超大型天然气制合成气蒸汽转化炉工程技术研究

论文摘要

以天然气为原料通过蒸汽转化生产合成气（CO+H2）,用于氨、甲醇等等大宗化工产品或液体燃料的生产,是重要的天然气转化利用技术,是当前天然气制合成气装置中应用最为普遍和成熟的技术。装置大型化已成为近年来石油化工领域的发展趋势,合成氨、甲醇以及制氢装置的生产能力都扩大了数倍,因此必须对这些装置的核心设备—蒸汽转化炉的大型化进行详尽的工程研究。本文采用计算机辅助设计技术并结合转化炉的设计和操作经验,对超大型蒸汽转化炉的工程问题进行了研究和探讨。首先为了保证转化炉结构的紧凑型,通过对比和分析确定了催化剂的碳空速和炉管热强度值,然后采用建立三维模型和应用CFD模拟的方法,经过分析比较模拟结果,确定了燃烧器的定位系数和工艺参数；同时对炉底烟道的开孔参数进行了调整,缩小了炉内滞留区域的体积,最终优化了蒸汽转化炉炉内温度场和烟气流场的均匀性。采用有限元计算方法和CFD模拟相结合,优化了转化炉重要部件的强度设计,同时为了确保转化炉结构的可行性,对转化炉辐射室的复杂管系进行了应力分析验证。本文的研究成果可广泛应用于甲醇、炼厂制氢、MTO以及GTL装置,更重要的是以技术为先导,拥有中国自己的大型转化炉技术,辅助以我国制造业价格优势,可以使中国的工程企业在海外市场的合成气制备装置EPC项目具有强大的竞争力,为开拓国际工程市场奠定良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 超大型天然气制合成气蒸汽转化炉工程技术研究的意义
• 1.1.1 装置大型化规模效应
• 1.1.2 经济效益
• 1.1.3 开发偏远地区的天然气资源
• 1.2 超大型蒸汽转化炉的国内外研究进展
• 1.2.1 转化管材料的改进
• 1.2.2 催化剂性能的提高
• 1.2.3 其它附属设备和材料的发展
• 1.2.4 设计和计算手段的提高
• 1.3 大型化后存在的主要工程问题
• 1.3.1 放大后的均匀化
• 1.3.2 重要部件的设计和计算
• 1.3.3 转化管系应力分析
• 1.3.4 三维设计平台的使用
• 1.4 研究目标和工艺基础条件
• 第2章 超大型蒸汽转化炉的紧凑性研究
• 2.1 碳空速和热强度
• 2.2 分析和取值
• 2.3 结构设计措施
• 第3章 转化炉辐射室CFD研究
• 3.1 CFD研究概述
• 3.2 辐射室的CFD模拟过程
• 3.2.1 预处理
• 3.2.2 物理化学模型及边界条件
• 3.3 模拟过程及结果分析
• 3.3.1 燃烧器位置
• 3.3.2 烟道开孔配置
• 3.3.3 燃烧器的功率分配
• 3.3.4 燃烧器的动量比
• 3.3.5 辐射室CFD模拟结论
• 第4章 转化炉重要部件的强度设计
• 4.1 对流段中间管板CFD模拟
• 4.1.1 CFD模拟的边界条件和方法
• 4.1.2 物理模型及边界条件
• 4.1.3 结果分析
• 4.1.4 CFD模拟结果小结
• 4.2 对流段中间管板的强度设计
• 4.2.1 载荷分析
• 4.2.2 边界条件
• 4.2.3 应力分析及其结果
• 4.3 下集气异形管件的应力分析
• 4.3.1 载荷分析
• 4.3.2 应力分析及其结果
• 4.3.3 强度评定
• 第5章 辐射管系的应力分析
• 5.1 辐射管系结构特点分析
• 5.2 计算程序及校核准则
• 5.3 边界条件与操作参数
• 5.4 计算结果分析
• 5.4.1 弹簧提重
• 5.4.2 下集气管约束点数量
• 5.4.3 下猪尾管的规格
• 5.5 辐射管系应力分析结论
• 第6章 三维设计平台的应用
• 6.1 超大型转化炉三维设计流程
• 6.2 采用三维设计平台的优点
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