毕业设计,合成氨车间,二氧化碳吸收塔设计,过控

1、摘要在工业合成氨的生产过程屮，粗原料气经过一氧化碳变换以后，变换气屮除氢气 外，还有二氧化碳和甲烷等成分，其中二氧化碳含量多达15%-35%o二氧化碳不仅降 低氨合成催化剂的活性，乂是制造尿素、碳酸氢镀等氮肥的原料，因此要想法除去。木设计的口的是根据所给技术特性参数，合理设计i段二氧化碳吸收塔，用来 脱除变换气中的二氧化碳气体。根据gb150-1998钢制压力容器、jbt4710-2005 钢制塔式容器等标准，通过常规设计方法步骤进行设计，包括塔体的筒体和封头壁 厚计算和水压试验，接管、接管法兰、人孔法兰和塔内件的选取，裙座的计算和设计, 开孔补强计算，风载荷和地震载荷的计算和校核，以及筒体和

2、裙座的应力分析等。强 度校核时，大部分情况下将受压元件的应力限制在材料的需用应力以内，用来确保设 计的安全性和经济性。关键词：二氧化碳合成塔；填料塔；合成氨引言塔设备乂称塔器，塔设备有许多种类型，塔设备是化工、石油化工和炼油 生产中最重要的设备之一。用以使气体与液体、气休与固体、液体与液体或液体 与固体密切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传递过 程。二氧化碳吸收塔，是利用碳酸钾溶液来脱去变换气屮的二氧化碳气休，要保 证较高的脱碳效率和设备的安全性能，必须对吸收塔系统进行合理的设计，包括 吸收塔的尺寸设计，吸收塔材料的选择以及塔部件的选取。吸收塔的主要部件 有外壳、填料、填

3、料支承、液休分布器、屮间支承和再分布器、气体、液 体进出口接管等。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身 是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板 上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器 喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置后，与液体 呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填 料塔属于连续接触式气液传质设备，两和组成沿塔高连续变化，在止常操作状 态下，气相为连续相，液相为分散相。当液休沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集屮的趋势，使得塔壁附近的液 流量

4、逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两和在填料层中分布不均， 从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布 装置。液体再分布装置包括液休收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的 液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优 点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液休负荷较小时不能有效地润 湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧 线进料和出料等复杂精憾不太适合等。塔内件是填料塔的组成部分，它与填料及 塔休共同构成一个完整的填料塔。

5、塔内件的作用是便气液在塔内更好地接触，以 便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，因此塔内件设计的好坏直接影响填料 性能的发挥和整个填料塔的性能。另外，填料塔的“放大效应”除填料本身因素 外，塔内件对它的影响也很大。填料塔的内件主要有：填料支撑装置、填料压紧 装置、液体分布装置、液体收集再分布装置。合理地选择和设计塔内件，对保证 填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。本设计的口的及意义旨在培养我们理论联系实际的能力，把本科所学的专业 知识综合地应用到本设计中去，为我们今后参加相关的设计工作打好基础。符号说明§计算厚度，mm;6设计厚度，讪;3n名义厚度，讪;sh有筋板吋基础环的厚度

6、，"劝；有效厚度，mm ；5一一第厂计算段容器的有效壁厚，尬叫q筋板厚度，氏有筋板时基础环的厚度，叫6nt接管名义厚度,呦；8接管计算厚度，加加；补强圈厚度，伽；山接管有效厚度，加加；6裙座的厚度，mm ;0试验温度下材料的许用应力，mpa；a材料在设计温度下的许用应力，mpa,6水压试验时的许用应力，mpa ；材料的屈服强度，mpa ;mpa ；°内压计算压力在筒体内引起的轴向压力，mpa操作物料时质量载荷在筒体内引起的轴向力,最大弯矩在筒体内引起的轴向力，mpa ；最大组合轴向压应力，mpa；裙座材料在设计温度下的许用应力，mpa,g重力加速度，n/kg；0焊接接头系数

7、；a开孔削弱所需的补强而积，人多余金属面积，mm2;a2接管多余金属面积,血；a接管处焊缝而积，血；a4所需另行补强面积，肌曲ash裙座底部截面积,何2；ae有效补强面积,mm'；asm裙座开孔设人孔处的截面积，和心4基础环的而积，mmc厚度附加强，肌叫c,钢板负偏差，mm ；c2腐蚀裕量，e材料的弹性模量；dn公称直径,mm ；d开孔直径，d2垫板上地脚螺栓孔直径，加加；di人孔直径mm；dj筒休的内径，叫dei一一塔设备第i段迎风面的有效直径，叫doi设备各计算段的外径，doh基础环的外径，加®dih基础环的内径，mm ；p设计压力，mpa；pl液柱静压力，mpa；pc计

