整体锻焊式氨合成塔电加热器设计.doc

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1、整体锻焊式氨合成塔电加热器设计1.1 电加热器的作用及其结构氨合成塔内的电加热器主要用于触媒的升温还原，操作不正常时调节进触媒层气体的温度或有些塔由于操作压力低，触媒活性差，反应热不足维持反应气体的自身热平衡，电加热器需经常连续运行。电加热器加热能力可通过电压调节器调节。1.1.1 电加热器设计的一般要求1电加热器功率应满足触媒在升温、还原过程中，所需要的热量。使触媒得到充分的还原，发挥触媒的活性；2密封、绝缘性能可靠；3气流通过电加热器阻力降小；4结构简单、制造、安装、维修方便；5材料消耗少，节省贵重金属；6使用寿命长，电热元件的局部温度，不超过其允许值。1.1.2 电加热器结构型式选择电加

2、热器一般由上下电极杆、绝缘套管、绝缘垫块、中心吊杆（管）、绝缘子、绝缘子框（夹）、电炉丝（带）、电炉丝导电衬管、联接极、定位环、接线卡等零部件组成。电加热器的电热元件通过合成塔顶盖开孔用中心吊杆，悬挂在触媒筐中心管内，或悬挂在触媒筐上部。其引出线通过密封绝缘套管固定在塔堵头（小盖）上，电源进线与此相连。电加热器的结构型式按电热元件与中心吊杆（管）的组装方式划分，常用的有以下三种。 1直挂式 电炉丝与中心吊杆（管）平行，直挂。电炉丝穿过绝缘子用绝缘子框（夹）与中心吊杆（管）相联接并定位，这种结构简单，但热效率稍差。直挂式夹持绝缘子的屏蔽面积较小。电炉丝均匀布置在气流空间内，电炉丝间距离较大，热辐

3、射的相互吸收和屏蔽较小，电炉丝与空间气流接触面积较大，设计合理时，也能获得较大的传热系数，在三相电加热器中，一般用Y形接线。在单相中常用V形或W形接线。无论采用那种接线方式，电热元件与电加热器中心轴线均应平行。电热元件与中心吊杆（管）及触媒筐中心管管壁间绝缘距离，根据温度和500伏电压等级，应不小于5毫米。以免产生击穿现象，电热元件下端不固定，以免受热弯曲，而减少绝缘距离，甚至短路。2双路螺旋式用两根电炉丝通过耐高温绝缘体旋绕在中心吊杆（管）上。这种结构必须在机床上绕制，绝缘处理麻烦，维护检修也不方便。同时螺旋间距较近，绝缘体的屏蔽及热辐射的相互吸收，相对直挂式而言，比较大。所以对流传热系数较

4、低。3盘式由带状电阻带盘绕而成，应用较少。综上所述本设计选用直挂式电加热器。1.2 电加热器材料的选择1.2.1 电热元件材料的一般要求1耐高温。在使用温度下有良好的抗氧化、抗氢、氮腐蚀的性能。2热稳定性好。在温度变化时，有足够的强度，不裂不碎。3有较大的比电阻和较小的温度系数，尺寸不大的电热元件应具有较大的电阻，使炉丝发热量稳定。4化学稳定性好。在使用温度下和氨合成塔塔内气体不产生化学反应、不蒸发、不变跪、不变形。5使用寿命长。6机械加工和焊接性能良好。在冷态下能改变形状，又能焊接。1.2.2 电加热器材料的选择1电炉丝，可供选择的材料有：镍铬合金、镍铬铁合金、0号铁铬铝、2号铁铬铝、镍铜合

5、金（康铜）、新康铜等。本设计选用Cr20Ni80。 2电极杆、中心吊杆（管），材料常用1Cr18Ni9Ti。3绝缘子材料 国内绝缘子材料：氧化铝瓷（Al2O3含量在7695%）、碳化硅（SiC）、刚玉等。碳化硅硬度大，易磨损电炉丝。刚玉的强度比含76%的氧化铝瓷的强度高，但对电炉丝磨损亦有影响。为克服氧化铝瓷易碎的缺点，可适当提高其Al2O3的含量，以增加绝缘子的强度。本设计选用氧化铝瓷绝缘子，其Al2O3含量在8595%左右。 4电炉丝导电衬管材料为紫铜。 5绝缘垫块材料为氧化铝瓷（Al2O3含量在65%左右）。6绝缘套管材料。 国内绝缘套管材料曾用：聚四氛乙烯，琥珀云母或1号白云母涂有机硅

