碳化塔设计说明书

(共页)专业：过控专业1/422/42程》(1999),对主要受压元件诸如筒体、封头、管板等做了详细的强度校核，由于在校期间理论知识学习较多,对于工程实际中的知识了解的不多。并且经验很少,故在设计中出现了很多问题。对此，我们的指导教师邬老师及教研室的其他老师都给了我们热心的指导和帮助，在此向邬老师等表示衷心的感谢!由于水平有限,且初次接触这样的课题，经验不足，在设计中难免会有许多错误和不足之处，恳请各位老师和同学指正，多提宝贵意见.2004年6月3/42—-－--——-——--－——---－——————-－---－——－—--§2.3换热器结构设计——-－－--———－—————－－-－－--－-—--—§2.4换热器尺寸的确定－-－-－－-—-—-－————--－-—---——－—-－－--—---—－-－—-—--－－－－－-－－-4/42—--－--－-－-－--－—-—-—－-——§3.3裙座的强度计算及校核-—－——-——--－---——-——-———-—第四章碳化塔的腐蚀防护－—--——－--－-—－-—－－-－—--—-——--—设计题目：4万吨／年合成氨厂碳化工段碳化塔设计设计条件设计压力Mpa.3设计温度℃工作介质冷却水变换气、碳化氨水≧800㎡号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式a法兰350－10JB／T81－94b150—94口600人孔5/42dd350法兰350－10JB/T81-94ei~n40法兰40－10JB/T81—94测温器接口法兰20—10JB/T81—94汽接口k法兰150-10JB/T81-94碳氨液出口m100法兰100—10JB／T81—94冷却水入口n100法兰100-10JB/T81—94冷却水出口Rl~280法兰80—10JB/T81－94液位探头接口设计要求:参考资料:字字1。1工艺过程简介教研室主任氮肥的主要品种之一，20世纪80年代出产量约占中国氮肥总量的一半以上.6/42碳酸(见图1。1)蒸汽煤空气脱硫净化压压缩缩变换变换母液母液图1．1脱碳法碳酸氢氨生产流程1。2碳化塔的工艺要求碳化塔为碳化工段的主要设备,碳化塔内反应为浓氨水吸收二氧化碳同时生成碳酸氢氨放出热量。主要反应过程如下：NH+CO＋H=NHHCO+热量32243为使反应尽量向右进行,碳化塔内设置冷却装置，及时带走反应生成的热量。碳化前进入碳化塔的变换气成分为:H5%~53％27/42N2CO24O2碳化后,要求原料气中16％~19%26%~30%17％~2.0％<0。5％H2N22NH34O265％~70%21％~24％〈0.3％0．5％~1．5%<0．5%碳化后的原料气经精炼后送去合成氨，碳化段的工艺流程图详见图1。2本次设计即为碳化工段碳化塔的设计施工。1.3碳化塔设计综述根据生产工艺特点及本次设计要求碳化塔设计主要分为两部分,即碳化塔塔体及零部件的设计、校核及冷却管组(U型管换热器)的设计和校核。在选型及设计计算等方面主要考虑以下几点：必须保证全塔畅通，并防止碳酸氢氨结晶长大(结疤),在塔盘的角钢上加工齿，并在塔顶及汽液分布板处设有蒸汽接口，以备结疤后吹堵.8/42选择导热系数较大的铝管.同时考虑氨水等介质的腐蚀性及经济合理性选用铝合金管，并且管板进行渗铝处理.4.由于碳化塔筒体密集开孔，必须对筒体进行补强，据GB150-1998《钢制压力容器》对筒体进行整体补强,开孔不规则的进行近似处理.5.应保证碳化塔内汽、液充分接触，在结构上不能有死角。6.由于浓氨水等介质有很强的腐蚀性在材料选择时综合考虑安全及经济合理性,选用16MnR，在塔内增加防腐涂层(喷铝两遍后，涂环氧树脂3至5遍),并采用电化学保护。7.在碳化塔内塔总高(16m)控制范围内，为使碳化塔有较好的操作弹性，冷排数可以适当增加，并在塔顶及塔底留有足够的空间。，并在全塔范围内适当布置温度计及液位计.骤然后确定冷排数及换热器设计和塔内附件设计，最后对塔体进行强度校核并采用电化学防腐设计.第二章碳化塔结构设计本章符号说明塔体部分：D--－-－———－-—---—-—-－—－-—－-－-－—－－－-－----——i---圆筒或球壳内直径，mmD－—---—--－——－--——-—-－——-—－--————-－——－---o—-－圆筒或球壳外直径,mmc [P]—－－－—---－—－—-－-－--—-－圆筒或球壳的最大允许工作压力,w9/42MPa或球壳的计算厚度,mme或球壳的有效厚度，mmδ--———－—--——-－-—－—--－——-－-－——-－——－－－圆筒或n球壳的名义厚度,mmt-—-—————－设计温度下材料的aC—--——－--——-—-—－1---－----—-—--－-—厚度附偏差2D垫片G—－-－—--－———-－－－—-－－-－--－－—－-—----—-———-－-—--—-－－－-－—--－-—－—-－-－－——－－-—-—－压紧力作用中心圆直径接长度或焊脚高度,mmA--—-———－－—-－－—-—－－--管板布管区面积，三角形A=1．732ttns2+Ad数δ------－－－-—-—-—————————－－——--------—-—--—-—e10/42δ—--—-———-－－-—-———-—-－－-———－－——-－--——－--－-－-—--————--——-—封头有效厚度,mmδ－-—-－—－－-—－—－-—-——-——－-——-—-－－－--－-—－-—ess---室温下壳体材料的屈服点，MPa用应力，MPa [σ]t-－-———-－-－-——－-——--－-——－—-——-设计温度下裙座s材料的许用应力，MPa形A=tmm2S)A————-—－-－—--－--－—--－－————－管板布管区面积,三角t1.732ns2＋AdA—-——－布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要,而未能被换d对于双管程管板,对于三角形排列,A＝nˊS(Sn－0．