Φ1200熱套式尿素合成塔設計過程裝備與控制畢業(yè)論文

四川理工學院畢業(yè)設計1200熱套式尿素合成塔設計學生學號09011010312專業(yè)過程裝備與控制工程班級2009級3班指導教師王維慧四川理工學院機械工程學院二O一三年六月四川理工學院畢業(yè)設計任務書設計（論文）題目1200熱套式尿素合成塔設計學院機械學院專業(yè)過程裝備與控制工程班級2009級3班學號09011010312學生指導教師王維慧接受任務時間20130304系主任（簽名）院長（簽名）1畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求。1、閱讀設計說明書、任務書、明確設計要求及內(nèi)容。2、明確尿素生產(chǎn)方法，工藝及流程。3、完成所有結構設計和任務書，任務書包括緒論，物料平衡與能量平衡，塔體常規(guī)計算，結構構設計，力學校核，專題討論，結束語。2指定查閱的主要參考文獻及說明。1全國壓力容器標準化技術委員會GB1501998鋼制壓力容器（國家標準）M北京學苑出版社,19982鄭津洋、董其伍、桑芝富主編過程設備設計M北京化學工業(yè)出版社教材出版中心出版發(fā)行,200183中國寰球化學工程公司編氮肥工藝設計手冊尿素J北京化學工業(yè)出版社198893進度安排設計（論文）各階段名稱起止日期1開題報告的撰寫20130304201303252結構設計和設計計算20130325201304153圖紙和論文的撰寫20130415201305064完成圖紙和論文的撰寫20130506201305195對圖紙和論文的最后修改2013051920130531I摘要尿素合成塔是合成尿素生產(chǎn)過程中的主要關鍵設備，因此尿素合成塔的設計和制造顯得尤為重要。本設計工藝采用水溶液全循環(huán)法，設計中對整個塔設備進行了詳細的工藝計算和熱量衡算，依據(jù)國家標準對尿素合成塔進行了結構設計和強度校核。關鍵詞尿素合成塔；工藝計算；結構設計；強度校核ABSTRACTUREASYNTHETICTOWERISTHEKEYEQUIPMENTINTHEPROCESSOFSYNTHESISOFUREAPRODUCTION,THUSISPARTICULARLYIMPORTANTTODESIGNANDMANUFACTUREOFUREATHEAQUEOUSSOLUTIONTOTALCYCLEMETHODISADOPTEDINTHISDESIGNPROCESS,TOTHEWHOLETOWEREQUIPMENTINDETAILINTHEDESIGNOFPROCESSCALCULATIONANDHEATBALANCE,ACCORDINGTOTHENATIONALSTANDARDOFUREASYNTHESISTOWERSTRUCTUREDESIGNANDSTRENGTHCHECKKEYWORDSUREASYNTHESISREACTORPROCESSCALCULATIONPHYSICALDESIGNINTENSITYCHECK目錄摘要ABSTRACT第1章緒論111尿素的發(fā)現(xiàn)112尿素的性質1121尿素的物理性質1122尿素的化學性質113尿素的用途114尿素工業(yè)發(fā)展與現(xiàn)狀215水溶液生產(chǎn)原理4151反應原理416生產(chǎn)工藝流程5第2章材料選擇921材料選擇原理9第3章尿素合成塔的結構選型及論證10第4章物料與能量衡算1741物料衡算1742能量衡算18第5章尿素合成塔的結構設計計算2051尿素合成塔的有效容積20522強度設計計算2153密封件的設計計算2154筒體端部法蘭設計計算26541法蘭結構型式26553設計計算2856底封頭的設計計算30561封頭材料31562設計計算3157裙座3158塔板32第6章開孔及開孔補強3461接管34611接管材料3462開孔3563開孔補強36631補強的形式36第7章塔設備強度設計和穩(wěn)定性校核4071塔體的載荷計算40711塔體的質量載荷4072強度及穩(wěn)定性校核46721各種載荷引起的軸向應力46第8章專題討論49第9章結論51參考文獻52致謝53四川理工學院畢業(yè)設計1第1章緒論11尿素的發(fā)現(xiàn)1773年，伊萊爾羅埃爾（HILAIREROUELLE）發(fā)現(xiàn)尿素。1828年，弗里德里希維勒首次使用無機物質氰酸鉀與硫酸銨人工合成了尿素。本來他打算合成氰酸銨，卻得到了尿素。哺乳動物、兩棲動物和一些魚的尿中含有尿素；鳥和爬行動物排放的是尿酸，因為其氮代謝過程中的水量比較少。12尿素的性質121尿素的物理性質尿素的化學名稱為碳酰二胺，分子式為CO（NH2）2，分子量為6106。含氮量為4665。在土壤呈中性反應，水分適當時土壤溫度越高，轉化越快；當土壤溫度10時尿素完全轉化成銨態(tài)氮需710天，當20需45天，當30需23天即可。