合成氨车间二氧化碳吸收塔设计毕业设计

摘要
在工业合成氨的生产过程中，粗原料气经过一氧化碳变换以后，变换气中除氢气外，还有二氧化碳和甲烷等成分，其中二氧化碳含量多达15%-35%。

二氧化碳不仅降低氨合成催化剂的活性，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的原料，因此要想法除去。

本设计的目的是根据所给技术特性参数，合理设计Ι段二氧化碳吸收塔，用来脱除变换气中的二氧化碳气体。

根据《GB150-1998钢制压力容器》、《JBT4710-2005钢制塔式容器》等标准，通过常规设计方法步骤进行设计，包括塔体的筒体和封头壁厚计算和水压试验，接管、接管法兰、人孔法兰和塔内件的选取，裙座的计算和设计，开孔补强计算，风载荷和地震载荷的计算和校核，以及筒体和裙座的应力分析等。

强度校核时，大部分情况下将受压元件的应力限制在材料的需用应力以内，用来确保设计的安全性和经济性。

关键词：二氧化碳合成塔；填料塔；合成氨
引言
塔设备又称塔器，塔设备有许多种类型，塔设备是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。

用以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液体与固体密切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传递过程。

二氧化碳吸收塔，是利用碳酸钾溶液来脱去变换气中的二氧化碳气体，要保证较高的脱碳效率和设备的安全性能，必须对吸收塔系统进行合理的设计，包括吸收塔的尺寸设计，吸收塔材料的选择以及塔部件的选取。

吸收塔的主要部件有外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体、液体进出口接管等。

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。

填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。

填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。

液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。

气体从塔底送入，经气体分布装置后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。

填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。

壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。

因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。

液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。

填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。

塔内件是填料塔的组成部分，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔。

塔内件的作用是使气液在塔内更好地接触，以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，因此塔内件设计的好坏直接影响填料性能的发挥和整个填料塔的性能。

