合成氨生产中二氧化碳的吸收和再生工艺的设计研究.doc(4)

塔体除满足工艺条件（如温度、压力、塔径和塔高等）下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所引起的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工等的影响。对于板式塔来说，塔体的不垂直度和弯曲度，将直接影响塔盘的水平度（这指标对板式塔效率的影响是非常明显的），为此，在塔体的设计、制造、检验、运输和吊装等各个环节中，都应严格保证达到有关要求，不是其超差。3.2.1 筒体和上下封头的材料的选择根据承压情况，可将容器分为受内压和受外压两类。本设计承受内压，操作压力为0.32MPa属于低压容器。一般情况下，中、低容器大都是薄壁容器。对低压和常压容器，通常采用低碳钢；对大直径的低压容器和中压容器，宜采用普通低合金钢；对腐蚀严重或产品纯度要求高的，可使用不锈钢。容器的结构尺寸和制造，在很大程度上取决于所选的材料，不同材料的化工都有不同的设计规定。本课程设计为低压钢制化工容器。压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。其中碳素钢的强度较低，塑性和可焊性教好，价格低廉，故常用于常压或中、低压容器的制造。由于设计压力较低，工作温度不高，介质腐蚀性较小，而Q-235A的适用范围为：设计压力；钢板使用温度为0～350℃；用于壳体时，钢板厚度不大于16mm。

因此，可选择Q-235A作为筒体和上下封头的结构材料，不仅可以减小容器的厚度、减轻重量、节约材料，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的各种困难，而且一定程度上满足经济上的要求。3.2.2 裙座的材料的选择裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。常用的裙座材料为Q235-A及Q235-A.F，故选Q235-A.为本设计裙座材料。3.2.3 配件材料选择钢管：20钢；法兰：16Mn；3.3 塔筒体和封头壁厚的初步计算3.3.1 筒体壁厚的计算 筒体厚度计算式中：——材料的许用应力。Q235-A在设计压力为0.32MPa，设计温度为120℃，在4.5～16mm中合成氨为什么可以提供二氧化碳，许用应力——塔体焊接接头系数。采用双面对接焊，局部无损探伤，名义厚度厚度附加量——厚度负偏差。按中的B类要求负偏差取。——腐蚀裕量。取最大值。对于碳素钢、低合金钢制容器，故按刚度条件，筒体厚度仅需3，但考虑此塔较高，风载荷较大，取塔体名义厚度20。有效厚度3.3.2 封头厚度的确定选用标准椭圆形封头，封头又称端盖或顶盖，是容器的重要组成部分。

常见的形式有半球形、椭圆形、圆锥形或平板形。平板形由于受力状态不好，要求的厚度大，故一般用于直径小、压力低的容器，但制造容易也会用于高压容器。锥形封头常用做底盖，便于收集或卸除含固体的物料。承压容器以半球形或椭圆形封头最有利，半球形封头的深度较深，制造较困难。标准椭圆形封头无论是几何形状后受力状态都比较好，制造难度有不大，是圆筒形容器较合理的封头形式。因此，在化工生产中得到广泛的应用。标准椭圆形封头的长短轴之比位，一般用轧制钢板冲压造成，可用在表压达10Mpa的容器中。为了与筒体相配，椭圆形封头的公称直径也分为用内径和外径表示的两种。大多数椭圆形封头的壁厚与筒体壁厚相等，或比筒体稍厚。参考文献[1]附表3查得, Q235-A在设计温度120℃,在4.5～16mm时，许用应力参考文献[2]式(4－46),筒体计算厚度(标准椭圆形封头,K=1)由于封头也需要考虑各种载荷，同时还有考虑腐蚀裕度C=5mm,而且为了制造的方便，所以封头壁厚也可采用与筒体相同的壁厚即。3.3.3 筒体和裙座外径3.4 塔的载荷计算3.4.1 质量载荷计算1、塔设备质量载荷计算（1）筒体质量塔圆筒总高，钢板密度。

