制纯碱用碳化塔设计(球形封头).docx

制纯碱用的碳化塔设计（球形封头） 学 生： 学 号： 专 业：班 级：指导教师： 毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 制纯碱用的碳化塔（球形封头） 学院： 专业：班级： 学号：学生： 指导教师： 接受任务时间 系主任 （签名）院长 （签名）1 毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1) 收集关于塔式容器设计的相关文献及资料；2) 分析该塔的盛装介质特性及反应条件，以及所在处地区的风载荷和地震载荷以及其他环境的影响；3) 设计碳化塔的筒体、封头、裙座及接管和其他构件；4) 碳化塔筒体和封头及接管的强度校核和补强计算。 2指定查阅的主要参考文献及说明1 寿比南 谢铁军.固定式碳化塔容器安全技术监察规程M.北京：新华出版2009.092 王楚 吕秉玲.纯碱工学M.北京：化学工业出版社，1990.033 叶乾惠 秦晓钟.钢制压力容器GB150-1998M.北京：国家标准出版社1998.034 刁玉玮 王立业.化工设备机械基础M.大连：大连理工大学出版社，2006.123进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1集料收集，阅读文献，完成开题报告1月3日至3月23日2完成所有结构设计和设计计算工作3月24日至4月24日3完成所有图纸绘制4月25日至5月25日4完成设计说明书及图纸的修改5月26日至5月30日5答辩的准备和毕业答辩5月31日至6月10日摘 要 碳化塔是纯碱生产过程中的关键设备之一,在纯碱工业中有100多年的历史了。本次设计是根据纯碱工业来选择工艺流程，在按照国家标准对碳化塔内部构件、附件和裙座进行选择及设计，再按照JB/4710-2008钢制塔式容器对碳化塔的质量载荷、地震载荷及风载荷的计算，并对碳化塔的塔体、封头及接管的强度校核，完成了本次设计。 关键词：碳化塔；结构设计；强度计算AbstractIn the system soda ash industry, the carbonization process is the key process of soda ash production, in which the carbonation tower set is one of the main tower equipment. Tower dioxide and ammonia salt water into the carbonation tower counter-current form of reaction in each segment in the tower, and release heat, and cooling water tank to control the temperature of the tower to ensure that the tower favorable response. Firstly, the analysis of soda ash production and the process of carbonation tower, according to the given parameters to determine the choice of the various components of the carbonation tower, and the calculation of wind loads and seismic loads, strength and reinforcement of the tower body, head and take over checked.Keywords: carbonization tower; cooling water tank; reaction目 录 摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 碳化塔设备简介11.2 制纯碱的工艺流程11.2.1 生产工艺流程确定和依据11.2.2 氨碱法制纯碱的工艺原理21.3 碳化塔的工作原理31.3.1 碳化塔的工艺流程31.3.2 碳化塔的工作图解4第二章 工业参数与附件设计72.1 塔内设计条件及参数72.2 水箱设计条件及参数72.3 设计选材及参数确定82.3.1 