866db-——-－—-——－———-———-——－-—-－--—－－----—－-—f,δˊ－-－－-－—---——－—-－-—－-－—-————-—-——－－----－f－-—-——-－管板开孔前的抗弯刚度,模量(Q235-A)，MPaEp=2。1×105MPa与法兰的旋转刚度参数，MPa×105MPasfs05MPa11/42Ehfhh--－-—-管箱圆筒厚度－－-————-－管板边缘旋转刚度参数R-－管板边缘法兰力矩折减系数Tm－m－要的最小螺栓载荷b[δ]-—---－--—---—-——常温下螺栓材料的许用应力，bpA－——-－-－—-－-－-———-——-－－－－－-－-操作状态下需要的最ppp要的最小螺栓载荷L－－－—-—--－-－－-－—-----－--——-螺栓中心至作用位置处的径向G离F－—--————－--－-作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力DF——－—--—－－－—---—流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截T-T的流体压力引起的轴向力之差—--－--——流体压力引起的总轴向力G－－－--窄面法兰垫片压紧力bAb12/42于需要的螺栓面积D心至法兰环内侧的径向距离L-—-——--——-—-－—--—--－-—－－--－——－——-——————－T螺栓中心至作用位置的径向距离本章为碳化塔的结构设计计算说明。本章首先介绍了碳化塔塔体材料的选择及尺寸的确定,然后对碳化塔冷排和管板的结构设计进行详细的计算及说明,最后是塔了选型依据及所选标准的型号及尺寸等。2.1塔体材料的选择2.1．1工艺条件塔高:0．8MPa氨水，变换气3000mm<16000mm工作温度:36℃2．1。2塔体材料的选择头的材料选用16MnR。在筒体及封头内采用防腐涂层。并采用电化学防腐。表(1)δδbs4903250许用应力使用状态火钢板标准GB6654厚度料.2筒体及封头厚度的确定1)工作压力工作压力是指在正常工作条件下,容器顶部可能达到的最高压力I2)设计压力设计压力是指设定容器顶部的最高压力p=0.9MPa3)计算压力在相应的设计温度下,用以确定元件厚度的压力。其中包括液柱静压力,当元件承受静压小于5%设计压力时,可忽略不计,取Pc＝P=0.98MPa4)设计温度t＝36℃5)焊缝系数Φ=0。85局部无损检测δ＝PcDi／(2[σ]tφ—Pc)(2—1)13/42公式适用范围Pc≤0。4[σ]tΦ0．4[σ]tφ=0．4×163×0。85＝55.42＞Pc由于筒体开孔较多，并为纵向和对角向排孔.据GB150-1998应用排孔削弱系数代替式(2—1)中的焊缝系数调整所需厚度和最大允许工作压力。B削弱系数。由设计要求取S1=1460mmS起来的)按比例绘制草图，排列换热器，则有S2=30．32°/180×3.14×1460=772。44mmS3=[(S1/2)2+S22]¼=1062.81mm即S3/S2=0。727V1=(S1－d)/S1=0．596查[1]图8—8得V＝0。4762以V代替Φ，即2δ=РсDi/(2[σt]V2—Рс)=23.07由于GB6654《压力容器用钢板》规定压力容器专用钢板厚度负偏差不超过0。25，即可取C＝01则有效厚度2d2deσ=26－2＝24mmeσt＝Pc(Di+δe)/2δe=0。98(3000+24)/2×24=73．99Mp设计温度下圆筒的最大允许工作压力[Pw]=2δe[σ]tφ/(Di＋δe)=2×20×163×0。85／(3000+24)=1.83Mp＞0．8Mp1)液压试验РT=1.25Р[σ]/[σ]t=1.25×0.8×163／163=1MP根据试验时圆筒的薄膜应力即0。9×Φσs=0。9×325=292.5›63,合格2)气压试验PT=1.15P[σ]/[σ]t=1。15×0。98×1＝1.127Mp校验试验时圆筒的薄膜应力σTσT=1。127×(3000+24)/2×24＝85．09Mp0.8φσs=0．8×0。85×325=221Mp即σT〈0.8φσs，合格2．2.2封头厚度及尺寸的确定16MnR14/421)标准椭圆封头计算厚度按下式计算：受内压：δ＝0.98×3000／(2×163×0。85-0.5×0.98)=10．63mm即δd=δ+C1+C2＝12．63mm考虑到整体补强,取封头的厚度与筒体厚度一致，即δn=26mm,δe=26-2＝24mm2)椭圆形封头的最大允许工作压力[Pw]=2[σ]tφδe/(KDi+0。5δe)=2×163×0.85×24/(1×3000+0。5×24)=1.84Mp>0。8Mp压力试验前，应校核椭圆形封头的应力验=1.225×(3000+0．5×24)／2×24=92.18Mp＜0.9σsφ＝248。63MPσT=1.127×(3000+0.5×24)／2×24=84。81Mp<0.8σsφ=221Mp表(2)公称直径曲边高度直边高度内表面积容积重量30007505010．22713。887717802.3换热器结构设计碳化塔内的冷却管组结构设计按照GB151－99进行，采用U型管换热器作为冷却管组设计.2。3。