（2）裙座质量裙座高度则裙座质量（3）封头质量由参考文献[1]附表7查得，筒体公称直径，钢板厚度：时，封头质量为，封头数量为2。则封头质量（4）塔体质量（5）塔内件质量塑料鲍尔环填料层高度，密度，4.5型金属波纹填料高度密度，6.3型金属波纹填料高度密度。（6）保温材料质量选择超细玻璃棉毡未保温材料，密度，厚度取，封头内表面积。（7）操作平台及扶梯质量塔体上共设置六个操作平台，平台各布置在四个人孔和两个卸料孔下方，，每个平台呈半圆形，取平台宽度：，扶梯高度，平台、扶梯单位重量载荷由文献[3]表A-5查得：， 则平台、扶梯总质量（8）操作时物料质量 散装填料的堆积密度为，规整填料的堆积密度为，（9）人孔、接管、法兰等附件质量 （10）水压试验时冲水质量由塔体结构尺寸，水的密度，封头容积，则操作塔内物料质量：（11）塔设备在正常操作时的质量 d（12）塔设备在水压试验时的最大质量 （13）塔设备在停工检修时的最小质量 3.4.2 塔的自振周期由参考文献[6]式(7-54)按等直径,等厚度塔计算：式中H—塔体高度；—塔体操作的质量；—塔体厚度;—塔体内径.参考文献[7]表15查得3.4.3 地震载荷计算查得：（设计地震烈度8级），地震影响因素结构综合影响系数，不考虑高震影响因素。

图3 塔计算示意图确定危险截面，0-0截面为裙座基底截面，1-1截面为裙座人孔处截面，2-2截面为裙座与塔体焊缝处截面，如图3所示。计算地震截面的地震弯矩：0-0截面1-1截面2-2截面3.4.3 风载荷计算（1）风力计算塔设备，如图3所示，第计算段所受的水平风力可由下式计算式中——塔设备中第段的水平风力，；——塔设备中第段迎风面的有效直径，；——风压高度变化系数，其值按文献[8]表7-5确定；——各地区的基本风压，；——塔设备各计算段的计算高度，；——体型系数，；——塔设备中第计算段的风振系数。①风压风压计算时，对于高度在10以下的塔设备，按一段计算，以设备顶端的风压作为整个塔设备的均布风压；对于高度超过10的塔设备，可分段进行计算，每10分为一个计算段，余下的最后一段高度取其实际高度，如图2所示，将塔高分成三段，其中任意计算段的风压为式中——第段的风压，。②风振系数对塔高的塔设备，取。而对于塔高时，则按下式计算式中——脉动增大系数，其值按文献[8]表7-6确定；——第段的脉动影响系数，其值按文献[8]表7-7确定；——第段的振型系数，其值按文献[8]表7-8确定.③塔设备迎风面的有效直径塔设备迎风面的有效直径是该段所有受风构件迎风面的宽度总和。

当笼式扶梯与塔顶管线布置成时式中——塔设备各计算段的外径，；——塔设备各计算段保温层的厚度，；——塔顶管线外径，；——管线保温层厚度，；——笼式扶梯当量宽度，当无确定数据时，可取；——操作平台的当量宽度，；——第段内操作平台构件的投影面积（不计空挡的投影面积），；——操作平台所在计算段塔的高度，。（2）各段风载荷计算结果列表如下：塔段12345长度0～10001000～200020000～1000010000~2000020000~320000.72.110.720.720.720.790.850.020.020.140.4611.421.0211.0211.501.5402.2633003.3243.3245.2044.2643.91110131013142771958131671（3）风弯矩计算0-0截面的风弯矩1-1截面的风弯矩2-2截面的风弯矩截面序号0-01-12-2取值依据风弯矩 1.2051.2041.2033.5 塔体的强度和稳定性校核根据操作压力计算塔体壁厚之后,对正常操作,停工,检修及压力试验等工况,分别计算各工况下相应压力,质量和垂直地震力,最大弯矩引起的筒体轴向应力,再确定最大拉伸应力和最大压缩应力,并进行强度和稳定性校核.如不满足要求,则须调整塔体厚度,重新进行应力校核。

