DN2400碳化塔設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 題 目：dn2400碳化塔設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：xxxx學(xué) 號(hào)：xxxxx專 業(yè)：過程裝備與控制工程班 級(jí)：裝備xxx班指導(dǎo)教師：xxx內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書dn2400碳化塔設(shè)計(jì)摘要碳化工序是氮肥生產(chǎn)的心臟，而碳化塔又是碳化工序的關(guān)鍵設(shè)備，所以碳化塔系統(tǒng)在整個(gè)生產(chǎn)中占有極為重要的地位。它關(guān)系到氮肥生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)的完成、消耗的高低、質(zhì)量的優(yōu)劣，甚至是投資的高低。本次碳化塔設(shè)計(jì)，主要依據(jù)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的相關(guān)書籍，從結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度兩個(gè)方面，對(duì)設(shè)備的各零部件做了詳細(xì)論述。對(duì)主要受壓元件諸如筒體、封頭及冷卻管組、非標(biāo)零部件的厚度進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，

2、并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)校核。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件沒有強(qiáng)度計(jì)算，但均根據(jù)設(shè)計(jì)條件而選定。對(duì)于一些標(biāo)準(zhǔn)上沒有給定計(jì)算公式的，采用了近似原理。碳化塔中零部件能采用標(biāo)準(zhǔn)件的盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，對(duì)于一些非標(biāo)準(zhǔn)件均在安全可靠的基礎(chǔ)上采用合理的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮工業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。最后并就設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的一些問題展開了深入的探討與研究。關(guān)鍵字：碳化塔；計(jì)算；校核；補(bǔ)強(qiáng)abstractcarbonization process is the heart of the nitrogen fertilizer production, and the carbonization tower is the key equipment

3、of the carbonization process. so the carbonation tower system occupies extremely important status in the whole production. in relation to various indicators of nitrogen fertilizer production, consumption level, the completion of the quality, and even investment level. the carbonization tower design

4、mainly on the basis of relevant books issued by the state bureau of quality and technical supervision, from the two aspects of the structure and strength, make a detailed exposition on the parts of equipment. the main pressure parts, such as cylinder head and cooling tube group, non-standard parts t

5、hickness are calculated in detail, and the strength of the detailed check. no strength calculation for standard parts which are selected according to the design conditions. for some of the standard have not been given, the formula of approximate principle is adopted. carbonation tower components can

6、 adopt standard parts as far as possible using standard parts, for some non standard parts are used in safety and reliability on the basis of reasonable structure, the strength to carry on the design, and considering the industrial economy. finally for some problems in the design, carried out in-dep

7、th study and research.keywords: carbonation tower; calculation; check; reinforcement 目錄摘要iabstractii第一章 引言1第二章 結(jié)構(gòu)選型及材料選材32.1結(jié)構(gòu)選型32.1.1 殼體結(jié)構(gòu)32.1.2 封頭32.1.3 裙座32.1.4 除沫器42.1.5 人孔42.1.6 液面計(jì)42.1.7 液體分布器42.1.8 換熱器42.2 材料選材52.2.1 受壓元件52.2.2 非受壓元件52.2.3 接管及法蘭52.2.4 焊條型號(hào)選擇6第三章 筒體及封頭的設(shè)計(jì)63.1殼體厚度計(jì)算63.2封頭計(jì)算73.2

8、.1 封頭厚度計(jì)算83.2.2 橢圓封頭最大許用工作壓力83.2.3 封頭尺寸的確定93.3水壓試驗(yàn)及校核93.3.1 立置時(shí)壓力按下式計(jì)算93.3.2 臥置時(shí)的壓力應(yīng)計(jì)入液柱靜壓力pl93.3.3 應(yīng)力校核93.3.4 冷卻管箱水壓試驗(yàn)10第四章 塔重量計(jì)算104.1質(zhì)量載荷計(jì)算104.1.1容器殼體及裙座質(zhì)量 m01104.1.2殼體固定附件質(zhì)量 m02124.1.3 容器可卸內(nèi)件質(zhì)量 m03134.1.4 冷排質(zhì)量144.1.5 所需螺母、螺釘及墊片總質(zhì)量154.1.6 碳化塔設(shè)備總質(zhì)量154.2 碳化塔所受重力載荷計(jì)算154.2.1 充水重力qw154.2.2 水壓試驗(yàn)時(shí)的最大重量 q

9、max164.2.3 設(shè)備操作時(shí)的重量164.2.4 設(shè)備、吊裝的最小重量164.3 塔的自振周期164.4 風(fēng)載荷計(jì)算184.4.1 水平風(fēng)力計(jì)算194.4.2 各參數(shù)確定204.4.3 風(fēng)力計(jì)算系數(shù)204.4.4 風(fēng)彎矩計(jì)算214.5 地震載荷計(jì)算224.5.1 參數(shù)的確定224.5.2 地震彎矩的計(jì)算234.5.3 偏心彎矩234.6 卡曼渦街引起的彎矩計(jì)算244.6.1 判斷是否存在卡曼渦街244.6.2臨界風(fēng)速的計(jì)算254.7 各種載荷總表25第五章 應(yīng)力校核255.1 塔體壁厚校核（1-1截面）255.1.1設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力255.1.2 按最大組合應(yīng)力校核筒體壁厚265.2

