合成氨液氨脫硫工藝設(shè)計(jì)

1、鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班級 4班 張曉丹 學(xué)號 20210380429 題目 年產(chǎn)14萬噸合成氨脫硫工藝設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師 萬亞珍 職稱 教授 李亦帆 職稱 博士 系主任 侯翠紅 職稱 教授 2021年 1 月 24 日 、目錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)書21.1設(shè)計(jì)要求21.2設(shè)計(jì)依據(jù)22.工藝設(shè)計(jì)條件33.工藝流程表達(dá)43.1概述43.2生產(chǎn)流程簡述43.2.1原理43.2.2工藝流程簡圖64.主要工藝指標(biāo)64.1設(shè)計(jì)方案確實(shí)定64.2物料衡算74.2.1吸收塔的物料衡算74.2.2各流股的物料衡算84.3熱量衡算95.工藝設(shè)計(jì)95.1 根底物性數(shù)據(jù)95.2 吸收塔的設(shè)計(jì)105.2.

2、1 塔徑計(jì)算105.2.2 塔徑校核125.2.3 填料層高度及分段125.2.4 填料塔壓降的計(jì)算165.2.5 填料支撐板175.3噴射氧化再生槽的計(jì)算185.3.1 槽體的計(jì)算185.3.2 擴(kuò)大局部直徑185.3.3 再生槽高度185.3.4 噴射器計(jì)算195.4 冷卻塔的設(shè)計(jì)225.4.1 冷卻塔的計(jì)算225.4.2 冷卻塔校核245.4.3 分布器的設(shè)計(jì)345.4.4 絲網(wǎng)除沫器的設(shè)計(jì)375.4.4冷卻塔的選管395.4.5塔底防渦器的設(shè)計(jì)406.設(shè)計(jì)感悟411.設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)年產(chǎn)14萬噸合成氨脫硫工藝，半水煤氣含硫4.8g/Nm3, 脫硫方法用氨水液相催化法，填料塔

3、脫硫；富液再生采用噴射氧化再生槽。1.2設(shè)計(jì)依據(jù)1) ?化工工藝設(shè)計(jì)手冊第四版?上、下冊2) ?小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊?上、下冊 3) 陳聲宗等主編，化學(xué)工業(yè)出版社出版的?化工設(shè)計(jì)?第三版教材4) ?填料手冊第二版?5) ?化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書塔設(shè)備分冊?6) ?塔填料產(chǎn)品及技術(shù)手冊?7) ?小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊?上、下冊8) ?給水排水設(shè)計(jì)手冊?9) ?化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊?上、下卷10) ?化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊無機(jī)卷、有機(jī)卷?11) ?現(xiàn)代塔器技術(shù)?第二版12) ?小氮肥廠工藝設(shè)計(jì)手冊?13) 李登松.脫硫填料吸收塔的工藝設(shè)計(jì)研究J.化工裝備技術(shù),2021,34(6):41-45.

4、14) 徐組根.冷卻塔設(shè)計(jì)J.河南化工，1999,8:31-34.15) 曾國安.冷卻塔的設(shè)計(jì)計(jì)算J.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2021,22(4):76-78.16) 董誼仁，過健.填料塔排管式液體分布器的研究和設(shè)計(jì)J.化學(xué)工程，1990,183：28-35.17) 董誼仁，裘俊紅，陳國標(biāo)等.填料塔液體分布器的設(shè)計(jì)J.化工生產(chǎn)與技術(shù)，1998,18：1-6.18) 張碩德.防渦流器的設(shè)計(jì)J.化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1983,1823：42-43.19) 白二川.半水煤氣直冷塔的計(jì)算與設(shè)計(jì)J.化肥設(shè)計(jì)，2021,482：11-15.20) 楊懷林.水冷卻塔的設(shè)計(jì)J.特鋼技術(shù)，2021,1558：53-54.2

5、.工藝設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)能力：14萬噸合成氨/年半水煤氣中硫含量：4.8g/Nm3年工作日：310天半水煤氣消耗定額：3200 Nm3/ 噸氨半水煤氣組成干基： 表1 半水煤氣組成表組成H2N2COCO2O2CH4合計(jì)體積%421926110.71.3100半水煤氣壓力：壓縮機(jī)出口壓力4800 mmH2O柱氣體溫度：36溶液溫度：32貧液組成：總氨含量：1.0M 碳化度R=C/A=0.63 總硫化氫：20.0g/m3硫容： 0.17kg/Nm3 比重：1034kg/m3脫硫后半水煤氣含硫： 0.1 g/Nm3富液組成：總氨含量：1.0M 碳化度R=C/A=0.65 總硫化氫：240.0g/m3 比重

