毕业设计（论文）Φ1200热套式尿素合成塔设计.doc

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1、四川理工学院毕业设计 1200热套式尿素合成塔设计学 生：学 号：09011010312专 业：过程装备与控制工程班 级：2009级3班指导教师：王维慧四川理工学院机械工程学院二O一三年六月四 川 理 工 学 院毕业设计任务书设计（论文）题目： 1200热套式尿素合成塔设计 学院： 机械学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 2009级3班 学号： 09011010312 学生： 指导教师： 王维慧 接受任务时间 2013.03.04 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、阅读设计说明书、任务书、明确设计要求及内容。2、明确尿素生产方法，工艺及流程。3、完

2、成所有结构设计和任务书，任务书包括绪论，物料平衡与能量平衡，塔体常规计算，结构构设计，力学校核，专题讨论，结束语。2指定查阅的主要参考文献及说明。1 全国压力容器标准化技术委员会. GB1501998钢制压力容器（国家标准）M . 北京: 学苑出版社,1998.2 郑津洋、董其伍、桑芝富主编. 过程设备设计M.北京: 化学工业出版社教材出版中心出版发行, 2001.83 中国寰球化学工程公司编. 氮肥工艺设计手册(尿素)J. 北京：化学工业出版社1988.93进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1开题报告的撰写2013.03.04-2013.03.252结构设计和设计计算2013.03

3、.25-2013.04.153图纸和论文的撰写2013.04.15-2013.05.064完成图纸和论文的撰写2013.05.06-2013.05.195对图纸和论文的最后修改2013.05.19-2013.05.31摘 要尿素合成塔是合成尿素生产过程中的主要关键设备，因此尿素合成塔的设计和制造显得尤为重要。本设计工艺采用水溶液全循环法，设计中对整个塔设备进行了详细的工艺计算和热量衡算，依据国家标准对尿素合成塔进行了结构设计和强度校核。关键词：尿素合成塔；工艺计算；结构设计；强度校核ABSTRACTUrea synthetic tower is the key equipment in the

4、 process of synthesis of urea production, thus is particularly important to design and manufacture of urea. The aqueous solution total cycle method is adopted in this design process, to the whole tower equipment in detail in the design of process calculation and heat balance, according to the nation

5、al standard of urea synthesis tower structure design and strength check.Keywords: Urea synthesis reactor;Process calculation;Physical design;Intensity check目 录摘要ABSTRACT第1章 绪论11.1 尿素的发现11.2 尿素的性质1 1.2.1 尿素的物理性质11.2.2 尿素的化学性质1 1.3尿素的用途11.4 尿素工业发展与现状21.5 水溶液生产原理41.5.1 反应原理41.6 生产工艺流程5第2章 材料选择92.1材料选择原

6、理9第3章 尿素合成塔的结构选型及论证.10第4章 物料与能量衡算174.1 物料衡算174.2 能量衡算18第5章 尿素合成塔的结构设计计算205.1 尿素合成塔的有效容积205.2.2 强度设计计算215.3 密封件的设计计算215.4 筒体端部法兰设计计算265.4.1 法兰结构型式265.5.3 设计计算285.6 底封头的设计计算305.6.1封头材料31 5.6.2设计计算315.7 裙座315.8 塔板32第6章 开孔及开孔补强346.1 接管34 6.1.1 接管材料346.2 开孔356.3 开孔补强366.3.1 补强的形式36第7章 塔设备强度设计和稳定性校核407.1

7、塔体的载荷计算40 7.1.1 塔体的质量载荷407.2 强度及稳定性校核467.2.1各种载荷引起的轴向应力46第8章 专题讨论49第9章 结论.51参考文献 .52致谢.53第1章 绪论1.1尿素的发现1773年，伊莱尔罗埃尔（Hilaire Rouelle）发现尿素。1828年，弗里德里希维勒首次使用无机物质氰酸钾与硫酸铵人工合成了尿素。本来他打算合成氰酸铵，却得到了尿素。哺乳动物、两栖动物和一些鱼的尿中含有尿素；鸟和爬行动物排放的是尿酸，因为其氮代谢过程中的水量比较少。1.2 尿素的性质1.2.1 尿素的物理性质 尿素的化学名称为碳酰二胺，分子式为CO（NH2）2，分子量为61.06。

