DN1200氨吸收塔设计（全套CAD图+说明书+开题报告+翻译）
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dn1200
吸收塔
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i 吸收塔设计 摘要 ： 此次设计的是混合气流量为 10000 的氨吸收塔。根据有关的设计参数，故选用填料塔来吸收氨气， 填料塔是把塔内的填料当作气液两相间接触的传质设备 。设计填料塔包括：物料衡算、热量衡算、塔设备的工艺结构设计（塔内径、塔高、封头、填料、进出口接管及裙座等）、对塔设备进行强度的计算及校核，绘制吸收塔图纸等。设计思路：首先进行物料衡算和热量衡算，然后进行塔设备的尺寸计算，主要包括塔的高度确定和填料层高度的计算，以及对塔附件（吊柱、液体分布器、 人孔、手孔、裙座等）的计算与选择，最后进行强度计算和校核。 关键词 ： 氨吸收；填料塔；物料衡算；强度计算。 ii he is of an 0000 m3/h. to So of is a in as of of of so so 录 引言 . 1 1. 工艺计算 . 2 . 2 . 4 . 7 . 7 . 8 2. 塔结构的设计 . 13 . 13 3. 塔的设计及强度校核 . 23 . 23 . 25 . 32 座的强度及稳定性较核 . 34 . 35 . 36 . 37 4. 开孔和开孔补强设计 . 38 . 38 孔补强设计计算 . 43 圆封头部件的制造 . 48 . 48 . 48 要件的热处理 . 49 . 49 参考文献 . 51 附录一 外文原稿 . 52 附录二 外文原稿翻译 . 59 辞 . 66 第 1 页 共 66 页 引言 在化工、炼油与石油化学工业等各类生产中 ,作为分离过程工艺设备而言的塔设备 ,在精馏、蒸馏、萃取、吸收跟解吸等传质单元操作中有着无可替代的重要地位。据统计，塔设备在化工与石油化工行业投资比例在 20化纤行业约占 45%。因而通过强化塔设备来强化生产操作过程是生产、设计人员都十分重视的课题。板式塔在 70 年代以前占据着绝对的优势，但随着石油化工的发展，填料塔由于结构简单、压降小，而且可用各种材料制造等优点而日益受到人们 的重视。而氨在工业上也具有多种用途，主要用来制造含氮肥料、炸药以及各种纤维及塑料，同样也可以把氨制成硝酸，进而再制造硝化甘油、硝酸铵、硝基纤维素等。在化学纤维和塑料工业中，则以氨作为氮源，生产人造丝等产品。在农业方面，氮肥是农业生产过程中需求量比较大的化肥之一，氨又是氮肥的主要来源，因而回收氨在国民经济中就显得尤为重要。因而填料塔吸收氨气工业在现代工业发展中占据重要地位。 本设计是在段小林老师的耐心指导下从 2013 年 1 月 7 日开始进行的，经历了资料查找、任务书撰写、设计方案拟定、设备设计、图纸绘画、编写设计说 明书等过程。通过此次的设计让我们了解到填料塔设备生产制造工艺的大概过程，让我在过程设备设计和制造知识方面得到了拓宽，进一步巩固了学习过的专业知识，熟悉了绘图软件的操作，加强了灵活运用书本知识的能力，是对我们大学四年所学知识的总结、巩固和加深。 由于本人知识水平、实践经验有限等因素，本设计中肯定存在着不足之处，望指导老师及同学及时批评与指正。 第 2 页 共 66 页 1. 工艺计算 收剂用量及吸收溶液深度 性气体流量 已知设计参数： 用 20的清水吸收混合气中的氨，混合气中含氨 10%，其余为空气。操作压力为 105作温度 40，混合气流量 10000m3/h，吸收剂用量为最小用量的 ,气相体积吸收总系数为 200 氨的回收率为 95%。 V00 01 40273273 (=小气液比 按照设计条件中平衡数据得： 表 第 3 页 共 66 页 在 X 下图 示： 液相摩尔比浓度图 衡曲线 010010 2 1） 1 图 1 值为： X1 最小气液比 (VL)121 Y = 第 4 页 共 66 页 小吸收剂用量 由上面计算可得，最小气液比 (VL)V=350.4 故最小吸收剂用量 (VL)V 869 一直设计参数可知吸收剂用量为最小用量的 吸收剂用量： L 869=955.9 收液浓度 从全塔范围内看氨的衡算 121 Y 即： 液速度 考虑塔顶情况来计算，为了计算的方便，所以操作温度以及压强取平均会值。 