3.5.1 各种载荷产生的轴向应力计算1、各种载荷产生的轴向应力计算公式：（1）计算压力引起的轴向拉应力操作质量引起的轴向压应力0-0截面1-1截面2-2截面最大弯矩引起的轴向应力最大弯矩取下式计算值中最大者：计算结果如下：（单位）计算如下：3.5.2 塔体危险截面强度及稳定性校核当塔体危险截面的最大组合压应力σmax超过材料许用应力时,将产生强度破坏或失稳破坏；当塔体危险截面上的最大组合拉应力σmax超过材料许用应力时,只产生强度破坏。因此塔体机械设计常以校核的方式,验算它的强度和稳定性。筒体的强度及稳定性校核①强度校核筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉应力轴向许用应力，式中组合系数，因为故满足强度条件。②稳定性校核筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压应力轴向许用应力故满足稳定性条件。裙座的强度及稳定性校核①强度校核裙座危险截面0-0处的最大组合轴向拉应力因为故满足强度条件。裙座危险截面1-1处的最大组合轴向拉应力因为故满足强度条件。②稳定性校核裙座危险截面0-0处的最大组合轴向拉应力故满足稳定性条件。裙座危险截面1-1处的最大组合轴向拉应力故满足稳定性条件。3.5.3 筒体和裙座水压试验应力校核筒体水压试验应力校核1）水压试验压力式中——耐压试验压力系数：对于钢和有色金属，液压试验时。

2）水压试验时塔体强度校核式中由于满足水压试验要求。（2）裙座水压试验应力校核1）水压试验时，重力引起的轴向应力由弯矩引起的轴向应力最大组合轴向压应力校核因为，故满足要求。3.5.4 塔体与裙座焊缝强度校核此塔裙座与塔体采用对接焊缝，焊缝承受的组合拉应力为：因为故满足要求。3.5.5 基础环设计（1）基础环的内外径计算按参考文献[3]式（A-27）选取：外径： 内径： 混凝土强度校核选用150号混凝土，许用压力正常操作时：水压试验时：以上应力均小于混凝土的压应力许用值，因此满足强度要求。（3）基础环厚度的计算按有筋板时，计算基础环厚度设地脚螺栓直径为，,则查表得取基础环材料许用应力基础环厚度取。3.5.6 地脚螺栓设计塔设备作用在迎风面侧基础上的最小应力：由于，设备有可能倾倒，必须采用地脚螺栓予以固定。选用地脚螺栓个数，地脚螺栓材料的许用应力为，取腐蚀裕量，则地脚螺栓的根径根据标准地脚螺栓的尺寸选用42的地脚螺栓48个。3.6 开孔和开孔补强设计由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全的操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔不强的问题。

3.6.1 补强结构压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。此塔工作温度不高，并且在静载、低压环境下工作，另外材料的标准抗拉强度低于540，壳体名义厚度不大于38，因此选用补强圈补强。3.6.2 开孔补强设计准则开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。目前通用的、也是最早的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法。此方法的优点是有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全。3.6.3 允许不另行补强的最大开孔直径根据《过程设备设计》P161表4-15 不行补强的接管最小厚度 ，允许不另行补强的最大接管外径为89。以下对再生气出口3258和塔体人孔62010进行补强计算。3.6.4 等面积补强计算（1）再生气出口3258补强计算1）补强判别开孔直径 309+22=313=1100，满足等面积法开孔补强计算的使用条件，故可使用等面积法进行开孔补强计算。2）开孔补强所需面积强度削弱系数，，故接管有效厚度为8-2=6开孔所需补强面积按参考文献[8]式（4-91）计算3）有效补强范围① 有效宽度B 按参考文献[8]式（4-91）确定取较大值，故② 有效高度 外侧有效高度按参考文献[8]式（4-95）确定故内侧有效高度按《过程设备设计》式（4-96）确定故4）有效补强面积① 筒体多余金属面积按参考文献[8]式（4-97）计算② 接管多于金属面积接管计算厚度接管多于金属面积按参考文献[8]式（4-98）计算5）接管区焊缝面积（脚焊取6.0）6）有效补强面积故开孔后不需要另行补强。