純尿素為無色、無味、無臭的針狀或棱柱狀結晶。122尿素的化學性質尿素的主要化學性質有1尿素呈微堿性，可以與酸性作用生成鹽。但尿素不能使一般指示劑變色。2尿素有水解作用在酸性、堿性或中性溶液中，在60以下，尿素不發(fā)生水解作用。隨著溫度的升高，水解速度加快，水解程度也增大（在80，一小時內(nèi)可以水解05；110，一小時內(nèi)可增加到3）。3尿素和甲醛的縮合反應尿素和甲醛作用生成甲醛縮合物。此縮合物可作為脲醛塑料的原料，也是一種很好的緩效肥料。13尿素的用途尿素原料主要是二氧化碳和氨。尿素產(chǎn)品用途廣泛，其主要用作化肥。工業(yè)上還用作制造脲醛樹酯、聚氨酯、三聚氰胺甲醛樹脂的原料，在醫(yī)藥、炸藥、制革、浮選劑、顏料和石油產(chǎn)品脫蠟等方面也有廣泛的作途。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有尿素生產(chǎn)企業(yè)200多個，規(guī)模分為大型（引進48萬噸/年以上）、中型（1330萬噸/年以上）、小型（413萬噸/年），我國中小氮肥企業(yè)中90采用煤為原料，近年來產(chǎn)能發(fā)展較快。據(jù)統(tǒng)計，20052007年尿素新建裝置增加產(chǎn)能累計987萬噸，加上現(xiàn)有裝置產(chǎn)能的自然增長，20052007年我國累計增加尿素產(chǎn)能1340萬噸，到2007年底尿素產(chǎn)能達到5300萬噸以上。預計20082009年新建裝置產(chǎn)能為715萬噸，到2009年底全國尿素產(chǎn)能將達到緒論26000萬噸。尿素是生理中性肥料，在土壤中不殘留任何有害物質，長期施用沒有不良影響。但在造粒中溫度過高會產(chǎn)生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對作物有抑制作用。我國規(guī)定肥料用尿素縮二脲含量應小于05。縮二脲含量超過1時，不能做種肥，苗肥和葉面肥，其他施用期尿素含量也不宜過多或過于集中，尿素是有機態(tài)氮肥，經(jīng)過土壤中的脲酶作用，水解成碳酸銨或碳酸氫銨后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前48天施用。施用尿素適用于作基肥和追肥，有時也用作種肥。尿素在轉化前是分子態(tài)的，不能被土壤吸附，應防止隨水流失；轉化后形成的氨也易揮發(fā)，所以尿素也要深施覆土。尿素廣泛存在于自然界中，如新鮮人糞中含尿素04。尿素產(chǎn)量約占我國目前氮肥總產(chǎn)量的40，是僅次于碳銨的主要氮肥品種之一,作為氮肥始于20世紀初。20世紀50年代以后，由于尿素含氮量高4546，用途廣泛和工業(yè)流程的不斷改進，世界各國發(fā)展很快。我國從20世紀60年代開始建立中型尿素廠。19861992年，我國尿素產(chǎn)量均在900萬噸以上。目前占氮肥總產(chǎn)量的40。14尿素工業(yè)發(fā)展與現(xiàn)狀尿素最先由魯愛爾于1773年在蒸發(fā)人尿時發(fā)現(xiàn)的。1828年佛勒在實驗室首先用氨和氰酸合成了尿HCONNH3CO（NH2）2此后,出現(xiàn)了以氨基甲酸銨、碳酸銨及氰氨基鈣等作為原料的50余種合成尿素的方法但是因原料難得或因有毒性或因反應條件難以控制或因經(jīng)濟上不合理,在工業(yè)上均未得到實現(xiàn)1868年巴扎羅夫提出高壓下加熱氨基甲酸銨脫水生成尿素的方法1922年首先在德國發(fā)本公司奧包工廠實現(xiàn)了以NH3和CO2直接合成尿素的工業(yè)化生產(chǎn),從而奠定了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尿素的基礎合成氨生產(chǎn)為NH3和CO2直接合成尿素提供了原料由NH3和CO2合成尿素反應為2NH3CO2CONH22H2O該反應是放熱的可逆反應,其產(chǎn)率受到化學平衡的限制,只能部分的轉化為尿素,一般轉化率為5070因而,按轉化物的循環(huán)利用程度,尿素的生產(chǎn)方法可分為不循環(huán)法、半循環(huán)法和全循環(huán)法三種。20世紀60年代以來,全循環(huán)法在工業(yè)上得到普遍的使用全循環(huán)法是將未轉化成尿素氨和二氧化碳經(jīng)多段蒸餾和分離后,全部返回合尿素最先由魯愛爾于1773年在蒸發(fā)人尿時發(fā)現(xiàn)的。1828年佛勒在實驗室首先用氨和氰酸合成了尿素全循環(huán)法依照分離回收方法的不同又可分為熱氣循環(huán)法、氣體分離循環(huán)法、漿液循環(huán)法、水溶液循環(huán)法、氣提法和等壓循環(huán)法其中水溶液循環(huán)法和氣提法發(fā)展最快,以下是對幾種尿素生產(chǎn)方法的簡單結束。