6、：1034kg/m3再生過程：采用噴射氧化再生槽噴射器入口壓力：4atm(表壓)液溫：30 吹風(fēng)強(qiáng)度：100m3/ m33.工藝流程表達(dá)3.1概述由于生產(chǎn)合成氨的各種燃料中含有一定量的硫，因此所制備出的合成氨原料氣中，都含有硫化物。其中大局部是無機(jī)硫化物硫化氫H2S，其次還有少量的有機(jī)硫化物，如硫氧化碳COS、二硫化碳CS2、硫醇RSH、噻吩C4H4S等。原料氣中的硫化物，對合成氨生產(chǎn)危害很大，不僅腐蝕設(shè)備和管道，而且能使合成氨生產(chǎn)過程所用催化劑中毒。脫硫方法有很多，按脫硫劑物理形態(tài)可分為干法和濕法兩大類，前者所用的脫硫劑為固體，后者為溶液。當(dāng)含硫氣體通過這些脫硫劑時(shí)，硫化物被固體脫硫劑所吸附

7、，或被脫硫溶液所吸收而除去。3.2生產(chǎn)流程簡述3.2.1原理脫硫反響 氨水對苯二酚氧化法也稱為氨水液相催化法，是用含有少量對苯二酚載氧體的稀氨水溶液，脫除原料氣中的硫化氫。氨溶于水，大局部與水結(jié)合為一水合氨NH3·H2O，并局部電離成NH4+和OH-，所以氨水顯弱堿性。氨水與含硫化氫的原料氣接觸時(shí)，發(fā)生如下中和反響：NH4+OH-+H2SNH4HS+H2O +Q該反響為放熱反響，但因氣體中硫化氫含量較少，放熱量不大，溶液吸收硫化氫后溫升很小。當(dāng)溶液pH值小于12時(shí)，被吸收的硫化氫主要以HS-形式存在，S2-可忽略不計(jì)，因此用稀氨水脫硫時(shí)，只生成NH4HS。當(dāng)原料氣中含有二氧化碳及氰化

8、氫時(shí)，也被氨水吸收，其反響如下：NH4+OH-+CO2NH4HCO32NH4+2OH-+CO2(NH4)2CO3+H2ONH4+OH-+HCNNH4CN+H2O雖然稀氨水能同時(shí)吸收硫化氫和二氧化碳，但在氣液兩相接觸面積很大、接觸時(shí)間很短的條件下，氨水吸收硫化氫的速度比吸收二氧化碳的速度大80倍左右，具有良好的選擇性。根據(jù)這一特點(diǎn)，在脫硫過程中增大氣液接觸面積，縮短接觸時(shí)間，既能有效的脫除硫化氫，又能減少氣體中二氧化碳的損失。再生反響 再生塔內(nèi)，對苯二酚在堿性溶液中被空氣氧化為苯醌：脫硫過程生成的硫氫化銨，在苯醌的作用下氧化為單質(zhì)硫：再生過程的總反響可用下式表示： 生成的單質(zhì)硫，呈泡沫狀態(tài)浮于液

9、面，使溶液獲得再生。 同時(shí)，有如下副反響發(fā)生：3.2.2工藝流程簡圖圖1 脫硫工段工藝流程簡圖原料氣從吸收塔下部進(jìn)入，與塔頂噴淋的脫硫液逆流接觸，半水煤氣中H2S被脫硫液吸收后從塔頂引出，經(jīng)氣液別離器別離出夾帶的液滴后送往下段工序。吸收了硫化氫的富液從吸收塔底排出，經(jīng)液封、富液槽、富液泵通過溶液加熱器加熱(夏季那么為冷卻)后送往噴射器；從噴射器尾部出來的兩相液體由再生槽下部上升，完成與再生塔相同的浮選過程，再生槽上部溢流出的硫泡沫經(jīng)硫泡沫別離槽放入熔融釜熔硫。硫磺放入硫磺鑄模冷卻后即成硫錠。由再生槽貧液出口處引出的貧液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器、貧液泵送回脫硫塔循環(huán)使用。4.主要工藝指標(biāo) 4.1設(shè)計(jì)方案確實(shí)