1管箱短节及其壁厚的确定1、选材根据使用的工艺条件及材料的使用性能选用Q235－A钢板，允许容器设计压力p≤1.0MPa，钢板使用温度0~350℃Q235-A的性能指标及参数如下表b20—100℃许用应Mpa厚度(mm)4。5—16psa)235钢板标准GB3274材料Q235-A使用热扎根据换热面积F~600m2的要求及塔高的限制，选择DN=500的换热器。管程设计压力为0．3MPa，壳程设计压力为0.8MPa，其余参数的选取参照2．1.1。2、管箱厚度及长度的确定1)δ=PcDi/(2[σ]tφ-Pc)=0.3×500/(2×113×0.85—0.3)=0.73mm15/42由GB151-1999P知DN为400~≤700的碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚19度为8mm故初选ס＝8mm。n2)箱的最小内侧深度此深度可根据流通面积或焊接知识考虑。根据焊接知识，两道焊缝间的距离不小于100mm，则初步确定此最小内侧深度为330mm。3)筒体外伸短节厚度确定冷排公称直径DN=500MM.据工艺要求,材料选用同管箱为Q235—A.δ=PcDi/(2[σ]tφ-Pc)=0．8×500/(2×163×0．85-0。8)＝2。3mm由最小壁厚ס=8mm及综合考虑整体补强，取ס=18mmminn2.3．2冷却管组封头尺寸的确定根据工艺要求，选用无择边球冠形封头,材料选用Q235—A，采取和外端法兰焊接的形式,用作端封头。封头与圆筒连接的T形接头必采用全焊透结构。受内压球冠形封头的计算厚度δ=QPcDi/(2[σ]tφ—Pc)=3.68×0。3×500/(2×113×0.85－0。3)=3。17mm取δd=3.17+2+0.8＝5．97mm取δn=8mm与管箱厚度一致。2、由[3]查得管箱封头尺寸如下表：表(4)Dg=(mm)焊缝间隙Dg=(mm)焊缝间隙a(mm)G(Kg)容积V(L)h(mm)FH(סmm)5000.2548219．571。52．3.3换热器管子材料的选择及尺寸确定根其余管选用LF,传热系数好，且质量低，其机械性能如下表：3表(5)类别牌号供应状态及规格σ公斤/毫2)%(סb防锈铝LF退火(M)Ф32×2.518153采用小直径管子时,换热器单位体积的换热面积大一些,设备较紧凑，传热系数较高,但制造麻烦，管子易结垢,不易清洗。本设计中换热管采用正三角形排列，适用于壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合,综合考虑,选用φ32×2。5的换热管。2.3.4管板厚度的确定2、管板材料选用Q235—A，其性能见表(3)a)确定壳程圆筒、管箱圆筒、壳体法兰、换热管等元件结构尺寸及布管方式16/42布管方式：采用正三角形排列，中心距50,布26根管b)计算Ad，At,Dt,PtAd＝n`S(Sn—0。866S)At＝1.732nS2+AdAd—在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积,mm2S—换热管中心距,mmn`—沿隔板槽一侧的排管根数Ad＝8×50×(130—0。866×50)=34680At=1．732×26×502+34680＝147260mm2c)假设管板计算厚度假设管板计算厚度δ＝40mm则D—管板开孔前的抗弯刚度，N。mmDt=(4At/∏)½代入，得Dt＝433Kf`=1/12[2Ef`bf/(Di+bf)(2δf`／Di)3+w`Es]bf-管板法兰宽度,bf=1／2(Df-Di)=1/2(670-500)=85mmEf`—壳体法兰材料δf`—壳体法兰厚度，mm图26得w`=0。006Es-法兰材料的弹性模量,MPKf`=1/12[2×201000×85/(500+85)×(2×38/500)3＋0．006×201000]=134.69Kf``=Kf`Kf^Kfº^-旋转刚度无量刚参数Ρt—布管当量直径与直径之比ρt=433/500＝0．866e)由[2]图19，图20，图2允许以壳程和管程压力的压力差进行管板设计，分别以壳程设计压力Ps和以管17/42程设计压力Pt作用，计算管板中心处布管区周边处和边缘处的径向应力rrCcPsDi/δ)2/μ=±47．81σr|r=Rt=-[±CePs(Di/δ)2/μ]=±45。70σr|r=R＝－[±CmPs(Di／δ)2=-(±23.84)②Pt作用：σr|r=0=±0．136×(-0．3)×(500/40)2=—(±15．94)σr|r=Rt=±0。13/0．4×(－0．3)×(500/40)2＝-(±15．23)σr|r=R=±3/2×0．113×0.9×0.3×(500/40)2＝7。15③Ps_Pt作用:σr|r=0=±0．136/0．4×0。5×(500/40)2＝±26．56σr|r=Rt=±0.13/0。4×0。5×(500/40)2=±25。39σr|r=R=—(±3／2×0.113×0。5×(500／40)2＝—(±13．24)g)由[2]图22按和分别查取εR=0。36和Ετ＝0．320即D=585－2×10＝565G由[1]表9—2查得y=11Μp,m=2即Wa=3.14DGby=3．14×565×10×11=195151N·mmAa=Wa/[σ]b=195151/87＝2243。11mm2GGmWp=F+Fp=0.785D2Pc+6。28DGGm=0.7855652×0。35+6.28×565×10×2×0。35＝112544．47Ap=Wp/[σ]b=112544．47/87=1293.61mm2需要的螺栓面积Am取Aa与Ap之大者,即取Am＝Aa=2243.11mm2LG＝1/2(Db－DG)=1/2×(620—565)=27.5mmMmAmLGb2243。