1不循環(huán)法和部分循環(huán)法尿素生產(chǎn)工業(yè)化早期實現(xiàn)的是不循環(huán)和部分循環(huán)流程。四川理工學院畢業(yè)設計3原料液氨和壓縮到高壓的二氧化碳氣混合進入尿素合成塔進行反應。合成塔出口溶液經(jīng)一次減壓分解，得到較為純凈的尿素水溶液并加工成尿素產(chǎn)品。未反應的NH3和CO2氣體不再返回，而是送往氨加工車間，將未轉化的氨加工為硫酸銨、硝酸銨等其他產(chǎn)品。這種原料一次通過，未反應物不循環(huán)返回合成塔的方法稱為不循環(huán)法流程。若未反應物經(jīng)減壓加熱分解，冷凝后部分返回合成系統(tǒng)，稱為部分循環(huán)法。優(yōu)點工藝簡單、性能穩(wěn)定。缺點無論是不循環(huán)法或是部分循環(huán)法，在生產(chǎn)尿素時必定伴有大量副產(chǎn)物生成。此法成本高，技術落后，早已淘汰不用。2水溶液全循環(huán)法尿素合成反應后，未轉化的反應物氨和CO2經(jīng)過幾段減壓及加熱分解，將其從尿素溶液中分離出來，然后全部返回合成系統(tǒng)，以提高原料氨和CO2的利用率。此法稱為全循環(huán)法。按照未反應物氨和CO2的回收方式不同，又分為溶液全循環(huán)法，氣體分離法選擇吸附，漿液循環(huán)法和熱氣循環(huán)法等。傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法。原料液氨和二氧化碳同循環(huán)尿素合成后未反應物氨和CO2，經(jīng)分解分離后，用水吸收成甲銨溶液，然后循環(huán)回合成系統(tǒng)稱為水溶液全循環(huán)法。自20世紀60年代起迅速得到推廣，在尿素生產(chǎn)中占有很大的優(yōu)勢，至今仍在完善提高改良C法日本三井東壓/東洋工程全循環(huán)改良C法，是傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)改進，此法采用較高的合成壓力和溫度，并取較高的氨碳比和較低的水碳比，轉化效率高，降低了分解循環(huán)吸收的負荷。采用結晶重熔方法，可制得縮二脲低于035的產(chǎn)品。但熱回收利用不高，總能耗低于傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法。優(yōu)點水溶液全循環(huán)法不消耗貴重的溶劑，循環(huán)動力消耗較小投資省，曾被廣泛采用，為尿素工業(yè)的發(fā)展做出了積極的貢獻。缺點但水溶液全循環(huán)法存在不少問題如能量得不到充分利用，反應熱被大量的循環(huán)液所降溫，沒有充分利用；一段甲銨泵腐蝕嚴重，對甲銨泵的制造、操作和維修比較麻煩；為了回收微量的CO2和氨氣使流。3氣提法所謂氣提法就是用氣提劑如CO2、氨氣、變換氣或其他惰性氣體，在一定壓下加熱，促進未轉化成尿素的甲銨的分解和液氨氣化。氣提分解效率受壓力、溫度、液氣比及停留時間的影響，溫度過高會加速氨的水解和縮二脲的增加，壓力過低，分解物的冷凝吸收率下降。氣提時間愈短愈好，可防止水解和縮合反應。故氣提法是采用二段合成原理，即液氨和氣體CO2在高壓冷凝器內(nèi)進行反應生成甲銨，而甲銨的脫水反應則在尿素合成塔中進行。實際上，為了維持合成尿素塔的反應溫度，部分甲銨的生成留在合成塔中，而不是全部在高壓冷凝器中完。二氧化碳氣提法工藝的特點用原料CO2氣提，氣提效率高，使未轉化物大部分直接返回，少量殘余物在一次低壓分解循環(huán)即可回收，省去了中壓循環(huán)，簡化流程。緒論4其次，合成壓力低，節(jié)省壓縮機和泵的動力。高壓圈內(nèi)高壓冷凝器的余熱溫度高，用來副產(chǎn)蒸汽，有利于能量的利用，降低蒸汽和冷卻水消耗。二氧化碳氣提采用低碳比、低溫、低壓的合成條件，具有明顯的優(yōu)點，但也用其不足之處合成反應的CO2轉化率較低，增大了循環(huán)量。低氨碳比下介質的腐蝕性較嚴重，因此采用防腐氧氣，并需注意爆炸問題。優(yōu)點流程短、設備少、易操作。動力消耗少，循環(huán)物料少。操作壓力、溫度、流量最低，降低了合成塔，壓縮機之要求。蒸汽用量，冷卻水用量少。輸送設備少，無甲銨泵等，缺點高壓設備腐蝕嚴重，需特別處理因流量低，使尿素中縮二脲落高于其他法。氨氣提法氨氣提工藝的特點提高合成氨碳比，提高原料CO2轉化率，并有助于提高氣提效率。通過熱氣提方式，使相當多的未轉化物直接返回。高壓圈內(nèi)高壓冷凝器副產(chǎn)蒸汽，有利于能量的利用。合成系統(tǒng)采用高碳比，還有助于減輕設備的腐蝕，少加防腐空氣。優(yōu)點與二氧化碳氣提法流程相比，氨氣提采用高氨碳比、高溫、高壓的合成條件，具有一定的優(yōu)點，合成反應的CO2轉化率較高，系統(tǒng)的腐蝕問題較輕。缺點氨氣提（熱氣提）效率不如二氧化碳氣提，需要設中壓分解循環(huán)，流程長，設備較多。