合成氨液氨脱硫基础工艺设计.doc

郑州大学
化工和能源学院

专业 化学工程和工艺 班级 4班
姓名 张晓丹 学号 0380429
题目 年产14万吨合成氨脱硫工艺设计
指导老师 万亚珍 职称 教授
李亦帆 职称 博士

系主任 侯翠红 职称 教授

1 月 24 日

目录
1.设计任务书 2
1.1设计要求 2
1.2设计依据 2
2.工艺设计条件 3
3.工艺步骤叙述 4
3.1概述 4
3.2生产步骤简述 4
3.2.1原理 4
3.2.2工艺步骤简图 6
4.关键工艺指标 6
4.1设计方案确实定 6
4.2物料衡算 7
4.2.1吸收塔物料衡算 7
4.2.2各流股物料衡算 8
4.3热量衡算 9
5.工艺设计 9
5.1 基础物性数据 9
5.2 吸收塔设计 10
5.2.1 塔径计算 10
5.2.2 塔径校核 12
5.2.3 填料层高度及分段 12
52.4 填料塔压降计算 16
5.2.5 填料支撑板 17
5.3喷射氧化再生槽计算 18
5.3.1 槽体计算 18
5.3.2 扩大部分直径 18
5.3.3 再生槽高度 18
5.3.4 喷射器计算 19
5.4 冷却塔设计 22
5.4.1 冷却塔计算 22
5.4.2 冷却塔校核 24
5.4.3 分布器设计 34
5.4.4 丝网除沫器设计 37
5.4.4冷却塔选管 39
5.4.5塔底防涡器设计 40
6.设计感悟 41

1.设计任务书
1.1设计要求
设计年产14万吨合成氨脱硫工艺，半水煤气含硫4.8g/Nm3, 脱硫方法用氨水液相催化法，填料塔脱硫；富液再生采取喷射氧化再生槽。
1.2设计依据
1) 《化工工艺设计手册（第四版）》（上、下册）
2) 《小合成氨厂工艺技术和设计手册》（上、下册）
3) 陈声宗等主编，化学工业出版社出版《化工设计》第三版教材
4) 《填料手册（第二版）》
5) 《化工设备设计全书（塔设备分册）》
6) 《塔填料产品及技术手册》
7) 《小合成氨厂工艺技术和设计手册》（上、下册）
8) 《给水排水设计手册》
9) 《化工设备设计手册》（上、下卷）
10) 《化学化工物性数据手册（无机卷、有机卷）》
11) 《现代塔器技术》（第二版）
12) 《小氮肥厂工艺设计手册》
13) 李登松.脱硫填料吸收塔工艺设计研究[J].化工装备技术,,34(6):41-45.
14) 徐组根.冷却塔设计[J].河南化工，1999,8:31-34.
15) 曾国安.冷却塔设计计算[J].机电产品开发和创新,,22(4):76-78.
16) 董谊仁，过健.填料塔排管式液体分布器研究和设计[J].化学工程，1990,18（3）：28-35.
17) 董谊仁，裘俊红，陈国家标准等.填料塔液体分布器设计[J].化工生产和技术，1998,18：1-6.
18) 张硕德.防涡流器设计[J].化工设备设计，1983,18（23）：42-43.
19) 白二川.半水煤气直冷塔计算和设计[J].化肥设计，,48（2）：11-15.
20) 杨怀林.水冷却塔设计[J].特钢技术，,15（58）：53-54.

2.工艺设计条件
设计能力：14万吨合成氨/年
半水煤气中硫含量：4.8g/Nm3
年工作日：310天
半水煤气消耗定额：3200 Nm3/ 吨氨
半水煤气组成（干基）：

表1 半水煤气组成表
组成
H2
N2
CO
CO2
O2
CH4
累计
体积（%）
42
19
26
11
0.7
1.3
100

半水煤气压力：压缩机出口压力4800 mmH2O柱
气体温度：36℃
溶液温度：32℃
贫液组成：
总氨含量：1.0M 碳化度R=C/A=0.63 总硫化氢：20.0g/m3
硫容： 0.17kg/Nm3 比重：1034kg/m3
脱硫后半水煤气含硫： 0.1 g/Nm3
富液组成：
总氨含量：1.0M 碳化度R=C/A=0.65 总硫化氢：240.0g/m3
比重：1034kg/m3
再生过程：采取喷射氧化再生槽
喷射器入口压力：4atm(表压)
液温：30℃
吹风强度：100m3/ m3