气体千摩尔流量： 2 0 =2 2 0 0 0 0 ）（ 40273273=352.4 顶混合气体平均分子量 M2,m=a+公式中 空气平均分子量， 氨气平均分子量， 第 5 页 共 66 页 塔顶混合气中空气浓度，摩尔分率； 塔顶混合空气中氨气的浓度，摩尔分率； 计算可得 =52 与 代入上述公式 得 M2,m 气体密度 V=0 3 2 7 5 3液体密度 l 液体粘度L s 料的选择 经过比较，最终选取选取 50金属鲍尔环 查资料的 50 金属鲍尔环的特性数据如下： 表 点气速 用贝恩 霍根关联式计算 第 6 页 共 66 页 式中 泛点气速， m/s； g 重力加速度， a/ 3 干填料因子， a比表面积， V , L 气相，液相密度， kg/ L 液相黏度， s； L,G 液相，气相流量 kg/h； A 关联常数，见表 1 填料层空隙率； 表 值 参数数据， g=kg/v=kg/ L =992.2 kg/ =s, 计算得填顶气体的质量流量： G=0138.5 kg/h ; 由题可知吸收剂为纯水，其质量流量为： L=955.9 18=17206.2 kg/h 将上述数据代入得： 第 7 页 共 66 页 解得 3.6 m/s 径的估算 由于空塔气速一般取泛点气速的 50% 85%， 假设设计取 70来计算 得 u=s 代入塔径计算公式 D =36 0 04 作条件下混合气体流量， m3/s 圆整后取塔径 D=1200空塔气速的核算： u=24= =s=68% 假设 符合要求。 体喷淋密度的验算 液体喷淋密度公式： U=U 液体喷淋的密度， h) ; 液体喷淋的质量， m3/h ; D 填料塔的直径， m ; 最小喷淋密度：为了使填料塔中填料得到充分的湿润，塔内液体的喷淋密度应不能低于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以 表示。 对散装填料，其最小的喷淋密度大多采用下列公式计算， 第 8 页 共 66 页 (LW) 中 最小的喷淋密度， h) ； (LW) 最小的湿润速率， m h) ； 塔料的总比表面积， m2/ 对于直径 75散 装填料，最小的湿润速率 (LW)m h) 故 m h) 而液体喷淋质量 m3/h ； 实际的液体喷淋密度 U = =15.4 m h) 满足液体最小喷淋密度的要求。 料层高度的计算 质单元高度的计算 已知参数 V 350.4 h ； =200 h) 传质单元高度计算公式 =m 质单元数的计算 根据（ 1） 与（ 在图中作出操作线，从图中读出若干个塔的截面上推动力（ Y Y ），并计算相应的列出下表： 第 9 页 共 66 页 表 Y Y Y Y 0 180 坐标纸上绘 关系曲线图，如图 系曲线与跟 Y 0 之间围成的面积即为积分值。 气相摩尔比浓度 面 积 0 . 0 0 5 X 1 0 单 元 数 9 6积分面积图 由图得积分面积为 第 10 页 共 66 页 所以填料层高度为： Z m ； 由经验公式可知，填料层设计高度一般取 Z =( 式中 Z 设计的填料高度 ； Z 工艺计算的填料高度 ； 故 Z 8.9 m 圆整填料层高度，即 Z 9 m 。 料层的分段 当液体沿填料层向下流动时，将逐渐流向塔壁而形成壁流效应的趋势，结果将会造成液体分布的不均匀，降低气液两相的有效接触表面，从而降低传质效率。因此，在设计过程中需要设置液体收集分布器，即将填料层分段。 对于散装填料而言，一般推荐的高度见下表，表中 h/散装填料分段高度推荐值： 表 装填料分段高度推荐值 填料类型 h/D m 拉西环 25 4 矩鞍环 5 8 6 鲍尔环 5 10 6 阶梯环 8 15 6 环矩鞍 5 15 6 由表可知取各段填料层高度为 成两段。 料层压降的计算 查表得：填料因子 130 液相密度校正系数 1 ； 第 11 页 共 66 页 操作空塔速度 u= 0 01 0 0 0 0 =m/s ； 横坐标 21 纵坐标 1 1 2 1 计算纵坐标过程中用 图 由 单位压降 p =11 a/m(填料 )900此需要在支承圈下设置加强肋板。填料支承的结构尺寸见下表： 表 塔径 料 环直径 栅板尺寸 支承装置 允许填料高度 D H s t 支承圈宽厚 肋板数 1200 50 800 60 10 50 60 10 厚 S 10 6 6料支撑板结构如下： 图 体分布器 由于填料塔塔径 D800常选用是盘式液体分布器，其结构图如下： 第 15 页 共 66 页 图 体再分布器 在填料塔中，在离填料顶面一定距离处时，喷淋液 体便开始向塔壁偏流，再沿塔壁下流，塔中心处的填料就不能得到好的湿润，进而形成“干锥”现象。