φ1600绕带式尿素合成塔设计

1、四川理工学院毕业设计 1600绕带式尿素合成塔设计学 生：学 号：09011010129专 业：过程装备与控制工程班 级：2009.1指导教师：周敏 四川理工学院机械工程学院二O一三年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 1600绕带式尿素合成塔设计 学院：机械工程学院专业：过程装备与控制工程班级：2009级1班学号：09011010129 学生： 指导教师： 周敏 接受任务时间 2013年3月1日 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设计(论文)的原始数据本课题为中型化肥厂的尿素合成塔，采用常规设计。年产13万吨尿素，塔体为绕带式

2、，计风载荷（自贡）、偏心载荷。按地震烈度7级2类土地计算。2指定查阅的主要参考文献及说明机械设计手册，机械工业出版社 GB150-98钢制压力容器以及相关标准机械制图，清华大学出版社材料与零部件，化工设计手册编写组，上海人民出版社高压容器设计上海人民出版社 尿素生产工艺期刊主要有：中氮肥、化工设计通讯、化工机械、化肥工业3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1资料收集，阅读文献，完成开题报告3月 1 日至3月20日2完成所有结构设计和设计计算工作3月21日至4月21日3完成所有图纸绘制4月22日至5月22日4完成设计说明书5月23日至6月 1日5完成图纸和说明书的修改，答辩的准备和毕业

3、答辩6月 2 日至6月10日摘 要尿素是一种高效氮肥，在农业中大量使用。尿素工业中，常采用液氨和二氧化碳在高温高压下生成尿素。尿素合成塔是尿素生产装置中的主要设备之一。它在尿素生产流程中占有重要的地位，决定着尿素的产量。本设计为绕带式尿素合成塔，常规设计。工艺为水溶液全循环法。首先对工艺进行计算，然后根据GB150-2011进行结构设计、强度计算。最后绘制装配图和零件图。关键词：绕带式；尿素合成塔；结构设计；强度计算ABSTRACTUrea is a nitrogen fertilizer efficiency，large-scale use in agricultureUrea indust

4、ry，often using ammonia and carbon dioxide at high temperature and pressure to generate ureaUrea reactor is urea production unit of the main equipmentIt urea production process occupies an important position，determines the production of ureaThe design for the Wound urea reactor，the conventional desig

5、nTotal recycle processes in aqueous solutionFirst，the calculation of the process，and then according to GB150-2011 structural design，strength calculationFinal assembly drawing and parts diagramKey words: Ribbon wound；urea synthesis reactor；Structural design；Strength calculation； I四川理工学院毕业设计目 录摘 要IABS

6、TRACTII第一章 绪论11.1尿素的简介11.2尿素的性质11.2.1尿素的物理性质11.2.2尿素的化学性质11.3尿素工业的发展与现状21.4尿素的生产方法21.4.1合成尿素的化学反应过程21.4.2尿素生产工艺分类31.4.3水溶液全循环法工艺流程3第二章 工艺计算62.1水溶液全循环法物料流程物料衡算条件的确定62.1.1计算基准62.1.2成品规格62.1.3原料消耗定额62.1.4每吨成品中NH3损失量72.1.5 NH3损失量在系统中具体分配72.1.6每吨成品中CO2损失量72.1.7 CO2损失量在系统中具体分配72.1.8每吨成品在制造过程中尿素的损失量及其在系统中具

7、体分配82.1.9生产过程中水解消耗的尿素量及其在系统中具体分配82.1.10缩二脲在各处的生成量82.1.11尿素缩合成缩二脲需耗用尿素量82.1.12每吨成品尿素需要在过程中生成的尿素量82.1.13在系统中循环的尿素92.1.14解吸塔废液中各组分的数量92.1.15排出的二段蒸发冷凝液中各组分的数量92.2物料衡算92.2.1压缩系统92.2.2合成系统122.2.3一段分解系统152.2.4二段分解系统202.2.5一段蒸发系统212.2.6二段蒸发系统262.2.7吸收解吸系统292.2.8二段吸收系统352.2.9一段吸收系统372.3合成塔热量衡算40第三章 尿素合成塔的结构选

8、型及论证463.1尿素合成塔的总体结构及其基本要求463.1.1合成塔的总体结构型式463.1.2合成塔设计的基本要求463.2尿素合成塔的筒体的结构型式及其论证473.2.1单层外壳，松衬或爆炸不锈钢衬里层473.2.2热套多层筒体，热套内层不锈钢衬里层或松衬不锈钢衬里层473.2.3多层包扎式筒体，松衬不锈钢内层483.2.4多层绕板式筒体，内衬不锈钢衬里483.2.5绕带式筒体，内衬不锈钢衬里493.3尿素合成塔密封结构的选型及论证503.3.2高压密封结构分类及要求503.3.3高压容器常用密封环比较513.3.4尿素合成塔密封结构的选型及论证52第四章 尿素合成塔设备和内件材料的选择