10、定吸收塔的工藝設(shè)計(jì)方案主要包括吸收劑、吸收流程、解吸方法、設(shè)備類型和操作參數(shù)的選擇等內(nèi)容。對于吸收操作，選擇適宜的吸收劑，具有十分重要的意義。吸收劑的好壞對吸收操作的經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的影響。一般情況下，選擇吸收劑要著重考慮如下問題：1) 對溶質(zhì)的溶解度大；2) 對溶質(zhì)有較高的選擇性；3) 不易揮發(fā)；4) 再生性能好；4.2物料衡算氨水液相中和法脫硫?yàn)榛瘜W(xué)吸收過程，低濃度吸收，近似滿足恒摩爾流假定，即假定在吸收過程中，液相流量L和氣相流量G不變，液相中的氨含量為常量，且吸收過程是等溫的，傳質(zhì)系數(shù)為常量，物料衡算過程如下：4.2.1吸收塔的物料衡算1水煤氣進(jìn)出塔流量V0，Nm3 /h V0=14

11、×104×3200/310×24= 60215.05Nm3/h2H2S脫除量，G1 ，kg/hG1=60215.05×4.8-0.1/1000=283.01kg/h3溶液循環(huán)量LT，m3/h式中 S溶液硫容量，kg/m3,S取(0.24-0.02)=0.22kg(H2S)/m3LT=283.01/0.22=1286.41m3/h4理論所需空氣量氧化1kgH2S所需空氣量 V1=1/43×0.5×22.4×1/0.21=1.57Nm3/h理論所需空氣量 V2=283.01/1.57=180.26Nm3/h·m3設(shè)計(jì)條

12、件所給吹風(fēng)強(qiáng)度為100Nm3/m3· h，計(jì)算所需最小吹風(fēng)輕度為180.26 Nm3/m3·h,故應(yīng)使用兩臺設(shè)備。5理論硫回收量，G2，kg/hG2=60215.05×(4.8-0.1)/1000×32/34=266.36kg/h6理論硫回收率=4.8-0.1/4.8×100%=97.9%7硫泡沫生產(chǎn)量，G3，m3/hG3=G2/S0式中 S0 硫泡沫中硫含量，kg/m3,此處取S0=30kg/m3 G3=266.36/30=8.88m3/h 表2 物料衡算表以小時(shí)計(jì)入出脫硫塔氣體流量60215.05Nm3再生理論所需空氣量180.26 Nm3

13、H2S脫除量283.01Kg硫磺理論產(chǎn)量266.36Kg脫硫液循環(huán)量1286.41m3硫泡沫生成量8.88 m34.2.2各流股的物料衡算在吸收塔內(nèi)，原料氣中的H2S和CO2與氨水發(fā)生中和反響，被吸收，因此凈化氣中含量相對減少。液相中對苯二酚為氧化再生時(shí)催化劑，假定整個(gè)過程中含量不變。進(jìn)、出吸收塔的各流股組分、含量如下：表3 原料氣氣體H2N2C0O2CO2CH4H2S體積分?jǐn)?shù)%41.8718.9425.920.7010.961.300.31表4 凈化氣氣體H2N2C0O2CO2CH4H2S體積分?jǐn)?shù)%42.4219.1926.260.7010.141.310 表5 貧液組分總氮含量碳化度總H2

14、S含量對苯二酚含量1mol/L0.6320g/m30.25g/L表6 富液組分總氮含量碳化度總H2S含量對苯二酚含量1mol/L0.65240g/m30.25g/L4.3熱量衡算1冷卻塔熱負(fù)荷Q，KJ/h忽略冷卻過程中水汽的焓變Q1=G0×Cp×(t1-t2)式中，G0入冷卻塔半水煤氣含量，Kmol/h Cp半水煤氣的平均等壓比熱容，KJ/(Kmol·K) 計(jì)算結(jié)果Cp=30.44 KJ/(Kmol·K) t1，t2為進(jìn)、出冷卻塔半水煤氣溫度，取t1=80，t2=36Q1=60215.05/22.4×30.4555554×80-36=

15、3.6×106KJ/h2冷卻水消耗量，W，Kg/hW=Q/(Cp×t) 式中，t冷卻水溫升，此處取t=6 Cp水的比熱容，取Cp=4.178KJ/(Kg·K) W=3.6×106/(4.178×6)=143.6×103 Kg/h5.工藝設(shè)計(jì)5.1 根底物性數(shù)據(jù)1液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，32時(shí)溶液的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為L=1034 kg/m3黏度為 L=0.6828mPa.s=2.46 kg/(m.h)；=993/1034=0.96外表張力為L=69.94×10-3N

