工艺技术-年产14万吨合成氨脱硫工艺设计论文(doc 43页)

、 郑州大学 化工与能源学院 专业 化学工程与工艺 班级 4 班 姓名 张晓丹 学号 20110380429 题目 年产 14 万吨合成氨脱硫工艺设计 指导老师 万亚珍 职称 教授 李亦帆 职称 博士 系主任 侯翠红 职称 教授 2015 年 1 月 24 日 、 0 目录 1.设计任务书 .2 1.1 设计要求 .2 1.2 设计依据 .2 2.工艺设计条件 .3 3.工艺流程叙述 .4 3.1 概述 4 3.2 生产流程简述 4 3.2.1 原理 .4 3.2.2 工艺流程简图 .6 4.主要工艺指标 .6 4.1 设计方案的确定 6 4.2 物料衡算 7 4.2.1 吸收塔的物料衡算 .7 4.2.2 各流股的物料衡算 .8 4.3 热量衡算 9 5.工艺设计 .9 5.1 基础物性数据 9 5.2 吸收塔的设计 10 5.2.1 塔径计算 10 5.2.2 塔径校核 12 5.2.3 填料层高度及分段 12 5.2.4 填料塔压降的计算 16 5.2.5 填料支撑板 17 5.3 喷射氧化再生槽的计算 .18 5.3.1 槽体的计算 18 5.3.2 扩大部分直径 18 5.3.3 再生槽高度 18 5.3.4 喷射器计算 19 5.4 冷却塔的设计 22 5.4.1 冷却塔的计算 22 5.4.2 冷却塔校核 24 5.4.3 分布器的设计 34 5.4.4 丝网除沫器的设计 37 5.4.4 冷却塔的选管 .39 5.4.5 塔底防涡器的设计 .40 6.设计感悟 .41 1 1.设计任务书 1.1 设计要求 设计年产 14 万吨合成氨脱硫工艺，半水煤气含硫 4.8g/Nm3, 脱硫方法用氨水液相催化 法，填料塔脱硫；富液再生采用喷射氧化再生槽。 1.2 设计依据 1) 化工工艺设计手册（第四版） （上、下册） 2) 小合成氨厂工艺技术与设计手册 （上、下册） 3) 陈声宗等主编，化学工业出版社出版的化工设计第三版教材 4) 填料手册（第二版） 5) 化工设备设计全书（塔设备分册） 6) 塔填料产品及技术手册 7) 小合成氨厂工艺技术与设计手册 （上、下册） 8) 给水排水设计手册 9) 化工设备设计手册 （上、下卷） 10) 化学化工物性数据手册（无机卷、有机卷） 11) 现代塔器技术 （第二版） 12) 小氮肥厂工艺设计手册 13) 李登松.脱硫填料吸收塔的工艺设计研究J.化工装备技术,2013,34(6):41-45. 14) 徐组根.冷却塔设计J.河南化工，1999,8:31-34. 15) 曾国安.冷却塔的设计计算J.机电产品开发与创新,2009,22(4):76-78. 16) 董谊仁，过健.填料塔排管式液体分布器的研究和设计J.化学工程，1990,18（3）： 28-35. 17) 董谊仁，裘俊红，陈国标等.填料塔液体分布器的设计J.化工生产与技术， 1998,18：1-6. 2 18) 张硕德.防涡流器的设计J.化工设备设计，1983,18（23）：42-43. 19) 白二川.半水煤气直冷塔的计算与设计J.化肥设计，2010,48（2）：11-15. 20) 杨怀林.水冷却塔的设计J.特钢技术，2009,15（58）：53-54. 2.工艺设计条件 设计能力：14 万吨合成氨/年 半水煤气中硫含量：4.8g/Nm 3 年工作日：310 天 半水煤气消耗定额：3200 Nm 3/ 吨氨 半水煤气组成（干基）： 表 1 半水煤气组成表 组成 H2 N2 CO CO2 O2 CH4 合计 体积 （%） 42 19 26 11 0.7 1.3 100 半水煤气压力：压缩机出口压力 4800 mmH2O 柱 气体温度：36 溶液温度：32 贫液组成： 总氨含量：1.0M 碳化度 R=C/A=0.63 总硫化氢：20.0g/m 3 硫容： 0.17kg/Nm 3 比重：1034kg/m 3 脱硫后半水煤气含硫： 0.1 g/Nm 3 富液组成： 总氨含量：1.0M 碳化度 R=C/A=0.65 总硫化氢：240.0g/m 3 比重：1034kg/m 3 再生过程：采用喷射氧化再生槽 喷射器入口压力：4atm(表压) 3 液温：30 吹风强度：100m 3/ m3 3.工艺流程叙述 3.1 概述 由于生产合成氨的各种燃料中含有一定量的硫，因此所制备出的合成氨原料气中，都含 有硫化物。其中大部分是无机硫化物硫化氢（H 2S） ，其次还有少量的有机硫化物，如硫氧化 碳（COS） 、二硫化碳（CS 2） 、硫醇（RSH） 、噻吩（C 4H4S）等。