6、漆。聚四氟乙烯作绝缘套管时，其使用温度应小于250，以免团聚四氟乙烯软化，影响绝缘和密封性能。一般应用在500毫米以下合成塔中。琥功云母和1号白云母耐热温度可达550，一般800毫米以上合成塔均采用它们涂有机硅漆来制作绝缘套管。本设计绝缘子材料选用琥珀云母。1.3 电加热器功率的确定电加热器的功率与还原初期的空速、触媒的装填量、换热器能力的大小、还原气的成份、还原时压力以及控制的水汽浓度，热损失等等有关。1触媒还原时需要的热量Q1 (6-1) (6-2)式中 G理论出水量，kg/h。已知：A110-5Q型触媒堆密度2.8kg/l，触媒的铁比值（Fe+2/Fe+3）为0.62，其总铁（Fe+2+

7、Fe+3）含量为67.85%，其理论出水量计算如下：触媒还原的化学反应方程式如下： (6-3) (6-4) 令FeO在触媒中所占百分比为a%，Fe2O3在触媒中所占百分比为b%。触媒的堆密度为2.8 kg/l = 2800 kg/m3，由本书5.2.1节知触媒容积Vk =14.15 m3则触媒的总重量W为 kg则FeO反应出水量为： (6-5) (6-6)总出水量：X = x + y 由已知 (6-7) (6-8)联立式(6-7)、 (6-8)解得：Fe+2=0.2597，Fe+3=0.4188总出水量： kg由生产实践经验取A110-5Q型触媒还原所需的时间为155h，则 kg/h故触媒还原

8、时需要的热量：kcal=51.27 kw/h2水汽化所需热量Q2 (6-9)kcal=50.42 kw/h式中水的汽化热，593kcal/kg。3使触媒升温需要的热量Q3 (6-10)kcal=161.18 kw/h其中 Gk触媒重量，39620 kg；Ck触媒热容，0.14kcal/kg升温速率，25/h。4还原时气体升温所需的热量Q4 (6-11)kcal=6061.08 kw/h其中 V气量，kmol/h（为触媒还原时的空速，取为6000小时-1）；还原气体比热，7.44 kcal/kmol；气体进出塔温差，；5内件每小时升温时的蓄热Q5 (6-12)kcal=41.84 kw/h其中

9、G2内件重量，计为12000kg；C2内件比热，0.12kcal/kg；温差，25；6氨合成塔升温还原时所需热量Qkw/h考虑电压降和过负荷的可能性以及热损失。氨合成塔电加热器功率取为： P总=kQ (6-13)=1.26370.79=7644.95千瓦/小时。（k安全系数，取为1.2）取P总为7645千瓦/小时。1.4 电热元件的电气计算1.4.1 电加热器端电压的选择在电加热器功率相同的情况下，端电压越高，所消耗的电热材料越少。所以提高端电压是有一定经济效果的。根据我国工业用电标准，本设计选定电加热器的端电压为500V。1.4.2 电加热器相数的选择根据电加热器结构和功率的大小，可将电加热

10、器分为单相和三相。直挂式电加热器多采用三相。三相电加热器都采用星形接法。本设计采用三相电压星形接法。1.4.3 电加热器的温度调节方式我国曾普遍使用的调压装置是感应电压调整器，它能大幅度均匀地调节电加热器的端电压，达到调节塔内温度的目的。但感应电压调整器价格贵，体积重，耗铜量大。后来，可控硅调压装置日趋取代感应电压调整器，克服了感应电压调整器的的缺点。本设计采用可控硅调压装置对电加热器进行调节控制。1.4.4 电热元件的计算1计算条件电加热器总功率7645kW；电加热端电压500V；电加热器为直挂式三相星形结线；电炉丝材质为Cr20Ni80。2电炉丝在工作温度下的电阻率 (6-14) mm2/