3.工艺步骤叙述
3.1概述
因为生产合成氨多种燃料中含有一定量硫，所以所制备出合成氨原料气中，全部含有硫化物。其中大部分是无机硫化物硫化氢（H2S），其次还有少许有机硫化物，如硫氧化碳（COS）、二硫化碳（CS2）、硫醇（RSH）、噻吩（C4H4S）等。原料气中硫化物，对合成氨生产危害很大，不仅腐蚀设备和管道，而且能使合成氨生产过程所用催化剂中毒。
脱硫方法有很多，按脱硫剂物理形态可分为干法和湿法两大类，前者所用脱硫剂为固体，后者为溶液。当含硫气体经过这些脱硫剂时，硫化物被固体脱硫剂所吸附，或被脱硫溶液所吸收而除去。

3.2生产步骤简述
3.2.1原理
脱硫反应 氨水对苯二酚氧化法也称为氨水液相催化法，是用含有少许对苯二酚（载氧体）稀氨水溶液，脱除原料气中硫化氢氨溶于水，大部分和水结合为一水合氨NH3·H2O，并部分电离成NH4+和OH-，所以氨水显弱碱性。氨水和含硫化氢原料气接触时，发生以下中和反应：
NH4++OH-+H2S→NH4HS+H2O +Q
该反应为放热反应，但因气体中硫化氢含量较少，放热量不大，溶液吸收硫化氢后温升很小。当溶液pH值小于12时，被吸收硫化氢关键以HS-形式存在，S2-可忽略不计，所以用稀氨水脱硫时，只生成NH4HS。
当原料气中含有二氧化碳及氰化氢时，也被氨水吸收，其反应以下：
NH4++OH-+CO2→NH4HCO3
2NH4++2OH-+CO2→(NH4)2CO3+H2O
NH4++OH-+HCN→NH4CN+H2O
即使稀氨水能同时吸收硫化氢和二氧化碳，但在气液两相接触面积很大、接触时间很短条件下，氨水吸收硫化氢速度比吸收二氧化碳速度大80倍左右，含有良好选择性。依据这一特点，在脱硫过程中增大气液接触面积，缩短接触时间，既能有效脱除硫化氢，又能降低气体中二氧化碳损失。
再生反应 再生塔内，对苯二酚在碱性溶液中被空气氧化为苯醌：

脱硫过程生成硫氢化铵，在苯醌作用下氧化为单质硫：

再生过程总反应可用下式表示：

生成单质硫，呈泡沫状态浮于液面，使溶液取得再生。
同时，有以下副反应发生：

3.2.2工艺步骤简图

图1 脱硫工段工艺步骤简图
原料气从吸收塔下部进入，和塔顶喷淋脱硫液逆流接触，半水煤气中H2S被脱硫液吸收后从塔顶引出，经气液分离器分离出夹带液滴后送往下段工序。
吸收了硫化氢富液从吸收塔底排出，经液封、富液槽、富液泵经过溶液加热器加热(夏季则为冷却)后送往喷射器；从喷射器尾部出来两相液体由再生槽下部上升，完成和再生塔相同浮选过程，再生槽上部溢流出硫泡沫经硫泡沫分离槽放入熔融釜熔硫。硫磺放入硫磺铸模冷却后即成硫锭。由再生槽贫液出口处引出贫液经液位调整器、贫液泵送回脱硫塔循环使用。

4.关键工艺指标
4.1设计方案确实定
吸收塔工艺设计方案关键包含吸收剂、吸收步骤、解吸方法、设备类型和操作参数选择等内容。
对于吸收操作，选择适宜吸收剂，含有十分关键意义。吸收剂好坏对吸收操作经济性有着十分关键影响。通常情况下，选择吸收剂要着重考虑以下问题：
1) 对溶质溶解度大；
2) 对溶质有较高选择性；
3) 不易挥发；
4) 再生性能好；

