尿素合成塔畢業(yè)設(shè)計(jì)論文刪減版

1、- . .可修編. . z.*理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1200熱套式尿素合成塔設(shè)計(jì)學(xué) 生：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：過程裝備與控制工程班 級(jí)：2009級(jí)3班指導(dǎo)教師：王維慧*理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院二O一三年六月四 川 理 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)論文題目：1200熱套式尿素合成塔設(shè)計(jì) 學(xué)院： 機(jī)械學(xué)院 專業(yè)： 過程裝備與控制工程 班級(jí)： 2009級(jí)3班 *：學(xué)生：指導(dǎo)教師： 王維慧 承受任務(wù)時(shí)間 2013.03.04 系主任簽名院長(zhǎng)簽名1畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的主要內(nèi)容及根本要求。1、閱讀設(shè)計(jì)說明書、任務(wù)書、明確設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容。2、明確尿素生產(chǎn)方法，工藝及流程。3、完成所有構(gòu)造設(shè)計(jì)和任務(wù)書，任務(wù)書包括緒論，物料平衡與能

2、量平衡，塔體常規(guī)計(jì)算，構(gòu)造構(gòu)設(shè)計(jì)，力學(xué)校核，專題討論，完畢語。2指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明。1全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB1501998鋼制壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)M . : 學(xué)苑,1998.2*津洋、董其伍、桑芝富主編. 過程設(shè)備設(shè)計(jì)M.: 化學(xué)工業(yè)教材出版中心, 2001.83 中國(guó)寰球化學(xué)工程公司編. 氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(尿素)J. ：化學(xué)工業(yè)1988.93進(jìn)度安排設(shè)計(jì)論文各階段名稱起 止 日 期1開題報(bào)告的撰寫2構(gòu)造設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算3圖紙和論文的撰寫4完成圖紙和論文的撰寫5對(duì)圖紙和論文的最后修改- . .可修編. . z.摘要尿素合成塔是合成尿素生產(chǎn)過程中的主要關(guān)鍵設(shè)備，因此尿素合成塔的

3、設(shè)計(jì)和制造顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)工藝采用水溶液全循環(huán)法，設(shè)計(jì)中對(duì)整個(gè)塔設(shè)備進(jìn)展了詳細(xì)的工藝計(jì)算和熱量衡算，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)尿素合成塔進(jìn)展了構(gòu)造設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞：尿素合成塔；工藝計(jì)算；構(gòu)造設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核ABSTRACTUrea synthetic tower is the key equipment in the process of synthesis of urea production, thus is particularly important to design and manufacture of urea. The aqueous solution total cycle me

4、thod is adopted in this design process, to the whole tower equipment in detail in the design of process calculation and heat balance, according to the national standard of urea synthesis tower structure design and strength check.Keywords: Urea synthesis reactor;Process calculation;Physical design;In

5、tensity check- . .可修編. . z.目 錄摘要ABSTRACT第1章 緒論11.1 尿素的發(fā)現(xiàn)11.2 尿素的性質(zhì)1 1.2.1 尿素的物理性質(zhì)11.2.2 尿素的化學(xué)性質(zhì)1 1.3尿素的用途11.4 尿素工業(yè)開展與現(xiàn)狀21.5 水溶液生產(chǎn)原理41.5.1 反響原理41.6 生產(chǎn)工藝流程5第2章 材料選擇92.1材料選擇原理9第3章 尿素合成塔的構(gòu)造選型及論證.10第4章 物料與能量衡算174.1 物料衡算174.2 能量衡算18第5章 尿素合成塔的構(gòu)造設(shè)計(jì)計(jì)算205.1 尿素合成塔的有效容積205.2.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算215.3 密封件的設(shè)計(jì)計(jì)算215.4 筒體端部法蘭設(shè)計(jì)

6、計(jì)算265.4.1 法蘭構(gòu)造型式265.5.3 設(shè)計(jì)計(jì)算285.6 底封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算305.6.1封頭材料31 5.6.2設(shè)計(jì)計(jì)算315.7 裙座315.8 塔板32第6章 開孔及開孔補(bǔ)強(qiáng)346.1 接收346.1.1 接收材料346.2 開孔356.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)366.3.1 補(bǔ)強(qiáng)的形式36第7章 塔設(shè)備強(qiáng)度設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性校核407.1 塔體的載荷計(jì)算40 7.1.1 塔體的質(zhì)量載荷407.2 強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核467.2.1各種載荷引起的軸向應(yīng)力46第8章 專題討論49第9章 結(jié)論.51參考文獻(xiàn) .52致謝.53- . .可修編. . z.第1章緒論1.1尿素的發(fā)現(xiàn)1773年，伊萊爾羅埃爾Hi