10、 裙座的強(qiáng)度計(jì)算及校核265.3 地腳螺栓的計(jì)算275.3.1取基礎(chǔ)環(huán)時(shí)275.3.2求向風(fēng)側(cè)最大拉壓力285.4 基礎(chǔ)環(huán)的計(jì)算285.4.1 作用在基礎(chǔ)環(huán)上的最大壓應(yīng)力285.4.2 基礎(chǔ)環(huán)厚度的計(jì)算28第六章 冷卻管組計(jì)算296.1 管箱短節(jié)及殼程短節(jié)壁厚的確定296.1.1 材料選擇296.1.2 管箱厚度及長(zhǎng)度的確定296.1.3 殼程短節(jié)厚度的確定296.2 短節(jié)的厚度計(jì)算306.2.1 壁厚計(jì)算306.2.2 冷卻管組封頭的確定306.2.3 管子材料選擇及型號(hào)確定306.2.4 管板厚度的確定306.2.5 管板強(qiáng)度校核316.2.6 法蘭的選擇326.2.7 支承架結(jié)構(gòu)，尺寸的

11、確定326.2.8 換熱器的排列336.2.9 換熱器尺寸確定336.3 碳化塔冷排數(shù)的確定34第七章 附件設(shè)計(jì)計(jì)算357.1 氣體分布板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)357.2 液體分布器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)357.3 汽液分布板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)357.4 球形擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)357.5 分布錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)357.6 角鋼圈、支承環(huán)、筋板及支承梁367.7 碳化塔裙座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)36結(jié)論37參考文獻(xiàn)38致謝4041內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第一章 引言農(nóng)業(yè)的發(fā)展在很大程度上取決于化肥工業(yè)的發(fā)展，在化學(xué)肥料中氮素肥料占首位。因此，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用，同時(shí)氨還是一些工業(yè)部門的重要原料。所以氮肥在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中

12、占重要地位。這次設(shè)計(jì)的任務(wù)是碳化工段的碳化塔，碳化工段是碳酸氫銨制造過程的心臟部分，而碳化塔系統(tǒng)又是碳化工段的心臟部分。因此碳化塔系統(tǒng)在整個(gè)生產(chǎn)中占有極為重要的地位，因?yàn)樗P(guān)系到產(chǎn)量的高低，原材料的利用程度；又由于主要的化學(xué)反應(yīng)，都集中在碳化塔進(jìn)行，因此，碳化塔又決定了產(chǎn)品質(zhì)量，即碳酸氫銨的好壞。碳化塔是碳化工段的主要設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著氨水吸收二氧化碳制成碳酸氫銨的重要任務(wù)，碳化塔的反應(yīng)地段，基本可以分為三個(gè)部分：塔的上段是凈氣吸收地段，塔的中段是碳化反應(yīng)地段，塔的下段是碳酸氫銨結(jié)晶生成地段。碳化塔生產(chǎn)的主要反應(yīng)式是：nh3(氣)+h2o(液)+co2(氣)=nh4hco3(固)氨 水 二氧化碳

13、碳酸氫銨實(shí)際的反應(yīng)過程是比較復(fù)雜的。要經(jīng)過一系列中間反應(yīng)。但在碳化塔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)基本上又可以分為兩個(gè)過程：即二氧化碳與氨的中和過程；碳酸銨溶液繼續(xù)碳酸化過程。經(jīng)這兩個(gè)過程即可制得碳酸氫銨液，同時(shí)從這兩個(gè)過程也可以看出來，在氨吸收塔內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行著稀薄的碳酸銨溶液反應(yīng)，因此在碳化塔內(nèi)進(jìn)行的第一過程的反應(yīng)已部分的被氨吸收塔所取代。因此，縮短了溶液在塔內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，即加速了結(jié)晶的生成，但全部的過程還必須在碳化塔內(nèi)完成。碳化前進(jìn)入碳化塔的變換氣的成份和體積成份h n co co ch o體積505316192630 1.172.0 0.51.5 0.5碳化后去合成氨的原料成份和體積成份h n co co

14、ch o nh體積657021240.330.51.50.50.19/通過碳化塔進(jìn)出氣成份的對(duì)比，可知二氧化碳?xì)怏w在塔內(nèi)基本被吸收，根據(jù)碳化塔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)方程式：nh3+co2+h2o=nh3hco3+q若使二氧化碳含量減少必須使反應(yīng)一直順利向右進(jìn)行。降低塔內(nèi)溫度帶走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量正是碳化塔所必須的工藝條件。本次所設(shè)計(jì)的碳化塔亦應(yīng)充分考慮其工藝條件。碳化塔的實(shí)際生產(chǎn)能力與塔的直徑、高度、冷卻面積等因素有關(guān)，在塔的高度一定的情況下，直徑大，有效容積大生產(chǎn)能力就高，此外，還與操作條件的好壞關(guān)系很大，如碳化反應(yīng)的溫度；進(jìn)氣含二氧化碳的濃度及溫度高低；液體在塔內(nèi)停留的時(shí)間；母液的成份；操作工人的熟練程