4.2物料衡算
氨水液相中和法脱硫为化学吸收过程，低浓度吸收，近似满足恒摩尔流假定，即假定在吸收过程中，液相流量L和气相流量G不变，液相中氨含量为常量，且吸收过程是等温，传质系数为常量，物料衡算过程以下：

4.2.1吸收塔物料衡算
（1）水煤气进（出）塔流量V0，Nm3 /h
V0=14×104×3200/（310×24） 60215.05Nm3/h
（2）H2S脱除量，G1 ，kg/h
G1=60215.05×（4.8-0.1）/1000=283.01kg/h
（3）溶液循环量LT，m3/h

式中 S─溶液硫容量，kg/m3,S取(0.24-0.02)=0.22kg(H2S)/m3
LT=283.01/0.22=1286.41m3/h
（4）理论所需空气量
氧化1kgH2S所需空气量
V1=1/43×0.5×22.4×1/0.21=1.57Nm3/h
理论所需空气量
V2=283.01/1.57=180.26Nm3/（h·m3）
设计条件所给吹风强度为100Nm3/（m3· h），计算所需最小吹风轻度为180.26 Nm3/（m3·h）,故应使用两台设备。
（5）理论硫回收量，G2，kg/h
G2=60215.05×(4.8-0.1)/1000×32/34=266.36kg/h
（6）理论硫回收率φ
φ=（4.8-0.1）/4.8×100%=97.9%
（7）硫泡沫生产量，G3，m3/h
G3=G2/S0
式中 S0 ── 硫泡沫中硫含量，kg/m3,此处取S0=30kg/m3
G3=266.36/30=8.88m3/h
表2 物料衡算表（以小时计）
入（出）脱硫塔气体流量
60215.05Nm3
再生理论所需空气量
180.26 Nm3
H2S脱除量
283.01Kg
硫磺理论产量
266.36Kg
脱硫液循环量
1286.41m3
硫泡沫生成量
8.88 m3

4.2.2各流股物料衡算
在吸收塔内，原料气中H2S和CO2和氨水发生中和反应，被吸收，所以净化气中含量相对降低。液相中对苯二酚为氧化再生时催化剂，假定整个过程中含量不变。进、出吸收塔各流股组分、含量以下：
表3 原料气
气体
H2
N2
C0
O2
CO2
CH4
H2S
体积分数%
41.87
18.94
25.92
0.70
10.96
1.30
0.31

表4 净化气
气体
H2
N2
C0
O2
CO2
CH4
H2S
体积分数%
42.42
19.19
26.26
0.70
10.14
1.31
0

表5 贫液
组分
总氮含量
碳化度
总H2S含量
对苯二酚
含量
1mol/L
0.63
20g/m3
0.25g/L

表6 富液
组分
总氮含量
碳化度
总H2S含量
对苯二酚
含量
1mol/L
0.65
240g/m3
0.25g/L

4.3热量衡算
（1）冷却塔热负荷Q，KJ/h（忽略冷却过程中水汽焓变）
Q1=G0×Cp×(t1-t2)
式中，G0—入冷却塔半水煤气含量，Kmol/h
Cp—半水煤气平均等压比热容，KJ/(Kmol·K)
计算结果Cp=30.44 KJ/(Kmol·K)
t1，t2为进、出冷却塔半水煤气温度，取t1=80℃，t2=36℃
Q1=60215.05/22.4×30.4555554×（80-36）=3.6×106KJ/h

（2）冷却水消耗量，W，Kg/h
W=Q/(Cp`×Δt)
式中，Δt—冷却水温升，℃，此处取Δt=6℃
Cp`—水比热容，取Cp`=4.178KJ/(Kg·K)
W=3.6×106/(4.178×6)=143.6×103 Kg/h

