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目录

一、合成氨简介1

1.氨的主要特点1

2.合成氨工业1

3.合成氨条件的选择2

4.我国合成氨工业的发展情况3

二、换热器简介3

1.换热器的分类3

2.换热器的应用工艺场合4

三、甲烷化换热器简介4

1.Ⅱ型甲烷化换热器的作用4

2.甲烷化换热器工作原理4

3.Ⅱ型甲烷化换热器的结构形式5

四、换热器的设计7

1.换热器管形的设计7

2.换热器管径的设计7

3.换热管排列方式的设计7

4.管子与管板的连接7

5.管子与管板连接的检验8

参考文献9

甲烷化换热器

一、合成氨简介

合成氨工业诞生于上世纪初，其规模不断向大型化方向发展，目前大型氨厂的产量占世界合成氨总产量的80%以上。

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。

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。

合成氨是大宗化工产品之一，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。

1.氨的主要特点

氨在标准状态下是无色气体，比空气密度小，具有刺激性气味。

会灼伤皮肤、眼睛，刺激呼吸器官粘膜。

空气个氨质量分数在0.5％-1.0%时，就能使人在几分钟内窒息。

氨的相对分子质量为17.3沸点（0.1013MPa）-33.5C冰点一77．7C,临界温度132.4C，临界压力ll．28MPa．液氨的密度0.1013MPa、-334C为0.6813kg?

L‘。

标准状态下气氨的密度7．714×10E4kg-L摩尔体积22．08L?

mol-1液氨挥发性很强。

气化热较大。

氨基易挥发，可生产含氨15%~30%（质量）的商品氨水，氨溶解时放出大量的热。

氨水溶液呈弱碱性，易挥发。

液氨和干燥的气氨对大部分材料没有腐蚀性，但是在有水存在的条件下。

对铜、银、锌等金属有腐蚀性。

氨是一种可燃性物质，自然点为630C，一般较难点燃。

氨与空气或氧的混合物在一定范围内能够发生爆炸，常压，室温下的爆炸范围分别为15.5%~28%和13.5%~82%氨的化学性质较活泼，能与碱反应生成盐。

2.合成氨工业

（1）简要流程

目前中国主要是以煤为主，油气并存的局面，基本流程图如下：

无烟煤、蒸汽、空气→造气→脱硫→变换→脱二氧化碳→压缩→合成氨

（2）原料气的制取

N2：

将空气液化、蒸发分离出N2或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。

H2：

用水和燃料（煤、焦炭、石油、天然气）在高温下制取。

（3）制得的H2、N2需净化、除杂质，再用压缩机制高压。

（4）氨的合成：

在适宜条件下，在合成塔中进行。

（5）氨的分离：

经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循坏送入合成塔，使之充分利用。

3.合成氨条件的选择

（1）合成氨反应的特点：

合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应。

（2）合成氨生产的要求：

反应要有较大的反应速率；

要最大限度的提高平衡混合物中氨气的含量。

（3）合成氨条件选择的依据:

运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。

（4）合成氨的适宜温度：

温度：

500℃左右

压强：

20MPa—50MPa

催化剂：

铁触媒

除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气，以有利合成氨反应。

4.我国合成氨工业的发展情况

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。

1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。

近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。

我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。

这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。

二、换热器简介

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。

换热设备因其用途不同，类型繁多，性能不一，但均可归结为管壳式结构和板式结构两大类。

1.换热器的分类

换热器的分类良多，可以按传热原理、结构和用途等进行分类，按其结构分类主要有管壳式和板式两种。

管壳式换热器又可分为固定管板式、U形管式、浮头式及填料函式，管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。