9、544.1材料选择的原则544.2筒体材料选择及论证544.3衬里、接管和内件材料的选择55第五章 尿素合成塔的结构设计计算575.1尿素合成塔的有效容积575.1.1设计条件575.1.2设计程序575.1.3计算575.2筒体设计计算585.2.1设计条件585.2.2强度设计计算585.3密封件的设计计算615.3.1密封件材料选择及结构尺寸的确定615.3.2主螺栓载荷计算625.3.3主螺栓及主螺母的设计计算655.4筒体端部法兰设计计算675.4.1法兰结构型式675.4.2材料选择685.4.3法兰的结构尺寸685.4.4法兰结果尺寸参数695.4.4法兰强度校核705.5筒体端

10、部平盖的设计计算735.5.1平盖的材料选择735.5.2平盖的结构尺寸735.5.3平盖的设计计算745.6底封头的设计计算775.6.1底封头的结构型式775.6.2底封头的材料选择775.6.3底封头的设计计算775.7裙座785.7.1裙座材料的选择785.7.2裙座的结构选型785.7.3裙座尺寸的确定785.7.4裙座与壳体的连接形式795.8塔板795.8.1塔板类型的选择805.8.2径流式尿素塔板简介805.8.3径流式尿素塔板的创新结构设计815.8.4径流式尿素塔板的优势815.8.5塔板材料815.8.6塔板数的确定815.8.7塔板结构82第六章 开孔及开孔补强836

11、.1接管836.1.1接管材料836.1.2接管内径计算836.1.3接管壁厚846.2开孔856.3开孔补强866.3.1补强结构866.3.2补强计算87第七章 塔强度计算和稳定校核957.1塔体的自振周期计算957.1.1塔器的质量载荷957.1.2塔体自振周期的计算957.2风载荷和风弯矩967.2.1风载荷的计算967.2.2风弯距的计算997.2.3偏心载荷1007.3地震载荷1007.3.1地震载荷1007.3.2地震弯矩计算1017.3.3各计算截面的最大弯矩1027.4强度和稳定性校核1037.4.1各种载荷引起的轴向应力1037.4.2塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核10

12、47.4.3塔体水压实验和吊装时的应力校核1067.4.4裙座基础环设计1077.4.5地脚螺栓计算107结论109参考文献110致谢112附录113第一章 绪论1.1尿素的简介尿素是一种由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，其学名碳酰二胺、碳酰胺、脲 。国际称问为Carbamide。尿素是动物蛋白质代谢后的产物，可以作为植物的氮肥。外观为白色晶体或粉末，其化学公式为 CON2H4 、(NH2)2CO 或 CN2H4O。 尿素是人体或其他哺乳动物中含氮物质代谢的主要最终产物。它在肝脏中由氨与二氧化碳通过鸟氨酸循环而缩合生成。尿素是第一个由无机物质人工合成得到有机化合物。活力论从此被推翻。尿素在医学

13、，农业，商业，饲料添加，化妆品，工业中都有广泛的应用。医学上，皮肤科以含有尿素的某些药剂来提高皮肤的湿度。农业上，尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，也能用于生产多种复合肥料。施用后，能疏花疏果、调节花量、防治虫害，而且土壤中不残留任何有害物质，因此长期施用没有不良影响。工业上，尿素对钢铁、不锈钢化学抛光有增光作用，在金属酸洗中除了可以用作缓蚀剂，还能用于钯活化液的配置。1.2尿素的性质1.2.1尿素的物理性质尿素呈弱碱性，是一种无色或白色结晶体，成针状或棒状，工业品和农业品多为白色略带微红色固体颗粒，带有刺鼻性气味。尿素含氮量约为46.67%，密度1.335g/cm3，熔点132.7 oC

14、，导热系数为7991w/ (m2k)，且溶于水、醇，难溶于乙醚、酯、氯仿等，但其溶解度随温度的升高而增加。1.2.2尿素的化学性质1尿素呈弱碱性，可以与酸作用生成盐，但不能使一般指示剂变色。2尿素在酸性或中性溶液中，但在60oC以下，尿素不发生水解作用。随着温度的升高，水解速度加快，水解程度也增大 其水解反应：CO(NH2)2H2ONH4COONH2NH4COONH2+H2O(NH4)2CO3(NH4)2CO32NH3+CO2+H2O3尿素在高温下可以进行缩合反应，生成缩二脲，缩三脲和三聚氰酸。其缩合反应：2CO(NH2)2NH2-CO-NH-CO-NH2NH3NH2CONHCONH2CO(N