15、度等有關(guān)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。本次碳化塔設(shè)計(jì)主要有碳化塔塔體的設(shè)計(jì)校核、零部件的設(shè)計(jì)校核及冷排的設(shè)計(jì)校核。設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要為gb1501998鋼制壓力容器和gb1511999鋼制管殼式換熱器。碳化塔設(shè)計(jì)主要計(jì)算除和其他塔設(shè)備一樣進(jìn)行塔體除沫器、進(jìn)出料和各類儀表接管、人孔、塔盤等設(shè)計(jì)外，在選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面主要考慮以下幾點(diǎn)：1.根據(jù)碳化塔內(nèi)反應(yīng)的工藝要求，碳化塔冷排應(yīng)有較高的傳熱效率，為此冷排的換熱管應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅管、鋁管或不銹鋼管。同時(shí)考慮氨水等介質(zhì)的腐蝕性及經(jīng)濟(jì)合理性，選用鋁合金管板，并進(jìn)行滲鋁處理。操作時(shí)為達(dá)到最佳狀態(tài)，應(yīng)合理分布冷卻水。2.由于碳化塔筒體密集開孔，需根據(jù)g

16、b1501998對(duì)碳化塔筒體進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)。3.由碳酸氫銨的生產(chǎn)工藝決定了碳化塔內(nèi)同時(shí)存在汽、液、固三相。為使操作正常、高效進(jìn)行，必須保證全塔暢通，并盡可能延長(zhǎng)液體在塔內(nèi)的停留時(shí)間，以保證汽液充分接觸，因此塔盤大多采用角鋼焊接的爐篦式結(jié)構(gòu)，并在角鋼上開齒以防止結(jié)疤。塔內(nèi)結(jié)構(gòu)不能形成死角，必要時(shí)可設(shè)蒸汽接口來吹堵。4.由于濃氨水等介質(zhì)有較強(qiáng)的腐蝕性，因此，在選材時(shí)應(yīng)綜合考慮安全及經(jīng)濟(jì)合理性，本碳化塔設(shè)計(jì)塔體選用16mnr低合金鋼。為防腐在塔體內(nèi)表面及塔內(nèi)易腐蝕零件應(yīng)進(jìn)行噴鋁及涂環(huán)氧樹脂保護(hù)層，并采用電化學(xué)保護(hù)。5.在碳化塔總高16m控制范圍內(nèi)，為使碳化塔有較好的操作彈性，可適當(dāng)增加冷排數(shù)，但須保證

17、塔頂及塔底留有足夠空間。6.操作時(shí)，為防止冷卻水一側(cè)鋁管發(fā)生點(diǎn)蝕應(yīng)減少水中對(duì)鋁具有強(qiáng)烈腐蝕性的離子。7.由于塔頂、塔底溫度及液位有嚴(yán)格的要求，因此在塔頂、塔底應(yīng)該設(shè)有溫度計(jì)及液位計(jì)接口，并在全塔范圍內(nèi)適當(dāng)布置溫度計(jì)及液位計(jì)。第二章 結(jié)構(gòu)選型及材料選材總的出發(fā)點(diǎn)是：要滿足工藝過程所需要的功能并方便使用，要滿足在運(yùn)行中的安全可靠，要滿足經(jīng)濟(jì)性，包括材料的易于獲得，便于制造，所用的材料及總的花費(fèi)最小。2.1結(jié)構(gòu)選型容器選型首先要滿足強(qiáng)度及制造工藝的要求。2.1.1 殼體結(jié)構(gòu)本設(shè)備選用立式圓筒形容器，圓筒形容器單位容積所用的材料最少。且從強(qiáng)度觀點(diǎn)分析，受力最佳，其器壁應(yīng)力小，立式圓筒形容器便于操作，又

18、利于反應(yīng)介質(zhì)的充分混合，且在現(xiàn)場(chǎng)制造時(shí)成本較低。2.1.2 封頭本設(shè)備選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，橢圓形封頭不如球形封頭受力佳，單位容積所花材料少，但由于球形封頭制造花費(fèi)較大，所以在一般中、低壓力容器中廣泛采用制造略易受力也不差的橢圓形封頭。2.1.3 裙座本設(shè)備選用圓筒形裙式支座，裙座較其他支座的結(jié)構(gòu)性能好，制造方便，經(jīng)濟(jì)上合理，連接處產(chǎn)生的局部壓力也最小。塔運(yùn)行中有可能有氣體逸出，就會(huì)積聚在裙座與塔底封頭之間的死區(qū)之中，這些逸出氣體或者是可燃的，或者對(duì)設(shè)備有腐蝕作用，并會(huì)危及進(jìn)入裙座的檢修人員，所以進(jìn)入裙座之前，應(yīng)做相應(yīng)的準(zhǔn)備。2.1.4 除沫器本設(shè)備選用旋流板除沫器，當(dāng)空塔氣流較大，塔頂有濺液現(xiàn)象