原料气中的硫化物，对合成氨 生产危害很大，不仅腐蚀设备和管道，而且能使合成氨生产过程所用催化剂中毒。 脱硫方法有很多，按脱硫剂物理形态可分为干法和湿法两大类，前者所用的脱硫剂为固 体，后者为溶液。当含硫气体通过这些脱硫剂时，硫化物被固体脱硫剂所吸附，或被脱硫溶 液所吸收而除去。 3.2 生产流程简述 3.2.1 原理 脱硫反应 氨水对苯二酚氧化法也称为氨水液相催化法，是用含有少量对苯二酚（载氧 体）的稀氨水溶液，脱除原料气中的硫化氢。氨溶于水，大部分与水结合为一水合氨 NH3H2O，并部分电离成 NH4+和 OH-，所以氨水显弱碱性。氨水与含硫化氢的原料气接触时， 发生如下中和反应： NH4+OH-+H2SNH 4HS+H2O +Q 该反应为放热反应，但因气体中硫化氢含量较少，放热量不大，溶液吸收硫化氢后温升 很小。当溶液 pH 值小于 12 时，被吸收的硫化氢主要以 HS-形式存在，S 2-可忽略不计，因此 用稀氨水脱硫时，只生成 NH4HS。 当原料气中含有二氧化碳及氰化氢时，也被氨水吸收，其反应如下： 4 NH4+OH-+CO2NH 4HCO3 2NH4+2OH-+CO2(NH 4)2CO3+H2O NH4+OH-+HCNNH 4CN+H2O 虽然稀氨水能同时吸收硫化氢和二氧化碳，但在气液两相接触面积很大、接触时间很短 的条件下，氨水吸收硫化氢的速度比吸收二氧化碳的速度大 80 倍左右，具有良好的选择性。 根据这一特点，在脱硫过程中增大气液接触面积，缩短接触时间，既能有效的脱除硫化氢， 又能减少气体中二氧化碳的损失。 再生反应 再生塔内，对苯二酚在碱性溶液中被空气氧化为苯醌： OHOHoo+1/2O=+H2O 脱硫过程生成的硫氢化铵，在苯醌的作用下氧化为单质硫： OO OHOH+H2O=N4+OH-S+NH4S+ 再生过程的总反应可用下式表示： NH4S+1/2ONH4+OH-+S二二二二 生成的单质硫，呈泡沫状态浮于液面，使溶液获得再生。 同时，有如下副反应发生： (NH4)2SO3+H2O2NH4S+2O2 (4)2S3+224+2H-+S2NH4CSN4C+S 5 3.2.2 工艺流程简图 图 1 脱硫工段工艺流程简图 原料气从吸收塔下部进入，与塔顶喷淋的脱硫液逆流接触，半水煤气中 H2S 被脱硫液吸 收后从塔顶引出，经气液分离器分离出夹带的液滴后送往下段工序。 吸收了硫化氢的富液从吸收塔底排出，经液封、富液槽、富液泵通过溶液加热器加热 (夏季则为冷却)后送往喷射器；从喷射器尾部出来的两相液体由再生槽下部上升，完成与再 生塔相同的浮选过程，再生槽上部溢流出的硫泡沫经硫泡沫分离槽放入熔融釜熔硫。硫磺放 入硫磺铸模冷却后即成硫锭。由再生槽贫液出口处引出的贫液经液位调节器、贫液泵送回脱 硫塔循环使用。 4.主要工艺指标 4.1 设计方案的确定 吸 收 塔 的 工 艺 设 计 方 案 主 要 包 括 吸 收 剂 、 吸 收 流 程 、 解 吸 方 法 、 设 备 类 型 和 操 作 参 数 的 选 择 等 内 容 。 对 于 吸 收 操 作 ， 选 择 适 宜 的 吸 收 剂 ， 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 吸 收 剂 的 好 坏 对 吸 收 操 作 的 经 济 性 有 着 十 分 重 要 的 影 响 。 一 般 情 况 下 ， 选 择 吸 收 剂 要 着 重 考 虑 如 下 问 题 ： 1) 对 溶 质 的 溶 解 度 大 ； 6 2) 对 溶 质 有 较 高 的 选 择 性 ； 3) 不 易 挥 发 ； 4) 再 生 性 能 好 ； 4.2 物料衡算 氨水液相中和法脱硫为化学吸收过程，低浓度吸收，近似满足恒摩尔流假定，即假定在 吸收过程中，液相流量 L 和气相流量 G 不变，液相中的氨含量为常量，且吸收过程是等温 的，传质系数为常量，物料衡算过程如下： 4.2.1 吸收塔的物料衡算 （1）水煤气进（出）塔流量 V0，Nm 3 /h V0=141043200/（31024）= 60215.05Nm 3/h （2）H 2S 脱除量，G 1 ，kg/h G1=60215.05（4.8-0.1）/1000=283.01kg/h （3）溶液循环量 LT，m 3/hST/1 式中 S溶液硫容量，kg/m 3,S 取(0.24-0.02)=0.22kg(H 2S)/m3 LT=283.01/0.22=1286.41m3/h （4）理论所需空气量 氧化 1kgH2S 所需空气量 V1=1/430.522.41/0.21=1.57Nm3/h 理论所需空气量 V2=283.01/1.57=180.26Nm3/（hm 3） 设计条件所给吹风强度为 100Nm3/（m 3 h） ，计算所需最小吹风轻度为 180.26 Nm3/（m 3h）,故应使用两台设备。 （5）理论硫回收量，G 2，kg/h G2=60215.05(4.8-0.1)/100032/34=266.36kg/h （6）理论硫回收率 7 =（4.8-0.1）/4.8100%=97.9% （7）硫泡沫生产量，G 3，m 3/h G3=G2/S0 式中 S 0 硫泡沫中硫含量，kg/m 3,此处取 S0=30kg/m3 G3=266.36/30=8.88m3/h 表 2 物料衡算表（以小时计） 入（出）脱硫塔气体流量 60215.05Nm3 再生理论所需空气量 180.26 Nm3 H2S 脱除量 283.01Kg 硫磺理论产量 266.36Kg 脱硫液循环量 1286.41m3 硫泡沫生成量 8.88 m3 4.2.2 各流股的物料衡算 在吸收塔内，原料气中的 H2S 和 CO2 与氨水发生中和反应，被吸收，因此净化气中含 量相对减少。液相中对苯二酚为氧化再生时催化剂，假定整个过程中含量不变。进、出吸收 塔的各流股组分、含量如下： 表 3 原料气 气体 H2 N2 C0 O2 CO2 CH4 H2S 体积分数% 41.87 18.94 25.92 0.70 10.96 1.30 0.31 表 4 净化气 气体 H2 N2 C0 O2 CO2 CH4 H2S 体积分数% 42.42 19.19 26.26 0.70 10.14 1.31 0 表 5 贫液 组分 总氮含量 碳化度 总 H2S 含量 对苯二酚 含量 1mol/L 0.63 20g/m3 0.25g/L 表 6 富液 组分 总氮含量 碳化度 总 H2S 含量 对苯二酚 8 含量 1mol/L 0.65 240g/m3 0.25g/L 4.3 热量衡算 （1）冷却塔热负荷 Q，KJ/h（忽略冷却过程中水汽的焓变） Q1=G0Cp(t1-t2) 式中，G 0入冷却塔半水煤气含量，Kmol/h Cp半水煤气的平均等压比热容，KJ/(KmolK) 计算结果 Cp=30.44 KJ/(KmolK) t1，t 2 为进、出冷却塔半水煤气温度，取 t1=80，t 2=36 Q1=60215.05/22.430.4555554（80-36）=3.6 106KJ/h （2）冷却水消耗量，W ， Kg/h W=Q/(Cp t) 式中，t冷却水温升，此处取 t=6 Cp水的比热容，取 Cp=4.178KJ/(KgK) W=3.6106/(4.1786)=143.6103 Kg/h 5.工艺设计 5.1 基础物性数据 （1）液相物性数据 对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，32时溶 液的有关物性数据如下： 密度为 L=1034 kg/m3 9 黏度为 L=0.6828mPa.s=2.46 kg/(m.h)；=993/1034=0.96 表面张力为 L=69.9410-3N/m 由手册查得，15时 H2S 在水中的扩散系数 D0=1.7710-9 m2/s，黏度 0=1.2 mPa.s，故 可得 32时 H2S 在水中的扩散系数 DL=D0T/T0 0/ L=1.7710-9（32+273.15）/（15+273.15） （1.2/0.6828） =3.310-9m2/s=1.18810-5m2/h 液相质量流量： LS=LTL=1286.411034=1330148kg/h （2）气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 MV=yiMi=(2819%)+(4411%)+(2826%)+(242%)+(320.7%)+（161.3%） =18.71kg/kmol 混合气体的平均密度为 G=PMV/(TR)=15.13/10.33101.32510318.71/(273.15+36)8.314=1.08kg/m3 混合气体的粘度可近似取为空气的黏度，查手册 36空气的黏度为 G=0.0186mPa.s=0.06696 kg/(m.h) 由手册查得，10.33mmH 2O、0时 H2S 在空气中的扩散系 D0=0.19810-4 m2/s，故可得 32时 H2S 在水中的扩散系数 