氨合成塔說明書.doc

摘 要氨合成塔被稱為合成氨廠的心臟，它是整個合成氨廠生產(chǎn)過程中的主要關(guān)鍵設(shè)備之一。本次氨合成塔設(shè)計的內(nèi)容包括工藝流程的設(shè)計、內(nèi)件結(jié)構(gòu)、材料、外殼結(jié)構(gòu)的選擇、工藝計算、強度計算、消防及其它輔助設(shè)備的設(shè)計、主要零部件的制造工藝、安裝、檢查與維修。是以提高其工作能力、生產(chǎn)效率為目的而設(shè)計的操作方案。本題目涉及的知識面很廣，包括工程制圖、材料力學(xué)、機械原理、機械設(shè)計、化工原理、過程機械制造、過程流體機械、過程設(shè)備設(shè)計、GB12337-1998及GB150-1998等。關(guān)鍵字: 氨合成塔 工藝計算 強度計算 輔助設(shè)備設(shè)計AbstractSynthetic ammonia tower known as the heart of synthetic ammonia plant, which is the synthetic ammonia plant production process one of the key equipment. This is the design of synthetic ammonia tower, the design includes processes for the design, within a structure, materials, mechanical structure choice, crafts calculation, the calculation of intensity, fire and other ancillary equipment design, the main components of manufacturing processes, installation, inspection and maintenance. Is working to enhance its capacity, efficiency of production design for the purpose of the operation. The topics covered a wide range of knowledge, including engineering mapping, materials mechanics, mechanical principles, mechanical design, chemical engineering principles, process engineering, process fluid machinery process equipment design, GB12337-1998 and GB150-1998Key word: synthetic ammonia tower；crafts calculation；the calculation of intensity；ancillary equipment design目錄摘 要IAbstractII第1章緒 論11.1 氨合成塔的發(fā)展?fàn)顩r11.2 氨合成塔的設(shè)計要求11.3 氨合成塔的設(shè)計原則1第2章 氨合成塔的工藝設(shè)計32.1 氨合成塔的工藝流程32.2工藝條件32.3 物料衡算42.4 熱量衡算4第3章 氨合成塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計63.1 材料選用63.2觸媒筐方案計算63.2.1已知條件63.2.2 內(nèi)件結(jié)構(gòu)選型63.2.3 觸媒筐結(jié)構(gòu)方案73.2.4 各傳熱系數(shù)的計算83.2.5 對計算結(jié)果進行校驗123.3 熱交換器的計算143.3.1 設(shè)備選型及設(shè)計條件143.3.2 換熱器熱量計算143.3.3 換熱器有效長度的計算163.3.4 計算總傳熱系數(shù)K203.3.5 換熱器管板厚的確定213.3.6 換熱管穩(wěn)定性校核223.4 氨合成塔筒體設(shè)計233.5 氨合成塔封頭的設(shè)計243.5.1 封頭的結(jié)構(gòu)形式243.5.2 封頭的設(shè)計計算243.6確定群座壁厚253.7 風(fēng)載荷計算263.8 地震載荷的計算283.9 各種載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力計算283.10 塔體強度及軸向穩(wěn)定性校驗293.11 裙座強度及軸向穩(wěn)定性校驗303.12 基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計31第4章 氨合成塔的安裝和維護檢查334.1 氨合成塔的安裝334.1.1 底座的安裝334.1.2 外筒的氨裝334.1.3 內(nèi)件的安裝344.3 氨合成塔的檢查354.3.1 定期檢查364.3.2 非定期檢查36結(jié)論37參考文獻38致 謝39 第1章緒 論1.1 氨合成塔的發(fā)展?fàn)顩r我國的氨合成工業(yè)從薄弱迅速發(fā)展起來，在短短幾年里設(shè)計和采用了三套管、單管并流、兩次合成等多種新型氨合成塔；換熱器的型式也發(fā)生了很大的變化，從單一轉(zhuǎn)化為多樣化，高效傳熱，回收熱能、節(jié)省能源，使氨合成塔的生產(chǎn)能力大大提高，技術(shù)經(jīng)濟指標有所改善。