11×27。5×87=5.37×106N·mm操作工况法兰力矩Mp=FD·LD＋FT·LT+FG·LG的计算:FD＝0.785Di2Pc=0。785×5002×0。35=68687．5NF＝0。785DG2Pc=0.785×5652×0。35=87707。07NFT=F-FD=87707.07－68687.5=19019.57NFG＝Fp=1/2(Am+Ab)[σ]b即FG=(2243.11+9047．79)/2×87=491154.01NLD=(Db-Di)／2＝(620-500)/2=60mmLT=(LD+LG)/2=(60+27。5)/2=43。75mm代入,得Mp=68687．5×60+19019。57×43。75+491154.01×27．5=1。85×Ma=FG·LG=(2243。11+9047。79)/2×87×27。5=1.35×107N·mmi)按[2]表23计算法兰预紧力矩MfoPs作用:Mfo=-Mp/ΠDi=—1．85×10／3。14×500-1/2×0.113×2502×0。9=－14955。18/42Mfo=-Mm/ΠDi=—5.37×106/3。14×500=-3418．65N·mmPt_Ps作用：j)分别以不同工况计算由法兰预紧力矩M所引起的在管板中心处(r=0)，布管区周边处(r=Rt)和边缘处(r＝R)的径向应力.Ps作用:σrº|r=0=σrº|r=Rt=—(±6εTMfo/μδ2)=±0.32×6×(－14955.59)/0。4×402＝RRMfo36×6×(-14955。59)/402=±20。19NPt作用：σrº|r＝0=σrº|r＝Rt=-(±6εTMfo／μδ2)=±10．26Nσrº|r=0=σrº|r=Rt=±41。16Nσrº|r=R=±18。52Nk)分别以不同工况计算法兰设计力矩M和管板延长部分的法兰wsMws=-(1－εR)Mfo＋Kf`/KfCmR2(Ps—Pt)K=(Di+2bf)/Di=(500+2×85)／500＝1.34679.08N·mmΣf=3．14×6.9×12749．70/402=166.80N952。00N·mmΣf=3.14×6．9×952／402=12。90NPs-Pt作用：Mws=—(—1-0.36)×(－13719.65)+1/2×0。113×2502×0．55＝10722。76N·mmΣf=3.14×6．9×10722.76/402=145。27N1)应力校核校核条件1．5[σt]=1.5×113＝169。5σr|r=0＋σrº|r=0=±47．81+(±44。87)=±92．68〈169。5σr|r=Rt+σrº|r=Rt=±45。70+(±44。87)=±90．57〈169．519/42Ptrrrr10.26)＝－(±5。68)69.5Ps-Pt作用5σr|r=Rt+σrº|r=Rt＝±25。39＋(±41．16)＝±6169.5σr|r=R+σrº|r=R=—(±13．24)+(±18.52)=±5。28〈169.5法兰应力δ校核条件m)换热管轴向应力σt=—(Ps－Pt)Πd2/4a—Pta=Πδt(d—δt)a―一根换热管管壁金属的横截面积mmPt作用:σt＝0。35＊3。14＊322/4*231.69-0.35=0．86Ps―Pt作用：σt=—0．55＊3．14*322／4*231。69=—2．26n)换热管与管板连接拉脱力q=|σta／Πdl|Ps作用：q＝|－3．12*231．69/3．14＊32＊37|=0.19＜[q]=2Pt作用:q=|0.86*231.69／3.14＊32*37|=0.05＜[q]=2Ps―Pt作用：q=|-2.26＊231.69/3。14＊32*37|＝0。14〈[q]=2即满足要求,设计的管板合格.6法兰的选择根据密封性及压力要求，与管板配对的法兰选用设备法兰。根据JB4701—9器法兰》选用甲型平焊法兰。，适用于工作温度高于至压力容器，采用平密封面与管箱配对的法兰选用凸面板式平焊钢制管法兰,根据JB/T81－94。表(2.6)20/42公公称公称压力螺栓尺厚度论D径寸CB数量规格df5505。5000。664016M22。3。7垫片的选择由于NH气体为有毒介质，所以必须保证法兰之间有良好的密封性,垫片材料选用石3表(2。7)PNPN=0.6d3530PN=1.00D594/604d554/560DN550500D5772.3。8支承架结构尺寸的确定连接板和圆钢组成.支承板材料选择聚氯乙烯，通过连接板与圆钢连接，连接板材料选用Q235—A。连接板、支承板及圆钢尺寸及连接详见冷却管组装配图。2．3。9换热管的排列根据工艺条件，采用正三角形排列.换热管中心距参考有关标准，并考虑工作介质及清2.4换热管尺寸确定U型弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的管子半径,常用换热器弯管最小半径由标准选取。当d=32时，R=65mm。由于冷排在塔体截面上对称布置四个，故其管长各不相同。为确定中间冷排及外侧冷排的管长，可先按比例绘制草图，以确定管子长度，进而根据管长算出换热面积,然后算并考虑到塔的操作弹性,可以人为增加几层冷排,而初步定出塔高。21/42管子总长、直边段及弯曲段长度、弯管重量和半径详见零件图。2.5碳化塔冷排数的确定进而确定出冷排层数。1、根据草图确定中水冷却管组的管子总长约为148300mm，侧水冷却管组的管子总长约为732600mm，从而可近似得出一层冷排的换热面积。Fˊ=2dΠl=2×29。5×3。14×(148300+732600)m工艺要求总换热面积∽600m2，则冷排数n＝600/88．