，取4.3MPa，液柱靜壓力：P1=0 MPa；故殼程設(shè)計(jì)壓力P=Pc=4.3 MPa. 管程:1.1×6.0 MPa=6.6 MPa，液柱靜壓力：P1=0MPa， 故管程設(shè)計(jì)壓力P=Pc=6.6 MPa 2.2.2設(shè)計(jì)溫度的確定 根據(jù)HG20580-1998表5-1設(shè)計(jì)溫度選取表要求，當(dāng)工作溫度T>15℃,介質(zhì)最高（低）工作溫度不確定時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度Tc為介質(zhì)工作溫度T加15～30℃，故取殼程設(shè)計(jì)溫度為260℃（240+20=260℃），管程設(shè)計(jì)溫度為280℃（255+25=280℃） 2.2. 3液壓試驗(yàn)壓力PT的確定 根據(jù)GB150-1998中式3-3 PT=1.25×P×/ 計(jì)算液壓試驗(yàn)壓力。 對(duì)于殼程：材料為13MnNiMoNbR ； PT——試驗(yàn)壓力 MPa； P——設(shè)計(jì)壓力 MPa； ————容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力 MP； ——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 MPa； 查GB150-1998表4-1鋼板許用應(yīng)力，利用內(nèi)插法可以求得13MnNiMoNbR使用狀態(tài)為正火加回火，在設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力為： =190 MPa 又已知試驗(yàn)溫度下13MnNiMoNbR的許用應(yīng)力=190 MPa， 故液壓試驗(yàn)壓力PT=1.25×P×/=1.25×4.3×190/190=5.375 MPa，取5.4 MPa。 對(duì)于管程：材料有15CrMoR、20MnMo鍛件； 在液壓試驗(yàn)壓力PT=1.25×P×/式中： PT——試驗(yàn)壓力 MPa； P——設(shè)計(jì)壓力 MPa； ——容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力 MPa； ——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 MPa； 查GB150-1998表4-1鋼板許用應(yīng)力，利用內(nèi)插法可以求得15CrMoR使用狀態(tài)為正火加回火，在設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力： 又已知在試驗(yàn)溫度下15CrMoR的許用應(yīng)力=150 MPa, 故液試驗(yàn)壓力： PT=1.25×P×/=1.25×6.6×150/136=9.1 MPa; 查GB150-1998表4-5可知：20MnMo鍛件在設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力=177 MPa; 又已知20MnMo鍛件在試驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力=177 MPa; 故液壓試驗(yàn)壓力： PT=1.25×P×/=1.25×6.6×177/177=8.25 MPa; 根據(jù)GB150-1998第3.8.1.1條注2規(guī)定：容器各元件（圓筒、封頭、法蘭及緊固件等）所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的/比值中最小值。故設(shè)備管城的液壓管程的液壓試驗(yàn)壓力：PT=8.25 MPa; 由于殼設(shè)計(jì)溫度為260℃，考慮到13MnNiMoNbR是可焊的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼，熱強(qiáng)性能高，抗裂紋擴(kuò)展敏感性好，故殼程筒體采用13MnNiMoNbR,管程球形封頭采用15CrMoR,管板采用20MnMo鍛件，過(guò)渡層堆ER309L面層堆ER308L,換熱管采用SAF2205,管箱筒體采用13MnNiMoNbR。 設(shè)備的A、B類焊縫均進(jìn)行100%射線檢測(cè)，故焊縫系數(shù)取1.0。 2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1封頭類型的選擇 由于球形封頭受力狀態(tài)好，且根據(jù)GB150-1998中球形封頭厚度計(jì)算公式： 而筒體厚度計(jì)算公式： 球形封頭厚度可以減薄到大約筒體的一半。且考慮本設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，選用球形封頭； 2.3.2管板結(jié)構(gòu)的確定 由于固定管板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、緊湊，能夠承受較高的壓力，制造成本低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換，但是由于其排管數(shù)比浮頭式、U形管式要多，故本設(shè)備采用管板與殼程圓筒和管箱圓筒形成整體結(jié)構(gòu)的固定管板式結(jié)構(gòu)。 2.3.3換熱管的選擇 由于本甲醇合成反應(yīng)器要求的換熱面積為3124m2,換熱管選用常見(jiàn)型號(hào)（l×d）：6m×0.038m。有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可得:換熱管的有效長(zhǎng)度（兩管板內(nèi)側(cè)的間距）L=5820mm。 