16、/m由手冊查得，15時(shí)H2S在水中的擴(kuò)散系數(shù)D0=1.77×10-9 m2/s，黏度0=1.2 mPa.s，故可得32時(shí)H2S在水中的擴(kuò)散系數(shù)DL=D0×T/T0×0/L=1.77×10-9×32+273.15/15+273.15×1.2/0.6828=3.3×10-9m2/s=1.188×10-5m2/h液相質(zhì)量流量：LS=LT×L=1286.41×1034=1330148kg/h2氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為MV=yiMi=(28×19%)+(44×11%)+(

17、28×26%)+(2×42%)+(32×0.7%)+16×1.3%=18.71kg/kmol混合氣體的平均密度為G=PMV/(TR)=15.13/10.33×101.325×103×18.71/(273.15+36)×8.314=1.08kg/m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的黏度，查手冊36空氣的黏度為G=0.0186mPa.s=0.06696 kg/(m.h)由手冊查得，10.33mmH2O、0時(shí)H2S在空氣中的擴(kuò)散系D0=0.198×10-4 m2/s，故可得32時(shí)H2S在水中的擴(kuò)散系數(shù)DG=D0&

18、#215;(T/T0)1.81×P0/P=0.198×10-4×(36+273.15)/273.151.81×10.33/15.13=1.69×10-5m2/s=0.061m2/h氣相質(zhì)量流量：G =V0×T/T0×P0/P×G=60215.05×(36+273.15)/273.15×10.33/15.13×1.08=50252.6kg/h5.2 吸收塔的設(shè)計(jì)5.2.1 塔徑計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速，塔底混合氣相質(zhì)量流量為：V=50252.6kg/h，液相質(zhì)量流量Ls

19、=1330148kg/hXF=(Ls/V)×(G/L)0.5=(1330148/50252.6) ×(1.08/1034) 0.5=0.8554查?塔填料產(chǎn)品及技術(shù)手冊?，階梯環(huán)填料氣相流動(dòng)阻力小，生產(chǎn)能力高，應(yīng)選用50×25×15亂堆聚丙烯階梯環(huán)填料。查得泛點(diǎn)填料因子f=127 m-1，比外表積t=114.2m2/m3。圖2 填料塔液泛、壓力降通用關(guān)聯(lián)圖從上圖查得：XF=0.8554垂線與散堆填料液泛總線相交可讀出YF=0.025橫坐標(biāo)： 縱坐標(biāo)： 各物理量的意義如下：V、L氣體與液體的質(zhì)量流速kg/h；G、L氣體與液體的密度kg/m3;填料因子m-1

20、；泛點(diǎn)氣速 實(shí)際泛點(diǎn)氣速u=(0.50.8)uF，此處取由此可得塔徑D=圓整塔徑，取D=3.8m5.2.2 塔徑校核1泛點(diǎn)率校核：2填料規(guī)格校核：3液體噴淋密度校核：取最小潤濕速率為查填料手冊得經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=3800mm合理。5.2.3 填料層高度及分段5.2.3.1傳質(zhì)單元高度的計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算： 查表得G=427680kg/h2 L=940896kg/h2液體質(zhì)量通量為 氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：氣體質(zhì)量通量為液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： 由，查表得，那么由 ，得對H2S-氨水體系，溶解度系數(shù)為H=0.0670kmol/(KPa·m3)

21、 5.2.3.2傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算采用對數(shù)平均推動(dòng)力法，假定全塔操作壓力不變，為15.13mH2O，計(jì)算如下：氣相進(jìn)口H2S摩爾分?jǐn)?shù)y1 氣相進(jìn)口H2S分壓，P1，Pa氣相出口H2S摩爾分?jǐn)?shù)y2 氣相出口H2S分壓，P2，Pa在低濃度化學(xué)吸收過程中，經(jīng)試差衡算H2S的相平衡方程可近似采用P(H2S)=H×C(H2S)，其中H=14.93KPa/(mol/L)出口富液H2S摩爾濃度，C1，mol/L 進(jìn)口貧液H2S摩爾濃度，C2，mol/L塔底H2S平衡分壓，P1*，Pa 塔底H2S平衡分壓，P2*，Pa壓強(qiáng)對數(shù)平均推動(dòng)力，Pm，Pa 傳質(zhì)單元數(shù)，NOG 5.2.3.3填