有很多知識分子投入氨生產(chǎn)的研究和生產(chǎn)當(dāng)中，大多數(shù)的氨合成廠都在進一步的擴建當(dāng)中。隨著合成氨技術(shù)的不斷發(fā)展,氨合成塔向單系列、大型化、節(jié)能型方向發(fā)展。目前我國有大型氨合成裝置30 套,所使用氨合成塔有5 種類型,即凱洛格型、托普索型、伍德型、布朗型、卡薩利型。這些塔型根據(jù)氣體流動方向不同,分為軸向流型、徑向流型和軸徑向流型,各有所長。軸向流塔操作穩(wěn)定,催化劑裝量多;徑向流塔效率高,壓力降小,操作敏感性強,要求高效催化?？傊?，我國的氨合成工藝經(jīng)過趕上了發(fā)達國家水平，為我國的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作出了重大的貢獻，所以我們必須不斷探討和掌握氨合成塔的規(guī)律，使氨合成塔的設(shè)計、制造、生產(chǎn)、安裝、維護都達到一個新的水平，而且要繼續(xù)攀登新的高峰，奪取勝利。應(yīng)對氨合成塔進行以下改進：增大觸媒裝填容積，提高利用率；采用新型觸媒，充分發(fā)揮觸媒的活性；降低氣體阻力，改善氣體分布的均勻性；采用兩進兩出兩次合成新工藝；強化傳熱，合理安排冷熱交換，提高熱能回收比率；改善溫度分布，使其達到最佳；簡化系統(tǒng)，使操作集中，提高系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的可靠性1。1.2 氨合成塔的設(shè)計要求(1) 氣體均布氣體均布理論我國在20 世紀70 年代就有研究,主要體現(xiàn)在分布器的設(shè)計、加工上。要求分布器筒體的加工精度高,增大氣流使氣體均布,但會引起局部氣體分布不均,需增加再分布器。再分布器既要起到再分布的效果,又要節(jié)省高壓空間。(2) 用材、焊接要求高氨合成塔內(nèi)件處于高溫、高壓、氫介質(zhì)環(huán)境,對用材要求高,一般用不銹鋼,并且對Cr 、Ni 及鐵素體的含量有嚴格要求,關(guān)鍵部位用Inconel 600Incoloy ,確保不腐蝕開裂。焊接應(yīng)注意焊接接頭的化學(xué)成份和金相組成、焊接接頭和熱影響區(qū)的硬度及焊縫表面質(zhì)量。(3) 解決熱應(yīng)力解決熱應(yīng)力的方法有設(shè)置膨脹節(jié)、設(shè)置填料密封、采用迷宮密封和自由膨脹結(jié)構(gòu),進行精確計算并嚴控加工質(zhì)量,以改善管板受力狀態(tài)2。1.3 氨合成塔的設(shè)計原則 氨合成塔的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式的選擇即取決于所擔(dān)負的生產(chǎn)任務(wù)和原料氣的成分以及操作條件（如壓力、溫度等），又與合成工段其他設(shè)備的能力大小和配置有關(guān)。各部件的具體結(jié)構(gòu)和尺寸不僅取決于結(jié)構(gòu)的要求，而且也取決于所選用的材料性能、強度和剛度的要求、制造和運輸?shù)臈l件、設(shè)備的投資和先進性等因素。所以我們設(shè)計的內(nèi)容包括很多，如工藝流程的設(shè)計、內(nèi)件結(jié)構(gòu)、材料、外殼結(jié)構(gòu)的選擇、工藝計算、強度計算以及很多輔助操作。必須以提高其工作能力、生產(chǎn)效率為目的而設(shè)計更多的操作方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：滿足工藝要求；滿足強度要求；可靠、安全；容易制造、結(jié)構(gòu)簡單、省材料、重量輕、應(yīng)力分布均勻。材料設(shè)計原則：在滿足強度和剛度的要求下主要滿足防腐要求；在滿足設(shè)計條件（處理量、設(shè)計溫度）下盡量選擇便宜易加工的材料，做到經(jīng)濟、耐用、實惠3。3第2章 氨合成塔的工藝設(shè)計2.1 氨合成塔的工藝流程工業(yè)上采用的氨合成流程形式多種多樣，設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作條件各不相同，但是他們的基本合成步驟大致相同：經(jīng)過凈化的氫氮混合氣體經(jīng)壓縮機壓縮到一定的壓力后，自塔頂沿塔壁與內(nèi)筒之間的間隙流下進入熱交換器內(nèi)與反應(yīng)后的熱氣體逆流換熱，然后直接進入中間的出門筐，經(jīng)預(yù)熱后的氣體經(jīng)過上觸媒筐中心管及其中的電加熱器返入觸媒層，氣體在觸媒作用下逐段進行反應(yīng)，反應(yīng)熱由層間冷卻盤管中的高壓循環(huán)水導(dǎo)出，反應(yīng)后的氣體最后流經(jīng)換熱器管間而出塔。有些混合氣不能完全反應(yīng)生成氨氣，必須將剩下的氣體經(jīng)循環(huán)壓縮機補充壓力與壓縮機送入的新鮮氣體混合后再次進行合成，如有些循環(huán)多次操作使惰性氣體超標，則必須放空。