1、 摘要 在工业合成氨的生产过程中，粗原料气经过一氧化碳变换以后，变换气中除氢 气外，还有二氧化碳和甲烷等成分，其中二氧化碳含量多达 15%-35%。二氧化碳不 仅降低氨合成催化剂的活性，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的原料，因此要想法 除去。 本设计的目的是根据所给技术特性参数，合理设计 段二氧化碳吸收塔，用来 脱除变换气中的二氧化碳气体。根据GB150-1998 钢制压力容器 、 JBT4710- 2005 钢制塔式容器等标准，通过常规设计方法步骤进行设计，包括塔体的筒体和 封头壁厚计算和水压试验，接管、接管法兰、人孔法兰和塔内件的选取，裙座的计 算和设计，开孔补强计算，风载荷和地震载荷的计算
2、和校核，以及筒体和裙座的应 力分析等。强度校核时，大部分情况下将受压元件的应力限制在材料的需用应力以 内，用来确保设计的安全性和经济性。 关键词：二氧化碳合成塔；填料塔；合成氨 引言 塔设备又称塔器，塔设备有许多种类型，塔设备是化工、石油化工和炼油 生产中最重要的设备之一。用以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液 体与固体密切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传 递过程。 二氧化碳吸收塔，是利用碳酸钾溶液来脱去变换气中的二氧化碳气体，要 保证较高的脱碳效率和设备的安全性能，必须对吸收塔系统进行合理的设计， 包括吸收塔的尺寸设计，吸收塔材料的选择以及塔部件的选取。吸 收
3、塔 的 主 要 部 件 有 外 壳 、 填 料 、 填 料 支 承 、 液 体 分 布 器 、 中 间 支 承 和 再 分 布 器 、 气 体 、 液 体 进 出 口 接 管 等 。 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔 身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支 承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经 液 体 分 布 器 喷 淋 到 填 料 上 ， 并 沿 填 料 表 面 流 下 。 气 体 从 塔 底 送 入 ， 经 气 体 分 布 装 置 后， 与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触
4、进行 传质。填料塔属 于 连 续 接 触 式 气 液 传 质 设 备 ， 两 相 组 成 沿塔高连续变化，在正 常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的 液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布 不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设 置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层 填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋 到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优 点。填料塔也有
5、一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润 湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧 线进料和出料等复杂精馏不太适合等。 塔内件是填料塔的组成部分，它与填料 及塔体共同构成一个完整的填料塔。塔内件的作用是使气液在塔内更好地接触， 以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，因此塔内件设计的好坏直接影响填 料性能的发挥和整个填料塔的性能。另外，填料塔的“放大效应”除填料本身因 素外，塔内件对它的影响也很大。填料塔的内件主要有：填料支撑装置、填料压 紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置。合理地选择和设计塔内件，对保 证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分
6、重要。 本设计的目的及意义旨在培养我们理论联系实际的能力，把本科所学的专业 知识综合地应用到本设计中去，为我们今后参加相关的设计工作打好基础。 符号说明 计算厚度， ； m 设计厚度， ；d 名 义 厚 度 ， ；n 有 筋 板 时 基 础 环 的 厚 度 ， ；bm 有 效 厚 度 ， ；e 第 计 算 段 容 器 的 有 效 壁 厚 ， ；ii 筋 板 厚 度 ， ；gm 有 筋 板 时 基 础 环 的 厚 度 ， ；b 接 管 名 义 厚 度 ， ；nt 接 管 计 算 厚 度 ， ；tm 补 强 圈 厚 度 ， ； 接 管 有 效 厚 度 ， ；et 裙 座 的 厚 度 ， ；sm 试