22、料層高度的計(jì)算及分段理論計(jì)算高度，Z，m填料層設(shè)計(jì)高度一般為Z*=1.21.5Z，因此，取填料層設(shè)計(jì)高度Z*=1.5Z。表7 散裝填料分段高度推薦值填料類型拉西環(huán)矩鞍鮑爾環(huán)階梯環(huán)環(huán)矩鞍h/D2.558510815815hmax/m46666對于階梯環(huán)填料，, 取那么分段高度 h=8×3800=30400mm計(jì)算得填料層高度為3360mm，故不需分段。5.2.4 填料塔壓降的計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降。橫坐標(biāo)為 縱坐標(biāo)為 (p=89)圖2 埃克特通用關(guān)聯(lián)圖 圖中，、分別為氣液相流率,kg/h 、分別為氣液相密度，kg/m3液相粘度，mPa.S 液相密度校正系數(shù)，=實(shí)驗(yàn)

23、測取的填料因子，對聚丙烯階梯環(huán)，=143m-1 g重力加速度，m/s2，g=9.81 m/s2由XF,YF可查的對應(yīng)的P/Z=250Pa/m填料層壓降為P=250×3.36=840Pa5.2.5 填料支撐板柵板是應(yīng)用比擬普遍的一種散堆填料支撐件，它結(jié)構(gòu)簡單，自由截面積大，造價(jià)比梁形氣體噴射式填料支撐板低。參照?化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊?塔設(shè)備關(guān)于支撐板的選擇，對于塔徑DN800mm的填料塔，柵板為分塊式，如下：圖3 分塊式柵板分塊柵板和的寬度l1、l均應(yīng)小于等于400mm，柵板條與邊圈、連接板采用焊接，焊后必須保證柵板的平整度。柵板選用Q235-A材質(zhì)。5.3噴射氧化再生槽的計(jì)算5.3.1

24、槽體的計(jì)算從前面可以看出，需要用兩個(gè)噴射氧化再生槽并聯(lián)，故GA=1286.41/2=643.2 m3/h再生槽體直徑D1，m 式中，A1吹風(fēng)強(qiáng)度，m3/(h·m2)，一般取值為60120 m3/(h·m2)，本設(shè)計(jì)取值為A1=100 m3/(h·m2)； D1槽體直徑，m； GA空氣量，m3/h;式中，LT溶液循環(huán)量，m3/h，根據(jù)裝置實(shí)際情況而定，本設(shè)計(jì)中為1286.41m3/h； Ci噴射器抽吸氣液比，m3/m3，一般取值范圍為2.63.3，本設(shè)計(jì)取值為2.8；故，圓整槽體直徑D1=4.8m5.3.2 擴(kuò)大局部直徑取擴(kuò)大局部直徑D2=0.9+D1=0.7+4.

25、8=5.5m5.3.3 再生槽高度1再生槽有效高度，H1，m 式中，t溶液在再生槽內(nèi)的停留時(shí)間，s，工程上一般取為810min，本設(shè)計(jì)取為t=8min 2噴射器出口至槽底距離，H2，m 根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，H2取值為1m; 3擴(kuò)大局部高度，H3，m 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，H3取值為3.8m；4再生槽總高度，HT，m HT=H1+H2+H3=4.7+1+3.8=9.5m噴射氧化再生槽結(jié)構(gòu)示意圖如下，圖4 噴射再生槽1噴液出口；2富液出口；3硫泡沫出口；4放空口5.3.4 噴射器計(jì)算5.3.4.1噴嘴計(jì)算1噴嘴個(gè)數(shù)，n個(gè) n=LT/Li 式中，Li每個(gè)噴射器溶液量，m3/h，設(shè)計(jì)取為40m3/h； n=1286

26、.41/2/40=16 取n=16個(gè) 2噴嘴孔徑，di，m 式中，wi噴嘴處溶液流速，m/s，一般情況下wi=1825m/s，此處取wi=20m/s 3溶液入口管直徑，dL，m dL=3di=3×0.027=0.080m 取89×4 管4噴嘴入口收縮段長度，L5，m 式中，1噴嘴入口收縮角，取1=14°5噴嘴喉管長度，L6，m 取L6=3mm6噴嘴總長度，L7，m L7=L5+L6=0.033+0.003=0.036m5.3.4.2混合管計(jì)算1混合管直徑，dm，m 式中，m噴射器形狀系數(shù)，取m=8.5 取89×4 管 2混合管長度，L3，mL3=25dm