另外，填料塔的“放大效应”除填料本身因素外，塔内件对它的影响也很大。

填料塔的内件主要有：填料支撑装置、填料压紧
装置、液体分布装置、液体收集再分布装置。

合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。

本设计的目的及意义旨在培养我们理论联系实际的能力，把本科所学的专业知识综合地应用到本设计中去，为我们今后参加相关的设计工作打好基础。

符号说明
δ——计算厚度，mm ； d δ——设计厚度，mm ；
n δ——名义厚度，mm ；
b δ——有筋板时基础环的厚度，mm ；
e δ——有效厚度，mm ；
ei δ——第i 计算段容器的有效壁厚，mm ； g δ——筋板厚度，mm ；
b δ——有筋板时基础环的厚度，mm ；
nt δ——接管名义厚度，mm ； t δ——接管计算厚度，mm ；
δ'——补强圈厚度，mm ； et δ——接管有效厚度，mm ；
s δ——裙座的厚度，mm ；
[]σ——试验温度下材料的许用应力，MPa ；
[]t
σ——材料在设计温度下的许用应力，MPa ；
t σ——水压试验时的许用应力，MPa ；
s σ——材料的屈服强度，MPa ；
1σ——内压计算压力在筒体内引起的轴向压力，MPa ；
2
i i
σ-——操作物料时质量载荷在筒体内引起的轴向力，MPa ； 3i i σ-——最大弯矩在筒体内引起的轴向力，MPa ；
max
i i
σ-——最大组合轴向压应力，MPa ；
[]s
σ——裙座材料在设计温度下的许用应力，MPa；
t
g——重力加速度，kg
N/；
φ——焊接接头系数；
A——开孔削弱所需的补强面积，mm2；
A——多余金属面积，mm2；
1
A——接管多余金属面积，mm2；
2
A——接管处焊缝面积，mm2；
3
A——所需另行补强面积，mm2
4
A——裙座底部截面积，mm2；
sb
A——有效补强面积，mm2；
e
A——裙座开孔设人孔处的截面积，mm2；
sm
A——基础环的面积，mm2；
b
C——厚度附加强，mm；
C——钢板负偏差，mm；
1
C——腐蚀裕量，mm；
2
E——材料的弹性模量；
DN——公称直径,mm；
d——开孔直径,mm；
d——垫板上地脚螺栓孔直径,mm；
2
d——人孔直径mm；
i
D——筒体的内径，mm；
i
D——塔设备第i段迎风面的有效直径，mm；
ei
D——设备各计算段的外径，mm；
oi
D——基础环的外径，mm；
ob
ib D ——基础环的内径，mm ；
P ——设计压力，MPa ； L P ——液柱静压力，MPa ；
C P ——计算压力，MPa ； T P ——水压试验压力，
MPa ； i P ——第i 段风载荷N ；
01m ——塔体圆筒、封头、裙座质量，kg ； 02m ——塔内件如塔盘或填料的质量，kg ；
03m ——保温材料的质量，kg ； 04m ——扶梯与平台的质量，kg ； 05m ——操作时物料的质量，kg ； w m ——水压试验时充水的质量，kg ；
e m ——偏心载荷，kg ；
0m ——设备在正常操作时的最大质量，kg ；
max m ——塔设备在水压试验时的最大质量，kg ；
min m ——塔设备在停工检修时的最小质量，kg ；
k m ——距地面高度k h 处的集中质量，kg ；
eq m ——设备的当量质量，kg ；
i f ——风压高度变化系数；
0q ——各地区的基本风压，Pa ；
K —载荷组合系数；
1K ——塔的体型系数；
zi K ——塔设备各计算段的风振系数； 3K ——笼式扶梯的当量宽度，m ；
4K ——操作平台的当量宽度，m ； ε——脉动增大系数； i ν——第i 段的脉动影响系数； zi φ——第i 段的体型系数； 0d ——塔顶管线外径； 1T ——塔的自震周期，s ； g T ——各类产地的自震周期，s ； α——地震影响系数；
1α——第一振型的地震影响系数；
z C ——综合影响系数；
1k η——基本阵型参与系数； max α——地震影响系数α的最大值； i h ——计算截面i i -距地面的距离,mm ；
i F ——在截面i-i 处的基本振型水平地震力，N ；
i i v F -——塔任意质点i 处得垂直地震力，N ； max v α——垂直地震影响系数的最大值； β——裙座半锥角；
I I
EI
M -——截面i-i 处地震弯矩，N mm ⋅； I I
W
M -——设备任意截面I-I 的风弯矩，N mm ⋅； e M ——偏心弯矩，N mm ⋅；
max M ——设备最大弯矩，N mm ⋅；
11
max
M -——容器任意截面I-I 最大弯矩，N mm ⋅； sb Z ——裙座底部截面的截面系数，3m m ； sm Z ——裙座开孔设人孔处得截面系数，3m m ；
b Z ——基础环的截面系数，3m m ； a R ——混凝土基础的许用应力，MPa ；
n —一地脚螺栓个数；
1d ——地脚螺栓螺纹根径mm ； r f ——强度削弱系数； 1h ——外侧有效高度，mm ； 2h ——内侧有效高度，mm ；
第一章 填料塔的选型和结构设计
1.1 设计目的
设计二氧化碳吸收塔，用来脱除变换器气中的二氧化碳气体，得到合成氨的原料气体氮气和氢气。

1.2 设备技术特性
表1-1 封头结构尺寸
工作压力
MPa
工作温度 ℃ 主要介质 填料体积
3m
设计风压
MPa
地震设防强度
1.8 120
碳酸钾溶液 94 500
8级
1.3 填料塔的选型和结构设计
1.31 筒体和封头的选型
本设计采用标准椭圆形封头，易于冲压和成型，是目前中、低压力容器中应用较多的封头之一。

常见设备筒体大都是圆柱形结构，所以采用单层式圆柱形筒体，结构简单、易于操作，易于气体的吸收和内部部件的布置。

图1-1 封头结构示意图查压力容器设计手册表，封头各参数如下：
表1-2 封头结构尺寸
公称直径
DN 总高度
H
直边高度
h
内表面积
2
/m
F
i
容积
3
/m
V
质量
Kg
2200 590 40 5.52 1.55 683.2 1.3.2 裙座的选型
因为1
DN m
>、且/30
H DN<，采用圆筒形裙座就可以满足较少地脚螺栓的合理布置，因采用圆筒形裙座。