8、含氮量为46.65% 。在土壤呈中性反应，水分适当时土壤温度越高，转化越快；当土壤温度10时尿素完全转化成铵态氮需710天，当20需45天，当30需23天即可。纯尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶。1.2.2 尿素的化学性质尿素的主要化学性质有：1.尿素呈微碱性，可以与酸性作用生成盐。但尿素不能使一般指示剂变色。2.尿素有水解作用：在酸性、碱性或中性溶液中，在60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（在80，一小时内可以水解0.5%；110，一小时内可增加到3%）。3尿素和甲醛的缩合反应：尿素和甲醛作用生成甲醛缩合物。此缩合物可作为脲醛塑料的原料，也是一

9、种很好的缓效肥料。1.3尿素的用途尿素原料主要是二氧化碳和氨。尿素产品用途广泛，其主要用作化肥。工业上还用作制造脲醛树酯、聚氨酯、三聚氰胺-甲醛树脂的原料，在医药、炸药、制革、浮选剂、颜料和石油产品脱蜡等方面也有广泛的作途。据统计，我国现有尿素生产企业200多个，规模分为大型（引进48万吨/年以上）、中型（1330万吨/年以上）、小型（413万吨/年），我国中小氮肥企业中90采用煤为原料，近年来产能发展较快。据统计，20052007年尿素新建装置增加产能累计987万吨，加上现有装置产能的自然增长，20052007年我国累计增加尿素产能1340万吨，到2007年底尿素产能达到5300万吨以上。预

10、计20082009年新建装置产能为715万吨，到2009年底全国尿素产能将达到6000万吨。尿素是生理中性肥料，在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响。但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲，又称双缩脲，对作物有抑制作用。我国规定肥料用尿素缩二脲含量应小于0.5。缩二脲含量超过1时，不能做种肥，苗肥和叶面肥，其他施用期尿素含量也不宜过多或过于集中 ，尿素是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用。因此，尿素要在作物的需肥期前48天施用。施用：尿素适用于作基肥和追肥，有时也用作种肥。尿素在转化前是分子态的，不能被土壤吸附，应防止随水流失；转化后形成的氨

11、也易挥发，所以尿素也要深施覆土。尿素广泛存在于自然界中，如新鲜人粪中含尿素0.4。尿素产量约占我国目前氮肥总产量的40，是仅次于碳铵的主要氮肥品种之一,作为氮肥始于20世纪初。20世纪50年代以后，由于尿素含氮量高(4546)，用途广泛和工业流程的不断改进，世界各国发展很快。我国从20世纪60年代开始建立中型尿素厂。19861992年，我国尿素产量均在900万吨以上。目前占氮肥总产量的40。 1.4尿素工业发展与现状尿素最先由鲁爱尔于1773年在蒸发人尿时发现的。1828年佛勒在实验室首先用氨和氰酸合成了尿：HCON +NH3 =CO（NH2）2 此后,出现了以氨基甲酸铵、碳酸铵及氰氨基钙等作

12、为原料的50余种合成尿素的方法.但是因原料难得或因有毒性或因反应条件难以控制或因经济上不合理,在工业上均未得到实现. 1868年巴扎罗夫提出高压下加热氨基甲酸铵脱水生成尿素的方法.1922年首先在德国发本公司奥包工厂实现了以NH3和CO2直接合成尿素的工业化生产,从而奠定了现代工业生产尿素的基础. 合成氨生产为NH3和CO2直接合成尿素提供了原料.由NH3和CO2合成尿素 反应为:2NH3+CO2 CO(NH2)2 +H2O 该反应是放热的可逆反应,其产率受到化学平衡的限制,只能部分的转化为尿素,一般转化率为5070%.因而,按转化物的循环利用程度,尿素的生产方法可分为不循环法、 半循环法和全

13、循环法三种。20世纪60年代以来,全循环法在工业上得到普遍的使用. 全循环法是将未转化成尿素氨和二氧化碳经多段蒸馏和分离后,全部返回合尿素最先由鲁爱尔于1773年在蒸发人尿时发现的。1828年佛勒在实验室首先用氨和氰酸合成了尿素全循环法依照分离回收方法的不同又可分为热气循环法、 气体分离循环法、 浆液循环法、 水溶液循环法 、气提法和等压循环法.其中水溶液循环法和气提法发展最快,以下是对几种尿素生产方法的简单结束。1不循环法和部分循环法 尿素生产工业化早期实现的是不循环和部分循环流程。原料液氨和压缩到高压的二氧化碳气混合进入尿素合成塔进行反应。合成塔出口溶液经一次减压分解，得到较为纯净的尿素水