27、=25×0.079=1.957m 取3.2m5.3.4.3吸氣室計(jì)算1空氣入口管直徑，d0，mm式中，w0管內(nèi)空氣流速，m/s，取w0=3.5m/s； 取133×6 管2吸氣室直徑，dM，mm 取219×4 管3吸氣室高度，L1，m 取L1=330mm4吸氣室收縮管長度，L2，mm式中，2吸氣室收縮角，取2=30°5.3.4.4尾管直徑計(jì)算尾管直徑，de，mm式中，we尾管中流體速度，m/s，取we=1m/s 取133×4 管5.3.4.5擴(kuò)散管長度計(jì)算擴(kuò)散管長度，L4，mm式中，3擴(kuò)散角，取3=7°噴射再生器結(jié)構(gòu)示意圖如下，圖5 噴

28、射器1噴嘴；2吸氣室；3收縮管；4混合管；5擴(kuò)散管；6尾管5.4 冷卻塔的設(shè)計(jì)5.4.1 冷卻塔的計(jì)算 1條件： 塔處理氣量：G0=60215.05Nm3/h 氣體進(jìn)入溫度：T1=80 氣體出口溫度：T2=36 進(jìn)塔水溫度：T3=28 出塔水溫度：T4=342塔徑的計(jì)算 氣體在工況條件下的體積流量：G=60215.05×273.15+36/273.15×10.33/(10.33+4.8)=47567m3/h塔徑圓整，取3000mm3塔高的計(jì)算噴淋密度：參照生產(chǎn)廠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，如下空塔氣速：w=1.35m/s噴淋密度：L0=17.6m3/(m2·h)對數(shù)平均溫度：

29、tm=16.2冷卻塔的容積傳質(zhì)系數(shù)為K0=2500KJ/(m3·h·)因噴淋密度變化的修正K值：對數(shù)平均溫度：塔高計(jì)算5.4.2 冷卻塔校核5.4.2.1設(shè)計(jì)的依據(jù)設(shè)計(jì)壓力：Pc=0.1474MPa工作溫度：80塔內(nèi)徑：Di=3000mm塔高：H=12.6m5.4.2.2材料的選用根據(jù)容器的受力及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，確定筒體、封頭、加強(qiáng)板等主要受力元件材料選用16MnR，其它非受力件材質(zhì)選用Q235A，法蘭、人孔蓋等受力件選用16MnR鍛件5.4.2.3塔體的設(shè)計(jì)(1)塔體壁厚計(jì)算根據(jù)所選材質(zhì)16MnR，查得查得在0100范圍內(nèi)許用應(yīng)力, 焊縫采用雙面對接焊，局部無損

30、探傷，接頭系數(shù)取 計(jì)算厚度不包括腐蝕裕量的最小壁厚由于min，故計(jì)算厚度=6mm假設(shè)腐蝕裕度取C2=4mm,鋼材軋制的負(fù)偏差C1=0.8mm設(shè)計(jì)壁厚 考慮到此塔的高徑比擬大，風(fēng)載荷較大，故應(yīng)適當(dāng)增加壁厚，取塔體名義厚度n=15mm塔體有效厚度5.4.2.4封頭的設(shè)計(jì)根據(jù)所選材質(zhì)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)k=1，采用整塊鋼板沖壓而成，焊接接頭系數(shù) 封頭厚度：為便于焊接，取封頭與塔體等厚，即設(shè)計(jì)厚度n=15mm，有效厚度e=10.2mm。查?化工設(shè)備設(shè)計(jì)根底?容器及封頭標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)以上計(jì)算所選標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的根本參數(shù)如下：表7 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭參數(shù)表公稱直徑DN/mm曲面高度h1/m

31、m直邊高度h2/mm厚度S/mm內(nèi)外表積F/m2容積V/m3質(zhì)量G/kg3000750401610.13.821280圖6 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭考慮封頭直邊高度，裙座等其它塔附件的高度，取塔高H=1500mm5.4.2.5質(zhì)量載荷塔體質(zhì)量，按假定壁厚及各自高度計(jì)算得：塔內(nèi)圓筒局部長12.6m，每個(gè)封頭的容積為3.82m3，封頭的曲面高度及直邊高度分別為750mm和40mm。封頭質(zhì)量 液壓試驗(yàn)時(shí)，塔內(nèi)充水質(zhì)量為：塔設(shè)備的最小質(zhì)量由下式計(jì)算：考慮到操作平臺、扶梯、塔盤、分布器、人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量，塔體質(zhì)量取m=112000kg5.4.2.6風(fēng)載荷的計(jì)算兩相鄰計(jì)算截面間的水平壓力為 式中 水平風(fēng)力，