工藝流程的好壞直接影響著合成塔的工作效率和正常工作，所以我們要選擇最佳的工藝流程。根據(jù)所給的設(shè)計條件以及實習(xí)現(xiàn)場的觀察，我們采用了不副產(chǎn)蒸汽的氨合成流程圖，如圖2-1所示3。圖2.1 氨合成流程圖2.2工藝條件(1) 氣體處理量:80000Nm3/h(2) 原始數(shù)據(jù)：設(shè)計壓力：29.4MPa 設(shè)計溫度 ：200塔內(nèi)徑：800 換熱器的設(shè)計參數(shù)殼程入口溫度：60 出口溫度：360管程入口溫度：4702.3 物料衡算氣體處理量kmol/h，假設(shè)進塔氣成分為 61.5, 20.5, 2.6, 15.4,出塔氣氨含量為14.計算基準：100公斤分子進塔氣體NT1=100 y1=0.026 y2=0.14由下式計算氨產(chǎn)量公斤分子 （2-1）出塔氣體流量公斤分子出塔氣體成分 其中H2=0.6889=0.5167N2=0.6889 =所以出塔氣體成分為：51.67,17.22,14,17.11.由下式計算合成率 （2-2）合成率為24.39。2.4 熱量衡算設(shè)進塔氣體溫度為30，操作壓力為29.4MPa,熱損失不計，假設(shè)出塔氣溫度為178。進塔氣體平均溫度由附錄中混合氣熱容圖查得29.4MPa壓力下含惰性氣體15.4，氨2.6得混合氣體104時得熱容為7.4千卡/公斤分子。由圖943查得178時千卡/公斤分子1。由下式: (2-3)計算值與假定值基本相符，計算有效。第3章 氨合成塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 材料選用外筒溫度小于200，故其選材只需考慮機械強度、焊接性能和冷熱加工性即可。筒體：內(nèi)筒直接與介質(zhì)接觸，要求防腐蝕好、耐高壓、高溫，可選用0Cr18Ni9外部層板不與介質(zhì)接觸且要求強度高、韌性好，可選用15MnVR。上端蓋：需要具有耐氫腐蝕的性能材料，且應(yīng)使平蓋厚度盡量減小些，選用強度較好的20MnMoNb即可，上端法蘭及下端的球形封頭須鍛造和沖壓，要求強度好、耐腐蝕的材料，可選用18MnMoNbR。換熱器的管板：換熱器、殼體、擋板、隔熱板等重要部件應(yīng)采用Cr18Ni9，而麻花鐵等輔助部件選用AF（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）即可。觸媒筐及、花板、殼體、中心管、冷氣副線等均可采用Cr18Ni9。對于其他的一些輔助部件的材料選則見裝配圖的明細表。43.2觸媒筐方案計算3.2.1已知條件 (1) 操作壓力：294大氣壓 (2) 進塔氣成分：氨含量 氨分解基惰性氣4 氫氮比為3 (3) 采用A6型觸媒，粒度以3344毫米的為主，還原后床層高度收縮量取為3%。3.2.2 內(nèi)件結(jié)構(gòu)選型觸媒筐是氨合成塔的心臟，它的設(shè)計好壞直接影響合成塔的產(chǎn)量和消耗定額，一個好的觸媒筐設(shè)計應(yīng)具備如下要求： (1) 能保證觸媒筐在升溫還原過程中均能得到充分的還原，盡可能的提高觸媒的活性，達到最大的生產(chǎn)強度。(2) 能有效的移走反應(yīng)熱，合理的控制觸媒層的溫度分布，使其逼近最佳的操作溫度線，并進可能的縮小同平面溫差，提高氨凈值和觸媒的使用壽命。(3) 能保證氣體均勻地通過觸媒層那嘎，阻力小、氣體處理量大、提高氨產(chǎn)量。(4) 充分利用高壓空間，盡可能多裝觸媒，提高容積利用系數(shù)。(5) 操作穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便，能適應(yīng)各種操作條件的變化。(6) 結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠，裝卸觸媒方便，制造、安裝和檢修方便。(7) 妥善處理各種內(nèi)件的連接和保溫，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，允許內(nèi)件在塔內(nèi)能自由脹縮等。觸媒筐的類型主要有：(1) 單管逆流式觸媒筐 它結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，但熱點溫度高、尾部溫度低，偏離最佳溫度線，觸媒利用率低，它適合高空速氨凈值中等以及進口氨含量較高的場合。(2) 并流雙套管式觸媒筐 它有絕熱層，故觸媒層上部升溫速度大于單管逆流式，合乎氨合成塔觸媒進口溫度遠低于相應(yīng)的最佳溫度而需要迅速升溫的要求，這種形式的觸媒筐結(jié)構(gòu)可靠、操作穩(wěn)定；但當(dāng)要求操作面積增大時，冷管占據(jù)的觸媒層體積較大些，這是這種結(jié)構(gòu)的缺點，它進觸媒層的溫度也難于提高，因此它適用于操作壓力較低，而氨凈值較低和進塔循環(huán)氣中氨含量較低的場合。(3) 并流三套管式觸媒筐 它是在雙套管的內(nèi)冷管中襯一根薄壁內(nèi)冷管，內(nèi)襯管與內(nèi)冷管內(nèi)滿焊，使得內(nèi)襯管與內(nèi)冷管形成一層死氣層，致使冷氣經(jīng)內(nèi)塄管上升是溫度極低，進而提高了外冷管內(nèi)氣流與觸媒的環(huán)熱能力。是需換熱面積比雙套管小20，因而可多裝觸媒，但制造比較麻煩。