选材一般原则82.3.2 碳化塔的选材82.4 附件设计82.4.1 吊柱82.4.2 人孔92.4.3 操作平台与梯子92.4.4 保温层9第三章 碳化塔内构件及裙座的选择103.1 碳化塔类型的选择103.2 碳化塔的塔体和封头的结构选择103.2.1 塔体结构103.2.2 塔体和封头的工业条件113.2.3 碳化塔高度的选择113.3 碳化塔各段高度的确定113.4 碳化塔内部构件的选择123.4.1菌帽的选择及尺寸123.4.2 塔圈的选择143.4.3 碳化塔分布器选择143.5 碳化塔水箱的设计与选择153.5.1 水箱的材料的选择153.5.2 传热面积的选择163.5.3 箱内传热管的选择163.5.3冷却水箱的数据选择表及图解163.6 碳化塔裙座的选择173.6.1 裙座基本的选择173.6.2 裙座结构及形式的选择18IV目录3.7 接管的选择19第四章 碳化塔各载荷的计算214.1 材料的选择214.1.1筒体和封头材料的选择214.1.2 裙座材料的选择214.1.3 接管的材料214.2 碳化塔筒体、封头和裙座厚度的计算214.3 质量载荷234.3.1 塔体圆筒、封头、裙座质量m01234.3.2 塔内构件质量m02234.3.3 冷却水箱的质量m03234.3.4 操作平台及扶梯质量m04234.3.5 操作时物料的质量m0523 4.3.6 接管、法兰等附件的质量ma244.3.7 充液质量 mw244.3.8 塔设备正常操作时的质量244.3.9 塔设备在水压试验时的做大质量244.3.10 塔设备在停工检修时的最小质量244.4 各段质量244.5 塔的自振周期计算254.6 塔的风载荷与风弯矩计算264.6.1 风载荷的计算264.6.2 风弯矩计算284.7 地震载荷及地震弯矩计算294.7.1地震载荷的计算294.7.2地震弯矩的计算31第五章 碳化塔强度的校核计算325.1 各种载荷引起的轴向应力325.1.1 设计压力引起的轴向拉应力1325.1.2 操作质量引起的轴向压应力2325.1.3 最大弯矩引起的轴向应力3325.2 塔体的最大组合轴向拉应力校核335.3 塔体与裙座的稳定性校核345.4 接管开孔补强计算365.4.1 补强的判据365.4.2 对塔顶气体出口的补强365.4.3补强计算方法判别365.4.4 开孔所需补强面积375.4.5有效补强范围375.4.6有效补强面积37第六章 结论39参考文献40致谢4212第一章 绪论1.1 碳化塔设备简介(qq1596125885)碳化塔是纯碱生产的主要设备，在塔内传质、结晶和传热三种过程同时进行，并且存在着气、液、固三相，影响工作质量及生产能力的因素很多。对碳化塔结构的要求是：在满足氯化钠高利用率、良好的结晶质量（晶粒大而均匀）、高利用率及易进行生产自控操作的前提下，力求有较大的生产能力。由于碳化过程中存在着气、液、固三相，在结构上要求气液两相有良好的接触，生成的固体不至于下沉而堵塞气液通道和及使取走大量的反应热以保证最适宜的取走温度。历史上使用过的碳化塔设备有很多种，如索尔维式（Solvay）碳化塔，荷尼曼式（Honigmann）碳化塔，布勒瓦德式（Boulouvarol）和什赖布（Schreib）碳化塔等。 近些年来，国内碱行业出现了碳化塔结构的改进的热潮，国外一批新型塔，通过技术交流也介绍进来，有的已经被采用。如大孔径筛板碳化塔。由于对关键部件进行了深入的研究，以及计算机集散控制及仿真技术的应用，使结构元件的作用及过程的规律性进一步被掌握，对塔的结构进行全方位的改造，已收到许多成效，使过去存在的某些设备问题，塔漏箱频繁；结疤堆积堵塞；吸收速率低，结晶细；腐蚀严重、出红碱；设备工程寿命较短等，都有了明显的改善，有些技术难题已开始获得解决。 1.2 制纯碱的工艺流程1.2.1 生产工艺流程确定和依据目前我国纯碱生产主要采用氨碱法和联碱法两种生产工艺，少量以天然碱为原料加工制作。氨碱法因不需要配套合成氨装置，纯碱产品质量优异而备受欢迎，目前国内大规模的纯碱生产装置仍以氨碱法为主。 氨碱法与联合制碱法相互比较 氨碱法生产纯碱以合成氨作为中间媒介始终在系统中循环利用，联合制碱法是将中间产物氯化铵作为产品分离出来。 氨碱法是传统的生产工艺，已有百余年的历史，工艺成熟可靠，产品质量优异，远远优于联碱法产品质量。 氨碱法产品品种专一，中间媒介合成氨是严格控制指标，由于全系统处于常温常压状态，工艺过程控制方便单一，安全稳妥可靠。 