由換熱面積的計(jì)算公式 ： 可得：n=4513(根) 2.3.4具體結(jié)構(gòu)尺寸 圖2.1 甲醇合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.4甲醇合成反應(yīng)器的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 首先，將甲醇合成反應(yīng)器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)羅列入表2.1 表2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 殼程 管程 容器類別 三類 設(shè)計(jì)壓力 MPa 4.3 6.6 工作壓力 MPa 3.9 6.0 設(shè)計(jì)溫度 ℃ 260 280 工作溫度 ℃ 240 255 物料名稱 沸騰水 合成氣（中度危害） 主要受壓元件材 殼程圓筒：13MnNiMoNbR 球形封頭：15CrMoR 換熱管：SAF2205 管板：13MnNiMoNbR 殼程圓筒：13MnNiMoNbR 焊縫系數(shù) 1 1 液壓試驗(yàn)壓力 MPa 5.4 8.25 換熱面積 3124 2.4.1管箱筒體的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 2.4.1.1設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的厚度計(jì)算 由于本甲醇合成反應(yīng)器的換熱面積為3124m2，換熱管選取的類型為：6m×0.038m（l×d），暫取兩換熱管中心距s=44.5mm,換熱管按照正三角形排列，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)n=4513時(shí)，Di圓整可取3400mm 即Di=Φ3400mm。 P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）按設(shè)計(jì)參數(shù)取管程： P=6.6 MPa Pc——計(jì)算壓力（MPa） 管程：Pc=6.6 MPa PT——液壓實(shí)驗(yàn)壓力（MPa） 管程：PT=8.25 MPa [P] ——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） [Pw] ——圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） δd ——圓筒或封頭的設(shè)計(jì)厚度(mm) δ——圓筒的計(jì)算厚度(mm) δe——圓筒的有效厚度(mm) δn——圓筒的名義厚度(mm) ——常溫下圓筒計(jì)算應(yīng)力（MPa） ——設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力（MPa） φ——焊接接頭系數(shù)：φ取1.0。 根據(jù)GB150-1998，當(dāng)計(jì)算壓力Pc≤0.4φ，設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的計(jì)算厚度可由GB150-1998式（5-1） δ=求得。 由于計(jì)算壓力Pc≤0.4φ=0.4×135×1=54 MPa， 故設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的計(jì)算厚度δ= =54.55 mm C——厚度附加量（mm） 管程：C=C1+C2=0+3=3mm C1——鋼材厚度負(fù)偏差（mm）按GB6654-1996標(biāo)準(zhǔn)： 管箱筒體C1=0mm C2——腐蝕裕量（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)取管程：C2=3mm 筒體的設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+ C2=54.55+3=57.55mm 筒體的名義厚度：δn=δd + C1=57.55+0=57.55 mm，向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度60mm。 筒體的有效厚度：δe=δn-（C1+C2）=60-（0+3）=57 mm。 2.4.1.2壓力試驗(yàn)前管箱筒體應(yīng)力校核 根據(jù)GB150-1998中式（3-7）校核壓力試驗(yàn)前管箱筒體的應(yīng)力： = =250.18MPa≤0.9φ×1×390=351 MPa 所以筒體液壓試驗(yàn)前的應(yīng)力校核合格； 2.4.1.3 設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的應(yīng)力計(jì)算 根據(jù)GB150-1998中式（5-2）： 計(jì)算應(yīng)力==181.95 MPa≤φ=190×1=190MPa 所以筒體的計(jì)算應(yīng)力校核合格; 根據(jù)GB150-1998中式（5-4）：， 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓= MPa 6.3 MPa 因?yàn)橐话闱闆r下要求：工作壓力<設(shè)計(jì)壓力，故筒體名義厚度取=60 mm可以確保安全。 2.4.2殼程筒體的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 2.4.2.1設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 Di——圓筒的內(nèi)徑（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)?。篋i=Φ3400mm P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）按設(shè)計(jì)參數(shù)取殼程： P=4.3 MPa Pc——計(jì)算壓力（MPa） 殼程：Pc=4.3 MPa PT——液壓實(shí)驗(yàn)壓力（MPa） 殼程：PT=5.4 MPa [P] ——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） [Pw] ——圓筒的最大允許工作壓力（MPa） δd ——圓筒或封頭的設(shè)計(jì)厚度(mm) δ——圓筒的計(jì)算厚度(mm) δe——圓筒的有效厚度(mm) δn——圓筒的名義厚度(mm) ——常溫下圓筒計(jì)算應(yīng)力（MPa） ——設(shè)計(jì)溫度下應(yīng)力（MPa） φ——焊接接頭系數(shù)：φ取1.0。 根據(jù)GB150-1998，當(dāng)計(jì)算壓力Pc≤0.4φ，設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度可由GB150-1998式（5-1）： δ=求得。 