5.工艺设计
5.1 基础物性数据
（1）液相物性数据
对低浓度吸收过程，溶液物性数据可近似取纯水物性数据。由手册查得，32℃时溶液相关物性数据以下：
密度为ρL=1034 kg/m3
黏度为 μL=0.6828mPa.s=2.46 kg/(m.h)；Ψ=993/1034=0.96
表面张力为σL=69.94×10-3N/m
由手册查得，15℃时H2S在水中扩散系数D0=1.77×10-9 m2/s，黏度μ0=1.2 mPa.s，故可得32℃时H2S在水中扩散系数
DL=D0×T/T0×μ0/μL=1.77×10-9×（32+273.15）/（15+27315）×（1.2/0.6828）=3.3×10-9m2/s=1.188×10-5m2/h
液相质量流量：
LS=LT×ρL=1286.41×1034=1330148kg/h
（2）气相物性数据
混合气体平均摩尔质量为
MV=∑yiMi=(28×19%)+(44×11%)+(28×26%)+(2×42%)+(32×0.7%)+（16×1.3%）=18.71kg/kmol
混合气体平均密度为
ρG=PMV/(TR)=15.13/10.33×101.325×103×18.71/[(273.15+36)×8.314]=1.08kg/m3
混合气体粘度可近似取为空气黏度，查手册36℃空气黏度为
μG=0.0186mPa.s=0.06696 kg/(m.h)
由手册查得，10.33mmH2O、0℃时H2S在空气中扩散系D0=0.198×10-4 m2/s，故可得32℃时H2S在水中扩散系数
DG=D0×(T/T0)1.81×P0/P=0.198×10-4×[(36+273.15)/273.15]1.81×（10.33/15.13）=1.69×10-5m2/s=0.061m2/h
气相质量流量：
G =V0×T/T0×P0/P×ρG=60215.05×(36+273.15)/273.15×10.33/15.13×1.08=50252.6kg/h

5.2 吸收塔设计
5.2.1 塔径计算
采取Eckert通用关联图计算泛点气速，塔底混合气相质量流量为：
V=50252.6kg/h，液相质量流量Ls=1330148kg/h
XF=(Ls/V)×(ρG/ρL)0.5=(1330148/50252.6) ×(1.08/1034) 0.5=0.8554
查《塔填料产品及技术手册》，阶梯环填料气相流动阻力小，生产能力高，故选择Φ50×25×15乱堆聚丙烯阶梯环填料。查得泛点填料因子φf=127 m-1，比表面积αt=114.2m2/m3。

图2 填料塔液泛、压力降通用关联图
从上图查得：XF=0.8554垂线和散堆填料液泛总线相交可读出YF=0.025
橫坐标：
纵坐标：
各物理量意义以下：
V、L―气体和液体质量流速kg/h；
μG、μL―气体和液体密度kg/m3;
φ―填料因子m-1；

泛点气速

实际泛点气速u=(0.5~0.8)uF，此处取
由此可得塔径
D=
圆整塔径，取D=3.8m
5.2.2 塔径校核
（1）泛点率校核：

（2）填料规格校核：

（3）液体喷淋密度校核：
取最小润湿速率为

查填料手册得

经以上校核可知，填料塔直径选择D=3800mm合理。
5.2.3 填料层高度及分段
5.2.3.1传质单元高度计算
气相总传质单元高度采取修正恩田关联式计算：

查表得
σG=427680kg/h2 σL=940896kg/h2
液体质量通量为

气膜吸收系数由下式计算：

气体质量通量为

液膜吸收系数由下式计算：
由，查表得，
则

由 ，得

对H2S-氨水体系，溶解度系数为H=0.0670kmol/(KPa·m3)

5.2.3.2传质单元数计算
传质单元数计算采取对数平均推进力法，假定全塔操作压力不变，为15.13mH2O，计算以下：
气相进口H2S摩尔分数y1

气相进口H2S分压，P1，Pa

气相出口H2S摩尔分数y2

气相出口H2S分压，P2，Pa

在低浓度化学吸收过程中，经试差衡算H2S相平衡方程可近似采取P(H2S)=H×C(H2S)，其中H=14.93KPa/(mol/L)
出口富液H2S摩尔浓度，C1，mol/L

进口贫液H2S摩尔浓度，C2，mol/L

塔底H2S平衡分压，P1*，Pa

塔底H2S平衡分压，P2*，Pa

压强对数平均推进力，ΔPm，Pa

传质单元数，NOG

5.2.3.3填料层高度计算及分段
理论计算高度，Z，m

填料层设计高度通常为Z*=（1.2~1.5）Z，所以，取填料层设计高度Z*=1.5Z。

表7 散装填料分段高度推荐值
填料类型
拉西环
矩鞍
鲍尔环
阶梯环
环矩鞍
h/D
2.5
5～8
5～10
8～15
8～15
hmax/m
≤4
≤6
≤6
≤6
≤6
对于阶梯环填料，,
取则
分段高度
h=8×3800=30400mm
计算得填料层高度为3360mm，故不需分段。