8、算压力，mpa;pt水压试验压力，mpa ；p第i段风载荷n；")1塔体圆筒、封头、裙座质量，kg ；")2塔内件如塔盘或填料的质量，kg；%保温材料的质量，kg ；加04扶梯与平台的质量，kg ；叫5操作时物料的质量，kg ；mw水压试验吋充水的质量'kg ；me偏心载荷,kg ；叫一一设备在正常操作时的最大质量，kg；mmax塔设备在水压试验吋的最大质量，kg ；塔设备在停工检修时的最小质量，kg；mk距地面高度仪处的集屮质量，kg；meq设备的当量质量，kg ;/.风压高度变化系数；q()各地区的基本风压，pa ；k载荷组合系数；匕一一塔的体型系数；k,塔设备

9、各计算段的风振系数;k.笼式扶梯的当量宽度，加；k.操作平台的当量宽度，m ；£脉动增大系数；匕一一第i段的脉动影响系数；忙一一第，段的体型系数；d(塔顶管线外径；t塔的口震周期，5；儿各类产地的震周期，s;q地震影响系数；e第一振型的地震影响系数；c.综合影响系数；加一一基本阵型参与系数；«max地震影响系数。的最犬值；ht计算截面i-i距地而的距离,;fj在截面i-i处的基木振型水平地震力，n ；一一塔任意质点，处得垂直地震力，avmax垂直地震影响系数的最大值；0裙座半锥角；m1-/截面i-i处地震弯矩，nm叫m釘设备任意截面1-1的风弯矩，n；me偏心弯矩，n mm

10、 ；设备最大弯矩，n wm ；一容器任意截面1-1最大弯矩，nmm ；zsh裙座底部截面的截面系数，刖/ ；z.”一一裙座开孔设人孔处得截面系数，血;乙,一一基础环的截面系数，加存；巴混凝土基础的许用应力，mpa；一一地脚螺栓个数；4地脚螺栓螺纹根径mm；fr强度削弱系数；a,外侧有效高度,mm ；h2内侧有效高度，mm ；第一章 填料塔的选型和结构设计1.1设计目的设计二氧化碳吸收塔，用來脱除变换器气中的二氧化碳气体，得到合成氨的 原料气体氮气和氢气。1.2设备技术特性表m封头结构尺寸工作压力mpa工作温度°c主要介质填料体积m3设计风压mpa地震设防强度1.8120碳酸钾溶液94

11、5008级1.3填料塔的选型和结构设计1.31筒体和封头的选型本设计采用标准椭圆形封头，易于冲压和成型，是目而中、低压力容器中应 用较多的封头之一。常见设备筒体大都是圆柱形结构，所以采用单层式圆柱形筒 体，结构简单、易于操作，易于气体的吸收和内部部件的布置。di图1-1封头结构示意图查压力容器设计手册表，封头各参数如下：表1-2封头结构尺寸公称直径总高度直边高度内表面积容积质量dnhhfjm?v/m3kg2200590405.521.55683.21.3.2裙座的选型因为dn > im >且h/dnv30,采用圜筒形裙座就可以满足较少地脚螺栓 的合理布置，因采用圆筒形裙座。查阅塔设

12、备表8-9,裙座筒体上端至封头切线的距离h=95mm,裙座高 度为2100加加，英厚度与筒体相等§g = 16加加。裙座筒体与塔体采用对接焊接。1.3.4人孔的选取由化工容器及设备简明设计手册标准号hg21514215342005,及设计 压力选择冋转盖带劲对焊法兰人孔，凸面，材料为q345r。人孔尺寸由化工容器及设备简明设计手册表23-1-13得所选人孔结构表如2表1-3人孔结构表密封面型式公称压力pn公称压力dndw x sddb凸面rf (a)型2.5500530x1250673066028012844bb2abld。螺柱数量螺母数量螺柱尺寸总质量焙46484052003003