雖然二氧化碳氣提法也較好，流程短、效率高，設備少，易操作動力消耗少，循環(huán)物料少。操作壓力、溫度、流量最低，降低了合成塔，壓縮機之要求。蒸汽用量，冷卻水用量少。輸送設備少，無甲銨泵等。但是此合成法技術較新，許多方面還不夠成熟，且高壓設備腐蝕嚴重，需特別處理，并且容易爆炸，有一定的危險。水溶液全循環(huán)法和氣提法比較，水溶液全循環(huán)法應用較廣，時間較長，所以無論是技術還是經(jīng)驗方面都較為成熟，水溶液全循環(huán)法不消耗貴重的溶劑，循環(huán)動力消耗較小投資省。由于我國尿素生產(chǎn)主要采取水溶液全循環(huán)法而且由于碳酸銨鹽水溶液全循環(huán)法工藝及技術相當成熟，設備要求簡單且投資相對少，工藝流程方便易行，再添加污水處理系統(tǒng)以后，使整個生產(chǎn)的污染減少，所以這里采用碳酸銨鹽水全循環(huán)法。所以從技術性，經(jīng)驗性，經(jīng)濟性，安全性方面綜合考慮選用碳酸銨鹽水溶液全循法較好。15水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的原理水溶液全循環(huán)法是將未反應的氨和二氧化碳經(jīng)減壓加熱分解分離后，用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系。151反應原理生產(chǎn)尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨廠的副產(chǎn)品。尿素合成反應分兩步進行氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨簡稱甲銨；甲銨脫水生成尿素，其反應四川理工學院畢業(yè)設計5式為2NH3CO2NH2COONH415947KJNH2COONH4CONH22H2O2849KJ式是快速、強放熱反應，且平衡轉化率高。式是慢速微吸熱的可逆反應，且需要在液相中進行。當溫度為170190時，氨與二氧化碳的摩爾比為20，壓力高到足以使反應物得以保持液態(tài)時，甲銨轉化成尿素的轉化率以CO2計為50；其反應速率隨溫度的提高而增大。當溫度不變時，轉化率隨壓力的升高而增大，轉化率達到一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時，幾乎全部反應混合物都以液態(tài)存在。提高氨與二氧化碳的摩爾比，可增大二氧化碳的轉化率，降低氨的轉化率。在實際生產(chǎn)過程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，因此都采用氨過量，一般氨與二氧化碳的摩爾比3。反應物料中水的存在將降低轉化率，在工業(yè)設計中要把循環(huán)物料中的水量降低到最小限度。增加反應物料的停留時間能提高轉化率，但并不經(jīng)濟。典型的工藝操作條件是溫度180200、壓力138246MPA、氨與二氧化碳摩爾比2845反應物料停留時間2540MIN。152反應機理液氨和二氧化碳直接合成尿素的總反應為2NH3CO2CONH22H2O1037KJ。這是一個可逆、放熱、體積縮小的反應，反應在液相中是分兩步進行的。首先液氨和二氧化碳反應生成甲銨，故稱其為甲銨生成反應2NH3CO2NH2COONH4在一定條件下，此反應速率很快，容易達到平衡。且此反應二氧化碳的平衡轉化率很高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應NH2COONH4CONH22H2O平衡轉化率一般為5070，此步反應的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應153反應速度從生成尿素的反應機理可知甲銨脫水是反應的控制階段，但甲銨脫水反應在氣相中不能進行，在固相中反應速率較慢，而在液相中反應速率較快，故甲銨脫水生成尿素的反應必須在液相中進行。因此決定反應速率的因素有兩個氨和二氧化碳由氣相進入液相的速率液相中甲銨脫水的速率。16水溶液全循環(huán)法的生產(chǎn)工藝流程緒論6161尿素合成總反應為2NH3CO2CONH22H2O1037KJ實際上反應是分兩步進行的，首先是氨與二氧化碳反應生成氨基甲酸銨2NH3CO2NH2COONH415947KJ該反應是一個可逆的體積縮小的放熱反應，在一定條件下，此反應速率很快，客易達到平衡，且此反應二氧化碳的平衡轉化率很高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反應；NH2COONH4CONH22H2O2849KJ此步反應是一個可逆的微吸熱反應，平衡轉化率一般為5070，并且反應的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反應。