碳化塔设计说明书.doc

内蒙古工业大学
毕业设计说明书
(共 页)

系 别：化工学院
专 业：过控专业
姓 名：
指导教师：
完毕日期：2023年6月4日

前言

碳化塔是小型化肥厂碳化工段的重要设备，具有氮气、氢气和二氧化碳的变换气进入碳化塔后，二氧化碳与氨水反映生成碳酸氢氨并放出热量。碳化塔内除塔盘、汽液分布板、除沫装置与其他的塔设备相同的结构外，尚有使反映顺利进行的必需的冷却装置等结构。
本次设计的依据重要来自GB150-1998《钢制压力容器》、GB151-1999《钢制管壳式换热器》及国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》（1999），对重要受压元件诸如筒体、封头、管板等做了具体的强度校核，对于标准件没有强度计算，但均根据设计条件而选定。对于一些标准上没有给定计算公式的，采用了近似原理。
碳化塔中零部件能采用标准件的尽量采用标准件，对于一些非标准件均在安全可靠的基础上采用合理的结构、强度进行设计，并考虑工业的经济性。
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，在此向邬老师等表达衷心的感谢！
由于水平有限，且初次接触这样的课题，经验局限性，在设计中难免会有许多错误和局限性之处，恳请各位老师和同学指正，多提宝贵意见。

设计人：张峰

2023年6月

目录
设计任务及条件--------------------------------------------------------------------------
碳化塔结构简图--------------------------------------------------------------------------
第一章 概述-----------------------------------------------------------------------------
§1.1 工艺过程简介---------------------------------------------------------------
§1.2 碳化塔的工艺规定---------------------------------------------------------
§1.3 碳化塔设计综述------------------------------------------------------------
§1.4 碳化塔设计环节------------------------------------------------------------
第二章 碳化塔结构设计--------------------------------------------------------------
§2.1 塔体材料选择---------------------------------------------------------------
§2.2 筒体及封头尺寸的拟定---------------------------------------------------
§2.3 换热器结构设计------------------------------------------------------------
§2.4 换热器尺寸的拟定---------------------------------------------------------
§2.5 碳化塔冷排数的拟定------------------------------------------------------
§2.6 碳化塔内构件及附件设计------------------------------------------------
§2.7 碳化塔裙座设计------------------------------------------------------------
第三章 碳化塔强度校核--------------------------------------------------------------
§3.1 碳化塔各项质量计算------------------------------------------------------
§3.2 碳化塔塔体载荷校核计算------------------------------------------------
§3.3 裙座的强度计算及校核---------------------------------------------------
第四章 碳化塔的腐蚀防护-----------------------------------------------------------
参考文献总汇------------------------------------------------------------------------------

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
项目
管程
壳程
设计压力Mpa
0.3
0.8
设计温度℃
常温
36
工作介质
冷却水
变换气、碳化氨水
换热面积㎡
≧800㎡

管口表
符号
公称尺寸
连接尺寸标准
连接面形式
用途或名称
a
350
法兰350-10 JB/T81-94
凹面
气体入口
b
150
法兰150-10 JB/T81-94
平面
液体入口
cl～2
600