14、溶液并加工成尿素产品。未反应的NH3和CO2气体不再返回，而是送往氨加工车间，将未转化的氨加工为硫酸铵、硝酸铵等其他产品。这种原料一次通过，未反应物不循环返回合成塔的方法称为不循环法流程。若未反应物经减压加热分解，冷凝后部分返回合成系统，称为部分循环法。 优点：工艺简单、性能稳定。 缺点：无论是不循环法或是部分循环法，在生产尿素时必定伴有大量副产物生成。此法成本高，技术落后，早已淘汰不用。 2.水溶液全循环法 尿素合成反应后，未转化的反应物氨和CO2经过几段减压及加热分解，将其从尿素溶液中分离出来，然后全部返回合成系统，以提高原料氨和CO2的利用率。此法称为全循环法。按照未反应物氨和CO2的回

15、收方式不同，又分为溶液全循环法，气体分离法(选择吸附)，浆液循环法和热气循环法等。. 传统水溶液全循环法。 原料液氨和二氧化碳同循环尿素合成后未反应物氨和CO2，经分解分离后，用水吸收成甲铵溶液，然后循环回合成系统称为水溶液全循环法。自20世纪60年代起迅速得到推广，在尿素生产中占有很大的优势，至今仍在完善提高. 改良C法 日本三井东压/东洋工程全循环改良C法，是传统水溶液全循环改进，此法采用较高的合成压力和温度，并取较高的氨碳比和较低的水碳比，转化效率高，降低了分解循环吸收的负荷。采用结晶重熔方法，可制得缩二脲低于0.35%的产品。但热回收利用不高，总能耗低于传统水溶液全循环法。 优点：水溶

16、液全循环法不消耗贵重的溶剂，循环动力消耗较小投资省，曾被广泛采用，为尿素工业的发展做出了积极的贡献。 缺点：但水溶液全循环法存在不少问题.如能量得不到充分利用，反应热被大量的循环液所降温，没有充分利用；一段甲铵泵腐蚀严重，对甲铵泵的制造、操作和维修比较麻烦；为了回收微量的CO2和氨气使流。3.气提法 所谓气提法就是用气提剂如CO2、氨气、变换气或其他惰性气体，在一定压下加热，促进未转化成尿素的甲铵的分解和液氨气化。气提分解效率受压力、温度、液气比及停留时间的影响，温度过高会加速氨的水解和缩二脲的增加，压力过低，分解物的冷凝吸收率下降。气提时间愈短愈好，可防止水解和缩合反应。故气提法是采用二段合

17、成原理，即液氨和气体CO2在高压冷凝器内进行反应生成甲铵，而甲铵的脱水反应则在尿素合成塔中进行。实际上，为了维持合成尿素塔的反应温度，部分甲铵的生成留在合成塔中，而不是全部在高压冷凝器中完。.二氧化碳气提法 工艺的特点：用原料CO2气提，气提效率高，使未转化物大部分直接返回，少量残余物在一次低压分解循环即可回收，省去了中压循环，简化流程。其次，合成压力低，节省压缩机和泵的动力。高压圈内高压冷凝器的余热温度高，用来副产蒸汽，有利于能量的利用，降低蒸汽和冷却水消耗。 二氧化碳气提采用低碳比、低温、低压的合成条件，具有明显的优点，但也用其不足之处：合成反应的CO2转化率较低，增大了循环量。低氨碳比下

18、介质的腐蚀性较严重，因此采用防腐氧气，并需注意爆炸问题。 优点：流程短、设备少、易操作。动力消耗少，循环物料少。操作压力、温度、流量最低，降低了合成塔，压缩机之要求。蒸汽用量，冷却水用量少。输送设备少，无甲铵泵等， 缺点：高压设备腐蚀严重，需特别处理 因流量低，使尿素中缩二脲落高于其他法。.氨气提法 氨气提工艺的特点：提高合成氨碳比，提高原料CO2转化率，并有助于提高气提效率。通过热气提方式，使相当多的未转化物直接返回。高压圈内高压冷凝器副产蒸汽，有利于能量的利用。合成系统采用高碳比，还有助于减轻设备的腐蚀，少加防腐空气。优点：与二氧化碳气提法流程相比，氨气提采用高氨碳比、高温、高压的合成条件