7、laire Rouelle發(fā)現(xiàn)尿素。1828年，弗里德里希維勒首次使用無機(jī)物質(zhì)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(dòng)物、兩棲動(dòng)物和一些魚的尿中含有尿素；鳥和爬行動(dòng)物排放的是尿酸，因?yàn)槠涞x過程中的水量比擬少。1.2 尿素的性質(zhì)1.2.1 尿素的物理性質(zhì) 尿素的化學(xué)名稱為碳酰二胺，分子式為CONH22，分子量為61.06。含氮量為46.65% 。在土壤呈中性反響，水分適當(dāng)時(shí)土壤溫度越高，轉(zhuǎn)化越快；當(dāng)土壤溫度10時(shí)尿素完全轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮需710天，當(dāng)20需45天，當(dāng)30需23天即可。純尿素為無色、無味、無臭的針狀或棱柱狀結(jié)晶。1.2.2 尿素的化學(xué)性質(zhì)尿素的主要化

8、學(xué)性質(zhì)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(shí)內(nèi)可以水解0.5%；110，一小時(shí)內(nèi)可增加到3%。3尿素和甲醛的縮合反響：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。1.3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(jì)，我國(guó)現(xiàn)有尿素生

9、產(chǎn)企業(yè)200多個(gè)，規(guī)模分為大型引進(jìn)48萬噸/年以上、中型1330萬噸/年以上、小型413萬噸/年，我國(guó)中小氮肥企業(yè)中90采用煤為原料，近年來產(chǎn)能開展較快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20052007年尿素新建裝置增加產(chǎn)能累計(jì)987萬噸，加上現(xiàn)有裝置產(chǎn)能的自然增長(zhǎng)，20052007年我國(guó)累計(jì)增加尿素產(chǎn)能1340萬噸，到2007年底尿素產(chǎn)能到達(dá)5300萬噸以上。預(yù)計(jì)20082009年新建裝置產(chǎn)能為715萬噸，到2009年底全國(guó)尿素產(chǎn)能將到達(dá)6000萬噸。尿素是生理中性肥料，在土壤中不殘留任何有害物質(zhì)，長(zhǎng)期施用沒有不良影響。但在造粒中溫度過高會(huì)產(chǎn)生少量縮二脲，又稱雙縮脲，對(duì)作物有抑制作用。我國(guó)規(guī)定肥料用尿素縮二脲含量應(yīng)

10、小于0.5。縮二脲含量超過1時(shí)，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(jī)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(shí)也用作種肥。尿素在轉(zhuǎn)化前是分子態(tài)的，不能被土壤吸附，應(yīng)防止隨水流失；轉(zhuǎn)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0.4。尿素產(chǎn)量約占我國(guó)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(jì)初。20世紀(jì)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(jìn)，世

11、界各國(guó)開展很快。我國(guó)從20世紀(jì)60年代開場(chǎng)建立中型尿素廠。19861992年，我國(guó)尿素產(chǎn)量均在900萬噸以上。目前占氮肥總產(chǎn)量的40。1.4尿素工業(yè)開展與現(xiàn)狀尿素最先由魯愛爾于1773年在蒸發(fā)人尿時(shí)發(fā)現(xiàn)的。1828年佛勒在實(shí)驗(yàn)室首先用氨和氰酸合成了尿：HCON +NH3 =CONH22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響條件難以控制或因經(jīng)濟(jì)上不合理,在工業(yè)上均未得到實(shí)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(guó)發(fā)本公司奧包工廠實(shí)現(xiàn)了以NH3和CO2直接合成尿素的工業(yè)化生產(chǎn),從而

12、奠定了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尿素的根底. 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合成尿素反響為:2NH3+CO2CO(NH2)2 +H2O 該反響是放熱的可逆反響,其產(chǎn)率受到化學(xué)平衡的限制,只能局部的轉(zhuǎn)化為尿素,一般轉(zhuǎn)化率為5070%.因而,按轉(zhuǎn)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(jì)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(zhuǎn)化成尿素氨和二氧化碳經(jīng)多段蒸餾和別離后,全部返回合尿素最先由魯愛爾于1773年在蒸發(fā)人尿時(shí)發(fā)現(xiàn)的。1828年佛勒在實(shí)驗(yàn)室首先用氨和氰酸合成了尿素全循環(huán)法依照別離回收方法的不同又可分為熱氣循環(huán)