7、 验 温 度 下 材 料 的 许 用 应 力 ， ；MPa 材 料 在 设 计 温 度 下 的 许 用 应 力 ， ；t 水 压 试 验 时 的 许 用 应 力 ， ；t 材 料 的 屈 服 强 度 ， ；sPa 内 压 计 算 压 力 在 筒 体 内 引 起 的 轴 向 压 力 ， ；1 MPa 操 作 物 料 时 质 量 载 荷 在 筒 体 内 引 起 的 轴 向 力 ， ；2i 最 大 弯 矩 在 筒 体 内 引 起 的 轴 向 力 ， ；3i 最 大 组 合 轴 向 压 应 力 ， ；maxi Pa 裙 座 材 料 在 设 计 温 度 下 的 许 用 应 力 ， ；st MPa 重 力
8、 加 速 度 ， ；gkgN/ 焊 接 接 头 系 数 ； 开 孔 削 弱 所 需 的 补 强 面 积 ， 2；Am 多 余 金 属 面 积 ， 2；1 接 管 多 余 金 属 面 积 ， 2；2 接 管 处 焊 缝 面 积 ， 2；3A 所 需 另 行 补 强 面 积 ， 24 m 裙 座 底 部 截 面 积 ， 2；sb 有 效 补 强 面 积 ， 2；eA 裙 座 开 孔 设 人 孔 处 的 截 面 积 ， 2；sm m 基 础 环 的 面 积 ， 2；b 厚 度 附 加 强 ， ；Cm 钢 板 负 偏 差 ， ；1 腐 蚀 裕 量 ， ；2 材 料 的 弹 性 模 量 ；E 公 称 直
9、 径 , ；DNm 开 孔 直 径 , ；d 垫 板 上 地 脚 螺 栓 孔 直 径 , ；2 人 孔 直 径 mm；i 筒 体 的 内 径 ， ；iD 塔 设 备 第 段 迎 风 面 的 有 效 直 径 ， ；ei i m 设 备 各 计 算 段 的 外 径 ， ；oiDm 基 础 环 的 外 径 ， ；b 基 础 环 的 内 径 ， ；i 设 计 压 力 ， ；PMPa 液 柱 静 压 力 ， ；L 计 算 压 力 ， ；C 水 压 试 验 压 力 ， ；TPPa 第 i 段 风 载 荷 N；i 塔体圆筒、封头、裙座质量， ；01mkg 塔内件如塔盘或填料的质量， ；2 保温材料的质量，
10、；03 k 扶 梯 与 平 台 的 质 量 ， ；4mg 操 作时物料的质量， ；05 k 水压试验时充水的质量， ；w 偏心载荷， ；emkg 设 备 在 正 常 操 作 时 的 最 大 质 量 ， ；0 kg 塔 设 备 在 水 压 试 验 时 的 最 大 质 量 ， ；max 塔 设 备 在 停 工 检 修 时 的 最 小 质 量 ， ；in k 距 地 面 高 度 处 的 集 中 质 量 ， ；k khg 设 备 的 当 量 质 量 ， ；eq 风 压 高 度 变 化 系 数 ；if 各 地 区 的 基 本 风 压 ， ；0 Pa 载 荷 组 合 系 数 ；K 塔 的 体 型 系 数
11、；1 塔 设 备 各 计 算 段 的 风 振 系 数 ；zi 笼 式 扶 梯 的 当 量 宽 度 ， ；3Km 操 作 平 台 的 当 量 宽 度 ， ；4 脉 动 增 大 系 数 ； 第 段 的 脉 动 影 响 系 数 ；ii 第 段 的 体 型 系 数 ；zi 塔 顶 管 线 外 径 ；0d 塔 的 自 震 周 期 ， ；1Ts 各 类 产 地 的 自 震 周 期 ， ；g 地 震 影 响 系 数 ； 第 一 振 型 的 地 震 影 响 系 数 ；1 综 合 影 响 系 数 ；zC 基 本 阵 型 参 与 系 数 ；1k 地 震 影 响 系 数 的 最 大 值 ；max 计 算 截 面 距
12、 地 面 的 距 离 , ；ihim 在 截 面 i-i 处 的 基 本 振 型 水 平 地 震 力 ， ；iF N 塔 任 意 质 点 处 得 垂 直 地 震 力 ， ；iv 垂 直 地 震 影 响 系 数 的 最 大 值 ；max 裙 座 半 锥 角 ； 截 面 i-i 处 地 震 弯 矩 ， ；IEM Nm 设 备 任 意 截 面 I-I 的 风 弯 矩 ， ；IWM Nm 偏 心 弯 矩 ， ；eNm 设 备 最 大 弯 矩 ， ；max 容 器 任 意 截 面 I-I 最 大 弯 矩 ， ；1 Nm 裙 座 底 部 截 面 的 截 面 系 数 ， ；sbZ3 裙 座 开 孔 设 人
13、孔 处 得 截 面 系 数 ， ；m 基 础 环 的 截 面 系 数 ， ；b 3m 混 凝 土 基 础 的 许 用 应 力 ， ；aRMPa 一 地 脚 螺 栓 个 数 ；n 地 脚 螺 栓 螺 纹 根 径 ；1dm 强 度 削 弱 系 数 ；rf 外 侧 有 效 高 度 ， ；1h 内 侧 有 效 高 度 ， ；2 m 第一章 填料塔的选型和结构设计 1.1 设计目的 设计二氧化碳吸收塔，用来脱除变换器气中的二氧化碳气体，得到合成氨 的原料气体氮气和氢气。 1.2 设备技术特性 表 1-1 封头结构尺寸 工作压力 MPa工作温度 主要介质 填料体积 3m设计风压 MPa地震设防强 度 1.