19、，具有一定的优点，合成反应的CO2转化率较高，系统的腐蚀问题较轻。缺点：氨气提（热气提）效率不如二氧化碳气提，需要设中压分解循环，流程长，设备较多。虽然二氧化碳气提法也较好，流程短、效率高，设备少，易操作动力消耗少，循环物料少。操作压力、温度、流量最低，降低了合成塔，压缩机之要求。蒸汽用量，冷却水用量少。输送设备少，无甲铵泵等。但是此合成法技术较新，许多方面还不够成熟，且高压设备腐蚀严重，需特别处理，并且容易爆炸，有一定的危险。 水溶液全循环法和气提法比较，水溶液全循环法应用较广，时间较长，所以无论是技术还是经验方面都较为成熟，水溶液全循环法不消耗贵重的溶剂，循环动力消耗较小投资省。由于我国尿

20、素生产主要采取水溶液全循环法而且由于碳酸铵盐水溶液全循环法工艺及技术相当成熟，设备要求简单且投资相对少，工艺流程方便易行，再添加污水处理系统以后，使整个生产的污染减少，所以这里采用碳酸铵盐水全循环法。 所以从技术性，经验性，经济性，安全性方面综合考虑选用碳酸铵盐水溶液全循法较好。1.5水溶液全循环法生产尿素的原理水溶液全循环法是将未反应的氨和二氧化碳经减压加热分解分离后，用水吸收生成甲铵或碳酸铵水溶液再循环返回合成系。1.5.1反应原理生产尿素的原料是氨和二氧化碳，后者是合成氨厂的副产品。尿素合成反应分两步进行：氨与二氧化碳作用生成氨基甲酸铵(简称甲铵)；甲铵脱水生成尿素，其反应式为： 2NH

21、3+CO2NH2COONH4+159.47kJ NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ式是快速、强放热反应，且平衡转化率高。式是慢速微吸热的可逆反应，且需要在液相中进行。 当温度为170190时，氨与二氧化碳的摩尔比为2.0，压力高到足以使反应物得以保持液态时，甲铵转化成尿素的转化率(以CO2计)为 50%；其反应速率随温度的提高而增大。当温度不变时，转化率随压力的升高而增大，转化率达到一定值后，继续提高压力，不再有明显增大，此时，几乎全部反应混合物都以液态存在。提高氨与二氧化碳的摩尔比，可增大二氧化碳的转化率，降低氨的转化率。在实际生产过程中，由于氨的回收比二氧化碳容易，

22、因此都采用氨过量，一般氨与二氧化碳的摩尔比3。反应物料中水的存在将降低转化率，在工业设计中要把循环物料中的水量降低到最小限度。增加反应物料的停留时间能提高转化率，但并不经济。典型的工艺操作条件是温度180200、压力13.824.6MPa、氨与二氧化碳摩尔比2.84.5反应物料停留时间2540min。1.5.2反应机理液氨和二氧化碳直接合成尿素的总反应为： 2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-103.7kJ。这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，反应在液相中是分两步进行的。首先液氨和二氧化碳反应生成甲铵，故称其为甲铵生成反应：2NH3+CO2NH2COONH4在一定条件下，此反应速率很快，

23、容易达到平衡。且此反应二氧化碳的平衡转化率很高。然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应：NH2COONH4CO(NH2)2+H2O平衡转化率一般为50%70%，此步反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应1.5.3反应速度从生成尿素的反应机理可知甲铵脱水是反应的控制阶段，但甲铵脱水反应在气相中不能进行，在固相中反应速率较慢，而在液相中反应速率较快，故甲铵脱水生成尿素的反应必须在液相中进行。 因此决定反应速率的因素有两个：氨和二氧化碳由气相进入液相的速率液相中甲铵脱水的速率。1.6水溶液全循环法的生产工艺流程1.6.1尿素合成总反应为：2NH3+CO2CO(NH2)2+H2O-10