(4) 單管并流式觸媒筐 它的觸媒層溫度分布比較合理，冷管內(nèi)氣體穩(wěn)定的熱量于觸媒層氨合成反應(yīng)放熱規(guī)律基本上相適應(yīng)，即上部觸媒層氣體中氨含量低，遠離平衡氨濃度，反應(yīng)速度大，單位體積觸媒放出的熱量多，而上部冷管正好是溫度較低的氣體，移走的熱量也少，互相適應(yīng)。下部的觸媒放出的熱量少，而冷管移走的熱量也少，也相適應(yīng)。由于觸媒層溫度分布較適宜，所以觸媒的生產(chǎn)強度較大。這種結(jié)構(gòu)具有如下特點：取消了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分布盒，使加工方便的多，也比較緊湊，同時把觸媒筐與熱交換起之間的無用距離縮至最小，使踏的容積利用系數(shù)提高，從而提高了氨合成塔的生產(chǎn)能力。冷關(guān)無套管，減少了套管所占觸媒筐的容積，也提高了塔的容積利用率，同時冷管的配置不受管徑盒分氣盒的限制，可采用小管徑、管數(shù)多的冷管方案，對減少徑向溫差有顯著效果。結(jié)構(gòu)簡單，材料消耗少，不副產(chǎn)蒸汽等。本次設(shè)計為不副產(chǎn)蒸汽的一次合成塔，所以采用單管并流式，采用冷氣先經(jīng)中心管再進冷管的流向，以使塔下部觸媒能得到較好的還原。但是其中的懸掛式觸媒筐在還原末期應(yīng)采用單管并流托架式觸媒筐。43.2.3 觸媒筐結(jié)構(gòu)方案一般小型氮肥廠，原料氣的凈化不夠好，上層觸媒較易失去活性，因此本案采用較高的絕熱層及稍高的熱點溫度，使得觸媒在使用后仍能得到較好的利用。觸媒筐的基本尺寸如下1：（單位未注明的皆為毫米） 外筒內(nèi)徑 505外環(huán)隙 8保溫鐵皮 2保溫層 內(nèi)筒 =456，內(nèi)徑中心管 =108，一根熱電偶外套管 =下降管外套管 463，四根下降管內(nèi)管 382，四根升氣管 382，四根上、下環(huán)管 764，一根 環(huán)管中心圓 260，一根冷管 222，46根上絕熱層觸媒裝載高度（還原前）1440冷管層觸媒裝載高度 （還原前）3570下絕熱層觸媒裝載高度（還原前）500冷管傳熱面積A 9.98米2觸媒體積V 0.678米3比冷面 14.7米2米3外筒容積 1.4105米3觸媒裝載系數(shù) 48入塔氣量為80000Nm3/h.觸媒床進氣溫度選為420，只考慮觸媒床隨中心管、下降管、冷管和外環(huán)隙的傳熱，其余略去不計。3.2.4 各傳熱系數(shù)的計算(1) 上絕熱層觸媒床對中心管傳熱總系數(shù)的計算.上絕熱層床層截面積：公斤分子小時0.9917公斤分子秒當(dāng)=0.026時,氣體平均分子量M1=10.7觸媒床內(nèi)氣體重量流量=0.9917公斤秒觸媒床內(nèi)氣體重量流速G=公斤米2秒觸媒平均直徑取為0.004米，形狀系數(shù)=0.33,由下式得：米 (3-1)假定出上絕熱層氣體中氨含量為0.103,溫度為510,則上絕熱層平均溫度為465,平均氨含量為0.0665,據(jù)此計算的氣體物性數(shù)據(jù)分別為=8.26千卡/公斤分子;=300公斤/米秒;千卡/米小時.由下式計算觸媒床對中心管管壁的給熱系數(shù). (3-2) 為床層對中心管的當(dāng)量直徑Dt=米還原后觸媒床高度L=1400*（10.03）=1.397米所以中心管內(nèi)氣體對管壁的給熱系數(shù):中心管內(nèi)裝4根8電熱絲和 1根15定位架.中心管通氣截面積中心管當(dāng)量直徑=管內(nèi)氣體重量流速G=公斤米2秒中心管內(nèi)氣體平均溫度假定為310,計算得氣體物性數(shù)據(jù)為千卡/公斤分子;公斤/米妙;千卡/米小時.由下式計算中心管內(nèi)氣體對管壁得給熱系數(shù). (3-3)千卡米2小時中心管平均直徑米 污垢系數(shù)取為0.0005()= (2) 上絕熱層觸媒床對下降管傳熱總系數(shù)Kbi的計算下降管由四組套管組成.管隙內(nèi)為死氣層,按不流動的氣體計算其導(dǎo)熱,由上式計算觸媒床對下降管管壁的給熱系數(shù);Re= 5.59 與計算()時相同D為床層對下降管的相當(dāng)直徑=2.17（）6114千(卡米2小時)內(nèi)管里面的氣體對管壁的給熱系數(shù)：假定管內(nèi)氣體溫度為315,則氣體的物性系數(shù)為=7.75千卡/公斤分子;公斤/米妙;13千卡/米小時.內(nèi)管中氣體重量流速G=千卡公斤分子由式（3.3）文獻1計算內(nèi)管中氣體對管壁的給熱系數(shù)=Pr=千卡/米小時死氣層內(nèi)氣體導(dǎo)熱系數(shù)為0.13千卡/米小時,死氣層厚度為0.001米,套管平均直徑0.04米，則 (3) 冷管層觸媒床對中心管傳熱總系數(shù)（）c的計算冷管層床層截面積觸媒床內(nèi)氣體重量流速公斤/米2秒假定出冷管層氣體中氨含量為0.16，床層平均溫度為490，則平均氨含量為0.132，據(jù)此計算氣體的物性數(shù)據(jù)得：公斤/米秒 千卡/米小時.