由于計(jì)算壓力Pc≤0.4φ=0.4×190×1=76MPa， 故設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 MPa C——厚度附加量（mm） 殼程：C=C1+C2=0+2=2mm C1——鋼材厚度負(fù)偏差（mm）按GB6654-1996標(biāo)準(zhǔn)：殼程C1=0mm， C2——腐蝕裕量（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)取殼程C2=2mm， 筒體的設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+ C2=38.91+2=40.91 mm 筒體的名義厚度：δn=δd + C1=40.91+0=40.91mm，向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度42mm。 筒體的有效厚度：δe=δn-（C1+C2）=42-（0+2）=40 mm。 2.4.2.2壓力試驗(yàn)前殼程筒體應(yīng)力校核 根據(jù)GB150-1998式（3-7）校核壓力試驗(yàn)前殼程筒體的應(yīng)力： = =232.2MPa≤0.9φ×1×390=351 MPa 所以筒體液壓試驗(yàn)前的應(yīng)力校核合格； 2.4.2.3 設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算應(yīng)力 根據(jù)GB150-1998式(5-2)： = =172MPa≤φ=190×1=190MPa 所以筒體的計(jì)算應(yīng)力校核合格; 根據(jù)GB150-1998式(5-4)：， 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力：= =4.42MPa 因?yàn)橐话闱闆r下要求：工作壓力<設(shè)計(jì)壓力，故筒體名義厚度取=42 mm可以確保安全。 2.4.3球形的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 2.4.3.1設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 Di——圓筒的內(nèi)徑（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)取：Di=Φ3400mm P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）按設(shè)計(jì)參數(shù)取P=6 MPa Pc——計(jì)算壓力（MPa） 按設(shè)計(jì)參數(shù)取Pc=6 MPa PT——液壓實(shí)驗(yàn)壓力（MPa） [P] ——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） [Pw] ——圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） δd ——圓筒或封頭的設(shè)計(jì)厚度(mm) δ——圓筒或封頭的計(jì)算厚度(mm) δe——圓筒或封頭的有效厚度(mm) δn——圓筒或封頭的名義厚度(mm) ——常溫下圓筒或封頭計(jì)算應(yīng)力（MPa） ——設(shè)計(jì)溫度下應(yīng)力（MPa） φ——焊接接頭系數(shù)：φ取1.0。 根據(jù)GB150-1998，當(dāng)計(jì)算壓力Pc≤0.6φ，設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的計(jì)算厚度可由GB150-1998式（5-5）： δ=求得。 由于計(jì)算壓力Pc≤0.6φ=0.6×135×1=81MPa， 故設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度mm C——厚度附加量（mm）C=C1+C2=0+3=3mm C1——鋼材厚度負(fù)偏差（mm）按GB6654-1996標(biāo)準(zhǔn)： C1=0mm， C2——腐蝕裕量（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)取殼程C2=3mm， 球形封頭的設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+ C2=38.2+3 =41.2 mm 球形封頭的名義厚度：δn=δd + C1=41.2+0=41.2mm，考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)以及沖壓減薄等因素，向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度60mm。 球形封頭的有效厚度：δe=δn-（C1+C2）=60-（0+3）=57mm。 2.4.3.2壓力試驗(yàn)前球形封頭應(yīng)力校核 根據(jù)GB150-1998式（3-7）校核壓力試驗(yàn)前球形封頭的應(yīng)力： = =250.18MPa≤0.9φ×1×295 =265.5MPa 所以筒體液壓試驗(yàn)前的應(yīng)力校核合格。 2.4.3.3 設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的計(jì)算應(yīng)力 根據(jù)GB150-1998式(5-2)： = =90.97MPa≤φ=135×1=135MPa 所以球形封頭的計(jì)算應(yīng)力校核合格。 設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的最大允許工作壓力按《鋼制壓力容器》式(5-7)： = =8.90MPa≥P=6 MPa 因?yàn)橐话阋蠊ぷ鲏毫Γ荚O(shè)計(jì)壓力，故筒體名義厚度取=60mm可以確保安全。 2.4.4管板的厚度選擇和強(qiáng)度校核 (1) 殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積A：， A===9074600 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支撐的面積: =s（Sn-0.866s）=0×44.5（0-0.866×44.5） =0 上式中， Sn隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，mm；沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)。 (2) 殼體法蘭或管箱法蘭內(nèi)徑： =3400 mm (3) 換熱管中心距S：此設(shè)備中取S=44.5mm (4) 換熱管根數(shù)n：此經(jīng)計(jì)算取n=4513（根） (5) 換熱管外徑d：此設(shè)備中取d=38mm (6) 殼程圓筒厚度：=42mm (7) 換熱管壁厚度：此設(shè)備中取=2mm (8) 管板開(kāi)孔后的面積： =A-n=9074600- =3858933.98； (9) 圓筒殼壁金屬橫截面積As： As==3.14×42×（3400+42）=453930.96； (10) 管板布管區(qū)面積： =0.866n+ =0.866×4513×+0=7739327.91； (11) 一根換熱管管壁金屬的橫截面積a： a==3.14×2×（38-2）=226.08； (12) 殼體法蘭或管箱法蘭的寬度：=0mm (13) 系數(shù)： 按和查GB150-1999《管殼式換熱器》圖25，得=0.00712 (14) 系數(shù) ： 按和查GB151-1999圖25，得=0.01015 (15) ——?dú)んw法蘭或管箱法蘭外直徑，mm； (16) ——?dú)んw法蘭或管箱法蘭內(nèi)徑，mm； (17) 管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑： ===3139.91 mm； (18) 管箱筒體材料彈性模量：=1.916e+05 MPa (19) 管板材料彈性模量： =1.916e+05 MPa (20) 殼程材料彈性模量： =1.938e+05 MPa (21) 換熱管材料彈性模量： =1.916e+05 MPa (22) 系數(shù)：當(dāng)m>0時(shí)，取與兩者中的較大值； 當(dāng)m<0時(shí)，取值； (23) 系數(shù)：僅用于m>0時(shí)，=3μm/k (24) 系數(shù)：當(dāng)m>0時(shí)，按k和m查GB150-1999《管殼式換熱器》圖31（a）實(shí)線；當(dāng)m<0時(shí)，按k和m查GB150-1999《管殼式換熱器》圖31（b）； (25) 系數(shù)：按k和f查GB150-1999《管殼式換熱器》圖29，=5.368 (26) 換熱管的回轉(zhuǎn)半徑i： i= = 4.24mm (27) 換熱管加強(qiáng)管系數(shù)K： =10.64 (28) 殼體圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： ==3.874 MPa (29) 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： ==9.286 MPa (30) 管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： =+=3.874+9.286=13.16 MPa (31) 旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù)： ==0.001056 (32) 管束模數(shù)： ==9785 MPa (33) 管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度k：k=K(1-ρt)=0.816 (34) 換熱管有效長(zhǎng)度（兩管板內(nèi)測(cè)間距）L：L=5820mm (35) 換熱管與管板焊腳高度l：l=4.5mm (36) 管板邊緣力矩系數(shù)：對(duì)于不帶法蘭的管板= (37) 系數(shù)：= (38) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)：= (39) 管板總彎矩系數(shù)m：m= (40) 管板第一彎矩系數(shù)m1:按K和查GB150-1999圖27，m1=0.4564 (41) 管板第二矩系數(shù)m2:按K和QGB150-1999圖27，m2=1.872 (42) 有效壓力組合Pa: Pa= MPa (43) 邊界效應(yīng)壓力組合Pb: Pb=(PS-0.15Pt)-0.85Pt MPa (44) 當(dāng)量壓力組合Pc: Pc=Ps-Pt(1+β) MPa (45) 殼程設(shè)計(jì)壓力Ps: Ps=4.3 MPa (46) 管程設(shè)計(jì)壓力Pt: Pt=6.6MPa (47) 殼體不帶波形膨脹節(jié)時(shí)，換熱管束與圓筒剛度比Q： Q==2.312 (48) 換熱管與管板連接的拉脫力q: q=|| (49) 焊接許用拉脫力[q]: [q]=69.3 MPa (50) 制造環(huán)境溫度: =15℃ (51) 沿長(zhǎng)度平均的殼程圓筒金屬溫度: =260℃ (52) 沿長(zhǎng)度平均的換熱管金屬溫度: =280℃ (53) 管板邊緣剪切系數(shù)ν: ν=ψ (54) 殼程圓筒材料線性膨脹系數(shù); =1.258e-0.5 (55) 換熱管材料線性膨脹系數(shù): =1.259e-0.5 (56) 系數(shù)β: β==0.2577 (57) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差γ: γ= (58) 管板計(jì)算厚度δ: δ=88mm (59) 管板假設(shè)厚度： =90mm (60) 管箱筒體厚度： =60mm (61) 管板感度削弱系數(shù):一般取μ值:η=μ=0.4 (62) 系數(shù)λ: λ=A1/A=0.4363 (63) 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)μ:一般可μ=0.4 (64) 管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程筒體內(nèi)徑之比: ==0.9233 (65) 系數(shù): =0.4+=4.955 (66) 系數(shù)： =0.4=7.177 (67) 殼程圓筒軸向應(yīng)力，MPa (68) 管程徑向應(yīng)力，MPa (69) 管程布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力，MPa (70) 