15、H2)2NH3-CO-NH-CO-NH-CO-NH2NH3NH2CONHCONHCONH2(HCNO)3NH34尿素在氨水等碱性催化剂作用下能和甲醛作用生成尿甲醛缩合物。1.3尿素工业的发展与现状伊莱尔罗埃尔（Hilaire Rouelle）在1773年首次发现尿素。但是直到1828年，德国化学家弗里德里希维勒才使用无机物质氰酸铵与硫酸铵人工合成了尿素，开辟了以无机物合成有机物的先河。20世纪30年代，世界上第一次实现尿素的工业化生产，但是是连续不循环法生产尿素。40年代中，改进为部分循环法工艺；50年代末，实现水溶液全循环法工艺的工业化生产。之后，陆续出现各种水溶液全循环法工艺。1967年，

16、荷兰Snamprogetti工程公司率先开发成功高压等压气提工艺，以CO2气作为气提剂，并实现了工业化上产。随之意大利Snamprogetti工程公司开发成功氨气提工艺。我国二十世纪六十年代开始生产尿素，先后建设了一大批中型氮肥厂和小型氮肥厂。直到世纪七十年代，我国开始引进大型氮肥合成氨装置，同时也促进了尿素合成工业的发展，进行了尿素合成塔的改造。目前我国已是世界尿素生产的大国，生产能力居世界首位，但由于我国人口众多，粮食需求量也是世界首位，尿素总需求量仍然满足不了要求。几十年来，中国氮肥工业的发展还算尽人意，在引进国外先进技术的同时也不断自我创新，开发新工艺新装置，不断减少能源的消耗，提升氮

17、肥工业的产量和产率，使国内的氮肥工业处在世界领先位置。1.4尿素的生产方法1.4.1合成尿素的化学反应过程工业上尿素直接由液氨和二氧化碳直接合成，其总反应式为：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJmol实际上氨和二氧化碳合成尿素的反应分两步进行，首先由氨NH3和二氧化碳CO2合成为中间产物氨基甲酸铵NH4COONH2。其反应如下：2NH3(g)+CO2(g)=NH4COONH2(l) +159.47kJmol该步是一个可逆的体积缩小的强放热反应，虽然次反应速率很快，但必须在液相中进行。因此原料氨必须以液态供给，CO2则液或气态均可；然后氨基甲酸铵NH4COONH2脱水成为尿

18、素NH2CONH2。其反应如下：NH4COONH2(l)=NH2CONH2(l)+H2O(l) -28.49kJmol此步是吸热的化学反应，反应速度较慢，要很长时间才能达到平衡，并且达到平衡时也不能使氨基甲酸铵全部脱水转化为尿素。氨基甲酸铵脱水反应必须在液相中进行，即氨基甲酸铵是熔融状态，因此操作温度必须高于氨基甲酸铵的熔点使其呈熔融状态，而且需要较高压力才能有稳定的液相状态存在。1.4.2尿素生产工艺分类按未反应物的循环利用程度，尿素生产工艺可分为不循环法、半循环法和全循环法三种。按照分离回收方法的不同主要分为水溶液全循环法、气提法等。气提法按介质的不同，分为二氧化碳气提法、氨气提法、变换气

19、气提法。此次设计选用水溶液全循环法，因此下面重点介绍水溶液全循环法。1.4.3水溶液全循环法工艺流程水溶液全循环法是在尿素生产中将未转化成尿素的氨和二氧化碳经减压加热和分离后，重新循环反应。全循环法尿素生产主要包括四个基本过程：(1) 二氧化碳的压缩；(2) 氨输送和尿素合成；(3) 循环回收；(4) 尿素溶液的加工。溶液全循环法尿素合成工艺流程简图见1-1图。(1) 二氧化碳的压缩来自脱碳工段的CO2气体经分离器分离后进入CO2压缩机，再经五段压缩至22MPa，送往尿素合成塔。(2) 氨输送和尿素合成进入合成塔的液氨由两部分组成。原料液氨经过氨过滤器过滤，进入到液氨缓冲槽的原料室中。循环系统