56＝6.7为增加塔的操作弹性，可人为增加几层冷排，可取n=10冷排与冷排的分布间距相等,可通过改变垫片的厚度使之保持相等,详见塔的总装2.6碳化塔内构件设计2.6。1汽液分布板结构设计分布板及边分布板)以人孔送入，然后焊接。汽液分布板下设筋板支承(材料1Cr18Ni9T9Ti，角钢型号20×20×3。升气罩用δ=4的钢板卷制。各部分质量计算如下：中分布板：100．79×2=201。58Kg侧分布板：84。10×2=168.20Kg边分布板:46。12×2=92．24Kg升气管：2.07×92=190.44Kg升气罩:1．38×92=126。96Kg角钢：0。089×276=24．56Kg汽液分布板总重：803。98Kg筋板质量：0。904×6=5.424支承圈采用：Ф3000/Ф2800δ＝12质量为：3。14×2。9×0.1×94。8=86。32Kg2.6.2液体分布器结构设计液体分布器材料选用Q235—A，角钢选用热轧等边角钢(YB166－65)，规格为80×80×10，由[3]查得80×80×10的角钢理论重量为11.874Kg／m。角钢圈的长度l=πD3。14×3.0=9.42m所以,重量m΄＝111.85Kg10层角钢支承圈总重m＝111．85×10=1118．5Kg液体分布器的角钢圈重量m΄΄=8.373Πd=8.373×3．14×2。94=77．29Kg22/42为497。58Kg全塔布置7层分布器总重m=497.58×7=3483.06Kg2.6.3气体分布板结构设计气体分布板的结构尺寸详见碳化塔部件图。材料选用Q235—A,其弓形板厚度为。角钢规格为100×100×10，气体分布板的总重为736．08Kg.2．6。4球形挡板结构设计碳化塔塔顶的除沫装置采用球形除沫器，材料为Q235-A，尺寸示意图见附图：球形挡板重量m=142Kg1拉筋材料选用Q235—A，规格为70×70×8的角钢，共设3根.拉筋质量m=2.2177×3=6。53Kg,则除沫器总重m=142+6.53=148。53Kg.2．6.5分布锥的结构设计平方米质量为79Kg，分布锥展开面积约为6。73m2，则分布锥的重量约为6.73×79=531．67Kg.为防止结疤，需在分布锥底部加工齿形(详见装配图).2.6。6角钢圈及支承梁1、碳化塔第一层塔板角钢圈选用100×100×10,查得每米质量15。12Kg,其余各层角钢圈选用80×80×10,每米质量为11.874Kg。第一层角钢圈质量m=3。14×3×15。12＝142．43Kg，其余角钢总重,m1=3.14×3×11．874×10=1118．5Kg则角钢圈总重m＝142.43＋1118．5＝1260．9322．支承梁选用热轧10＃槽钢,理论重量10Kg/m，则槽钢总重m=1.38×2×10×9=276Kg3、垫板材料选用lCr18Ni9Ti,垫板厚度分选为10.2。6.7附件设计1、碳化塔塔体人孔选用垂直吊盖人孔(JB582－64),具体参照[3],具体设计的人孔。Pg=1.6Kg/cm2,塔顶和塔底各设一个人孔,位置及方位见总装图。2、碳化塔接管及法兰按设计任务书选取,尺寸及重量详见3。14.3、碳化塔温度计及液位计接口布置详见总装图。2.7碳化塔裙座设计2。7．1裙座筒体壁厚的确定23/421、综合考虑工艺条件,材料性能及经济合理性，裙座筒体选用16MnR，壁厚2.7。2裙座与塔体封头的连接裙座直接焊在塔釜封头上,可采用对接焊缝。封头切线至裙座顶的距离h的近似参考[5]表8-5，取h＝135。地脚螺栓座Dob=Dis+(160-400)取Dob=3000+400=3400Dib=3000—200=28002)基础环厚度按(有筋板时)计算 b [δ]=140MPabδb=(6Ms[σ]b)½b=(D1-Di0)／2=0。178两筋板间的最大间距1＝10.681/40=0.267b/1=0。178/0。267=0.7，查[4]表6。7有bmaxMy=0.0610δl2bmaxMx=-0。0550×0．179×1782=-1202。34mm/mmMy＝0．123δl2=0.0123×0．179×2672＝778．41mm／mmbmax其中Ms_计算力矩,取MX，MY中绝对值较大者Qmax/Ab+(0．3Mw°ˉ°+Me)/WbWb＝(Dbo4—Dbi4)/Dbo=2.16m3Ab=0．785(Dbo2—Dbi2)=2.94×106mm2代入得,σbmax={0.10取δ=0．179MPabmaxMX＝-1202．34MpMy=778．405Mpδb=(6＊1202。34/140)½＝7。18mm取基础环厚度大于筒体壁厚，选取δ＝26mmb1)地脚螺栓承受的最大拉应力按下式计算FvAb取其中较大者，代入数据有24/42σb=1。56／21．6-53099。54＊9。8/2．94×106=－0。105(4。99+0.25＊0.156)／2.16—(106028．75＊1。3＊9．8-3.42×105)取σ=1.99MPa＞0，必须设计地脚螺栓座b2)地脚螺栓材料，选用16Mn地脚螺栓的螺纹小径d1=(4σb·Ab/Πn[σ]bt)+C22[σ]—－--－－－----－—-地脚螺栓材料许用应力[σ]＝170MPabt代入,得d1=42.73mm圆整后地脚螺栓的公称直径取M48×5根据[4]，得地脚螺栓座尺寸表LLBCDLK330σG20σC28ZL1D40L52D3L41)筋板压应力σG=F/N1δGL2F--——-一个地脚螺栓承受的最大拉力NN—－—对应一个地脚螺栓的筋板个数12δ—－-——筋板厚度G代入,得σG=243775/2*20*178=34．