13、法、氣體別離循環(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)法和氣提法開展最快,以下是對(duì)幾種尿素生產(chǎn)方法的簡(jiǎn)單完畢。1不循環(huán)法和局部循環(huán)法尿素生產(chǎn)工業(yè)化早期實(shí)現(xiàn)的是不循環(huán)和局部循環(huán)流程。原料液氨和壓縮到高壓的二氧化碳?xì)饣旌线M(jìn)入尿素合成塔進(jìn)展反響。合成塔出口溶液經(jīng)一次減壓分解，得到較為純潔的尿素水溶液并加工成尿素產(chǎn)品。未反響的NH3和CO2氣體不再返回，而是送往氨加工車間，將未轉(zhuǎn)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，未反響物不循環(huán)返回合成塔的方法稱為不循環(huán)法流程。假設(shè)未反響物經(jīng)減壓加熱分解，冷凝后局部返回合成系統(tǒng)，稱為局部循環(huán)法。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。缺

14、點(diǎn)：無論是不循環(huán)法或是局部循環(huán)法，在生產(chǎn)尿素時(shí)必定伴有大量副產(chǎn)物生成。此法本錢高，技術(shù)落后，早已淘汰不用。2.水溶液全循環(huán)法尿素合成反響后，未轉(zhuǎn)化的反響物氨和CO2經(jīng)過幾段減壓及加熱分解，將其從尿素溶液中別離出來，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。按照未反響物氨和CO2的回收方式不同，又分為溶液全循環(huán)法，氣體別離法(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)尿素合成后未反響物氨和CO2，經(jīng)分解別離后，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(jì)60年代起迅速得到推廣，在尿素生產(chǎn)中占有很大的優(yōu)

15、勢(shì)，至今仍在完善提高. 改進(jìn)C法日本三井東壓/東洋工程全循環(huán)改進(jìn)C法，是傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)改進(jìn)，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(zhuǎn)化效率高，降低了分解循環(huán)吸收的負(fù)荷。采用結(jié)晶重熔方法，可制得縮二脲低于0.35%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(diǎn)：水溶液全循環(huán)法不消耗貴重的溶劑，循環(huán)動(dòng)力消耗較小投資省，曾被廣泛采用，為尿素工業(yè)的開展做出了積極的奉獻(xiàn)。缺點(diǎn)：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，反響熱被大量的循環(huán)液所降溫，沒有充分利用；一段甲銨泵腐蝕嚴(yán)重，對(duì)甲銨泵的制造、操作和維修比擬麻煩；為了回收微量的CO2和氨氣使流。3.氣提

16、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(jìn)未轉(zhuǎn)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(shí)間的影響，溫度過高會(huì)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(shí)間愈短愈好，可防止水解和縮合反響。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(jìn)展反響生成甲銨，而甲銨的脫水反響則在尿素合成塔中進(jìn)展。實(shí)際上，為了維持合成尿素塔的反響溫度，局部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?xì)馓岱üに嚨奶攸c(diǎn)：用原料CO2氣提，氣提效率高，使未轉(zhuǎn)化物大局部直接返回，少量剩余物在一次低壓分解循

17、環(huán)即可回收，省去了中壓循環(huán)，簡(jiǎn)化流程。其次，合成壓力低，節(jié)省壓縮機(jī)和泵的動(dòng)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?xì)馓岵捎玫吞急取⒌蜏?、低壓的合成條件，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但也用其缺乏之處：合成反響的CO2轉(zhuǎn)化率較低，增大了循環(huán)量。低氨碳比下介質(zhì)的腐蝕性較嚴(yán)重，因此采用防腐氧氣，并需注意爆炸問題。優(yōu)點(diǎn)：流程短、設(shè)備少、易操作。動(dòng)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(jī)之要求。蒸汽用量，冷卻水用量少。輸送設(shè)備少，無甲銨泵等，缺點(diǎn)：高壓設(shè)備腐蝕嚴(yán)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

18、的特點(diǎn)：提高合成氨碳比，提高原料CO2轉(zhuǎn)化率，并有助于提高氣提效率。通過熱氣提方式，使相當(dāng)多的未轉(zhuǎn)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(shè)備的腐蝕，少加防腐空氣。優(yōu)點(diǎn)：與二氧化碳?xì)馓岱鞒滔啾?，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(diǎn)，合成反響的CO2轉(zhuǎn)化率較高，系統(tǒng)的腐蝕問題較輕。缺點(diǎn)：氨氣提熱氣提效率不如二氧化碳?xì)馓?，需要設(shè)中壓分解循環(huán)，流程長(zhǎng)，設(shè)備較多。雖然二氧化碳?xì)馓岱ㄒ草^好，流程短、效率高，設(shè)備少，易操作動(dòng)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(jī)之要求。蒸汽用量，冷卻水用量少。輸送設(shè)備少