20、回收的液氨，进入液氨缓冲槽的回流室。循环系统回收的液氨一部分作为吸收塔的回流氨，多余的液氨流过溢流隔板进入原料室，与新鲜原料氨混合。混合后的液氨进入高压液氨泵，被加压到22MPa，送入尿素合成塔。(3) 循环回收经尿素合成塔反应后，产物减压进入到预分离器。在预分离器分离中分离闪蒸气体后，为了使液相中甲铵与过剩氨进一步分解、气化，气相中的水蒸汽冷凝，溶液流至预蒸馏塔，与一段来自加热器的热气体逆流接触换热，进行蒸馏。蒸馏后的尿液自下而上进入蒸汽加热器管内，在蒸汽的加热作用下约88%的甲铵分解。预分离器分离出的气体去一段吸收外冷凝器，而塔底排出的液相减压后至二段分解塔。预蒸馏塔出来的气体与二甲铵液进

21、入降膜式真空预浓缩气器，在预浓缩气器的热能回收段加热尿液。从热能回收段出来的气液混合物与预分离气体混合后进入一段吸收外冷凝器。通过软水的循环冷却，气体发生冷凝。从一段吸收冷凝器出来的气液混合物进入到一段吸收塔，但是这个过程中未被吸收的气体被来自惰性洗涤器的浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步吸收，然后从一段吸收塔顶排出的气体氨进入到氨冷凝器。不凝气体至惰性洗涤器，被来自二段循环第二冷凝器的氨水吸收，尾气经减压后至尾气吸收塔。惰性洗涤器排出的氨水到一段吸收塔顶部，一段吸收塔底部出来的的浓氨基甲酸铵溶液用高压泵压回到尿素合成塔。预蒸馏塔排出的尿液经减压后和来自二段分解加热器的气体在二段分解塔逆流接

22、触后，进入加热段被蒸汽加热，用于分解尿液中残留的过剩氨和甲铵。来自加热段的气液混合物在分离后，其中的尿液经减压后进入降膜式真空预浓缩器，二段分解塔顶排出的气体和水解系统的解吸气混合后进入二段循环第一冷凝器，然后被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的二段甲铵液由高压泵送往真空预浓缩器，进行热能回收。出二段循环第一冷凝器的气体，在二段循环第二冷凝器内继续被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的氨水，生成的氨水再由泵送往惰性洗涤器，尾气则送至尾气吸收塔。惰性洗涤器与二段循环第二冷凝器的尾气混合后进入尾气吸收塔，其中被碳铵液吸收后的进入碳铵液槽贮存，没有吸收的尾气通过放空总管放空。合成尿素后的物料分段减压；未反应的

23、甲胺被加热分解生成尿素，游离的氨解析出来，然后将氨和二氧化碳冷凝成液氨和吸收成氨基甲酸铵水溶液，用泵加压返回合成系统中去循环利用。和在尿素合成塔中进行反应，并且部分地转化为尿素，部分反应物随尿液从塔顶排出并进入分离循环回收系统。回收系统按压力分为几个等级，各自形成循环，每一循环包括液相反应物的分解和分离，和气相分解物的吸收和冷凝。含有尿素的物流从较高压力的循环流入下一压力等级的循环，直至成为基本不含和的尿素溶液。从各级循环中分出的未反应物则通过吸收、冷凝等方式转为液相，再逐级逆向地从低压送往高压，最后退回合成塔，再次进行尿素合成。(4) 尿素溶液的加工分离出来的熔融尿素溶液送往造粒塔，通过顶部

24、的旋转喷头进行造粒，造粒塔底部得到的成品颗粒尿素。图1-1溶液全循环法尿素合成工艺流程简图31第二章 工艺计算在尿素生产过程中的物料衡算同其他化学过程的物料衡算一样，依据质量守衡定律，通过计算求得加入个设备和离开各设备的物料各组份的成份、重量和体积。为进一步进行热量衡算、设备计算、化工管道计算等提供定量的依据。物料衡算根据下列公式： 式中：输入物料总和； 输出物料总和； 损失物料总和。对于水溶液全循环法尿素工艺，由于物料的循环，在计算物料平衡时候，全系统物料平衡的完整性很重要。改变某设备的任何一个参数都会影响全系统的物料平衡。各设备的物料衡算，必须在全系统物衡算完成以后才能判断各设备物料衡算的

25、结果。因此对尿素生产过程必须进行全系统的物料衡算。2.1水溶液全循环法物料流程物料衡算条件的确定在进行物料衡算之前，必须确定由系统输入、输出、损失等物料量及计算基准等计算条件。尿素物料衡算有下列各项：2.1.1计算基准尿素物料衡算常以每吨成品（其中含N246%尿素）为基准。2.1.2成品规格 国家或化工部标准规定。特殊要求者可根据设计任务书规定。粒状尿素成品规格：（重量比）含N2量 46%（相当于尿素98.7%，不包括缩二脲含氮量）缩二脲 0.9%为：16.79+9.86=26.65公斤分子或1172.69公斤除去由气相进入之CO2即为氨基甲酸铵溶液中之CO2量，即为：1172.69-735.