人孔
d
350
法兰350-10 JB/T81-94
凹面
气体出口
ei～n
40
法兰40-10 JB/T81-94
平面
自动液位计接口
Fi
20

测温器接口
hl～2
20
法兰20-10 JB/T81-94
平面
蒸汽接口
k
150
法兰150-10 JB/T81-94
平面
碳氨液出口
m
100
法兰100-10 JB/T81-94
平面
冷却水入口
n
100
法兰100-10 JB/T81-94
平面
冷却水出口
Rl～2
80
法兰80-10 JB/T81-94
平面
液位探头接口
设计规定：
1、 成设计计算书、设计说明书各一份。
2、 绘制施工图一套。
参考资料： 教研室主任 签字
系 主 任 签字
第一章 概述
1.1工艺过程简介
碳化塔是小型化肥厂碳化工段的重要设备，是合成碳酸氢氨的反映器，为Ⅱ类压力容器。
碳酸氢氨（NH4HCO3.amminium.bicarbonate），又称酸式碳酸氨，是中国氮肥的重要品种之一，20世纪80年代出产量约占中国氮肥总量的一半以上。
典型的生产碳酸氢氨小型氮肥厂以无烟煤为原料，先制取半水煤气，后经脱除硫化氢后，进入加压变换反映系统，得到的氮氢气和二氧化碳混合气体进入碳化塔，在此二氧化碳与浓度为17%左右的氨水反映，生成碳酸氢氨结晶经离心机分离，即得到碳酸氢氨产品。脱除二氧化碳的原料气，通过进一步脱除残余二氧化碳与一氧化碳后进入氨合成系统。
（见图1.1）

蒸汽 煤 空气
脱硫净化

造 气
造 气 脱 硫 净 化

压 缩
压 缩

氨 合 成
碳 化
变 换
变 换 碳 化 氨 合 成

氨
离 心 分 离
成品 离心分离 氨

母 液
母 液
图1.1脱碳法碳酸氢氨生产流程

1.2 碳化塔的工艺规定
碳化塔为碳化工段的重要设备,碳化塔内反映为浓氨水吸取二氧化碳同时生成碳酸氢氨并放出热量。重要反映过程如下：
NH3 + CO2 + H2 = NH4HCO3 + 热量
为使反映尽量向右进行，碳化塔内设立冷却装置，及时带走反映生成的热量。
碳化前进入碳化塔的变换气成分为：
H2 5%～53%
N2 16%～19%
CO2 26%～30%
CO 1.17%～2.0%
CH4 0.5%～1.5%
O2 <0.5%
碳化后,规定原料气中 含量小于3%，碳化后原料气万分为：
H2 65%～70%
N2 21%～24%
CO2 <0.3%
CO <3%
NH3 <0.1g/m3
CH4 0.5%～1.5%
O2 <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规定碳化塔设计重要分为两部分，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。
设计依据的标准为GB150-1998《钢制压力容器》和GB151-1999《钢制管壳式换热器》。
碳化塔的设计计算除和其他塔设备同样进行塔体、除沫器、接管、人孔、塔盘等设计外，在选型及设计计算等方面重要考虑以下几点：
1. 由碳酸氢氨的生产工艺决定了碳化塔内同时存在气、液、固三相，为了操作正常进行，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。
2. 为使反映尽量向右进行，碳化塔冷排应当有较高的传热效率。为此，冷排的换热管应当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，并且管板进行渗铝解决。
3. 碳化塔冷排采用U型管式结构，以消除温差应力的影响。
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解决。
5. 应保证碳化塔内汽、液充足接触，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，在塔内增长防腐涂层（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，冷排数可以适当增长，并在塔顶及塔底留有足够的空间。
8. 由于塔顶、塔底温度及液位有严格规定，因此在塔顶、塔底应设有温度计及液位计接口，并在全塔范围内适当布置温度计及液位计。