19、，無甲銨泵等。但是此合成法技術(shù)較新，許多方面還不夠成熟，且高壓設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，需特別處理，并且容易爆炸，有一定的危險(xiǎn)。水溶液全循環(huán)法和氣提法比擬，水溶液全循環(huán)法應(yīng)用較廣，時(shí)間較長(zhǎng)，所以無論是技術(shù)還是經(jīng)歷方面都較為成熟，水溶液全循環(huán)法不消耗貴重的溶劑，循環(huán)動(dòng)力消耗較小投資省。由于我國(guó)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(shù)相當(dāng)成熟，設(shè)備要求簡(jiǎn)單且投資相對(duì)少，工藝流程方便易行，再添加污水處理系統(tǒng)以后，使整個(gè)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(shù)性，經(jīng)歷性，經(jīng)濟(jì)性，平安性方面綜合考慮選用碳酸銨鹽水溶液全循法較好。1.5水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)尿素的原理水溶液

20、全循環(huán)法是將未反響的氨和二氧化碳經(jīng)減壓加熱分解別離后，用水吸收生成甲銨或碳酸銨水溶液再循環(huán)返回合成系。1.5.1反響原理生產(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。尿素合成反響分兩步進(jìn)展：氨與二氧化碳作用生成氨基甲酸銨(簡(jiǎn)稱甲銨)；甲銨脫水生成尿素，其反響式為：2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJ NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ式是快速、強(qiáng)放熱反響，且平衡轉(zhuǎn)化率高。式是慢速微吸熱的可逆反響，且需要在液相中進(jìn)展。當(dāng)溫度為170190時(shí)，氨與二氧化碳的摩爾比為2.0，壓力高到足以使反響物得以保持液態(tài)時(shí)，甲銨轉(zhuǎn)化成尿素的轉(zhuǎn)化率(以CO2計(jì))為 5

21、0%；其反響速率隨溫度的提高而增大。當(dāng)溫度不變時(shí)，轉(zhuǎn)化率隨壓力的升高而增大，轉(zhuǎn)化率到達(dá)一定值后，繼續(xù)提高壓力，不再有明顯增大，此時(shí)，幾乎全部反響混合物都以液態(tài)存在。提高氨與二氧化碳的摩爾比，可增大二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，降低氨的轉(zhuǎn)化率。在實(shí)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。反響物料中水的存在將降低轉(zhuǎn)化率，在工業(yè)設(shè)計(jì)中要把循環(huán)物料中的水量降低到最小限度。增加反響物料的停留時(shí)間能提高轉(zhuǎn)化率，但并不經(jīng)濟(jì)。典型的工藝操作條件是溫度180200、壓力13.824.6MPa、氨與二氧化碳摩爾比2.84.5反響物料停留時(shí)間2540min。1.5.2反響機(jī)理液氨

22、和二氧化碳直接合成尿素的總反響為：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJ。這是一個(gè)可逆、放熱、體積縮小的反響，反響在液相中是分兩步進(jìn)展的。首先液氨和二氧化碳反響生成甲銨，故稱其為甲銨生成反響：2NH3+CO2NH2COONH4在一定條件下，此反響速率很快，容易到達(dá)平衡。且此反響二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率很高。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反響：NH2COONH4CO(NH2)2+H2O平衡轉(zhuǎn)化率一般為50%70%，此步反響的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反響1.5.3反響速度從生成尿素的反響機(jī)理可知甲銨脫水是反響的控制階段，但甲銨脫水反響在氣相中不能進(jìn)展，在固相中

23、反響速率較慢，而在液相中反響速率較快，故甲銨脫水生成尿素的反響必須在液相中進(jìn)展。因此決定反響速率的因素有兩個(gè)：氨和二氧化碳由氣相進(jìn)入液相的速率液相中甲銨脫水的速率。1.6水溶液全循環(huán)法的生產(chǎn)工藝流程1.6.1尿素合成總反響為：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJ 實(shí)際上反響是分兩步進(jìn)展的，首先是氨與二氧化碳反響生成氨基甲酸銨：2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJ 該反響是一個(gè)可逆的體積縮小的放熱反響，在一定條件下，此反響速率很快，客易到達(dá)平衡，且此反響二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率很高.。然后是液態(tài)甲銨脫水生成尿素，稱為甲銨脫水反響； NH2COONH4CO(NH2)