5.2.4 填料塔压降计算
采取Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为

纵坐标为 (φp=89)

图2 埃克特通用关联图
图中，、—分别为气液相流率,kg/h
、——分别为气液相密度，kg/m3
—液相粘度，mPa.S
—液相密度校正系数，=
—试验测取填料因子，对聚丙烯阶梯环，=143m-1
g—重力加速度，m/s2，g=9.81 m/s2
由（XF,YF）可查对应△P/Z=250Pa/m
填料层压降为△P=250×3.36=840Pa

5.2.5 填料支撑板
栅板是应用比较普遍一个散堆填料支撑件，它结构简单，自由截面积大，造价比梁形气体喷射式填料支撑板低。
参考《化工设备设计手册》（塔设备）相关支撑板选择，对于塔径DN＞800mm填料塔，栅板为分块式，以下：

图3 分块式栅板
分块栅板Ⅰ和Ⅱ宽度l1l均应小于等于400mm，栅板条和边圈、连接板采取焊接，焊后必需确保栅板平整度。栅板选择Q235-A材质。

5.3喷射氧化再生槽计算
5.3.1 槽体计算
以前面能够看出，需要用两个喷射氧化再生槽并联，故GA=1286.41/2=643.2 m3/h
再生槽体直径D1，m

式中，A1—吹风强度，m3/(h·m2)，通常取值为60~120 m3/(h·m2)，本设计取值为A1=100 m3/(h·m2)；
D1—槽体直径，m；
GA—空气量，m3/h;

式中，LT—溶液循环量，m3/h，依据装置实际情况而定，本设计中为1286.41m3/h；
Ci—喷射器抽吸气液比，m3/m3，通常取值范围为2.6~3.3，本设计取值为2.8；
故，

圆整槽体直径D1=4.8m

5.3.2 扩大部分直径
取扩大部分直径D2=0.9+D1=0.7+4.8=5.5m

5.3.3 再生槽高度
（1）再生槽有效高度，H1，m

式中，t—溶液在再生槽内停留时间，s，工程上通常取为8~10min，本设计取为t=8min

（2）喷射器出口至槽底距离，H2，m
依据实际设计经验，H2取值为1m;
（3）扩大部分高度，H3，m
依据经验，H3取值为38m；
（4）再生槽总高度，HT，m
HT=H1+H2+H3=4.7+1+3.8=9.5m
喷射氧化再生槽结构示意图以下，

图4 喷射再生槽
1—喷液出口；2—富液出口；3—硫泡沫出口；4—放空口

5.3.4 喷射器计算
5.3.4.1喷嘴计算
（1）喷嘴个数，n个
n=LT/Li
式中，Li—每个喷射器溶液量，m3/h，设计取为40m3/h；
n=1286.41/2/40=16 取n=16个
（2）喷嘴孔径，di，m

式中，wi—喷嘴处溶液流速，m/s，通常情况下wi=18~25m/s，此处取wi=20m/s

（3）溶液入口管直径，dL，m
dL=3di=3×0.027=0.080m 取φ89×4 管
（4）喷嘴入口收缩段长度，L5，m

式中，α1—喷嘴入口收缩角，取α1=14°

（5）喷嘴喉管长度，L6，m
取L6=3mm
（6）喷嘴总长度，L7，m
L7=L5+L6=0.033+0.003=0.036m
5.3.4.2混合管计算
（1）混合管直径，dm，m

式中，m—喷射器形状系数，取m=8.5
取φ89×4 管
（2）混合管长度，L3，m
L3=25dm=25×0.079=1.957m 取3.2m
5.3.4.3吸气室计算
（1）空气入口管直径，d0，mm

式中，w0—管内空气流速，m/s，取w0=3.5m/s；
取φ133×6 管
（2）吸气室直径，dM，mm
取φ219×4 管
（3）吸气室高度，L1，m
取L1=330mm
（4）吸气室收缩管长度，L2，mm

