氨合成塔说明书

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1、摘要氨合成塔被称为合成氨厂的心脏，它是整个合成氨厂生产过程中的主要关键 设备之一。本次氨合成塔设计的内容包括工艺流程的设计、内件结构、材料、外壳结构 的选择、工艺计算、强度计算、消防及其它辅助设备的设计、主要零部件的制造 工艺、安装、检查与维修。是以提高其工作能力、生产效率为目的而设计的操作 方案。本题目涉及的知识面很广，包括工程制图、材料力学、机械原理、机械设 计、化工原理、过程机械制造、过程流体机械、过程设备设计、 GB12337-1998 及 GB150-1998 等。关键字: 氨合成塔 工艺计算 强度计算 辅助设备设计AbstractSynthetic ammonia tower kn

2、own 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, t

3、he 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 k

4、nowledge, 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 calculat

5、ion of intensity；ancillary equipment design目录摘 要IAbstract II第 1 章 绪 论11.1 氨合成塔的发展状况11.2 氨合成塔的设计要求11.3 氨合成塔的设计原则1第 2 章 氨合成塔的工艺设计32.1 氨合成塔的工艺流程32.2 工艺条件32.3 物料衡算42.4 热量衡算4第 3 章 氨合成塔的结构设计63.1 材料选用63.2 触媒筐方案计算63.2.1 已知条件63.2.2 内件结构选型63.2.3 触媒筐结构方案73.2.4 各传热系数的计算83.2.5 对计算结果进行校验123.3 热交换器的计算143.3.1 设备选型及

6、设计条件143.3.2 换热器热量计算143.3.3 换热器有效长度的计算163.3.4 计算总传热系数 K203.3.5 换热器管板厚的确定213.3.6 换热管稳定性校核223.4 氨合成塔筒体设计233.5 氨合成塔封头的设计243.5.1 封头的结构形式243.5.2 封头的设计计算243.6 确定群座壁厚253.7 风载荷计算263.8 地震载荷的计算283.9 各种载荷产生的轴向应力计算283.10 塔体强度及轴向稳定性校验293.11 裙座强度及轴向稳定性校验 303.12 基础环设计 31第 4 章 氨合成塔的安装和维护检查334.1 氨合成塔的安装334.1.1底座的安装33

7、4.1.2外筒的氨装 334.1.3内件的安装 344.3 氨合成塔的检查354.3.1 定期检查 364.3.2 非定期检查 36结论37参考文献38致 谢39第 1章 绪 论1.1 氨合成塔的发展状况 我国的氨合成工业从薄弱迅速发展起来，在短短几年里设计和采用了三套 管、单管并流、两次合成等多种新型氨合成塔；换热器的型式也发生了很大的变 化，从单一转化为多样化，高效传热，回收热能、节省能源，使氨合成塔的生产 能力大大提高，技术经济指标有所改善。有很多知识分子投入氨生产的研究和生 产当中，大多数的氨合成厂都在进一步的扩建当中。随着合成氨技术的不断发展,氨合成塔向单系列、大型化、节能型方向发展

8、。 目前我国有大型氨合成装置 30 套,所使用氨合成塔有 5 种类型,即凯洛格型、托 普索型、伍德型、布朗型、卡萨利型。这些塔型根据气体流动方向不同 ,分为轴 向流型、径向流型和轴径向流型 ,各有所长。轴向流塔操作稳定 ,催化剂装量多 ; 径向流塔效率高,压力降小,操作敏感性强,要求高效催化。总之，我国的氨合成工艺经过赶上了发达国家水平，为我国的工农业生产作 出了重大的贡献，所以我们必须不断探讨和掌握氨合成塔的规律，使氨合成塔的 设计、制造、生产、安装、维护都达到一个新的水平，而且要继续攀登新的高峰， 夺取胜利。应对氨合成塔进行以下改进：增大触媒装填容积，提高利用率；采用新型触 媒，充分发挥触

9、媒的活性；降低气体阻力，改善气体分布的均匀性；采用两进两 出两次合成新工艺；强化传热，合理安排冷热交换，提高热能回收比率；改善温 度分布，使其达到最佳；简化系统，使操作集中，提高系统运转的可靠性1。1.2 氨合成塔的设计要求(1) 气体均布气体均布理论我国在 20 世纪 70 年代就有研究,主要体现在分布器的设计、 加工上。要求分布器筒体的加工精度高,增大气流使气体均布,但会引起局部气体 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,又要节省高压空间。(2) 用材、焊接要求高氨合成塔内件处于高温、高压、氢介质环境,对用材要求高,一般用不锈钢,并 且对 Cr 、Ni 及铁素体的含量有严