14、8 120 碳酸钾溶液 94 500 8 级 1.3 填料塔的选型和结构设计 1.31 筒体和封头的选型 本设计采用标准椭圆形封头，易于冲压和成型，是目前中、低压力容器中 应用较多的封头之一。常见设备筒体大都是圆柱形结构，所以采用单层式圆柱 形筒体，结构简单、易于操作，易于气体的吸收和内部部件的布置。 图 1-1 封头结构示意图 查压力容器设计手册表，封头各参数如下： 表 1-2 封头结构尺寸 公称直径 DN 总高度 H 直边高度 h 内表面积 2/mFi 容积 3/V 质量 Kg 2200 590 40 5.52 1.55 683.2 1.3.2 裙座的选型 因为 、且 ，采用圆筒形裙座就可
15、以满足较少地脚螺栓1DNm/30HN 的合理布置，因采用圆筒形裙座。 查阅塔设备表 8-9，裙座筒体上端至封头切线的距离 h=95mm， 裙座高 度为 2100mm， 其厚度与筒体相等 =16mm。裙座筒体与塔体采用对接焊接。G 1.3.4 人孔的选取 由化工容器及设备简明设计手册标准号 HG2151421534-2005，及设计 压力选择回转盖带劲对焊法兰人孔，凸面， 材料为 Q345R。 人孔尺寸 由化工容器及设备简明设计手册表 23-1-13 得所选人孔结构表如下： 表 1-3 人孔结构表 密封面 型式 公称 压力 PN 公称 压力 DN wdsD11H2b 凸面 RF（A ）型 2.5
16、 500 53012 506 730 660 280 128 441b2 A B L 0d 螺柱 数量 螺母 数量 螺柱尺寸 总质 量 kg 46 48 405 200 300 30 20 40 M332170 303 人孔的型式： 图 1-2 人孔的形式 1.3.5 接管的选取 根据介质特性，接管材料选用 号钢, .查压力容器设计常20MPat140 用标准 系列表 4.3.1 接管尺寸如下表： 表 1-4 接管尺寸 项目 公称直径 DN/mm 从长度 mm 总质量 Kg 内径 mm 外径 mm 壁厚 mm 液面计接 口管 15 300 0.33 15 18 3 自动液面 计借口管 40 3
17、00 1.07 41.5 45 3.5 排污口 80 2128 17.83 85 89 4 通气孔 80 进液口 200 2300 55.10 213 219 6 出液口 200 1900 59.77 213 219 6 进气口 250 2350 122.85 265 273 8 出气口 250 300 15.68 265 273 8 引出管通 道 250 300 13.07 265 273 8 卸料口 500 1200 138.75 521 530 9 人孔 500 检查孔 500 150 17.34 521 530 9 1.3.6 接管法兰的选取 查钢制管法兰、垫片和紧固件HGT20595
18、-2009 表 4-3，本设计采用凸 面带颈对焊法兰，其结构和尺寸如下： 图 1-3 带颈对焊法兰结构 表 1-5 接管法兰尺寸 连接尺寸 公称尺寸 DN 钢管外径 法兰焊端 外径 1A A 类 法兰外径 D 螺栓孔中 心圆直径 K 螺栓孔 直径 L 螺栓孔 数量 n 螺栓 Th 15 18 95 65 14 4 12M 40 45 150 110 18 4 M16 80 89 200 160 18 8 6 200 219 360 310 26 12 M24 250 273 425 370 30 12 M27 500 530 730 660 36 20 M332 法兰颈 公称尺 寸 DN 法兰
19、质 量 Kg 法兰高 度 法兰厚 度 C N A 类 S 1H R 15 0.75 38 14 32 3.2 6 3 40 2.37 45 18 64 3.6 7 5 80 5.03 58 24 110 5.6 12 6 200 17.4 80 30 244 6.3 16 8 250 24.4 88 32 296 6.3 18 10 500 92.5 125 44 580 11 20 12 表 1-6 密封面结构尺寸 密封面公称尺寸公称尺寸 DN d 15 46 40 84 80 132 200 284 250 340 500 615 1.3.7 选择管法兰垫片 根据 HG/T20635-20
20、09 表 3.0.2 选用垫片形式 表 1-7 垫片型式选用表 垫片型式 公称压力 PN 公称尺寸 DN 最高使 用温度 密封面 型式 密封面的 表面粗糙 度 aRm 法兰型 式 非石棉纤维 橡胶板 40120:290 凹面/凸 面 3.215:带颈对 焊法兰 由 HG/T 20606-2009 表 4.0.2-3 得垫片尺寸: 表 1-8 垫片尺寸 mm 公称尺寸 DN 垫片内径 1D垫片外径 2垫片厚度 T 包边宽度 b 15 22 51 40 49 92 80 89 142 200 220 284 250 273 340 1.5 500 530 624 3 3 1.3.7 管法兰紧固件选