DG=D0(T/T0)1.81P0/P=0.19810-4(36+273.15)/273.151.81（10.33/15.13）=1.6910 - 5m2/s=0.061m2/h 气相质量流量： G =V0T/T0P0/PG=60215.05(36+273.15)/273.1510.33/15.131.08=50252.6kg/h 5.2 吸收塔的设计 5.2.1 塔径计算 采用 Eckert 通用关联图计算泛点气速，塔底混合气相质量流量为： 10 V=50252.6kg/h，液相质量流量 Ls=1330148kg/h XF=(Ls/V)(G/L)0.5=(1330148/50252.6) (1.08/1034) 0.5=0.8554 查塔填料产品及技术手册 ，阶梯环填料气相流动阻力小，生产能力高，故选用 502515 乱堆聚丙烯阶梯环填料。查得泛点填料因子 f=127 m-1，比表面积 t=114.2m2/m3。 3/1VLG 图 2 填料塔液泛、压力降通用关联图 从上图查得：X F=0.8554 垂线与散堆填料液泛总线相交可读出 YF=0.025 橫坐标： 0.5LVG 纵坐标： 2.Lug 各物理量的意义如下： V、L 气体与液体的质量流速 kg/h； G、 L气体与液体的密度 kg/m3; 填料因子 m-1； 11 20.25FLGYug 泛点气速 0.2 0.2.09.81343/176FLGu ms 实际泛点气速 u=(0.50.8)uF，此处取 .61./Fu 由此可得塔径 D= 4756/30.71.14.2SVmu 圆整塔径，取 D=3.8m 5.2.2 塔径校核 （1）泛点率校核： 24756/301.6/.8.%57(在 允 许 的 范 围 内 )Fums （2）填料规格校核： D3.86d05 （3）液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 hmLw/08.)(3min 查填料手册得 min2186.413.50.75UU 经以上校核可知，填料塔直径选用 D=3800mm 合理。 23 32minin./().0.9.6/twtLah 12 5.2.3 填料层高度及分段 5.2.3.1 传质单元高度的计算 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 45.1exp 2.005.21.075.0 tLLttLLctw UgU 查表得 G=427680kg/h2 L=940896kg/h2 液体质量通量为 322186.40317.0/()75LUkgmh0.10.50.2.5 32 38.714(17.)exp. 94689486.0.4wt 气膜吸收系数由下式计算： 1/30.7.23GtGGtUDkRT 气体质量通量为 2250.643/().78Gkgmh0.71/32.694.2061.31.9188(735)0456/()kmolhkPa 液膜吸收系数由下式计算： 2/31/21/32/3 1/31/23 85.917.0.46.46700.5 .57/4.4680LLLLwUgkD mh 由 ，查表得， 1.wGk5.1 13 则 1. 1. 304561.2074584/Gwka kmolhkPa. 0.413732.6L h57.1%Fu 由 ，得 ,5.0.941 akuakGFG akuLFL2. 506.211.4 32. 1.7587./()1263.L molhPk 对 H2S-氨水体系，溶解度系数为 H=0.0670kmol/(KPam3) 3 215.7/()(2/760).27.535./18. 0.9ma.(./)08GLOYGK kolhkPakVP 5.2.3.2 传质单元数的计算 传质单元数的计算采用对数平均推动力法，假定全塔操作压力不变，为 15.13mH2O，计 算如下： 气相进口 H2S 摩尔分数 y1 314.8/3.600y 气相进口 H2S 分压，P 1，Pa15325.1469yPa 气相出口 H2S 摩尔分数 y2 50./34.901y 气相出口 H2S 分压，P 2，Pa 14 22215.30.256.910.78Py Pa 在低浓度化学吸收过程中，经试差衡算 H2S 的相平衡方程可近似采用 P(H2S)=HC(H2S)， 其中 H=14.93KPa/(mol/L) 出口富液 H2S 摩尔浓度，C 1，mol/L 3140/37.590/cmolL 进口贫液 H2S 摩尔浓度，C 2，mol/L 3/.81/10cl 塔底 H2S 平衡分压，P 1*，Pa *14.97.05.4CPa 塔底 H2S 平衡分压，P 2*，Pa*1.3.8. 