19、嚴(yán)重，以及工藝過程不允許出塔氣體帶霧滴的情況下設(shè)置除沫器，從而減少液體的夾帶損失，確保氣體的純度進(jìn)而保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。2.1.5 人孔本設(shè)備選用常壓耳蓋人孔、常壓耳蓋人孔是最簡(jiǎn)單的一種人孔。這種人孔只是在帶有法蘭的接管上安上塊極板，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于常壓和不需經(jīng)常利用人孔進(jìn)行檢查或修理的設(shè)備。2.1.6 液面計(jì)本設(shè)備選用玻璃管液面計(jì)，液面計(jì)是用來觀察設(shè)備內(nèi)部液位變化的一種裝置，為設(shè)備操作提供部分依據(jù)。一般用于兩種目的，一是通過測(cè)量液位來確定容器中的溶液，以保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)必須定量的物料。二是通過液面測(cè)量來反應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)過程是否正常，以便控制過程的進(jìn)行。玻璃管液面是一種有續(xù)式液面測(cè)量?jī)x表

20、，儀表的兩端各裝有一個(gè)針形閥，將液面計(jì)與容器隔開，以便進(jìn)行清洗檢修更換零件。2.1.7 液體分布器操作時(shí)，在任一橫截面上，保證氣液的均勻分布是十分重要的。液體分布器的作用是把液體在填料頂部或某一高度上進(jìn)行均勻的初始分布或再分布, 用以提高傳質(zhì)、傳熱的有效表面, 改善相間接觸, 從而提高塔的效率，對(duì)于任一裝填完畢的塔，氣體的分布是否均勻，主要取決于液體分布的均勻程度，本設(shè)備采用多層反射式噴嘴。2.1.8 換熱器本設(shè)備選用u型管式換熱器。這種換熱器的結(jié)果特點(diǎn)是只有一塊管板，管束由多根u型管組成，管的兩端固定在同一管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與u型換熱器有溫差時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于受彎管曲率半徑

21、的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時(shí)，只有管束外圍的u型管子便于更換，內(nèi)層換熱器壞了不能更換，只能堵死，而一根u型管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率很高。u型管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。2.2 材料選材 容器的選材和選型相類似，總的原則也是要滿足工藝過程的要求，強(qiáng)度要求和制造工藝要求。滿足工藝過程主要是指材料對(duì)介質(zhì)腐蝕性的抵抗能力，如一般碳鋼難以達(dá)到在容器使用壽命期

22、內(nèi)的抗腐蝕要求，必要時(shí)可以針對(duì)介質(zhì)具體性質(zhì)選用高合金鋼，有色金屬或采用耐腐蝕襯里材料；對(duì)于有換熱要求的容器，應(yīng)盡可能選用熱導(dǎo)率較大的材料。滿足制造工藝要求主要是指成型加工工藝(沖壓，旋壓和卷制)以及焊接工藝。2.2.1 受壓元件受壓元件一般選用q235b、16mnr、20r等材料。q235b屬于普通碳素鋼，與優(yōu)質(zhì)碳素鋼的主要區(qū)別在于對(duì)碳含量及性能范圍要求以及對(duì)磷、硫和其他殘余元素含量的限制較寬。q235b主要用于建筑、制造工程質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件。16mnr鋼是屈服強(qiáng)度為340mpa的壓力容器專用鋼板，它有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能。受壓元件的材料選用16mnr。2.2.2 非受壓元件非

23、受壓元件一般不與介質(zhì)接觸，所以一般選用q235a。q235a也屬于普通碳鋼，其性能比q235b差一些，但是價(jià)格便宜，由于非受壓元件不承壓，一般也不與介質(zhì)接觸，所以選用q235a是可以滿足元件的工作性能要求。非受壓元件的材料選用q235a。2.2.3 接管及法蘭接管材料的要求一般選用10鋼，法蘭材料按相應(yīng)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，材料至少選用q235b材料，因?yàn)橐蠼庸苋涠茸冃尾灰绊憵んw的工作，還要求具有良好的持久塑性。法蘭起到一定的連接作用，所以對(duì)材料的性能要求較高。冷卻管組中u型管子選用鋁及鋁合金。接管選用的材料為10鋼。法蘭選用的材料q235b.冷卻管組中u型管子材料選用20。2.2.4 焊條型號(hào)選擇

24、碳鋼焊條型號(hào)為e4303，這類焊條為鈦鈣型，藥皮中含有30以上的氧代鈦和20以上的鈣或鎂的碳酸鹽礦熔渣流動(dòng)性良好，脫溶容易，選用于全位置焊接，焊接電流為交流或直流正反接，主要焊接較重要的碳鋼結(jié)構(gòu)。低合金鋼與碳鋼、低合金鋼之間采用焊條型號(hào)為e5016。這類焊條為低氫鉀型，藥皮在與e4315和e5015相似的基礎(chǔ)上添加了穩(wěn)弧劑。如鉀小玻璃等，電弧穩(wěn)定劑，這類焊條的熔敷金屬具有良好的抗裂性能和力學(xué)性能，主要焊接重要的碳鋼結(jié)構(gòu)，也可焊接與焊條強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牡秃辖鸾Y(jié)構(gòu)鋼。埋弧自動(dòng)焊絲型號(hào)采用hj401h08a hj402-h10mn2和h0crc0ni10ti型，碳鋼與碳鋼之間采用焊劑401，低合金鋼之間采