查阅《塔设备》表8-9，裙座筒体上端至封头切线的距离h=95mm，裙座高度为2100mm，其厚度与筒体相等G
δ=16mm。

裙座筒体与塔体采用对接焊接。

1.3.4 人孔的选取
由《化工容器及设备简明设计手册》标准号HG21514~21534-2005，及设计压力选择回转盖带劲对焊法兰人孔，凸面，材料为Q345R。

人孔尺寸
由《化工容器及设备简明设计手册》表23-1-13得所选人孔结构表如下：
表1-3 人孔结构表
密封面型式公称
压力
PN
公称
压力
DN
w
d s
⨯d D
1
D
1
H
2
H b
凸面
RF（A）
型
2.5 500 530×12 506 730 660 280 128 44
1b 2b
A
B L
0d
螺柱数量 螺母数量 螺柱尺寸 总质
量kg 46 48 405
200
300
30
20
40
M33×2×170
303
人孔的型式：
图1-2 人孔的形式
1.3.5 接管的选取
根据介质特性，接管材料选用20号钢, []MPa t 140=σ.查《压力容器设计常用标准》Ⅱ系列表4.3.1接管尺寸如下表：
表1-4 接管尺寸
项目公称直径
DN/mm 从长度
mm
总质量
Kg
内径
mm
外径
mm
壁厚
mm
液面计接
口管
15 300 0.33 15 18 3
自动液面
计借口管
40 300 1.07 41.5 45 3.5
排污口80 2128 17.83 85 89 4
通气孔80
进液口200 2300 55.10 213 219 6
出液口200 1900 59.77 213 219 6
进气口250 2350 122.85 265 273 8
出气口250 300 15.68 265 273 8
引出管通
道
250 300 13.07 265 273 8
卸料口500 1200 138.75 521 530 9 人孔500
检查孔500 150 17.34 521 530 9 1.3.6 接管法兰的选取
查钢《制管法兰、垫片和紧固件》HGT20595-2009表4-3，本设计采用凸面带颈对焊法兰，其结构和尺寸如下：
图1-3带颈对焊法兰结构表1-5 接管法兰尺寸
公称尺寸
DN 钢管外径
法兰焊端
外径
1
A
A类
连接尺寸
法兰外径
D
螺栓孔中
心圆直径
K
螺栓孔
直径
L
螺栓孔
数量
n
螺栓
Th
15 18 95 65 14 4 12
M
40 45 150 110 18 4 M 16 80 89 200 160 18 8 16
M 200 219 360 310 26 12 M24 250 273 425 370 30 12 M27 500 530 730 660 36 20 M33×2
公称尺寸DN 法兰质
量
Kg
法兰高
度
法兰厚
度
C
法兰颈
N
A类
S1H
R
15 0.75 38 14 32 3.2 6 3
40 2.37 45 18 64 3.6 7 5 80 5.03 58 24 110 5.6 12 6 200 17.4 80 30 244 6.3 16 8 250 24.4 88 32 296 6.3 18 10 500 92.5 125 44 580 11 20 12
表1-6密封面结构尺寸
公称尺寸
DN 密封面公称尺寸
d
15 46
40 84
80 132
200 284
250 340
500 615
1.3.7 选择管法兰垫片
根据HG/T20635-2009表3.0.2选用垫片形式
表1-7 垫片型式选用表
垫片型式公称压力
PN
公称尺寸
DN
最高使
用温度
密封面
型式
密封面的
表面粗糙
度
a
R()mμ
法兰型
式
非石棉纤维橡胶板
40
≤102000290
凹面/凸
面
3.212.5带颈对
焊法兰
由HG/T 20606-2009表4.0.2-3得垫片尺寸:
表1-8 垫片尺寸mm
公称尺寸 DN 垫片内径1D 垫片外径
2D 垫片厚度
T
包边宽度
b
15 22 51 1.5
3
40 49 92 80 89 142 200 220 284 250 273 340 500
530
624
3
1.3.7 管法兰紧固件选取
表1-9 螺母和螺栓（螺柱）参数
螺母类型
DN
规格
螺栓螺柱类型
数量
22l
质量/1000件 螺栓 螺母
I 型六角螺母 （GB6170）
15 12M 六角头螺栓A 级（GB5782）
4 70 49.9 11.93 40 M 16
4 8
5 111 29 80 16M
8
100 131 29 200
M 24
双头螺柱B 级（GB901）
12 125 369 88.8 250
M 27
12
135 515 132.4 六角螺母（HG20613） 500
M 33×2 双头螺柱B 级（HG20613）
20
165
947
242.8
1.4 填料的选择
参考由《塔设备》本设计选用陶塑料鲍尔环和塑料矩鞍环，塑料材质质量轻，鲍尔环为较为普通的填料形式，价格便宜，矩鞍环为最高效的填料之一，不易迭合，处置效率高，但价格较高，所以只用少部分放在填料的最底层，可避免鲍尔环的阻塞，两者都采用乱堆排列。