24、2+H2O-28.49kJ此步反響是一個(gè)可逆的微吸熱反響，平衡轉(zhuǎn)化率一般為50%70%，并且反響的速率也較緩慢，是尿素合成中的控制速率的反響。1.6.2流程圖介紹水溶液全循環(huán)法合成尿素工藝流程圖如圖1-1，經(jīng)過加壓預(yù)熱的原料液氨與經(jīng)壓縮后的原料二氧化碳?xì)饧把h(huán)回收來的氨基甲酸銨液一并進(jìn)入預(yù)反響器。在預(yù)反響器內(nèi)氨與二氧化碳反響生成氨基甲酸銨，在進(jìn)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(jìn)入預(yù)別離器，將氨基甲酸銨和氨進(jìn)展別離。氨基甲酸銨從預(yù)別離器底部出來進(jìn)入中壓循環(huán)加熱器，用蒸汽加熱進(jìn)一步提高溫度，促使剩余氨基甲酸銨分解。氣、液在低壓循環(huán)別離器內(nèi)別離。別離出來的尿液經(jīng)減壓至

25、常壓后，進(jìn)入閃蒸槽，經(jīng)減壓后尿液中的氨基甲酸銨和氨幾乎全部去除。自閃蒸槽出來的尿液進(jìn)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)別離器及低壓蒸發(fā)別離器內(nèi)別離。低壓別離器出口尿液濃度達(dá)99.7%質(zhì)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圖1-1 水溶液全循環(huán)法合成尿素示意流程圖1-預(yù)反響器；2-尿素合成塔；3-預(yù)別離器；4-中壓循環(huán)加熱器；5-中壓循環(huán)別離器；6-精餾塔； 7-低壓循環(huán)加熱器；8-低壓循環(huán)別離器；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)別離器；14-

26、二段蒸發(fā)加熱器；15-二段蒸發(fā)別離器；16-熔融尿素泵； 17-造粒塔預(yù)別離器、中壓循環(huán)別離器、低壓循環(huán)別離器及精餾塔頂部出來的氨和二氧化碳，進(jìn)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)別離器、二段蒸發(fā)別離器及閃蒸槽出來的氣體，大局部水蒸氣和少量的氨去冷凝、真空系統(tǒng)，回收剩余氨后放空。1.6.3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(jiǎn)圖如圖1-2，由造氣爐產(chǎn)生的半水煤氣脫碳后，其中大局部的二氧化碳由脫碳液吸收、解吸后，經(jīng)油水別離器，除去二氧化碳?xì)怏w中攜帶的脫碳液，進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s機(jī)系統(tǒng)，由壓縮機(jī)出來的二氧化碳?xì)怏w壓力到達(dá)16 kg后進(jìn)入尿素合成

27、塔。從合成氨車間氨庫來的液氨進(jìn)入氨儲(chǔ)罐，經(jīng)過氨升壓泵加壓進(jìn)入高壓液氨泵，加壓至20kg左右，經(jīng)過預(yù)熱后進(jìn)入甲銨噴射器作為推動(dòng)液，將來自甲銨別離器的甲銨溶液增壓后混合一起進(jìn)入尿素合成塔。尿素合成塔內(nèi)溫度為186190，壓力為200kg左右,NH 3/ CO2的摩爾比和H2O/CO2的摩爾比控制在一定的*圍內(nèi)。合成后的氣液混合物進(jìn)入一段分解，進(jìn)展氣液別離，將別離氣相后的尿液送入二段分解，進(jìn)一步見混合物中的氣相除去。凈化后的尿液依次進(jìn)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(jī)用運(yùn)輸皮帶送往儲(chǔ)存包裝車間圖1-

28、2 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響的氨和二氧化碳，分別進(jìn)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(jìn)入惰洗器稀釋后，與二段吸收的剩余氣體混合進(jìn)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剩余的氣體混合放空第2章材料選擇2.1材料的選擇原則尿素合成塔連續(xù)運(yùn)行在高溫、高壓、易燃、易爆和強(qiáng)腐蝕條件下,反響塔是尿素合成裝置的關(guān)鍵設(shè)備, 其狀況的好壞，直接影響到尿素裝置長(zhǎng)時(shí)間平安穩(wěn)定運(yùn)行。由于尿素工藝所固有的特點(diǎn), 高壓設(shè)備普遍存在腐蝕問題, 有的還相當(dāng)

