制氢转化炉内温度分布的模拟与炉管热应力分析

摘要

制氢转化炉是天然气水蒸汽重整制氢装置的关键设备，其辐射室内的温度场对转化管寿命和氢气产率有重要影响。本论文首先对制氢转化炉辐射室进行传热计算，对炉管进行壁厚计算和结构设计。然后采用CFD软件FLUENT对辐射室内的温度场和转化管外壁面的温度分布进行数值模拟，最后采用有限元软件ANSYS对转化管进行热结构耦合分析，另外通过对弹簧支吊架进行接触分析来校核其强度。主要结论如下:
　　 1.辐射室流场受燃烧器喷嘴高速射流的影响较大。喷嘴高速射流形成回流，使烟气向中间偏流并造成远离烟道出口的高速射流更快衰减。辐射室下部流场分布较均匀。
　　 2.辐射室温度场分布不均匀，燃烧器下方一定范围内温度较高，到辐射室下部烟气温度较低且分布趋于均匀。远离烟道出口的燃烧器的火焰较短，靠近烟道出口的燃烧器火焰较长，两个燃烧器的火焰均向中间偏斜。大量吸热使转化管周围温度梯度较大。
　　 3.转化管外壁面热通量沿高度方向分布不均匀，呈现先增大后减小的规律。最大热通量出现在距离炉顶1/3炉膛总高附近。位于中间的转化管的热通量大于两边的转化管的热通量。
　　 4.转化管外壁面温度沿高度方向分布不均匀，呈现先增大后减小的规律。最大温度出现在距离炉项1/3炉膛总高附近。位于两边的两根转化管，温度值明显低于中间的转化管，且温度梯度很大。
　　 5.转化管热应力远大于压力引起的应力，最大热应力出现在内壁面上且该位置内外壁温差最大。转化管在高温下发生较大轴向热变形，上下尾管的S形设计避免较大应力的产生。按压力容器分析设计法对转化管和尾管应力进行校核，能够满足强度要求。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 天然气水蒸汽重整制氢技术简介

1．2．1 天然气水蒸汽重整制氢工艺简介

1．2．2 制氢转化炉简介

1．3 本论文的主要研究内容

第二章 制氢传热计算及炉管组件的设计

2．1 制氢转化炉辐射室传热计算

2．1．1 辐射室的燃料燃烧计算

2．1．2 辐射室的热平衡计算

2．1．3 辐射室出口烟气温度计算

2．2 制氢转化炉炉管的设计

2．2．1 转化管的结构设计与计算

2．2．2 尾管的结构设计

2．3 燃烧器与弹簧吊架的设计

2．3．1 燃烧器的数量与选用

2．3．2 弹簧支吊架选型与结构设计

2．4 本章小结

第三章 制氢转化炉CFD分析

3．1 数值模型和计算方法

3．1．1 制氢转化炉几何模型和网格划分

3．1．2 制氢转化炉数值模型

3．1．3 物性设置

3．1．4 边界条件和求解控制

3．1．5 辐射室和转化管耦合计算方法

3．2 辐射室数值模拟结果分析

3．2．1 辐射室流场

3．2．2 辐射室温度场

3．3 转化管数值模拟结果分析

3．3．1 外壁面热通量分布

3．3．2 外壁面温度分布

3．4 本章小结

第四章 制氢转化炉炉管和支吊架有限元分析

4．1 炉管热结构耦合分析

4．1．1 有限元模型

4．1．2 边界条件

4．1．3 求解结果分析

4．2 支吊架接触分析

4．2．1 有限元模型

4．2．2 边界条件

4．2．3 求解结果分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 课题展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书