为了克服此现象，每隔一定的距离就必须设置液体再分布器。工业生产中应用广泛的是截锥式再分布器，其设计尺寸参考表与结构图如下： 表 第 16 页 共 66 页 图 座的结构设计 加工与制造方便考虑，宜采用圆筒型； 用 塔体的连接：焊接方式采用对接式，如下图： 图 4 裙座检查孔：选用 B 型长圆形孔； 5 地脚螺栓座：包括盖板、垫板、筋板及基础环，都详见裙座部件图； 管引出孔以及其他结构详见总装图跟裙座部件图。 第 17 页 共 66 页 孔的设计与选择 根据中华人民共和国行业标准钢制手孔和人孔可知： 本设计选用“回转盖板式平焊法兰人孔” （ 21516 其结构形式如下： 图 吊柱选择 吊柱的方位跟回转半径 经过吊柱的垂线可以转到人孔的附近，还要使吊钩垂线可以转到平台外，以便于将塔内件从塔平台外场地上吊到塔平台上的人孔处或从塔平台上人孔处吊到塔平台以外的 第 18 页 共 66 页 场地上。因而吊柱的方位要首先取决于人孔方位。人孔的方位应该由管道专业依据设备布置跟配管要求来进行确定。 查压力容器与化工设备实用手册知，应选用 柱； 其基本参数如下： S=900， H=1000， L=3400， R=750， =159 10， l=110,e=250,重量为 234 图 吊杆料为 20 号的无缝钢管，其他材料均为 ，支座垫板的材料与塔体的材料相同，吊柱的下端支承结构要采用椭圆形封头。 吊杆是以整根管子来作为计算依据的。若管子的长度不够要拼接时，应符合下列要求： 2拼接选取的位置只可在下图所示的 ， 之间； 第 19 页 共 66 页 3. 焊接的结构按图所示，焊缝系数选 图 封板 用管子制成的吊柱都焊有端封板，用来防止雨水的灌入而引起生锈，封板上方需开 30的牵引孔； 吊钩 常用吊钩形式有三种，其中圆钢弯成 U 形而焊在吊杆上的形式最多，故采用此种形式，其结构图如下： 图 第 20 页 共 66 页 管选择 排气管内气体流速 u=20 m/s 。 m3/s (液 ) s ; D= 式中： D 管子的直径； 流体体积流量 m3/s ; U 流体流速 m/s ； 气体进出口管直径为： 则 D= = =m 故选用 管 工业的供水速率 3 m/s, 液体进口管 u 取 2m/s 则 D= = 取 液体出塔的速度 1 m/s； 则 d= = = 管法兰的选择 根据中华人民共和国的国家标准 知，应选用 结构图如下所示： 第 21 页 共 66 页 图 具体尺寸如下： 表 接管名称 公称通径子外径A 法兰外径D 螺栓孔中心直径 K 螺栓孔径L 螺栓 法兰厚度 C 法兰内经 B 法兰理论重量量n 螺纹体进口 50 40 110 14 4 12M 16 体出口 80 90 150 18 4 16M 18 体进出口 350 90 445 22 12 20M 20 0 压力容器法兰选择 根据中华人民共和国国家标准压力容器法兰分类与技术条件即（ 4700； 根据已知的设计参数，故选用甲型平焊法兰； 根据 4701数据确定其结构尺寸如下： 第 22 页 共 66 页 表 2 4 d 螺栓柱规格 螺栓柱数量 1200 1315 1276 1256 1253 1045 66 27 6 图 第 23 页 共 66 页 3. 塔的设计及强度校核 体和封头的厚度计算 料的选择 最高的工作压力 P=计压力 P=低压吸收设备，是一类容器；由于介质腐蚀性未提特殊的要求，故选用 体厚度的确定 先按照内压容器设计的厚度，然后考虑自重、液重等因素引起的正应力以及风载荷而引起的弯曲应力再进行强度和稳定性的验算。 根据设计压力与液柱静压力来计算压力； 塔内液柱的高度仅考虑塔 1液面的高度故 h=1m，则液柱的 静压力 610 =610 9921= 在裙座失稳前，材料已达弹性极限，故强度为主要制约因素； 由 2 + 3 ； 因而满足强度及稳定性技术要求。 