24、3.7kJ 实际上反应是分两步进行的，首先是氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵：2NH3+CO2NH2COONH4+159.47kJ 该反应是一个可逆的体积缩小的放热反应，在一定条件下，此反应速率很快，客易达到平衡，且此反应二氧化碳的平衡转化率很高.。 然后是液态甲铵脱水生成尿素，称为甲铵脱水反应； NH2COONH4CO(NH2)2+H2O-28.49kJ此步反应是一个可逆的微吸热反应，平衡转化率一般为50%70%，并且反应的速率也较缓慢，是尿素合成中的控制速率的反应。1.6.2流程图介绍水溶液全循环法合成尿素工艺流程图如图1-1，经过加压预热的原料液氨与经压缩后的原料二氧化碳气及循环回收来的氨

25、基甲酸铵液一并进入预反应器。在预反应器内氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵，在进入尿素合成塔，在塔内氨基甲酸铵脱水生成尿素。尿素熔融物从塔顶出来进入预分离器，将氨基甲酸铵和氨进行分离。氨基甲酸铵从预分离器底部出来进入中压循环加热器，用蒸汽加热进一步提高温度，促使残余氨基甲酸铵分解。气、液在低压循环分离器内分离。分离出来的尿液经减压至常压后，进入闪蒸槽，经减压后尿液中的氨基甲酸铵和氨几乎全部清除。自闪蒸槽出来的尿液进入尿液贮槽，用尿素溶液泵打入中压蒸发加热器及低压蒸发加热器，在不同真空度下加热蒸发，气、液分别在中压蒸发分离器及低压蒸发分离器内分离。低压分离器出口尿液浓度达99.7%（质量）以上，用熔

26、融尿素泵打入造粒塔，经造粒喷头撒成尿粒，在塔低得到成品尿素图1-1 水溶液全循环法合成尿素示意流程图1-预反应器；2-尿素合成塔；3-预分离器；4-中压循环加热器；5-中压循环分离器；6-精馏塔； 7-低压循环加热器；8-低压循环分离器；9-闪蒸槽；10-尿素贮槽；11-尿素溶液泵；12-一段蒸发加热器；13-一段蒸发分离器；14-二段蒸发加热器；15-二段蒸发分离器；16-熔融尿素泵； 17-造粒塔预分离器、中压循环分离器、低压循环分离器及精馏塔顶部出来的氨和二氧化碳，进入回收系统。回收的氨与二氧化碳以液氨或氨基甲酸铵的形式返回合成系统循环使用。 一段蒸发分离器、二段蒸发分离器及闪蒸槽出来的

27、气体，大部分水蒸气和少量的氨去冷凝、真空系统，回收残余氨后放空。1.6.3合成尿素工艺流程水溶液全循环法合成尿素工艺流程简图如图1-2，由造气炉产生的半水煤气脱碳后，其中大部分的二氧化碳由脱碳液吸收、解吸后，经油水分离器，除去二氧化碳气体中携带的脱碳液，进入二氧化碳压缩机系统，由压缩机出来的二氧化碳气体压力达到16 kg后进入尿素合成塔。从合成氨车间氨库来的液氨进入氨储罐，经过氨升压泵加压进入高压液氨泵，加压至20kg左右，经过预热后进入甲铵喷射器作为推动液，将来自甲铵分离器的甲铵溶液增压后混合一起进入尿素合成塔。尿素合成塔内温度为186190，压力为200kg左右,NH 3/ CO2的摩尔比

28、和H2O/CO2的摩尔比控制在一定的范围内。合成后的气液混合物进入一段分解，进行气液分离，将分离气相后的尿液送入二段分解，进一步见混合物中的气相除去。净化后的尿液依次进入闪蒸槽、一段蒸发、二段蒸发浓缩，最后得到尿素熔融物，用刮料泵输送到尿素造粒塔喷洒器，经在空气中沉降冷却固化成粒状尿素，并通过尿素塔底机用运输皮带送往储存包装车间图1-2 水溶液全循环合成尿素工艺流程图从一段分解、二段分解出来的气相含有未反应的氨和二氧化碳，分别进入一段吸收和二段吸收，氨和二氧化碳被后面闪蒸、一段蒸发、二段蒸发工段冷凝下来的冷凝水吸收混合形成水溶液，用泵送入尿素合成塔；一段吸收后剩余的气体进入惰洗器稀释后，与二段