26、06=437.63公斤或26.65-16.71=9.94公斤分子i) 溶液中NH3量据已知条件，甲铵液中NH3 /CO2=3.1（分子比）故溶液中含NH3：3.19.94=30.81公斤分子或523.84公斤ii) 溶液中H2O量据已知条件，合成塔内H2O /CO2=0.65（分子比）除去气相带入水分外即为甲铵液中水分：0.6526.65-0.0155=17.3045公斤分子或311.53公斤iii) 溶液中的尿素 由计算条件知为2.5公斤或0.042公斤分子(1) 原料液NH3量NH3的消耗定额除去高压氨泵的漏损11.69公斤其余全部进入合成塔。580-11.69=568.31公斤或33.4

27、3公斤分子(2) 循环液NH3量已知合成塔入口NH3 /CO2 =4.1（分子比）故进入塔总NH3量为：4.126.65=109.27公斤分子或1857.59公斤除去原料液NH3及由甲铵液带入NH3外均为循环返回之氨109.27-33.43-30.81=45.03公斤分子或765.44公斤2、出合成塔各组分物料量计算(1) 尿素量1007.54+2.5=1010.04公斤或16.832公斤分子(2) 氨基甲酸铵量假设未转化为尿素的CO2最后均以氨基甲酸铵形态出塔，可得9.86公斤分子或9.8678=769.08公斤其中：CO2：9.86公斤分子或433.84公斤 NH3：29.86=19.72

28、公斤分子或335.24公斤(3) 过量NH3生成尿素消耗NH3 16.79 2=33.58公斤分子或570.86公斤进入合成塔总NH3除去生成尿素耗用及生成氨基甲酸铵外，全部为过量NH3 109.27-33.58-19.72=55.97公斤分子或951.49公斤(4) H2O量原料及氨基甲酸铵带入水分及尿素反应生成水之和0.0155+17.3045+16.79=34.11公斤分子或613.98公斤(5) N2和O2量 无变化，同入口数量。（三）合成系统物料平衡表表2-2 合成系统物料平衡表收入项目公斤公斤分子支出项目公斤公斤分子原料CO2气 其中：CO2 O2 N2 H2O原料液氨循环液氨氨基

29、甲酸铵液 其中：NH3 CO2 H2O 尿素743.369735.062.895.140.279568.31765.441275. 50523.84437.63311.532.517.000216.710.090.18470.015533.4345.0358.096530.819.9417.30450.042反应后混合物其中：尿素氨基甲酸铵 CO2 NH3 过量NH3 H2OO2N23352.621010.04769.08433.84335.24951.49613.082.895.14136.766716.8329.869.8619.7255.9734.110.090.1847总 计3352.

30、62153.5567总 计3352.62136.7557说明：进出物料差：153.5567-136.7667=16.79公斤分子。因合成反应生成的尿素而减少之公斤分子数。2.2.3一段分解系统(一) 一段分解系统工艺条件1、一段分解系统总的氨基甲酸铵分解率：88%2、一段分解系统总的过量氨蒸出率：90%3、一段分解系统预分离器的氨基甲酸铵分解率：15%4、一段分解系统预分离器的过量氨蒸出率：66%5、预分离器出口气相中水分含量：4.65%（分子比）6、一段分解分离器出口气相中水分含量：17%（分子比）7、一段分解加热器操作条件：压力P=18公斤/厘米（绝）温度T=160C(二) 一段分解系统工

31、艺计算1、预分离器的物料衡算(1) 预分离器出口气体组成a. 气体中的CO2 9.860.15=1.48公斤分子或65.08公斤b. 气体中的NH3 由过量氨蒸出的：55.970.66=36.94公斤分子或627.98公斤由氨基甲酸铵分解得的：1.482=2.96公斤分子或50.32公斤共计：36.94+2.96=39.90公斤分子或678.3公斤c. 气体中的H2O除水以外气相中其他组分：1.48+39.90+0.09+0.18=41.65公斤分子故水量为：或36.72公斤d. 气体中的惰性气O2： 0.09公斤分子或2.89公斤N2：0.18公斤分子或5.14公斤(2) 预分离器出口溶液组