式中，α2—吸气室收缩角，取α2=30°

5.3.4.4尾管直径计算
尾管直径，de，mm

式中，we—尾管中流体速度，m/s，取we=1m/s
取φ133×4 管
5.3.4.5扩散管长度计算
扩散管长度，L4，mm

式中，α3—扩散角，取α3=7°

喷射再生器结构示意图以下，

图5 喷射器
1—喷嘴；2—吸气室；3—收缩管；4—混合管；5—扩散管；6—尾管

5.4 冷却塔设计
5.4.1 冷却塔计算
（1）已知条件：
塔处理气量：G0=60215.05Nm3/h
气体进入温度：T1=80℃
气体出口温度：T2=36℃
进塔水温度：T3=28℃
出塔水温度：T4=34℃
（2）塔径计算
气体在工况条件下体积流量：
G=60215.05×（273.15+36）/273.15×10.33/(10.33+4.8)=47567m3/h
塔径

圆整，取Φ3000mm
（3）塔高计算
喷淋密度：

参考生产厂实际运行数据，以下
空塔气速：w=1.35m/s
喷淋密度：L0=17.6m3/(m2·h)
对数平均温度：Δtm=16.2℃
冷却塔容积传质系数为K0=2500KJ/(m3·h·℃)

因喷淋密度改变修正K值：

对数平均温度：

塔高计算

5.4.2 冷却塔校核
5.4.2.1设计依据
设计压力：Pc=0.1474MPa
工作温度：80℃
塔内径：Di=3000mm
塔高：H=12.6m
5.4.2.2材料选择
依据容器受力及结构特点，参摄影关标准，确定筒体、封头、加强板等关键受力元件材料选择16MnR，其它非受力件材质选择Q235A，法兰、人孔盖等受力件选择16MnR锻件（Ⅱ）
5.4.2.3塔体设计
(1)塔体壁厚计算
依据所选材质16MnR，查得查得在0℃~100℃范围内许用应力, 焊缝采取双面对接焊，局部无损探伤，接头系数取
计算厚度

不包含腐蚀裕量最小壁厚

因为δmin＞δ，故计算厚度δ=6mm
若腐蚀裕度取C2=4mm,钢材轧制负偏差C1=0.8mm
设计壁厚

考虑到此塔高径比较大，风载荷较大，故应合适增加壁厚，取塔体名义厚度δn=15mm
塔体有效厚度

5.4.2.4封头设计
依据所选材质和相关标准要求，选择标准椭圆封头，应力增强系数k=1，采取整块钢板冲压而成，焊接接头系数
封头厚度：

为便于焊接，取封头和塔体等厚，即设计厚度δn=15mm，有效厚度δe=10.2mm。
查《化工设备设计基础》容器及封头标准，依据以上计算所选标准椭圆封头基础参数以下：

表7 标准椭圆封头参数表
公称直径
DN/mm
曲面高度
h1/mm
直边高度
h2/mm
厚度
S/mm
内表面积
F/m2
容积
V/m3
质量
G/kg
3000
750
40
16
10.1
3.82
1280

图6 标准椭圆封头

考虑封头直边高度，裙座等其它塔附件高度，取塔高H=1500mm

5.4.2.5质量载荷
塔体质量，按假定壁厚及各自高度计算得：

塔内圆筒部分长12.6m，每个封头容积为3.82m3，封头曲面高度及直边高度分别为750mm和40mm。封头质量
液压试验时，塔内充水质量为：

塔设备最小质量由下式计算：

考虑到操作平台、扶梯、塔盘、分布器、人孔、接管、法兰等附件质量，塔体质量取m=11kg

5.4.2.6风载荷计算
两相邻计算截面间水平压力为

式中 —水平风力，N
—10m处基础基础风压值，查表郑州取350N/m
—第i段计算长度，mm
—风压高度改变系数
—体型系数
—塔设备各计算段有效直径，mm
—风振系数
查《化工设备基础》，取k1=0.7， l0=800mm,l1=700mm,由表17-3风压高度改变系数，查得，f0=f1=0.80
由式（17-15）计算该塔自振周期为：