25、用焊劑402。第三章 筒體及封頭的設(shè)計(jì)3.1殼體厚度計(jì)算殼體厚度按gb150-1998中式（5-1）計(jì)算: 式（3.1）式中：p 設(shè)計(jì)壓力取(1.051.1)的工作壓力di 圓筒的內(nèi)徑 設(shè)計(jì)溫度下筒體的許用應(yīng)力 焊接接頭系數(shù) =0.85c 壁厚附加量 c=c1+c2c1 鋼材負(fù)偏差 c1=0.8c2 腐蝕裕度 c2=2 設(shè)計(jì)厚度d =+ c = 6.95 + 2.8 = 9.75mm圓整后取塔的筒體壁厚n=10由于碳化塔筒體開孔較多,并為縱向和對(duì)角向排孔.根據(jù)gb1501998鋼制壓力容器,應(yīng)用排孔削弱系數(shù)代替式(4-1)中的焊接接頭系數(shù).調(diào)整所需厚度和最大允許工作壓力。根據(jù)gb1501998

26、,當(dāng)縱向排孔與對(duì)角向排孔同時(shí)存在時(shí),由gb1501998中圖(8-8)確定排孔削弱系數(shù)。由設(shè)計(jì)要求取: s1=7002=1400s為弧長(zhǎng) s=500s2=860由于在圓筒上開孔為短節(jié)和筒體的相貫線,故d取為:d=1.25500=625v1=(s1-d)/s1=(1400-625)/1400=0.55s2/s1=860/1400=0.694由gb1501998中圖(8-8)查得: v2=0.39在v1,v2中選取較小者代替(2-1)中計(jì)算所需厚度:c=(0.82400)/(21630.39-0.8+c)=17.99式中:c=c1+c2c2腐蝕裕量 c2=2c1鋼板負(fù)偏差 c1=0.8故名義厚度為

27、 17.99圓整后的名義厚度取 n=183.2封頭計(jì)算壓力容器封頭的類型很多，分為凸形封頭，錐殼，變徑段，平蓋及緊縮口等，采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求，制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。設(shè)計(jì)時(shí)，一般優(yōu)先選用封頭標(biāo)準(zhǔn)中推薦的形式與參數(shù)。 圖2.1橢圓形封頭3.2.1 封頭厚度計(jì)算碳化塔上下封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 式(3.2)式中: pc-設(shè)計(jì)壓力取(1.051.1)的工作壓力di-圓筒體的內(nèi)直徑t-設(shè)計(jì)溫下筒體的計(jì)算應(yīng)力-焊接接頭系數(shù) =0.85 取封頭厚度與筒體厚度相等n=18 3.2.2 橢圓封頭最大許用工作壓力 式(3.3)其中k=1為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭pw=(21630.851

28、8)/(12400+0.518)=2.07mpapw0.8mpa滿足工作要求3.2.3 封頭尺寸的確定表3.1公稱直徑曲邊高度h1直達(dá)高度h2內(nèi)表面積f()容積v(m3)重量()2400600406.252.009403.3水壓試驗(yàn)及校核 式(3.4)式中：d1-水壓試驗(yàn)產(chǎn)生的軸向壓力，mpa pt-液壓試驗(yàn)壓力，mpa de1-筒體的有效厚度，mm3.3.1 立置時(shí)壓力按下式計(jì)算pt =1.25p 式(3.5)式中:p-設(shè)計(jì)壓力p=0.8mpa-試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力163mpa-設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力163mpapt =1.250.8163/163=1mpa3.3.2 臥置時(shí)的壓力應(yīng)計(jì)

29、入液柱靜壓力plpt=1.25p+ plpl =gh=10009.8114.3810-6=0.15mpapt=pt+pl=1+0.15=1.15mpa3.3.3 應(yīng)力校核鋼板的 mpa即滿足要求，水壓試驗(yàn)合格。3.3.4 冷卻管箱水壓試驗(yàn)pt=1.25p 式(3.6)式中：p-為管程設(shè)計(jì)壓力，0.3mpapt=1.25=0.38mpa第四章 塔重量計(jì)算4.1質(zhì)量載荷計(jì)算質(zhì)量載荷包括：塔體，裙座質(zhì)量m01；塔內(nèi)件如塔盤或填料的質(zhì)量m02；保溫材料的質(zhì)量m03；操作平臺(tái)及扶梯的質(zhì)量m04；操作時(shí)物料的質(zhì)量m05；塔附件如人孔，接管，法蘭等質(zhì)量ma；水壓試驗(yàn)時(shí)充水的質(zhì)量mw；偏心載荷me。如下圖：

30、圖4.1質(zhì)量載荷4.1.1容器殼體及裙座質(zhì)量 m01（1）筒體質(zhì)量m筒體h/4(di+2n)2-di27930=14291塔體開孔減少面積：a1=1.2665 (殼程短節(jié)孔）a2=0.9711 (殼程短節(jié)孔）a3=0.3665 (人孔）塔體開孔減少面積：a=(a1+a2)30+2a3=68.04由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得18，碳鋼鋼板每平方米質(zhì)量為172.7。塔體開孔減少總質(zhì)量：m塔體172.768.041.17104（2）封頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，所以查化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)得：m封頭940兩封頭重1880（3）裙座質(zhì)量m裙座h/4(di+2n)2-di27850 10731裙座開孔減少的面積