压强对数平均推动力，P m，Pa *121*()()(469105.)(9.78.)61.54lnlnmPPa 传质单元数，N OG 12469.78.415OGmP 5.2.3.3 填料层高度的计算及分段 理论计算高度，Z，m 0.297.42.35mOGHN 填料层设计高度一般为 Z*=（1.21.5 ）Z，因此，取填料层设计高度 Z*=1.5Z。*1.5.235.6Z 15 表 7 散装填料分段高度推荐值 填料类型 拉西环 矩鞍 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 h/D 2.5 58 510 815 815 hmax/m 4 6 6 6 6 对于阶梯环填料， , 1hD:max6.h 取 则 ,8h 分段高度 h=83800=30400mm 计算得填料层高度为 3360mm，故不需分段。 5.2.4 填料塔压降的计算 采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降。横坐标为 0.50.5 1348842.6GFLXV 纵坐标为 ( p=89) 16 220.2 0.216890.1.861334pGFLuYg 图 2 埃克特通用关联图 图中， 、 分别为气液相流率,kg/h /V/L 、 分别为气液相密度，kg/m 3G 液相粘度，mPa.S L 液相密度校正系数， =液水 / 实验测取的填料因子，对聚丙烯阶梯环， =143m-1 g重力加速度，m/s 2，g=9.81 m/s 2 由（X F,YF）可查的对应的P/Z=250Pa/m 填料层压降为P=2503.36=840Pa 5.2.5 填料支撑板 栅板是应用比较普遍的一种散堆填料支撑件，它结构简单，自由截面积大，造价比梁 形气体喷射式填料支撑板低。 17 参照化工设备设计手册 （塔设备）关于支撑板的选择，对于塔径 DN800mm 的填料 塔，栅板为分块式，如下： 图 3 分块式栅板 分块栅板和的宽度 l1、l 均应小于等于 400mm，栅板条与边圈、连接板采用焊接， 焊后必须保证栅板的平整度。栅板选用 Q235-A 材质。 5.3 喷射氧化再生槽的计算 5.3.1 槽体的计算 从前面可以看出，需要用两个喷射氧化再生槽并联，故 GA=1286.41/2=643.2 m3/h 再生槽体直径 D1，m 110.785AG 式中，A 1吹风强度，m 3/(hm2)，一般取值为 60120 m3/(hm2)，本设计取值为 A1=100 m3/(hm2)； D1槽体直径，m； GA空气量，m 3/h; 18 ATiGLC 式中，L T溶液循环量，m 3/h，根据装置实际情况而定，本设计中为 1286.41m3/h； Ci喷射器抽吸气液比，m 3/m3，一般取值范围为 2.63.3，本设计取值为 2.8； 故， 1286.4/.84.790751Dm 圆整槽体直径 D1=4.8m 5.3.2 扩大部分直径 取扩大部分直径 D2=0.9+D1=0.7+4.8=5.5m 5.3.3 再生槽高度 （1）再生槽有效高度，H 1，m 1210.78560TLtD 式中，t溶液在再生槽内的停留时间，s，工程上一般取为 810min，本设计取为 t=8min12.4/4.7078560H （2）喷射器出口至槽底距离，H 2，m 根据实际设计经验，H 2 取值为 1m; （3）扩大部分高度，H 3，m 根据经验，H 3 取值为 3.8m； （4）再生槽总高度，H T， m HT=H1+H2+H3=4.7+1+3.8=9.5m 喷射氧化再生槽结构示意图如下， 19 图 4 喷射再生槽 1喷液出口；2富液出口；3硫泡沫出口；4放空口 5.3.4 喷射器计算 5.3.4.1 喷嘴计算 （1）喷嘴个数，n 个 n=LT/Li 式中，Li每个喷射器溶液量，m 3/h，设计取为 40m3/h； n=1286.41/2/40=16 取 n=16 个 （2）喷嘴孔径，d i，m 10.78536iiLw 式中，w i喷嘴处溶液流速，m/s，一般情况下 wi=1825m/s，此处取 wi=20m/s 140.270.78536dm （3）溶液入口管直径，d L，m dL=3di=30.027=0.080m 取 894 管 （4）喷嘴入口收缩段长度，L 5，m 20 512Lidtg 