13、02040m33x2xl70303人孔的型式:图1-2人孔的形式5671.3.5接管的选取根据介质特性，接管材料选用20号钢，a =40mpa.查压力容器设计常用标准系列表4.3.1接管尺寸如下表：表1-4接管尺寸项ii公称直径dn/mm从长度mm总质量kg内径mm外径mm壁厚mm液面计接口管153000.3315183自动液面计借口管403001.0741.5453.5排污口80212817.8385894通气孔80进液口200230055.102132196出液口200190059.772132196进气口2502350122.852652738出气口25030015.682652738引

14、出管通道25030013.072652738卸料口5001200138.755215309人孔500检查孔50015017.3452153091.3.6接管法兰的选取查钢制管法兰、垫片和紧固件hgt20595-2009表43,木设计采用凸面带颈对焊法兰，其结构和尺寸如下:全平面(ff)突面(rf)图13带颈对焊法兰结构表1-5接管法兰尺寸公称尺寸dn钢管外径 法兰焊端 外径£a类连接尺寸法兰外径d螺栓孔中心圆直径k螺栓孔 直径l螺栓孔数量n螺栓t124045150110184m168089200160188242502

15、734253703012m275005307306603620m33x2公称尺 寸dn法兰质1 l里kg法兰高度法兰厚度c法兰颈na类sh、r150.753814323.263402.374518643.675805.0358241105.612620017.480302446.316825024.488322966.3181050092.512544580112012表1-6密封面结构尺寸公称尺寸密封面公称尺寸dnd15464084801322002842503405006151.3.7选择管法兰垫片根据hg/t20635-2009表3.0.2选用垫片形式表17垫片型式选用表垫片型式公称压力

16、pn公称尺寸dn最高使用温度密封面型式密封面的 表面粗糙度心伽）法兰型式非石棉纤维橡胶板<4010 2000290凹面/凸血3.2 12.5带颈对焊法兰由hg/t 20606-2009表4.0.23得垫片尺寸:mm表1-8垫片尺寸公称尺寸dn垫片内径d垫片外径垫片厚度t包边宽度b1522511.53404992808914220022028425027334050053062431.3.7管法兰紧固件选取表1-9螺母和螺栓(螺柱)参数螺母类型dn规格螺栓螺柱类型数里122质71000件螺栓螺母i型六角螺 母(gb6170)15m12六角头螺栓a级(gb5782)47049.911.934

17、0m164851112980m16810013129200m24双头螺柱b级(gb901)1212536988.8250m2712135515132.4六角螺母(hg20613)500m33x2双头螺柱b级(hg20613)20165947242.81.4填料的选择参考由塔设备木设计选用陶塑料鲍尔坏和塑料矩鞍环，塑料材质质量轻, 鲍尔环为较为普通的填料形式，价格便宜，矩鞍环为最高效的填料之一，不易迭 合，处置效率高，但价格较高，所以只用少部分放在填料的最底层，可避免鲍尔 环的阻塞，两者都采用乱堆排列。查化工原理见而设计手册填料各参数如下表：表1-9填料参数填料种类公称尺寸mm外径x高mm堆积个

18、数个/ m3堆积密度kg / nr比表面积/ m"空隙率m3 / m3于填 料因 子mm湿填 料因 子1 / m塑料拉西环5048x1.8700087.5106.40.90146120塑料矩鞍环7645x23700104.42000.885289961.5除沫器的选择当空塔气体流动速度过人时，塔顶溅液严重，避免出塔气体出现夹雾现象, 所以设置除沫器，保证气体的纯度和设备的正常运转。查阅塔设备可知，犹 豫鲍尔环和矩鞍环调料的雾滴粒度为lxlo-5m以上，所以选择丝网除沫器，其 分离大于lxlo"5n7的雾滴的效率可达99.5%以上，对于（25）x10&的雾滴也能 很好

19、的除去。参阅塔设备表86上装式丝网除沫器的基本参数如下：表110除沫器基本参数公称直径/mm主要尺寸有效直径/mm质量/mmhhi22001003602100208on图14丝网除沫器结构图1.5填料支撑装置填料支承装置对填料塔的结构稳定性起关键作用，对其要求：有足够的机械 强度来支撑填料的垂量；能够捉供足够大的自由载而积，减小了气液两相的流动 阻力。本设计采用梁式气体喷射式支撑板，其对气体和液体分别单独提供通道，气 体流动阻力小，液体易于排出，查阅塔设备其结构图和尺寸如下：表1-11支承板结构尺寸塔径支承板外径支承板分块数支承圈宽度支承圈厚度2200216075014表1-12支承板形式尺寸