床層對中心管得相當(dāng)直徑 觸媒還原后床層高度收縮量=米收縮高度體現(xiàn)在冷管層中,故還原后冷管層觸媒高度為 L=3.57-0.112=3.448米 2.17（4761）1310（千卡/米小時）中心管內(nèi)氣體對管壁得給熱系數(shù),近似的認為與絕緣層中的相同為2125千卡/米2小時. (4) 冷管層觸媒床對冷管的中傳熱系數(shù)的計算床層對冷管的相當(dāng)直徑 2.17（4761）2158（千卡/米小時）冷管內(nèi)氣體對管壁的給熱系數(shù):冷管總通氣截面積=46冷管內(nèi)氣體重量流速G=公斤/米2秒假定冷管內(nèi)氣體平均溫度為375,據(jù)此計算得氣體物性數(shù)據(jù)為C=7.855千卡/公斤分子;公斤/米妙;138千卡/米小時.0.5038千卡米2小時千卡米2小時3.2.5 對計算結(jié)果進行校驗(1) 各假定條件的校驗，見下表。表32條件的校驗項 目假 定 值計 算 值假定值對計算值的誤差上絕熱層出口氣體氨濃度0.1030.10052.5上絕熱層出口氣體溫度510513.70.72冷管層出口氣體氨濃度0.160.15850.95冷管層內(nèi)氣體平均溫度4904841.24冷管內(nèi)氣體平均溫度3753801.32下絕熱層出口氣體氨濃度0.1650.16301.23下絕熱層出口氣體溫度470466.10.84上絕熱層中心管內(nèi)氣體平均溫度3103130.97下降管內(nèi)氣體平均溫度3153170.6假定值與計算值間誤差很小，最大為2.5，因此可以認為原假定值是正確的，計算結(jié)果有效，不必重新假定條件調(diào)整計算。(2) 熱平衡核算入熱：反應(yīng)放熱 反應(yīng)量 公斤分子由圖943查得300大氣壓下，420時千卡公斤分子.所以 千卡出熱：(1) 環(huán)隙間氣體吸熱 觸媒床高5.5米千卡(2) 冷氣體吸熱 千卡(3) 熱氣體吸熱 (4) 總出熱 進、出熱量基本相符。 (5) 生產(chǎn)能力核算合成塔產(chǎn)氨量357公斤分子小時6069公斤小時，放空、泄漏損失取為塔產(chǎn)量的5，則實際產(chǎn)氨量為6069公斤小時與前面的值基本相符，故此觸媒筐可以滿足要求并略有余量。3.3 熱交換器的計算3.3.1 設(shè)備選型及設(shè)計條件(1) 設(shè)備選型：氨合成塔內(nèi)氮氫混合氣體在高溫、高壓合觸媒作用下反應(yīng)生成氨，反應(yīng)后的氣體溫度很高，而進入合成塔的反映溫度又很低，為了達到塔內(nèi)合成氨反應(yīng)的自身熱平衡，合理安冷熱交換、回收氣體的熱量，維持觸媒層適宜溫度，需要換熱器通常在塔內(nèi)換熱，設(shè)在塔的下部【4】。合成塔內(nèi)換熱器主要有列管式、螺旋管式、波紋管式、平板式以及列管和盤管混合使用的形式，其中列管式較多，因為列管換熱器堅固、制造工藝成熟，容易清理、修復(fù)，且選用材料范圍廣泛，但是它占據(jù)空間較大。塔內(nèi)換熱器要求換熱效率高、占空間小，所以廣泛采用了小管密排，減少泄漏短路，提高傳熱系數(shù)等強化傳熱措施和采用高校傳熱設(shè)備。合成塔內(nèi)換熱器的共同特點：換熱器中均有一個冷氣副線以控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)氣進觸媒層的溫度。換熱器換熱的面積要有適宜的富裕量以獲得最好的換熱效果。列管式換熱器是各種形式塔內(nèi)換熱器中使用較廣泛較成熟的一種，它易于制造，生產(chǎn)成本較低，本次設(shè)計就選擇列管式換熱器，但要小管密排，減少應(yīng)用空間，降低材料消耗，提高傳熱效率，減少規(guī)格，增加互換性。(2) 設(shè)計條件：殼程入口溫度 60 出口溫度 360 管程入口溫度 4703.3.2 換熱器熱量計算利用熱量衡算應(yīng)有殼程介質(zhì)吸收的熱量等于管程介質(zhì)放出熱量，即。其中Q吸Ns ,根據(jù)所給氣體處理量8000Nm3/h可得：Ns=由式來計算氨的產(chǎn)量。其中,ya1=0.043所以： Nt=Ns-Na=3571.43-326.66=3244.23Kmol/h由已知TRs=60，TCs=360, 平均溫度為TMs=查1735附圖（1526）文獻6可得CPs=7.46Kcal/Kmol.假設(shè)出口溫度為166，則平均溫度為利用p=p計算管程介質(zhì)各組分的分壓p，其中Pt為已知28.6MPa,y為組分含量，已知：yH2=0.54 yN2=0.183 yNH3=0.148 yCH4=0.084 yAr=0.045 則：根據(jù)及上述五個分壓值查1719726圖1518文獻6可得各組分的比熱見下表：表33各組分的比熱組分H2N2NH3CH4Ar含量5418.314.88.44.57.047.311.46312.554.997 (3-4)將上述各值代入下式Q吸Ns (3-5) (3-6) 得：TCt=166.29所得出口溫度與假設(shè)溫度很接近，假設(shè)成立。已知管程及殼程的組成見下表：表34管程及殼程的組成組成H2N2NH3CH4Ar殼程組分6320.74.384管程組分5418.314.88.44.5則管程及殼程的介質(zhì)平均分子量Mt及s分別為：3.3.3 換熱器有效長度的計算1.dcp確定換熱管選用的管子，則其外徑Dh=10mm內(nèi)徑dn-dH-故其平均直徑dcp=2.