32、N 10m處根本根本風(fēng)壓值，查表鄭州取350N/m 第i段計(jì)算長度，mm 風(fēng)壓高度變化系數(shù) 體型系數(shù) 塔設(shè)備各計(jì)算段的有效直徑，mm 風(fēng)振系數(shù)查?化工設(shè)備根底?，取k1=0.7， l0=800mm,l1=700mm,由表17-3風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查得，f0=f1=0.80由式17-15計(jì)算該塔的自振周期為：查表17-4脈動(dòng)增大系數(shù)，得=2.56；由表17-5脈動(dòng)影響系數(shù)，得由表17-6振型系數(shù)，得風(fēng)振系數(shù)K2i：求得，K20= 1.10,k21 = 2.50為簡化計(jì)算且偏平安計(jì)，取De0=De1=3500mm塔體各段風(fēng)力計(jì)算如下：0800mm段 8001500mm段 將上述結(jié)果代入式 可分別計(jì)

33、算出底部0-0截面，裙座與塔體連接1-1截面的風(fēng)彎矩，計(jì)算結(jié)果如下：5.4.2.7塔體的強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性驗(yàn)算1圓筒軸向應(yīng)力計(jì)算介質(zhì)壓力引起的軸向應(yīng)力按下式計(jì)算：操作時(shí)重力引起的軸向應(yīng)力計(jì)算得：彎矩引起的軸向應(yīng)力計(jì)算得：2圓筒軸向穩(wěn)定性校核計(jì)算系數(shù)A：由圖11-5查得B=88MPa,=113MPa,所以按下式校核：=11.43+0.0225=11.45MPa<3圓筒拉應(yīng)力校核對內(nèi)壓情況校核：而 ，故<4塔體液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核由試驗(yàn)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力，按下式計(jì)算式中，PT為試驗(yàn)壓力，按取液柱靜壓力為，代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：由試驗(yàn)壓力引起的軸向應(yīng)力，按下式計(jì)算：由液壓試驗(yàn)時(shí)重力引起的軸向應(yīng)

34、力，按下式計(jì)算，這里近似取，那么：由彎矩引起的軸向應(yīng)力，按下式計(jì)算：查附表1壓力容器零件附表知，16MnR材料的.按下式確定：取其中較小值。因，故取將以上計(jì)算各應(yīng)力代入得， 5.4.2.8裙座的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算1座體塔底部截面0-0截面的應(yīng)力按式下式校核：正常操作時(shí)： MPa水壓試驗(yàn)時(shí)： MPa式中 錐形筒體的半頂角，圓柱形筒體的圓柱形或圓錐形座體底部截面的截面系數(shù)，mm3Dis座體底部截面的內(nèi)直徑，mm圓柱形或圓錐形底部的截面積，Asb=Dises，mm2設(shè)計(jì)溫度下座體材料的需用應(yīng)力，MPa；底部截面0-0的最大彎矩，N·mm；K載荷組合系數(shù)，取K=1.2式中，； ；計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行比

35、擬 裙座上人孔處截面1-1的應(yīng)力按下式進(jìn)行計(jì)算校核：正常操作時(shí)：水壓試驗(yàn)時(shí)：式中 人孔或較大管線引出孔處的最大彎矩，N·mm；人孔或較大管線引出孔處的風(fēng)彎矩，N·mm；人孔或較大管線引出孔截面以上塔設(shè)備的操作質(zhì)量，kg；人孔或較大管線引出孔截面以上塔設(shè)備在液壓試驗(yàn)時(shí)的質(zhì)量，kg人孔或較大管線引出孔處的截面積近似取，那么有那么：可見座體滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。2根底環(huán)取根底環(huán)內(nèi)、外徑分別為Dib=2700mm、Dob=3300mm,那么b=300mm，混凝土根底上的最大壓應(yīng)力為：式中，zb根底環(huán)的抗彎截面系數(shù)，mm3 Ab根底環(huán)的面積，mm2故，bmax=3.97MPa由表17