1.4 碳化塔设计环节
碳化塔的重要设计环节为：先进行塔体（筒体、封头）材料选择及厚度的计算，然后拟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：
C-----------------------------------------------------厚度附加量，mm
Di-------------------------------------------圆筒或球壳内直径，mm
Do------------------------------------------圆筒或球壳外直径，mm
Pc------------------------------------------------------计算压力，MPa
[Pw]---------------------圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa
δ------------------------------------圆筒或球壳的计算厚度，mm
δe-----------------------------------圆筒或球壳的有效厚度，mm
δn-----------------------------------圆筒或球壳的名义厚度，mm
[σ]t---------------------------设计温度下材料的许用压力，MPa
σt--------------------设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa
φ----------------------------焊缝系数，局部无损探伤，φ=0.85
C1-----------------------------------------------------------厚度附偏差
C2--------------------------------------------------------------腐蚀裕量
冷却管组部分：
a---------------------------------------------一根换热管管壁金属的横截面积
DG-------------------------------------------------------------------------垫片压紧力作用中心圆直径
d-----------------------------------------------------------------------换热管外径
l---------------------------------换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm
At--------------------管板布管区面积，三角形At = 1.732ns2 + Ad
S--------------------------------------------------------------换热管中心距,mm
Sn------------------------------------------------隔板槽相邻两管中心距,mm
nˊ-----------------------------------------------------隔板槽一侧的排管根数
n-----------------------------------------------------------------------U形管根数
Do--------------------------------------------------管板布管区当量直径,mm
Ps-----------------------------------------------------------壳程设计压力,MPa
Pt-----------------------------------------------------------管程设计压力,MPa
δe---------------------------------------------------------圆筒有效厚度, mm
δeH--------------------------------------------------------封头有效厚度, mm
δes---------------------------------------------------------裙座有效厚度, mm
σs-----------------------------------------室温下壳体材料的屈服点，MPa
[σ]t---------------------------------------------设计温度下壳体材料的许用应力，MPa
[σ]ts-----------------------------设计温度下裙座材料的许用应力，MPa
管板部分：
At-------------------------- 管板布管区面积，三角形At = 1.732ns2 + Ad
Ad-----布管区范围内，因设立隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管
支撑的面积, mm2
对于双管程管板，对于三角形排列，Ad= nˊS(Sn －0.866S)
Dt----------------------------------------------------------管板布管区当量直径,mm
Pt-------------------布管区当量直径Dt与直径2R之比,R=Di／2
bf----------------------------------------------------------------------法兰宽度,
δfˊ------------------------------------------------------------ 壳体法兰厚度
D-------------------------------------------------- 管板开孔前的抗弯刚度,
Ep----------------------------------管板材料的弹性模量(Q235-A) ,MPa
Ep=2.1×105 MPa
ν----------------------------------------------------------管板材料泊松比
Kfˊ=2.1×105 MPa --------------------------壳程圆筒与法兰的旋转刚度参数, MPa
E fˊ-----------------------对于f型连接方式，指E fˊ=2.1×105 MPa
wˊ---------------------------------------系数，按δs/Di和δf/Di查图26
δs-------------------------------------------------------------壳程圆筒厚度
Es-----------对于f型，指壳程圆筒材料的弹性模量,Es=2.1×105 MPa
Kfˊˊ----------------------管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数, MPa
E fˊˊ-------对f型，按管板材料Q235-A, E fˊˊ=2.1×105 MPa
Eh------------------------------对f型，管箱圆筒材料Eh=2.1×105 MPa
wˊˊ----------------------------------系数，按δs/Di和δf/Di，查图26
δh-----------------------------------------------------------------管箱圆筒厚度
Kf--------------------------------------------------管板边沿旋转刚度参数
Kf-----------------------------------------------------旋转刚度无量纲参数
Kf0--------------------无量纲参数，对f型,
εR---------------------------------------管板边沿法兰力矩折减系数
εT-------------------需要的螺栓总截面积，取 与 之大
Am-------------------预紧状态下，需要的最小螺栓总截面积
Aa------------------------操作状态下，需要的螺栓总截面积
Ap--------------------------------预紧状态下，需要的最小螺栓载荷
b--------------------------------------垫片有效密封宽度，按表9-1拟定
y-----------------------------------------------------垫片比压力
m------------------------------------------------------------垫片系数
[δ]b----------------常温下螺栓材料的许用应力,
Ap----------------------------操作状态下需要的最小螺栓面积
Wp------------------------------操作状态下需要的最小螺栓载荷
LG--------------------------螺栓中心至作用位置处的径向距离
FD-------------作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力
FT----------------流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上
的流体压力引起的轴向力之差
F----------------------------------------------流体压力引起的总轴向力
FG----------------------------------------------窄面法兰垫片压紧力
Ab-------------------------------实际螺栓面积应不小于需要的螺栓面积
LD--------------------------------------螺栓中心至法兰环内侧的径向距离
LT----------------------------------------螺栓中心至作用位置的径向距离