24Mp2)筋板的许用应力按下式计算(1)当λ≤λc时,[δ]=[1-0．4(λ／λc)2][σ]G/γc(2)当λ＞λc时，[δ]=0.277[σ]G／(λ/λc)2ci—－-—--－惯性半径，对长方形截面的筋板取i=0。289×20=l—－－---—筋板长度l=300mmkkGλ＝0。5Lk/i=0.5＊300/5.78=25。95λ〈λc用式(1)E／0．6[σ]G0)½=153。 [δ]=140MPaG25/42c即[δ]=[1-0．4(λ/λc)2][σ]G/γccGcG即σ<[σ]c，故筋板的设计合格G为改盖受力状况，需在盖板上设置垫板,有垫板时：σ2=FL3/[(L2-d3)δc2＋(L4-d2)δc2]2d-—-—－－-—垫板上地脚螺栓孔直径2d-－－-----盖板上地脚螺栓孔直径334代入数得，σ2=243775×100/(178－65)×282+(100—51)×242=160.21Mpσ2〈[σ]b=163Mp即盖板设计合格.裙座结构示意图26/42第三章碳化塔强度校核本章符号说明A－－—－-———－—-－—-—－——--基础环面积A=0。785(D2-D2)mbbabibm2mA--－--—－-－—-－-－-－--——圆筒形裙座底部截面积A=3.14Dσmm2sbsbissB-————----－———---———-系数，按[1]1.7.5确定MPab—－-－—————-—－—－--－—－—基础环外伸宽度b＝(D－D)obosC－-—－-－—－－－－-——-－-－—-结构综合影响系数zD—-－----－——-－－－－———－—容器内直径mmiD-－－-—-————--—-——-－—-基础环内直径mmD-－-－－—-－-—－-—－-－－－-—裙座底部截面内直径mmisD---－－———----—-——－－——基础环外直径mmobD--—-—-－—－－—－-——--－－—裙座底部截面的外直径mmH——－——----－－－---—－-——容器顶部至第段底部截面的距离ih--——-－-——－---—-—--－－容器第段集中质量距地面的高度mmih－－--—－--－-－—----－—-－计算截面I—I以上集中质量m距地面的高kk度mmEMO－O———-－－—－－—-－-－—－—－—-容器底部O－O截面的地震弯矩EMI—I——---—－-－—－——－—－-—--容器计算截面I-I的最大弯矩NmmaxMO－O—－--——-－--—－－--——-－-容器底部O-O截面的最大弯矩NmmaxMII—容器计算截面I—I的风弯矩NmwMOOOO矩Nmwm-－－-———-----—--——-－－容器第i段的操作质量kgim--——--—-—－－——－－--－—-容器的最大质量kgmaxm－——-－-—-—---—---——－-容器的最小质量kgm－－——---－——－-－--——－－—容器的操作质量kgo量kgP—--－—-－-－——-——－-——--风载荷NT-—-—－－-———-—--－－-—－-容器第i振型的自振周期si1Z－－——－－-—－--—－－－－－-－-基础环的抗弯截面系数mm3b27/42Z—-—-—-—---－－————-—－-圆筒形或圆锥形裙座底部截面系数mm3sbσ－-——-———--—－-----—-—基础环厚度mmb[q]－－—-－－-—－--－－--－—-—-许用拉脱力σ－————－-－-——---－－-－-－管板计算厚度mmt [σ]t--——－－－-—-—－－—－-——－－设计温度下管板材料的许用应力r [σ]t—－—-———－--——-－-—-－--设计温度下换热管材料的许用应力t碳化塔结构示意图(见附图)28/423.1碳化塔各项质量计算3。1.1容器壳体质量m=1940×10.38＝20137。2Kg筒体m=1940×1.3=2522Kg裙座2、由[3]查得σ=26的钢板,每平方米质量为204。1Kg积中水：A＝0.25πab=0.25×3。14×0.59×0.62＝0.2872m21侧水：A=0。25πab=0．25×3。14×0．59×0.84=0．3890m22人孔：A=0.25πd2=0.25×3。14×0。582＝0.2641m23Ww气体入口：A=0。25πab=0.25×3．14×0.377×0。58=0．1716m24气体出口:A=0.25πd2=0.25×3。14×0.3772＝0。1116m25(注：由于其余接管尺寸较小,故开孔削弱少，可忽略不计)A=(A+A)×2×14＋A＋A=19．745m21245则塔体开孔减少总质量M=204。1×A=204。1×19.3745＝3409.96Kg2)裙座裙座上开设人孔减少面积Aˊ=0。25d=0。25×3。14×0。5322=0．2222m21则减少质量裙座基础环质量m基=777。62Kg筋板质量m箱=352。71Kg盖板质量m盖＝156.24Kg塔体总重M塔体=20137.2-3409。96=17971.29Kg裙座总重M裙=2522+777.62+352.71+156。24－40.07=3768.5头质量上下封头总重为m封=1780×2=3560Kg4、容器壳体和裙座的总质量为m＝m塔体+m封+m裙=17971.29+3768.5+3560=25299．79Kg0129/423.1．2碳化塔内构件质量M02m=11。874×3.14×3=111.85Kg7m=15.12×3．14×3=142。430Kg总重：m角＝111．85×10+142.430=1260。93Kgm挡=142Kg拉筋m拉筋=8.373×0．26×3＝6。53Kgm球=142+6.35=148。53Kgm=m角+m球+m分=118.5+148.53+531．67=1798．