162流程圖介紹水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程圖如圖11，經(jīng)過加壓預熱的原料液氨與經(jīng)壓縮后的原料二氧化碳氣及循環(huán)回收來的氨基甲酸銨液一并進入預反應器。在預反應器內(nèi)氨與二氧化碳反應生成氨基甲酸銨，在進入尿素合成塔，在塔內(nèi)氨基甲酸銨脫水生成尿素。尿素熔融物從塔頂出來進入預分離器，將氨基甲酸銨和氨進行分離。氨基甲酸銨從預分離器底部出來進入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進一步提高溫度，促使殘余氨基甲酸銨分解。氣、液在低壓循環(huán)分離器內(nèi)分離。分離出來的尿液經(jīng)減壓至常壓后，進入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部清除。自閃蒸槽出來的尿液進入尿液貯槽，用尿素溶液泵打入中壓蒸發(fā)加熱器及低壓蒸發(fā)加熱器，在不同真空度下加熱蒸發(fā)，氣、液分別在中壓蒸發(fā)分離器及低壓蒸發(fā)分離器內(nèi)分離。低壓分離器出口尿液濃度達997（質量）以上，用熔融尿素泵打入造粒塔，經(jīng)造粒噴頭撒成尿粒，在塔低得到成品尿素四川理工學院畢業(yè)設計7圖11水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖1預反應器；2尿素合成塔；3預分離器；4中壓循環(huán)加熱器；5中壓循環(huán)分離器；6精餾塔；7低壓循環(huán)加熱器；8低壓循環(huán)分離器；9閃蒸槽；10尿素貯槽；11尿素溶液泵；12一段蒸發(fā)加熱器；13一段蒸發(fā)分離器；14二段蒸發(fā)加熱器；15二段蒸發(fā)分離器；16熔融尿素泵；17造粒塔預分離器、中壓循環(huán)分離器、低壓循環(huán)分離器及精餾塔頂部出來的氨和二氧化碳，進入回收系統(tǒng)?；厥盏陌迸c二氧化碳以液氨或氨基甲酸銨的形式返回合成系統(tǒng)循環(huán)使用。一段蒸發(fā)分離器、二段蒸發(fā)分離器及閃蒸槽出來的氣體，大部分水蒸氣和少量的氨去冷凝、真空系統(tǒng)，回收殘余氨后放空。163合成尿素工藝流程水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程簡圖如圖12，由造氣爐產(chǎn)生的半水煤氣脫碳后，其中大部分的二氧化碳由脫碳液吸收、解吸后，經(jīng)油水分離器，除去二氧化碳氣體中攜帶的脫碳液，進入二氧化碳壓縮機系統(tǒng)，由壓縮機出來的二氧化碳氣體壓力達到16KG后進入尿素合成塔。從合成氨車間氨庫來的液氨進入氨儲罐，經(jīng)過氨升壓泵加壓進入高壓液氨泵，加壓至20KG左右，經(jīng)過預熱后進入甲銨噴射器作為推動液，將來自甲銨分離器的甲銨溶液增壓后混合一起進入尿素合成塔。尿素合成塔內(nèi)溫度為186190，壓力為200KG左右,NH3/CO2的摩爾比和H2O/CO2的摩爾比控制在一定的范圍內(nèi)。合成后的氣液混合物進入一段分解，進行氣液分離，將分離氣相后的尿液送入二段分解，進一步見混合物中的氣相除去。凈化后的尿液依次進入閃蒸槽、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)濃縮，最后得到尿素熔融物，用刮料泵輸送到尿素造粒塔噴灑器，經(jīng)在空氣中沉降冷卻固化成粒狀尿素，并通過尿素塔底機用運輸皮帶送往儲存包裝車間圖12水溶液全循環(huán)合成尿素工藝流程圖從一段分解、二段分解出來的氣相含有未反應的氨和二氧化碳，分別進入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面閃蒸、一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段冷凝下來的冷凝水吸緒論8收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的氣體進入惰洗器稀釋后，與二段吸收的殘余氣體混合進入尾氣吸收塔，與一段蒸發(fā)、二段蒸發(fā)工段氣相冷凝除去水后殘余的氣體混合放空四川理工學院畢業(yè)設計9第2章材料選擇21材料的選擇原則尿素合成塔連續(xù)運行在高溫、高壓、易燃、易爆和強腐蝕條件下,反應塔是尿素合成裝置的關鍵設備,其狀況的好壞，直接影響到尿素裝置長時間安全穩(wěn)定運行。由于尿素工藝所固有的特點,高壓設備普遍存在腐蝕問題,有的還相當嚴重,因此選擇合適的耐腐蝕材料十分重要。設備選材必須考慮不同的工藝條件、溫度、壓力和介質選用的材料必須能承受苛刻的運行條件設備制造要符合工藝的特殊規(guī)范,并進行必要的試驗和處理?，F(xiàn)代尿素高壓設備所用耐蝕金屬材料一般根據(jù)用途、功能、接觸介質、工作溫度和壓力等要素綜合選擇,選用的材料有碳鋼、鎳鉻耐酸不銹鋼、鎳鉻鑰不銹鋼、雙相不銹鋼、鈦和金等。