查表17-4脉动增大系数，得=2.56；由表17-5脉动影响系数，得由表17-6振型系数，得
风振系数K2i：
求得，K20= 1.10,k21 = 2.50
为简化计算且偏安全计，取De0=De1=3500mm
塔体各段风力计算以下：
0～800mm段
800～1500mm段
将上述结果代入式
可分别计算出底部（0-0）截面，裙座和塔体连接（1-1）截面风弯矩，计算结果以下：

5.4.2.7塔体强度及轴向稳定性验算
（1）圆筒轴向应力计算
介质压力引发轴向应力按下式计算：

操作时重力引发轴向应力计算得：

弯矩引发轴向应力计算得：

（2）圆筒轴向稳定性校核
计算系数A：

由图11-5查得B=88MPa,已知=113MPa,所以
按下式校核：
=11.43+0.0225=11.45MPa<
（3）圆筒拉应力校核
对内压情况校核：

而 ，
故<
（4）塔体液压试验时应力校核
由试验压力引发环向应力，按下式计算

式中，PT为试验压力，按

取液柱静压力为，代入数据，计算得：

由试验压力引发轴向应力，按下式计算：

由液压试验时重力引发轴向应力，按下式计算，这里近似取，则：

由弯矩引发轴向应力，按下式计算：

查附表Ⅱ–1压力容器零件附表知，16MnR材料.按下式确定：

取其中较小值。
因，
故取
将以上计算各应力代入得，

5.4.2.8裙座设计及验算
（1）座体

塔底部截面（0-0截面）应力按式下式校核：
正常操作时：
MPa
水压试验时：
MPa
式中 —锥形筒体半顶角，圆柱形筒体
—圆柱形或圆锥形座体底部截面截面系数，
，mm3
Dis—座体底部截面内直径，mm
—圆柱形或圆锥形底部截面积，Asb=πDisδes，mm2
—设计温度下座体材料需用应力，MPa；
—底部截面0-0最大弯矩，N·mm；
K—载荷组合系数，取K=1.2
式中，；

；

计算出来结果进行比较

裙座上人孔处截面1-1应力按下式进行计算校核：
正常操作时：

水压试验时：

式中 —人孔或较大管线引出孔处最大弯矩，N·mm；
—人孔或较大管线引出孔处风弯矩，N·mm；
—人孔或较大管线引出孔截面以上塔设备操作质量，kg；
—人孔或较大管线引出孔截面以上塔设备在液压试验时质量，kg
—人孔或较大管线引出孔处截面积
近似取，，则有

则：

可见座体满足强度和稳定性要求。

（2）基础环
取基础环内、外径分别为Dib=2700mm、Dob=3300mm,则b=300mm，混凝土基础上最大压应力为：

式中，zb—基础环抗弯截面系数，mm3

Ab—基础环面积，mm2

故，σbmax=3.97MPa
由表17-8 混凝土许用应力表，查要使σbmax＜Ra，则混凝土基础应选择100号以上水泥。
采取24个均布地脚螺栓，带筋板基础环，设肋板厚度为24mm，则两相邻肋板最大外侧间距：

则 b/l=300/407.75=0.736
由表17-9 矩形板力矩计算表 可查|Mx|=0.212σbmaxb2=0.212×3.97×3002=7.57×104N•mm/mm；
My=0.0610σbmaxl2=0.0610×3.97×407.752=4.03×104N•mm/mm；
故取Ms=|Mx|=7.57×104N•mm/mm。基础材料选择低碳钢，取[σ]b=140MPa，则基础环厚度：

考虑腐蚀裕量，圆整后可取δb=60mm

（3）地脚螺栓
由螺栓承受最大拉应力

其中，
假设地震烈度为7度，由表17-7查，地震影响系数α最大值αmax=0.23。假设塔设设备安装地为Ⅱ类场地土，查图17-60，可得 α1=0.2αmax=0.2×0.23=0.046,取Cz=0.5,则塔底截面地震弯矩为：