換熱面積F0的計算(1) 的計算（利用對數(shù)平均法） (3-7)(2) k的計算根據(jù)P=29.4MPa及TMs=210查圖1738及附圖16到18和附圖1614文獻6可得殼程介質(zhì)各組的粘度及修正系數(shù)如下表：表35殼程介質(zhì)各組的粘度及修正系數(shù)組分H2N2NH3CH4Ar含量6320.74.384127288320208403Ci10.9161.210.9561根據(jù)Pt6=28.6MPa及TMt=318,同樣可查得管程介質(zhì)各組分得粘度及修正系數(shù)如下表:表36管程介質(zhì)各組分得粘度及修正系組分H2N2NH3CH4Ar含量5418.314.88.44.5141.86317.24255.56228.30426.02Ci10.95161.4061.0651將表中得值代入式 (3-8) 可得：t=0.54141.862.01+0.183317.2428.010.956+0.148255.5617.031.046+0.084228.316.031.065+0.045426.0239.9410.542.01+0.18328.01+17.030.148+0.08416.03+0.04539.94 =2.78110-5Kg/ms根據(jù)Ps=29.4MPa及TMs=210查1768,由附圖（1717）文獻6可得：利用1755中的修正對比狀態(tài)法計算,根據(jù)TMt=318查1763,由附表（171）文獻6可得管程介質(zhì)各組分的修正臨界常數(shù)見下表：表37臨界常數(shù)組分H2N2NH3CH4Ar含量5418.314.88.44.5P大氣壓15.6833.517822948Tc(K)33.3126.2405.5239151.2ccal/ms*10-524.298.5544.830.327.1則需臨界壓力： 需臨界溫度： 需臨界導(dǎo)熱系數(shù)： 和查附圖（175）文獻6得，則:根據(jù)管徑選擇管得排列間距為13mm，呈正三角形排列，管數(shù)為2394根，在管中插4方鋼而制成得麻花鐵。則：管內(nèi)當(dāng)量直徑為： 管內(nèi)流通面積為：故殼程介質(zhì)的平均流通截面積計算如下:取換熱器與殼體內(nèi)徑為盤板外徑為620mm,則有盤板與殼體間流通面積：取擋板間距為h=130mm,環(huán)板內(nèi)徑為D1=346mm,則環(huán)板與盤板間的平均流通面積為：而環(huán)板與固定管間的介質(zhì)流通面積為（取固定管外徑為133mm）： 其中D0為固定管外徑,S6為最內(nèi)圈換熱管所在六邊形面積，該六邊形邊長為104mm。根據(jù)要求所求平均流通面積為：故:將各步所得的參量值代入下式可得：3.3.4 計算總傳熱系數(shù)K將已得各值代入下式可得: (3-9)換熱面積計算值Fo的計算： (3-10)換熱管有效長度的計算:實際換熱面積為：則3.3.5 換熱器管板厚的確定1.載荷計算：查密度表可知鋼的密度為已知觸媒筐重3.5t,觸媒重8.2t,又擋板間距可知環(huán)板為10塊，盤板為9塊（其中一塊中間不開孔），冷氣副線管外徑為76mm，板厚3mm，則擋板重量為： 換熱管重量為：換熱器殼體重量為：假設(shè)上下管板的厚度不超過45mm，外徑取為780mm,上板中心孔徑為140mm,下板中心孔徑為83mm,則管板重量為： 取保溫板 冷氣副線 固定板 連接管頭及拉桿定距管的重量為：W=0.24t,換熱器殼體保溫層重量忽略不計，在上 下管板承受的重量分別為：上管板： 下管板： 上下管板單位面積所承受的重量為：上管板： 下管板：而管板所承受的壓差為：故上下管板的設(shè)計載荷為：上管板：下管板：板厚計算：上管板厚度為：下管板厚度為： 2剪應(yīng)力較核：上管板： 下管板： 顯然剪應(yīng)力小于許用值，故滿足要求。3.3.6 換熱管穩(wěn)定性校核根據(jù)結(jié)構(gòu)可知，觸媒筐及觸媒等上部內(nèi)件的重量由換熱管來承受，因而換熱管成為壓桿。保守的可將每根換熱管簡化成壓桿模型，而實際上擋板也起到夾持加固的作用。因而，如果此種模型能滿足要求，那么實際會更穩(wěn)定。具體校核如下：1.根據(jù)換熱器管板部分可保守的取換熱管承種重為15t,故每根管承受載荷為2.根據(jù)已知得： 則： 代入下式得：顯然：所得臨界壓應(yīng)力小于任何鋼材得比例極限。 顯然：，故換熱管是很穩(wěn)定的，不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。3.4 氨合成塔筒體設(shè)計選用扁平鋼帶傾角錯饒式氨合成塔。選用多層包扎式圓筒。已知Di=800mm，設(shè)計壓力29.4MP，設(shè)計溫度200，內(nèi)筒材料16MnR,層板材料16MnC，取C2=1.0mm，C1=0mm。壁厚在（1636mm）時。計算壓力29.4MP0.4按式計算多層包扎式圓筒的厚度。式中：-筒體的計算壁厚，mm P筒體的設(shè)計壓力，Pa,已知P=29.4MPa -筒體內(nèi)徑，mm,已知800mm -焊縫系數(shù)，1 設(shè)計溫度下筒體材料的許用應(yīng)力，MPa多層圓筒的組合許用應(yīng)力為 (3-12)式中：內(nèi)筒及層板的名義厚度，mm筒體的名義厚度，mm內(nèi)筒及層板部分的焊接系數(shù)， 內(nèi)筒及層板材料的設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力MPa,其余符號同前。