據(jù)統(tǒng)計,材料費用在現(xiàn)代化工裝置投資中所占比例高達50。選材方案一般根據(jù)材料單價、加工費用和設備使用年限及材料預測壽命確定。22筒體外筒材料的選擇及論證壓力容器常用的低合金鋼，主要有鋼板16MNR、15CRMOR、16MNDR、15MNNIDR、09MNNIDR、07MNCRMONBR、07MNCRMONBDR；鋼管16MN、09MND；鍛件16MN、20MNMO、16MND、09MNNID、225CR1MO16MNR是屈服極限為340MPA級的壓力容器專用鋼板，也是中國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板，它具有良好的綜合性能和制造工藝性能，故被廣泛應用。本設計將采用筒節(jié)材料為熱套15MNVR或16MNR。23襯里、接管和內(nèi)件材料的選擇目前國際上在尿素耐腐蝕材料的研究和應用方面存在三大流派1以荷蘭為代表的也是當前國內(nèi)外廣泛采用的超低碳奧氏體格鎳鉬尿素用不銹鋼216LUG尿素級或3L6LMOD改良型。原316L,3L7L，326L十N至今仍普通采用。最近進一步發(fā)展為25222高級尿素用鋼。2以中國為代表的無鎳奧氏體鐵索體雙相鉻錳氮不銹鋼A4OCFL7MNL3MO2N，具有良好的耐蝕性，其抗應力腐蝕性、缺氧時耐蝕性比316L型優(yōu)越以日本為代表的超低碳低鎳R4鋼系00CR25NI5MO2進一步提高了耐蝕性。3有色金屬鈦。在日本、意大利和中國一些廠家巳采用鈦作襯里，耐蝕性很好，在降低加氧量條件下，耐尿液溫度可達205，在更苛刻工藝條件下在國際上開始采用鋯作襯里，其耐蝕性更好。綜合考慮，內(nèi)襯為10MM的尿素級不銹鋼00CR22NI5MO3N鐵素體奧氏體雙相不材料選擇10銹鋼代替316L奧氏體不銹鋼；頂部為20MNMO平蓋鍛件，雙錐密封環(huán)為20MNMO，底部為16MNR標準橢圓形封頭，襯里為手工焊大于8MM的尿素不銹鋼；接管為00CR17NI14MO2，裙座材料為Q235A表2100CR17NI14MO2成分成分CSIMNPSCRNIMO0031020003500301618121523四川理工學院畢業(yè)設計11第3章尿素合成塔的結構選型論證31尿素合成總體結構機構基本要求尿素合成塔的工藝參數(shù)和結構型式的選擇，既取決于所擔負的生產(chǎn)任務和原料氣的成以及操作條件有關。尿素合成塔的設計過程中，一般應考慮下列問題（1）氣液兩相充分接觸，相際間傳熱面積大。只有在氣液兩相充分接觸的情況下，相際的傳質才能有效進行。作為塔設備，應具有盡量大的兩相接觸面積，并使這些接觸面積被充分利用，才可能得到較高的傳質效率。（2）生產(chǎn)能力大，即氣液處理量大。如一定塔徑的塔設備在較大的氣液負荷時，仍能保證該塔正常、有效地操作，則可減少傳質設備的體積，使之更加緊湊。（3）操作穩(wěn)定，操作彈性大。當塔設備的氣相或液相負荷發(fā)生一定范圍的變化或波動時，設備仍能正常有效地運行。（4）阻力小。如流體通過設備是阻力小，即流體的壓降小，則可降低能耗，從而減少設備的操作費用。（5）結構簡單，制造、安裝、維修方便，設備的投資及操作費用低。（6）耐腐蝕，不容易堵塞。（7）使用壽命長一般要求尿素合成塔外筒使用壽命為2030年，內(nèi)件使用壽命610年或更長更好。32合成塔的總體結構型式最早使用的尿素培是帶夾套的管式反應器隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大、設備大型化、尿素工藝的發(fā)展以及減少動力消耗、節(jié)約金屬材料等因素的考慮，新型尿素培均改為塔式反應器。尿素塔除因工藝流程不同其內(nèi)件結構與管口布置略有不同，生產(chǎn)規(guī)模不同尺寸大小有別外，總體結構大體上相同。目前生產(chǎn)的尿素合成塔普遍采用單個筒節(jié)多層包扎后再焊接封頭、平蓋、裙座；內(nèi)部主要由塔板、襯里、接管、螺旋板和篩板等。33尿素合成塔的筒體結構型式及其論證331單層式優(yōu)點簡單制造方便四川理工學院畢業(yè)設計49缺點深環(huán)、縱焊縫，焊接缺陷檢測和消除困難；且結構本身缺乏阻止裂紋快速擴展的能力；大型鍛件、厚鋼板性能比薄鋼板差，不同方向力學性能差異大，韌脆轉變溫度較高，發(fā)生低應力脆性破壞的可能性也較大；加工設備要求高。332組合式3321、多層包扎式1、結構為避免裂紋沿壁厚方向擴展，各層板之間的縱焊縫應相互錯開75。筒節(jié)的長度視鋼板的寬度而定，層數(shù)則隨所需的厚度而定。2、制造用裝置將層板逐層、同心地包扎在內(nèi)筒上；借縱焊縫的焊接收縮力使層板和內(nèi)筒、層板與層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預緊力；筒節(jié)上均開有安全孔報警。