管板徑向應(yīng)力系數(shù)，= (71) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，= (72) 換熱管軸向應(yīng)力（位于管束周邊出換熱管軸向應(yīng)力），MPa (73) 在設(shè)計(jì)溫度時(shí)，殼程圓筒材料的許用應(yīng)力，=190MPa (74) 換熱管受壓換穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度：查GB150-1999圖32，=1160mm (75) 系數(shù)Cr： Cr==129.3 (76) 換熱管穩(wěn)定許用應(yīng)力：由于Cr=129.3>/i=91，故==71.62 MPa (77) 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的屈服點(diǎn)： =221 MPa (78) 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，管板材料的許用應(yīng)力： =177 MPa (79) 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的許用應(yīng)力： =138.6 MPa (80) 系數(shù)ψ： ψ=m1/K=40.63 (81) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力：， = MPa3 (82) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)： = (83) 殼程圓筒的裝配環(huán)向焊縫系數(shù) ： =1.0 (84) 系數(shù)ψ： (85) 系數(shù)：查GB150-1999圖26，=0.0002399 (86) 系數(shù)：查GB150-1999圖26，=0.0005816 2.4.5危險(xiǎn)工況的組合 2.4.5.1校驗(yàn)僅有殼程壓力Ps作用下的危險(xiǎn)組合工況（Pt），不計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，=0 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=Ps=4.3MPa (3) 有效壓力組合，Pa=Ps+βγ=21.31 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=Ps=0.03062 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)， ==0.003294 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，==0.003294 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，=0.1338 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.6235 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.07035 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.07035 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002596 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.006491 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03691 (12) 管板徑向應(yīng)力，=90.06 MPa<1.5=265.5 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==25.53 MPa<1.5=265.5 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力，=30.59 MPa<0.5=88.5 MPa (15) 換熱管軸向應(yīng)力, =-37.77 MPa<=138.6 MPa =-37.77 MPa<=71.62 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =28.82 MPa<Ψ=190 MPa (17) 換熱管與管板連接的拉脫力，15.9<[q]=69.3 MPa 2.4.5.2校驗(yàn)僅有殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，= 0.0001848 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=Ps=4.3 MPa (3) 有效壓力組合，Pa=Ps+=30.34 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=0.03062 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)，=0.002313 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，=0.002313 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，0.09397 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.578 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.06521 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.06521 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002322 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.005806 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03561 (12) 管板徑向應(yīng)力，=114.7 MPa<3=531 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==20.02 