假設(shè)名義厚度內(nèi)筒及層板材料的設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：, 則多層圓筒的組合許用應(yīng)力為 則 因在（52145mm）,所以，圓整。取層數(shù)為8層，則每層厚度為10.5mm.3.5 氨合成塔封頭的設(shè)計3.5.1 封頭的結(jié)構(gòu)形式封頭的形式有平蓋和凸形蓋，在相同的情況下平蓋所承受的盈利要比凸形封頭大得多（而）。因而在相同得設(shè)計條件下，平蓋的厚度要比凸形蓋厚得多。但是由于平蓋封頭的加工制造要比凸形封頭容易得多，尤其是對厚度大而直徑小的封頭。沖壓凸形封頭時非常困難的，此次設(shè)計的的塔，其上要安裝電加熱器等部件，所以上封頭制成平蓋封頭較為合理。但其下部的封頭要承受幾乎接近內(nèi)壓所產(chǎn)生的內(nèi)壓力且在中心處開口，考慮同體等壁厚的情況，下部選擇球形封頭。3.5.2 封頭的設(shè)計計算，圓整。考慮焊接、邊緣連續(xù)及底部開孔削弱等因素，取球形封頭壁厚與筒體壁厚相同，根據(jù)前述已知半球形封頭內(nèi)徑為800mm，由工藝可確定下部開孔為。封頭材料選用18MnMoNbR,在設(shè)計溫度下許用應(yīng)力為190MPa。下面進行強度校核： (3-13)顯然：，滿足強度要求。下面進行開孔補強計算：按式677中（811）標準計算:削弱面積為：有效補強面積為：顯然：，故不需另加金屬補強。3.6確定群座壁厚1.載荷計算:(1) 塔體重量載荷計算(2) 內(nèi)件重量載荷 查表A5文獻6，浮閥塔盤單位重載荷為750N/m3,由工藝條件知重塔共20塊塔盤，故內(nèi)件重量載荷為： (3) 保溫層重量載荷 (4) 平臺重量載荷 每隔10塊塔盤開設(shè)一個人孔，共3孔，在人孔處應(yīng)設(shè)置平臺，n=3,每個平臺呈半圓形，取平臺寬B=0.9m,平臺單位重量載荷q由表A-5查得1500N/m2文獻6,則平臺總重載：(5)物料重量載荷塔盤充液單位重載由表A-5知q=700N/m2;由工藝知塔釜液面高h0=0.6m，知物料單位體積重量載，則物料總重載:(6)附載重量載荷 Q6(7)充水重量載荷 Q7=4Di2H0 =0.7850.8232.0710000=161.12KN操作時重量載荷水壓試驗時塔得重量載荷最大，即：設(shè)備安裝時重量載荷最小，即：3.7 風(fēng)載荷計算全塔分成5段計算，各段風(fēng)壓由下式計： （3-14） 風(fēng)壓載荷在任意截面-上，引起得風(fēng)彎矩計算。(1) 各段風(fēng)壓載荷計算結(jié)果列于表38。表38 各段風(fēng)載荷計算結(jié)果段序01234取值依據(jù)段距00.40.411449912單位(m)K10.7式(A-1)K21.6式(A-1)q0(pa)500表(A-6)fi0.780.780.781.01.15表(A-7)hi(m)0.40.6353計算段高度K3(m)0.4平臺數(shù)00111人孔處置平臺000.80.80.8單個迎風(fēng)面按0.8K4(m)000.530.320.53Def(m)1.41.41.931.721.93Def=D0+2u+K3+k4Pi(N)245367253048163730式(A-1)(2) 危險截面取00，11，22截面（圖A37），危險截面上的風(fēng)彎矩為：3.8 地震載荷的計算 這是一等直徑的塔，且塔高，應(yīng)按下式計算: (3-15)式中C為結(jié)構(gòu)影響系數(shù)， C0.5; Q0是設(shè)備操作總重載荷Q0256.47KN，H為塔高12米；1為與塔基本自振周期T1有關(guān)的地震影響系數(shù)，因本塔為等直徑壁厚，故按下式算T1 : (3-16)由表A8查得 ，將以上各值帶入式（3.15）文獻6，則得： 11截面得地震由下式計算： (3-17)式中，h是11截面距地面高，h=0.4m,則：22截面的地震彎矩由式（A10）計算3.9 各種載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力計算表39 危險截面軸向應(yīng)力的計算值應(yīng)力MPa截面計算依據(jù)及說明001122設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力（MPa）-15=7.53據(jù)式（A-15）；式中質(zhì)量載荷引起的壓應(yīng)力（MPa）按式（A-16）;近似取最大彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力（MPa）按式（A-17）3.10 塔體強度及軸向穩(wěn)定性校驗塔體與裙座連接處22截面為危險截面122截面的抗壓強度及軸向穩(wěn)定性驗算據(jù)式： (3-18)式中，取和B值小者，因為185MPa，B值由由資料1圖105文獻6：B，故取B180Mpa.代入上式：1.22+0.87=2.09MPa,結(jié)論安全。222截面的抗拉強度校驗據(jù)式： (3-19)式中，代入各數(shù)值：7.53-1.22+0.87=7.18,故結(jié)論安全。3水壓試驗時塔體強度校驗水壓試驗應(yīng)力應(yīng)滿足的條件為：故結(jié)論安全。