圖31多層包扎筒節(jié)3、優(yōu)點制造工藝簡單，不需大型復雜加工設備；安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴展的能力；減少了脆性破壞的可能性；包扎預應力改善筒體的應力分布；對介質適應性強，可選擇合適的內(nèi)筒材料。4、缺點筒體制造工序多、周期長、效率低、鋼材利用率低（僅60左右）；無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側均有層板，無法用超聲檢測，只能射線檢測；專題討論50焊縫部位存在很大的焊接殘余應力，且焊縫晶粒易變得粗大而韌性下環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復雜。深環(huán)焊縫對制造質量和安全有顯著影響。5、應用目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗最為豐富的組合式筒體結構。3322、熱套式1、結構、構造內(nèi)筒（厚度30MM）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進行套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。圖32熱套筒節(jié)2、優(yōu)點工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點。3、缺點筒體要有較準確的過盈量，卷筒的精度要求很高，且套合時需選配套合；套合時貼緊程度不很均勻；套合后，需熱處理以消除套合預應力及深環(huán)焊縫的焊接殘余應力。3323、繞板式1、結構由內(nèi)筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式筒體的基礎上發(fā)展起來的。四川理工學院畢業(yè)設計51圖33繞板式筒節(jié)2、制造內(nèi)筒與多層包扎式內(nèi)筒相同，外層是在內(nèi)筒外面連續(xù)纏繞若干層35MM厚的薄鋼板而構成筒節(jié)，只有內(nèi)外兩道縱焊縫，需要2個楔形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半圓或三塊“瓦片”制成。3、優(yōu)點機械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達90以上）。4、缺點中間厚兩邊薄，累積間隙。3324、整體多層包扎式1、結構錯開環(huán)縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的筒體結構。圖34整體多層包扎式厚壁容器筒體2、制造將內(nèi)筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭；在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。3、優(yōu)點環(huán)、縱焊縫錯開，筒體與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大。3325、繞帶式以鋼帶纏繞在內(nèi)筒外面獲得所需厚度筒壁兩種結構型槽繞帶式扁平鋼帶傾角錯繞式1型槽繞帶式用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內(nèi)筒上，端面形狀見圖35（A），內(nèi)筒外表面上預先加工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。纏繞時，鋼帶先經(jīng)電加熱，再進行螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進行冷卻，使其收縮產(chǎn)生預緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合見圖專題討論5235（B），纏繞層能承受一部分由內(nèi)壓引起的軸向力。圖35（A）型槽繞帶式筒體（B）型槽鋼帶結構示意圖優(yōu)點筒體具有較高的安全性，機械化程度高，材料損耗少，且由于存在預緊力，在內(nèi)壓作用下，筒壁應力分布較均勻。缺點鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴，技術要求高；為保證鄰層鋼帶能相互嚙合，需采用精度較高的專用纏繞機床。（2）扁平鋼帶傾角錯繞式中國首創(chuàng)的一種新型繞帶式筒體；該結構已被列入ASME1和ASME2標準的規(guī)范案例，編號分別為2229和2269。結構內(nèi)筒厚度約占總壁厚的1/61/4，采用“預應力冷繞”和“壓棍預彎貼緊”技術，環(huán)向1530傾角在薄內(nèi)筒外交錯纏繞扁平鋼帶。