29、嚴(yán)重, 因此選擇適宜的耐腐蝕材料十分重要。設(shè)備選材必須考慮不同的工藝條件、溫度、壓力和介質(zhì)選用的材料必須能承受苛刻的運(yùn)行條件設(shè)備制造要符合工藝的特殊規(guī)*, 并進(jìn)展必要的試驗(yàn)和處理?，F(xiàn)代尿素高壓設(shè)備所用耐蝕金屬材料一般根據(jù)用途、功能、接觸介質(zhì)、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(jì), 材料費(fèi)用在現(xiàn)代化工裝置投資中所占比例高達(dá)50%。選材方案一般根據(jù)材料單價(jià)、加工費(fèi)用和設(shè)備使用年限及材料預(yù)測(cè)壽命確定。2.2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、09M

30、nNiDR、07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR；鋼管16Mn、09MnD；鍛件16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo.16MnR是屈服極限為340MPa級(jí)的壓力容器專用鋼板，也是中國(guó)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(yīng)用。本設(shè)計(jì)將采用筒節(jié)材料為熱套15MnVR或16MnR。2.3襯里、接收和內(nèi)件材料的選擇目前國(guó)際上在尿素耐腐蝕材料的研究和應(yīng)用方面存在三大流派：(1)以荷蘭為代表的也是當(dāng)前國(guó)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(jí))或3l6LMod(改進(jìn)型)。原316L,3l7L，32

31、6L十N至今仍普通采用。最近進(jìn)一步開展為25222高級(jí)尿素用鋼。(2)以中國(guó)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(yīng)力腐蝕性、缺氧時(shí)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(jìn)一步提高了耐蝕性。(3)有色金屬鈦。在日本、意大利和中國(guó)一些廠家巳采用鈦?zhàn)饕r里，耐蝕性很好，在降低加氧量條件下，耐尿液溫度可達(dá)205，在更苛刻工藝條件下在國(guó)際上開場(chǎng)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(jí)不銹鋼00Cr22Ni5Mo3N鐵素體奧氏體雙相不-. z.銹鋼代替316L奧氏體不銹鋼；頂部為20MnMo

32、平蓋鍛件，雙錐密封環(huán)為20MnMo，底部為16MnR標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，襯里為手工焊大于8mm的尿素不銹鋼；接收為00Cr17Ni14Mo2，裙座材料為Q235-A表2-1 00Cr17Ni14Mo2成分成分CSiMnPSCrNiMo%0.031.02.00.0350.0301618121523第3章 尿素合成塔的構(gòu)造選型論證3.1尿素合成總體構(gòu)造機(jī)構(gòu)根本要求尿素合成塔的工藝參數(shù)和構(gòu)造型式的選擇，既取決于所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)和原料氣的成以及操作條件有關(guān)。尿素合成塔的設(shè)計(jì)過程中，一般應(yīng)考慮以下問題：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(zhì)才能有效進(jìn)展。作為塔設(shè)備，

33、應(yīng)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(zhì)效率。 2生產(chǎn)能力大，即氣液處理量大。如一定塔徑的塔設(shè)備在較大的氣液負(fù)荷時(shí)，仍能保證該塔正常、有效地操作，則可減少傳質(zhì)設(shè)備的體積，使之更加緊湊。3操作穩(wěn)定，操作彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣相或液相負(fù)荷發(fā)生一定*圍的變化或波動(dòng)時(shí)，設(shè)備仍能正常有效地運(yùn)行。4阻力小。如流體通過設(shè)備是阻力小，即流體的壓降小，則可降低能耗，從而減少設(shè)備的操作費(fèi)用。5構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造、安裝、維修方便，設(shè)備的投資及操作費(fèi)用低。6耐腐蝕，不容易堵塞。7使用壽命長(zhǎng)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(zhǎng)更好 。3.2合成塔的總體構(gòu)造

34、型式最早使用的尿素培是帶夾套的管式反響器隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、設(shè)備大型化、尿素工藝的開展以及減少動(dòng)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響器。尿素塔除因工藝流程不同其內(nèi)件構(gòu)造與管口布置略有不同，生產(chǎn)規(guī)模不同尺寸大小有別外，總體構(gòu)造大體上一樣。目前生產(chǎn)的尿素合成塔普遍采用單個(gè)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、接收、螺旋板和篩板等。3.3尿素合成塔的筒體構(gòu)造型式及其論證3.3.1單層式優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單 制造方便- . .可修編. . z.缺點(diǎn)： 深環(huán)、縱焊縫，焊接缺陷檢測(cè)和消除困難；且構(gòu)造本身缺乏阻止裂紋快速擴(kuò)展的能力； 大型鍛件、厚鋼板性能比薄鋼板差，不同方向