MPa<3=531 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力，=42.04 MPa<1.5=265.5 MPa (15) 換熱管軸向力 =-62.27MPa<3=415.8 MPa =-62.27 MPa<=71.62 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =39.6 MPa<3Ψ=570 MPa (17) 換熱管與管板焊接的拉脫力，26.22<3[q]=207.9 MPa 2.4.5.3校驗(yàn)僅有管程壓力作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），不計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，=0.0 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=-=-7.546 MPa (3) 有效壓力組合，Pa=-=-43.06 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=0.15Pt-0.85Pt=0.05816 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)，=0.003095 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，=0.003095 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，0.1258 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.6146 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.06934 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.06934 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002541 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.006352 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03665 (12) 管板徑向應(yīng)力， =178.2 MPa<1.5=265.5 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==-46.91 MPa<1.5=265.5 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力， =-61.4 MPa<0.5=88.5 MPa (15) 換熱管軸向應(yīng)力, =-81.19MPa<=138.6 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =68.18 MPa<Ψ=190 MPa (17) 換熱管與管板焊接的拉脫力，34.19<[q]=69.3 MPa 2.4.5.4 校驗(yàn)僅有管程壓力作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差， =0.0001848 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=-=-7.546 MPa (3) 有效壓力組合，Pa=-=-34.03 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=0.15Pt-0.85Pt=-0.05816 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)，=0.003917 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，=0.003917 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，0.1592 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.6508 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.07342 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.07342 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002771 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.006926 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03773 (12) 管板徑向應(yīng)力，=153.5 MPa<3=531 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==-52.41 MPa<3=531 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力，=-49.96 MPa<1.5=265.5 MPa (15) 換熱管軸向應(yīng)力, =56.68MPa<3=415.8 MPa =56.68MPa<=71.62 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =78.96 MPa<3Ψ=570 MPa (17) 換熱管與管板焊接的拉脫力，23.87<[q]=207.9 MPa 因此，管板名義厚度=90mm校核通過(guò) 2.4.6開(kāi)孔接管與補(bǔ)強(qiáng) 表2.2管口表 合成氣入口a φ549×66 合成氣出口b φ450 下降管c φ219×8 蒸汽入口d φ100 蒸汽出口e1-6 φ205×30 出水口f φ136×20 排氣口g1-2 φ25 排氣口h φ25 排凈口j φ25 卸料口k1-2 φ250 人孔m1 φ500 人孔m2-3 φ500 吊耳t1-2 φ500 2.4.6.1接管a與其中心線垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 