11、m 式中 电炉丝在20时的电阻率，1.12 mm2/m；电炉丝在20时的电阻温度系数，8.510-6；t 电炉丝使用温度，取900。3电炉丝直径d (6-15) mm选用58电阻丝。其中 P电加热器每相电炉丝的功率，kW；电加热器的端电压， V；W允许电炉丝单位表面允许热负荷，20 W/cm2。4电炉丝截面积 q (6-16) mm25每相电炉丝长度l (6-17) m6每相电炉丝的电阻R (6-18) 7电炉丝每相电流I (6-19) A8电炉丝电流密度is (6-19) A/mm29每相电炉丝散热面积F (6-20) mm2 除去绝缘子遮盖部份后的有效散热面积为 mm210电炉丝单位表面实

12、际热负荷W实际 W/cm211电加热器所需电炉丝总长度和重量Gmm kg 式中：r电炉丝材料的比重，8.4g/mm31.5 电加热器端盖设计由本书3.3.2节可知电加热器端盖与顶盖间采用平垫密封结构，垫片材料退火铝。取电加热器端盖内直径为500mm，由GB150-1998表G2和G3取平垫片宽度为10mm，厚度为6mm。1.5.1 主螺栓及主螺母的设计1螺栓载荷计算a) 预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa： (6-21)式中 DG垫片压紧力作用中心圆计算直径，取为522mm； y垫片比压力，由GB150-1998表9-2取为60.7MPa； b垫片有效密封宽度，10mm。 Nb) 操作状态下需要

13、的最小螺栓载荷Wp (6-22)式中 m垫片系数，由GB150-1998表9-2取为4； pc计算压力，32MPa。 N2螺栓设计a) 预紧状态下 (6-23)式中 常温下螺栓材料的许用应力，查参考文献2表D4得185MPa。 m2b) 操作状态下 (6-24)式中 设计温度下螺栓材料的许用应力，查参考文献2表D4得126MPa。 m2需要的螺栓截面积Am取Aa和Ap中较大值。Am=Ap=8.7710-2 m2螺栓最小截面直径 (6-25)式中 n螺栓个数，取4。m=167.1mm根据GB/T196-2003选取螺栓标准为M1704mm。表6-1 主螺栓及配合螺纹基本尺寸公称直径D、d螺距P中

14、径D2、d2小径D1、d11704167.402165.670螺母高度 mm 取为187mm 螺母外圆直径 mm 取为290mm1.5.2 端盖设计电加热器端盖选用圆形平盖，且材料为16Mn锻件，其结构如图6-1所示：图6-1电加热器端盖结构示意图厚度 (6-21)式中 DG平盖计算直径，522mm； K结构特征系数，操作时0.71； Pc设计压力，32MPa； 设计温度下材料的许用应力，135MPa； 焊接接头系数，采用双面焊对接接头，且100%无损检测，则=1.00。则 mm即mm；mm；mm其中钢材厚度负偏差C1取为0；腐蚀裕量C2取为2 mm。取平盖厚度为250mm由GB150-199

15、8得电加热器端盖及其配合基本尺寸如表6-2图6-2 密封面配合结构示意图 表6-2 电加热器端盖基本尺寸 单位：mmD1DGD2DbDohh1h2dkd1d35125225327621150250220131517255553纵向断面弯曲应力校核纵向断面弯曲应力按式(6-22)校核。 (6-22) 式中 设计温度下平顶盖的许用应力，MPa； MPa其中 y元件系数，取0.7。4a-a环向断面弯曲应力校核a-a环向断面弯曲应力式(8-20)校核。 (6-23)其中 ma弯曲应力，MPa； (6-24) MPa a剪应力，MPa； (6-25) MPa则 所以电加热器端盖满足强度要求。5法兰环上两螺栓孔中心距 mmmm 在范围内，满足扳手要求