35、力學(xué)性能差異大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高，發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞的可能性也較大； 加工設(shè)備要求高。3.3.2組合式3.3.2.1、多層包扎式1、構(gòu)造：為防止裂紋沿壁厚方向擴(kuò)展，各層板之間的縱焊縫應(yīng)相互錯(cuò)開75。筒節(jié)的長(zhǎng)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(yù)緊力； 筒節(jié)上均開有平安孔報(bào)警。圖3-1 多層包扎筒節(jié)3、優(yōu)點(diǎn)：制造工藝簡(jiǎn)單，不需大型復(fù)雜加工設(shè)備； 平安可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴(kuò)展的能力； 減少了脆性破壞的可能性； 包扎預(yù)應(yīng)力改善筒體的應(yīng)力分布； 對(duì)介質(zhì)

36、適應(yīng)性強(qiáng)，可選擇適宜的內(nèi)筒材料。 4、缺點(diǎn)：筒體制造工序多、周期長(zhǎng)、效率低、鋼材利用率低僅60%左右； 無損檢測(cè)困難，環(huán)焊縫的兩側(cè)均有層板，無法用超聲檢測(cè)，只能射線檢測(cè)；焊縫部位存在很大的焊接剩余應(yīng)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(fù)雜。深環(huán)焊縫對(duì)制造質(zhì)量和平安有顯著影響。5、應(yīng)用：目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)歷最為豐富的組合式筒體構(gòu)造。3.3.2.2、熱套式1、構(gòu)造、構(gòu)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(jì)算的溫度進(jìn)展套合，冷卻收縮后得到嚴(yán)密貼合的厚壁筒節(jié)。圖3-2 熱套筒節(jié)2、優(yōu)點(diǎn)：工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大

37、多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。3、缺點(diǎn)：筒體要有較準(zhǔn)確的過盈量，卷筒的精度要求很高，且套合時(shí)需選配套合； 套合時(shí)貼緊程度不很均勻；套合后，需熱處理以消除套合預(yù)應(yīng)力及深環(huán)焊縫的焊接剩余應(yīng)力。3.3.2.3、繞板式1、構(gòu)造：由內(nèi)筒、繞板層和外筒三局部組成，是在多層包扎式筒體的根底上開展起來的。圖33 繞板式筒節(jié)2、制造：內(nèi)筒與多層包扎式內(nèi)筒一樣，外層是在內(nèi)筒外面連續(xù)纏繞假設(shè)干層35mm厚的薄鋼板而構(gòu)成筒節(jié)，只有內(nèi)外兩道縱焊縫，需要2個(gè)楔形過渡段，外筒為保護(hù)層，由兩塊半圓或三塊瓦片制成。3、優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械化程度高，制造效率高，材料利用率高可達(dá)90%以上。4、缺點(diǎn)：中間厚兩邊薄，累積間隙。3.3.2.4、整體多層包扎式1、構(gòu)

38、造：錯(cuò)開環(huán)縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的筒體構(gòu)造。圖3-4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(zhǎng)度，兩端焊上法蘭或封頭；在整個(gè)長(zhǎng)度上逐層包扎層板，待全長(zhǎng)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(diǎn)：環(huán)、縱焊縫錯(cuò)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。3.3.2.5、繞帶式以鋼帶纏繞在內(nèi)筒外面獲得所需厚度筒壁兩種構(gòu)造: 型槽繞帶式; 扁平鋼帶傾角錯(cuò)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3-5a，內(nèi)筒外外表上預(yù)先加工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。纏繞時(shí)，鋼帶先經(jīng)電加熱，再進(jìn)展螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進(jìn)展冷

39、卻，使其收縮產(chǎn)生預(yù)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3-5b)，纏繞層能承受一局部由內(nèi)壓引起的軸向力。圖3-5 a型槽繞帶式筒體 b型槽鋼帶構(gòu)造示意圖優(yōu)點(diǎn)：筒體具有較高的平安性，機(jī)械化程度高，材料損耗少，且由于存在預(yù)緊力，在內(nèi)壓作用下，筒壁應(yīng)力分布較均勻。 缺點(diǎn)：鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴(yán)，技術(shù)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(jī)床。2扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞式中國(guó)首創(chuàng)的一種新型繞帶式筒體；該構(gòu)造已被列入ASME -1和ASME -2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)*案例，編號(hào)分別為2229和2269。構(gòu)造：內(nèi)筒厚度約占總壁厚的1/61/4， 采用 預(yù)應(yīng)力冷繞和