鋼帶寬約80160MM、厚約416MM，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。圖36扁平鋼帶傾角錯繞式筒體四川理工學院畢業(yè)設計53優(yōu)點與其它類型厚壁筒體相比，扁平鋼帶傾角錯繞式筒體結構具有設計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易等優(yōu)點。綜合上述本次設計采用熱套式，特點是工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點。專題討論54第4章物料衡算與能量衡算塔體高度MMH34000將以知代入（71）式得ST41408191083723109135102931340034000791109713風載荷本設計基本風壓以自貢為基準，地面的粗糙度類別為B類。（1）風力計算風載荷分布如圖71所示。塔設備中第I計算段所受的水平風力可由下式計算EIIOIIIDLQFKKP2172式中,IP塔設備中第I段的水平風力，N；EID塔設備中第I段迎風面的有效直徑，M；IF風壓高度變化系數(shù)；OQ各地區(qū)的基本風壓,2/MN；IL塔設備各計算段的計算高度,M，1K體型系數(shù)；IK2塔設備中第I計算段的風振系。對于塔高H20M時，則IK2按下式計算IZIIIFVK127371風載荷分布圖式中脈動增大系數(shù)，其值按表72確定，IV第I段的脈動影響系數(shù)，由表73定ZI第I段的振型系數(shù)，出表74查得。四川理工學院畢業(yè)設計55風載荷計算參看表71。表71風載荷計算段ILMOQ2/MN1KIK2IFEIDMIPN110350071253102416741675821035007180112524161332559936350071967133525769943718表72脈動放大系數(shù)22211/MNTQS102040608010014715716917718318822211/MNTQS200400600800100020002042223624525328022211/MNTQS400050008000100002000030000309328312354391414注1表中Q1為風壓，對于B類地區(qū)，Q1,Q3,C類地區(qū)，Q1071Q32T1為第一自震周期。表73脈動影響系數(shù)1020406080100A078083087089089089B072079085088089090C066074082086088089注HIT為塔設備第I計算段頂部截面至地面的高度，M粗糙度類別高度HIT/M專題討論56表74振型系數(shù)ZI100806010020020010200700600522截面MPAZM11978120078501200744557959222MAX223722塔體和裙座危險截面的強度與穩(wěn)定校核1塔體的最大組合軸向拉應力校核塔體的最大組合軸向拉應力發(fā)生在正常操作時的22截面上其中，21,01,170KMPAT則MPAKT2040117021MPA2045197811910115170223222122MAX滿足要求2塔體與裙座的穩(wěn)定校核22截面塔體的最大組合軸向壓應力發(fā)生在停車的22截面上其中0122078/6000940/0940IRA由過程設備設計查得B170MPA,21,01,170KMPAT故KB204MPAMPAKT2040117021MPA20421110119101122322222MAX滿足要求11截面塔體11截面上的最大組合軸向壓應力振系數(shù)相對高HIT/H型四川理工學院畢業(yè)設計57其中0122078/6000940/0940IRA由過程設備設計查得B106MPA,21,113KMPAT故KB1272MPAMPAKT613511321MPAMPA212740362929404742111311211MAX產(chǎn)生自緊作用。螺栓預緊力較小。雙錐密封結構簡單，加工精度要求不太高，在溫度、壓力有波動的場合密封可靠。雙錐密封適用于設計壓力6435MPA、溫度0400、封口內(nèi)徑4002000MM的壓力容器。具體應用舉例用于直徑1300MM、壓力32MPA的合成塔，直徑達2800MM的繞帶容器，以及壓力200MPA、溫度小于300的超高壓容器上。專題討論58四川理工學院畢業(yè)設計51第9章結論畢業(yè)設計是本科學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的尿素合成塔設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，和實際設計的結合鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能