36、-8 混凝土許用應(yīng)力表，查的要使bmaxRa，那么混凝土根底應(yīng)選用100號以上水泥。采用24個(gè)均布的地腳螺栓，帶筋板的根底環(huán)，設(shè)肋板厚度為24mm，那么兩相鄰肋板最大外側(cè)間距：那么 b/l=300/407.75=0.736由表17-9 矩形板力矩計(jì)算表 可查的|Mx|=0.212bmaxb2=0.212×3.97×3002=7.57×104Nmm/mm；My=0.0610bmaxl2=0.0610×3.97×407.752=4.03×104Nmm/mm；故取Ms=|Mx|=7.57×104Nmm/mm。根底材料選用低碳鋼，取

37、b=140MPa，那么根底環(huán)厚度：考慮腐蝕裕量，圓整后可取b=60mm3地腳螺栓由螺栓承受的最大拉應(yīng)力其中，假設(shè)地震烈度為7度，由表17-7查的，地震影響系數(shù)的最大值max=0.23。假設(shè)塔設(shè)設(shè)備安裝地為類場地土，查圖17-60，可得 1=0.2max=0.2×0.23=0.046,取Cz=0.5,那么塔底截面的地震彎矩為： 故取B=0.72MPa地腳螺栓的螺紋小徑d1式中，C2腐蝕裕量，一般取3mm bt地腳螺栓材料的許用應(yīng)力，對低碳鋼可取bt=147MPa應(yīng)選用M42地腳螺栓24個(gè)。5.4.2.9裙座與塔體對接焊縫的驗(yàn)算對接焊縫的拉應(yīng)力驗(yàn)算式為：其中，Dit=Di= 3000mm

38、,MmaxJ-J= Mmax1-1=0.42×106MPa, m0J-J= m02-2=112000-1000=111000kg 經(jīng)估算裙座質(zhì)量約為1000kg,取wt與用材料t相同，即wt=88MPa 0.6Kwt=0.6×1.2×88=63.4MPa11.34MPa0.6K wt因此，對接焊縫滿足強(qiáng)度要求。5.4.3 分布器的設(shè)計(jì)查蘭州石油機(jī)械研究所主編?現(xiàn)代塔器技術(shù)?第二版第四章填料塔內(nèi)件表2.4-2，對塔徑大于0.9m，噴淋密度在2.525m3/(m2·h)范圍內(nèi)的填料塔，可選用排管式液體分布器，因工作壓力在4800mmH2O(表壓)，選用壓力型

39、水平中心管進(jìn)液的排管式液體分布器。表8 7種通用型典型的液體分布器性能比擬5.4.3.1噴淋點(diǎn)數(shù)的計(jì)算根據(jù)噴淋點(diǎn)密度SP和塔截面積AT，由下式計(jì)算: N=SPAT 為使液體分布均勻，取噴淋點(diǎn)密度SP=100點(diǎn)/m2故噴淋點(diǎn)數(shù)N=SpAT=100×3.14/4×32=7065.4.3.2確定孔間距填料塔分布器的噴淋點(diǎn)采用等邊三角形或正方形布置，孔間距按下式計(jì)算: t=CSp-0.5 等邊三角形排列時(shí)，C=1.075；正方形排列時(shí)，C=1.0；采用正方形布置，C=1.0故孔間距t= CSp-0.5=1.0×706-0.5=0.0376m5.4.3.3分布器布孔706個(gè)

40、孔口必須落實(shí)到主管和支管的下側(cè)，且保持孔間距約等于37mm。為防止過大壁流產(chǎn)生，填料塔近壁50mm不布孔，主管直徑為150mm，中心線上開67個(gè)孔，支管排數(shù)為2×8=16根支管，對稱排列，每排開孔80個(gè)，均開在下側(cè)，間距為37mm，長度分別為1400/1400/1360/1260/1160/ 1000/800/560。表9 排管式噴淋器的設(shè)計(jì)參數(shù)5.4.3.4孔徑的計(jì)算孔徑按下式計(jì)算: 圓整，取d0=6mm上式中，u0m=2m/s5.4.3.5管子尺寸的選擇主管直徑150mm，支管直徑6mm，排管外緣直徑2940mm。5.4.3.6分布器的排布方式在滿足覆蓋率的前提下，分布器排與排的間距一般不應(yīng)小于1米，1.5-2米比擬常見，考慮到塔頂除沫器等結(jié)構(gòu)，并且最下面的分布器距離塔底應(yīng)有一定的距離，為這一排