式中， 1喷嘴入口收缩角，取 1=1450.8.70.342Lmtg （5）喷嘴喉管长度，L 6，m 取 L6=3mm （6）喷嘴总长度，L 7，m L7=L5+L6=0.033+0.003=0.036m 5.3.4.2 混合管计算 （1）混合管直径，d m， m 21.30.785id 式中，m喷射器形状系数，取 m=8.5 取 894 管2.0.79d m （2）混合管长度，L 3，m L3=25dm=250.079=1.957m 取 3.2m 5.3.4.3 吸气室计算 （1）空气入口管直径，d 0，mm08./()AGwn 式中，w 0管内空气流速，m/s，取 w0=3.5m/s； 取 1336 管1.26.4/.8/(3.516).d m （2）吸气室直径，d M，mm 取 2194 管220310 （3）吸气室高度，L 1，m 21 取 L1=330mm （4）吸气室收缩管长度，L 2，mm22Mmdtg 式中， 2吸气室收缩角，取 2=300.1.843Ltg 5.3.4.4 尾管直径计算 尾管直径，d e，mm18./ieLw 式中，w e尾管中流体速度，m/s，取 we=1m/s 取 1334 管.40/19dm 5.3.4.5 扩散管长度计算 扩散管长度，L 4，mm23emdtg 式中， 3扩散角，取 3=72189207Ltg 喷射再生器结构示意图如下， 22 图 5 喷射器 1喷嘴；2吸气室；3收缩管；4混合管；5扩散管；6尾管 5.4 冷却塔的设计 5.4.1 冷却塔的计算 （1）已知条件： 塔处理气量：G 0=60215.05Nm3/h 气体进入温度：T 1=80 气体出口温度：T 2=36 进塔水温度：T 3=28 出塔水温度：T 4=34 （2）塔径的计算 气体在工况条件下的体积流量： G=60215.05（273.15+36）/273.1510.33/(10.33+4.8)=47567m3/h 塔径 23 47562.90.785360.830GD mw 圆整，取 3000mm （3）塔高的计算 喷淋密度： 3222143.60./()0.7850785WLmhD: 参照生产厂的实际运行数据，如下 空塔气速：w=1.35m/s 喷淋密度：L 0=17.6m3/(m2h) 对数平均温度：t m=16.2 冷却塔的容积传质系数为 K0=2500KJ/(m3h) 因喷淋密度变化的修正 K 值： 302250.3286/)170.785LWK KJmhD: 对数平均温度： (34） -（ 8） 4ln)02mt C 塔高计算 62 23.10.6.7858754mQH mKDt 5.4.2 冷却塔校核 5.4.2.1 设计的依据 设计压力：P c=0.1474MPa 工作温度：80 24 塔内径：D i=3000mm 塔高：H=12.6m 5.4.2.2 材料的选用 根据容器的受力及结构特点，参照相关的标准，确定筒体、封头、加强板等主要受力 元件材料选用 16MnR，其它非受力件材质选用 Q235A，法兰、人孔盖等受力件选用 16MnR 锻 件（） 5.4.2.3 塔体的设计 (1)塔体壁厚计算 根据所选材质 16MnR，查得查得在 0100范围内许用应力 , 170MPa t 焊缝采用双面对接焊，局部无损探伤，接头系数取 0.85 计算厚度 cD0.131.5m278.472itP 不包括腐蚀裕量的最小壁厚 min3061i 由于 min，故计算厚度 =6mm 若腐蚀裕度取 C2=4mm,钢材轧制的负偏差 C1=0.8mm 设计壁厚 12 +60.84.mn 考虑到此塔的高径比较大，风载荷较大，故应适当增加壁厚，取塔体名义厚度 n=15mm 塔体有效厚度 1250.841.2enC 25 5.4.2.4 封头的设计 根据所选材质以及相关标准要求，选用标准椭圆封头，应力增强系数 k=1，采用整块 钢板冲压而成，焊接接头系数 1 封头厚度： 0.147301.3020.52.547:cTcpDm 为便于焊接，取封头与塔体等厚，即设计厚度 n=15mm，有效厚度 e=10.2mm。 查化工设备设计基础容器及封头标准，根据以上计算所选标准椭圆封头的基本参数如下： 表 7 标准椭圆封头参数表 公称直径 DN/mm 曲面高度 h1/mm 直边高度 h2/mm 厚度 S/mm 内表面积 F/m2 容积 V/m3 质量 G/kg 3000 750 40 16 10.1 3.82 1280 图 6 标准椭圆封头 考虑封头直边高度，裙座等其它塔附件的高度，取塔高 H=1500mm 26 5.4.2.5 质量载荷 塔体质量，按假定壁厚及各自高度计算得： 22301 (3.0)1.6785014644imDHkg 塔内圆筒部分长 12.6m，每个封头的容积为 3.82m3，封头的曲面高度及直边高度分别为 750mm 和 40mm。