31、：a4=0.2443裙座減少質(zhì)量：m裙座172.70.244342.19（4）基礎(chǔ)環(huán)質(zhì)量m基1/2m裙514m01=m筒體2 m封頭m裙座m基m塔體m裙座15601=1.5601104kg4.1.2殼體固定附件質(zhì)量 m02（1）人孔質(zhì)量由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得dn=500 人孔質(zhì)量161。（2）分布錐質(zhì)量c=(pcdc/2t-pc) (1/cos2)由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：c10，m分h/3(r2+r2+rr) 7930 = 370（3）角鋼圈質(zhì)量由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：m角7063.13（4）支承梁質(zhì)量m支606（5） 塔體接管及接管法蘭質(zhì)量 表4.1符號(hào)接管尺寸個(gè)數(shù)接管長(zhǎng)度（）法蘭單重（）接

32、管單重（）a3779150014.7940.84b1594511506.122.58d3779130014.7924.51e1-5453.551201.710.43f1-525351600.7480.26h125311500.7480.244h225312500.7480.408k1594.5120756.1235.9接管與法蘭總重：m接163.538（6）筋板及支承環(huán)板質(zhì)量m板m筋板m支承環(huán)板2.435.537.9（7）球形擋板質(zhì)量由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得12厚鋼板每平米質(zhì)量為94.21m球 94.21.54145.1m拉筋1.735.1m球 m球m拉筋150.2（8）殼程短節(jié)及法蘭質(zhì)量m接1

33、217.020.243.4 m接2217.020.52112.85m法蘭29 m短節(jié)172.404m 短節(jié)2141.85 m短節(jié)30（m短節(jié)1m短節(jié)2）6.43103 m02 m人孔+m分+m角+m支+m接+m球+m短節(jié)+m板= 8.8041034.1.3 容器可卸內(nèi)件質(zhì)量 m03（1）氣體分布板質(zhì)量m氣398.7（各零件質(zhì)量詳見部件圖）（2）液體分布板質(zhì)量m液19371351（3）汽液分布板質(zhì)量m汽液434.3（4） 活動(dòng)支承梁質(zhì)量m支1422.3319m03=m氣m液m汽液m支2501.94.1.4 冷排質(zhì)量（1）冷排封頭質(zhì)量表4.2名稱尺寸數(shù)量質(zhì)量（）封頭蓋dn 5508116.2平環(huán)1

34、.210.3法蘭pn 1.0，dn 550129m封頭16.20.32945.5(2)冷排管箱質(zhì)量表4.3名稱尺寸數(shù)量質(zhì)量（）筒節(jié)dn 550200122法蘭pn 1.0dn 550129隔板1211.05接管108630239.564接管法蘭pn 1.0dn 10028.02m箱99.634(3)冷排管板質(zhì)量由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得42的鋼板每平米質(zhì)量為329.7m板0.1958329.764.553(4)冷排管子質(zhì)量m管188.8157m管275.6625（詳見零件圖）(5)支撐架質(zhì)量表4.4名稱尺寸數(shù)量單重（）總重（）支承板203515連接板661.59圓鋼2024.328.64m支15.

35、098.6432.64m冷1=m封+m箱+m板+m管1+m支331.143m冷2=m封+m箱+m板+m管2+m支317.99m0430（m冷1m冷2）=1.947104kg4.1.5 所需螺母、螺釘及墊片總質(zhì)量m051.2954103 =133.4262kg（詳見各零部件圖或碳化塔裝配圖）4.1.6 碳化塔設(shè)備總質(zhì)量m0 m01+m02+m03+m04+m0543771.34.2 碳化塔所受重力載荷計(jì)算4.2.1 充水重力qwqw=/4di2h =/424002144601000=65415.5 式（4.1）(1)塔物料重量折合液位高度取5m，物料密度取0.876/tq物/4di2h=/424

36、00214460876 =19814.6(2)冷排內(nèi)冷卻水重量q水6.93104nq1=q物+q19814.67071.4268864.2.2 水壓試驗(yàn)時(shí)的最大重量 qmaxqmax=qw+m0=65415.5+43771.3=109186.84.2.3 設(shè)備操作時(shí)的重量q0q1+m026886+43771.370657.34.2.4 設(shè)備、吊裝的最小重量qmin=m01+m02=24395表4.5 塔重量匯總表項(xiàng)目名稱符號(hào)重量（）殼體計(jì)裙座質(zhì)量m0115601殼體固定附件質(zhì)量m028804容器可卸內(nèi)件質(zhì)量m032501.9冷排質(zhì)量m0419470螺母、螺釘計(jì)墊片質(zhì)量m051295.4塔設(shè)備總

37、質(zhì)量m043771.3充水重量qw65415.5物料重量q126886水壓試驗(yàn)時(shí)最大重量qmax109186.8設(shè)備操作時(shí)重量q070657.3設(shè)備吊裝的最小重量qmin243954.3 塔的自振周期 對(duì)直徑和厚度相等的塔的自振周期為： 式(4.2)式中：h-塔體總高，mmh15150 m0-塔體操作質(zhì)量，kgm0=24395=239091n e-彈性模量，mpae=2.11011 mpa -塔體的有效厚度，mm c=18=0.018mdi-塔體內(nèi)徑，mmdi=2400=2.4mtc=0.364s等直徑，等厚度塔的固有周期： 第一振型 第二振型 第三振型4.4 風(fēng)載荷計(jì)算 圖4.2 塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