32、成a. 溶液中的CO2 9.86-1.48=8.38公斤分子或368.72公斤b. 溶液中的NH3 （55.97+19.72）-39.9=35.79公斤分子总计381.4720.866总计381.4720.8662.2.6二段蒸发系统（一）二段蒸发系统工艺条件1、二段蒸发器的操作压力：P=0.034公斤/厘米（绝） 或25毫米汞柱（绝）2、二段蒸发表面冷凝器的操作压力：P=65毫米汞柱（绝） 操作温度：t=40 C3、二段蒸发后尿素溶液的浓度为99.7%（重量比）4、二段蒸发升压器蒸汽消耗量为72公斤，进入升压器的空气量为0.46公斤。5、二段蒸发喷射器（A）的蒸汽消耗量为8.16公斤，空气加

33、入量为0.47公斤。（二）二段蒸发系统工艺计算(1) 二段蒸发器的物料衡算a. 二段蒸发器内生成缩二脲的计算二段蒸发器内生成缩二脲量，根据物料平衡计算条件为2公斤或0.019公斤分子消耗尿素放出b. 二段蒸发器内尿素水解反应的计算尿素水解量1.5公斤或0.025公斤分子水解生成的20.025=0.05公斤分子或0.85公斤水解生成的0.025公斤分子或1.1公斤水解消耗的水0.025公斤分子或0.45公斤c. 蒸发蒸汽组成蒸发蒸汽中含0.025公斤分子或1.1公斤蒸发蒸汽中含0.019+0.05=0.069公斤分子或1.173公斤蒸发蒸汽中夹带尿素二段蒸发蒸汽中夹带的尿素经冷凝后部分经二段循环

34、冷凝器返回合成塔，部分排除。故尿素量为2.5+1.2=3.7公斤或0.062公斤分子d. 二段蒸发后尿素熔融物的组成尿素熔融物中的尿素16.614-（0.039+0.025+0.062）=16.488公斤分子或989.53公斤尿素熔融物中的缩二脲0.068+0.019=0.087公斤分子或9公斤尿素熔融物中的水（式中0.3成品中水分含量；98.7成品中尿素含量。）e. 蒸发蒸汽中的41.54-（3.01+0.45）=38.08公斤或2.118公斤分子(2) 二段蒸发器物料平衡表 表2-10 二段蒸发器物料平衡表收入项目公斤公斤分子支出项目公斤公斤分子总计280.54214.207总计280.5

35、4214.2073、二段循环第二冷凝器的物料衡算(1) 二段循环第一冷凝器未被吸收的气氨在二段循环第二冷凝器内全部被吸收，故二段循环第二冷凝器出口之氨水组份为：0.637公斤或0.014公斤分子：0.721+54.979=55.7公斤或3.278公斤分子：62.02公斤或3.44公斤分子尿素：1.78公斤或0.03公斤分子(2) 二段循环第二冷凝器物料平衡表，见表2-15所示。2.2.9一段吸收系统（一）一段吸收系统工艺条件1、惰性气体洗涤器操作条件：压力P=18公斤/厘米（绝）温度T=44C2、惰性气体洗涤器出口气体中不含水份。3、一段吸收塔操作条件：压力P=18公斤/厘米（绝）。4、一段吸

36、收塔出口气体中不含及。表2-15 二段循环第二冷凝器物料平衡表收入项目公斤公斤分子支出项目公斤公斤分子二段蒸发冷凝液其中： 尿素二段循环第一冷凝器来气氨气氨65.1580.6570.72162.021.7854.9793.5260.0140.0423.440.033.228二段循环第二凝器出口氨水其中： 尿素120.1370.63755.762.021.786.7620.0143.2783.440.03总计120.1376.76总计120.1376.76（二）一段吸收系统工艺计算1、惰性气体洗涤器的物料衡算(1) 进口惰性气组份由氨冷凝器物料衡算得知：22. 95公斤或1.35公斤分子：2.8

37、9公斤或0.09公斤分子：5.14公斤或0.18公斤分子总计：30.98公斤或1.62公斤分子(2) 出口未被吸收气体组份由尾气吸收塔物料衡算得知：3.68公斤或0.216公斤分子：2.89公斤或0.09公斤分子：5.14公斤或0.18公斤分子总计：11.71公斤或0.486公斤分子(3) 由二段循环第二冷凝器来氨水组份：0.637公斤或0.014公斤分子：55.7公斤或3.278公斤分子：62.02公斤或3.44公斤分子尿素：1.78公斤或0.03公斤分子总计：120.137公斤或6.762公斤分子(4) 惰性气体洗涤器出口氨水组成：0.637公斤或0.014公斤分子：(22. 95+55.