封头质量 0218kg 液压试验时，塔内充水质量为： 23.63.09654wmkg 塔设备的最小质量由下式计算： min01214289185wmkg 考虑到操作平台、扶梯、塔盘、分布器、人孔、接管、法兰等附件质量，塔体质量取 m=112000kg 5.4.2.6 风载荷的计算 两相邻计算截面间的水平压力为 61201iiiepkqfLD 式中 i水平风力，N 010m 处基本基本风压值，查表郑州取 350N/m iL 第 i 段计算长度，mm if风压高度变化系数 1k体型系数 eiD塔设备各计算段的有效直径，mm 2ik风振系数 27 查化工设备基础 ，取 k1=0.7， l 0=800mm,l1=700mm,由表 17-3 风压高度变化系数， 查得，f 0=f1=0.80 由式（17-15）计算该塔的自振周期为： 30113.9ieDEHmT-31 502.510.242 s 查表 17-4 脉动增大系数，得 =2.56；由表 17-5 脉动影响系数，得 由表 17-6 振型系数，得01.72,0.83 01.,.zz 风振系数 K2i： izii fk/12 求得，K 20= 1.10,k21 = 2.50 为简化计算且偏安全计，取 De0=De1=3500mm 塔体各段风力计算如下： 0800mm 段 60120061.735.835013.7ePKqfl N 8001500mm 段 612101 6720.5eflD 将上述结果代入式 11M()2().iii iWi iilllPPlm 可分别计算出底部（0-0）截面，裙座与塔体连接（1-1）截面的风弯矩，计算结果如 下： 0 6018070()63.712.5(8)1.202:WllP N1 61.5.42:lMNm 5.4.2.7 塔体的强度及轴向稳定性验算 （1）圆筒轴向应力计算 28 介质压力引起的轴向应力按下式计算： 10.137.542ciepDMPa 操作时重力引起的轴向应力计算得： 02198.1.43302ieimga 弯矩引起的轴向应力计算得： 6max322410530ieMMPaD （2）圆筒轴向稳定性校核 计算系数 A： 40.94.01.26.39103eiR 由图 11-5 查得 B=88MPa,已知 t=113MPa,所以 1.2805.6crKBMPa 按下式校核： 23 =11.43+0.0225=11.45MPa cr （3）圆筒拉应力校核 对内压情况校核： 1231.4750.24.1MPa 而 .08.3tK ， 故 123 t （4）塔体液压试验时的应力校核 由试验压力引起的环向应力，按下式计算 式中，P T为试验压力，按 29 取液柱静压力为 ，代入数据，计算得： 由试验压力引起的轴向应力，按下式计算： 由液压试验时重力引起的轴向应力，按下式计算，这里近似取 ，则： 由弯矩引起的轴向应力，按下式计算： 查附表1 压力容器零件附表知，16MnR 材料的 .按下式确定： 取其中较小值。 因 ， 故取 将以上计算各应力代入得， 5.4.2.8 裙座的设计及验算 （1）座体 塔底部截面（0-0 截面）的应力按式下式校核： 正常操作时： 30 MPa 水压试验时： MPa 式中 锥形筒体的半顶角，圆柱形筒体的 圆柱形或圆锥形座体底部截面的截面系数， ，mm 3 Dis座体底部截面的内直径，mm 圆柱形或圆锥形底部的截面积，A sb=D is es，mm 2 设计温度下座体材料的需用应力，MPa； 底部截面 0-0 的最大弯矩，Nmm； K载荷组合系数，取 K=1.2 式中， ； ； 计算出来的结果进行比较 31 裙座上人孔处截面 1-1 的应力按下式进行计算校核： 正常操作时： 水压试验时： 式中 人孔或较大管线引出孔处的最大弯矩，Nmm； 人孔或较大管线引出孔处的风弯矩，Nmm ； 人孔或较大管线引出孔截面以上塔设备的操作质量，kg； 人孔或较大管线引出孔截面以上塔设备在液压试验时的质量，kg 人孔或较大管线引出孔处的截面积 近似取 ， ，则有 则： 可见座体满足强度和稳定性要求。 