38、選危險(xiǎn)截面0-0截面，塔設(shè)備的基底截面，1-1截面，裙座上人孔或較大管線引出處的截面，2-2截面，塔體與裙座連接焊縫處的截面。風(fēng)載荷示意圖如下： 圖4.3 風(fēng)載荷4.4.1 水平風(fēng)力計(jì)算 第i計(jì)算段質(zhì)量重心處的水平風(fēng)力為：pi=k1k2iq0fihidefi 式(4.3)式中： pi-第i計(jì)算段質(zhì)量重心處的水平風(fēng)力，n； defi-第i段的有效直徑，m； 圖4.4 風(fēng)彎矩計(jì)算簡(jiǎn)圖4.4.2 各參數(shù)確定（1）空氣動(dòng)力系數(shù)圓筒形設(shè)備 k1=0.7（2）風(fēng)振系數(shù) k2i表4.6離地面高度11015.15mi0.350.350.35k2i=1+m01.351.351.35mi、分別由壓力容器及化工設(shè)備

39、（下）中表13-5和13-6查得。(3) 呼和浩特基本風(fēng)壓q0q0=0.5kn/(4)計(jì)算段中心距地面高度處風(fēng)壓變化系數(shù)fi表4.7離地高度5101520fi0.781.11.151.25(5)有效直徑defi根據(jù)碳化塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，1和2段無平臺(tái)，3段有效直徑defi3.2m4.4.3 風(fēng)力計(jì)算系數(shù)按（3-2）式進(jìn)行風(fēng)力計(jì)算，列表如下：表4.8計(jì)算塔段01122k10.70.70.7k2i1.351.351.35fi0.780.780.78q0（kn/)0.50.50.5hi(m)0.80.73.2defi(m)2.82.83.2pi(kn)0.8250.72246.4264.4.4 風(fēng)彎矩計(jì)算

40、塔任意設(shè)備截面i-i處的彎矩按下式計(jì)算： 式（4.4）所以0-0截面風(fēng)彎距為：0.8251/20.80.7224（0.80.7/2）6.426（0.8+0.73.2/2）=0.33+0.83+19.92=21.08kn/m對(duì)于1-1、2-2截面按下式計(jì)算1-1截面的風(fēng)彎矩為: =17.6knm 式（4.5）2-2截面的風(fēng)彎矩為: 式（4.6）4.5 地震載荷計(jì)算任意高度hk處的集中質(zhì)量mk引起的基本振型，地震水平力為： 式(4.7) 式中：fk1-集中質(zhì)量mk引起的基本振型水平地震力，n；cz-綜合影響系數(shù)；cz =0.5mk-距地面hk處的集中質(zhì)量，kg；a1-對(duì)應(yīng)塔體基本振型t1下的地震影

41、響系數(shù)a值，地震載荷示意圖如下： 圖4.5 地震載荷4.5.1 參數(shù)的確定地震烈度按8度計(jì)算時(shí)：0.45類場(chǎng)地上 0.32/tc=0.30.45/0.1567=0.862鋼質(zhì)圓筒直立設(shè)備，結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)c0.54.5.2 地震彎矩的計(jì)算因碳化塔為等直徑，等壁厚，0-0截面地震彎矩按下式計(jì)算：0.50.8627065715.152.0669106 1-1,2-2截面按下式計(jì)算：1-1截面地震彎矩為：=1.974106 2-2 截面地震彎矩為：因碳化塔h/di15150/24006.31255，所以必須考慮高振型的影響：4.5.3 偏心彎矩 偏心質(zhì)量引起的彎矩受力示意圖如下， 圖4.6 偏心載荷塔設(shè)

42、備底截面0-0處的最大彎矩為： 取其中較大的值，其中me=0， 塔設(shè)備任意截面i-i處的最大彎矩為： 取其中較大值1-1和2-2截面的彎矩計(jì)算如下：4.6 卡曼渦街引起的彎矩計(jì)算4.6.1 判斷是否存在卡曼渦街首先計(jì)算雷諾數(shù) 式 (4.8)式中：re-雷諾準(zhǔn)數(shù)；d0-塔外直徑，m； d0=di+2 =2.4+20.018+0.052 =2.536m代入式得 re=(2.53626.95)(12.02/1.791059.8)4.49106查圖13-62 re=4.49x1063.5x106 故將出現(xiàn)卡曼渦街，應(yīng)考慮卡曼渦街引起的振動(dòng)。4.6.2臨界風(fēng)速的計(jì)算取 sh0.2計(jì)算第一振型臨界風(fēng)速：實(shí)

43、際風(fēng)速：，因此塔不發(fā)生共振，可不進(jìn)行誘導(dǎo)振動(dòng)的計(jì)算。4.7 各種載荷總表表4.9截面001122操作重量7.956x1027.811x1027.586x102安裝時(shí)重量24395水壓試驗(yàn)時(shí)重量1.34x1061.332x1061.309x106風(fēng)彎矩132.3417.612.85地震彎矩2.067x1061.974x1061.765x106第五章 應(yīng)力校核5.1 塔體壁厚校核（1-1截面）5.1.1設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力（1）設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力pdi/4 =30mpa 式（5.1）（2）操作重量產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力 式（5.2）（3）最大彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力 式（5.3）5.1.2 按最大組合應(yīng)

