制氢转化炉内温度分布的模拟与炉管热应力分析
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。
制氢转化炉;温度场;数值模拟;热通量;CFD软件;热应力分析
北京化工大学
硕士
化工过程机械
戴凌汉
2012
中文
TQ116.2
94
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）