38、7)-3.68=74.97公斤或4.412公斤分子：62.02公斤或3.44公斤分子尿素：1.78公斤或0.03公斤分子(5) 惰性气体洗涤器物料平衡表 表2-16 惰性气体洗涤器物料平衡表收入项目公斤公斤分子支出项目公斤公斤分子氨冷凝器来气体其中： 二段循环第二冷凝器来氨水其中： 尿素30.9822. 962.895.14120.1370.63755.766.021.781.621.350.090.186.7620.0143.2783.440.03惰性气体洗涤出口气体其中： 惰性气体洗涤器出口氨水其中： 尿素11.713.682.895.14139.4070.63774.9762.021.7

39、80.4860.2160.090.187.8960.0144.4123.440.03总计151.1178.382总计151.1178.3822、一段吸收塔的物料衡算(1) 进口气体由预分离器分解气体和一段分解塔分解气体汇集而成，具体数量由预分离器及一段分解塔物料衡算而得。(2) 进口溶液由二段甲铵溶液和惰性气体洗涤器来氨水两部分分开加入，具体数量由二段循环第一冷凝器及惰性气体洗涤器物料衡算而得。(3) 出口气体由氨冷凝器物料衡算而得。(4) 出口一段甲铵液由合成系统物料衡算而得。(5) 一段吸收塔物料平衡表 表2-17 一段吸收塔物料平衡表收入项目公斤公斤分子支出项目公斤公斤分子预分离器分解气

40、体其中： 一段分解塔分解气体其中： 二段甲铵液其中： 尿素惰性气体洗涤器来氨水其中： 尿素788.1365.08678.3036.722.895.14918.92316.70473.16129.06225.56355.26385.8583.730.72139.4070.63774.9762.021.7843.691.4839.92.040.090.1842.207.2027.837.1710.9711.2545.054.6550.0127.8960.0144. 4123.440.03一段甲铵液其中： 尿素一段吸收塔出口气体其中： 1275. 5523.84437.63311.532.5796.

41、42788.392.891458.096530.819.9417.30450.04246.6546.380.090.18总计2072.02104.757总计2071.92104.7572.3合成塔热量衡算（一）合成塔热量计算依据（计算以25C为基础）1、气（包括惰性气）进口压力221公斤/厘米（绝压），温度125C2、甲铵溶液 进口压力221公斤/厘米，温度100C3、尿素反应物 出口压力221公斤/厘米，温度190C4、物料平衡各进出口物料组分见表2-2。（二）合成塔热量计算方法 尿素合成塔的热量平衡计算，因为参加反应组分和反应条件的不同，反映热平衡难以简单的反应热数据来表示。而在目前对有关

42、的热力学数据尚缺乏的情况下，一般可将各反应阶段分解开来计算，这样就可以把已有的数据用于合成塔的热量平衡计算。（三）合成塔热量计算尿素合成塔的反应可以用尿素合成热平衡计算各项。逐项计算即求出合成塔总的热平衡。尿素合成塔热平衡计算项目，如图2-4所示。器的规定，双锥环密封适用于设计压力6.435MPa，温度为0400 C，内径为4002000mm的压力容器。图 3-7 双锥环密封结构1-主螺图5-7 球面支承面的螺帽一、主螺栓设计计算(1) 螺栓材料 螺栓材料选用：35CrMoA。(2) 主螺栓的强度计算螺栓光杆直径按下式计算： （5-6）式中：W螺栓总载荷，N；n螺栓数目，取n=24；设计温度下

43、螺栓许用应力，MPa；查GB150-2011材料部分将数据代入（5-6）得：查螺栓标准，选用M1054螺栓即可满足设计要求。二、主螺母设计计算(1) 主螺母结构简图如图5-8所示图 5-8 主螺母结构简图(2) 螺母材料根据GB150-2011材料部分螺栓材料对应螺母材料推荐表，螺栓材料为35CrMoA，推荐的螺母材料有：40Mn、45、30CrMoA、35CrMoA。主螺母材料选用40Mn。(3) 结构尺寸的确定螺母一般不需要做强度计算选择与螺栓配套的结构尺寸，查螺母标准，选择M1054六角螺母。螺母高度H：H=(1.01.1)式中：螺栓公称直径，mm；H=(1.01.1)105=(1051