本章概述
本章为碳化塔的结构设计计算说明。本章一方面介绍了碳化塔塔体材料的选择及尺寸的拟定，然后对碳化塔冷排和管板的结构设计进行具体的计算及说明，最后是塔内其余构件及附件的设计说明。本章对非标准件给出了设计计算过程，对标准件给出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
工作压力： 0.8MPa 工作温度： 36℃
工作介质： 氨水，变换气
塔体内径： 3000mm
塔高： 〈16000mm
2.1.2 塔体材料的选择
根据碳化塔的使用工艺条件，考虑工作压力为0.8MPa，常温及工作介质的毒性腐蚀性、材料的焊接性能、冷热加工性能及容器的结构，综合考虑容器的制造工艺及经济性能，筒体、封头的材料选用16MnR。在筒体及封头内采用防腐涂层。并采用电化学防腐。
16MnR热轧状态下平均含碳量为0.16%，含锰量小于1.5%，其性能特性如下表（1）：
表（1）
材料
钢板标准
使用状态
厚度
常用强度指标
δb δs
20——130
许用应力
16MnR
GB6654
热轧正火
〉16—36
490 325
163

2.2 筒体及封头厚度的拟定
2.2.1 筒体厚度的拟定
1、 各参数的拟定
1） 工作压力 工作压力是指在正常工作条件下，容器顶部也许达成的最高压力
PI =0.8MPa
2）设计压力 设计压力是指设定容器顶部的最高压力p=0.9MPa
3）计算压力 在相应的设计温度下，用以拟定元件厚度的压力。其中涉及液柱静压力，当元件承受静压小于5%设计压力时，可忽略不计，取
Pc=P=0.98MPa
4）设计温度 t=36℃
5）焊缝系数 Φ=0.85 局部无损检测
2、 计算筒体壁厚
δ=PcDi/(2[σ]tφ-Pc) (2-1)
公式合用范围 Pc≤ 0.4[σ]tΦ
0.4[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。
据GB150-1998，当纵向排孔与对角向排孔同时存在时，由其中的图8-8拟定排孔削弱系数。由设计规定取 S1=1460mm
（S1的选取是按筒体内构件的设计后，选取具体数值而累加起来的）
按比例绘制草图，排列换热器，则有
S2=30.32°/180×3.14×1460=772.44 mm
S3=[(S1/2)²+S2²]¼=1062.81 mm
即 S3/S2=0.727 V1=(S1-d)/S1 = 0.596
查[1]图8-8得 V2 =0.476
以 V2 代替Φ ，即
δ=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 1= 0 C2=2mm 所以σd =23.07+2=25.07mm
圆整后取名义厚度 σn=26mm
则有效厚度 σe=26-2=24mm
3、 设计温度下圆筒的计算应力
σt=Pc(Di+δe)/2δe =0.98(3000+24)/2×24= 73.99 Mp
即σt〈 [σt]=163MPa
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) =1.83 Mp > 0.8Mp
满足规定
4、 水压实验
1） 液压实验
对于内压容器，实验压力
РT=1.25Р[σ]/[σ]t=1.25×0.8×163/163=1MP
根据实验时圆筒的薄膜应力
σT=РT（Di+δe）/2δe=1×（3000+24）/2×24 = 63 MP
即 0.9×Φσs=0.9×325=292.5 › 63 ，合格
2） 气压实验
PT=1.15P[σ]/[σ]t = 1.15×0.98×1=1.127 Mp
校验实验时圆筒的薄膜应力 σT
σT=1.127×(3000+24)/2×24 =85.09 Mp
0.8φσs=0.8×0.85×325 =221 Mp
即 σT < 0.8φσs ，合格
2.2.2 封头厚度及尺寸的拟定
塔体封头采用标准椭圆封头,封头材料选用与筒体同样, 16MnR