10、格要求,关键部位用 Inconel 600Incoloy ,确保不 腐蚀开裂。焊接应注意焊接接头的化学成份和金相组成、焊接接头和热影响区的 硬度及焊缝表面质量。(3) 解决热应力 解决热应力的方法有设置膨胀节、设置填料密封、采用迷宫密封和自由膨胀 结构,进行精确计算并严控加工质量,以改善管板受力状态2。1.3 氨合成塔的设计原则氨合成塔的工艺参数和结构型式的选择即取决于所担负的生产任务和原料 气的成分以及操作条件（如压力、温度等），又与合成工段其他设备的能力大小 和配置有关。各部件的具体结构和尺寸不仅取决于结构的要求，而且也取决于所 选用的材料性能、强度和刚度的要求、制造和运输的条件、设备的投

11、资和先进性 等因素。所以我们设计的内容包括很多，如工艺流程的设计、内件结构、材料、 外壳结构的选择、工艺计算、强度计算以及很多辅助操作。必须以提高其工作能 力、生产效率为目的而设计更多的操作方案。结构设计原则：满足工艺要求；满足强度要求；可靠、安全；容易制造、结 构简单、省材料、重量轻、应力分布均匀。材料设计原则：在满足强度和刚度的要求下主要满足防腐要求；在满足设计 条件（处理量、设计温度）下尽量选择便宜易加工的材料，做到经济、耐用、实 惠3。3第2章 氨合成塔的工艺设计2.1氨合成塔的工艺流程工业上采用的氨合成流程形式多种多样，设备结构与操作条件各不相同，但 是他们的基本合成步骤大致相同：经

12、过净化的氢氮混合气体经压缩机压缩到一定 的压力后，自塔顶沿塔壁与内筒之间的间隙流下进入热交换器内与反应后的热气 体逆流换热，然后直接进入中间的出门筐，经预热后的气体经过上触媒筐中心管 及其中的电加热器返入触媒层，气体在触媒作用下逐段进行反应，反应热由层间 冷却盘管中的高压循环水导出，反应后的气体最后流经换热器管间而出塔。有些 混合气不能完全反应生成氨气，必须将剩下的气体经循环压缩机补充压力与压缩 机送入的新鲜气体混合后再次进行合成，如有些循环多次操作使惰性气体超标， 则必须放空。工艺流程的好坏直接影响着合成塔的工作效率和正常工作，所以我们要选择 最佳的工艺流程。根据所给的设计条件以及实习现场的

13、观察，我们采用了不副产 蒸汽的氨合成流程图，如图2-1所示。图2.1氨合成流程图设计温度：200C出口温度：360C2.2工艺条件(1) 气体处理量:80000Nm3/h(2) 原始数据：设计压力：29.4MPa塔内径：0800换热器的设计参数 壳程入口温度：60 C管程入口温度：470 C2.3物料衡算气体处理量80000二3571.4 kmol/h,假设进塔气成分为H22.4 220.5%,NH 2.6%,CH + A 15.4%,出塔气氨含量为 14%.34 r计算基准：100公斤分子进塔气体F = 100 准=0.026 聪=0.14由下式计算氨产量Ay N(0.14 - 0.026)

14、 x 100 “八二八工N二-Tr = 10公斤分子a 1 + ya261.5 %, N21 + 0.14(2-1)出塔气体流量N二N - N二100 -10二90公斤分子T2T a出塔气体成分(1 - y - y )N - 2N(1 - 0.026 - 0.154) x 100 - 20NT2903H + N - a 1 匚丿2 2=0.68893其中 H2=0.6889x =0.5167241 N2=0.6889 x 二 0.172224y N 0.154 x 100CH + A 二r Tr 二二 0.17114 r N90T2所以出塔气体成分为：H 51.67%,N 17.22%,NH

15、14%,CH + A 17.11%.2234 r2 x 10由下式计算合成率(2-2)x =迄=匕=0.2439N (1 - y - y )(1 - 0.026 - 0.154) x 100T1勺 i合成率为24.39%。2.4热量衡算设进塔气体温度为30C，操作压力为29.4MPa，热损失不计，假设出塔气温 度为178 Co进塔气体平均温度二30也8二104 C2由附录中混合气热容图查得29.4MPa压力下含惰性气体15.4%，氨2.6%得 混合气体104C时得热容为7.4千卡/公斤分子C。由图9-4-3查得178C时一AHR = 12165千卡/公斤分子I。由下式:(2-3)“ A (-AHR)(0.14 0.038) x 12165147。厂(1 + y )C(1 + 0.74) x 7.4计算值与假定值基本相符，计算有效。第 3 章 氨合成塔的结构设计3.1 材料选用外筒温度小于200C，故其选材只