广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。

特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。

板式换热器又分为螺旋板式、板片式和板翅式三种，板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。

板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。

压紧板上有本设备与外部连接的接管。

板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有供介质进出的角孔，上下有挂孔。

人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低速下能达到湍流状态，获得高的传热效果。

2.换热器的应用工艺场合

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。

它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。

它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

应用场合有：

制冷：

用作冷凝器和蒸发器。

暖通空调：

配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。

化学工业：

纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。

冶金工业：

铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。

机械工业：

各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。

电力工业：

高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。

造纸工业：

漂白工艺热回收，加热洗浆液等。

纺织工业：

粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。

食品工业：

果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。

油脂工艺：

皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。

集中供热：

热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。

其他：

石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。

三、甲烷化换热器简介

甲烷化换热在高温高压下氢被金属吸附，分解为原子氢溶解在金属晶体中，并向晶体内部扩散，与钢中碳化物发生反应生成甲烷。

1.Ⅱ型甲烷化换热器的作用

Ⅱ型甲烷化换热器是U型管式换热器，是合成氨生产中的重要设备之一,它能将150℃的混合气升温至274℃，同时将339℃的精制气降温至215℃。

U型管式换热器的特点是结构简单，重量轻，适用于高温高压的场合。

2.甲烷化换热器工作原理

150℃的75％

混合气体由混合气体入口进入壳程，339℃的75％

精制气由精制气入口进入管程，由于管道内精制气和壳程的混合气体存在温度差，会形成热交换，高温物体的热量向低温物体传递，这样就把管道里精制气的热量交换给了壳程的混合气体，将150℃的混合气升温至274℃，同时将339℃的精制气降温至215℃。

3.Ⅱ型甲烷化换热器的结构形式

Ⅱ型甲烷化换热器是U型管式换热器

（1）U型管换热器概述

在工业生产中,为了实现物料之间的热量传递过程的一类设备,统称为换热器。

它是化工、能源、动力、医药和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。

通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10%～20%。

在炼油厂中，换热器占全部工艺设备投资的35%～40%。

U型管换热器是一种典型的管壳式换热器，其管子弯成U形，管子的两端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸缩，当壳体与U形换热管有温差时，不会产生温差应力。

U型管换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其他换热器便宜。

U形管束可以从壳体内抽出，所以管子便于清洗。

但管内清洗困难，所以管内介质必须是清洁且不易结垢的物料。

由于换热管呈U形，管子的更换除外侧一层外，内部管子大部分不能更换。

管束中心部分存在空隙，所以流体易发生短路而影响传热效果。

U形管的弯头部分曲率不同，管子长度不一，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。

（2）U型管换热器的特点和发展状况

U型管换热器结构比较简单，价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式场合。

特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。

U型管换热器结构组成：

管箱、管板、U形换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。

优点：

①由于壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，壳体和管壁不受温差限制，流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强；

②只有一块管板且无浮头，所以结构简单、紧凑，在直径相同的情况下换热面积最大，在高压工况下金属耗量比其它换热器小，造价比其它换热器低等；

③管束可以抽出清洗，可以用于壳程结垢较严重的场合。

缺点：

①U形管束在与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙，易结垢，流体易形成短路，使传热效率降低；

②管板上排列的换热管较少，管板直径及厚度均较大，管子与管板间的残余焊接应力大；

③换热管的弯管段无支承件，管束易振动，易在此处形成壳程流体流动死区，易结垢，影响传热效果；

④当U形管中有一根坏了，得同时堵死管子的两头，这样会造成二倍管长的换热管损失，比固定管板式的损失更多的换热面积。

针对普通U型管换热器的诸多不足之处，湖南金信化工有限责公司设计了一种高效、安全、可靠的新型U型管换热器。

该换热器的主要特点是：

将换热器的筒体和换热管均设计制造成U形，换热管的两端分别固定在两块管板上，在U形换热管的弯管段设置折流杆或弹簧等管间支承件，在简体上设置供壳程清洗、排污用的接口。