7Kg02m分＝6．73×79=531．67Kg3.1.3碳化塔内各塔板质量m031)汽液分布板m汽=736．08Kg2)支承环板m环=86．32Kg3)支承筋板m筋=5。42Kg所以m汽ˊ=m汽+m环+m筋=895．72KgmKg3、液体分布板重量，单层:m单＝497．58Kg总重：m液＝497.58×7=3483.06Kgm665。60＋8．63＝674。23Kgm＝m汽+m气＋m液+m支=5399。49Kg033.1.4容器外部附件质量m04Dg=550的人孔质量约为188Kg裙座上人孔质量为m＝19．73Kg，所以人孔总重395。73kg中水冷却管组短节m短节=0．14×3．14×0.52×62.8=14。36Kg1侧水冷却管组短节m短节=0。56×3．14×0．52×62.8=57.45Kg2mKgmKg:m内件短节=91。88Kg总重m短节=(14.361＋57．45)×2×10+35．21×4×10+91.88×4×10=6519.8接接管重量Kg单总40．8440。84单总16.916。9接管尺寸Φ377×9接管长度500符号a个数130/42bb15016。676．678。588。58d9250124。5124。51eΦ45×3.570.433．01f90。756.750。26115010.750.750．2440．244h25010．750.750．4080。4082mΦ108×4484。01192.486.662319.776n650484。01192．486。662319。776kΦ159×4。5206316。676。6735。3835。38汇总表3．1，接管及法兰总重m接法＝1207。184Kgm=m人孔+m短节+m接=395。73+6519.8＋1207。184=8122.71043.1.5碳化塔冷排质量1、冷排管箱筒体及法兰封头质量m05m筒体＝л×0.5222×0.33×62.8＝28．03Kgm法兰=20。67Kgm封头=16.2Kgm管箱=(28.03+20.67×2+16.2)×4×10=3419。2Kg所以m管子＝(120。11＋115．12)×2×10＝4704。6Kg连接板质量忽略不计圆钢总重:m圆=1。8×2×2。47×10=88．92Kgm=3419。2+4704。6＋88。92＝8212。72Kg053。1。6螺栓、螺母、垫片总质量m＝4266．13Kg063。1。7水压试验时容器内充水的质量m=106028。75Kgw3．1.8塔体内物料质量(操作时)2、190滴度氨水的质量m氨水=45500Kg所以，操作质量m＝m+m+m+m＋m+m＋m水+m氨水0010203040506=25299.79+1798.7+5399．49＋8122．71+4266。13+750626＋45500=115037.46Kg3．1.9容器的最大质量mmaxm＝m+m+m+m＋m+m+mmax010203040506w31/42kk3．1。10容器的最小质量mm=m+m＋m+m+m+mmin010203040506＝53099.54Kg3．1。11空塔吊装质量m吊m＝m—m-m—m03吊min0506=35221.20Kg3．2碳化塔塔体载荷校核3.2.1塔的自振周期Tc=90.33H(m0H/EδeDi3)¼×10—31300×(1．59×105×11300/2。1×105×22×30003)¼T1=1.79×(8mH3/EΠDi3δe)¼0=1．79(8×1。59×105×113003/2.1×105×22×30003)＝3.87s3．2。2风载荷的计算如前示意图碳化塔结构简图所示，危险截面为:0-0、1—1、2-2塔设备中第i计算段所受的水平风力由下式计算Pi＝kkfqlD12ii0ieik——-－-－-—－—－—-体型系数，k=0．711k的风振系数2if———－—-—-—-----风压高度变化系数iq－--—－--——－--—－各地区的基本风压N/m20k-—--－--—－—-—-—塔设备第i计算段的风振系数2ik=1+εViφ/f按[4]表7－6查得ε=3。93772i2iiε-－-—---－——————脉动增大系数ε＝3．9377Vi——————－—-－-－－-第i段的脉动影响系数，按表7—7V=0。78V=0.801，23，4Φ－——--－——－-－---第i段的振型系数2iΦ1=0.15Φ2=0.48Φ3=0.87Φ4＝1f=0。8f＝f=0。8f＝1。00f=1。140。71．005003ﻩ塔段参数1fiq0-10.70．85001.530。70。85003。5332/423、风弯矩的计算1)塔底截面弯矩计算w112123123M0-0=pl/2+p(l+lw112123123=1701×1.5／2＋3969×(1。5+3。5/2)＋14175×(1。5+3．5＋10/2)=1。56×108N。mmw22323M1－1＝pl/2+pw22323=3969×3.5/2+14175×8。5=1．27×108N．mmwpl／233=14175×5=7.0875×107N．mm3.2。3地震载荷的计算Cz－-－—-—-—--综合影响系数Cz=0.5α－--－——--－-地震影响系数第k段塔节重心处产生的相当于第一振型的水平地震力为:1max330。51.33246990.749．8336755。6820。50。27616895.319.825088．4410。07747048。612935.23α1ηkgFmvvmaxeq。α—————-—垂直地震影响系数最大值vvmaxeq。α—————-—垂直地震影响系数最大值vmaxm=0.75m＝0。