接管內(nèi)徑：接管內(nèi)徑為417mm，假定接管的名義厚度=66mm； 接管材料為15CrMo鍛件，在設(shè)計(jì)溫度280℃下的許用應(yīng)力=126.6 MPa 因?yàn)橛?jì)算壓力：=0.4×126.6×1=50.64MPa 故接管的計(jì)算厚度： = =11.61mm 接管的有效厚度：=66-（0+11.1）=54.9mm 開(kāi)孔直徑：d=417+2=417+2×3=423mm開(kāi)孔為圓形孔時(shí)，開(kāi)孔直徑取接管內(nèi)直徑加兩倍壁厚附加量） 所以，最大有效補(bǔ)強(qiáng)范圍： 最大有效寬度: B=MAX(2d,d+2)=MAX(2×423,423+2×60+2×66)=846mm 最大有效外伸或內(nèi)伸長(zhǎng)度：h==167.1mm 強(qiáng)度削弱系數(shù)（等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值，當(dāng)該比值大于1.0時(shí)，強(qiáng)度削弱系數(shù)等于1.0，對(duì)于安放式接管，其值取1.0） 故=0.938 殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余金屬面積A1：（846-423）×（57-38.2）-2×66×（57-38.2）×（1-0.938）=7798.54； 接管實(shí)際外伸167.1，則有效外伸=167.1mm 接管實(shí)際內(nèi)伸0，則有效內(nèi)伸mm； 接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外多余金屬面積A2 =2×167.1×（54.9-11.61）×0.938+2×0×（54.9-2）×0.938=13570.53； 接管與筒體焊角高定位8mm，所以補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積為； 可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：7798.54+13570.53+64=21433.07； 開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：423×38.2+2×38.2×54.9（1-0.938）=16418.65； 因?yàn)榭勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積>開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A,所以單孔補(bǔ)強(qiáng)滿足要求，不需另加補(bǔ)強(qiáng)。 2.4.6.2接管m1、m2與其中心線垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 接管內(nèi)徑：接管內(nèi)徑為500mm，假定接管的名義厚度=62mm； 接管材料為20MnMoNb鍛件，在260℃設(shè)計(jì)溫度下的許 用應(yīng)力=207 MPa 因?yàn)橛?jì)算壓力：=0.4×207×1=82.8MPa 故接管的計(jì)算厚度：=5.248mm 接管的有效厚度：=62-（0+2）=60mm 開(kāi)孔直徑：d=500+2=500+2×2=504mm 所以，最大有效補(bǔ)強(qiáng)范圍： 最大有效寬度: B=MAX(2d,d+2)=MAX(2×504,504+2×42+2×62)=1008mm 最大有效外伸或內(nèi)伸長(zhǎng)度：h==176.8mm 強(qiáng)度削弱系數(shù)：=1 殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余金屬面積：（1008-504）×（40-38.91）-2×62×（40-38.91）×（1-1）=547.3； 接管實(shí)際外伸176.8，則有效外伸=176.8mm 接管實(shí)際內(nèi)伸0，則有效內(nèi)伸mm； 接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余金屬面積： =2×176.8×（60-5.248）×1+2×0×（60-2）=19357； 接管與筒體焊角高定位8mm，所以補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積為； 可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：547.3+19357+64=19969； 開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：504×38.91+2×38.91×60×（1-1）=19610.64； 因?yàn)榭勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積>開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A,所以單孔補(bǔ)強(qiáng)滿足要求，不需另加補(bǔ)強(qiáng)。 第三章 設(shè)備的制造要求和檢驗(yàn)要求 3.1筒體的制造要求和檢驗(yàn)要求 (1) 筒節(jié)按劃線下料，下料尺寸應(yīng)準(zhǔn)確，以保證筒節(jié)卷制焊接后內(nèi)徑偏差和不圓度最小，以達(dá)到對(duì)筒節(jié)組要求的偏差。 (2) 焊接坡口進(jìn)行機(jī)加工，除進(jìn)行形狀和尺寸檢查外，對(duì)坡口鄰近區(qū)域和坡口表面進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)。不得有裂紋、分層、夾雜及其他影響焊接質(zhì)量的缺陷。 (3) 在滾圓是應(yīng)保證做到筒體兩邊與滾板機(jī)軋滾平行，用不大于400mm弧長(zhǎng)的樣板檢查筒體的棱角度、圓度、錯(cuò)邊、錯(cuò)口，保證焊接接頭的棱角度≤5mm，焊接接頭的錯(cuò)邊量≤3mm，殼體最大最小直徑差（包括管箱殼體）≤2mm，使?jié)L圓的筒體為理想的幾何狀態(tài)。 (4) 焊接結(jié)構(gòu)為全焊透結(jié)構(gòu)，焊接前焊接工藝按JB/T4708-2000評(píng)定合格，焊接采用埋弧自動(dòng)焊，