29、吸收的残余气体混合进入尾气吸收塔，与一段蒸发、二段蒸发工段气相冷凝除去水后残余的气体混合放空 第2章 材料选择2.1材料的选择原则尿素合成塔连续运行在高温、高压、易燃、易爆和强腐蚀条件下,反应塔是尿素合成装置的关键设备, 其状况的好坏，直接影响到尿素装置长时间安全稳定运行。由于尿素工艺所固有的特点, 高压设备普遍存在腐蚀问题, 有的还相当严重, 因此选择合适的耐腐蚀材料十分重要。设备选材必须考虑不同的工艺条件、温度、压力和介质选用的材料必须能承受苛刻的运行条件设备制造要符合工艺的特殊规范, 并进行必要的试验和处理。现代尿素高压设备所用耐蚀金属材料一般根据用途、功能、接触介质、工作温度和压力等要

30、素综合选择, 选用的材料有碳钢、镍铬耐酸不锈钢、镍铬钥不锈钢、双相不锈钢、钛和金等。据统计, 材料费用在现代化工装置投资中所占比例高达50%。选材方案一般根据材料单价、加工费用和设备使用年限及材料预测寿命确定。2.2筒体外筒材料的选择及论证压力容器常用的低合金钢，主要有钢板16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR、07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR；钢管16Mn、09MnD；锻件16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo.16MnR是屈服极限为340MPa级的压力容器专用钢板，也是中国压力容器行业使用量最大的钢板，

31、它具有良好的综合性能和制造工艺性能，故被广泛应用。本设计将采用筒节材料为热套15MnVR或16MnR。2.3衬里、接管和内件材料的选择目前国际上在尿素耐腐蚀材料的研究和应用方面存在三大流派：(1)以荷兰为代表的也是当前国内外广泛采用的超低碳奥氏体格镍钼尿素用不锈钢216LUG(尿素级)或3l6LMod(改良型)。原316L,3l7L，326L十N至今仍普通采用。最近进一步发展为25222高级尿素用钢。(2)以中国为代表的无镍奥氏体铁索体双相铬锰氮不锈钢A4oCfl7Mnl3Mo2N，具有良好的耐蚀性，其抗应力腐蚀性、缺氧时耐蚀性比316L型优越以日本为代表的超低碳低镍R4钢系00Cr25Ni5

32、Mo2进一步提高了耐蚀性。 (3)有色金属钛。在日本、意大利和中国一些厂家巳采用钛作衬里，耐蚀性很好，在降低加氧量条件下，耐尿液温度可达205，在更苛刻工艺条件下在国际上开始采用锆作衬里，其耐蚀性更好。综合考虑，内衬为10mm的尿素级不锈钢00Cr22Ni5Mo3N铁素体奥氏体双相不锈钢代替316L奥氏体不锈钢；顶部为20MnMo平盖锻件，双锥密封环为20MnMo，底部为16MnR标准椭圆形封头，衬里为手工焊大于8mm的尿素不锈钢；接管为00Cr17Ni14Mo2，裙座材料为Q235-A表2-1 00Cr17Ni14Mo2成分成分CSiMnPSCrNiMo%0.031.02.00.0350.0

33、301618121523第3章 尿素合成塔的结构选型论证3.1尿素合成总体结构机构基本要求尿素合成塔的工艺参数和结构型式的选择，既取决于所担负的生产任务和原料气的成以及操作条件有关。尿素合成塔的设计过程中，一般应考虑下列问题：（1）气液两相充分接触，相际间传热面积大。只有在气液两相充分接触的情况下，相际的传质才能有效进行。作为塔设备，应具有尽量大的两相接触面积，并使这些接触面积被充分利用，才可能得到较高的传质效率。 （2）生产能力大，即气液处理量大。如一定塔径的塔设备在较大的气液负荷时，仍能保证该塔正常、有效地操作，则可减少传质设备的体积，使之更加紧凑。（3）操作稳定，操作弹性大。当塔设备的气

34、相或液相负荷发生一定范围的变化或波动时，设备仍能正常有效地运行。（4）阻力小。如流体通过设备是阻力小，即流体的压降小，则可降低能耗，从而减少设备的操作费用。（5）结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低。（6）耐腐蚀，不容易堵塞。（7）使用寿命长一般要求尿素合成塔外筒使用寿命为2030年，内件使用寿命610年或更长更好 。3.2合成塔的总体结构型式最早使用的尿素培是带夹套的管式反应器随着生产规模的扩大、设备大型化、尿素工艺的发展以及减少动力消耗、节约金属材料等因素的考虑，新型尿素培均改为塔式反应器。尿素塔除因工艺流程不同其内件结构与管口布置略有不同，生产规模不同尺寸大小有别外，总