与普通U型管换热器相比，新型U型管换热器具有下列优点：

①换热器的筒体与换热管均为U形，换热管管束中心处无较大空隙，壳程流体不易形成短路或流动死区，管间不易结垢；

②在U形换热管的弯曲段设置了折流杆或弹簧、波网、空心环等管间支承件，可降低管束振动，强化换热管弯曲段的传热效果；

③在筒体上设置了供壳程清洗的接口，使壳程清洗较方便；

④将U形换热管的两端分别固定在2块管板上，减小了管板直径和厚度，降低了管板与换热管焊接时的约束应力及管子与管板间的焊接残余应力，可提高换热器的安全可靠性。

四、换热器的设计

1.换热器管形的设计

管子外形有光管、螺纹管。

相同条件下,采用螺纹管管束比光管管束能增加换热面积2倍左右。

同时,由于螺纹管的螺纹结构能有效破坏流体边界层,有效提高了换热器的传热能力。

当壳程介质易结垢时,由于外螺纹管束沿轴向的胀缩作用使换热管外壁的硬垢脱落,具有良好的自洁作用,能够有效防止管束外壁的结垢,减小换热器壳程热阻,提高换热器的传热能力。

2.换热器管径的设计

由于小直径换热管具有单位体积传热面积大,换热器结构紧凑,金属耗量少,传热系数高的特点,在换热器结构设计中,对于管程介质清洁、不易结垢的介质,采用小管径管束能有效增加换热面积。

相同条件下,采用Φ19mm管束比采用Φ25mm管束能提高传热面积30%～40%,节约金属20%以上。

3.换热管排列方式的设计

管子的排列方式有等边三角形、正方形和同心圆排列等,对于壳程介质不易结垢或可用化学方法清洗污垢的介质,采用三角形排列可使换热器的外径减小15%;对于需要机械清洗的管束,管子排列应采用正方形;对于小于300mm的换热器,为使管束排列紧凑,可采用同心圆排列。

4.管子与管板的连接

管子固定在管板上，其应力比其他部位复杂，因此应根据工艺介质、选用材料、使用温度压力等分别选用不同的管子与管板连接结构，它有强度焊，强度焊加轻胀，强度胀加密封焊，强度胀，强度焊加强度胀。

5.管子与管板连接的检验

（1）水压试验

一般换热器应在壳程和管程分别进行水压试验，当管程设计压力高于壳程设计压力，可采用提高壳程试验压力使其达到管程要求的试验压力，但应不超过壳体材料在试验温度下屈服强度，又要考虑法兰及开孔补强等能否满足要求，如不能满足以上要求，可先在壳程和管程分别进行水压试验以后，当壳程设计压力用进行空气试压，当设计压力用设计压力作气压试验来检验管子与管板连接的质量。

（2）氨气试验

管子与管板连接用氨气试漏的灵敏度比空气高，它适用于剧毒介质；管程为高压而壳程为低压，复合管板的场合，壳程用0.15MPa氨气试压，在管板上用石芯试纸检验连接的质量，但应注意氨气的严密和安全，以免泄漏到大气中，造成试纸失灵。

（3）用卤素或氦气检验

检验管子管板连接密封性最严格最好的方法，它适用于剧毒致死介质；壳管程介质混合会发生爆炸的介质；管内装填昂贵触媒（如环氧乙烷反应管内装银触媒）壳程产生高压蒸气，一旦泄漏，触媒全部报废。

以上这些条件才采用此种检验方法；卤素检验规范规定允许泄漏量为1×

标准米/秒；氦气检验规范规定允许泄漏量为1×

标准米/秒。

换热器是石油、化工中重要的热工设备,对换热器进行科学的计算,对换热器的结构进行合理的设计,是换热器性能的重要保证。

换热器的热工计算是换热器设计的基础,也是换热器结构设计的前提,因此在换热器的设计中,只有经过对换热器结构参数的不断调整,反复计算,才能使换热器的性能更高,设计更加合理。

参考文献

[1]柴诚敬，张国亮主编.化工流体流动与传热.2版.北京：

化学工业出版社，2007.7

[2]郑津洋，董其伍，桑芝福主编．过程装备设计.3版.北京：

化学工业出版社，2010.6

[3]GB150-1998.钢制压力容器.全国压力容器标准化技术委员会

（CNSCPV）

[4]GB151-1999.管壳式换热器.全国压力容器标准化技术委员会

（CNSCPV）

[5]张子峰主编.合成氨生产技术.北京:

化学工业出版社，2006.