缝强度的校核 该吸收塔裙座与塔体均采用对接焊，焊缝承受组合拉应力： 110211m a 01 2 0 2 3 0101 2 0 07 8 8 第 35 页 共 66 页 取415 ； 当有筋板时，基础环的厚度 b 0140241566 ； 因为一般情况下b 14； 故取b=14 脚螺栓计算 地脚螺栓的强度设计 计算最大拉应力： M P aA 87m i 0000002 = M P 5 2 3 2 3 878 由于 1B 0 ； 结论：塔设备必设置地脚螺栓； 假设地脚螺栓的个数 n=16 ，地脚螺栓腐蚀裕量为 2 第 37 页 共 66 页 则地脚螺栓的螺纹小径： 所以取 16个型号为 压试验时塔的强度和稳定性验算 水压试验条件下塔体 1 1截面的强度条件为： T 0.9 235 式中 P 液柱静压力， P 塔体高约 15m） 计算出 T 170/ P 因为： 101 2 0 07 8 0 3 8 5 28 因此在开人孔后不需要另进行补强设计。 第 48 页 共 66 页 5. 主要制造工艺 圆封头部件的制造 椭圆封头由两部分构成：半个椭球面跟短圆筒，由已知参数知道椭圆封头的材料选取 小厚度 10造过程中需要考虑到制造减薄量与加工的余量等各类因素，故需要选用厚度为 12 蚀层的毛坯，在封头进行整体组装前要先对耐蚀层用堆焊，用 带来带极堆焊过渡层及耐蚀层，分别用条来手工堆焊封头的过渡层与耐蚀层，人孔的凸缘采用整体 20锻件形式；人孔凸缘衬里与人孔凸缘采用松衬结构，间隙 节的主要制造工艺 大致步骤如下： a. 钢板检验：包括钢板的检验、钢板预处理、板材的矫正与钢板的划线、号料几个方面； b. 划线下料：分为钢板的划线、号料与切割、边缘加工等步骤； c. 组对：组对的工程中要按照一定要求的焊接顺序来 进行； d. 焊接工艺过程： 坡口准备 保证坡口的清洁度，严禁在接头间隙 中间存在杂物； 焊前准备 若焊缝存在缺陷，要对其进行修正来 确保焊接的质量，并且要对焊缝进行清洁； 焊接过程 经由点固焊、填充 焊等方式焊好焊缝； e. 焊后矫正：筒节在焊接会发生一定程度的变形，需要进行校圆； f. 焊后检验：运用无损探伤的方式对焊缝检测，确保焊缝合格。 装 a. 筒节和下封头组对焊接：由于筒体的长度较大，组对时要考虑到每环缝的错边量以及间隙均匀性，并且需要采用逐段卧装的装配方法来保证塔体直线 第 49 页 共 66 页 公差仅为塔高的千分之一，且 15时需要用环缝组装卡环来控制筒体的椭圆度； 探伤：需要分三次进行焊接，当焊至 404800射线检测，若符合 00超声波检测复检，要求符合 级标准，最后在焊缝外表面上做 100磁粉检测，内表面做 100渗透检测，需符合 级要求标准； b. 铆工：把吸收塔内部附件与外部附件通过一系列工艺制作成为钢结构； 探伤 :对尾部附件的焊缝进行 100磁粉检测，对内部附件焊缝做100渗透检测，并且需要控制铁素体含量 c. 上封头与筒体组对焊接 探伤：与筒体和下封头组对焊接的探伤标准一样； d. 水压试验：水压试验条件去压力 温 15（不低于大气的露点温度），还要控制水中氯离子含量在 25以内； e. 衬里：进行衬环的氨渗透试验，以 100的氨气在试验压力为 03且要确定保压时间 12小时； f. 对所有焊缝的外表面及设备的主螺栓做 100磁粉检测，需要符合级要求标准； g. 对设备外部进行清理，刷油漆。 要件的热处理 a. 焊接筒体上的纵 焊缝后，需要在 620 +_14条件下进行消除应力热处理； b. 椭圆封头经过整体热冲压成型的， 在 960 +_14温度下，进行加热处理（成型前）； 在 930 +_20温度下，进行正火热处理（成型后）； 在 560 +_10温度下，对堆焊过渡层区域进行消除应力热处理。 要检验要求 a. 焊缝的错边量要求，衬里纵焊缝错边量 1筒的焊缝错边量 第 50 页 共 66 页 b. 焊缝的无损检测，筒体与封头处深环焊缝及返修焊缝，均以 100射线检测来检验，用 100超声波检测来复检，再用 100磁粉检测来检验； c. 封头热成型后和进行正火热处理后，都要进行超声波与磁粉检测； d. 堆焊过渡层进行超声波与渗透检测，堆焊区域进行超声波与渗透检测； e. 在吸收塔进行在水压试验合格后，对设备的焊缝进行磁粉与渗透检测； f. 吸收塔的各部件主要螺栓出要进行磁粉检测； g. 焊缝检测完成后，要对设备的受压及耐腐蚀部件进行复查，以确保设备合格性与安全性。 第 51 页 共 66 页 参考文献 1 路秀林 王者相化工设备设计全书塔设备 ,化学工业出版社 ， 2 曲文海压力容器与化工设备实用手册上、下册，化学工业出版社，
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