氨碱法需要对母液蒸馏回收氨气，能够充分利用低位能源，在能源利用平衡方面占有优势，缺点是大量废渣排除堆放不雅观 。所以本次设计选用氨碱法制纯碱。1.2.2 氨碱法制纯碱的工艺原理氨碱法生产纯碱为比利时人solvay 所首创，故也称索尔维制碱法。它是以食盐和氯化钠为原料，在氨参与下，通过一系列反应而制得的。氨盐水碳酸化生成碳酸氢钠沉淀这一过程在碳化塔中进行。由于NaCl水溶液不能吸收CO2，故必须先用NaCl溶液吸收NH3制成氨盐水，再吸收CO2，吸氨是在吸氨塔中完成的。氯化钠溶液可以是从盐井中直接汲取的卤水，也可以用固体食盐溶解制成。不论何种氯化钠溶液，其中都或多或少地含有Ca2+、Mg2+等杂质，它们在氨化或碳酸化过程中会生成CaCO3、Mg(OH)2、MgCO3及其他不溶性复盐，堵塞设备和管道，影响传热和成品质量。故盐水在进入吸氨塔前必须除去这些杂质。其精制的方法是加入碱性物质如Ca(OH)2和Na2CO3等,使生成沉淀: 生成的沉淀可借沉降法除去，沉淀后的盐水称为精制盐水。碳化反应生成的NaHCO3固体，经过滤分离以后，送入煅烧炉中，在160以上的高温煅烧，即得纯碱：煅烧放出的气体称为炉气，经冷却，吸收除去氨后，压缩返回碳化塔。滤过分离母液中主要含NH4Cl，当加热蒸馏时，母液中的碳酸氢铵和氢氧化铵首先分解以气相逸出。含有氯化铵的溶液，送入调和槽中，加入石灰乳，在不断搅拌下，使其进行如下的反应：，然后将调和槽出口的溶液送入蒸馏塔，在加热的情况下，回收得到氨气，与淡液蒸馏塔分解得到氨气一起送往吸氨塔吸氨制成氨盐水。塔底部排走的溶液称为蒸馏塔废液，一般情况下直接排弃。氨盐水碳酸化所使用的二氧化碳、蒸馏氯化铵所需要的石灰乳是由石灰石煅烧而得到的：石灰石的煅烧是在石灰窑中进行的。产生的CO2气，浓度在40%左右，称为窑气，经过除尘、冷却和压缩后送去碳酸化塔的中部用作碳酸化，得到的固体产品即为石灰。为了易于调节和便于输送，送往调和槽分解氯化铵的石灰通常先制成石灰乳。将石灰和热水一起送入消化机中，在近于沸腾的情况下石灰进行消化而成悬浮液，即为石灰乳。氨碱法生产的主要化学反应可以表示为: C 图1-1工艺流程图1.3 碳化塔的工作原理1.3.1 碳化塔的工艺流程(加qq1596125885) 碳化塔的工艺目的：使氨盐水碳酸化，产生粗大均匀、形状规则的碳酸氢钠结晶沉淀。碳化塔的工艺流程可分为以下三步：第一步清洗：由吸氨工段来的氨盐水进入塔组中的清洗塔顶部，在塔内与清洗塔底圈来自压缩工段含CO240%左右的清洗气逆流接触。清洗气作用有两个：一是将塔内的积碱和NaHCO3疤垢溶解，二是预碳酸化。氨盐水中的CO2含量因而逐渐增加，从底圈出来的溶液称为预碳酸化液（又叫清洗液或中和水），温度在45C左右，CO2含量在5560ti之间。用中和水制碱可以提高制碱塔的生产能力510%，还可以使成品产量增加22.5%。第二步制碱：由中和水泵送来的中和水，分别进入塔组中的制碱塔顶部。来自压缩工段含CO240左右的中段气和含CO280左右的下段气分别进入碳化塔的中部和下部。中和水在碳化塔中自上而下流动过程中，与上升的气体逆流接触，逐渐吸收气体中的CO2，达到过饱和后析出NaHCO3结晶，同时，温度逐渐升高到6068，在塔下部设有列管式冷却水箱，用冷却海水移走反应热。塔内液体下流过程中继续吸收CO2，同时生成较大结晶。当塔内悬浮液到达塔底时，被冷却到30左右。第三步尾气洗涤：为了回收碳化塔顶出来的碳化尾气中的NH3和CO2，来自碳化塔的碳化尾气，进入尾气净氨塔碳化尾气洗涤段底部，来自盐水工段的精盐水，进入尾气净氨塔碳化尾气洗涤段顶部，在塔内向下流动，与由塔底上升的碳化尾气逆流接触，吸收碳化尾气中的NH3和CO2。尾气净氨塔底部出来的淡氨盐水送往吸氨工序。1.3.2 碳化塔的工作图解各气体，液体，固体的进出口及各段发生的化学反应及一些温度条件、压力条件。下进气段的成分：CO2 含量在76以上，惰性气体含量在20左右，H2O（气态）含量在4左右。下气段的气体上升到中气段进口处，要使塔内的CO2的含量应稍高于或等于中气段的CO2含量（约4042），以免发生剧烈的反应区，生成大量的结晶，造成堵塞。 中进气段的成分：CO2的含量在37左右，N2的含量在60左右，H2O（气态）含量在3左右。这段的主要反应:，并且放出热量，为了控制温度，则在外圈设这水箱，降低温度。分离器回卤入口成分为NaCl溶液为了控制塔内的NaCl的含量，使反应在一定的含量下。 碳酸化氨卤入口成分:CO2含量为26左右，N2含量为72左右，H