充水后軸向壓應(yīng)力的強度和穩(wěn)定條件為：由式： (3-20)式中: 則：結(jié)論安全。3.11 裙座強度及軸向穩(wěn)定性校驗裙座危險截面取在座圈基底00截面和人孔強度減弱處11截面。1.操作時00截面的最大組合軸向應(yīng)力應(yīng)滿足的條件按下式計算： (3-21)式中:將各數(shù)值代入條件式：2. 水壓試驗時00截面軸向組合壓應(yīng)力校驗 (3-22)式中，偏心力矩代入上式：3.12 基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計1. 基礎(chǔ)環(huán)的內(nèi)外徑計算按下式選?。和鈴絻?nèi)徑按式（A28）校驗：（混凝土強度表） （3-23）式中，代入各數(shù)值，則：取:（取100號水泥由表A-9）結(jié)論：所選可行。2.基礎(chǔ)環(huán)厚度的計算采用無肋板結(jié)構(gòu)，按下式計算： （3-24）式中，為基礎(chǔ)環(huán)材料的許用應(yīng)力，材料選用16MnR, 將=490MPa，代入上式：。3. 基礎(chǔ)環(huán)螺栓計算由受力分析可知當(dāng)?shù)啬_螺栓承受的是拉應(yīng)力時，塔有可能傾倒，此時地腳螺栓起到約束塔傾倒的可能，螺栓的根徑用下式計算： （3-25）式中B取之中較大者。是螺栓材料的許用應(yīng)力，按16MR取170Mpa；腐蝕余量C=3mm;n為螺栓數(shù)，取n=12,則：查表A13知：地腳螺栓根徑為23.75mm,滿足要求。4.螺栓座尺寸據(jù)地腳螺栓公稱直徑，參閱查表A14文獻6. 5.接管表裙座入口400 溫度計口32 氣體進口450加料口100 壓力計口25 氣體出口150回流口100 取樣口25 液面計口15出料口125 備注 ：基本風(fēng)壓 500Pa地震烈度 7殼外保溫厚100mm保溫材料：第4章 氨合成塔的安裝和維護檢查4.1 氨合成塔的安裝4.1.1 底座的安裝1.合成塔塔體以自重座落在底座的環(huán)形承重面上，底座的承重面的水平公差應(yīng)小于0.15mm/m;2.對承重面上的六點進行五次測量；3.進行參考校核；4.在每次測量后應(yīng)隨即將平尺及方水平同時調(diào)轉(zhuǎn)180，取得后一次誤差，將相同兩點的前后兩次誤差的平均值作為正式的水平誤差；5.測量用的塊規(guī)應(yīng)非常精確，否則應(yīng)隨同平尺一起調(diào)轉(zhuǎn)180；6.由于塔重及地角螺栓的擰緊力對基礎(chǔ)由較大的壓力，所以底座使用的堆數(shù)及面積均需經(jīng)過計算；7.使用的墊板應(yīng)為鋼或鑄鐵，承重面應(yīng)經(jīng)過加工，最薄的鑄鐵墊板厚度不得小于35毫米；8.不得使用型鋼、混凝土及磚的墊板，也不得采用無墊板安裝法；9.放置墊板處的混凝土表面應(yīng)鏟平，鏟平的面積應(yīng)比墊板大，墊板必須放置在底座的承重處，并盡量靠近地角螺栓；10.地角螺栓的油垢、塵土、雜物及積水應(yīng)徹底清除，墊板、地角螺栓及混凝土相接觸處的鐵銹、油垢應(yīng)清楚干凈；11.經(jīng)過找平與找正的底座應(yīng)立即驚醒灌漿，灌漿應(yīng)符合圖件的技術(shù)要求，灌漿前應(yīng)把每組墊板進行點焊固定；12.底座安裝允許誤差：標高誤差應(yīng)小于10mm，中心誤差應(yīng)小于10mm，承重面水平誤差不超過0.15mm/m；13.地角螺栓灌漿后，得到土建部門許可即可擰緊地角螺栓，擰緊時不得使已找平找正的底座發(fā)生偏差，當(dāng)用0.51.0公斤小錘輕敲各組墊板，不得有松動與位移現(xiàn)象；14.使用鋼墊板得最小厚度應(yīng)小于1mm，每組墊板不得超過三層。4.1.2 外筒的氨裝1.外筒平放在枕木上，放置時不得使筒體變形；2.卸下的零件均應(yīng)有次序的放置，并設(shè)專人管理，嚴防丟失和損壞；3.隨筒體進行清潔、組對和試壓：清洗前應(yīng)將全部要拆卸的零件用鋼引打上標記，便于以后按原位安裝而不至于紊亂，并應(yīng)特別注意：大直徑的高壓螺栓、螺母及墊圈應(yīng)避免調(diào)換；不得在工作面上打標記，如無法打標記者，可用掛簽法標記。零件卸下清洗時可使用煤油和鋸末，洗凈后的零件用壓縮空氣吹凈。清洗過得零件必須進行外觀檢查與主要尺寸的測量。對筒體機上蓋的密封口要進行仔細的檢查以保證其良好的密封性。檢查進出口的方位是否符合工藝配管圖。對易于生繡的零件應(yīng)涂上一層干凈的機油；4.頂部法蘭的大螺栓非特殊需要可不拆卸；5.將大法蘭豎起來以枕木墊穩(wěn)；6.安裝密封墊，安裝位置必須準確，不得偏移或有中心位移；7.將頂蓋安裝上去，安裝時不得撞壞螺栓、密封墊、吊裝應(yīng)仔細進行；8.在螺栓、螺母及墊圈之間基礎(chǔ)面上涂機油或石墨粉潤滑劑以減少螺紋及墊圈處的摩擦力；9.擰緊主螺栓，目前設(shè)計和適用的方法有四種：人力扳緊，大錘敲擊，用卷揚機擰緊，用液壓拉伸器，用電熱預(yù)緊螺栓；10.務(wù)使大蓋不因自重而發(fā)生位移,用人力擰緊在十字線上的四個螺栓時其扳緊程度扳緊螺栓用吊車或卷揚機通過特殊的扳手和測力計分三次：第一次采用對稱發(fā)，其扳緊程度達70，第二次采用間隔