35、体结构大体上相同。目前生产的尿素合成塔普遍采用单个筒节多层包扎后再焊接封头、平盖、裙座；内部主要由塔板、衬里、接管、螺旋板和筛板等。3.3尿素合成塔的筒体结构型式及其论证3.3.1单层式 优点：简单 制造方便缺点： 深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力； 大型锻件、厚钢板性能比薄钢板差，不同方向力学性能差异大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大； 加工设备要求高。3.3.2组合式3.3.2.1、多层包扎式1、结构：为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相互错开75。筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。2、制造： 用装

36、置将层板逐层、同心地包扎在内筒上； 借纵焊缝的焊接收缩力使层板和内筒、层板与层板之间互相贴紧，产生一定的预紧力； 筒节上均开有安全孔报警。图3-1 多层包扎筒节3、优点： 制造工艺简单，不需大型复杂加工设备； 安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力； 减少了脆性破坏的可能性； 包扎预应力改善筒体的应力分布； 对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。 4、缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）； 无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测； 焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下 环焊缝的坡口切削工作量

37、大，且焊接复杂。深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。5、应用：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。3.3.2.2、热套式1、结构、构造： 内筒（厚度 30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。图3-2 热套筒节2、优点：工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。3、缺点： 筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合； 套合时贴紧程度不很均匀； 套合后，需热处理以消除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力。3.3.2.3、绕板式1、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包

38、扎式筒体的基础上发展起来的。图33 绕板式筒节2、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三块“瓦片”制成。3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达90%以上）。4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。3.3.2.4、整体多层包扎式1、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的筒体结构。图3-4整体多层包扎式厚壁容器筒体2、制造：将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头；在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。3、优点：环、纵焊缝

39、错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大。3.3.2.5、绕带式以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁两种结构: 型槽绕带式; 扁平钢带倾角错绕式(1)型槽绕带式 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内筒上，端面形状见图3-5（a），内筒外表面上预先加工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依次用空气和水进行冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合(见图3-5（b）)，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。图3-5 （a）型槽绕带式筒体 （b）型槽钢带结构示意图优点：筒体具有较高的安全性，机械化程度高

40、，材料损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。 缺点：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机床。（2）扁平钢带倾角错绕式中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入ASME -1和ASME -2标准的规范案例，编号分别为2229和2269。结构：内筒厚度约占总壁厚的1/61/4， 采用 “预应力冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术，环向1530倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。钢带宽约80160mm、厚约416mm，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。图3-6 扁平钢带倾角错绕式筒体优点： 与其它类型厚壁筒体相比，扁

41、平钢带倾角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。综合上述本次设计采用热套式，特点是工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。第4章 物料衡算与能量衡算塔体高度将以知代入（7-1）式得：7.1.3风载荷本设计基本风压以自贡为基准，地面的粗糙度类别为B类。（1）风力计算 风载荷分布如图7-1所示。塔设备中第i计算段所受的水平风力可由下式计算: (72)式中,塔设备中第段的水平风力，N；塔设备中第段迎风面的有效直径，m；风压高度变化系数；各地区的基本风压,；塔设备各计算段的计算高度,m，体型系数；塔设备中第计算段的风振系。 对于塔高H20m时，则按下式计算: (

42、73) 7-1 风载荷分布图式中-脉动增大系数，其值按表72确定，-第段的脉动影响系数，由表73定-第段的振型系数，出表74查得。风载荷计算参看表7-1。表7-1 风载荷计算段 m m N1103500.71.2531.02.4167416.7582103500.71.8011.252.41613325.599363500.71.9671.3352.5769943.718表7-2 脉动放大系数10204060801001.471.571.691.771.831.88200400600800100020002.042.2-2.362.452.532.80400050008000100002000

43、0300003.093.283.123.543.914.14注：1.表中q1为风压，对于B类地区，q1,q3,C类地区， q1-0.71q32.T1为第一自震周期。表7-3 脉动影响系数粗糙度类别高度hit/m1020406080100A0.780.830.870.890.890.89B0.720.790.850.880.890.90C0.660.740.820.860.880.89注：hit为塔设备第i计算段顶部截面至地面的高度，m表7-4 振型系数振系数相对高hit/H度型1.00.80.60.10.020.020.010.20.070.060.052-2截面7.2.2塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核1.塔体的最大组合轴向拉应力校核塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的2-2截面上其中，则满足要求2