44、15.5)mm取H=110mm螺母的外接圆直径D：D=(1.71.75)= (1.71.75) 105=(178.5183.75)mm取D=180mm螺母下方加工成球面，并支承在球面垫圈上。 5.4筒体端部法兰设计计算法兰尺寸一般由结构型式决定，强度计算仅作校核之用。5.4.1法兰结构型式高压容器端部法兰的结构型式主要有：整体锻造式、组合式、焊接式。见图5-9所示。取腐蚀裕量，则平盖的设计厚度由于是锻件所以=0mm参考相关标准取： 二、平盖的强度校核(1) 纵向断面的弯曲应力按式（5-13）计算 （5-13）代入数据得到： =122MPa式中：内压对平盖的轴向力； 双锥密封反力引起的载荷；(2

45、) a-a周向危险截面的当量应力按式（5-14）计算： （5-14）其中，a-a周向危险截面的弯曲应力按下式计算： （5-15）其中，a-a周向危险截面的剪切应力按式（5-16）计算： （5-16）代入数据得：(3) 校核：已经查得20MnMo锻件在190C时许用应力=189MPa0.70.7所以平盖的强度满足要求，安全。5.6底封头的设计计算5.6.1底封头的结构型式压力容器封头的种类是比较多的。分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。因为半球形封头

46、是最理想的结构形式，受力情况比较好，所以选用半球形封头。5.6.2底封头的材料选择为了焊接时封头和筒体更好的融合，封头选用与筒体相同的材料 Q345R。5.6.3底封头的设计计算一、半球形封头的壁厚按式（5-17）计算： （5-17）假设厚度100mm150mm，查GB150-2011材料部分，Q345R在190C时的许用应力，焊缝采用双面焊对接接头，100%无损检测，。将数据代入式（5-17）可得：取腐蚀裕量，则封头的设计厚度底封头采用Q345钢板冲压， Q345的负偏差，但是球形封头与筒体对接焊接时，为了保证球形封头与筒体对接焊接时焊缝足够，即在满足计算厚度的情况下，应尽量与筒体的厚度相同

47、或接近。所以底封头名义厚度：封头的有效厚度：二、半球形封头的强度校核(1) 接管厚度：(2) 测压，测温插入管厚度：取，参考GB/T17395-2008和HG20592-2009，可得壁厚如下：(1) 液氨接管厚度：(2) 甲铵接管厚度：(3) 尿液接管厚度：(4) 接管厚度：(5) 测压，测温插入管厚度：三、接管尺寸为：参考GB/T17395-2008和HG20592-2009。选取下列管子：液氨接管：甲铵接管：尿液接管：接管：(A系列，其余为B系列)测压，测温插入管：6.2开孔在半球形封头上开三个进料孔，分别为液氨接管孔、二氧化碳接管孔和甲铵接管孔记为A、B、C。取半球形的一个径向截面，A

48、、B、C成内接正三角形分布。(1) 液氨孔第七章 塔强度计算和稳定校核7.1塔体的自振周期计算7.1.1塔器的质量载荷经过前面计算，估计塔高约为25500mm塔壳，裙座和封头质量：附件质量：内构件质量：物料重量：水压试验时候质量：塔器操作质量：塔器最大质量：塔器最小质量：将全塔沿高分为6段，其中裙座分为2段，筒体分为4段如图7-1所示7.1.2塔体自振周期的计算塔的基本自振周期，对于等直径等厚度圆截面塔：=0.564s式中：H塔体高度，；操作质量，kg；塔体内径，mm；有效壁厚，mm；筒体有效厚度一、 最大弯距引起的轴向应力(1) 截面0-0由前面计算得， (2) 截面1-1由前面计算得(3)

49、 截面2-2由前面计算得7.4.2塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核一、 塔体的最大组合轴向拉应力校核由前面的数据可以知：，则：塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的2-2截面上。 所以满足要求。二、 塔体与裙座的稳定校核(1) 截面2-2 塔体2-2截面上的最大组合轴向压应力;材料Q345R，,B=115MPa，所以满足要求。(2) 截面1-1 塔体1-1截面上的最大组合轴向压应力：材料Q235-A，B=107MPa ，结论历时几个月的毕业设计终于做完了，在这几个月的设计中，我学到了很多东西。从开始对设计摸不到门路，然后慢慢地翻书，查阅资料，理清楚思路，对照GB150-2011一步一步设计。在设计的过程使我明白：很多知识需要自己去多看书，多学习。然后把知识运用到实践中去，加深对知识的理解并融会贯通。最初我们在老师的指导下，对设计有了一定的了解，然后翻阅氮肥手册，了解尿素的生产工艺，并确定了自己做水溶液全循环法，同时开始工艺计算。工艺部分完成后，通过二氧化碳的转化率，查到生产强度，以此计算到全容积，再算出规定16