1、 封头厚度的拟定
1） 标准椭圆封头计算厚度按下式计算：
δ=PcDi/2[σ]tφ-0.5Pc
受内压：δ=0.98×3000/(2×163×0.85-0.5×0.98)= 10.63 mm
即 δd=δ+C1+C2 =12.63 mm
考虑到整体补强，取封头的厚度与筒体厚度一致，即
δn=26 mm ，δe=26-2= 24 mm
2） 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)=1.84 Mp > 0.8 Mp
压力实验前，应校核椭圆形封头的应力
液压实验
σT =PT(Di+0.5δe)/2δe
=1.225×(3000+0.5×24)/2×24=92.18 Mp < 0.9σsφ=248.63MP
气压实验
σT=1.127×(3000+0.5×24)/2×24=84.81 Mp < 0.8σsφ=221Mp
2、 封头尺寸拟定如下表
表（2）
公称直径
曲边高度
直边高度
内表面积
容积
重量
3000
750
50
10.2271
3.8877
1780

2.3 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拟定
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
表2.3

材 料

钢板标准

使用
厚度
（mm）
常用强度
σb（Mpa）
指标
σs（Mpa）
20—100℃
许用应Mpa
Q235-A
GB3274
热 扎
4.5—16
375
235
113

根据换热面积 F~600m2的规定及塔高的限制，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、管箱厚度及长度的拟定
1） δ=PcDi/(2[σ]tφ-Pc)=0.3×500/(2×113×0.85-0.3)=0.73mm
由GB151-1999 P19 知DN为400~≤700 的碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度为 8mm故初选 סn=8mm 。
2） 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 ，则初步拟定此最小内侧深度为 330mm 。
3） 筒体外伸短节厚度拟定
冷排公称直径DN=500MM 。据工艺规定，材料选用同管箱为Q235-A。
外伸短节厚度计算：
δ= PcDi/(2[σ]tφ-Pc)=0.8×500/(2×163×0.85-0.8)=2.3 mm
由最小壁厚 סmin=8mm 及综合考虑整体补强，取 סn=18mm
2.3.2 冷却管组封头尺寸的拟定
根据工艺规定，选用无择边球冠形封头，材料选用Q235-A，采用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。
1、 计算球冠形封头厚度
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)=3.17 mm
取δd=3.17+2+0.8=5.97 mm
取δn=8 mm 与管箱厚度一致。
2、 由[3]查得管箱封头尺寸如下表：
表（4）
内径
Dg=（mm）
FH
（mm）
壁厚
ס（mm）
焊缝间隙
a（mm）
重量
G（Kg）
容积
V（L）
内弦高
h（mm）
500
0.254
8
2
16.2
9.5
71.5

2.3.3 换热器管子材料的选择及尺寸拟定
1、 选材
根其余管选用LF3 ，传热系数好，且质量低，其机械性能如下表：
表（5）
类别
牌号
供应状态及代号
规格
σb公斤/毫2
ס（%）
防锈铝
LF3
退火（M）
Ф32×2.5
18
15

2、 尺寸拟定
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，合用于壳程介质清洁，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 管板厚度的拟定
1、 根据工艺条件及使用条件，选取管板兼作法兰的形式。
2、 管板材料选用Q235-A，其性能见表（3）
3、 管板厚度的计算，参照GB151-1999 P32 ，采用多次试算法。
a) 拟定壳程圆筒、管箱圆筒、壳体法兰、换热管等元件结构尺寸及布管方式
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,Pt
管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间以f型方式连接。
Ad=n`S（Sn-0.866S）
At=1.732nS²+Ad Ad—在布管区范围内，因设立隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，mm²
At-管板布管区面积，mm² S—换热管中心距，mm
Sn—隔板槽俩侧相邻管中心距，mm
n`—沿隔板槽一侧的排管根数
Ad=8×50×（130-0.866×50）=34680 At=1.732×26×50²+34680=147260mm²
c) 假设管板计算厚度
假设管板计算厚度δ=40mm
则
d) 计算管板抗弯刚度D和各项旋转刚度系数：
D=Epδ³/12（1-v²）
D—管板开孔前的抗弯刚度，N.mm
Ep—管板材料的弹性模量，MP v—