查《化工原理见面设计手册》填料各参数如下表：
表1-9 填料参数
填料
种类
公称
尺寸
mm 外径⨯
高
mm
堆积
个数
个
3
/m
堆积
密度
3
/
kg m
比表
面积
23
/
m m
空隙
率
33
/
m m
干填
料因
子
1/m
湿填
料因
子
1/m
塑料
拉西
环
50 48×1.8 7000 87.5 106.4 0.90 146 120
塑
料矩
鞍环
76 45×2 3700 104.4 200 0.885 289 96
1.5 除沫器的选择
当空塔气体流动速度过大时，塔顶溅液严重，避免出塔气体出现夹雾现象，所以设置除沫器，保证气体的纯度和设备的正常运转。

查阅《塔设备》可知，犹豫鲍尔环和矩鞍环调料的雾滴粒度为1×5
10-m以上，所以选择丝网除沫器，其分离大于1×5
10-m的雾滴的效率可达99.5%以上，对于6
10
)5
~
2(-
⨯的雾滴也能很好的除去。

参阅《塔设备》表8-6上装式丝网除沫器的基本参数如下：
表1-10 除沫器基本参数
公称直径
/mm
主要尺寸有效直径
/mm
质量/mm H1
H
2200 100 360 2100 208
图1-4 丝网除沫器结构图
1.5 填料支撑装置
填料支承装置对填料塔的结构稳定性起关键作用，对其要求：有足够的机械强度来支撑填料的重量；能够提供足够大的自由载面积，减小了气液两相的流动阻力。

本设计采用梁式气体喷射式支撑板，其对气体和液体分别单独提供通道，气体流动阻力小，液体易于排出，查阅《塔设备》其结构图和尺寸如下：
图1-5 支撑板结构示意图
表1-11支承板结构尺寸
塔径支承板
外径
支承板
分块数
支承圈
宽度
支承圈
厚度
2200 2160 7 50 14
表1-12 支承板形式尺寸
塔径波形波形尺寸
b H
⨯
t
9004000300300
⨯300
表1-13支承板的特性
塔径DN
mm 自由截面
%
支承板允许载荷，N
碳钢不锈钢
2100 102 89090 107560
1.6 填料压板
为了限制填料的移动、撞击，以免损坏填料，需在填料上方增设压板，对于塑料填料采用床层限制版，其重量轻，对填料起限制作用。

查《塔设备》其结构如下：
图1-6 床层限制板
床层限制板与压板结构类似，但重量较轻，一般为2300/N m 左右。

床层限制板必须固定于塔壁，否则将失去作用。

当塔径1200D mm 时，则限制板外径比塔的内径小2538mm 。

1.7 填料的液体分布器
溢流型布液器是较为广泛应用的分布器，应用于大型填料塔，具有操作弹性大易堵塞、操作可靠等优点，本设计采用溢流槽式布液器。

图1-7 溢流槽式布液器结构图
表1-14溢流槽式布液器设计参数数据
塔径DN
mm
喷淋槽分配槽
外径
mm
数量中心距
mm
数量中心A
mm
2200 D-20 6 300 2 850
1.8 填料的液体再分布器
当喷淋液体流过第一层填料时，不再呈均匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势，使吸收效率降低，因此需要液体的再分布，增设再分布装置。

梁型再分布器适用于直径在1200mm以上的大型塔设备，所以易采用此种再分布器。

查阅《塔设备》其参数如下：
图1-10 梁型再分布器
表1-15梁型再分布器设计参数
塔径DN
mm 盘外径
1
D mm
螺栓圆直径
2
D mm
分块数升气管数
液体负荷范围
3/
m h
2200 2175 2035 19 6 12-340
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