44、力校核筒體壁厚（1）拉應(yīng)力（2）最大組合壓應(yīng)力（3） 求b： 由化工容器設(shè)計(jì)查得：b=2/3ae=2/30.00122.1105=205.6mpa 式（5.4）5.2 裙座的強(qiáng)度計(jì)算及校核裙座與塔體采用對(duì)接焊縫，故dsi=di=2400,取裙座筒體壁厚與塔體壁厚相等，即s18，裙座材料的許用應(yīng)力為163mpa。0-0截面：操作時(shí)，按下式計(jì)算： 式（5.5）水壓試驗(yàn)時(shí)按下式計(jì)算： 式（5.6）1-1截面：操作時(shí)按下式計(jì)算：5.3 地腳螺栓的計(jì)算5.3.1取基礎(chǔ)環(huán)時(shí)db0=ds0+(0.200.40)=2.4+0.0182+（0.20.4）=2.6362.836m取 db0=2.6mdbi=ds0

45、-(0.20.4)=2.436-(0.20.4)=2.0362.236mdbi=2.1mwb=0.015.3.2求向風(fēng)側(cè)最大拉壓力安裝時(shí)按下式計(jì)算： 式(5.7)操作時(shí)按下式計(jì)算： 式(5.8)取=1.27計(jì)算螺栓。計(jì)算地腳螺栓直徑：設(shè)地腳螺栓個(gè)數(shù) n20個(gè)。查地腳螺栓標(biāo)準(zhǔn)，選用m42地腳螺栓。5.4 基礎(chǔ)環(huán)的計(jì)算5.4.1 作用在基礎(chǔ)環(huán)上的最大壓應(yīng)力5.4.2 基礎(chǔ)環(huán)厚度的計(jì)算帶筋板的基礎(chǔ)環(huán)：基礎(chǔ)環(huán)外緣長(zhǎng)：在兩個(gè)地腳螺栓間距設(shè)置40塊筋板，故兩筋板的最大間距 l=8.796/400.219mb/l=0.182/0.219=0.827第六章 冷卻管組計(jì)算碳化塔內(nèi)的冷卻管組，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按gb151

46、-1999管殼式換熱器進(jìn)行，采用u型管換熱器作為冷卻管組。6.1 管箱短節(jié)及殼程短節(jié)壁厚的確定6.1.1 材料選擇根據(jù)使用的工藝條件及材料的使用性能，管箱短節(jié)材料選用q235-a，換熱器根據(jù)換熱面積f=66的要求，選用d=550的換熱器。管程的設(shè)計(jì)壓力 pc=pi=0.2mpa，q235-a的性能指標(biāo)及特性如下：表6.1材料鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度常溫強(qiáng)度指標(biāo)20100cmpampa許用應(yīng)力q235-agb3274熱軋4.516375235113彈性模量 es=2.1105mpa6.1.2 管箱厚度及長(zhǎng)度的確定由于公稱直徑400700的u型管或換熱器，碳鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度為min=8，所以

47、取管箱厚度為8。根據(jù)工藝條件及有關(guān)規(guī)定選管箱的短節(jié)長(zhǎng)度為200。6.1.3 殼程短節(jié)厚度的確定根據(jù)殼程工藝條件，短節(jié)材料選用16mnr。冷排自公稱直徑di5506.2 短節(jié)的厚度計(jì)算6.2.1 壁厚計(jì)算 式(6.1)由于要求最小壁厚min=8，且綜合考慮短節(jié)對(duì)筒體開孔的選用16的筒體。根據(jù)工藝條件及制造安裝工藝取短節(jié)長(zhǎng)度l1=200,l2=520。6.2.2 冷卻管組封頭的確定根據(jù)工藝條件及工作介質(zhì)，選用無折還球形封頭作為管箱封頭,材料q235-a。查化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)得管箱的封頭尺寸如下：表6.2內(nèi)經(jīng)fn壁厚焊縫間隙重量容積內(nèi)弦高dn=d()（）a()g()v(l)5500.2548

48、216.29.571.56.2.3 管子材料選擇及型號(hào)確定（1）管子材料的選擇由于碳氨液及氨水有腐蝕性，且考慮經(jīng)濟(jì)性管子材料選用1060。（2）型號(hào)確定根據(jù)工藝要求，選用322.5的管子。6.2.4 管板厚度的確定（1）根據(jù)工藝條件及使用條件，管板型式為延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板。（2）管板材料選用16mnr。（3）管板厚度計(jì)算并確定管板的厚度應(yīng)不小于下列三者之和：a.管板的計(jì)算厚度或gb151-1999規(guī)定的最小厚度取大者b.殼程腐蝕裕量或開槽深度取大者c.管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度取大者（4）管板的計(jì)算厚度及最小厚度由gb151-1999查得換熱管外徑d=32時(shí)，min=32。（5）殼程的腐蝕裕量c=2結(jié)構(gòu)開槽深度4。（6）管程腐蝕裕量c=21分程隔板槽深度2。由以上確定