故取σB=0.72MPa

地脚螺栓螺纹小径d1

式中，C2—腐蚀裕量，通常取3mm
[σ]bt—地脚螺栓材料许用应力，对低碳钢可取[σ]bt=147MPa
故选择M42地脚螺栓24个。

5.4.2.9裙座和塔体对接焊缝验算
对接焊缝拉应力验算式为：

其中，Dit=Di= 3000mm,
MmaxJ-J= Mmax1-1=0.42×106MPa,
m0J-J= m02-2=11-1000=111000kg
经估算裙座质量约为1000kg,取[σ]wt和用材料[σ]t相同，即[σ]wt=88MPa

0.6K[σ]wt=0.6×1.2×88=63.4MPa
11.34MPa＜0.6K [σ]wt
所以，对接焊缝满足强度要求。

5.4.3 分布器设计
查兰州石油机械研究所主编《现代塔器技术》（第二版第四章填料塔内件表2.4-2，对塔径大于0.9m，喷淋密度在2.5~25m3/(m2·h)范围内填料塔，可选择排管式液体分布器，因工作压力在4800mmH2O(表压)，选择压力型—水平中心管进液排管式液体分布器。

表8 7种通用型经典液体分布器性能比较

5.4.3.1喷淋点数计算
依据喷淋点密度SP和塔截面积AT，由下式计算:
N=SPAT
为使液体分布均匀，取喷淋点密度SP=100点/m2
故喷淋点数N=SpAT=100×3.14/4×32=706

5.4.3.2确定孔间距
填料塔分布器喷淋点采取等边三角形或正方形部署，孔间距按下式计算:
t=CSp-0.5
等边三角形排列时，C=1.075；正方形排列时，C=1.0；
采取正方形部署，C=1.0
故孔间距
t= CSp-0.5=1.0×706-0.5=0.0376m

5.4.3.3分布器布孔
706个孔口必需落实到主管和支管下侧，且保持孔间距约等于37mm。为预防过大壁流产生，填料塔近壁50mm不布孔，主管直径为150mm，中心线上开67个孔，支管排数为2×8=16根支管，对称排列，每排开孔80个，均开在下侧，间距为37mm，长度分别为1400/1400/1360/1260/1160/ 1000/800/560。

表9 排管式喷淋器设计参数

5.4.3.4孔径计算
孔径按下式计算:

圆整，取d0=6mm
上式中，u0m=2m/s
5.4.3.5管子尺寸选择
主管直径150mm，支管直径6mm，排管外缘直径2940mm。
5.4.3.6分布器排布方法
在满足覆盖率前提下，分布器排和排间距通常不应小于1米，1.5-2米比较常见，考虑到塔顶除沫器等结构，而且最下面分布器距离塔底应有一定距离，为这一排喷淋液体留存足够传热容积，和塔下部留存积液空间，为设计液位检测和预警提供方便。所以，整个塔布5排分布器，在塔侧线引入冷水进口。

5.4.4 丝网除沫器设计
5.4.4.1设计气速选择
丝网除沫器液泛气速

式中，ρL—液滴密度，kg/m3，ρL=1000 kg/m3
ρG—进口气体密度，kg/m3，ρG=1.08 kg/m
K—气液过滤网常数，选择SP型网型，K=0.201

丝网除沫器操作气速
取
5.4.4.2丝网除沫器直径
处理气体所需流通直径

式中，G—气体处理量，m3/s

5.4.4.3丝网层厚度确实定
丝网层适宜厚度应按工艺条件经过试验确定。此处选择金属丝网，丝网直径为0.076~0.4mm，网层厚度为100~150mm。

5.4.4.4丝网除沫器在塔内安装位置
为了达成预期除沫效率，在丝网上方和下方，全部应留有合适分离空间。本设计装和塔顶，所需塔顶分离空间总高度H=1200mm,顶层塔盘至丝网底面距离H=900mm

图7 装在塔顶除沫器
查《化工设备全书（塔设备）》表8-6，可得上装式丝网除沫器基础参数以下：

表10 丝网除沫器基础参数表
公称直径
DN/mm
关键外形尺寸，mm
H
H1
H2
D
质量/kg
2200
100
360

2100
208

图8 上装式丝网除沫器

5.4.4冷却塔选管
冷却塔气体进口既要预防液体倒灌，更要有利于气体均匀分布。液体出口设备既要使塔底液体顺利流出，又能预防塔内和塔外气体串通。
常压塔气体进