40、壓棍預(yù)彎貼緊技術(shù)，環(huán)向1530傾角在薄內(nèi)筒外交織纏繞扁平鋼帶。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3-6 扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞式筒體優(yōu)點(diǎn)： 與其它類型厚壁筒體相比，扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞式筒體構(gòu)造具有設(shè)計(jì)靈活、制造方便、可靠性高、在線平安監(jiān)控容易等優(yōu)點(diǎn)。綜合上述本次設(shè)計(jì)采用熱套式，特點(diǎn)是工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。第4章 物料衡算與能量衡算塔體高度將以知代入7-1式得：7.1.3風(fēng)載荷本設(shè)計(jì)根本風(fēng)壓以*為基準(zhǔn)，地面的粗糙度類別為B類。1風(fēng)力計(jì)算 風(fēng)載荷分布如圖7-1所示。塔設(shè)備中第i計(jì)算段所受的水平風(fēng)力可由下式計(jì)算: (72)式中,塔設(shè)備中

41、第段的水平風(fēng)力，N；塔設(shè)備中第段迎風(fēng)面的有效直徑，m；風(fēng)壓高度變化系數(shù)；各地區(qū)的根本風(fēng)壓,；塔設(shè)備各計(jì)算段的計(jì)算高度,m，體型系數(shù)；塔設(shè)備中第計(jì)算段的風(fēng)振系。 對(duì)于塔高H20m時(shí)，則按下式計(jì)算: (73) 7-1 風(fēng)載荷分布圖式中-脈動(dòng)增大系數(shù)，其值按表72確定，-第段的脈動(dòng)影響系數(shù)，由表73定-第段的振型系數(shù)，出表74查得。風(fēng)載荷計(jì)算參看表7-1。表7-1 風(fēng)載荷計(jì)算段 m m N1103500.71.2531.02.4167416.7582103500.71.8011.252.41613325.599363500.71.9671.3352.5769943.718表7-2 脈動(dòng)放大系數(shù)102

42、04060801001.471.571.691.771.831.88200400600800100020002.042.2-2.362.452.532.804000500080001000020000300003.093.283.123.543.914.14注：1.表中q1為風(fēng)壓，對(duì)于B類地區(qū)，q1,q3,C類地區(qū)， q1-0.71q32.T1為第一自震周期。表7-3 脈動(dòng)影響系數(shù)粗糙度類別高度hit/m1020406080100A0.780.830.870.890.890.89B0.720.790.850.880.890.90C0.660.740.820.860.880.89注：hit為塔設(shè)

43、備第i計(jì)算段頂部截面至地面的高度，m表7-4 振型系數(shù)振系數(shù)相對(duì)高h(yuǎn)it/H度型1.00.80.60.10.020.020.010.20.070.060.052-2截面塔體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核1.塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力校核塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力發(fā)生在正常操作時(shí)的2-2截面上其中，則滿足要求2.塔體與裙座的穩(wěn)定校核 2-2截面 塔體的最大組合軸向壓應(yīng)力發(fā)生在停車的2-2截面上 其中： 由過程設(shè)備設(shè)計(jì)查得：B=170MPa, 故. 滿足要求 1-1截面 塔體1-1截面上的最大組合軸向壓應(yīng)力 其中： 由過程設(shè)備設(shè)計(jì)查得：B=106MPa, 故KB=127.2MPa. 產(chǎn)生自緊作用。螺栓

44、預(yù)緊力較小。雙錐密封構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工精度要求不太高，在溫度、壓力有波動(dòng)的場(chǎng)合密封可靠。雙錐密封適用于設(shè)計(jì)壓力6.435MPa、溫度0400、封口內(nèi)徑4002000mm的壓力容器。具體應(yīng)用舉例：用于直徑1300mm、壓力32MPa的合成塔，直徑達(dá)2800mm的繞帶容器，以及壓力200MPa、溫度小于300的超高壓容器上。- . .可修編. . z.第9章 結(jié)論畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的時(shí)機(jī)，通過這次比擬完整的尿素合成塔設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)根底知識(shí)，解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)*以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)