21、取 表 1-9 螺母和螺栓（螺柱）参数 螺母类型 DN 规格 螺栓螺柱类型 数 量 2l质量/1000 件 螺栓 螺母 15 12M4 70 49.9 11.93 40 M16 4 85 111 29 80 6 六角头螺栓 A 级 （GB5782） 8 100 131 29 200 M24 12 125 369 88.8 I 型六角螺 母 （GB6170 ） 250 M27 双头螺柱 B 级 （GB901） 12 135 515 132.4 六角螺母 （HG2061 3） 500 M332 双头螺柱 B 级 （HG20613） 20 165 947 242.8 1.4 填料的选择 参考由塔设备
22、本设计选用陶塑料鲍尔环和塑料矩鞍环，塑料材质质量 轻，鲍尔环为较为普通的填料形式，价格便宜，矩鞍环为最高效的填料之一， 不易迭合，处置效率高，但价格较高，所以只用少部分放在填料的最底层，可 避免鲍尔环的阻塞，两者都采用乱堆排列。 查化工原理见面设计手册填料各参数如下表： 表 1-9 填料参数 填料 种类 公称 尺寸 m 外径 高堆积个数 个 3/m堆积密度 3/kg比表面积 23/空隙 率 3/m干填料因 子1/ 湿填 料因 子/m 塑料 拉西 环 50 481.8 7000 87.5 106.4 0.90 146 120 塑 料矩 鞍环 76 452 3700 104.4 200 0.885
23、 289 96 1.5 除沫器的选择 当空塔气体流动速度过大时，塔顶溅液严重，避免出塔气体出现夹雾现象， 所以设置除沫器，保证气体的纯度和设备的正常运转。查阅塔设备可知， 犹豫鲍尔环和矩鞍环调料的雾滴粒度为 1 m 以上，所以选择丝网除沫器，510 其分离大于 1 m 的雾滴的效率可达 99.5%以上，对于 的雾滴510 610)52( 也能很好的除去。参阅塔设备表 8-6 上装式丝网除沫器的基本参数如下： 表 1-10 除沫器基本参数 主要尺寸公称直径 /mm H 1 有效直径 /mm 质量/mm 2200 100 360 2100 208 图 1-4 丝网除沫器结构图 1.5 填料支撑装置
24、 填料支承装置对填料塔的结构稳定性起关键作用，对其要求：有足够的机 械强度来支撑填料的重量；能够提供足够大的自由载面积，减小了气液两相的 流动阻力。 本设计采用梁式气体喷射式支撑板，其对气体和液体分别单独提供通道， 气体流动阻力小，液体易于排出，查阅塔设备其结构图和尺寸如下： 图 1-5 支撑板结构示意图 表 1-11 支承板结构尺寸 塔径 支承板 外径 支承板 分块数 支承圈 宽度 支承圈 厚度 2200 2160 7 50 14 表 1-12 支承板形式尺寸 塔径 波形 波形尺寸 bHt904: 30 300 表 1-13 支承板的特性 支承板允许载荷，N塔径 DNm自由截面 % 碳钢 不
25、锈钢 2100 102 89090 107560 1.6 填料压板 为了限制填料的移动、撞击，以免损坏填料，需在填料上方增设压板，对 于塑料填料采用床层限制版，其重量轻，对填料起限制作用。查塔设备其 结构如下： 图 1-6 床层限制板 床层限制板与压板结构类似，但重量较轻，一般为 左右。床层限230/Nm 制板必须固定于塔壁，否则将失去作用。当塔径 时，则限制板外径1D 比塔的内径小 。 2538m: 1.7 填料的液体分布器 溢流型布液器是较为广泛应用的分布器，应用于大型填料塔，具有操作弹 性大易堵塞、操作可靠等优点，本设计采用溢流槽式布液器。 图 1-7 溢流槽式布液器结构图 表 1-14
26、 溢流槽式布液器设计参数数据 喷淋槽 分配槽 塔径 DNm 外径 数量 中心距 m数量 中心 Am 2200 D-20 6 300 2 850 1.8 填料的液体再分布器 当喷淋液体流过第一层填料时，不再呈均匀分布状态，液体有向塔壁流动 的趋势，使吸收效率降低，因此需要液体的再分布，增设再分布装置。梁型再 分布器适用于直径在 1200 以上的大型塔设备，所以易采用此种再分布器。m 查阅塔设备其参数如下： 图 1-10 梁型再分布器 表 1-15 梁型再分布器设计参数 塔径 DNm盘外径 1D螺栓圆直径 2m分块数 升气管数 液体负荷范围 3/mh 2200 2175 2035 19 6 12-340