75×1.59×105eq0vF1—1=mh／Еmh×Fv0-0即FvF1—1=mh／Еmh×Fv0-0v11ii=7048．61×1。5/(7048。61×1.5＋25088．41×5+46990．74×10)×3.42×105=59.68NM0-0=16Czαmgh2/35EI10=16×0.5×1.098×1。59×105×9。81×11300／35=4。99×109N.mm33/42M1－1=8Czαmg(10H3.5-14H2。5h+4h3.5)/175H1.5EI10=4。07×1010N.mmM2－2＝8×0。5×1。098×1。59×105×9.81(10×113003.5－14×1500×1130EI4×35003.5)/175×113002.5=4。10×1011N.mmM3—3＝2．16×109N.mmEI由于塔器H/D＜15,且H<20m,所以不用考虑高振型的影响。3．2。4最大弯矩的计算Mmax0-0=代入数有M0-0+0。25Mw0－0+Me取其中较大者EN·m取Mmax0－0=4．994×107N·m2、塔器任意计算截面处最大弯矩按下式计算MI-I+0。25MwI—I+Me取其中较大者E代入数有MmaxI—I=1。27×105N。m4。073×107N．m3.2．5圆筒轴向应力校核因筒体和裙座选材相同,故危险截面为焊缝区及弯矩最大截面或截面最小的位置。1eiM1eiσ＝(mi—ig＋FvI－I)／Πdiδei＝(7048．61×9.8+3.42×105)／3.14×203000×22安全32×22=1.98Mp〈163Mp故安全。3。2。6圆筒稳定校核B－---—-－-——－-系数,取B=130按式σ+σ≤[σ]cr即15+0.91<156Mp故安全。2334/42圆筒最大组合拉应力按下式校核:σ-σ+σ≦K[σ]tφ＝1．2×163×0.85=166.26Mp12336．75-0.91+15=50.84<166.26故安全3．2.8塔器压力试验时的应力校核ieiT＝(1．225＋0。001×1130/9．81)(3000+22)／2×22=92．05Mp1Tieiσ=PD/4δ=1TieiIieiσ＝mI—Ig／ΠDδIiei3wieiσ＝4(0．3MI—I+Me)/ΠD2δ=4(0。3×3wiei22＝0.24Mp压力试验时,圆筒的许用轴向压应力按下式校核：[σ]={KBs0.9Kσ取其中较小者s取[σ]=取[σ]=156Mp0。9×1。2×325=351Mprs液压试验时：σ≤0.9σφ=0．9×325×0。85=248.62Mps即92。05〈248．26故安全。s气压试验时：σ≤0．8σφ=0.8×325×0．85=221MPs即103<221故安全。123s=液压试验时：σ—σ+σ≤0。9Kφσ123s=p即34．48<298。35故安全。123s=123s=即34。48＜265。2故安全。3。3.1裙座壳轴向应力校核裙座与塔体采用对接焊缝,故Dsi=Di=3000，取裙座壁厚与筒体壁厚相同,即δ [δ]=[δ]＝163MPa。S1S2maysb0vsb1／COSβ[M0－0／Z+(mg+maysb0vsbsK[σ]tsvv35/42Z=ΠDis2δ/4COSβ＝Π×30002×26/4×1=1。84×108mm3sbsA＝ΠDδ＝Π×3000×26＝244920mm2sbiss代入数据105/2444920)]=49。66KBCOS2β=1．2×130=156K[σ]t＝1．2×163＝195.6s即49.66均小于上述两值,1/COSβ(0。3M0-0/Z+mg/A)≤{KBCOS2β代入数得6.62<{156wsbmaxsbs故裙座安全4MJ-J／ΠD2δ－(mJ－Jg—FJ-J)/ΠDδ≤0.6K[σ]t=0.6×1．2×maxites0vitesw163＝117.36MpMJ-J≈MI—I=4.073×109N。mmmaxmaxmJ－J≈mI-I=46990。74Kg00FJ-J≈FvI-I=59．68Nv代入数据有4×4.073×109/3．14×30002×24－(46990。74—59.68)/3．14×3000×24=23．88Mp即23．88<117．36，故安全。第四章碳化塔的腐蚀防护腐蚀现象几乎涉及国民经济的一切领域。例如各种机器、设备、桥梁等在大气中气管线因土壤和细菌的腐蚀而发生穿孔；钢材在轧制过程中因高温与空气中的氧气作用而产生大量的氧化液;与各种酸、碱盐等强腐蚀性介质接触的化工机器与设备，腐蚀问题尤为突出,特别是处于高温、高压、高流速下的机械设备,往往会引起材料的迅速腐蚀损坏。正确的腐蚀控制，是延长设备寿命，避免事故发生的重要保证。如果在设计阶段就充分考虑了腐蚀控制方案，那么由于设备被腐蚀所需的维修费用就可以大大节约了.由于碳化塔内浓氨水，碳氨液等介质都有较强的腐蚀性，因此必须采取一定的防腐措施。金属材料有良好的物理机械性能,但在耐腐蚀方面却或多或少地存在缺陷，而某些耐蚀合金的成本又太高.非金属材料虽然耐蚀性能好,但多数材料的物理机械性能较差。综合考虑各项因素,碳化塔的塔体材料选用低合金钢16MnR，采取的防腐措施是外加电流阴极度保护或阳极保护与环氧树脂涂料联合保护。36/42将被保护金属设备与直流电源负极度相连,依靠外加阴极电流进行阴极极化而使金属得到保护的方法，称为外加电流阴极保护，简称电保护.碳化塔阴极保护采取措施及条件如下表4－1保护措施保护措施外加电流阴极保护与环氧树脂联合保护，保护电位—950mv电流0。1—0．2A／m2保护效果93~94％现场保护后冷却水箱寿命由6个月延长为1年介质条件气量:2×104m3/h被保护设备碳酸氨生产系统——碳化塔电化学保护包括阳极保护.本设备也可采用阳极保护与环氧