32 （2）基础环 取基础环内、外径分别为 Dib=2700mm、D ob=3300mm,则 b=300mm，混凝土基础上的最大 压应力为： 0max0ax max.3bbbewbMgzAMP 式中，z b基础环的抗弯截面系数，mm 34463()3.1(027)19.02oibDm Ab基础环的面积，mm 22 62.4()(307).84oi06max 61.1953.9792.bMgMPaz0max66.30.30.814ewbA 故， bmax=3.97MPa 由表 17-8 混凝土许用应力表，查的要使 bmax Ra，则混凝土基础应选用 100 号以上水 泥。 采用 24 个均布的地脚螺栓，带筋板的基础环，设肋板厚度为 24mm，则两相邻肋板最大 外侧间距： 3.1402247.5obDl mn 则 b/l=300/407.75=0.736 由表 17-9 矩形板力矩计算表 可查的 |Mx|=0.212 bmaxb2=0.2123.973002=7.57104Nmm/mm； My=0.0610 bmaxl2=0.06103.97407.752=4.03104Nmm/mm； 故取 Ms=|Mx|=7.57104Nmm/mm。基础材料选用低碳钢，取 b=140MPa，则基础环厚 度： 467.510sbbm 33 考虑腐蚀裕量，圆整后可取 b=60mm （3）地脚螺栓 由螺栓承受的最大拉应力 0min00.25webbBEwebMgzA 其中， 06min 61.198538942.wbbgMPaz 假设地震烈度为 7 度，由表 17-7 查的，地震影响系数 的最大值 max=0.23。假设塔 设设备安装地为类场地土，查图 17-60，可得 1=0.2 max=0.20.23=0.046,取 Cz=0.5, 则塔底截面的地震弯矩为： 0 610616.25.250.4985.102133EzMCmgHMPa0 662. 9.80.7.webbA 故取 B=0.72MPa 地脚螺栓的螺纹小径 d1 612440.728103.34BbtACmn 式中，C 2腐蚀裕量，一般取 3mm bt地脚螺栓材料的许用应力，对低碳钢可取 bt=147MPa 故选用 M42 地脚螺栓 24 个。 5.4.2.9 裙座与塔体对接焊缝的验算 对接焊缝的拉应力验算式为： max024.6JJtwitesitesMgKD 其中，D it=Di= 3000mm, 34 MmaxJ-J= Mmax1-1=0.42106MPa, m0J-J= m02-2=112000-1000=111000kg 经估算裙座质量约为 1000kg,取 wt与用材料 t相同，即 wt=88MPa 6ax02 2440.109.81.343.342JJitesitesg MPaD 0.6K wt=0.61.288=63.4MPa 11.34MPa0.6K wt 因此，对接焊缝满足强度要求。 5.4.3 分布器的设计 查兰州石油机械研究所主编现代塔器技术 （第二版）第四章填料塔内件表 2.4-2， 对塔径大于 0.9m，喷淋密度在 2.525m3/(m2h)范围内的填料塔，可选用排管式液体分布 器，因工作压力在 4800mmH2O(表压)，选用压力型水平中心管进液的排管式液体分布器。 表 8 7 种通用型典型的液体分布器性能比较 35 5.4.3.1 喷淋点数的计算 根据喷淋点密度 SP和塔截面积 AT，由下式计算: N=SPAT 为使液体分布均匀，取喷淋点密度 SP=100 点/m 2 故喷淋点数 N=SpAT=1003.14/432=706 5.4.3.2 确定孔间距 填料塔分布器的喷淋点采用等边三角形或正方形布置，孔间距按下式计算: t=CSp-0.5 等边三角形排列时，C=1.075；正方形排列时，C=1.0； 采用正方形布置，C=1.0 故孔间距 t= CSp-0.5=1.0706-0.5=0.0376m 5.4.3.3 分布器布孔 706 个孔口必须落实到主管和支管的下侧，且保持孔间距约等于 37mm。为防止过大壁流 产生，填料塔近壁 50mm 不布孔，主管直径为 150mm，中心线上开 67 个孔，支管排数为 28=16 根支管，对称排列，每排开孔 80 个，均开在下侧，间距为 37mm，长度分别为 1400/1400/1360/1260/1160/ 1000/800/560。 表 9 排管式喷淋器的设计参数 36 5.4.3.4 孔径的计算 孔径按下式计算: 004143.6/05.972mWdmNu 圆整，取 d0=6mm 上式中，u 0m=2m/s 5.4.3.5 管子尺寸的选择 主管直径 150mm，支管直径 6mm，排管外缘直径 2